城軌車輛電氣系統(tǒng)課件：城軌車輛牽引主電路

城軌車輛電氣系統(tǒng)

城軌車輛牽引主電路

城軌車輛電氣系統(tǒng)

城軌車輛牽引主電路（1）目錄牽引系統(tǒng)概述一.牽引主電路組成二.牽引主電路各部分原理三.（一）牽引系統(tǒng)的功能牽引系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)列車的牽引和電氣制動。1、牽引工況：為列車提供牽引動力：接觸網(wǎng)（直流電）→三相交流電（變壓變頻）→牽引電機(jī)（牽引力）→列車。2、電氣制動工況：（1）再生制動：列車動能→牽引電機(jī)（電能）→直流電→接觸網(wǎng)（優(yōu)先，條件是發(fā)電電壓高于網(wǎng)壓）。（2）電阻制動：列車動能→牽引電機(jī)（電能）→直流電→制動電阻（無法反饋時采用）。牽引系統(tǒng)概述一（二）牽引系統(tǒng)分類1、按電機(jī)性質(zhì)分直流牽引系統(tǒng)（有刷直流系統(tǒng)已經(jīng)淘汰，新型無刷直流牽引系統(tǒng)和交流系統(tǒng)類似）和交流牽引系統(tǒng)。2、按照拖動電機(jī)數(shù)分一拖二（1C2M）和一拖四（1C4M）3、按控制單元控制原理分矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。牽引系統(tǒng)概述一（三）牽引系統(tǒng)的主要設(shè)備由受流器、避雷器、高速斷路器、VVVF逆變器、牽引控制單元（DCU）、參考值轉(zhuǎn)換器、牽引電機(jī)、制動電阻、接地裝置組成。牽引系統(tǒng)概述一1、牽引主電路圖牽引主電路二2、牽引主電路組成框圖牽引主電路二輸入電路濾波電路制動斬波電路VVVF逆變電路交流牽引電機(jī)牽引控制單元DCUDC1500V+－UVW3、牽引主電路主要設(shè)備牽引主電路二直流接觸器1直流接觸器2線路濾波電抗器的結(jié)構(gòu)符號空心或帶鐵芯的線圈牽引逆變器內(nèi)部牽引電機(jī)制動電阻箱軸端接地裝置1、輸入電路牽引主電路各部分原理三由DC1500V高壓連接（高壓箱、接地裝置）、預(yù)充電回路、差動電流傳感器、線電壓傳感器（1）DC1500V高壓連接（高壓箱、接地裝置）將DC1500V電源引入逆變器，形成輸入及回流回路。（2）預(yù)充電回路KM1、KM2、R1給逆變器濾波電容預(yù)充電（限流充電3S，短接接觸器閉合）充滿后再全流給逆變器上電；目的是防止初次上電時過大的充電電流損壞電路設(shè)備。牽引主電路各部分原理三（3）線電壓傳感器VH1檢測輸入電壓。（4）差動電流傳感器LH1、LH2檢測輸入電流及接地回流的差值，大于80A該回路高速斷路器跳閘。主要探測從DC供電到牽引電機(jī)定子線圈的任何接地故障。牽引主電路各部分原理三2、濾波電路（中間直流電路）牽引主電路各部分原理三由LC濾波器（電感L和電容C）、持續(xù)放電電阻,中間電壓傳感器、泵升電壓限制電路組成。（1）LC濾波器（電感L和電容C）濾除輸入和輸出雜波、限制逆變器損壞時產(chǎn)生的過電流。牽引主電路各部分原理三（2）持續(xù)放電電阻R2逆變器斷電時泄放濾波電容中的電能。（3）中間電壓傳感器VH2檢測中間直流電路的電壓。（4）泵升電壓限制電路V1、R3當(dāng)逆變器處于制動狀態(tài)時，防止發(fā)電電壓過高損壞電路絕緣及電容器。如果直流側(cè)電壓上升到高于最大允許等級（2000V），逆變器將被關(guān)閉。牽引主電路各部分原理三3、制動斬波電路牽引主電路各部分原理三由兩個制動斬波器，兩個制動電阻器、兩個電流傳感器組成。

（1）制動斬波器由兩個IGBT組成，其導(dǎo)通及關(guān)斷由DCU發(fā)PWM信號觸發(fā)，通過開關(guān)斬波作用，控制制動流入兩個制動電阻中電流的大??；中間環(huán)節(jié)電壓過高時，將超高能量轉(zhuǎn)送到制動電阻中消耗；逆變器關(guān)閉時泄放濾波電容中的殘存電壓。并接在IGBT的兩個二極管的作用是續(xù)流，目的是形成無功返送通路且防止IGBT斷開時過高的反向電勢損壞開關(guān)管。（2）中間電流傳感器LH5、LH6

