城轨车辆牵引与电制动

第八章 牵引和电制动第一节 系统基本组成和工作原理一． 牵引/制动系统组成广州地铁一号线车辆牵引和电制动系统由德国ADtranz 公司提供，是国内首家采用交流传动和动力分散型控制技术的地铁车辆项目。

整个系统由受电弓、高速断路器HSCB 、VVVF 牵引逆变器、DCU/UNAS （牵引控制单元）、牵引电机，制动电阻等组成，如图1所示。

1 —— DCU 对VVVF 逆变器的线路电容器充/ 放电控制2 —— DCU/UNAS 对VVVF 逆变器及电机转矩控制图1：牵引系统组成示意图 列车受电弓从接触网受流，通过高速断路器后，将1500VDC 送入VVVF 牵引逆变器。

VVVF 牵引逆变器采用PWM 脉宽调制模式，将1500VDC 直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电，平行供给车辆四台交流鼠笼式异步牵引电机，对电机进行调速，实现列车的牵引、制动功能，其半导体变流元件采用4500V/3000A 的GTO ，最大斩波频率为450 Hz 。

VVV 输出电压的频率调节范围为0 ~ 112 Hz ，幅值调节范围为0 ~ 1147 VAC 。

二． 牵引系统基本参数牵引逆变器VVVF ：线电压 U N = 1000 ~ 1800 VDC输入线电流 I N = 480 A最大线电流（牵引） I NDMAX = 692 A最大线电流（制动） I NBMAX = 1171 A输出电流 I A = 720 A最大输出电流 I AMAX = 1080 A最大保护电流 I MAX = 2900 A输出电压 U N = 0 ~ 1050 V输出频率 f A = 0 ~ 112 Hz\GTO 最大开关频率 f P = 450 Hz制动斩波模块斩波频率 f B = 250 Hz模块冷却方式 强迫风冷牵引电机 制动电阻模块冷却片风速 V L = 8 m/s牵引电机（1 TB 2010 – 0GA02）：连续定额小时定额输出功率P M 190 210 kW额定电压 U N 1050 1050 V额定电流 I N 132 （1800 min-1） 144 （1800 min-1） A额定转矩 M N 1008 1114 Nm最大转速 n MAX 3510 3510 rpm三．基本工作原理整个控制系统由输入值设定、速度测量、电机控制、脉冲发生器、能量反馈各环节构成。

DCU通过列车线接受来自控制系统的牵引/制动力绝对值（以百分比的形式），与此同时还接受司机发出牵引或制动指令，来决定是施加牵引或制动力。

在给定值进行实际电机控制前，必须经过以下条件的处理:1.输入值设定●载荷校验DCU根据相应动车的载荷状况来调整实际牵引/制动力，这是由于采用了动力分散型控制，为了保持车钩之间的相对运动最小，并且使整车达到相同的动态特性。

●冲击限制不同的给定值大小的改变速率必须符合冲击限制的规定，但在防滑/防空转功能激活的时候则不受此限制。

●速度限制（牵引时）广州地铁一号线规定了3个速度限制，速度控制的优先级高于电机控制。

正常速度：80 km/h倒车速度：10 km/h慢行速度： 3 km/h●线电流限制（牵引时）在牵引工况时，线电流控制的优先级高于电机控制，出于功耗的考虑，该限制值为不超过每节动车720A。

●欠压保护（制动时）在制动时，网压一直受到检测，当网压降到1500V以下时，制动力矩随速度和网压相应的减少，这时不足的制动力由气制动补充。

●空转/滑行保护空转/滑行保护通过比较拖车动车之间的速度差异来实现，通过适当减少力矩设定值，该保护能确保输出最大所要求的牵引/制动力，当拖车速度检测失败时，该保护还可以通过仿真计算拖车速度来保证正常功能。

