轨道交通电制动演示幻灯片.ppt

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1、1.1.掌握电制动的基本原理及混合制动分配的原则掌握电制动的基本原理及混合制动分配的原则2.2.了解动力制动的控制模式和直流牵引传动控制的电了解动力制动的控制模式和直流牵引传动控制的电制动原理制动原理 3.3.掌握城轨车辆的防滑控制原理和交流牵引传动电制掌握城轨车辆的防滑控制原理和交流牵引传动电制动的基本作用原理动的基本作用原理 1一一.电制动的基本原理电制动的基本原理 电制动是车辆在常用制动电制动是车辆在常用制动下的优先选择，仅带驱动系统下的优先选择，仅带驱动系统的动车具有电制动，电制动又的动车具有电制动，电制动又有再生制动和电阻制动两种形有再生制动和电阻制动两种形式。电制动具有独立的滑行保

2、式。电制动具有独立的滑行保护和载荷校正功能。为此，每护和载荷校正功能。为此，每节动车装备有：一个三相调频节动车装备有：一个三相调频调压逆变器（调压逆变器（VVVFVVVF）；一个）；一个牵引控制单元（牵引控制单元（DCUDCU）；一个）；一个制动电阻；四个自冷式三相交制动电阻；四个自冷式三相交流电机流电机M1M1、M2M2、M3M3、M4M4（每轴（每轴一个，相互并联）。一个，相互并联）。2 当发生常用制动时，电动机当发生常用制动时，电动机M变成发电机变成发电机状态运行，将车辆的动能变成电能，经状态运行，将车辆的动能变成电能，经VVVF逆变器中六个二极管组成的桥式整流电路整逆变器中六个二极管组

3、成的桥式整流电路整流成直流电反馈于接触网，供列车所在接触流成直流电反馈于接触网，供列车所在接触网供电区段上的其它车辆牵引用和供给本车网供电区段上的其它车辆牵引用和供给本车的其它系统（如辅助系统等），此即再生制的其它系统（如辅助系统等），此即再生制动。再生制动的基本原理如图动。再生制动的基本原理如图4-1所示。所示。图图4-1 再生制动原理图再生制动原理图 3 再生制动取决于接触网的接收能力，亦即再生制动取决于接触网的接收能力，亦即取决于网压高低和负载利用能力。以上海轨取决于网压高低和负载利用能力。以上海轨道交通道交通2号线为例，接触网额定电压为号线为例，接触网额定电压为1500V，车辆最大运行

4、速度为，车辆最大运行速度为80Km/h，实际运行过，实际运行过程中制动初速度约为程中制动初速度约为70km/h。当列车进站前。当列车进站前开始制动时，列车停止从接触网受电，电动开始制动时，列车停止从接触网受电，电动机改为发电机工况，将列车运行的动能转换机改为发电机工况，将列车运行的动能转换为电能，产生制动力，使列车减速。设接触为电能，产生制动力，使列车减速。设接触网额定电压为网额定电压为U，当满足以下两个条件时列车，当满足以下两个条件时列车可以实行再生制动并向接触网反馈电能：一可以实行再生制动并向接触网反馈电能：一是接触网电压在是接触网电压在11.2U（理论值，对应于上（理论值，对应于上海轨道

5、交通海轨道交通2号线为号线为1500V1800V）范围内；）范围内；二是再生电能必须要由一定距离内的其他列二是再生电能必须要由一定距离内的其他列车吸收。如图车吸收。如图4-2所示，当车辆所示，当车辆2距离车辆距离车辆1足足够近且接触网电压在够近且接触网电压在1500V1800V之间时，之间时，车辆车辆2可以吸收车辆可以吸收车辆1所产生的反馈电能，从所产生的反馈电能，从而使车辆而使车辆1产生再生制动。当接触网电压过压、产生再生制动。当接触网电压过压、欠压或一定距离内无其他车辆吸收反馈能量欠压或一定距离内无其他车辆吸收反馈能量时，通过车辆牵引控制单元切断向接触网反时，通过车辆牵引控制单元切断向接触

6、网反馈的电能，再生制动不能实现，此时列车会馈的电能，再生制动不能实现，此时列车会自动切断反馈电路，实施电阻制动。当列车自动切断反馈电路，实施电阻制动。当列车速度小于速度小于8km/h时，利用压缩空气作为动力时，利用压缩空气作为动力源，对车辆实施机械制动，直至列车停止。源，对车辆实施机械制动，直至列车停止。4图图4-2 城市轨道交能车辆制动原理示意图城市轨道交能车辆制动原理示意图5 如果在电制动的情况下，能量不能被电网完全吸收，多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

