第一章车辆控制基础知识

车辆控制基础知识车辆控制装置课程的教学内容与要求：1、学会识读各类电气线路图；2、掌握各种车辆电气线路的组成与工作特点；3、熟悉各类电气设备的功能与原理；4、了解各种电动车辆的控制方式；5、学会识读电动车辆的电气线路图，学会由电路图分析车辆的控制原理。2车辆控制基础知识电气线路绘图与读图的规则：•①各电气设备用图形符号表示，还应标明其在电路中的代号；•②重要导线在电路图中也应标明代号，不同类型、作用可用字母表示其不同；•③常开常闭联锁按“上开下闭，左开右闭”的要求绘制；•④某些组合电器的联锁触头需表明该联锁在何位置时接通，称为位置联锁或指定位闭合联锁；3车辆控制基础知识•⑤对于凸轮控制器或鼓形控制器，在电路图中将这类圆形触头的闭合次序展开为一个平面图，在某工作位置电路接通时加一黑点表示；•⑥某些较为复杂的电器需单独标出闭合表；•⑦所有电器在无电状态下，位置开关在运转位；自动保护开关在断开位。4车辆控制基础知识常用的电气联锁方式：串联联锁——电器的工作线圈的电路中串联有若干个其他电器的联锁并联联锁——电器的工作线圈的电路中并联有若干个其他电器的联锁自锁联锁——电器的工作线圈的电路中串联有该电器本身的常开联锁延时联锁——线圈得失电与联锁动作不同步5车辆控制基础知识•电路结构的表达方法：1、控制电路中有关导线、开关、联锁和电器的工作线圈一律用该电器的规定代号表示；2、串联联接的元件用“·”表示其电路结构；3、并联联接的元件用“+”表示，并用括号括起来；4、描述控制电路一般从控制电源的正极写起，有时也可从某一重要导线写起；6车辆控制基础知识5、继电器，电磁接触器，电空接触器等的常开联锁用该电器的代号书写，常闭联锁在该电器的代号上加一短直线，线圈用该电器的代号外加一方框表示；6、面发光二极管用显示汉字加框表示，指示灯用其代号加框表示。电机用其代号表示。7车辆控制基础知识•电动列车的组成：主电路辅助电路控制电路电气部分控制气路辅助气路制动机气路空气管路系统转向架支承装置车钩缓冲器部分车体机械部分电力机车8车辆控制基础知识电力机车电气线路通常分为三部分，即：主电路；辅助电路；控制电路。主电路—产生牵引力和制动力的电路环节。辅助电路—为主电路的设备提供服务以及改善乘务员的工作条件等。控制电路—通过控制电路使主电路、辅助电路中各电器按司机的指令进行协同动作。9车辆控制基础知识•城轨列车电气线路的组成：供电牵引系统及设备辅助电气系统及设备列车控制系统及设备列车网络系统10111213HXD3型电力机车主电路1415HXD3型电力机车辅助电路16控制电源电路17•司机指令与信息显示电路18主变流器控制电路19车辆控制基础知识20车辆控制基础知识电力牵引列车的种类：——动力集中型：SS型机车，HXD型机车动力分散型：动车组，地铁车辆——直流传动：采用直流（脉流）牵引电机交流传动：采用三相交流电机——供电方式：交流供电：25KV单相交流直流供电：1500V直流电21车辆控制基础知识•交直型整流器电力机车工作原理•交直型整流器式电力机车的电源供给为交流电，即接触网上通入的是单相交流电，而牵引电机采用直流（脉流）式电动机。•单相交流电由牵引变电所送入接触网，通过受电弓引入牵引变压器的原边绕组，再经钢轨由回流线返回变电所构成电流回路。进入牵引变压器的高压电经降压后由次边绕组输出至整流装置，经整流调压后供给牵引电机形成牵引力使列车运行。22•整流器式机车的工作特性速度特性：机车运行速度与牵引电机电枢电流之间的关系电机的速度特性：根据机车轮周线速度与电机转速间的关系，上式可改写为其中：•牵引力特性：机车牵引力与牵引电动机电枢电流间的关系•牵引特性：机车牵引力与机车速度间的关系eaDCRIUnVaDCRIUvDCCcev601000dCCKMDNF223交流传动机车——HXDHXD3型电力机车是交流大功率电力机车。