城軌車輛控制系統(tǒng)1.直流牽引電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理直流牽引電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理直流牽引電機主要結(jié)構(gòu)主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋定子轉(zhuǎn)子電樞鐵心電樞繞組換向器2026/1/121轉(zhuǎn)軸軸承1.直流牽引電機的結(jié)構(gòu)直流牽引電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理機座1.直流牽引電機的結(jié)構(gòu)圖 直流電動機結(jié)構(gòu)（4極）2026/1/121直流牽引電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理直流電機定子接線盒換向極鐵心主磁極鐵心主磁極繞組（勵磁繞組）換向極繞組換向極繞組與勵磁的串聯(lián)接線（1）靜止部分2026/1/121直流牽引電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理電刷實物圖電刷裝置是將直流電流引入或引出的裝置，通過固定不動的電刷與旋轉(zhuǎn)的換向器之間的滑動接觸，將外部直流電源與直流電機的電樞繞組連接起來。

電刷刷握匯流條電刷放在刷握內(nèi)，用彈簧將電刷壓緊在換向器上2026/1/121直流牽引電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理電樞鐵心、電樞繞組、換向器等組成電樞鐵心軸 電樞繞組換向器（2）旋轉(zhuǎn)部分2026/1/12軸承1又稱電樞部分直流牽引電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理a圖b圖c圖平衡位置2.直流牽引電機的工作原理2026/1/121直流牽引電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理可以通過改變電流方向或磁場方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動可以利用電刷裝置改變電流方向來實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動2026/1/1212.交流牽引電動機的結(jié)構(gòu)與原理分析2026/1/12交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)交流牽引電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

定子部分轉(zhuǎn)子部分交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)

定子鐵心由0.5毫米厚硅鋼片疊壓而成定子鐵芯為定子的導磁部分1．定子部分定子由定子鐵心、定子繞組、機座和端蓋等組成。2026/1/121交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)定子繞組為定子的導電部分（感應(yīng)電動勢、流過電流）2026/1/121U1 V1 W1W2 U2 V2交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)定子接線盒星形(Y)聯(lián)結(jié)U1 V1 W1W2 U2 V

23

~三角形(

)聯(lián)結(jié)U1W2V1U2W1V

23

~U1 V1 W1U2 V2 W2首端尾端U1V1

W1U2 V2 W2首端尾端2026/1/121交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)2．轉(zhuǎn)子部分（1）轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。在轉(zhuǎn)子鐵芯每個槽中放置導體或繞組。由鐵芯、繞組和轉(zhuǎn)軸等部分組成。2026/1/12交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)（2）轉(zhuǎn)子繞組：①鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)插入一根裸導條，形成一個多相對稱短路繞組。2026/1/12交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)②繞線式轉(zhuǎn)子：對稱三相繞組，一般接成星型。將三個出線端分別接到轉(zhuǎn)軸上三個滑環(huán)上，再通過電刷引出電流。2026/1/12交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)（3）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸：2026/1/12交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)（4）氣隙：異步電動機的氣隙是均勻的。

在中、小型電機中，氣隙一般為0.2-1毫米。氣隙大小對電機性能有很大的影響。氣隙大：磁阻大，勵磁電流大，功率因數(shù)低。氣隙?。喊醇庸た赡芗皺C械安全所限制。2026/1/12交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)三相籠型異步電動機的部件圖2026/1/12交流牽引電動機的基本結(jié)構(gòu)三相籠型異步電動機的結(jié)構(gòu)2026/1/12交流牽引電動機的原理分析機械負載旋轉(zhuǎn)起來工作原理旋轉(zhuǎn)磁場（磁場能量）磁感線切割轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生

e

和

i轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受到電磁力的作用電磁轉(zhuǎn)矩感應(yīng)對稱三相繞組通入對稱三相電流三相交流電能2026/1/12交流牽引電動機的原理分析交流電通入定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生作用于轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生通入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速160

fp0n =2026/1/12交流牽引電動機的原理分析轉(zhuǎn)差率:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速:旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速與電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差，與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率。狀態(tài)制動狀態(tài)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)電動機狀態(tài)理想空載狀態(tài)發(fā)電機狀態(tài)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