檢測兩個制動電阻回路電流。（3）制動電阻

消耗列車制動時的能量，把由列車制動時產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉從而產(chǎn)生制動力。牽引主電路各部分原理三（3）制動電阻

消耗列車制動時的能量，把由列車制動時產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉從而產(chǎn)生制動力。牽引主電路各部分原理三4、VVVF逆變電路牽引主電路各部分原理三VVVF逆變器由6個功率開關(guān)元件及6個二極管、構(gòu)成，功率開關(guān)元件采用IGBT模塊，由脈沖信號觸發(fā)其導(dǎo)通及關(guān)斷。（1）VVVF逆變器在牽引工況時，由6個功率開關(guān)元件及6個二極管構(gòu)成三相橋式逆變電路，由DCU發(fā)PWM脈沖信號觸發(fā)其導(dǎo)通及關(guān)斷。把1500V的直流電逆變成變壓變頻三相交流電（額定電壓1110V，額定頻率75Hz）。并接在開關(guān)管兩端的6個二極管此狀態(tài)時起續(xù)流作用。（2）整流電路在制動工況時，IGBT開關(guān)管和二極管構(gòu)成PWM整流電路，將牽引電機(jī)電氣制動時發(fā)出的三相交流電整流成直流電，送回接觸網(wǎng)或制動電阻中消耗掉，形成制動力。

牽引主電路各部分原理三5、牽引控制單元DCU牽引逆變器控制單元DCU涵蓋開環(huán)/閉環(huán)控制任務(wù)和牽引逆變器故障保護(hù)的所有功能。DCU通過多功能車輛總線MVB連接到VCU，VCU可以實(shí)現(xiàn)牽引逆變器與控制指令層面之間的聯(lián)系。

DCU通過GDU（IGBT驅(qū)動板）控制逆變器及制動斬波器的工作，實(shí)現(xiàn)逆變、斬波、整流等工作工況。DCU內(nèi)設(shè)有冷卻風(fēng)扇，通過溫度監(jiān)測（兩個散熱片溫度、進(jìn)風(fēng)口溫度和ICU的PC板溫度）進(jìn)行控制。輸出電流傳感器LH3、LH4用于檢測輸出電流，為逆變器控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制提供電流反饋信號。牽引主電路各部分原理三6、牽引電機(jī)牽引主電路各部分原理三三相牽引電機(jī)，輸出列車牽引所需的扭矩。逆變器采用1C4M的形式，牽引電機(jī)由于在轉(zhuǎn)向架上的布置位置不同。每個轉(zhuǎn)向架一臺正轉(zhuǎn)，一臺反轉(zhuǎn)，其接線為兩臺正序，兩臺反序。

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城軌車輛牽引主電路（2）目錄逆變器工作原理一.牽引主電路工況二.牽引系統(tǒng)工作原理三.1、逆變電路把直流電變?yōu)榻涣麟姷碾娐贰?/p>

為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。逆變器工作原理一CdVT1VT3VT5VT6VT4VT2ABCUd2Ud2L三相橋式逆變器主電路等效圖2、逆變電路原理——主要解決問題：直流電和交流電的本質(zhì)區(qū)別？（提問、探討）電路如何把直流電變成交流電？（控制開關(guān)工作順序）電路如何變頻？改變開關(guān)變換導(dǎo)通的時間（周期）電路如何變壓？（導(dǎo)通比α，PWM斬波）電路輸出是方波，如何或得正弦波？（SPWM調(diào)制）如何控制電子開關(guān)的動作？（計(jì)算機(jī)控制）逆變器工作原理一①直流電和交流電的區(qū)別（本質(zhì)：電勢方向）

直流電的方向不隨時間變化，而交流電的方向是隨時間作周期性變化的。0tU0tU逆變器工作原理一②逆變——直流變交流（控制開關(guān)工作順序）0tUR這樣控制四個開關(guān)的開閉過程，供負(fù)載R得到不同方向的電壓。逆變器工作原理一③變頻原理：改變開關(guān)變換導(dǎo)通的時間（周期），即可改變輸出交流電的頻率。0tUR0tUR逆變器工作原理一④變壓原理：通過改變開關(guān)的導(dǎo)通比α來改變了負(fù)載的電壓，即通過PWM斬波調(diào)制的方法將矩形波變成若干段矩形波來控制平均輸出電壓。0tUR0tUR逆變器工作原理一⑤正弦波逆變控制原理：即通過SPWM斬波調(diào)制的方法將矩形波變?yōu)檎也ā?tUR0tUR逆變器工作原理一⑥如何控制電子開關(guān)的動作？（計(jì)算機(jī)控制）寫程序計(jì)算機(jī)驅(qū)動電路電子開關(guān)tuRt1t2-uRt3電子開關(guān)的動作過程：1、t1-t2，k1、k2閉合，k3、k4斷開。2、t2-t3，k3、k4閉合，k1、k2斷開。3、重復(fù)上述動作。逆變器工作原理一結(jié)論改變開關(guān)開通的順序就改變了電流的方向（逆變），改變開關(guān)開通的導(dǎo)通比α（導(dǎo)通時間和關(guān)斷時間比)就改變了負(fù)載的電壓（變壓），改變開關(guān)工作周期(時間）就改變了頻率（變頻），這就是直-交變頻調(diào)壓的基本原理；也就是VVVF控制的基本原理。逆變器工作原理一1、牽引工況接觸網(wǎng)→牽引逆變器→牽引電機(jī)牽引主電路工況二2、電制動工況（1）再生制動

