城市轨道交通车辆电气运行与维修项目3-电源设备ppt课件.ppt

1、出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页1任务1牵引逆变器(VVVF)设备任务目标在该任务中，主要掌握逆变器的工作原理、逆变器设备的结构工作过程，并掌握这些设备常出现的故障现象及处理方法。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页2任务重点在高压设备中，逆变器是列车运行最为关键的设备，因此逆变工作原理就是本任务中应该重点掌握的知识。知识准备高等数学基础、电子电路基础。知识描述逆变器是动力电源和辅助电源的主要部件。其主要功能是将DC1500直流电源变换成三相交流电源，以供牵引电机用电和其他用电。在变换过程中，逆变调整三相交流电的频率和电压，从而使牵引电机变换转动速度

2、，达到控制列车速度的作用。这里首先了解绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页3(1)绝缘栅双极型晶体管20世纪80年代中期出现了将它们的通、断机制相结合的新一代半导体电力开关器件绝缘栅极双极型晶体管(Insulated Gate Bipo-Lar Transistor，IGBT)，如图3.1所示。它是一种复合器件，其输入控制部分为MOSFET，输出级为双级结型三极晶体管；因此兼有MOSFET和电力晶体管的优点，即高输入阻抗，电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达到1040kHz(比电力三极管高)，饱和压降低(比MOSFET小得多，与电力

3、三极管相当)，电压、电流容量较大，安全工作区域宽。目前25003000V、8001800A的IGBT器件已有产品，可供几千千伏安以下的高频电力电子装置选用。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页4图3.1绝缘栅双极型晶体管IGBT也有3个电极：栅极G、发射极E和集电极C。输入部分是一个MOSFET管。1)MOS场效应管结构MOS场效应管也被称为MOSFET，即Metal Oxide SemiconductorField Effect场效应管，主要用于控制电流大小的导体元件。它分为两大类：即绝缘栅型和结型。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页5绝缘栅型场效应

4、管可分为增强型和耗尽型两种：增强型N沟道、P沟道；耗尽型N沟道、P沟道。N沟道增强型MOS管：图3.2为N沟道增强型MOS管，其结构有4个电极：漏极D、源极S、栅极G和衬底B。元件材料由半导体P型和N型材料组成。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页6图3.2N沟道增强型MOS管P沟道增强型MOS管如图3.3所示。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页7图3.3P沟道增强型MOS管出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页83.4)，从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想象为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭

5、了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。2)MOS场效应管工作原理对于场效应管(见图3.4)，在栅极无电压时，由分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处于截止状态。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中(见图因此，栅级电压越高，源级与漏级之间的电流也越大。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页9图3.4MOS场效应管出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页10供给，使得晶体管截止。3)IGBT组合元件

6、特性IGBT的等效电路如图3.5所示。由图可知，若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页11图3.5IGBT等效电路图由此可知，IGBT的安全可靠与否主要由以下因素决定：A.IGBT栅极与发射极之间的电压；B.IGBT集电极与发射极之间的电压；C.流过IGBT集电极发射极的电流；D.IGBT的结温。如果IGBT栅极与发射极之间的电压，即驱动电压过低，则IGBT不能稳定

7、正常地工作，如果过高超过栅极发射极之间的耐压则IGBT可能永久性损坏；同样，如果加在IGBT集电极与发射极允许的电压超过集电极发射极之间的耐压，流过IGBT集电极发射极的电流超过集电极发射极允许的最大电流，IGBT的结温超过其结温的允许值，IGBT都可能会永久性损坏。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页12的等效电阻RDS)。输出部分为一个PNP三极管T1，此外还有一个内部寄生的三极管T2(NPN管)，在NPN晶体管T2的基极与发射极之间有一个体区电阻Rbr。图3.6(b)中Rdr表示MOSFET的等效调制电阻(即漏极源极之间出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维

8、修退出页13静态特性。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页14出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页15图3.6IGBT的静态特性图出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页16动态特性。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页17图3.7IGBT的开通与关断过程出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页18开通过程中，在td，tr时间内，栅射极间电容在外施正电压作用下充电，且按指数规律上升，在tfu1，tfu2这一时间段内MOSFET开通，流过对GTR的驱动电流，栅射极电压基本维持IGBT完全导通后驱动过程结束

