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第八章 牵引和电制动
第一节 系统基本组成和工作原理
一． 牵引/制动系统组成
广州地铁一号线车辆牵引和电制动系统由德国ADtranz公司提供，是国内首家采用交流传动和动力分散型控制技术的地铁车辆项目。整个系统由受电弓、高速断路器HSCB、VVVF牵引逆变器、DCU/UNAS（牵引控制单元）、牵引电机，制动电阻等组成，如图1所示。 VVVF牵引 逆变器 受电弓. HSCB 线路滤波牵引电机 模块 逆变器模块 制动电阻
1 2 列车输入/ 输出 DCU UNAS 控制信号
1 —— DCU对VVVF逆变器的线路电容器充/ 放电控制 2 —— DCU/UNAS对VVVF逆变器及电机转矩控制
图1：牵引系统组成示意图
列车受电弓从接触网受流，通过高速断路器后，将1500VDC送入VVVF牵引逆变器。VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式，将
1500VDC直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电，平行供给车辆四台交流鼠笼式异步牵引电机，对电机进行调速，实现列车的牵引、制动功能，其半导体变流元件采用4500V/3000A的GTO，最大斩波频率为450 Hz。VVV输出电压的频率调节范围为0 ~ 112 Hz，幅值调节范围为0 ~ 1147 VAC。
二． 牵引系统基本参数
牵引逆变器VVVF：
线电压 UN = 1000 ~ 1800 VDC 输入线电流 I N = 480 A 最大线电流（牵引） I NDMAX = 692 A 最大线电流（制动） I NBMAX = 1171 A 输出电流 I A = 720 A 最大输出电流 I AMAX = 1080 A 最大保护电流 I MAX = 2900 A 输出电压 UN = 0 ~ 1050 V 输出频率 fA = 0 ~ 112 Hz\\ GTO最大开关频率 fP = 450 Hz 制动斩波模块斩波频率 fB = 250 Hz 模块冷却方式 强迫风冷 模块冷却片风速 VL = 8 m/s
牵引电机（1 TB 2010 – 0GA02）：
连续定额 小时定额
输出功率 PM 190 kW
额定电压 UN 1050 V
额定电流 I N 132 （1800 min-1） 144 A
210
1050
1800 min-1）
（额定转矩 MN 1008 1114
Nm rpm
三． 基本工作原理
整个控制系统由输入值设定、速度测量、电机控制、脉冲发生器、能量反馈各环节构成。DCU通过列车线接受来自控制系统的牵引/制动力绝对值（以百分比的形式），与此同时还接受司机发出牵引或制动指令，来决定是施加牵引或制动力。在给定值进行实际电机控制前，必须经过以下条件的处理: 1. 输入值设定 ? 载荷校验
DCU根据相应动车的载荷状况来调整实际牵引/制动力，这是由于采用了动力分散型控制，为了保持车钩之间的相对运动最小，并且使整车达到相同的动态特性。 ? 冲击限制
不同的给定值大小的改变速率必须符合冲击限制的规定，但在防滑/防空转功能激活的时候则不受此限制。 ? 速度限制（牵引时）
广州地铁一号线规定了3个速度限制，速度控制的优先级高于电机控制。
正常速度： 80 km/h 倒车速度： 10 km/h 慢行速度： 3 km/h ? 线电流限制（牵引时）
在牵引工况时，线电流控制的优先级高于电机控制，出于功耗的考虑，该限制值为不超过每节动车720A。 ? 欠压保护（制动时）
在制动时，网压一直受到检测，当网压降到1500V以下时，制动力矩随速度和网压相应的减少，这时不足的制动力由气制动补充。
最大转速 nMAX 3510 3510
? 空转/滑行保护
空转/滑行保护通过比较拖车动车之间的速度差异来实现，通过适当减少力矩设定值，该保护能确保输出最大所要求的牵引/制动力，当拖车速度检测失败时，该保护还可以通过仿真计算拖车速度来保证正常功能。
2. 速度检测
每个牵引电机带一个速度传感器，输出两个通道，每个通道相差为90o的方波（电机每转为256个脉冲），通过判断相差可以确定旋转的方向。每个牵引控制单元连接3个速度传感器。在正常情况下，该数值直接送入DCU进行牵引控制，在进行速度测量的时候，如果出现各速度值不相等的情况（例如，空转/滑行时），甚至在极端情况下，只有一个电机的速度信息对于牵引控制来说都是足够的。当DCU监控逻辑系统发现有一个速度传感器故障时，马上封锁该速度信号，以免对牵引控制造成严重的影响。
除了电机速度，在DCU中同样检测拖车的速度。在拖车一个轴上装有一个编码速度传感器，同电机速度传感器不同，该传感器是单通道的（每周110个脉冲）。
在DCU中有两块电路板A305，A306“中断处理与速度测量板”专门用来处理速度信号，速度值通过计算脉冲数，然后与参考时钟周期计算得到。 3. 电机控制
采用空间矢量控制，电机的磁通大小和方向（空间矢量）通过逆变器输出线电压和相电流，电机速度等参数近似得到。绕组中的电流和电机电压作为空间矢量与磁通量有关，该解耦过程使得可以单独控制磁通和力矩（磁场定向控制）。控制结构图如下：
控制系统的输入力矩设定值（1），该力矩设定值是经过控制系统的其他参数的校核（如负载，线电流，速度，冲击限制，防滑/防空转保护）才输入控制系统。磁场设定值可以通过电机的参数（1a）计算得到，该值在整个正常速度范围内有效。
电机力矩电流的产生决定于励磁磁场和转子磁场的交互作用，如果是异步电机，励磁磁场和转子磁场均由定子电流产生，定子电流通过坐标变换为两部分：一部分（励磁电流）产生磁场，另一部分（负载电流）与励磁磁场积分再与励磁磁场一起形成力矩，为了清楚的表现各电流的关系，定义了一个旋转坐标系统（I,m），该坐标系统与磁场矢量ψ同步，该变换的优点在于励磁电流部分和负载电流部分可以单独的进行控制（与并励直流电机原理相同）。