7、的水平。制动斩波器的存在确保大部分的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其他设备。能量能反馈回电网，同时又保护了电网上其他设备。如果制动列车所在的接触网供电区段内无其他列车吸收如果制动列车所在的接触网供电区段内无其他列车吸收该制动能量，该制动能量，VVVF则将能量反馈在线路电容上，使电容电则将能量反馈在线路电容上，使电容电压压XUD迅速上升，当迅速上升，当XUD达到最大设定值达到最大设定值1800V时，时，DCU启启动能耗斩波器模块动能耗斩波器模块A14上的门极可关断晶闸管上的门极可关断晶闸管GTO：V1，GTO打开制动电阻打开制动电阻RB，

8、制动电阻，制动电阻RB与电容并联，将电机上与电容并联，将电机上的制动能量转变成电阻的热能消耗掉，即电阻制动（亦称能的制动能量转变成电阻的热能消耗掉，即电阻制动（亦称能耗制动），电阻制动能单独满足常用制动的要求。电阻制动耗制动），电阻制动能单独满足常用制动的要求。电阻制动原理如图原理如图4-3所示。所示。6图图4-3 电阻制动原理图电阻制动原理图7 电阻制动是承担电机电流中不能再生的那电阻制动是承担电机电流中不能再生的那部分制动电流。再生制动电流加电阻制动电部分制动电流。再生制动电流加电阻制动电流等于制动控制要求的总电流，此电流受电流等于制动控制要求的总电流，此电流受电机电压的限制。再生制动与电

9、阻制动之间的机电压的限制。再生制动与电阻制动之间的转换由转换由DCU控制，能保证它们连续交替使用，控制，能保证它们连续交替使用，转换平滑，变化率不能为人所感受到。当列转换平滑，变化率不能为人所感受到。当列车处于高速时，动车采用再生制动，将列车车处于高速时，动车采用再生制动，将列车动能转换成电能；当再生制动无法再回收时动能转换成电能；当再生制动无法再回收时（如当网压上升到（如当网压上升到1800V时），再生制动能时），再生制动能够平滑地过渡到电阻制动。够平滑地过渡到电阻制动。8二二.空气制动空气制动 空气（摩擦）制动是用来补充制动空气（摩擦）制动是用来补充制动指令所要求和电制动已达到最大的电制动

10、力指令所要求和电制动已达到最大的电制动力之间的差额以及没有电制动时完全由空气制之间的差额以及没有电制动时完全由空气制动来承担的列车制动要求。电制动和空气制动来承担的列车制动要求。电制动和空气制动之间的混合制动是平滑的，并满足正常运动之间的混合制动是平滑的，并满足正常运行的冲击极限。行的冲击极限。每节车设计有独自的空气制动控制每节车设计有独自的空气制动控制及部件，每根轴设计有独立的防滑装置，由及部件，每根轴设计有独立的防滑装置，由ECUECU实时监控每根轴的转速，一旦任一轮对发实时监控每根轴的转速，一旦任一轮对发生滑行，能迅速向该轴的防滑电磁阀生滑行，能迅速向该轴的防滑电磁阀G01G01发出发出

11、指令，沟通制动缸与大气的通路，使制动缸指令，沟通制动缸与大气的通路，使制动缸排气，从而解除该轮对的滑行现象。制动执排气，从而解除该轮对的滑行现象。制动执行部件采用单元制动缸，有行部件采用单元制动缸，有PC7YPC7Y型和带停放型和带停放制动器（也称弹簧制动器）的制动器（也称弹簧制动器）的PC7YFPC7YF型两种。型两种。空气制动运用情况如表空气制动运用情况如表4-14-1（“”表表示该车有空气制动施加，示该车有空气制动施加，“”表示该车无表示该车无空气制动力）空气制动力）9表表 4-1 4-1 空气制动运用情况空气制动运用情况空气制动运用情况动车的空气制动拖车的空气制动电制动滑行时-电制动故

12、障或严重滑行时车辆载荷工况AW2以上或接触网电压低于1500V时列车速度低于8Km/h（可调）包括列车停站时的保压制动停放制动快速制动紧急制动注：广州地铁一号线车辆载荷工况定义如下：注：广州地铁一号线车辆载荷工况定义如下：AWAW0 0-空载（拖车自重空载（拖车自重33t33t、动车自重、动车自重38t38t）；）；AWAW1 1-客座载荷（客座载荷（5656位坐客，位坐客，60Kg/60Kg/人）；人）；AWAW2 2-定员载荷（除坐客外，站客定员载荷（除坐客外，站客6 6人人/m/m2 2）；）；AWAW3 3-超员载荷（除坐客外，超员载荷（除坐客外，站客站客9 9人人/m/m2 2）。）

13、。10三三.常用制动优先和混合原则常用制动优先和混合原则 第一优先再生制动。再生制动与接触网第一优先再生制动。再生制动与接触网线路吸收能力，即网压高低有关。线路吸收能力，即网压高低有关。第二优先电阻制动。承担不能再生的那第二优先电阻制动。承担不能再生的那部分制动电流，再生制动电流加电阻制动电部分制动电流，再生制动电流加电阻制动电流等于电制动所要求的总电流。流等于电制动所要求的总电流。第三优先踏面摩擦制动（空气制动）。第三优先踏面摩擦制动（空气制动）。常用制动时补充电制动的不足；当没有再生常用制动时补充电制动的不足；当没有再生制动或电阻制动时，所需要的总制动力必须制动或电阻制动时，所需要的总制动