9、。栅射极电压再次按指数规律上升到外施栅极电压值。IGBT关断时，在外施栅极反向电压作用下，MOSFET输入电容放电，内部PNP晶体管仍然导通，在最初阶段里，关断的延迟时间td和电压UCE的上升时间tr，由IGBT中的MOSFET决定。关断时IGBT和MOSFET的主要差别是电流波形分为tfi1和tfi2两部分，其中，tfi1由MOSFET决定，对应于MOSFET的关断过程；tfi2由PNP晶体管中存储电荷所决定。因为在tfi1末尾MOSFET已关断，IGBT又无反向电压，体内的存储电荷难以被迅速消除；所以漏极电流有较长的下降时间。因为此时漏源电压已建立，过长的下降时间会产生较大的功耗，使结温增

10、高，所以希望下降时间越短越好。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页19擎住效应。由图3.7(b)电路可以看到IGBT内部的寄生三极管T2与输出三极管T1等效于一个晶闸管。内部体区电阻Rbr上的电压降为一个正向偏压加在寄生三极管T2的基极和发射极之间。当IGBT处于截止状态和处于正常稳定通态时(ic不超过允许值时)，Rbr上的压降都很小，不出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页20足以产生T2的基极电流，T2不起作用。但如果ic瞬时过大，Rbr上压降过大，则可能使T2导通，而一旦T2导通，即使撤除门极电压UGE，IGBT仍然会像晶闸管一样处于通态，使门极G失

11、去控制作用，这种现象称为擎住效应。在IGBT的设计制造时已尽可能地降低体区电阻Rbr，使IGBT的集电极电流在最大允许值ICM时，Rbr上的压降仍小于T2管的起始导电所必需的正偏压。但在实际工作中ic一旦过大，则可能出现擎住效应。如果外电路不能限制ic的增长，则可能损坏器件。除过大的ic可能产生擎住效应外，当IGBT处于截止状态时，如果集电极电源电压过高，使T1管漏电流过大，也可能在Rbr上产生过高的压降，使T2导通而出现擎住效应。可能出现擎住效应的第三个情况是：在关断过程中，MOSFET的关断十分迅速，MOSFET关断后图3.7(b)中三极管T2的J2结反偏电压UBA增大，MOSFET关断得

12、越快，集电极电流ic减小得越快，则UCA=Es-R。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页21(2)逆变器电路及工作原理1)180导电方式每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差为120。任一瞬间有3个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。逆变器箱的逆变控制如图3.8所示，由6个IGBT(绝缘栅双极型晶体管)管组成了一个三相桥式电路。通过Tc车司机室的PWM控制，就可以在输出端得到相位各相差120(电气角)的三相交流电源。该电源的频率由IGBT管通断频率决定，而幅值则等于直流电源的幅值。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设

13、备运行与维修退出页22图3.8逆变器箱的逆变控制2)波形分析输入与输出波形：输入为UN，VN，WN；输出则为：UV，VW，WN，如图3.9所示。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页23图3.9波形分析图出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页24导电过程：(R为电动机阻抗)直流电压基本无脉动，桥臂1，3，5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点，如图3.10所示。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页25图3.10电压型逆变电路出版社 理工分社城市轨道交

14、通车辆电气设备运行与维修退出页26导电方式波形图图3.11导电方式波形如图3.11所示。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页27负载线电压有效值：注意：为了防止同一相上下两桥臂开关器件直通，采取“先断后通”的方法。4)控制方法PWM控制PWM控制方法通过控制IGBT管(绝缘栅双极型晶体管)的通断，不仅实现了在改变频率的同时也调整了电压，而且可以使逆变器输出电压的高次谐波分量大大减小，因此获得普遍的运用，如图3.12所示。3)主要的数量关系输出相电压有效值：出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页283.12形状不同而冲量相同的各种窄脉冲V1，V4接U相信号，

15、V2，V5接V相信号，V3，V6接W相信号。信号的相位差为120。同相信号交替导通，使输出端成正弦波。改变相信号导通频率，就改变了电动机的三相交流电频率。改变栅极电压，就可改变输出电压。(3)VVVF控制PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页291)PWM控制的基本原理理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，

