城市軌道交通車輛電氣課程設(shè)計匯本報告

...wd......wd......wd...城市軌道交通車輛電氣課程設(shè)計學院：城市軌道交通學院系〔教研室〕：車輛工程系課程名稱：城市軌道交通車輛電氣課題名稱：城軌列車牽引模擬系統(tǒng)設(shè)計姓名：潘汪洋學號：101112215上海工程技術(shù)大學城市軌道交通學院2015年12月目錄1概述12城軌列車牽引系統(tǒng)13城軌列車牽引模擬系統(tǒng)74個人工程具體分工75設(shè)計方案及型號設(shè)定106總結(jié)167結(jié)后語168參考資料17城軌車輛負載模擬子系統(tǒng)硬件設(shè)計1概述隨著城市化進程的日益加快，城市人口的急劇增加，國民收入的普遍增加，汽車數(shù)量的急劇猛增，導致交通擁擠、堵塞的情況日益嚴重。因此，大力開展城市公共交通有著積極的重要意義。其中城軌交通因其運量大、速度快、穩(wěn)定性好、守時等眾多優(yōu)點，更具有相當重要的開展和研究意義。我國的牽引系統(tǒng)的應(yīng)用主要建設(shè)在借鑒國外成功經(jīng)歷的根基上，本地化的進程不太完善。通過本課題的研究，可以讓我們更方便更清晰的了解牽引及電制動特性，對實現(xiàn)列車運行過程中列車狀態(tài)的監(jiān)測具有重要的指導意義，對牽引系統(tǒng)開發(fā)控制提供了模擬實驗環(huán)境，同時為制動能量的回收打好了根基，對環(huán)保和節(jié)能也具有重要的研究價值。2城軌列車牽引系統(tǒng)電力牽引是一種將電能作為動力的牽引方式。城市軌道交通車輛的電力牽引系統(tǒng)的根本功能是車輛經(jīng)供電網(wǎng)絡(luò)吸取電能轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動車輛所需的機械能；并且在必要時將車輛的機械能變成電能，對車輛實施電制動。所以在電力牽引系統(tǒng)中的主要組成局部即是機電能量的變換裝置——電機，并且電力牽引系統(tǒng)以牽引電機為控制對象，通過對電機的牽引力和速度進展調(diào)節(jié)，以滿足列車牽引和制動特性的要求?？v觀國內(nèi)外城軌列車電力牽引的開展情況，現(xiàn)代城軌列車牽引系統(tǒng)具有以下特點：廣泛應(yīng)用三相異步牽引電動機及逆變器，使用變頻變壓技術(shù)。牽引變流器廣泛采用了IGBT〔或IPM〕模塊作為主開關(guān)器件，由于該類電力電子器件具有很高的開關(guān)頻率，從而使電源輸出特性更高，控制能力更強。微電子技術(shù)在地鐵列車牽引、制動、輔助控制、信息存儲和顯示、防滑與防空轉(zhuǎn)控制、以及行車安全等方面均有了較廣泛的應(yīng)用。車輛的制動，除了采用摩擦〔空氣〕制動外，還采用了動力〔電〕制動技術(shù)，如電阻制動、再生制動和磁軌制動等，來提高運行中的節(jié)能環(huán)保性與安全性。電力牽引系統(tǒng)與列車自動控制系統(tǒng)嚴密結(jié)合。就我國而言，城市地鐵與輕軌建設(shè)起步較晚，但隨著改革開放與國民經(jīng)濟的開展日益得到重視，特別是進入二十一世紀以來，我國的城市軌道交通得到了迅猛的開展。我國地鐵車輛的開展，按其傳動與控制方式可分為直流調(diào)阻車、直流斬波車和交流傳動[13]。直流調(diào)阻車有如早期北京地鐵的一號線車輛；直流斬波車有如早期的上海地鐵一號線車輛；交流傳動則目前大局部被城軌交通車輛所使用，因其開展趨勢與世界牽引技術(shù)開展主流相一致。3城軌列車牽引模擬系統(tǒng)對于城軌交通，不管是輕軌、地鐵還是高鐵，列車的牽引系統(tǒng)的工作特性的研究都是至關(guān)重要的。但正如我們所了解的一樣，軌道交通牽引系統(tǒng)的規(guī)模龐大，運行負載高，且變化率高，研究參數(shù)多且動態(tài)非線性程度高，數(shù)據(jù)信息量巨大，控制模型復(fù)雜等等，這些都為牽引系統(tǒng)的研究帶來了很大的阻力。同時測控實驗平臺的建設(shè)本錢高，又較不容易實現(xiàn)，所以目前主要建設(shè)在城軌列車牽引模擬系統(tǒng)的根基上，利用虛擬儀器開發(fā)平臺實現(xiàn)仿真研究。