14、力必须由摩擦制动来提供。由摩擦制动来提供。11（1）电制动无故障状态下的制动原则）电制动无故障状态下的制动原则（2）电制动与空气制动混合的控制原则）电制动与空气制动混合的控制原则（3）制动力的分配）制动力的分配（4）DCU与与ECU之间有信号交换，以供之间有信号交换，以供ECU计算计算DCU是否提供所必需的是否提供所必需的300%的制的制动力，并确定是否需要进行空气制动补充或动力，并确定是否需要进行空气制动补充或完全代替。完全代替。（5）为了清洁轮对踏面，同时使空气制动的）为了清洁轮对踏面，同时使空气制动的响应时间最小，制动指令发出后，制动缸获响应时间最小，制动指令发出后，制动缸获得约为得约为

15、3050Kpa的压力，制动闸瓦即向车的压力，制动闸瓦即向车轮踏面施加一个制动力。轮踏面施加一个制动力。（6）紧急制动距离）紧急制动距离（7）停车制动）停车制动三三.常用制动优先和混合原则常用制动优先和混合原则 12四四.地铁车辆制动防滑系统地铁车辆制动防滑系统（一）地铁车辆空气制动防滑系统（一）地铁车辆空气制动防滑系统 国内现有地铁车辆空气制动防滑国内现有地铁车辆空气制动防滑系统的控制原理基本相同，但结构组系统的控制原理基本相同，但结构组成有较大不同。主要有成有较大不同。主要有2 2种形式：以北种形式：以北京地铁京地铁“新型地铁客车制动系统新型地铁客车制动系统”等等为代表的组成形式，其空气制动

16、防滑为代表的组成形式，其空气制动防滑系统组成如图系统组成如图4-44-4所示。所示。13 图图4-4 4-4 北京地铁空气制动防滑系统组成北京地铁空气制动防滑系统组成 空气管路；空气管路；.电信号线电信号线14 该防滑系统主要由该防滑系统主要由1台控制单元、台控制单元、4个速度个速度传感器、传感器、2个防滑排风阀组成。该系统与我国个防滑排风阀组成。该系统与我国目前铁路客车使用的防滑器的最大区别是每目前铁路客车使用的防滑器的最大区别是每套系统只有套系统只有2个防滑排风阀，个防滑排风阀，1个排风阀控制个排风阀控制1台转向架制动缸的充排气作用，控制的精确台转向架制动缸的充排气作用，控制的精确程度要低

17、于铁路客车防滑器。该防滑系统采程度要低于铁路客车防滑器。该防滑系统采用了用了3个滑行判据，即速度差（轴速与车辆参个滑行判据，即速度差（轴速与车辆参考速度之差）、滑行率（速度差与参考速度考速度之差）、滑行率（速度差与参考速度之比值）和减速度。制动时速度传感器将测之比值）和减速度。制动时速度传感器将测得的订号传组控制单元。控制单元计算出每得的订号传组控制单元。控制单元计算出每根轴的速度、速度差、减速度根轴的速度、速度差、减速度、滑行率等，、滑行率等，当控制单元根据上述当控制单元根据上述3个判据判断出某根轴的个判据判断出某根轴的车轮要出现滑行时，就控制该轴所在转向架车轮要出现滑行时，就控制该轴所在转

18、向架的防滑排风阀的排气、保压及充气作用，从的防滑排风阀的排气、保压及充气作用，从而控制该轴的制动缸压力，实现防滑的目的。而控制该轴的制动缸压力，实现防滑的目的。另一种是以上海、广州进口地铁车辆为代另一种是以上海、广州进口地铁车辆为代表的防滑控制方式。图表的防滑控制方式。图4-5所示是上海地铁的所示是上海地铁的空气制动防滑系统组成。空气制动防滑系统组成。15图图4-5 4-5 上海地铁空气制动防滑系统组成上海地铁空气制动防滑系统组成 空气管路；空气管路；电信号线电信号线16 该防滑系统主要由控制单元、该防滑系统主要由控制单元、4个速度传个速度传感器、感器、4个防滑排风阀组成。从组成上看，它个防滑

19、排风阀组成。从组成上看，它与北京地铁客车制动系统防滑的主要区别有：与北京地铁客车制动系统防滑的主要区别有：一是将主机与空气制动微机控制单元合二为一是将主机与空气制动微机控制单元合二为一，二是每根轴装有一，二是每根轴装有1个防滑排风阀，可单独个防滑排风阀，可单独控制每根轴制动缸的充排气作用。该防滑系控制每根轴制动缸的充排气作用。该防滑系统采用的防滑控制原理及滑行判据与我国提统采用的防滑控制原理及滑行判据与我国提速、准高速客车使用的克诺尔防滑器基本一速、准高速客车使用的克诺尔防滑器基本一样。根据速度差、减速度的变化进行防滑控样。根据速度差、减速度的变化进行防滑控制。但防滑排风阀有所不同，它利用总风

