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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..................................错误!未定义书签。2城轨列车牵引系统......................错误!未定义书签。3城轨列车牵引模拟系统..................错误!未定义书签。4个人项目具体分工......................错误!未定义书签。5设计方案及型号设定.....................错误!未定义书签。6总结...................................错误!未定义书签。7结后语.................................错误!未定义书签。8参考资料...............................错误!未定义书签。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的日益加快，城市人口的急剧增加，国民收入的普遍增加，汽车数量的急剧猛增，导致交通拥挤、堵塞的情况日益严重。因此，大力发展城市公共交通有着积极的重要意义。其中城轨交通因其运量大、速度快、稳定性好、守时等众多优点，更具有相当重要的发展和研究意义。我国的牵引系统的应用主要建立在借鉴国外成功经历的基础上，本地化的进程不太完善。通过本课题的研究，可以让我们更方便更清晰的了解牵引及电制动特性，对实现列车运行过程中列车状态的监测具有重要的指导意义，对牵引系统开发控制提供了模拟实验环境，同时为制动能量的回收打好了基础，对环保和节能也具有重要的研究价值。2城轨列车牵引系统电力牵引是一种将电能作为动力的牵引方式。城市轨道交通车辆的电力牵引系统的基本功能是车辆经供电网络吸取电能转变为驱动车辆所需的机械能；并且在必要时将车辆的机械能变成电能，对车辆实施电制动。所以在电力牵引系统中的主要组成部分即是机电能量的变换装置——电机，并且电力牵引系统以牵引电机为控制对象，通过对电机的牵引力和速度进行调节，以满足列车牵引和制动特性的要求。纵观国内外城轨列车电力牵引的发展情况，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的开关频率，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、信息存储和显示、防滑与防空转控制、以及行车安全等方面均有了较广泛的应用。（4）车辆的制动，除了采用摩擦（空气）制动外，还采用了动力（电）制动技术，如电阻制动、再生制动和磁轨制动等，来提高运行中的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的发展日益得到重视，特别是进入二十一世纪以来，我国的城市轨道交通得到了迅猛的发展。我国地铁车辆的发展，按其传动与控制方式可分为直流调阻车、直流斩波车和交流传动[13]。直流调阻车有如早期北京地铁的一号线车辆；直流斩波车有如早期的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，不管是轻轨、地铁还是高铁，列车的牵引系统的工作特性的研究都是至关重要的。但正如我们所了解的一样，轨道交通牵引系统的规模庞大，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，这些都为牵引系统的研究带来了很大的阻力。同时测控实验平台的建设成本高，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的基础上，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的国内外研究现状对于牵引动态性能研究的试验技术，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的大功率实验平台[5]。但是这一类牵引实验系统建设成本高，花费的时间久，并且更重要的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，因而不能适应新的科学技术的发展，难以跟上城轨列车牵引系统的发展步伐。从国际范围看，随着科学技术、虚拟仪器技术和软件开发平台以及轨道交通列车牵引理论的进步，国际上著名的整车车辆实验台也逐渐被拆除而放弃投入实验使用。目前，城轨列车牵引系统的研究主要是建立在小功率交流牵引电机的模拟实验平台上，通过软件设计和硬件连接完成模拟实验。3.2基于小功率交流电机的牵引模拟系统由于上一节内容中所提到的城轨列车牵引实验平台建设的困难性，我们较普遍的实验系统是基于小功率交流牵引电机的模拟系统。该实验系统利用图形化编程（G语言）软件平台，通过设计、编写软件数据采集模块的程序，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的同时，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、转矩的闭环控制。然后，利用LabVIEW丰富的数据处理分析控件和编写的数据处理及显示模块的程序，计算机可以用实时监测出的变化的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，可以将采集和处理的数据信息存储到自定义的目录下，以实现为牵引电机特性分析提供数据支持的最终目的。当然这些功能的实现，全是在软件程序的设计和硬件系统的完善的前提条件下进行的。3.2.1城轨列车牵引模拟系统的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和制动主电路，再将电流转换后传递给牵引电机和负载电机，实现牵引控制和负载控制，最后通过传感器和惯量飞轮，经由数据采集卡，利用实验软件程序将数据进行采集存储、处理和显示，以最终实现牵引过程的测控功能。