3.1城軌列車牽引模擬系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對于牽引動態(tài)性能研究的試驗技術(shù)，現(xiàn)階段我國僅有南車株洲電力機車研究所、中國鐵道科學研究院等少數(shù)單位建設(shè)了整車的大功率實驗平臺[5]。但是這一類牽引實驗系統(tǒng)建設(shè)本錢高，花費的時間久，并且更重要的是實驗平臺完成建設(shè)以后，其外部硬件設(shè)備及其連接條件往往難以改變，因而不能適應(yīng)新的科學技術(shù)的開展，難以跟上城軌列車牽引系統(tǒng)的開展步伐。從國際范圍看，隨著科學技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)和軟件開發(fā)平臺以及軌道交通列車牽引理論的進步，國際上著名的整車車輛實驗臺也逐漸被撤除而放棄投入實驗使用。目前，城軌列車牽引系統(tǒng)的研究主要是建設(shè)在小功率交流牽引電機的模擬實驗平臺上，通過軟件設(shè)計和硬件連接完成模擬實驗。3.2基于小功率交流電機的牽引模擬系統(tǒng)由于上一節(jié)內(nèi)容中所提到的城軌列車牽引實驗平臺建設(shè)的困難性，我們較普遍的實驗系統(tǒng)是基于小功率交流牽引電機的模擬系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)利用圖形化編程〔G語言〕軟件平臺，通過設(shè)計、編寫軟件數(shù)據(jù)采集模塊的程序，實現(xiàn)模擬輸入輸出；利用信號處理模塊將模擬輸出數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為勵磁電流電信號，使計算機能夠在計算模擬運行阻力的同時，控制交流測功機模擬列車運行阻力進展逆扭矩加載，對列車運行狀態(tài)進展監(jiān)測，由此來實現(xiàn)對城軌列車牽引轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。然后，利用LabVIEW豐富的數(shù)據(jù)處理分析控件和編寫的數(shù)據(jù)處理及顯示模塊的程序，計算機可以用實時監(jiān)測出的變化的波形圖表來準確地顯示電流電壓、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等多項動態(tài)參數(shù)。然后利用數(shù)據(jù)存儲模塊，可以將采集和處理的數(shù)據(jù)信息存儲到自定義的目錄下，以實現(xiàn)為牽引電機特性分析提供數(shù)據(jù)支持的最終目的。當然這些功能的實現(xiàn)，全是在軟件程序的設(shè)計和硬件系統(tǒng)的完善的前提條件下進展的。3.2.1城軌列車牽引模擬系統(tǒng)的總體介紹城軌列車牽引模擬系統(tǒng)采用380V交流電，經(jīng)過整流、濾波、調(diào)壓主電路后，將電能傳遞給牽引逆變主電路和制動主電路，再將電流轉(zhuǎn)換后傳遞給牽引電機和負載電機，實現(xiàn)牽引控制和負載控制，最后通過傳感器和慣量飛輪，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡，利用實驗軟件程序?qū)?shù)據(jù)進展采集存儲、處理和顯示，以最終實現(xiàn)牽引過程的測控功能。該實驗平臺構(gòu)造圖如圖3.1所示。電網(wǎng)電網(wǎng)整流、濾波調(diào)壓主電路牽引逆變器主電路制動電阻牽引電機負載電機傳感器慣量飛輪制動逆變器主電路數(shù)據(jù)采集卡工業(yè)控制計算機牽引控制測功機系統(tǒng)負載控制圖3.1城軌列車交流牽引模擬實驗平臺構(gòu)造簡圖在上述的城軌列車交流牽引模擬實驗系統(tǒng)中，交流電機與交流測功機的工作狀態(tài)實現(xiàn)了閉環(huán)控制的功能。在這個測控實驗系統(tǒng)中，交流電機被用來模擬城軌列車牽引系統(tǒng)中的牽引電機，測功機被用來模擬列車運行中的動態(tài)阻力。當列車在牽引工況時，交流電機相當于城軌列車運行時的電動機，而測功機相當于發(fā)電機，這樣可見消耗的電能可大大減小，由此實現(xiàn)牽引系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。除此之外，系統(tǒng)還利用了三級飛輪來模擬運行城軌列車空載〔AW1〕、滿載〔AW2〕、超載〔AW3〕這些不同的運行工況。