20、压制。但防滑排风阀有所不同，它利用总风压力作为先导压力，打开排风阀上制动控制单力作为先导压力，打开排风阀上制动控制单元的中继阀与制动缸的通路，切断制动缸与元的中继阀与制动缸的通路，切断制动缸与大气的通路；制动时制动风缸的压缩空气经大气的通路；制动时制动风缸的压缩空气经中继阀、防滑排风阀到达制动缸；产生防滑中继阀、防滑排风阀到达制动缸；产生防滑作用时，利用电磁力打开排风阀上制动缸与作用时，利用电磁力打开排风阀上制动缸与大气的通路，可排出制动缸内的压缩空气，大气的通路，可排出制动缸内的压缩空气，同时切断中继阀到制动缸的通路。另外，该同时切断中继阀到制动缸的通路。另外，该排风阀只有排风阀只有1个电磁

21、阀，即排气电磁阀。这是个电磁阀，即排气电磁阀。这是主要考虑地铁车辆运行速度较低，且空气制主要考虑地铁车辆运行速度较低，且空气制动通常在低速时起作用，一旦判断出要滑行，动通常在低速时起作用，一旦判断出要滑行，需立即使制动缸排气，当滑行停止，又要马需立即使制动缸排气，当滑行停止，又要马上对制动缸充气，因而不设保压电磁阀。上对制动缸充气，因而不设保压电磁阀。17 国内现有地铁车辆的动力制动包括电阻制动和再国内现有地铁车辆的动力制动包括电阻制动和再生制动。防滑控制过程中，同时对动车的生制动。防滑控制过程中，同时对动车的4根轴进行集根轴进行集中控制，也就是说，在动力制动过程中判断出某根轴中控制，也就是说

22、，在动力制动过程中判断出某根轴的车轮出现滑行，总的动力制动力即的车轮出现滑行，总的动力制动力即4根轴的动力制动根轴的动力制动力均要减少。在制动力的控制上，主要有力均要减少。在制动力的控制上，主要有2种控制方式：种控制方式：一种是在判断出滑行时，将动力制动力全部切除，用一种是在判断出滑行时，将动力制动力全部切除，用空气制动代替（相应的动车和拖车中的空气制动取代）空气制动代替（相应的动车和拖车中的空气制动取代），再对空气制动进行防滑控制。北京地铁主要采用这，再对空气制动进行防滑控制。北京地铁主要采用这种方式，另一种是根据防滑要求，部分减少动力制动种方式，另一种是根据防滑要求，部分减少动力制动力，减

23、少的制动力用空气制动补充（首先是拖车的空力，减少的制动力用空气制动补充（首先是拖车的空气制动补充，如果仍不足，相应的动车也施加空气制气制动补充，如果仍不足，相应的动车也施加空气制动），上海和广州地铁采用这种方式。另外，国内大动），上海和广州地铁采用这种方式。另外，国内大多数地铁对动力制动和空气制动防滑控制时的制动力多数地铁对动力制动和空气制动防滑控制时的制动力缓解时间有所限制。空气制动防滑时，如果防滑排风缓解时间有所限制。空气制动防滑时，如果防滑排风阀连续排风时间超过阀连续排风时间超过5s，将自动恢复制动作用。动力，将自动恢复制动作用。动力制动防滑时，如果制动力连续降低时间超过制动防滑时，如果

24、制动力连续降低时间超过5s，一种，一种方法是切除动力制动，用空气制动代替，如上海一号方法是切除动力制动，用空气制动代替，如上海一号线；另一种办法是相应地保持部分动力制动力，减少线；另一种办法是相应地保持部分动力制动力，减少的部分由空气制动代替，如上海二号线。的部分由空气制动代替，如上海二号线。18五五.动力制动控制模式动力制动控制模式 列列车车由由运运动动状状态态逐逐渐渐减减速速直直至至停停止止的的过过程程大大致致经经历历三三个个控控制制模模式式，即即恒恒转转差差率率控控制制模模式式（恒恒电电压压、恒恒转转差差频频率率）、恒恒转转矩矩1 1控控制制模模式式（恒恒转转矩矩1 1、恒恒电电压压）和