0n

00

n

n0n

n0n

n0轉(zhuǎn)差率s

1s

11

s

0s

0s

02026/1/12s

n0

n

n

(1

s)n0異步電機的各種運行狀態(tài)交流牽引電動機的原理分析轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線：轉(zhuǎn)差率由1到0時，異步電動機的力矩、負載電流和一次電流的變化。圖 異步電動機的力矩、電流和轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線2026/1/12交流牽引電動機的原理分析電源的頻率、電壓2026/1/12變化時，電動機的電流和力矩相應(yīng)變化曲線:異步電動機基本特性曲線的變化交流牽引電動機的原理分析圖

電源電壓與頻率之比恒定時異步電動機基本特性曲線的變化電源電壓與頻率之比保持恒定時改變頻率，電動機的電流和力矩相應(yīng)變化曲線:異步電動機的力矩近似表示式：T

k(U/f)2

fs2026/1/123.直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性直線電動機可認為是旋轉(zhuǎn)電機在結(jié)構(gòu)方面的一種演變。圖

直線異步電動機結(jié)構(gòu)原理圖2026/1/12由于用直線運動取代了旋轉(zhuǎn)運動，因此稱之為直線電動機。直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性2026/1/12直線電動機特點：（1）

無旋轉(zhuǎn)部件，呈扁平形，可降低城軌車輛的高度。

（2）

能夠非接觸式的直接實現(xiàn)直線運行，因此可不受粘著的

限制，能獲得較高的加速度和減速度。

（3）

直線電動機運行噪音較小。

直線電動機分類：直線異步電動機（LIM）直線同步電動機（LSM）直線直流電動機（LDM）在城市軌道交通中以

LIM應(yīng)用較多。直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性1．直線異步電動機的分類按結(jié)構(gòu)分類：

平板形單邊式

平板形雙邊式

圓筒形按電源分類：三相電源二相電源2026/1/12（3）按動體分類：短初級方式(即以初級作為動體)短次級方式(即以次級作為動體)2026/1/12直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性2．

結(jié)構(gòu)與原理（1）直線異步電動機結(jié)構(gòu)

定子：帶齒槽的電工鋼片疊成，槽里嵌有繞組。

轉(zhuǎn)子：非磁性體(銅板或鋁

板)和磁性體(鋼板)構(gòu)成的復(fù)合金屬板。（2）直線異步電動機的原理（a）旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機圖（b）直線感應(yīng)電機感應(yīng)電機的基本工作原理1-定子；2-轉(zhuǎn)子；3-磁場方向 1-初級；2-次級；3-行波磁場直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性3．直線異步電動機特性

圖

直線異步電動機的推力-速度特性與旋轉(zhuǎn)異步電動機的特性比較（1）推力-速度特性（2）推力一氣隙特性圖

直線異步電動機的推力-氣隙特性2026/1/12直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性邊緣效應(yīng)直線電機是長直、兩端開斷的結(jié)構(gòu)，存在始端和終端，引起了邊緣效應(yīng)(端部效應(yīng))。（3）①

靜態(tài)縱向邊緣效應(yīng)②

動態(tài)縱向邊緣效應(yīng)③

橫向邊緣效應(yīng)在橫在向氣的隙邊中緣出區(qū)現(xiàn)域脈磁振場磁削場弱和，2026/1/12造成反空向載行氣波隙磁磁場場，橫運向行分過布程的中不將均勻初產(chǎn)，、生這次阻是級力第相和一對增類運大橫動附向時加邊的損緣磁耗效場。應(yīng)這。和渦次種流級效分導應(yīng)布體當?shù)陌宄趸麑Α⒆冸姶畏Q流級為分相動布對態(tài)及靜縱氣止隙時向磁邊場也緣密存效度在應(yīng)沿，橫因向而分稱布為的靜影態(tài)響縱，向稱邊為第緣二效類應(yīng)橫，向縱邊向緣即效磁應(yīng)場移動的方向。直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性4．直線異步電動機 的優(yōu)缺點②

起動推力大，可實現(xiàn)大范圍的加速和減速，零部件不受離2026/1/12心力的作用，直線速度不受限制。③直線電機的初級和次級的結(jié)構(gòu)都很簡單，特別是次級，有時甚至可直接利用部分設(shè)備本體或運行軌道。可在條件惡劣(潮濕、粉塵、有害氣體)的環(huán)境中使用。④

