城市轨道交通车辆电气运行与维修项目4 车辆牵引与制动.ppt

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1、1,任务1,交流牵引电机的结构,任务目标 1.掌握城市轨道交通车辆牵引三相异步电动机的结构。 2.掌握三相异步电动机定子绕组的排列方法。,项目4 车辆牵引与制动,2,任务重点,1.三相异步电动机定子绕组的排列方法。 2.定子绕组电连接方法。,知识准备,三相交流电、导磁材料、速度传感器与温度传感器。,知识描述,(1)交流电机概述,交流异步电机是交流旋转电机的一种，另一种为交流同步电机。 按电机转子结构形式的不同，交流异步电机可分为鼠笼式、绕线式,和整流子式。交流同步电机分为凸极式和隐极式。,3,使用。与同步电机不同，交流异步电机的定子磁场旋转速度与转子旋 转的速度不同。,当电动机运行时，电机转子

2、旋转速度小于定子旋转磁场的速度，即,转差率为正。,当发电机运行时则相反，转子旋转速度大于定子磁场旋转速度，即,转差率为负。,当制动机运行时，转子旋转方向与定子磁场旋转方向相反，即转差,率大于1。,当异步电机定子旋转磁场的速度与转子旋转速度相等时，即转差 率为0时，由于转子感应不出电势将不产生力矩，也就不产生功率。 正因为这种电机在有功率产生时定子旋转磁场速度与转子旋转速,度始终不一，故称其为异步电机。,交流异步电机既可作为电动机使用也可作为发电机和电磁制动器,4,式、绕线式和换向器式，鼠笼式最为通用。 电机结构：定子、转子、端盖、轴承、风扇、滤尘器、测速装置及测温 装置等，其结构如图4.1所示

3、。,(2)电机的组成,异步电机主要由定子、转子和两端端盖组成。异步电机分为鼠笼,5,图4.1,电机结构图,6,1)异步电机的定子 定子主要由3部分组成：定子铁芯、定子机座和定子线圈，如图4. 2 所示。但是在有些场合(比如作为机车牵引电机的异步电机)，定子没有专 门独立的机座。定子机座和定子铁芯合为一体。,图4.2,异步电机的定子,7,机座的主要作用是固定和支撑，因此要求有足够的机械强度和 刚度。机座一般采用铸件，也有用钢板焊接的结构。采用铸件时，铁 芯紧贴机座内侧。铁芯上的热由机座散发，为此在机座外表铸有散热 筋以增加散热面积。铸造用材料一般为球墨铸铁(QT)。对于较大功 率的电机，一般采用

4、焊接机座，焊接机座在外罩内部焊有筋板、铁芯与 筋板配合。筋板间隙为通风槽，铁芯上的热不是通过机座传导散出，而 是通过循环风散出。,定子铁芯是电机磁路的一部分和嵌放绕组的地方。为了减少旋转 磁场在铁芯中的损耗，定子铁芯一般采用导磁性能良好和铁损小的薄 软磁材料(一般用0.5厚冷轧硅钢片)叠压而成。冲片叠压后两端加 压圈，用扣片扣紧或用拉板点焊拉紧。当铁芯较长时，为防止铁芯中部 因散热不畅而发热，在铁芯轴向上设置若干个径向通风槽。,8,图4.3,定子铁芯,9,软的散绕组一般没有匝间绝缘。线圈成好形后再绕包对地绝缘。,定子线圈(见图4.4)：用铜导体或铝导体制成。一个线圈一般有 多匝绕制而成，若用成

5、型硬导体绕制，则有时在匝间还垫放绝缘，对于,10,图4.4,定子线圈,11,2)异步电机的转子 异步电机的转子由转子铁芯和转子绕组组成，如图4.5所示。转 子铁芯中间有转轴，轴上套有转子压板和转子冲片。转子铁芯也是电 机磁路的一部分，也需要用导磁性好和损耗低的软磁材料，所以异步电,机的转子冲片均用定子冲片的内圆的材料制成。 转子绕组有鼠笼式和绕线式两种，鼠笼式有导体端环焊接式和整 体铸铝式。绕线式转子与定子相似之处在于槽内嵌放绕组，将绕组连 成三相。,12,图4.5,异步电机转子,13,异步电机中还有一个重要区域(这里说是区域而非部件)就是气隙。 气隙是电机定子内径与转子外径间形成的圆环区域。

6、这个区域的大小 (或气隙的大小)将对电机产生极大的影响。电机的各项性能均与气隙大 小有关，设计时是一个重要参数。,3)接线盒,接线盒主要用于接出外接三相交流电，其绕组接法为三角形接法，,如图4.6所示。,14,图4.7,风扇,5)速度传感器 速度传感器(见图4.8)，主要是用于对电机转速的测定，测量信号 为脉冲计数信号。该信号提供给车辆网控系统。,4)风扇(见图4.7),15,在动力车箱上共有4个电动机，因此，有四路速度测试回路接,入到DCU中，供DCU进行计算。图4.9中表明这四路为PG1，PG2， PG3，PG4。,图4.9,16,6)其他部件,组成异步电机的部件还有轴承、端盖等。轴承在电