25、和恒恒转转矩矩2 2控控制制模模式（恒转矩式（恒转矩2 2、恒磁通）。、恒磁通）。恒转差率控制模式是在高速时开始制动，恒转差率控制模式是在高速时开始制动，此时三相逆变器电压保持恒定最大值，转差此时三相逆变器电压保持恒定最大值，转差频率保持恒定最大值。随着列车速度的下降，频率保持恒定最大值。随着列车速度的下降，减小逆变频率。电机电流与逆变频率成反比减小逆变频率。电机电流与逆变频率成反比增加，制动力与逆变频率的平方成反比增加。增加，制动力与逆变频率的平方成反比增加。当电机电流增大到与恒转矩相符合的值时，当电机电流增大到与恒转矩相符合的值时，将进入恒转矩控制。但当电机电流增大到逆将进入恒转矩控制。但

26、当电机电流增大到逆变器的最大允许值时，则从电机电流增大到变器的最大允许值时，则从电机电流增大到该最大值的时刻起保持电机电流恒定，在一该最大值的时刻起保持电机电流恒定，在一个小区段内用控制转差频率的方法进行恒流个小区段内用控制转差频率的方法进行恒流控制。在这种情况下，制动力将随逆变频率控制。在这种情况下，制动力将随逆变频率成反比增加。成反比增加。19 恒转矩恒转矩1控制模式时，逆变器电压保持恒定最大值，控控制模式时，逆变器电压保持恒定最大值，控制转差频率与逆变频率的平方成反比，随着列车速度的下降，制转差频率与逆变频率的平方成反比，随着列车速度的下降，减小逆变频率，则转差频率减小至最小值。电机电流

27、与逆变减小逆变频率，则转差频率减小至最小值。电机电流与逆变器频率成正比减小，制动力保持恒定。器频率成正比减小，制动力保持恒定。五五.动力制动控制模式动力制动控制模式 恒转矩恒转矩2控制模式时，转差频率保持恒定最小值，此时电控制模式时，转差频率保持恒定最小值，此时电机电流亦保持恒定。随着列车速度的下降，减小逆变频率，机电流亦保持恒定。随着列车速度的下降，减小逆变频率，同时采用同时采用PWM（脉宽调制）控制减小电机电压，即保持（脉宽调制）控制减小电机电压，即保持v/f1的值恒定，则磁通恒定，制动力恒定。的值恒定，则磁通恒定，制动力恒定。一般制动工况下，列车由高速减速至一般制动工况下，列车由高速减速

28、至50km/h期间，大约期间，大约处于恒电压、恒转差频率区；由处于恒电压、恒转差频率区；由50km/h减速至完全停车期减速至完全停车期间，理论上大约处于恒转矩控制区，但实际上在间，理论上大约处于恒转矩控制区，但实际上在10km/h以以下的某个点，再生制动力会迅速下降，所以当列车减速至下的某个点，再生制动力会迅速下降，所以当列车减速至10km/h以下后，为保证制动力不变需要逐步补充空气制动。以下后，为保证制动力不变需要逐步补充空气制动。20 城城轨轨车车组组的的制制动动系系统统是是由由作作为为电电机机牵牵引引传传动动的的动动力力制制动动也也称称电电制制动动，和和压压缩缩空空气气制制动动简简称称空

29、空气气制制动动两两部部分分组组成成的的。电电牵牵引引传传动动根根据据采采用用的的牵牵引引电电机机的的不不同同，分分为为直直流流电电机机牵牵引引传传动动和和交交流流电电机机牵牵引引传传动动两两种种。北北京京地地铁铁列列车车现现已已全全部部改改为为交交流流电电机机牵牵引引传传动。动。一一.直流牵引传动的电制动直流牵引传动的电制动 21 PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压的目的

30、，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。以达到变压变频目的的一种控制技术。PWM（Pulse Width Moddulation）译为脉宽调制。）译为脉宽调制。制动是把车辆的速度调低，是在速度调低过程中对减速制动是把车辆的速度调低，是在速度调低过程中对减速度的有效控制。因此，与牵引工况调速一样，在制动工况时度的有效控制。因此，与牵引工况调速一样，在制动工况时对电制动的调速控制是必须把握住的，在不同的载荷、不同对电制动的调速控制是必须把握住的，在不同的载荷、不同的轨道状态、不同的可用功率情况下，最大限度的利用电制的轨道状态、不同的可用功率情况下，最大限度的利用电制动

31、力，以达到需要的快速、准确停车。动力，以达到需要的快速、准确停车。采用斩波器调压方式，使再生电流可返回电网，只有当采用斩波器调压方式，使再生电流可返回电网，只有当电网网压过高或因某种原因而不能吸收时才投入电阻能耗，电网网压过高或因某种原因而不能吸收时才投入电阻能耗，再生和电阻制动能平滑过渡。我国城市轻轨地铁供电主要是再生和电阻制动能平滑过渡。我国城市轻轨地铁供电主要是DC1500V的架空线或的架空线或DC750V、DC1500V的第三轨供电方的第三轨供电方式。采用直流电机牵引，牵引时从供电到用电是式。采用直流电机牵引，牵引时从供电到用电是DCDC再再生制动时从电机发电到电网也是生制动时从电机发