该实验平台结构图如图3.1所示。图3.1城轨列车交流牵引模拟实验平台结构简图在上述的城轨列车交流牵引模拟实验系统中，交流电机与交流测功机的工作状态实现了闭环控制的功能。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的牵引电机，测功机被用来模拟列车运行中的动态阻力。当列车在牵引工况时，交流电机相当于城轨列车运行时的电动机，而测功机相当于发电机，这样可见消耗的电能可大大减小，由此实现牵引系统的转速转矩的闭环控制。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）这些不同的运行工况。城轨列车牵引模拟实验平台可以用来分别实现牵引和制动两种工况：在牵引运行工况下，可实现对电机转速转矩的闭环控制，并对牵引状态下的各种工况实现数据采集和分析处理及显示；在实施电制动的工况下，能模拟电机实现电阻制动和电制动。这为城轨列车牵引特性分析提供了可靠的数据。3.2.2城轨列车牵引模拟系统的数据采集系统数据采集系统包括硬件和软件两大部分。硬件主要是指数据采集卡。本实验系统中采用了NI公司的PCI一6225数据采集卡。该部分硬件的选择和应用主要由负责硬件研究的同学选择。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软件部分主要是指基于LabVIEW软件开发平台所编写的实验程序，即数据采集模块的软件程序。该部分的主要功能是利用数据采集卡和软件平台将采集到的实验数据利用计算机进行数据分析处理和显示，准确的监测模拟牵引时电机的运行状态，实时获取运行时电流电压、转速转矩等多项实验数据，为牵引特性的研究提供了数据基础。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。恒转矩区的时候，牵引力、电机电流、列车的加速度均恒定，功率随着速度的增大线性上升，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，所以随着速度的增大，电机的励磁磁通反比减小，牵引力和速度也成反比关系：F=k1/V。（K1是常数，k1=F*恒功转折速度，F是转折点牵引力。）（3）自然特性区。电机电压恒定，牵引力和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；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、惰行区和制动减速区。22KVmaxmaR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：庄雪儿控制信号的传输和采集：康炯杰牵引力及基本阻力的计算：张志豪4设计方案及型号设定4.1负载模拟系统的设计负载模拟系统的作用是模拟实际列车运行时产生的阻力，通过该系统的模拟仿真，可以更好地模拟列车在实际运行中的运行工况。在本实验平台的负载模拟系统中搭载了ABB公司的电机，附带有高性能的测功机，可实现列车运行阻力的仿真。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的实际运行阻力，因此在本实验系统中通过将列车的运行阻力平分到每台电机上，通过负载转矩的形式加载在牵引电机上，达到对列车运行工况中阻力的模拟。图4.4为负载电机。4.2变频器和负载电机的连接电路设计4.3电机设计4.3.1电机的选型经过组员讨论，决定采用M2QA系列标准三相异步电动机。这是ABB公司2000系列产品中的基本系列，符合欧共体II级效率标准，高效可靠，节能环保。该系列电机引进全套欧洲生产工艺，噪音低，寿命长，适用于各种恶劣的环境，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的2号线列车运行阻力以1900:11比例缩放，因此选取电机的额定功率为P=7.5KW。（2）额定转速为了最贴合实际的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/nT=24.6Nm（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-frequencyDrive，VFD）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式来控制交流电动机的电力控制设备。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的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。ABB变频器通过将380V交流电压整流滤波成为平滑的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的交流电压，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的目的。4.4.2变频器的选型变频器采用ABB公司生产的ACS800型变频器ACS800系列传动产品最大的优点就是在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如起动向导、自定义编程、DTC控制、通用备件、通用的接口技术，以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。先进的技术-DTCACS800的核心技术就是直接转矩控制(DTC)。它是目前最先进的交流异步电机的控制方式。DTC稳定杰出的性能，使ACS800适用于各种工业领域。启动向导ABB交流传动持续不断的在完善用户界面。启动向导的应用，使ACS