7、机中也是一个 重要的部件，各种运行环境需要各种特性的轴承。对于运行于高速的 场合，一般负荷不会太大，则需要使用窄系列的圆柱轴承或球轴承等； 对于使用于转速要求不太高，但负荷较大的场合，则需要使用宽系列圆,柱轴承，甚至需要使用双列滚子轴承。对于对电气要求比较高的场合，有时还需要使用绝缘轴承。,17,图4.10,绝缘材料有两项性能指标，一项为耐 电压指标，也就是我们常说的绝缘能力； 另一项很重要的指标就是耐热指标。按照 国标规定，绝缘耐热等级分有A，E，B，F，H， 200六级，各等级绝缘材料可长期工作的温 度分别为：105，120，130，155，180，200。 各种耐热等级表明电机可以在此温

8、度下长,时运行。,18,组允许温度在牵引电机改变为绕组允许绕组温升，而允许温升与允许 温度差一个允许环境温度。在机车电机中，一般环境温度以40为考 核依据。,例如，某普通民用电机耐热等级为B级，这就是说，该电机可在绕 组温度为130下长时运行。但是，对于机车用牵引电机来说，考核指 标却有所不同，如某机车用牵引电机耐热等级为H级，该电机所允许 的绕组温度长时运行不是180，而是220，因为在民用电机中的绕,19,思考与练习 1.简述城市轨道交通车辆牵引三相异步电动机的基本构成。 2.绝缘等级是如何分类的? 3.简述速度传感器的基本工作原理。,20,任务2,异步牵引电机的工作原理,任务目标 1.掌

9、握电机旋转磁场的构成。 2.掌握电机制动原理。 3.掌握牵引电动机的工作特性。,任务重点,1.异步电动机的工作原理。 2.异步电动机的调整过程。,21,知识准备,电机学、PWM电路原理、三相交流电。 知识描述,(1)旋转磁场的形成,异步电机定子与同步电机一样，在圆周均布嵌放定子绕组，但转子 结构不同。同步电机转子必须通电，且是直流电，异步电机就不同。 在鼠笼式异步电机中，转子槽内有导体，导体两端用短路环连接起 来，形成一个闭合的绕组。这种转子无须(也无法)通入电流，转子中 的电流是靠定子感应到转子上的电势，在闭合的导体回路中形成的。,在工程中，鼠笼式转子的闭合回路有两种形式，一种是传统的，也

10、是一般民用电机所常用的，槽内导体与两端端环用铝铸为一体，由于铝 的导电率低，而且耐热能力也差，所以不适用于要求结构紧凑、转子电 流大的场合；另一种是槽内导体和两端端环均为铜或铜合金，两者之间 用焊接方式将它们连在一起。,22,在绕线式异步电机中，转子绕组与定子绕组相似，也是嵌线式的。,嵌线后联成三相，再根据需要联成,或。绕线式转子中通入的电流,为三相交流电。 当定子绕组加上对称的三相交流电后，定子三相绕组中就有对称 的三相电流通过，它们联合产生一个定子旋转磁场(见图4.11)。,23,图4.11,这个旋转磁场将以与输入的电源频率 成正比的速度n1(称为同步转速)旋转，则它 的磁力线切割转子导体

11、而感应电势(左右手 法则)。在该电势的作用下，转子导体内便 有电流通过，电流的有功分量与电势同相 位。于是，由电磁力定律可知，转子导体与 旋转磁场相互作用使转子导体受到电磁力 f，在该电磁力的作用下，电动机转子就转动,定子旋转磁场 起来，其转向与旋转磁场的方向相同。这,时，如果在转子轴上加上机械负载，电动机 就拖动机械负载旋转，输出机械功率。也就是说，电动机把电能转变成 了机械能。 换向器式电机是绕线式转子的特殊形式。它的转子也需要嵌线， 嵌完线后联在换向器上。这是一种特殊用途的异步电动机，在此不作 分析。,24,(2)交流电机绕组及电势形成,不论直流电机还是交流电机，在交流电机中不论是同步电

12、机还是 异步电机都需要有绕组。电机绕组是电能转换成机械能的电动机和机 械能转换成电能的发电机的核心元件。,对交流绕组的要求如下：,在有限导体数下，获得较大的基波电势。,基波：感应电势波的频率与电源波的频率相等的波。,由于定转子均有槽，制造过程中电机气隙也不可能完全相等，所以 在感应电势中，获得的波形不只有与电源频率相等的电势波，还有比此 频率高次的波，但由于这些高次谐波不产生有用的转矩(或功率)，只 会产生脉振转矩和使电机发热等有害作用，故应抑制这些波。 三相绕组的基波应对称，且阻抗要求相等。如上所述，只有基波 能产生有用的转矩(或功率)，所以要求对基波对称才能产生对称、稳 定的转矩(或功率)

