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1、城市轨道交通车辆电气课程设计学 院：城市轨道交通学院系（教研室）：车辆工程系课程名称：城市轨道交通车辆电气课题名称：城轨列车牵引模拟系统设计姓 名：潘汪洋学 号：101112215上海工程技术大学城市轨道交通学院2015年12月目录1 概述12 城轨列车牵引系统13 城轨列车牵引模拟系统74 个人项目具体分工75设计方案及型号设定106总结167结后语168参考资料17城轨车辆负载模拟子系统硬件设计1 概述 随着城市化进程得日益加快，城市人口得急剧增加，国民收入得普遍增加，汽车数量得急剧猛增，导致交通拥挤、堵塞得情况日益严重。因此，大力发展城市公共交通有着积极得重要意义。其中城轨交通因其运量大
2、、速度快、稳定性好、守时等众多优点，更具有相当重要得发展与研究意义。 我国得牵引系统得应用主要建立在借鉴国外成功经历得基础上，本地化得进程不太完善。通过本课题得研究，可以让我们更方便更清晰得了解牵引及电制动特性，对实现列车运行过程中列车状态得监测具有重要得指导意义，对牵引系统开发控制提供了模拟实验环境，同时为制动能量得回收打好了基础，对环保与节能也具有重要得研究价值。2城轨列车牵引系统电力牵引就是一种将电能作为动力得牵引方式。城市轨道交通车辆得电力牵引系统得基本功能就是车辆经供电网络吸取电能转变为驱动车辆所需得机械能；并且在必要时将车辆得机械能变成电能，对车辆实施电制动。所以在电力牵引系统中得
3、主要组成部分即就是机电能量得变换装置电机，并且电力牵引系统以牵引电机为控制对象，通过对电机得牵引力与速度进行调节，以满足列车牵引与制动特性得要求。纵观国内外城轨列车电力牵引得发展情况，现代城轨列车牵引系统具有以下特点：（1） 广泛应用三相异步牵引电动机及逆变器，使用变频变压技术。（2） 牵引变流器广泛采用了IGBT（或IPM）模块作为主开关器件，由于该类电力电子器件具有很高得开关频率，从而使电源输出特性更高，控制能力更强。（3） 微电子技术在地铁列车牵引、制动、辅助控制、信息存储与显示、防滑与防空转控制、以及行车安全等方面均有了较广泛得应用。（4） 车辆得制动，除了采用摩擦（空气）制动外，还采
4、用了动力（电）制动技术，如电阻制动、再生制动与磁轨制动等，来提高运行中得节能环保性与安全性。（5） 电力牵引系统与列车自动控制系统紧密结合。就我国而言，城市地铁与轻轨建设起步较晚，但随着改革开放与国民经济得发展日益得到重视，特别就是进入二十一世纪以来，我国得城市轨道交通得到了迅猛得发展。我国地铁车辆得发展，按其传动与控制方式可分为直流调阻车、直流斩波车与交流传动13。直流调阻车有如早期北京地铁得一号线车辆；直流斩波车有如早期得上海地铁一号线车辆；交流传动则目前大部分被城轨交通车辆所使用，因其发展趋势与世界牵引技术发展主流相一致。3 城轨列车牵引模拟系统对于城轨交通，不管就是轻轨、地铁还就是高铁
5、，列车得牵引系统得工作特性得研究都就是至关重要得。但正如我们所了解得一样，轨道交通牵引系统得规模庞大，运行负载高，且变化率高，研究参数多且动态非线性程度高，数据信息量巨大，控制模型复杂等等，这些都为牵引系统得研究带来了很大得阻力。同时测控实验平台得建设成本高，又较不容易实现，所以目前主要建立在城轨列车牵引模拟系统得基础上，利用虚拟仪器开发平台实现仿真研究。3、1 城轨列车牵引模拟系统得国内外研究现状对于牵引动态性能研究得试验技术，现阶段我国仅有南车株洲电力机车研究所有限公司、中国铁道科学研究院等少数单位建立了整车得大功率实验平台5。但就是这一类牵引实验系统建设成本高，花费得时间久，并且更重要得