總體結(jié)構(gòu)簡單，扁平型部件高度低；噪聲小，重量輕，維修容易。（1）優(yōu)點①

直線電機最主要的優(yōu)點是直接產(chǎn)生直線運動而不需要中間轉(zhuǎn)換裝置。直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性（2）缺點①效率和功率因數(shù)低（一般在0.6-0.65左右）。通常直線異步電動機的極距/氣隙比旋轉(zhuǎn)電動機大一倍左右。出具和次級之間的氣隙大，需要的磁化電流大，所以空載電流大；

邊緣效應(yīng)特別是縱向邊緣效應(yīng)減小驅(qū)動推力，增大了損耗。②除驅(qū)動推力外，直線電機初級和次級之間有吸引力，因而必須增加構(gòu)架強度。③長距離保持一定氣隙的精度要求。2026/1/12直線牽引電動機結(jié)構(gòu)及特性5．直線牽引電動機在動車中應(yīng)用廣州地鐵4號線2026/1/124.直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理2026/1/12直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理??

一、直流傳動控制系統(tǒng)組成直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理2026/1/121直流傳動調(diào)速控制基本形式：1．變阻控制——通過調(diào)節(jié)串入電機回路的電阻，改變直 流牽引電動機端電壓，實現(xiàn)調(diào)速目的。變阻控制：凸輪調(diào)阻、斬波調(diào)阻。斬波調(diào)壓控制二、直流傳動控制系統(tǒng)控制原理變阻控制（1）

凸輪調(diào)阻控制：通過轉(zhuǎn)動凸輪，接觸器KM形成不同的開閉組合，接入或切除若干起動電阻，達到調(diào)節(jié)牽引電機電壓的目的。直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理2026/1/121制動時：電阻分路直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理2026/1/121將功率器件組成的斬波器作為電子開關(guān)，與起動電阻并（2）

斬波調(diào)阻控制

聯(lián)，通過控制其導通時間，改變串入主電路的電阻，從而改變電動機的端電壓，實現(xiàn)調(diào)速的目的。直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理2026/1/122.斬波調(diào)壓控制（電樞斬波控制）斬波調(diào)壓控制：利用接在電網(wǎng)與牽引電動機之間的斬波器，通過控制斬波器的導通與關(guān)斷時間來改變牽引電動機的端電壓的方法。斬波器：是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為DC/DC變換。itttOEGt

ontoffO

Ti

o i1i2I

10I

20t1Ou

o脈寬調(diào)制方式輸出電壓平均值：t tUt

on E

oonofft ——V通的時間

t ——V斷的時間a--占空比直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理2026/1/12結(jié)論：斬波調(diào)速是一種經(jīng)濟的調(diào)速手段。2.斬波調(diào)壓控制

（電樞斬波控制）直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理5.交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制矢量控制理論是交流調(diào)速理論的重大突破。

矢量控制定義：交流電機模擬成直流電機來控制，通過坐標變換來實現(xiàn)電機定子電流的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦

，然后分別獨立調(diào)節(jié)，從而獲得高性能的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。直接轉(zhuǎn)矩控制：結(jié)構(gòu)簡單，克服了矢量控制中的計算量大、控制復(fù)雜、系統(tǒng)性能受電動機參數(shù)影響較大等缺點，系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標都十分優(yōu)越，是一種很有發(fā)展前途的交流調(diào)速方案。二相三相三相二相2026/1/12交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制1．轉(zhuǎn)速控制方法③恒功率控制④恒電壓控制U恒定而增加?，則使?S與?的平方成正比地增加。以上的方法只是用于開環(huán)控制系統(tǒng)。s①

U f

恒定控制②恒轉(zhuǎn)差頻率控制可以在較大的速度范圍內(nèi)輸出恒定力矩。T

k(U

/

f

)2

f相當于直流調(diào)速的變阻控制。逆變電路的輸出電壓達到最大值后，僅僅改變逆變電路輸出頻率的控制方法。相當于直流串勵電動機的自然特性。轉(zhuǎn)差功率

f

fs

f

為恒定。電源電壓恒定、轉(zhuǎn)差率與電源頻率成正比、輸入電流基本恒定。這種方式等效于直流電動機的削弱磁場控制。2026/1/122026/1/12交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制2．矢量控制調(diào)速為改善異步電機的動態(tài)性能，產(chǎn)生了矢量控制理論。（1）矢量控制的優(yōu)勢表 傳統(tǒng)