13、。,25,转矩。 用铜量少，绝缘性能和机械强度可靠。 用铜少有利于降低成本，性能可靠是使用的必然要求。交流电机 的绕组形式很多，最主要的是双层、每极每相整数槽、短距叠绕组。 双层：一个铁芯槽中有上下两层。两层线圈不属于同一绕组。 每极每相槽数：将一台电枢的槽数分成每极下的槽数，再分成每相 下的槽数，表达式为：,式中,q每极每相槽数；,Z1定子槽数； P电机极对数，2P为极数； m绕组相数。 因为每极每相槽数在电机设计中是一个很重要的参数，因此此数 比较关键。希望此数为整数，不但使设计方便，对嵌线也很有利。,电势和磁势波形力求接近正弦。如上所述，其他波不产生有用,26,短距：根据绕组嵌放在定子铁

14、芯槽内的位置，分为长距、整距和短 距。将两个槽内的绕组产生感应电势幅值相同，电位角差180(即正 好反向)的两槽称为整距；绕组上下层间槽距差小于整距的称为短距 绕组；大于整距槽数的称为长距。由于在有多个绕组串联的情况下，整 距存在一定问题。长距与短距作用相同，但长距用铜量大，故一般电机 用短距。,叠绕组：绕组的一种形式。这种绕组制造和存放比较方便，故常 用。对于双层绕组还有波绕组，而对于单层绕组则有等元件式绕组、交 叉式绕组和同心式绕组等。,绕组电势的产生：,在发电机中，当磁场旋转切割定子绕组时，就在各定子绕组中感应 出电势。将各电势用矢量表示(矢量：既有幅值又带有方向性的一个 量)画成槽电势

15、星形图如图4.12所示。(图4.12为36槽，2对极电 机),27,图4.12,绕组电势,下面介绍空间角度和电角度的概念： 空间角度：嵌放绕组的冲片，相邻槽间所形成的几何角度。 电角度：几何上相邻的两个槽，感应出的电势的角度差。 对于本例电机，每槽之间在空间上相差360/36=10；而在电气,28,上，由于每对极为360电角度，2对极就为2360=720，所以每槽所 占的电角度为720/36=20。在研究绕组电势时，是用绕组所在的电 角度表示而不用空间角度表示。 单个绕组感应的电势为：,式中,c单个线圈的匝数； Ky1短距系数； f电源频率； 1每极磁通。 由多个绕组串联成相后，相电势为：,1

16、,式中,每相绕组串联的总匝数。 K1=Ky1Kq1绕组系数，其中，Ky1如上所述，Kq1为绕组分布 系数。,29,映绕组嵌放情况的绕组系数、电源频率、每极磁通成正比。 当电机的输入电源确定后，电机内部反映电负荷的绕组匝数与反 映磁负荷的每极磁通间成反比。电机每相绕组串联匝数越多，内部磁 通越小；反之，内部磁通越大。所以，一台电机既要结构小、质量轻、经 济性好，又要有好的运行性能，必须合理选择绕组匝数，使电机的结构、 性能和经济性达到完美配合。 (3)异步电机的运行状态 异步电机的3种运行状态，即电动机运行状态、发电机运行状态和 电磁制动器运行状态，如图4.13所示。 在概述已经讲过，根据转子与

17、定子旋转速度的关系，异步电机有3 种运行状态，我们用转差率S来表述为：,式中,n1定子旋转磁场速度，或称电机的同步转速； n2转子旋转的速度。,从相电势的表达式可以看出，感应电势的值与串联的绕组匝数、反,30,1)当电动机运行时,定子旋转磁场牵动转子转动。启动时，转子转速n2=0，则S=(n1 -0)/n1=1；当理论空载时，转子转速与定子旋转磁场转速相等，即：,S=(n1-n2)/n1=0,所以，在电动机状态时。转子转差率0S1(因为S=0不可,能)。,2)当发电机运行时,转子在外界原动力的拖动下旋转，在定子绕组中感应出电势。感,应电势频率折合的速度低于原动机速度，即,n1n2，S=(n1-

18、n2)/n10,3)当电磁制动器运行时,在电动机状态运行时若先将供电电源降为零，再将三相中其中二 相进行对换，再加上电源时，原电动机就成了一个电磁制动器。这时， 转子转向与定子旋转磁场转向相反，即,31,图4.13,电动机运作三状态图,(4)异步电机的等值电路 异步电动机通俗地讲是一台旋转的变压器，将异步电机与变压器 的基本方程式比较如下，见表4.1。,2，(L,由表4.1可知，两者只有代表机械负载的电阻不一样，异步电机为 一个纯电阻(1-S)/Sr变压器是一个表示副边负载的阻抗Z由,电阻和电抗叠加)。其他相同。,32,33,34,图4.14 “T”形等效电路,“”形等效电路图如图4.15所示