16、是指该环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。面积等效原理：分别将如图3.12所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节(RL电路)上，如图3.12(a)所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图3.12(b)所示。从波形图可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可以看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页303.13冲量相同的各种窄脉冲

17、的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，将正弦半波N等分，并看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积(冲量)相等，宽度按正弦规律变化。冲量相同的各种窄脉冲的响应波形如图3.13所示。SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，如图3.14所示。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页313.14用PWM波代替正弦半波出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页32常是等幅PWM波，输入电源是交流，得到不等幅PWM波。基于面积等效原理，本质是相同的。PWM电流波：电流型逆变电路进行PWM

18、控制，得到的就是PWM电流波。PWM波形可等效的各种波形：直流斩波电路：等效直流波形。SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。等幅PWM波和不等幅PWM波：由直流电源产生的PWM波通出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页332)PWM逆变电路及其控制方法目前，中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。本节内容构成了本章的主体，PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前常用的是电压型。3)

19、计算法和调制法计算法。根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。缺点：烦琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都会变化。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页34调制法。输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其

20、他所需波形时，也能得到等效的PWM波。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页35出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页36图3.15单相桥式PWM逆变电路出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页37图3.16单极性PWM控制方式波形出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页38出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页393.17双极性PWM控制方式波形单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。D.双极性PWM控制方式(三相桥逆变)：如图3.18所示。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出

21、页40图3.18三相桥式PWM型逆变电路出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页41出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页42图3.19三相桥式PWM逆变电路波形出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页43防直通死区时间：同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给输出PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。PWM控制的特点：在一个可控功率级内调频、调压，简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小、质量轻、造价低。直流电压可由二极管整流获得，交

22、流电网的输入功率因数接近1；如有数台装置，可由同一台不可控整流器输出作直流公共母线供电。输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应的速度取决于电子控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压相配合，以获得好的动态性能。输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页44(4)车辆牵引电路逆变器单元采用IGBT模块，为两电平逆变电路。主电路由两个逆变器单元(INV1，INV2)组成，每个逆变器单元集成三相逆变器的三相桥臂及制动相桥臂，驱动两台异步牵引电动机(1C2M)。两个逆变器单元集成在一个牵引逆变器

23、箱中，驱动4台牵引电动机。逆变器模块采用抽屉式结构；冷却采用热管散热器走行风冷却方式。车辆牵引电路如图3.20所示。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页45图3.20车辆牵引电路出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页46车辆整个牵引电路由一次电路和控制电路组成。一次电路如图3.20所示，控制电路由牵引控制单元DCU构成(含VVVF)。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，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PW

24、M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4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(IGBT)，最大斩波频率为450Hz。VVV输出电压的频率调节范围为0112Hz，幅值调节范围为01147VAC。“出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页47控制，同时具备完整的牵引变流系统故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和一定程度的故障自复位功能以及部分车辆级控制功能，DCU是组成列车通信网络的一部分，与多功能机车车辆总线MVB接口及通信。DCU集成在一个7U的标准机

25、箱内，安装在逆变器箱(VVVF箱)中。车辆DCU箱(含DCU、传感器、IGBT等)，如图3.21和图3.22所示。逆变器控制装置即传动控制单元(DCU)，采用“异步电动机直接转矩控制”粘着控制”软件和“交流传动模块化设计”硬件，主要完成对IGBT逆变器暨交流异步牵引电机的实时控制、粘着控制、制动斩波出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页48图3.21其中，中间DCU控制箱如图3.23所示。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页49图3.22牵引动力箱主要分布如图3.24所示。中间为DCU，两侧为7个IGBT元件，两侧为传感器、制动电阻布置空间。出版社 理工分

26、社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页50出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页51图3.24牵引动力箱主要分布图牵引逆变器VVVF参数：出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页52车辆牵引控制主要由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193U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)。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页53DCU的A314和A315板、UNAS的A32

