城轨车辆牵引和电制动.docx

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城轨车辆牵引和电制动

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工程。

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。

VVVF牵引逆变器

受电弓.

HSCB

线路滤波模块

牵引电机

逆变器模块

制动电阻

1

2

列车输入/输出

控制信号

UNAS

DCU

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450Hz。

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

二．牵引系统基本参数

牵引逆变器VVVF：

线电压UN=1000~1800VDC

输入线电流IN=480A

最大线电流（牵引）INDMAX=692A

最大线电流（制动）INBMAX=1171A

输出电流IA=720A

最大输出电流IAMAX=1080A

最大保护电流IMAX=2900A

输出电压UN=0~1050V

输出频率fA=0~112Hz\

GTO最大开关频率fP=450Hz

制动斩波模块斩波频率fB=250Hz

模块冷却方式强迫风冷

模块冷却片风速VL=8m/s

牵引电机（1TB2010–0GA02）：

连续定额　　小时定额

输出功率PM190210kW

额定电压UN10501050V

额定电流IN132（1800min-1）144（1800min-1）A

额定转矩MN10081114Nm

最大转速nMAX35103510rpm

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：

80km/h

倒车速度：

10km/h

慢行速度：

3km/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（ψpulsepattern）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（ψpulsepattern）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UNAS

1.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。

牵引控制单元DCU和逆变器保护单元UNAS设计成一上下两层的机箱，共装有25块电子板。

各电子板为标准的19”3U印刷电路板，使用多层板技术，电子板上的元件采用表面封装（SMD）或插装（DIL）。

DCU的A314和A315板、UNAS的A329和A330板的前面板上通过Harting接插件（48针）与外部电路联接。

2.牵引控制单元DCU的基本功能

为VVVF提供脉宽调制信号PWM，采用空间磁场矢量控制的转矩控制模式，为牵引电机提供矢量控制。

DCU为双微机工作方式，其CPU采用16位中央处理器80C166，工作频率20MHz。

主控制微机（A304板）负责车辆控制和牵引/制动控制，处理所有的数字/模拟信号，产生相应的控制信号；另一个微机（A303板）接收主控制微机传送来的控制信号，计算产生VVVF逆变器的脉冲模式，经UNAS保护程序控制GTO的通/断状态。

整个DCU系统的局部总线采用ADtranz设计的专用GERTRAC总线，连接主控制单元（A304板）、速度信号处理和中断控制模块（A305、A306板）、PDA数据存储模块（A307板）。

（1）牵引系统的控制与调整；

（2）脉冲模式的产生与优化；

（3）VVVF与牵引电机的控制与保护；

（4）对列车状态的监测与保护；

HSCB高速断路器、K1和K3和K4接触器及车门的状态、气制动缓解、牵引/制动、列车向前/向后及慢行等。

（5）再生制动与电阻制动的控制与调节；

（6）电制动与气制动的自动转换及列车保压制动的实现；

（7）防滑/防空转保护及载荷调整；

（8）逆变器线路滤波电容器的充放电控制；

（9）列车速度的获取与处理及自动计算停车距离；

（10）列车牵引控制系统的故障诊断与存储；

（11）为其它控制系统提供列车状态信号；

（12）提供串行接口与PTU连接，进行监测与控制；

（13）提供“黑匣子”功能；

0~470s，记录U、I、V、列车状态、走行距离。

（14）提供“看门狗”功能。

3.DCU的基本工作原理

DCU主要负责牵引/制动控制、脉冲模式产生、逆变器保护、速度测量、牵引/制动指令参考值处理、转矩控制、电压电流控制等。

DCU从列车线和外部控制系统（ATO）接收司机指令及RVC（牵引/制动参考值转换器）的指令参考值，接收本车的3个电机速度信号、拖车的一个转轴速度信号、各个模拟信号测量值，根据参考值和实际检测值进行计算，脉冲模式发生器A303板产生脉冲模式指令信号（PMA、PMB、PMC、PMBS），送入逆变器保护单元UNAS处理后再向VVVF的逆变模块和制动斩波模块发出；为了故障和状态显示的需要，DCU的3个等级的故障信号和3个列车模拟信号值（速度、网压、牵引力）输出到中央故障存储单元CFSU；为了满足列车制动的需求，向电子制动单元ECU输出3个电制动信号（电制动力矩、电制动正常、滑行保护作用）；UNAS向DCU提供牵引电机控制所需的所有测量值（如电机电流、电容电压等），及UNAS的保护动作信息；VVVF内的线路滤波电容由DCU直接控制充放电；通过一个V24接口，可用PTU读取过程数据存储器PDA和“黑匣子”KWR中的数据。