2.速度检测每个牵引电机带一个速度传感器，输出两个通道，每个通道相差为90º的方波（电机每转为256个脉冲），通过判断相差可以确定旋转的方向。

每个牵引控制单元连接3个速度传感器。

在正常情况下，该数值直接送入DCU进行牵引控制，在进行速度测量的时候，如果出现各速度值不相等的情况（例如，空转/滑行时），甚至在极端情况下，只有一个电机的速度信息对于牵引控制来说都是足够的。

当DCU监控逻辑系统发现有一个速度传感器故障时，马上封锁该速度信号，以免对牵引控制造成严重的影响。

除了电机速度，在DCU中同样检测拖车的速度。

在拖车一个轴上装有一个编码速度传感器，同电机速度传感器不同，该传感器是单通道的（每周110个脉冲）。

在DCU中有两块电路板A305，A306“中断处理与速度测量板”专门用来处理速度信号，速度值通过计算脉冲数，然后与参考时钟周期计算得到。

3.电机控制采用空间矢量控制，电机的磁通大小和方向（空间矢量）通过逆变器输出线电压和相电流，电机速度等参数近似得到。

绕组中的电流和电机电压作为空间矢量与磁通量有关，该解耦过程使得可以单独控制磁通和力矩（磁场定向控制）。

控制结构图如下：控制系统的输入力矩设定值（1），该力矩设定值是经过控制系统的其他参数的校核（如负载，线电流，速度，冲击限制，防滑/防空转保护）才输入控制系统。

磁场设定值可以通过电机的参数（1a）计算得到，该值在整个正常速度范围内有效。

电机力矩电流的产生决定于励磁磁场和转子磁场的交互作用，如果是异步电机，励磁磁场和转子磁场均由定子电流产生，定子电流通过坐标变换为两部分：一部分（励磁电流）产生磁场，另一部分（负载电流）与励磁磁场积分再与励磁磁场一起形成力矩，为了清楚的表现各电流的关系，定义了一个旋转坐标系统（I,m），该坐标系统与磁场矢量ψ同步，该变换的优点在于励磁电流部分和负载电流部分可以单独的进行控制（与并励直流电机原理相同）。

为了获得理想的励磁磁场矢量，使用了磁场观测器（3），通过电机相电流，电机线电压和速度（2），磁场观测器在静止的坐标系统（a,b）计算磁场（ψ）的绝对值和磁场矢量的角度位置（ψflux），该旋转坐标系统可以通过该磁场矢量可以定义，通过坐标变换，将静止的电流矢量转变为旋转系统，在磁场坐标中产生电流部分（xil,wil）。

除了产生实际力矩（xmd），磁场观测器可以在当前电机的参数的基础上通过以下步骤计算系统的状态：实际和设定力矩的差值反馈给一个PI控制器（4），该控制器提供一个操作变量，该变量加上固定的预控制初始值（4a），通过当前磁场值（ψ），可以计算负载电流设定值（wil）。

实际磁场和设定值的差异也反馈给一个PI控制器（6），该控制器产生一个操作变量（Δwim）,该变量加上固定的预控制初始值（6a）计算出励磁电流的的设定值（wim），预控制初始值与操作变量一起形成了系统高性能的动态响应。

电流的设定值输入电机的定子模型（7），获得定子电压（um,ul）的矢量的两个分量，电流控制器（8）从属于矢量预控制，负载和励磁电流的设定值/实际值的差异单独的通过P控制器传递，该控制器构成定子电压的动态部分。

通过该方式产生的定子电压再通过坐标变换，从磁场导向的坐标系统转换回定子导向的坐标系统（9），在这个过程中产生电压矢量和它的角度位置（ψustator），电压矢量的绝对值与电网电压的电流有一个偏移（相控因数角度），为了确保逆变器的控制角度，将该偏移量传送到角度变换器（11）。

在旋转模型（10）中，滑差频率通过负载电流（wil）和实际磁场计算得到，定子频率（ω1）可以通过滑差频率和实际速度相加得到，该频率也是通过脉冲模式发生器（11）传递。