城軌列車牽引模擬實驗平臺可以用來分別實現(xiàn)牽引和制動兩種工況：在牽引運行工況下，可實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，并對牽引狀態(tài)下的各種工況實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析處理及顯示；在實施電制動的工況下，能模擬電機實現(xiàn)電阻制動和電制動。這為城軌列車牽引特性分析提供了可靠的數(shù)據(jù)。3.2.2城軌列車牽引模擬系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大局部。硬件主要是指數(shù)據(jù)采集卡。本實驗系統(tǒng)中采用了NI公司的PCI一6225數(shù)據(jù)采集卡。該局部硬件的選擇和應(yīng)用主要由負責硬件研究的同學選擇。軟件局部主要是指基于LabVIEW軟件開發(fā)平臺所編寫的實驗程序，即數(shù)據(jù)采集模塊的軟件程序。該局部的主要功能是利用數(shù)據(jù)采集卡和軟件平臺將采集到的實驗數(shù)據(jù)利用計算機進展數(shù)據(jù)分析處理和顯示，準確的監(jiān)測模擬牽引時電機的運行狀態(tài)，實時獲取運行時電流電壓、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等多項實驗數(shù)據(jù)，為牽引特性的研究提供了數(shù)據(jù)根基。3.2.3牽引特性及其分析城市軌道列車牽引特性分為三個階段：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功區(qū)、自然特性區(qū)?！?〕恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。恒轉(zhuǎn)矩區(qū)的時候，牽引力、電機電流、列車的加速度均恒定，功率隨著速度的增大線性上升，牽引電機電壓由0開場上升到最大值，然后電機保持最大電壓不變，牽引特性進入恒功區(qū)?！?〕恒功區(qū)。電機電壓、功率恒定。因為電壓不變，所以隨著速度的增大，電機的勵磁磁通反比減小，牽引力和速度也成反比關(guān)系：F=k1/V?！睰1是常數(shù)，k1=F*恒功轉(zhuǎn)折速度，F(xiàn)是轉(zhuǎn)折點牽引力?！场?〕自然特性區(qū)。電機電壓恒定，牽引力和速度平方成反比關(guān)系：F=k2/V2，?！睼max——列車最大運行速度；m——列車質(zhì)量；a——列車最高速時剩余加速度；R——列車運行根本阻力；自然特性起始速度：V=k2/k1?！吵鞘熊壍儡囕v在站與站區(qū)間內(nèi)，通常三個區(qū)域內(nèi)運行：牽引加速區(qū)、惰行區(qū)和制動減速區(qū)。圖3.2城軌列車速度曲線圖4．個人工程具體分工整體機械構(gòu)造設(shè)計：管曉杰牽引模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計：何佳鵬負載模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計：潘汪洋主電路設(shè)計：黎萱牽引模擬系統(tǒng)控制程序設(shè)計：林立負載模擬系統(tǒng)控制程序設(shè)計：莊雪兒控制信號的傳輸和采集：康炯杰牽引力及根本阻力的計算：張志豪4設(shè)計方案及型號設(shè)定4.1負載模擬系統(tǒng)的設(shè)計負載模擬系統(tǒng)的作用是模擬實際列車運行時產(chǎn)生的阻力，通過該系統(tǒng)的模擬仿真，可以更好地模擬列車在實際運行中的運行工況。在本實驗平臺的負載模擬系統(tǒng)中搭載了ABB公司的電機，附帶有高性能的測功機，可實現(xiàn)列車運行阻力的仿真?？紤]到實際列車在運行時通常由六至八節(jié)列車編組，每列車有四到六節(jié)動車，每節(jié)車有四臺牽引電機，而此實驗設(shè)備還不能模擬整列列車的實際運行阻力，因此在本實驗系統(tǒng)中通過將列車的運行阻力平分到每臺電機上，通過負載轉(zhuǎn)矩的形式加載在牽引電機上，到達對列車運行工況中阻力的模擬。圖4.4為負載電機。4.2變頻器和負載電機的連接電路設(shè)計4.3電機設(shè)計4.3.1電機的選型經(jīng)過組員討論，決定采用M2QA系列標準三相異步電動機。