DCU的软件主要分为车辆控制软件、牵引/制动控制软件和故障诊断软件等。

牵引/制动控制软件主要分为几个模块：

线路电容器充放电控制模块、牵引/制动指令参考值处理模块、转矩矢量控制模块、电阻制动控制模块等。

（1）线路电容器充放电控制模块

控制充电接触器K3、放电接触器K4和线路接触器K1的动作及电容器的充放电。

该模块在软件和硬件中均设有联锁，保证K3和K4不会同时闭合，以避免主电路短路。

（2）牵引/制动指令参考值处理模块

DCU接收输入的牵引/制动指令、方向指令、限速指令及指令参考值等，在牵引/或制动工况下对参考值进行转矩特性调整，使转矩参考值与车辆的牵引/制动转矩特性相适应，并经过冲击极限、最大速度限制、最大线电流、防滑/防空转粘着保护计算等，形成最终的牵引/制动转矩参考值，传送到转矩矢量控制模块。

（3）转矩矢量控制模块

转矩控制采用矢量控制模式，基本思想是将交流电机等效为直流电机，按直流电机的控制理论来实现对交流电机的控制，以获得与直流电机一样的良好动态特性。

应用坐标变换方法，根据电机的相电流、线电压和转速，通过磁场观测器，计算出电机转子的实际磁场矢量、实际转矩等。

通过矢量变换，实现对异步交流电机转速和磁场的完全解藕，控制电机的转子磁场。

转矩矢量控制模块是DCU控制软件中核心部分。

（4）电阻制动控制模块

列车制动时，一般优先进行再生制动。

该模块检测电容电压XUD，一旦超过设定值（1800V），由再生制动转入电阻制动，并计算制动斩波器的开通占空比，输出斩波器通断指令信号。

故障诊断软件对DCU/UNAS、VVVF及各种外围设备的故障进行诊断，将故障数据记录在处理数据存储单元PDA中。

4.UNAS的基本功能

逆变器保护单元UNAS负责VVVF牵引逆变器的保护，与DCU一起组成车辆的牵引/制动控制系统。

UNAS处理DCU的脉冲模式发生器A303板产生的脉冲模式指令信号和控制微机A304板发出的使能信号，转化成各个GTO的通断指令；通过控制GTO的通断，在VVVF工作的过程中进行保护（软保护），防止电过载和热过载，及实现相模块中GTO的联锁逻辑保护；UNAS与GTO之间的开关指令和通断状态反馈信号的传输采用光纤以防止电磁干扰，在有GTO通断故障时，实施与电源的隔离；向DCU发出线路接触器K1分断指令；UNAS的诊断微处理器存储保护动作信息，可用PTU经RS232串行接口读取存储的数据；另外，UNAS通过4根故障信号线可向DCU发送16个故障信息代码，存入过程数据存储器PDA中。