U f

控制與矢量控制的比較項目傳統(tǒng)U f

控制矢量控制電壓控制信息大小，頻率大小，頻率，位相電流控制實效值控制勵磁電流，轉(zhuǎn)矩電流獨立控制轉(zhuǎn)矩反應(yīng)數(shù)百毫米數(shù)十毫米CPU演算量小大1交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制（2）電流矢量的轉(zhuǎn)矩控制在感應(yīng)電機控制中：矢量控制時的轉(zhuǎn)矩T

K

Iq

K

'

Id

IqqIId式中，

K,

K

'

為比例常量；為磁通；為轉(zhuǎn)矩電流；為勵磁電流。ｑ軸ｄ軸dII

q電機電流I

m勵磁電流發(fā)生轉(zhuǎn)扭矩大↓加 速大dI０I

q００③②發(fā)生轉(zhuǎn)扭

① 矩小↓加速小０mIT I

q

①②③一定轉(zhuǎn)矩量勵磁量轉(zhuǎn)矩2026/1/12T圖 電流矢量的轉(zhuǎn)矩控制交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制（3）電壓矢量控制2026/1/12（ａ）等效電路

（ｂ）矢量圖 圖 電壓、電流的矢量圖交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制2026/1/123.

直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速改變電動機轉(zhuǎn)矩的大?。和ㄟ^改變磁通角的大小來實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制：就是通過空間電壓矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，以改變定子磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變轉(zhuǎn)差也即磁通角的大小來控制電磁轉(zhuǎn)矩。區(qū)別:（1）直接轉(zhuǎn)矩控制建立在定子磁場旋轉(zhuǎn)坐標系中。矢量控制建立在轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)坐標系中。

（2）矢量控制一般具有PWM逆變器和定子電流閉環(huán)。直接轉(zhuǎn)矩控制沒有。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。交流異步電動機的轉(zhuǎn)速控制圖 空間電壓矢量圖①

若要增大電磁轉(zhuǎn)矩：施加正向有效空間電壓矢量—定子磁鏈的轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)子磁鏈—磁通角增大—轉(zhuǎn)矩增加。②

若要減小電磁轉(zhuǎn)矩：施加零電壓矢量—定子磁鏈就會停止轉(zhuǎn)動—磁通角減小—轉(zhuǎn)矩減小。迅速減小電磁轉(zhuǎn)矩：施加反向有效空間電壓矢量—定子磁鏈就會向反方向旋轉(zhuǎn)—磁通角迅速減小—從而使轉(zhuǎn)矩迅速減小。2026/1/126.交流主傳動案例分析交流主傳動案例分析圖

1C4M單元車交流主傳動系統(tǒng)原理電路圖道交通交流動車1C4M交流主傳動系統(tǒng)案例分析M~~M~M~M~再生制動時：2026/1/12以相反的路徑使電網(wǎng)吸收電動機反饋的能量。牽引時：1.城市軌交流主傳動案例分析圖

1C4M單元車交流主傳動系統(tǒng)原理電路圖M~~M~M~M~（1）充電限流環(huán)節(jié)2026/1/12交流主傳動案例分析圖

1C4M單元車交流主傳動系統(tǒng)原理電路圖M~~M~M~M~（2）VVVF逆變器再生制動2026/1/12電阻制動交流主傳動案例分析M~~M~M~M~（3）“軟撬杠”保護環(huán)節(jié)圖

1C4M單元車交流主傳動系統(tǒng)原理電路圖2026/1/12交流主傳動案例分析M~~M~M~M~（4）“硬撬杠”保護環(huán)節(jié)圖

1C4M單元車交流主傳動系統(tǒng)原理電路圖2026/1/12交流主傳動案例分析圖

1C4M單元車交流主傳動系統(tǒng)原理電路圖M~~M~M~M~（5）其他保護環(huán)節(jié)要求：電容兩端電壓在5min內(nèi)降到50V以下隔離/接地開關(guān)差動電流傳感器避雷器2026/1/12交流主傳動案例分析圖

1C4M單元車交流主傳動系統(tǒng)原理電路圖M~~M~M~M~1臺逆變器給4臺并聯(lián)的牽引電動機供電，這種逆變器與電動機的配置方式稱“車控”方式，即1C4M。1臺逆變器給同一轉(zhuǎn)向架上的2臺并聯(lián)的牽引電動機供電，這種逆變器與電動機的配置方式稱