城市轨道交通牵引供电系统补充材料

城市轨道交通补充材料城市轨道交通补充材料Contents概念1基本工作原理2电机控制3计算机仿真4电机分类直流电动机交流电动机电流制式同步电机异步电机感应电机交流换向电机电机分类换向器有无换向器有换向器自励他励无换向器感应电动机同步电动机永磁无刷直流开关磁阻电机永磁混合电动机线绕式鼠笼式线绕式永磁式磁阻式直流电机优点：•直流电动机的调速范围宽广。•调速特性平滑。•直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大缺点：•存在换向器，结构复杂直流电机主要部件：•转子（电枢）•定子•换向器•气隙直流电机工作原理直流电机直流电动机调速方法•改变励磁线圈中的电压，改变磁通量•回路中串入一电阻，•使用晶闸管可控整流装置调速•使用脉宽调制晶体管功率放大器弱磁调速1串阻调速2调压调速3直流斩波控制电路Vat0VaV0IcVdtvTVTaa01TTon直流斩波控制电路-降压斩波电路电路结构全控型器件若为晶闸管，须有辅助关断电路。续流二极管负载出现的反电动势降压斩波电路（BuckChopper)工作原理c)电流断续时的波形EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)电流连续时的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoOOOtttTEEiGiGtontoffiotxi1i2I20t1t2uoEMa)电路图降压斩波电路得原理图及波形t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。直流斩波控制电路-降压斩波电路数量关系电流连续负载电压平均值：EETtEtttUonoffononoREUIMooton——V通的时间toff——V断的时间a--导通占空比电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。负载电流平均值：直流斩波控制电路-降压斩波电路斩波电路三种控制方式T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）。ton不变，变T—频率调制。ton和T都可调，改变占空比—混合型。此种方式应用最多电力电子电路的实质上是分时段线性电路的思想。基于“分段线性”的思想，对降压斩波电路进行解析。分V处于通态和处于断态初始条件分电流连续和断续直流斩波控制电路-降压斩波电路TIETRIoM2o从能量传递关系出发进行的推导假设L为无穷大，则负载电流维持为Io不变电源只在V处于通态时提供能量，为在整个周期T中，负载消耗的能量为onotEI输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。TIETRItEIoMoono2REEIMoooon1IITtIooo1IUEIEI直流斩波控制电路-降压斩波电路直流斩波控制电路-升压斩波电路升压斩波电路（BoostChopper）保持输出电压储存电能电路结构基本原理工作原理假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。0iG0ioI1升压斩波电路及工组波形a)电路图直流斩波控制电路-升压斩波电路数量关系设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：off1otIEUontEI1EtTEtttUoffoffoffonooffoontIEUtEI11)(化简得：T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。直流斩波控制电路-升压斩波电路电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用电容C可将输出电压保持住如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。oo1IUEI输出电流的平均值Io为：RERUI1oo电源电流的平均值Io为：REIEUI2oo11直流斩波控制电路-升压斩波电路直流电动机四象限斩波控制ⅠⅡⅢⅣ•正转矩正转速•正转矩负转速•负转矩负转速•正转速负转矩•第一象限正转电动状态•第二象限回馈制动状态•第三象限反转电动状态•第四象限反接制动状态两象限直流—直流变换器UAB始终大于零工作状态：iAB可正可负电机转向始终为正电磁转矩可正可负电动制动工作模式：降压（将Vd的电压降低后送到负载）输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：正向输入直流电源供向负载。电机运行于正向电动状态，能量由第一象限工作两象限直流—直流变换器工作模式：输出电压方向：正向输出电压大小：输出电流方向：负向电机运行于正向制动状态，能量由负载向直流输入电源回馈。ABABdVVDV11升压（将负载的电压升高后向Vd回馈电能）(c)升压变换电路第四象限工作两象限直流—直流变换器异步电机异步电动机工作原理•定子磁场•转子•感生电流•电磁力•电磁转矩异步电机由来•切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。•转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线•旋转磁场的转速用n1表示，称为同步转速；转子的实际转速用n表示，转差Δn=n1-n。旋转磁场)240sin()120sin(sintIitIitIimwmvmu三相旋转磁场产生过程(a)三相交流电波形；(b)三相旋转磁场示意图旋转磁场(1)当°瞬时•可见，U相电流为正值，应从首端U1流入，尾端U2流出；而V相和W相电流为负值,分别从尾端V2、W2流入，首端V1、W1流出，如图中(1)所示。