32、电到电网也是DCDC。这种直流电之间。这种直流电之间的转换是调节直流平均电压，在电力电子学中称斩波。的转换是调节直流平均电压，在电力电子学中称斩波。图图4-6是一直流电机是一直流电机M、端电压、端电压Ua受受PWM控制的原理图。控制的原理图。22图图4-6 4-6 直流电机直流电机M M端电压端电压UaUa受受PWMPWM控制的原理图。控制的原理图。23 图图4-6（a）中）中V1是晶体管，假如先导通是晶体管，假如先导通T1秒，然后关断秒，然后关断T2秒，在秒，在T1秒的期间内秒的期间内Ua电压为电压为Ud，在，在T2秒的期间内秒的期间内Ua=0，如此反复，则电机电枢端电压波形如，如此反复，则

33、电机电枢端电压波形如PWM控制波图控制波图4-7（b）所示。电机电枢端电压）所示。电机电枢端电压Ua为其平均值：为其平均值：Ua=T1Ud/T1+T2=T1Ud/T=Ud （4-1）式中式中=T1/T1+T2=T1/T 为一个周期为一个周期T中，晶体管中，晶体管V1导通时间的比率，称为占空导通时间的比率，称为占空比（也有称为负载率、调制率，英文比（也有称为负载率、调制率，英文duty）。）。使用下面三种方法的任一种，都可以改变使用下面三种方法的任一种，都可以改变的值，从而的值，从而达到调压目的。达到调压目的。定宽调频法：定宽调频法：T1保持一定，使保持一定，使T2在在0范围内变化范围内变化调宽

34、调频法：调宽调频法：T2保持一定，使保持一定，使T1在在0范围内变化范围内变化定频调宽法：定频调宽法：T1+T2=T保持一定，使得保持一定，使得T1在在0T范围内变范围内变化化 不管哪种方法，不管哪种方法，的变化范围均为的变化范围均为01，因此电枢电，因此电枢电压平均值压平均值Ua的调节范围为的调节范围为0Ud，均为正值，即电机只能在，均为正值，即电机只能在一个方向调速，称之为不可逆调速。当需要电机在正反两方一个方向调速，称之为不可逆调速。当需要电机在正反两方向调速，即可逆调速时，就要使用图向调速，即可逆调速时，就要使用图4-8所示桥式（或称所示桥式（或称H形）形）降压斩波电路。降压斩波电路。

35、图图4-7（a）中晶体管）中晶体管V1、V4是一组，同时导通同时关断，是一组，同时导通同时关断，V2、V3是另一组同时导通同时关断。是另一组同时导通同时关断。24图图4-7 4-7 降压斩波电路图降压斩波电路图25 设设V1、V4先导通先导通T1秒后同时关断，再使秒后同时关断，再使V2、V3同时导通同时导通T2秒后同时关断，如此反复，秒后同时关断，如此反复，则电机电枢端电压波形如图则电机电枢端电压波形如图4-8（b），则电），则电机电枢端电压的平均值为：机电枢端电压的平均值为：Ua=（T1-T2/T1+T2）Ud=（2T1/T）-1）Ud=（2-1）Ud （4-2）由于由于01，所以，所以Ua

36、的范围是的范围是-Ud+Ud，因，因而电机可在正、反两个方向调速运行。而电机可在正、反两个方向调速运行。以上介绍的都是降压，当然也可以升压，以上介绍的都是降压，当然也可以升压，例如在主电路中接入电抗器储能，在晶体管例如在主电路中接入电抗器储能，在晶体管通断过程中也可达到升压的目的。通断过程中也可达到升压的目的。总之，我们可以通过对直流牵引电机主电总之，我们可以通过对直流牵引电机主电路的配置，用晶体管开关器件，采用路的配置，用晶体管开关器件，采用PWM控控制技术进行斩波，从而改变电机端电压，升制技术进行斩波，从而改变电机端电压，升压或降压，正压或负压；对电机运转而言，压或降压，正压或负压；对电机

37、运转而言，即加速或减速，正转或反转。即加速或减速，正转或反转。26 以广州地铁一号线车辆为例，图以广州地铁一号线车辆为例，图4-8为直流为直流1500V电网经受电弓和电网经受电弓和高速断路器下来，通过电路高速断路器下来，通过电路“线线路输入滤波回路路输入滤波回路”后的主电路后的主电路“牵引制动回路牵引制动回路”的简化原理图。的简化原理图。图中图中1K11K11为接触器，为接触器，1M11M4为牵引电机，为牵引电机，V1、V2为为GTO晶闸管（主斩波器），晶闸管（主斩波器），V3、V4为制动晶闸管，为制动晶闸管，V5为续流二极为续流二极管，管，V9为制动二极管，为制动二极管，1L3为平为平波电抗