在UNAS的中央处理诊断板（A325）面板上提供了与PTU通讯的串行接口，可对VVVF和UNAS进行监测。

（1）对VVVF逆变器进行监测与保护；

电压电流保护、温度保护，分为3级。

（2）为GTO进行脉冲分配；

（3）电压电流的获取值处理；

将LEM传感器输出的0~20mA电流值转换成-10~+10V电压信号送入DCU。

（4）对VVVF进行初始化

开钥匙后，UNAS启动板向GTO发出：

“关断→导通→关断→导通”指令（800ms），否则发出“严重故障”信号。

（5）监测GTO开/关状态；

（6）VVVF及UNAS本身的故障诊断及存储；

5.DCU的PCB插件板功能描述

6.1DCU的PCB板

（1）A303中央控制板、脉冲模式发生板

（2）A304中央处理板、控制/调整/监测板

（3）A305、A306速度信号处理和中断控制板

（4）A307PDA数据存储板

（5）A308测量值调整板

（6）A309温度测量及U/I转换板

（7）A310PWM指令参考值处理板

（8）A311、A312输入信号调整板

（9）A313输出信号调整板

（10）A314、A315输入/输出接口板

DCU工作方框图

GEATRAC总线

速度速度

信号信号

指令值

模拟测量值

数字信号数字信号输入模拟信号

110V列车线110V列车线输出

A303

A307

A306

A305

A304

A310

A313

A311

A312

A308

A309

6.2A301、A302、A321、A322电源板

6.2.1A301板：

+24V/50W

A321板：

−24V/50W

±24V电源供给LEM电压电流传感器、压力开关。

当无±24V电源时，DCU本身能工作。

6.2.2A302板：

±15V/60W，供给速度传感器、光纤插头转换器。

6.2.3A322板：

+5V/80W，供给DCU的CPU板。

6.3A303（CE1）中央控制板、脉冲模式发生板

A304（CE1）中央处理板、控制/调整/监测板

6.3.1A303脉冲模式发生板

主要组成：

①80C166控制微机、②6个脉宽调制通道、③10个10位A/D（模拟/数字）变换器（0…+5V）、④8个8位D/A（数字/模拟）变换器（0→+10V）、⑤GEATRAC—M总线接口、⑥一个10Mb/s的快速串行通讯link适配模块、⑦串行接口、⑧用于模拟信号调整的5V和10V参考电压电源、⑨32kSMDRAM、8kDIPEEPROM、128kLCCEPROM存储器、⑩LCA—programmablelogiccomponent可编程逻辑单元。

6个脉宽调制通道中的4个用作脉宽发生器，通过transputerlink接口与A304板通讯D/A和A/D变换器未使用。

LCA集成逻辑块产生中断处理、GEATRAC—M控制信号、等待状态。

面板上有个9针孔串行接口插座；6个LED显示灯，其中一个为看门狗，闪动频率1.6s。

6.3.2A304中央处理板

组成：

与303板相同。

A/D（模拟/数字）变换器测量经过其它PCB板预处理的模拟信号，包括XUN、XUD、XIN、XLAST、WEOEVE、XISA、XISB；D/A（数字/模拟）变换器将数字化的过程模拟信号转换成模拟信号以供测量；通过transputerlink接口与A303板通讯；串行接口可用于诊断目的。

面板上的9针孔串行接口插座，可用于诊断目的；6个LED显示灯，其中一个为看门狗，闪动频率1.6s。

6.3.3A303板与A304板的工作通讯

DCU启动时，A303板和A304板内的2个CE1微机开始初始化和同步化，对系统进行自检。

启动正常完成后，A307板的LED显示器将显示“CHECKOK”。

在每一次时钟脉冲（50ms）结束时，A304板向A303板发送信息：

●逆变器相控因数

●电机定子频率

●角度调整

●脉冲发生器使能

A303板根据收到的信息，计算得出所需要的脉冲模式，向A304板反馈信息：

●现时采样间隔长度

●当前的电压向量角度变化

●下个采样点的电压向量角度位置

●当前脉冲模式的数字代码。

由于两个微机之间的通信速率很高，它们之间的通信通过一专门设计的通信模块进行，传输速率达到10Mb/s，实现对VVVF的实时控制。

A307

A304

A303

经A310板输入的牵引/制动指令参考值需经过以下的限制与调整（每50ms调整一次）：

（1）载荷调整

车辆的载荷由ECU通过装在空气弹簧内的压力传感器获取，并转送到DCU，各个动车的DCU只接受本车ECU的载荷信号。

当V=0km/h，DCU接收到牵引指令时，将载荷信号值存入作为牵引/制动的校正值。

如果未收到ECU的载荷信号，DCU牵引时用AW2的载荷值代替，制动时用AW3的载荷值代替。

（2）冲击极限0.75m/s3

空转/滑行保护时，或列车紧急制动时，冲击极限的限制不起作用。

（3）（牵引）速度限制

●3km/h慢行限速，将最大力矩定为本身力矩的75%；

●10km/h限速；

●80km/h限速，切除牵引，进行惰行。

3种速度限制中，退行10km/h和慢行3km/h2种限速指令来自列车线，80km/h限速指令由DCU发出。

（4）（牵引）线电流限制

每节动车720A。

（5）（制动）电网电压不足

制动期间，如电网电压在1500V以下，根据速度和网压的不同具体值，电制动力矩可能不能满足制动要求，需由气制动补充；如网压降到1000V以下，电制动完全由气制动代替。

（6）空转/滑行保护

空转：

牵引力大于粘着力，发生空转的轮对转速大于列车速度。

滑行：

制动力大于粘着力，发生滑行的轮对转速小于列车速度。

列车的实际速度由A车轮轴上速度传感器提供，与动车上的电机速度信号分别比较，判断轮对是否发生空转/滑行。

即使在无A车轮轴的速度信号时，DCU仍可采用对3个电机速度信号的计算值，作为列车的实际速度。

由于一号线车辆是一节动车的一台VVVF逆变器并联向4台牵引电机供电，当DC