27、9和A330板的前面板上通过Harting接插件(48针)与外部电路联接。要实现IGBT大功率三相交流电的变频、变压输出，在这个部件的栅级上，实现对控制信号的调整。这就要靠DCU和UNAS控制电路来完成。这个电路的控制要点为：三相控制信号的相位差要为120。调整信号的开关频率和栅级电压来实现电机的变频、变压输出。1)逆变器控制单元(DCU)DCU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。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页54DCU为双微机工作方式，其CPU采用16位中央处理器80C166，工作频率为20MHz。主控制微机

28、(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(IGBT)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)。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页55a.牵引系统的控制与调整；b.脉冲模式的产生与优化；c.VVVF与牵引电机的控制与保护；d.对列车状态的监测与保护；e

29、.再生制动与电阻制动的控制与调节；f.电制动与气制动的自动转换及列车保压制动的实现；g.防滑/防空转保护及载荷调整；h.逆变器线路滤波电容器的充放电控制；i.列车速度的获取与处理及自动计算停车距离；j.列车牵引控制系统的故障诊断与存储；k.为其他控制系统提供列车状态信号；出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页56l.提供串行接口与PTU连接，进行监测与控制；m.提供“黑匣子”功能；0470s，记录U、I、V、列车状态、走行距离。2)DCU工作原理DCU控制主电路原理如图3.25所示，采用直接转矩控制完成对异步牵引电动机的精确转矩控制，实现完全微机化、数字化的实时控制。DCU具

30、有符合列车通信网络(TCN)IEC61375标准的MVB通信接口，对外与车辆总线相连，与中央控制单元等形成控制与通信系统。DCU内部则构成并行AMS总线。车辆控制以网络为主，具备当列车控制与诊断系统出现故障时，可自动切换到硬连线模式以实现牵引功能。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页57图3.25DCU控制主回路示意图DCU的控制可分为两层功能，上层的控制功能主要由SMC用ISA编程，通过对AMS总线的控制来实现，下层由电机侧变流器控制器(MCC)实时控制器构成。上层控制。A.逻辑控制。SMC根据检测的变流系统的数值、状态、故障信息，结合从MVB传下来的命令进行逻辑控制，包

31、括启停控制逻辑、牵引制出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页58动转换逻辑、故障保护逻辑等，比较复杂，要求很严格，稍有不对，则会使变流系统不能正常工作，甚至损坏器件。详细要求见北京地铁房山线传动控制单元逻辑设计。B.特性控制。接收MVB传下来的加速度，根据传动比、轮径、传动效率转换成电机转矩，从随速度变化的力矩外包络线查得当前速度下电机的最大转矩，两者比较取小值，作为电机控制的转矩给定，目的是保证牵引系统各项动态特性，加减速要求，同时保护电机防止颠覆。除上述功能外，上层控制还有故障诊断保护、与MVB通信控制等功能。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页59电

32、机侧控制。电机侧控制的主要任务是根据电机的参数和状态，控制逆变器的输出电压和频率，使电机的输出转矩与上层控制下达的给定转矩一致，同时进行粘着控制。DCU采用直接转矩控制，完成对逆变器与交流异步牵引电机的实时控制，由TMS320C6711和TMS320F2812两部分程序组成，TMS320F2812完成电机速度计算和对中间直流电压的过压斩波控制，以及车辆的粘着算法，防空转、滑行处理，并将计算的电机速度和给定力提供给TMS320C6711用于对交流异步牵引电机的控制。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页60A.直接转矩控制。异步牵引电动机控制方法经历了转差电流控制、磁场定向控制

33、和直接转矩控制3个发展阶段，其间又派生了许多发展分支。早期的转差电流控制方法基于异步电动机的稳态数学模型，其动态性能远不能与直流调速系统相媲美；然后出现了磁场定向控制，它基于直流调速系统的控制思想对异步电动机进行矢量解耦，实现磁链、转矩独立调节，达到了与直流调速系统同样的动态响应，同时也带来了新的难题，转子参数及变化规律难以测定；最新的直接转矩控制基于定子磁场定向，数学模型简单，定子参数及变化规律易于测定，有更优良的动态响应；并且针对各种变流系统派生出各种控制策略，完善了控制思想，也体现了其发展潜力。广义而言，直接转矩控制也属于磁场定向控制的范畴。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与