38、器，波电抗器，1R3为制动电阻。为制动电阻。27图图4-8 4-8 牵引制动回路简化原理图牵引制动回路简化原理图281牵引工况牵引工况 牵引工况下，简化原理如图牵引工况下，简化原理如图4-9所示。牵引接触器所示。牵引接触器1K9、1K10闭合，制动接触器闭合，制动接触器1K11打开，直流牵引电机打开，直流牵引电机1M1、1M2和和1M3、1M4均为串励。此时若均为串励。此时若1K1、1K2闭合而闭合而1K3、1K4打开，打开，1K5、1K6闭合而闭合而1K7、1K8打开，设电机为正转，打开，设电机为正转，电流和电枢反电动势方向相反，则为向前牵引工况；若将电流和电枢反电动势方向相反，则为向前牵引

39、工况；若将1K1、1K2打开而打开而1K3、1K4闭合，将闭合，将1K5、1K6打开而打开而1K7、1K8闭合，则直流电机电枢端电压极性改变，电机反转，电闭合，则直流电机电枢端电压极性改变，电机反转，电枢反电动势方向也反向，电枢电流与电枢反电动势方向仍相枢反电动势方向也反向，电枢电流与电枢反电动势方向仍相反，因而，动车由向前牵引变为向后运转，为反向牵引工况。反，因而，动车由向前牵引变为向后运转，为反向牵引工况。牵引工况下，无论牵引电机是正转还是反转，均可调节降压牵引工况下，无论牵引电机是正转还是反转，均可调节降压PWM斩波器主管斩波器主管V1、V2的占空比来改变电机的电枢端电压的占空比来改变电

40、机的电枢端电压的大小，以调节电机的转速，从而控制动车的运行速度。的大小，以调节电机的转速，从而控制动车的运行速度。斩波器的工作方式是定频调频，斩波器的两个斩波器的工作方式是定频调频，斩波器的两个GTO晶闸管晶闸管（V1、V2主管）轮流工作，斩波器输出为两相一重，每相主管）轮流工作，斩波器输出为两相一重，每相频率为频率为250Hz，斩波器输出频率为，斩波器输出频率为500Hz，PWM降压输出电降压输出电压波形如图压波形如图4-6所示。在这里实际使用的占空比所示。在这里实际使用的占空比调节范围为调节范围为0.050.95。29图图4-94-9向前牵引工况简化原理图向前牵引工况简化原理图302制动工

41、况制动工况 制动工况下，简化原理如图制动工况下，简化原理如图4-10所示。所示。此时将牵引接触器此时将牵引接触器1K9、1K10打开，将制动打开，将制动接触器接触器1K11闭合。若图闭合。若图4-11中中1K1、1K2闭闭合，合，1K5、1K6闭合，而闭合，而1K3、1K4打开，打开，1K7、1K8打开，则为向前运行的制动工况。打开，则为向前运行的制动工况。在向前牵引工况时，直流牵引电机电枢反电在向前牵引工况时，直流牵引电机电枢反电动势的方向如图动势的方向如图4-9中中+、-号所示。当转换为号所示。当转换为向前运动中的制动工况时，电路被改接成图向前运动中的制动工况时，电路被改接成图4-10。此

42、时，因为电机的转向未变，励磁方。此时，因为电机的转向未变，励磁方式由串励被改成为交叉式他励，励磁电流方式由串励被改成为交叉式他励，励磁电流方向也未变，因而直流电机的电枢反电动势方向也未变，因而直流电机的电枢反电动势方向仍不变。所形成的电流回路如图中箭头方向仍不变。所形成的电流回路如图中箭头方向所示，电流方向与电枢电动势方向一致了，向所示，电流方向与电枢电动势方向一致了，因而直流牵引电机转换为发电机工况，而产因而直流牵引电机转换为发电机工况，而产生电制动力。生电制动力。31图图4-10 4-10 向前运行中的制动工况简化原理图向前运行中的制动工况简化原理图32 电制动时，当动车速度足够高，则电机

43、电电制动时，当动车速度足够高，则电机电枢电动势足够高，电流经续流二极管枢电动势足够高，电流经续流二极管V5反馈反馈至电网，则为再生制动。再生制动时，为了至电网，则为再生制动。再生制动时，为了调节电机主电路的电压值，可控制主管调节电机主电路的电压值，可控制主管V1、V2进行升压斩波。当进行升压斩波。当V1、V2导通时，电流导通时，电流iv12将电机的电能储存于将电机的电能储存于1L3中；当中；当V1、V2关断时，关断时，1L3中的储能转换为感应电动势，此中的储能转换为感应电动势，此感应电动势与电机电枢电动势相加，提高了感应电动势与电机电枢电动势相加，提高了主电路的总电压值主电路的总电压值Upo的