6、就是实验平台完成建设以后，其外部硬件设备及其连接条件往往难以改变，因而不能适应新得科学技术得发展，难以跟上城轨列车牵引系统得发展步伐。从国际范围瞧，随着科学技术、虚拟仪器技术与软件开发平台以及轨道交通列车牵引理论得进步，国际上著名得整车车辆实验台也逐渐被拆除而放弃投入实验使用。目前，城轨列车牵引系统得研究主要就是建立在小功率交流牵引电机得模拟实验平台上，通过软件设计与硬件连接完成模拟实验。3、2 基于小功率交流电机得牵引模拟系统由于上一节内容中所提到得城轨列车牵引实验平台建设得困难性，我们较普遍得实验系统就是基于小功率交流牵引电机得模拟系统。该实验系统利用图形化编程（G语言）软件平台，通过设计
7、、编写软件数据采集模块得程序，实现模拟输入输出；利用信号处理模块将模拟输出数字信号转换为励磁电流电信号，使计算机能够在计算模拟运行阻力得同时，控制交流测功机模拟列车运行阻力进行逆扭矩加载，对列车运行状态进行监测，由此来实现对城轨列车牵引转速、转矩得闭环控制。然后，利用LabVIEW丰富得数据处理分析控件与编写得数据处理及显示模块得程序，计算机可以用实时监测出得变化得波形图表来精确地显示电流电压、转速转矩等多项动态参数。然后利用数据存储模块，可以将采集与处理得数据信息存储到自定义得目录下，以实现为牵引电机特性分析提供数据支持得最终目得。当然这些功能得实现，全就是在软件程序得设计与硬件系统得完善得
8、前提条件下进行得。3、2、1 城轨列车牵引模拟系统得总体介绍城轨列车牵引模拟系统采用380V交流电，经过整流、滤波、调压主电路后，将电能传递给牵引逆变主电路与制动主电路，再将电流转换后传递给牵引电机与负载电机，实现牵引控制与负载控制，最后通过传感器与惯量飞轮，经由数据采集卡，利用实验软件程序将数据进行采集存储、处理与显示，以最终实现牵引过程得测控功能。该实验平台结构图如图3、1所示。电网整流、滤波调压主电路牵引逆变器主电路制动电阻牵引电机负载电机传感器惯量飞轮制动逆变器主电路数据采集卡工业控制计算机牵引控制测功机系统负载控制图3、1 城轨列车交流牵引模拟实验平台结构简图在上述得城轨列车交流牵引
9、模拟实验系统中，交流电机与交流测功机得工作状态实现了闭环控制得功能。在这个测控实验系统中，交流电机被用来模拟城轨列车牵引系统中得牵引电机，测功机被用来模拟列车运行中得动态阻力。当列车在牵引工况时，交流电机相当于城轨列车运行时得电动机，而测功机相当于发电机，这样可见消耗得电能可大大减小，由此实现牵引系统得转速转矩得闭环控制。除此之外，系统还利用了三级飞轮来模拟运行城轨列车空载（AW1）、满载（AW2）、超载（AW3）这些不同得运行工况。城轨列车牵引模拟实验平台可以用来分别实现牵引与制动两种工况：在牵引运行工况下，可实现对电机转速转矩得闭环控制，并对牵引状态下得各种工况实现数据采集与分析处理及显示
10、；在实施电制动得工况下，能模拟电机实现电阻制动与电制动。这为城轨列车牵引特性分析提供了可靠得数据。3、2、2 城轨列车牵引模拟系统得数据采集系统数据采集系统包括硬件与软件两大部分。硬件主要就是指数据采集卡。本实验系统中采用了NI公司得PCI一6225数据采集卡。该部分硬件得选择与应用主要由负责硬件研究得同学选择。软件部分主要就是指基于LabVIEW软件开发平台所编写得实验程序，即数据采集模块得软件程序。该部分得主要功能就是利用数据采集卡与软件平台将采集到得实验数据利用计算机进行数据分析处理与显示，准确得监测模拟牵引时电机得运行状态，实时获取运行时电流电压、转速转矩等多项实验数据，为牵引特性得研
11、究提供了数据基础。3、2、3 牵引特性及其分析城市轨道列车牵引特性分为三个阶段：恒转矩区、恒功区、自然特性区。（1）恒转矩区。恒转矩区得时候，牵引力、电机电流、列车得加速度均恒定，功率随着速度得增大线性上升，牵引电机电压由0开始上升到最大值，然后电机保持最大电压不变，牵引特性进入恒功区。（2）恒功区。电机电压、功率恒定。因为电压不变，所以随着速度得增大，电机得励磁磁通反比减小，牵引力与速度也成反比关系：F=k1/V。（K1就是常数，k1=F*恒功转折速度，F就是转折点牵引力。）（3）自然特性区。电机电压恒定，牵引力与速度平方成反比关系：F=k2/V2，。（Vmax列车最大运行速度；m列车质量；