19、。,35,图4.15 “”形等效电路,有了等效电路，在分析电机电磁、机械负载等各项性能时，就变成 了分析一个电路，而电路中的各个量都可以通过试验来获得，显得非常 简单。,36,1)转矩特性 由上述“”形等效电路可知,式中，1=1+Z1/Zm是一个复变量，是一个校正系数。 经过一系列计算，得电机电磁转矩为：,(5)异步电机的工作特性,37,机本身的结构参数已定，这样，电磁转矩仅与负载大小即转差率s有 关。Mem与s的关系曲线如图4.16所示。,由此可知，电机的电磁转矩与电源外施电压、电源频率有关，与电 机本身的结构参数有关，还与转子转差率(即负载大小)有关，当电机 运行在固定电压、固定频率的工业

20、电网中时，对于一台制成的电机，电,38,图4.16,异步电机的Mem=f(s)曲线,由图4.16可知： 对应于电动机状态和发电机状态，转矩曲线是近似对称的，对称 点为s=0，即转子转速为同步转速点。 电磁转矩有一个峰值，不论当发电机运行还是当电动机运行，负 载都不能大于此峰值。若大于此峰值，电机运行将出现颠覆，即自动改 变运行状态，这是非常危险的。,39,控制特性。我们机车上运行的电机，是在受控状态下运行，转矩特性与 此有很大不同。将在后面讲述。 据上述，电磁转矩有一峰值。下面计算峰值发生点的转差率sm和 峰值Mmax的大小。 用数学方法，将转矩Mem对s求dMem/ds，并令其为0，则：,由

21、此可知，发生转矩峰值的转差率有两个，与曲线吻合，“+”点发 生在电动机状态，“-”点发生在发电机状态。由此可知，产生最大转 矩时的转差值sm仅与电机结构参数有关，与外施电源无关。 在sm点，电磁转矩Mem达到最大Mmax，即：,注意：这是在工业电网下电机运行的转矩特性，是一种自然的、不,40,41,然会产生多倍的组合转矩；对于频率f，因为f代表转速。一定功率的 电机转矩当然与转速是成反比的。,再次强调，这是运行在工业电网下的电机转矩特性。该特性对于 牵引机车的牵引电动机是极不适用的。牵引电动机一般要求在机车启 动时有最大的转矩，因为克服列车的静摩擦力所需的转矩大于克服运 行期间的动摩擦力所需转

22、矩。,一台电机要可靠带动负载必须：有长时承载能力；能快速启动；可,承受短时一定量的突增负载。,2)转差率特性,42,效率随输出功率变化的曲线是一条先上升后下降的曲线，上升速 度较快。当可变损耗(定子铜耗+转子铜耗+附加损耗)与不变损耗 (机械损耗+铁耗)相等时达到最大。随着负载继续增加，效率略有 下降。 反映异步电机工作特性的还有功率因素特性、定子电流特性等，不 一一而讲。异步电动机特性图如图4.17所示。,3)效率特性,43,图4.17,异步电动机特性图,44,(6)异步电动机的启动和调速 1)异步电动机的启动 与直流电动机一样，异步电动机的启动也要求：启动力矩倍数大； 启动电流小；启动时间

23、短。,要求启动力矩大，是因为启动时一般所带的负载处于静止状态，而,克服静摩擦要比克服动摩擦提供更大的力。,要求启动电流小，是为了从设备和自身考虑：其一，短时电流大就 要求自身和配套的设备(电缆、开关等)都满足短时发热要求，否则就 需加大。其二，短时电流大，在供电系统中压降增大，当电网较小时，可 能会使同网中运行的其他电气设备不能正常工作，甚至停机。,要求启动时间短，是希望尽快进入正常工作状态。,45,但是异步电机的特性正好与此相反，它在启动时电流大但启动转 矩却不大，这从等效电路的电流方程式、转矩方程式和电磁转矩曲线可 以看出，鼠笼式转子，方程式中的各个参数不能改变，只能通过外部调 节来实现，

24、所以异步电动机的启动需采取一定措施。,对于其他电机，采用降压启动可降低电流，但同时却使启动转矩降 低更快，所以这种方式只适用于启动时负载小而正常运转时载荷大的 场合，如风机、离心泵等。,46,从曲线看，若能改变sm的值，使sm1，则启动转矩将接近最大转 矩，从sm的表达式知，只要改变r2，就可实现这个愿望。绕线式转子电 机可以做到这点。启动时在转子回路中串入电阻，使sm1，从而获得 大的启动转矩。启动后切除此电阻，电机又回到正常状态。所以对于 要求满载启动的场合可用绕线式异步电机。,实际上，由于定子绕组的分布，定、转子槽的存在和制造过程中的 不完全对称，在电机绕组中存在着高于基波的高次谐波，这