轴式为C0—C0，电传动系统为交直交传动，采用IGBT水冷流机组，1250KW大转矩异步电动机，具有起动（持续）牵引力大、恒功率速度范围宽、粘着性能好、功率因数高等特点。HXD3型电力机车辅助电气系统采用2组辅助变流器，能分别提供VVVF和CVCF三相辅助电源，对辅助机组进行分类供电。该系统冗余性强，一组辅助变流器故障后可以由另一组辅助变流器对全部辅助机组供电。2425地铁车辆牵引系统部件及功能A车有一个司机室，在司机室操作台上有一个主控制器，司机室操作台下有一个脉宽调制编码器。C车包括一个牵引逆变器箱，一个线路滤波电抗器，一个制动电阻和四个牵引电动机。每个转向架有两个牵引电动机，一根轴一个电机。这四个并联电动机由一台变压变频逆变器驱动，以上部件均分布在车下。B车包括一个位于车顶部受电弓和一个浪涌吸收器，两个干线保险丝、一个牵引逆变器箱、一个线路滤波电抗器及一个制动电阻位于车底架下；每个转向架有两个牵引电动机，共四台牵引电动机。26•控制系统的主要部件是牵引控制电子装置，安装在C车和B车的牵引箱内。•地铁列车通过安装在B车车顶上的受电弓受流。高电压通过两车间的高压跨接线仅将电能传输给相邻的C车。功率电路部件将接触网上1500V直流电逆变成变压变频（VVVF）三相交流电供给牵引电机，从而驱动列车运行。27地铁车辆的牵引系统•牵引逆变系统为每个动车（C）和每个带受电弓的动车（B）的电机提供动力。牵引逆变系统的部件安装在牵引制动箱内。每个牵引制动箱驱动四台并联的牵引电机。控制系统的主要部件是牵引控制电子装置（PCE），这些单元安装在C车和B车的牵引制动箱内2829§3电动列车速度调节列车运行过程：机车牵引列车的的过程是由停车状态开始，经过起动加速再逐渐提高速度，直到机车工作在其自然特性上，此后司机根据列车运行图的要求及线路纵断面的变化随时进行速度调节。进站停车前进行制动，降低机车速度，直到最后停车。列车的全部运行过程即为调速的过程。而列车的调速即为电机的调速。30§3电动列车速度调节一、直流传动车辆的调速：根据机车的速度特性：机车有三种调速方式:（1）改变电机回路电阻R；（2）改变电机端电压Ud；（3）改变磁通量φ在国产电力机车上以改变牵引电动机的端电压作为主要调速手段；改变磁通量作为辅助调速手段VaDCRIUv31§3电动列车速度调节（1）改变电机回路的电阻值进行调速在牵引电机回路中串入调压电阻，通过改变电阻阻值来调节机车的速度。电阻本身需消耗一定的能量使牵引电机的效率降低，同时调压电阻本身是分段的，在调速过程中会造成电流的冲击，仅用于矿用机车和城市无轨电车。32§3电动列车速度调节（2）改变电机端电压调速采用可控硅元件进行整流的机车，可利用改变可控硅的导通角的方法来调节整流器输出电压,这种方法称为相控调压.将整流与调压合为一体。国产SS型机车使用这种调压方式。相控调压根据电路构成可分为半控桥式整流电路和全控桥式整流电路两种，SS型机车采用多段桥式半控整流电路33半控桥式调压整流电路电路构成：两个二极管，两个晶闸管构成桥式电路二极管导通特性：承受正向电压时导通晶闸管导通条件：（1）阳极与阴极间承受正向电压（2）门极与阴极间需有正向电压两个条件缺一不可34正半周时：电源上正下负，A点为最高电压，B点为最低电压，则VT1、VD2承受正向电压，VT2、VD1承受反向电压，在此期间给晶闸管加入触发脉冲，则VT1导通，此时的电流路径为：加入触发脉冲之前，VT1不导通，没有电流路径，电机上的输出电压为零加入触发脉冲之后，VT1导通，构成电流路径：次边绕组—A点—VT1—PK—M—VD2—B点—次边绕组当元件为理想元件时电机上的电压为电源电压电机上通过的电流由上而下35负半周时：电源上负下正，B点为最高电压，A点为最低电压，则VT1、VD2承受反向电压，VT2、VD1承受正向电压，在此期间给晶闸管加入触发脉冲，则VT2导通，此时的电流路径为：加入触发脉冲之前，VT2不导通，没有电流路径，电机上的输出电压为零加入触发脉冲之后，VT2导通，构成电流路径：次边绕组—B点—VD1—PK—M—VT2—A点—次边绕组•电机上通过的电流由上而下，无论正负半周电机电流方向不发生变化，均由上而下。