可见1/2圆周内导体电流流入，余下1/2圆周内导体电流流出。•根据右手螺旋定则，可判断三相电流在定子绕组中产生合成磁力线的方向，，定子右边为N极，左边为S极，即为两极磁场，三相合成磁力线（磁场）的轴线F与U相线圈轴线U1、U2之间中心线重合。2mwvmuIiiIi0t旋转磁场28(2)当瞬时可见，V相为正值，电流从首端V1流入，从尾端V2流出；U相和W相为负值，电流分别从尾端U2、W2流入，从首端U1、W1流出。三相电流在定子绕组中产生合成磁力线的方向如图（2）所示，仍为两极磁场。三相合成磁力线（磁场）轴线F与V相线圈轴线重合。可见，三相合成磁力线的轴线比ωt=0°时在空间上顺时针转过了120°。120t1202vmuwmiIiiI旋转磁场29(3)当ωt=240°和ωt=360°瞬时三相电流在定子绕组中产生的合成磁力线方向如图（3）、(4)所示。可见，当电流在时间上变化一个周期，即360°电角度，合成磁场便在空间刚好转过一周，且任何时刻合成磁场的大小相等，其顶点的轨迹为一个圆,故又称为圆形旋转磁场。旋转磁场30三相四极旋转磁场(a)三相交流电波形；(b)三相四极旋转磁场示意图旋转磁场313旋转磁场的转向从三相合成磁场的轴线总是与电流达到最大值的那一相绕组轴线重合。旋转磁场的转向取决于三相电源通入定子绕组电流的相序，而三相交流电达到最大值的变化次序（相序）为：U相→V相→W相。若将U相交流电接U相绕组，V相交流电接V相绕组，W相交流电接W相绕组，则旋转磁场的转向为U相→V相→W相，即顺时针方向旋转。若将三相电源线任意两相调接于定子绕组，旋转磁场即刻反转（逆时针方向旋转）。旋转磁场32三相异步电动机的基本工作原理和结构33鼠笼式转子绕组在转子铁芯每个槽内插入等长的裸铜导条,裸铜导条的两端用铜端环焊接而成，形成一闭合回路。若去掉铁芯，很像一个松鼠的笼子，故称鼠笼式转子。三相异步电动机的基本工作原理和结构34但铜条转子制造较复杂，且价格高，主要用于功率较大的鼠笼式异步电动机。中小型异步电动机鼠笼式转子槽内一般采用铸铝方法，将导条、端环和风扇叶同时一次性浇注成型。三相异步电动机的基本工作原理和结构35绕线式转子绕组绕线式异步电动机的定子绕组与鼠笼式定子绕组相同，而转子绕组与定子绕组类似，采用绝缘漆包铜线绕制成三相绕组嵌入转子铁芯槽内，将它接成Y形,其三相首端分别接到固定在转轴上的三个相互绝缘的滑环上，再经压在滑环上的三组电刷与外电路的电阻相联，三组电阻的另一端也接成Y形，以改善电机的起动和调速性能。三相异步电动机的基本工作原理和结构与变压器相似，异步电动机定、转子之间没有电的联系，只有磁的耦合。为了工程计算方便，在不改变电动机的电磁性能的条件下，将无电的联系的定、转子电路变换成纯电路的等值电路，就要进行转子绕组的归算。异步电动机的转子频率与定子频率不同，进行归算时，除了和变压器一样要进行绕组归算以外，必须先将频率归算。三相异步电动机的等效电路频率归算所谓频率归算就是指保持整个电磁系统的电磁性能不变，把一种频率的参数及有关物理量换算成另一种频率的参数及有关物理量。就异步电动机而言，须将转子电路中的参数归算为定子频率下的参数。转子绕组频率折算的目的：把定、转子两个不同频率的电路转换成同一频率的电路。三相异步电动机的等效电路转子绕组频率的折算方法：用一个等效的静止转子代替实际转动的转子。等效原则：1、保持转子磁势F2的不变（转速、幅值、空间位移角），即保持Ì2大小、相位不变。2、等效的转子电路的电磁性能不变（有功功率、无功功率、铜耗）222220.92wNkmFIp三相异步电动机的等效电路频率折算：式中I2、E2s、X2s分别为异步电动机转动时转子的每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为ƒ2；、E2、X2分别为异步电动机静止时的转子每相电流、电势和漏阻抗，它们的频率为ƒ1。2222222//2222ssEsEIrjxrjsxEIrjxs//2I三相异步电动机的等效电路''222222222222''222222(/)()SEEIIrsxrxsxsxarctgarctgrrs而的有效值和相位角应与相等：//2I2I要用静止的转子电路代替实际的转子电路，除改变与频率有关的参数和电动势外，只要用去代替,就可达到保持不变的目的。2/rs2r22IF、三相异步电动机的等效电路只要用r2/s代替r2,就可使转子电流的大小和相位保持不变，即转子磁势的大小和空间相位保持不变，实现用静止电路代替旋转的转子电路。电阻r2/s称为等效静止转子电阻，也可表示成：式中称为附加电阻。2221rssrsr21rss三相异步电动机的等效电路频率折算后，转子回路电阻由两部分组成:第一部分r2是转子绕组一相的实际电阻，其上产生的损耗就是转子电路的铜损；第二部分是附加电阻，其上产生的损耗是虚拟损耗，实际转子中并不存在，但它却是表征实际转动的转子的总机械功率。2222rIm21rss22221rssIm三相异步电动机的等效电路频率折算后异步机的等值电路经频率折算后的异步电动机等值电路:三相异步电动机的等效电路转子绕组折算的方法是：用一个相数为m1、匝数为N1kw1的绕组，代替原来的转子绕组（转子绕组原来的相数为m2，匝数为N2kw2）。绕组归算三相异步电动机的等效电路根据折算前后电动机磁势平衡关系不变的原则，有：为异步电动机的电流比。222221119.029.02IpkNmIpkNmww2211122221IkIkNmkNmIiww222111wwikNmkNmk①转子电流三相异步电动机的等效电路由转子总功率保持不变，得出：式中ke为电势比：②转子电势2211wwekNkNk//122222/1122222wewmEImEINkEEkENk三相异步电动机的等效电路212222111112211114.444.441wmwwm又因为/1122211221weeweNkEEkEkEENk