25、些谐波相互 间作用将产生附加转矩。附加转矩是有害的转矩，它使基波转矩产生 脉振，使电机运行不平稳。特别是当附加转矩叠加在启动点且与基波 转矩正好反向时，有可能使电机启动出现困难。工程上采用合理的绕 组短距嵌放、斜槽，增大气隙、选择合理定、转子槽数的配合来克服这种 现象的发生。,47,s)/P，由此可知，在电机制成后，s是由负载决定的。若要改变s则应改 变定子回路或转子回路中的电阻或阻抗。由于改变s同时会改变电磁 转矩，所以不能有较大的变化。改变电机极对数P也可以实现调速， 但是是有级的。所以要实现平滑、宽范围的调速只有通过调频。,2)异步电动机的调速,从转差率公式s=(n1-n2)/n1可推出

26、，,48,(7)异步牵引电动机的工作特点,1)工作环境差,牵引电动机的工作条件十分恶劣：负载变化大，冲击和振动严重， 恶劣的风沙、雨雪气候、酸碱性气体影响侵蚀。要在过弯道、过道岔这 样的冲击和振动状态下运行；还要能适应沿海多雨潮湿、内地干燥风沙 的环境。,49,2)多电机同时工作,通常，一台机车上装有多台电机，多台电机同时做功驱动机车前 进。理论上讲，这些电机所输出的扭矩是相等的，但实际机车中这是 不可能实现的。机车本身布置时的轴重不等、牵引时的轴重转移、机,车轮径的差异、电机制造中的特性差异、逆变器输出的差异，特别是 当一台逆变器控制多台电机的架控时，都会使装在同台机车上的牵 引电动机出现不

27、一样的输出特性。电机间牵引特性差异较大时，将 造成整车特性的变坏，直至对电机造成破坏性的危害。所以，牵引电 机要有匹配性，即装在同台机车上的牵引电机要尽可能地发挥相同 的输出特性。,50,3)供电电源不同,在机车总体控制和逆变器供电下，应满足机车传动系统对牵引电,动机的要求；,与普通民用电机在恒频恒压下运行不同，机车用异步牵引电动机， 都是在PWM波供电下运行，机车在运行中，供给电机的电源是一个可 变频和可变压的电源。PWM波具有大量的非正弦谐波和尖峰脉冲。 这些非正弦谐波和尖峰脉冲，不但使电机的功率因数降低、电机损耗加 大、绕组温升增加，而且使电机的绝缘性能受到极大的破坏，还会造成,电机轴承

28、的电蚀。,为满足此要求，在设计中需采用专用电磁设计软件对电机电磁性 能进行优化设计，用大型商用分析软件对机械结构进行有限元分析，用 可承受较大谐波和尖峰脉冲的耐电晕的绝缘材料对绕组进行处理；在 制造中采用电磁线复合熔敷、定子整体真空压力浸漆、转子整体感应焊 接等工艺。,51,4)采用强迫通风,牵引电机由于受空间尺寸和质量的限制，电机单位体积功率和单 位质量下功率都大，这样电机的电磁负荷大，发热比普通民用电机大得 多，虽然牵引电机取高耐热等级的绝缘材料，允许的温升比普通民用电 机大许多，但还远满足不了散热的要求，所以，一般牵引电机都采用强 迫通风，以便在相同的时间内带走多余的热量。 (8)异步牵

29、引电动机与普通民用异步电机的差别,异步牵引电动机与普通民用异步电机有很大差异，大致有以下,几项：,52,由于普通民用异步电机是由恒频恒压的电源供电，在一定负载 下在一点上运行，而异步牵引电动机是由变频变压的逆变电源供电，在 一定负载下仍在一定范围内运行。,普通异步电机性能仅与电机本身参数有关，异步牵引电机性能,不但与电机本身参数有关，还可通过电源的控制实现。,系统对普通异步电机提供的仅是一个恒频恒压的电源，系统对 异步牵引电机提供的是一个依运行性能要求控制出来的变频变压的 电源。,普通异步电机是属于技术成熟的传统产品，异步牵引电机是近 年来的新型产品，运行对他的要求到现在还未完全清楚，还在不断

30、成熟 过程中。,普通异步电机的设计可以不依赖于系统，异步牵引电机的设计,必须涉及控制策略与负载性质。,53,思考与练习 1.当转差率为01时，电机处于哪种状态?为什么? 2.如何完成电制动?都有哪种方法? 3.车辆牵引电动机与民用三相异步电动机有什么不同?,54,任务3,车辆的电制动与空气制动(电气部分),任务目标 1.掌握电制动的工作原理。 2.掌握再生制动。,3.空气制动中的BCU工作过程和与车辆网控系统的连接方式。,任务重点,电制动工作原理、BCU控制过程。,知识准备,计算机网络、电机学。,55,知识描述,在前面章节中，我们介绍了异步电动机的3种运行方式：即电动机 运行方式、发电机运行方