這是ABB公司2000系列產(chǎn)品中的根本系列，符合歐共體II級效率標準，高效可靠，節(jié)能環(huán)保。該系列電機引進全套歐洲生產(chǎn)工藝，噪音低，壽命長，適用于各種惡劣的環(huán)境，被廣泛地運用于各行各業(yè)。4.3.2電機參數(shù)〔1〕額定功率本實驗系統(tǒng)與真實的2號線列車運行阻力以1900:11比例縮放，因此選取電機的額定功率為P=7.5KW。〔2〕額定轉(zhuǎn)速為了最貼合實際的模擬列車牽引運行工況，額定轉(zhuǎn)矩選取n=2910r/min?！?〕額定轉(zhuǎn)矩根據(jù)公式T=9549P/nT=24.6Nm〔4〕額定輸入電壓根據(jù)實驗室條件，得出額定輸入電壓U=380V4.4變頻器設(shè)計4.4.1工作原理變頻器〔Variable-frequencyDrive，VFD〕是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機工作電源頻率方式來控制交流電動機的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流〔交流變直流〕、濾波、逆變〔直流變交流〕、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而到達節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高，變頻器也得到了非常廣泛的應(yīng)用。ABB變頻器通過將380V交流電壓整流濾波成為平滑的510V直流電壓，再通過逆變器件將510V直流電壓變成頻率與電壓均可調(diào)的交流電壓，電壓調(diào)節(jié)范圍在0V--380之間；頻率可調(diào)范圍在0HZ--600HZ之間。以到達控制電動機無極調(diào)速的目的。4.4.2變頻器的選型變頻器采用ABB公司生產(chǎn)的ACS800型變頻器ACS800系列傳動產(chǎn)品最大的優(yōu)點就是在全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了一樣的控制技術(shù)，例如起動向?qū)А⒆远x編程、DTC控制、通用備件、通用的接口技術(shù)，以及用于選型、調(diào)試和維護的通用軟件工具。先進的技術(shù)-DTCACS800的核心技術(shù)就是直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)。它是目前最先進的交流異步電機的控制方式。DTC穩(wěn)定出色的性能，使ACS800適用于各種工業(yè)領(lǐng)域。啟動向?qū)BB交流傳動持續(xù)不斷的在完善用戶界面。啟動向?qū)У膽?yīng)用，使ACS800的調(diào)試變得非常簡便。自定義編程與傳統(tǒng)的參數(shù)編程相比，ACS800的自定義編程具有更好的適應(yīng)性。作為全系列的標準配置，就想傳動產(chǎn)品內(nèi)置了小型的PLC，且不需要添加任何附加的軟硬件。高度集成和緊湊的構(gòu)造設(shè)計作為標準配置，ACS800全系列已經(jīng)內(nèi)置了電抗器。此外，在ACS800內(nèi)部還可以同時再安裝三個可選模塊:I/O擴展模塊，現(xiàn)場總線適配器模塊，脈沖編碼器接口模塊或PC機的接口模塊。對于這些模塊，無任何附加空間和電纜的要求。環(huán)保產(chǎn)品ABB是ICC(國際商會)可持續(xù)開展商務(wù)的成員，并一致致力與環(huán)境的保護。ABB交流傳動產(chǎn)品遵循16項ICC的規(guī)定，在生產(chǎn)過程中遵循ISO14001標準。6總結(jié)通過對列車運行阻力的數(shù)據(jù)分析，確定了相應(yīng)的電動機型號以及變頻器型號，同時確定了電動機和變頻器的連接電路。為整個系統(tǒng)的硬件模塊的搭建起到了鋪墊的作用7結(jié)后語隨著經(jīng)濟的開展，人民生活水平的不斷提高，人民的出行需求也隨之增大。因此，軌道交通，作為城市內(nèi)大運量的交通工具，則是不可或缺的。大力開展軌道交通是當前城市交通開展的重中之重。我們在學習了城市軌道交通電氣設(shè)備這門課后，利用學到的一系列專業(yè)課知識，搭建了這一仿真模型，從理論的分析到虛擬儀