34、维修退出页61它是在静止坐标系下对异步电动机的定子磁链实行定向控制的同时，直接控制电磁转矩。基于不同技术背景，先后有Depenbrock提出的直接自控制、ISAO TAKAHASHI提出的新型快速响应控制方法、THOMASG.HABELTER研究的直接转矩控制策略等。国内许多学者将这些方法统称为直接转矩控制。在电力牵引领域，直接自控制法最为成功，已体现出优越的性能。直接转矩控制选择固定于定子绕组的坐标系，并以空间矢量的概念建立逆变器输出的电压与定子磁链定向控制、电磁转矩控制的策略。控制系统中使用异步电动机形等效电路(见图3.26)，其中已将漏抗归算到转子侧。对磁链、转矩控制的基本数学关系为：出

35、版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页623.26异步电动机形等效电路出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页63制框图如图3.27所示。从上面的数学关系可知，逆变器输出的电压空间矢量对定子磁链、电磁转矩的作用结果与电动机的状态有关。反之，在已知电动机某时刻状态的条件下，根据电动机定子磁链定向的基本要求，总能选择合适的电压空间矢量去控制定子磁链的幅值、相位和电磁转矩的大小。基于这种简单的物理概念，Depenbrock教授在直接自控制法中，针对高电压、大功率器件(如GTO等)开关频率有限等因素，提出了定子磁链以六边形轨迹运动、对转矩进行band-band控制的基本

36、思想。基本控出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页64图3.27基本控制框图出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页65c.定子磁链的计算受电动机定子电阻的影响，但在实际控制系统中，定子参数易于测量、修正、补偿；d.在恒功弱磁工况，采取所谓“动态弱磁控制”，简单易行。e.在band-band控制转矩的同时，又直接形成了PWM信号，可充分利用开关频率；B.直接转矩控制具有以下特点：a.无须坐标变换、控制结构简单、易于实现；b.完全的瞬态控制，反馈信号处理相当简便，无须特殊处理，可直接用于控制系统的各环节的计算；出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退

37、出页66f.在启动和低速阶段，由于开关器件最小导通时间的限制，如果只通过转矩的bandband控制来变换有效电压矢量和零电压矢量，不可能得到所希望的较小的平均输出电压；另外，由于定子电阻的影响，六边形或十八边形定子磁链轨迹将产生较为严重的畸变。因此，只能采用不同的控制方案以圆形磁链定向的“间接定子量控制”。DCU在低速启动区采用间接转矩控制方法，通过SVPWM控制技术，可保证开关频率的充分利用，尽可能地降低了VVVF逆变器输出电流的谐波含量，保证主牵引系统工作在较低的噪声范围内。DCU在高速区和恒功区采用十八边形磁链轨迹优化控制技术，开关频率可以得到充分利用，同时因为直接转矩控制各种脉冲方式可

38、以平滑自由切换，降低了同步调制各种分频模式切换带来的电流冲击引起的系统噪声，从而能相对更好地抑制主牵引系统电磁噪声。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页67粘着控制。粘着控制系统也是传动控制系统的一部分，由MCC的TMS320F2812控制。如图3.28所示，它的主要作用是在线路状况变化不定的情况下，通过对电机速度、电机转矩等信息的采集、分析和处理，结合SMC送给MCC的电机转矩，向电机控制系统发出合适的电机转矩给定，使得机车能够以线路当前最大的粘着系数运行，从而获得最大的粘着利用率。图3.28粘着控制系统在传动控制中的位置出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修

39、退出页68粘着控制算法的基本原理是根据机车牵引/制动力矩的变化调节电机给定转矩，使机车牵引/制动力矩保持在最当前路况所能提供的最大牵引/制动力矩的附近并能自动跟随机车运行路况的变化。速度计算及斩波处理：MCC的TMS320F2812通过硬件捕捉单元捕捉电机速度传感器的脉冲，将计算出的单个电机速度送粘着控制以及司机室显示，并计算出一个综合速度送直接转矩控制和上层特性控制，当单个或多个电机传感器故障时将上报传感器故障，但不影响车辆运行。当车辆制动时将向电网反馈能量，而电网吸收不了的制动能量将利用斩波电阻来消耗，斩波处理也由MCC的TMS320F2812来完成，发出脉冲方式为bandband控制，即