31、式和制动运行方式。从能量的角度来分析，电 动机运行方式是消耗电能。发电机运行方式是产生电能。如果我们把 发出的电能吸收并利用，这就叫再生制动。如果把发出的电能消耗掉， 这就叫做“电阻消耗制动”。,56,(1)电制动原理,首先分析电动机在运行时的3个状态：,第一个状态：电动机运行状态。在这个状态下，定子旋转磁场的转 速n1快于转子的转速n2，即n1n2。在这时，在转子上要产生一个转 矩M，如图4.18所示。,57,图4.18,电动机运行状态,此时，旋转磁场旋转方向与定子的旋 转方向相同，且n1n2，转差率为一个正,数：,第二个状态：发电机运行状态。在这 个状态下，定子旋转磁场的转速n1慢于转 子

32、的转速n2。即n1n2。在这时转子转 速受贯性的影响，不会立即减速。因此， 对于旋转磁场来说，相对于转子做相反方,向运动。因此在转子上要产生一个反相 的转矩M，这个反向转矩会使电动机转速,下降，如图4.19所示。 此时：旋转磁场旋转方向与定子的旋转方向相同，但：n1n2，转差,58,率为一个负数：,由于反向转矩的作用，n2不断下降，s向正差转率变化，也就是发 电机状态向电动机状态变化的过程，直到速度稳定。这个过程中，反向 转矩也起到制动减速的作用，这也是电动机的调速过程。 第三个状态：制动运行状态。在这个状态下，定子旋转磁场的方 向与转子的方向相反。定子旋转磁场相对于转子的速度为n1+n2。

33、由于这时转子转速受贯性的影响，不会立即减速，因此在转子上要产 生一个反相的转矩M，这个反向转矩会使电动机快速下降，如图4.20 所示。,59,图4.19,发电机运行状态,图4.20,制动运行状态,60,此时：旋转磁场旋转方向与定子的旋转方向相反。,差转率为：,由于反向转矩的作用，n2不断下降，S正差转率由大变小，电机始 终处于发电机状态，直到速度下降到每小时5km时，由车辆网控系统,将电制动转入空气制动过程，列车停车。,61,(2)电制动控制过程,车辆电制动控制过程，是在司机台上的司控器上完成。司控器由,多个凸轮和电位器组成，并控制行程开关来完成。,司机钥匙插入并旋转至“ON”位后，方向手柄和

34、主控手柄才能 动作；只有方向手柄在“0”和主控手柄在“EB”位置时，才能把司机钥 匙取走。,方向手柄与主控手柄之间有机械联锁，方向手柄在“0”位，主控 手柄不能动作；主控手柄没有回到“EB”位，方向手柄不能动作。方向 手柄在“向前”或“向后”位置时，主控手柄能自由转动。主控手柄的中 间位是“N”位置(关断位置)，向前转动为“牵引”位、向后转动为“制 动”和“紧急制动(EB)”位。,62,车辆牵引与电制动按如图4.22所示的方式来实现控制。,图4.22,车辆牵引与电制动,63,在这个控制回路中，有两条控制路径： 第1条路径：列车司机室的司机控制器和各指令开关的信号状态 通过硬连线进入模拟量输入输

35、出模块(AXM)或数字量输入输出模块 (DXM)，通过多功能车辆总线(MVB)进入车辆控制模块(VCM)，再通 过MVB到达传动控制单元(DCU)。 第2条路径：列车司机室的司机控制器和各指令开关的信号状态 通过有接点控制电路由硬连线直接传递给DCU。 司控器发出的指令是一组数字，其电路图如图4.23所示。,64,图4.23,司控器电路图,65,司控器的N位是空挡位，牵引位共两位(2，3)，电制动位共三位 (281，282，283)。阴影条带表示对应行程开关接通，DC110V电压 输出。 牵引位共4组编码：00、10、11、01(前进位，四挡) 制动位共8组编码：100、110、010、011

36、、111、101、001、000(EB， 制动位8挡),66,这些编码在正常情况下，传输给网控系统的DXM中，经计算后， 向DCU发出指令。每一组指令要对应一个经计算后的电机旋转磁场 速度与电压，并使旋转磁场速度的变化平滑。,在牵引过程中，电机处于两种运行状态中，一是电动机运行状态， 二是发电机运行状态。因此牵引与制动，就参考n1与n2的速度关系。 在制动过程中，电机只处于制动状态，n1与n2的方向相反。挡位,越后，其制动力越大。牵引、制动控制流程如图4.24所示。,67,图4.24,牵引、制动控制流程图,68,能、不缓解检测功能、强迫缓解功能、制动力不足检测功能、自诊断功 能、监视功能、防滑