脉冲模式发生器从频率和相控因数计算合适的脉冲模式，同样，该发生器还决定电压矢量（用于下一个采样步骤）的角度位置（ψpulse pattern）并将该值送入控制系统。

磁场矢量的角度（ψflux）加上磁场坐标系统电压矢量的角度位置（ψUstator）必须与电压矢量（ψpulse pattern）的电流角度位置相对应，在这些角度位置产生的任何差异将作为一个动态控制校正值传到脉冲发生器（12）中，该发生器在定子电压曲线中产生一个相应的相位跳变。

当在更高的速度时，电机达到控制的限制点Amax(在方波操作的时候，Amax=100%,在其他脉冲模式时限制点还要低。

)，电机过渡到弱磁模式（14），在该模式下，脉冲的控制优先于逆变器设定力矩的输入控制，通过实际的相控因数与控制模式限制值比较，再通过PI控制器的计算（13），该控制器产生一个变量（Δwim），加到固定的预控制初始值中（6a）。

4.脉冲模式发生器脉冲模式发生器根据电机控制的三个输入变量：相控因数、定子频率、和校正角实时计算牵引逆变器中的GTO触发脉冲。

逆变器每相GTO按照以下的原则触发：在一个GTO导通期间，另一个关断。

脉冲模式发生器于是为每相提供了一个叫做潜在调整指令的指令，用于保护当逆变器应该关断而没有关断的时候，该指令迅速导通该相两个GTO来保护逆变器。

由于系统散热的原因，逆变器的工作频率（GTO的开关频率）被限制在450HZ，调制脉冲数在定子频率在30HZ内保持不变，该模式叫异步模式，同步脉冲模式为在每半波周期内有不同的方波数（线电压）。

9分频，7分频，5分频，3分频，方波。

在3分频转为方波的时候为了防止波形幅度变化剧烈有一个过渡过程，由3M转为3S，3M指的是在半个波的周期内输出电压（方波）导通宽度小于60度，3S指的是在半个波的周期内输出中间电压（方波）导通宽度大于90度，该变换的目的主要是为了减少逆变器输出电压的谐波干扰。

当定子的频率低于30HZ时，逆变器工作在异步模式下，在13-30HZ的工作范围内调制波频率为450HZ，低于13HZ时根据特性曲线载波频率为200HZ，该过程主要是确保在启动时有足够小的电机电压。

以下是根据控制和定子频率的脉冲模式表：触发脉冲从脉冲发生器到逆变器保护单元（UNAS），通过逆变器设定的保护和禁止功能过滤，以光脉冲信号的形式控制逆变器。

为了同步电机控制与逆变器开关周期，脉冲模式发生器在下一个电机控制周期前输出一个同步脉冲，5.能量反馈在电机的能量反馈中,能量反馈到电网中,如果在电制动的情况下,能量不能被电网完全吸收,多余的能量必须转换为热能消耗在制动电阻上，否则电网电压将抬高到不能承受的水平。

制动斩波器的存在确保大部分的能量能反馈回电网，同时又保护了电网上的其他设备。

由于采用动车组的编组型式，必须确保一节动车不能吸收另一节动车的制动能量，（例如由于电压传感器误差的原因），这时在制动的时候必须监测线电流的方向。

如果电流流向列车，线电压传感器的误差通过一个比例积分器来调节。

在制动时，电网电压一直被检测，如果网压降到1500V以下，制动力矩随速度和网压相应受限制，不足的电制动由气制动补充，如果网压降到回馈制动的保护值1000V时，电制动切除，列车制动完全由气制动承担。

第二节牵引控制单元DCU及逆变器保护监控单元UNAS1.牵引控制单元结构广州地铁一号线车辆牵引系统采用德国ADtranz公司开发的GEATRAC交流传动系统，主要由VVVF牵引逆变器、牵引控制单元DCU / UNAS及制动电阻组成。