牽引電機(jī)→牽引逆變器→接觸網(wǎng)牽引主電路工況二（2）電阻制動

牽引電機(jī)→牽引逆變器→制動電阻牽引主電路工況二（一）牽引系統(tǒng)工作條件

牽引系統(tǒng)由牽引控制單元DCU控制，牽引系統(tǒng)必須滿足以下三個條件才開始工作。（1）牽引方向（2）牽引授權(quán)指令（3）參考值1、牽引方向牽引方向由司機(jī)控制器方向手柄給出，且必須靜止時進(jìn)行，如果非零速（運(yùn)行中）時換向，DCU將封鎖牽引指令，TCMS將啟動緊急制動。牽引系統(tǒng)工作原理三2、牽引授權(quán)指令牽引授權(quán)指令包含牽引指令和制動指令，由司機(jī)控制器主控手柄或ATO給出。牽引指令的必須滿足以下條件才有效：（1）無制動指令（2）所有車門關(guān)好（3）主風(fēng)缸壓力達(dá)到牽引要求值（4）緊急制動已經(jīng)緩解（5）所有空氣制動及停放制動已經(jīng)緩解牽引系統(tǒng)工作原理三3、參考值由司機(jī)控制器主控手柄或ATO給出。

人工駕駛時，參考值由司機(jī)控制器給出，自動駕駛時由ATO給出。參考值對應(yīng)的是列車加速度的需求值，因此DCU需計(jì)算牽引給定力，并進(jìn)行級位補(bǔ)償、載荷補(bǔ)償、輪徑補(bǔ)償，使得列車加速度與列車級位間呈線性關(guān)系。牽引系統(tǒng)工作原理三（二）牽引系統(tǒng)控制原理框圖牽引系統(tǒng)工作原理三司機(jī)臺控制臺受電弓高速斷路器線路接觸器線路濾波器VVVF隔離開關(guān)軸端接地裝置鋼軌（電源負(fù)極）避雷器受電弓控制系統(tǒng)高速斷路器控制系統(tǒng)線路接觸器控制系統(tǒng)DCU牽引電機(jī)接觸網(wǎng)（電源正極）硬線指令BCU空氣制動裝置網(wǎng)絡(luò)指令（TCMS、VCU、MVB）輪對（二）牽引系統(tǒng)控制原理框圖

牽引系統(tǒng)工作原理三牽引控制原理

列車牽引控制有繼電器（硬線）控制和網(wǎng)絡(luò)控制，并采用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先的控制方式，硬線緊急牽引控制作為備用。

在列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)正常時，列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（TCMS）采集司機(jī)控制器或ATC系統(tǒng)的牽引、制動指令及級位（參考值）大小并通過MVB總線發(fā)送到DCU、BCU，完成列車的牽引及制動控制，并反饋牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)的狀態(tài)信息。

當(dāng)列車控制網(wǎng)絡(luò)故障時，采用緊急牽引模式，由繼電器邏輯電路和列車硬線來實(shí)現(xiàn)列車的牽引和制動控制。牽引系統(tǒng)工作原理三（三）牽引系統(tǒng)的工作模式牽引系統(tǒng)的工作模式有兩種：正常牽引和緊急牽引。1、正常牽引

正常牽引有人工駕駛模式和自動駕駛模式，由TCMS判斷。當(dāng)模式開關(guān)打到ATO模式，方向手柄在“向前”位，主控手柄在“零”位，并且有ATC發(fā)過來的ATO激活信號，列車處于自動駕駛模式。其他模式為人工駕駛模式。在自動駕駛運(yùn)行過程中，自動駕駛模式建立條件丟失，列車進(jìn)行緊急制動，列車模式自動轉(zhuǎn)為人工駕駛模式。牽引系統(tǒng)工作原理三（1）人工駕駛模式

在人工駕駛模式下方向指令、牽引指令由硬線給出，參考值由司機(jī)控制器通過網(wǎng)絡(luò)給定。牽引系統(tǒng)工作原理三牽引控制單元DCU牽引控制逆變器牽引電機(jī)TCMS主控手柄參考值牽引指令方向指令給定值（2）自動駕駛模式

在自動駕駛模式