40、电压超过某一值开通，低于某一值关断。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页69DCU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，D

41、CU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，向电出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页70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4个模块：线

42、路电容器充放电控制模块、牵引/制动指令参考值处理模块、转矩矢量控制模块和电阻制动控制模块。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页71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。A.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。B.牵引/

43、制动指令参考值处理模块。DCU接收输入的牵引/制动出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页72C.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耦，控制电机的转子磁场。转矩矢量控制模块是DCU控制软件中的核心部分。D.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(

44、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。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页733)逆变器保护监控单元UNAS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

45、，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。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页74在UNAS的中央处理诊断板(A325)面板上提供了与PTU通信的串行接口，可对VVVF和UNAS进行监测。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

46、级。为GTO(IGBT)进行脉冲分配；电压电流的获取值处理：将LEM传感器输出的020mA电流值转换成-10+10V电压信号送入DCU。对VVVF进行初始化。开钥匙后，UNAS启动板向GTO(IGBT)发出“关断导通关断导通”指令(800ms)，否则发出“严重故障”信号。监测GTO(IGBT)开/关状态；VVVF及UNAS本身的故障诊断及存储。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页75(5)常见故障处理DCU采用两种形式完成故障记录：一是向列车控制与诊断系统上传故障信息，记录故障日志，即对故障发生的类别、发生的时间、工况、速度等状态信息进行记录；二是DCU记录波形数据，即在故

47、障发生前后的一段时间，对相关电气参数(如直流环节电压、输出电流、手柄级位等)的采样数据进行记录并保存，通过DCU提供的标准以太网口，可以在需要时利用专用PTU软件将这些故障历史数据下载下来，并以图形方式回放数据波形，实现故障诊断。牵引控制单元对自身检测到的故障具有较为完善的处理功能，对于一般性故障在故障条件消失之后可以自行恢复，对于严重性故障能够及时保护，为防止故障扩大范围，具体的处理内容见北京地铁房山线项目牵引传动系统用户手册中的故障处理一览表，当故障对策需要对DCU进行处理时，请按表3.1中的处理对策进行。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页76表3.1故障定义及DCU

48、处理策略(5例)出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页77思考与练习1.画出IGBT电路图，并详述IGBT的静态特性和动态特性。2.详述逆变器的工作原理，并画出三相逆变波形图。3.PWM的英文全称是什么，其基本原理有哪些?出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页78任务2辅助电源设备(SIV)任务目标在该任务中，主要掌握变压、整流工作原理。逆变器的工作原理已经在前一个任务中进行了描述。除此之外，还应掌握蓄电池的构成和工作原理。掌握设备常出现的故障现象及处理方法。任务重点在高压设备中，辅助电源是列车运行的重要设备，因此，三相交流电的形成、整流电路、蓄电池就是本任

49、务中应该重点掌握的知识。知识准备三相交流电、三相桥式整流、单相桥式整流。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页79知识描述(1)SIV辅助电源电路SIV是列车除牵引之外的其他设备所使用的电源。它主要输出两个电源等级，即交流380V和220V电源、直流110V电源和24V电源。该电源设备放置在Tc车上，设备包括：SIV箱、电池组箱、逆变器和充电箱。其辅助电源电路如图3.29所示。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页80在图3.29中，SIV的基本工作过程为：由SPS引入高压电压进入IVFL电抗器中，以过滤直流中的杂波，以保证直流电压的平直性。当直流电压进入A

50、1逆变主控元件IGBT中。其逆变过程同任务1中的逆变过程，这里PWM控制信号是一个在固定频率控制信号，IGBT的三相交流输出电压为：三相交流电压经过ACL(电感)和ACC(电容)组成的50Hz选频振荡电路，以阻止逆变电路中输出杂波信号成分。变压器是将高压变为正常使用的工频三相交流电，以供应列车交流电设备使用。如车用空调设备、照明设备等。交流回路按两个主回路输出。出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页81取三相380V电压，经AL滤波，进入三相桥式整流电路，输出半波交流信号。再经过A2可控硅元件，来调整输出单相交流电压幅值。TR2为单相变压器，主要是将间相交流电压经桥式整流电路