根据平均电压的定义可得：2cos1sin2102ddUttdUU36§3电动列车速度调节（3）磁削调速就是通过调节流过牵引电动机的励磁电流，从而达到改变牵引电动机主极磁通的方法进行调速，亦称励磁调节。时机：牵引电动机的端电压已达到额定电压而电流尚未达到额定值时实施。目的：扩大机车的运行范围，充分发挥机车的功率。37磁场削弱系数：在同一牵引电动机电枢电流下，磁场削弱后（削弱磁场）牵引电动机磁势与磁场削弱前（满磁场）牵引电动机磁势之比。%)()(mIWIW38三级固定磁削电路（电阻分路法）39无级磁削电路（晶闸路分路法）40§3电动列车速度调节二、交流传动机车的调速1、三相异步电机的结构：定子——定子三相绕组、定子铁心和机座组成。转子——转子铁心、转子绕组和转轴组成。气隙——一般为0.2~2mm。其他部件——包括端盖、轴承、轴承端盖和风扇。41§3电动列车速度调节2、三相异步电动机的工作原理：三相定子绕组中通入三相交流电，则在空间形成旋转磁场，静止的转子位于其中，两者间有了相对的运动，则在转子导条中产生感应电势，导条成为带电的导体，在旋转的磁场中受到电动力的作用，从而开始旋转起来。三相异步电动机中通入三相交流电，则电机开始旋转，直至电机轴的转速达到额定转速（接近于同步转速，但小于同步转速。）同步转速：旋转磁场的转速。n=60f/P42§3电动列车速度调节三相异步电机的不同工作状态（1）作为电动机运行：转子转速小于同步转速。转差：同步转速n1与转子转速n的差值。转差率s：转差与同步转速的比值。n=(1-s)n1转差率s在额定状态下一般在0.01~0.07。（2）作为发电机运行：转差率s为负值。转子转速大于同步转速。（3）在制动状态下运行：转差率s大于1。转子逆磁场方向旋转。43§3电动列车速度调节3、三相异步电机的速度特性：三相异步电动机的调速方法：变极调速——改变电动机的极对数p改变转差率调速s改变电源频率调速f1)1(601spfn44§3电动列车速度调节4、三相异步电机的速度调节：调速——在同一负载下改变电动机的转速以满足生产机械要求的过程，称为电动机的调速。①变频调速：由于异步电动机的转速与电源频率成正比，因此改变电动机的供电频率即可实现调速。一般变频调速都要求保持电动机主磁通不变，这样在调速范围内可保持转矩不变，根据公式可知为了保持主磁通不变，在改变电源频率的同时还必须改变电源电压并保持电压与频率的比值不变。•城轨车辆中采用的变频调速方式为VVVF（变压变频）使用PWM脉宽调频器（逆变器）。45②变极调速：当电源频率不变时，若改变定子旋转的磁极对数，可以实现电动机的有级调速。仅适用于笼型电动机，改变定子绕组的接法就可以改变磁极的对数。YY/△接法变极调速YY/Y接法变极调速③改变转差率调速：改变外加电源电压或者转子电路的电阻，可改变转差率从而改变电动机的转速。调压调速：改变电机的外加电压绕线型异步电动机转子串联电阻调速绕线型异步电动机的串级调速46§4电气制动•电力机车的电气制动电气制动是利用电机的可逆性原理。电力机车在牵引工况运行时牵引电机做电动机运行，将电网的电能转变为机械能，轴上输出牵引转矩以驱动列车运行。电力机车在电气制动工况时，列车的惯性力带动牵引电机，此时牵引电机做为发电机运行，将列车运行的动能转变为电能，输出制动电流的同时，在牵引电机轴上产生反转矩，形成制动力，使列车减速或在下坡道上以一定的速度运行。分为电阻制动和再生制动两种形式47§4电气制动电阻制动：制动过程中产生的电能消耗在电阻上加馈制动：制动过程中，在电机电枢回路中再加入一组电源，以增加总的电制动力再生制动：制动过程中产生的电能回馈电网无论是那种电气制动形式都是产生一个与电动机实际旋转方向相反的电磁力矩作为制动力矩，使电机转速下降直至停止