44、大小，即控制的大小，即控制iv5的的大小，从而控制再生制动力的大小。大小，从而控制再生制动力的大小。在电制动工况下，如果接触网电压过高在电制动工况下，如果接触网电压过高（变电站本身网压过高，或因邻近供电区段（变电站本身网压过高，或因邻近供电区段无其他车辆处于牵引工况下可吸收再生反馈无其他车辆处于牵引工况下可吸收再生反馈的能量），则可调节制动晶闸管的能量），则可调节制动晶闸管V3、V4的导的导通角通角，使电流逐渐由再生制动转换为电阻制，使电流逐渐由再生制动转换为电阻制动。电阻制动工况下，也可由主斩波管动。电阻制动工况下，也可由主斩波管V1、V2进行升压斩波工作，以调节制动力大小。进行升压斩波工作

45、，以调节制动力大小。33 在轨道车辆牵引动力领域交流电机目前占在轨道车辆牵引动力领域交流电机目前占据主导地位，交流电机最大的优点是不易受据主导地位，交流电机最大的优点是不易受干扰，维护保养相对很少，但它的调速控制干扰，维护保养相对很少，但它的调速控制远比直流电机复杂。随着牵引控制技术的进远比直流电机复杂。随着牵引控制技术的进步和相关产品的不断升级，交流电机在轨道步和相关产品的不断升级，交流电机在轨道交通领域的应用非常普及。交通领域的应用非常普及。交流调压变频车辆的传动与控制由受电弓、交流调压变频车辆的传动与控制由受电弓、高速断路器高速断路器HSCBHSCB、牵引逆变器、牵引逆变器VVVFVVV

46、F、牵引控、牵引控制单元制单元DCU/UNASDCU/UNAS、牵引电机、制动电阻等组、牵引电机、制动电阻等组成，并采用微机控制系统。其中，成，并采用微机控制系统。其中，VVVFVVVF牵引牵引逆变器采用逆变器采用PWMPWM脉宽调制模式，将直流电逆变脉宽调制模式，将直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电，平行供给成频率、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电动机，对电机进车辆四台交流鼠笼式异步电动机，对电机进行调速，实现列车的牵引、制动功能。行调速，实现列车的牵引、制动功能。二二.交流牵引传动的电制动交流牵引传动的电制动 34 由电机学原理知，对于交流同步电机，其转速由电机学

47、原理知，对于交流同步电机，其转速n为：为：n=60f/Pn （4-3）式中式中f定子电源频率（定子电源频率（Hz）；）；Pn电机极对数。电机极对数。而对于交流异步电机，其转速为：而对于交流异步电机，其转速为：n=60f/Pn（1-s）（4-4）式中式中s转差率。转差率。因此，从原理上讲，改变极对数因此，从原理上讲，改变极对数Pn，改变转差率，改变转差率s和频和频率率f都可以调速。但对同步电机，在运行中改变极对数会引起都可以调速。但对同步电机，在运行中改变极对数会引起失步，因此只调频调速。而对于异步电机，以上三种方法虽失步，因此只调频调速。而对于异步电机，以上三种方法虽均可采用，但是变极调速是有

48、极调速，而改变转差率均可采用，但是变极调速是有极调速，而改变转差率s为目为目的的各种调速方法，又都是耗能型调速方法，只有改变频率的的各种调速方法，又都是耗能型调速方法，只有改变频率的调速才是最为理想的调速方法的调速才是最为理想的调速方法，这就是近几年来变频器、，这就是近几年来变频器、变频调速成为交流电传动中最为热门的原因。变频调速成为交流电传动中最为热门的原因。变频技术，简单地说就是把直流电逆变成不同频率的交变频技术，简单地说就是把直流电逆变成不同频率的交流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，流电，或是把交流电变成直流电再逆变成不同频率的交流电，或是把直流电变成交流电再把交流电

49、变成直流电。总之，这或是把直流电变成交流电再把交流电变成直流电。总之，这一切都是电能不发生变化，而只是频率的变化。一切都是电能不发生变化，而只是频率的变化。35 采用交流异步电机作为牵引电机，那么轻采用交流异步电机作为牵引电机，那么轻轨地铁的直流供电在牵引时，是直流电到交轨地铁的直流供电在牵引时，是直流电到交流用电：流用电：DCAC，电制动时是交流发电到，电制动时是交流发电到直流电网用电：直流电网用电：ACDC。但是在交流电传动变频调速中，变频的但是在交流电传动变频调速中，变频的同时也必须协调地改变电机的端电压，否则同时也必须协调地改变电机的端电压，否则电机将出现过励磁或欠励磁。因此交流电传电

50、机将出现过励磁或欠励磁。因此交流电传动中的变频实际上是又变压（动中的变频实际上是又变压（Variable VoltageVV）又变频（）又变频（Variable Frequency），即变压变频技术），即变压变频技术VVVF。（见。（见图图4-11）我们通常所说轻轨地铁车辆采用）我们通常所说轻轨地铁车辆采用VVVF新技术。新技术。36图图4-11 DC-AC4-11 DC-AC变换示意图变换示意图37 交流电交流电PWM控制的基本原理：在采控制的基本原理：在采样控制理论中有一个重要的结论，即样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的