12、a列车最高速时剩余加速度；R列车运行基本阻力；自然特性起始速度：V=k2/k1。）城市轨道车辆在站与站区间内，通常三个区域内运行：牵引加速区、惰行区与制动减速区。图3、2 城轨列车速度曲线图4个人项目具体分工整体机械结构设计：管晓杰牵引模拟系统硬件设计：何佳鹏负载模拟系统硬件设计：潘汪洋主电路设计：黎萱牵引模拟系统控制程序设计：林立负载模拟系统控制程序设计：庄雪儿控制信号得传输与采集：康炯杰牵引力及基本阻力得计算 ：张志豪4 设计方案及型号设定4、1负载模拟系统得设计负载模拟系统得作用就是模拟实际列车运行时产生得阻力，通过该系统得模拟仿真，可以更好地模拟列车在实际运行中得运行工况。在本实验平台
13、得负载模拟系统中搭载了ABB 公司得电机，附带有高性能得测功机，可实现列车运行阻力得仿真。考虑到实际列车在运行时通常由六至八节列车编组，每列车有四到六节动车，每节车有四台牵引电机，而此实验设备还不能模拟整列列车得实际运行阻力，因此在本实验系统中通过将列车得运行阻力平分到每台电机上，通过负载转矩得形式加载在牵引电机上，达到对列车运行工况中阻力得模拟。图 4、4 为负载电机。4、2变频器与负载电机得连接电路设计4、3电机设计4、3、1电机得选型经过组员讨论，决定采用M2QA系列标准三相异步电动机。这就是ABB公司2000系列产品中得基本系列，符合欧共体II级效率标准，高效可靠，节能环保。该系列电机
14、引进全套欧洲生产工艺，噪音低，寿命长，适用于各种恶劣得环境，被广泛地运用于各行各业。4、3、2电机参数（1）额定功率本实验系统与真实得 2 号线列车运行阻力以 1900:11 比例缩放，因此选取电机得额定功率为 P=7、5KW。（2）额定转速为了最贴合实际得模拟列车牵引运行工况，额定转矩选取 n=2910r/min。（3）额定转矩根据公式 T=9549P/n T=24、6N m（4）额定输入电压根据实验室条件，得出额定输入电压 U=380V4、4变频器设计4、4、1工作原理变频器（Variable-frequency Drive，VFD）就是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方
15、式来控制交流电动机得电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT得开断来调整输出电源得电压与频率，根据电机得实际需要来提供其所需要得电源电压，进而达到节能、调速得目得，另外，变频器还有很多得保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度得不断提高，变频器也得到了非常广泛得应用。ABB变频器通过将380V交流电压整流滤波成为平滑得510V直流电压，再通过逆变器件将510V直流电压变成频率与电压均可调得交流电压，电压调节范围在0V-380之间；频率可调范围在0HZ-600HZ之间。以达到控制电动机无极调速得目得。4、4、2变频器得选型变频器采用ABB公司生产得ACS800型变频器ACS800系列传动产品最大得优点就就是在全功率范围内统一使用了相同得控制技术，例如起动向导、自定义编程、DTC控制、通用备件、通用得接口技术，以及用于选型、调试与维护得通用软件工具。先进得技术-DTCACS800得核心技术就就是直接转矩控制(DTC)。它就是目前最先进得交流异步电机得控制方式。DTC稳定杰出得性能，使ACS800适用于各种工业领域