37、控制功能等。,制动系统具有停放功能。每辆车都配有一套停放制动控制装置， 可以对全列车进行停放制动的控制，也可以对单车进行停放制动的控 制，还可以对单个带停放制动的单元制动缸实施的停放制动进行手动 缓解。,(3)空气制动(电器控制部分) 制动系统是采用微机控制的模拟式电-空制动系统，控制系统采用 车控方式，每辆车都配有一套电空制动控制装置(BCU)，BCU内设有 监控终端，具有自诊断和故障记录功能。 空气制动系统能在司机控制器、ATO或ATP的控制下对列车进行 阶段或一次性的制动与缓解。制动系统具有常用制动功能、紧急制动 功能、保持制动功能、空重车调整功能、电空协调配合功能、预压力功,69,管、

38、分风缸、停放装置、制动装置、制动盘装置、空气悬挂装置等组成。,1)空气制动系统的组成,空气制动系统由总风缸(风源系统，含总风缸、空气压缩器)、总风,列车在行驶制动过程中，一般情况下，先采用电制动，后采用空气 制动。空气制动的控制过程是通过网控中的BCU制动控制单元来 完成。,制动方式主要有：行驶制动、驻车制动、紧急制动和防滑制动。而 电制动的制动力是在电动机的电杻反应中实现。空气制动是通过制动 盘对车轮的制动来实现。,当电制动力不足时(或时速小于5km/h)系统转入空气制动。,70,图4.25,空气制动系统,71,如图4.25所示，在整个系统中，制动管路系统中要保持压力在750 9000kPa

39、。制动速度，正常制动时为1m/s，紧急制动时为1.2m/s。,这里只介绍与电制动相关的设备：制动装置和停放装置。,2)制动装置工作过程,气动执行单元(见图4.26)。主要由：过滤器(FL)、制动电磁阀 (AV)、缓解电磁阀(RV)、紧急电磁阀(EBV)、空重阀(LA)、中继阀 (RL)、总风欠压开关(SW1)、压力传感器、压力开关及相应的压力测点 构成，这些部件由一块气路集成板有机地联系起来，保证电子控制单元 的指令能有效地转化为气动信号，实施制动和缓解的操作。,72,图4.26,气动执行单元,在这里与电气控制相关的执行和检测设备有：制动电磁阀(AV)、 缓解电磁阀(RV)、紧急电磁阀(EBV

40、)、总风欠压开关(SW1)、制动低 压开关(SW2)、压力传感器(AC，BC，AS1，AS2)，正面图如图4.27 所示。,73,正面图,图4.27 背面图如图4.28所示。,74,75,电控单元：是网控系统与气控执行设备连接的控制设备，在项 目1中，详细地讲解了列车网控系统。其中，网控系统中的BCU就是 该设备。,制动控制装置的电子制动控制单元(BCU)采用6U插件箱，插件 高度6U，机箱的宽度为26HP。机箱中的模块插件包括：电源插件 (PWR)、制动控制插件(EPC)、防滑控制插件(WSP)、开关量输入输出 插件(DIO)、通信显示插件(CDP)，机箱中的插件布置如图4.29所示。,制动

41、基本过程。,A.常用制动：BCU接收ATO指令司 机控制器给出的制动指令ATP的常用制 动指令后发出常用制动控制指令，制动电 磁阀打开(AV)和缓解电磁阀(RV)接受 该关闭指令，将该指令转化为气动压力信 号。该压力信号同时输入中继阀(RL)的,76,下膜板。中继阀将该压力信号放大，向制动缸输出同等压力的制动缸 压力，实现常用制动功能。,缓解时，缓解电磁阀打开，并将中继阀下膜板的压力空气排入大 气。在中继阀的作用下，制动缸的压力空气经中继阀排到大气中，实现 缓解操作。,常用制动采用电-空混合制动模式。优先采用电制动，电制动不足,时，由空气制动补充。,B.紧急制动：紧急制动系统为独立的系统，并采

42、用常时带电方式。 紧急制动时，紧急电磁阀(EBV)失电，空重阀(LA)来的压力空气 进入中继阀(RL)的上膜板，经中继阀放大后向制动缸输出紧急制动 压力。,在缓解紧急制动时，紧急电磁阀得电，中继阀的上膜板的压力空气 经紧急电磁阀排入大气。在中继阀的作用下，制动缸的压力空气经中 继阀排到大气中，实现了缓解操作。,77,在实施紧急制动，电制动被自动切除，全部制动力仅由空气制动独,立承担。,紧急制动作用时，列车将不受制动冲击率的限制。 紧急制动发生后，将产生以下系列联锁要求：,a.紧急制动发生后，在列车完全停止前不允许缓解制动(零速联,锁，以防止车辆减速过程中重新启动)；,78,图4.30,停放制动

43、单元,b.不管是什么原因引起的紧急 制动，所有车辆必须以紧急制动减速 度减速； c.所有的VVVF逆变器的供电 电源立即中断，VVVF逆变器封锁，直 到列车完全停下来为止(零速联锁)； d.在整个停车过程中，紧急电气,列车线环路中断。 3)停放装置(防滑制动),组成：停放制动控制装置主要 由滤清器01减压阀02、双脉冲电磁阀03、双向止回阀04、压力开关 05、压力测点06、带电节点排风塞门07、气路集成板、箱体等组成。停 放制动单元及设备正面图如图4.30和图4.31所示。,79,图4.31,停放制动单元设备正面图,80,主要部件：,A.过滤器。可以过滤压缩空气内的杂质颗粒，以保护下游的减压

