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1、城市轨道交通车辆电气运行与城市轨道交通车辆电气运行与维修项目维修项目4 车辆牵引与制动车辆牵引与制动出版社 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。2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出版社 理工分社城市轨
2、道交通车辆电气设备运行与维修退出页出版社 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，若用成型硬导体绕制，则有时在匝间还垫放绝缘，对于9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图4.4定子线圈10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)异步电机的转子异步电机的转
3、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。11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图4.5异步电机转子12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 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。这个区域的大小(或
4、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。13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)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4.915出
5、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)其他部件组成异步电机的部件还有轴承、端盖等。轴承在电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。16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
6、，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度下长时运行。17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18出版社 理
7、工分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页思考与练习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。19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任务2异步牵引电机的工作原理任务目标1.掌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。20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
8、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。 21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在绕线式异步电机中，转子绕组与定
9、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)。22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
10、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。23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)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
11、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)。24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
12、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25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短距：根据绕组嵌放在定子铁芯槽内的位置，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
13、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)画成槽电势星形图如图4.12所示。(图4.12为36槽，2对极电机)26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图4.12绕组电势下面介绍空间角度和电角度的概念：
14、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27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
15、。28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
16、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29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)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-n2)/n103)当电磁制动器运行时在电动机状
17、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30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。31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出版社 理工分社城市轨道交通车辆电气
18、设备运行与维修退出页33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图4.14 “T”形等效电路“”形等效电路图如图4.15所示。34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。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36出版社 理工分社城市轨道交通车辆电
19、气设备运行与维修退出页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、固定频率的工业电网中时，对于一台制成的电机，电37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
20、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。 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
21、机运行的转矩特性，是一种自然的、不39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40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
22、退出页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42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图4.17异步电动机特性图43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)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；启动时间短。要求启动力矩大，是因为
23、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。44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
24、实现，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。45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，
25、在电机绕组中存在着高于基波的高次谐波，这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。46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
26、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，47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)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。48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)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
27、、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。49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)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
28、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。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
29、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：51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
30、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。52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思考与练习1.当转差率为0s1，电动机处于哪种状态?当s1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?53出版社 理工分社城市轨道交
31、通车辆电气设备运行与维修退出页任务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。54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”。55出版社 理工
32、分社城市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页(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。56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
33、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57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。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
34、机快速下降，如图4.20所示。58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图4.19发电机运行状态图4.20制动运行状态59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。60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)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
35、并旋转至“ON”位后，方向手柄和主控手柄才能动作；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。61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62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在
36、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。63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图4.23司控器电路图64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司控器的N位是空挡位，牵引位共两位(2，3)，
37、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、111、101、001、000(EB，制动位8挡)65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
38、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。66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图4.24牵引、制动控制流程图67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
39、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68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管、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
40、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。69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图4.25空气制动系统70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7509000kPa。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.
41、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。71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)、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。7
42、2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正面图图4.27背面图如图4.28所示。73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 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
43、4.29所示。制动基本过程。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75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。
44、B.紧急制动：紧急制动系统为独立的系统，并采用常时带电方式。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。76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
45、动(零速联锁，以防止车辆减速过程中重新启动)；77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图4.30停放制动单元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。78出版社 理工分社城
46、市轨道交通车辆电气设备运行与维修退出页图4.31停放制动单元设备正面图79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
47、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。用于系统调试和日常维修时的压力检测。80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
48、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，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81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
49、的制动缸压力空气，分别经由两个带电接点82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图4.32空气制动未端系统图83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84出版社 理工分社城市轨道交通车辆
50、电气设备运行与维修退出页图4.33防滑排风阀85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。86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图4.34磁电式速度传
51、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87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安装部位：传感器安装位置如他图4.36所示。88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。89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
52、接线原理图如图4.38所示。90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91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。92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。93