44、 阀、双脉冲电磁阀、双向止回阀、压力开关等零部件能够正常工作。 B.减压阀。可以将来自总风的压力调整到停放制动缸所需要的,压力。减压阀输出压力调整至680kPa。,C.双脉冲电磁阀。用于停放列车的主要控制执行设备。,D.双向止回阀。其一端输入了总风压力，另一端输入的是制动缸 压力，其作用是防止由于弹簧制动和空气制动同时施加，造成车轮制动 力过大的情况发生。为了防止压缩空气流量过大对停放制动缸的冲 击，双向止回阀和停放制动缸之间设置了缩堵，以控制停放制动缸的充 风和排风速度。,E.压力开关。在通往停放制动缸的压缩空气压力低于450kPa时，,提供一个停放制动施加的信号。,F.压力测点。用于系统调

45、试和日常维修时的压力检测。,81,内的压力空气。带电接点排风塞门07的开通与关断状态，在司机台的 监控显示器中可以显示。避免发生因为关断塞门，车辆实施停放制动， 而牵引列车的误操作。,工作过程：当接收到施加停放制动信号时，双脉冲电磁阀03 的制动施加电磁阀得电，缓解电磁阀失电，双脉冲电磁阀03封锁来 自总风的压力空气，打开停放制动缸的排风通道，使停放制动缸内压 力空气通过双脉冲电磁阀03排出，从而单元制动缸产生停放制动的 作用。,当停放制动控制装置接收到缓解停车制动的信号时，双电磁阀03 的制动施加电磁阀失电，缓解电磁阀得电，双脉冲电磁阀03封锁停放 制动缸的排风通道，打开来自总风的压力空气，

46、将压力空气引入停放制 动缸，停放制动缸中的停放弹簧在压力空气的作用下被压缩，从而使停 放制动缓解。,G.带电接点排风塞门。用于系统调试和日常维修时排空停放缸,82,的截断塞门(B19)、4个防滑排风阀(G1)送往转向架上安装的单元制 动缸。G3为滑控制所需的速度测试装置。图4.32为空气制动未端系 统图。,4)其他(空气制动未端系统),由制动控制装置产生的制动缸压力空气，分别经由两个带电接点,83,图4.32,空气制动未端系统图,84,置判断滑行趋势消失后，该阀会逐步恢复制动缸压力，以保证制动距离。,。,塞门(B19)的型号：TKQ600CK110000WX，两端接口为：Rc3/4 手柄从开通

47、到关断，俯视为逆时针。手柄的颜色为黄色。 防滑排风阀是车辆防滑控制系统的一部分(见图4.33)。在制动 状态下，当车轮即将产生滑行时(不转时的前行)，本阀接收防滑控制系 统的指令，逐步减小滑行轴制动缸的压力，以消除滑行。当防滑控制装,85,图4.33,防滑排风阀,86,在每根轴上都安装有速度传感器(G3)、感应齿盘(G2)。,在需要测试转速的轴上，安装一个由导磁材料制造的齿轮(激励件， 可以是其他形式，如花键、带孔圆盘)，齿轮和轴刚性连接，二者同步转 动，则检测齿轮的转速，就等于检测轴的转速。,传感器(G3)其结构主要有感应线圈、磁芯等。磁电式速度传感器,结构如图4.34所示，传感器实物图如图

48、4.35所示。,轴装速度传感器(G3)。 在轨道交通车辆中，所用的速度传感器，多数为磁电式传感器。,87,图4.34,磁电式速度传感器结构图,1线圈；2铁芯；3磁钢；4电器密封胶； 5壳体；6对外接口,88,安装部位：,传感器安装位置如他图4.36所示。,89,图4.36,传感器安装位置,工作过程：当感应齿旋转通过传感器线圈时，会产生一个交流脉 冲信号。网控系统根据这个信号来测定车轮是否被制动或者被抱 死。同时也根据测量信号来控制制动力和制动速度。传感器原理图 如图4.37所示。,90,图4.37,传感器原理图,1轴凹凸轮；2传感器；3传感波形 在正常制动过程中，由网络控制整个制动过程，其接线原理图如图 4.38所示。,91,92,从该电路图中可以看出，BCU受网络控制系统和司控器控制。正 常情况下网控分别向DCU发出电制动，向BCU发出气制动指令。这 两者之间的协调运算由网控系统来完成。在紧急情况下，可由司控器， 紧急回路直接向BCU发出制动指令。,93,思考与练习,1.画出BCU所在车辆上的网络图。,2.转差率指的是什么?如何判断电机处于的3种状态?,3.在空气制动中，与电器控制有关的管路元件有哪些?分别描述,它们的电器工作原理。,