本發(fā)明涉及牽引動(dòng)力技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種直流車輛牽引系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市交通問(wèn)題日益突出，發(fā)展以地鐵為代表的城市軌道交通系統(tǒng)是解決城市交通問(wèn)題的必由之路，目前城市軌道交通牽引電網(wǎng)采用的是經(jīng)二極管整流的直流電網(wǎng)，能量無(wú)法雙向流動(dòng)；并且城市軌道交通車輛的運(yùn)行特點(diǎn)是：既要頻繁地啟動(dòng)加速，又需要頻繁地制動(dòng)減速，車輛再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能會(huì)抬高直流電網(wǎng)電壓進(jìn)而威脅設(shè)備安全。

綜上所述，現(xiàn)有直流車輛牽引系統(tǒng)中采用直流電網(wǎng)，存在能量無(wú)法雙向流動(dòng)，以及車輛再生制動(dòng)時(shí)抬高直流電網(wǎng)電壓，威脅設(shè)備安全的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供一種直流車輛牽引系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有直流車輛牽引系統(tǒng)中采用直流電網(wǎng)，存在能量無(wú)法雙向流動(dòng)，以及車輛再生制動(dòng)時(shí)抬高直流電網(wǎng)電壓，威脅設(shè)備安全的問(wèn)題。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種直流車輛牽引系統(tǒng)，包括：濾波電路、牽引制動(dòng)電路和處理器；

所述濾波電路包括：直流電源通過(guò)受電弓與斷路器的一端連接，所述斷路器的另一端通過(guò)濾波電感與差動(dòng)電流傳感器的第一端連接，所述差動(dòng)電流傳感器的第二端通過(guò)第一接觸器與限流電阻的一端連接，所述限流電阻的另一端與濾波電容的一端連接，所述濾波電容的另一端與所述差動(dòng)電流傳感器的第三端連接，所述差動(dòng)電流傳感器的第四端接地；

其中，所述限流電阻兩端并接有第二接觸器；所述濾波電容兩端分別并接有電壓傳感器和充電電阻，同時(shí)所述濾波電容兩端還與放電電阻與繼電器構(gòu)成的串聯(lián)電路并聯(lián)；

所述濾波電容的一端為供電輸出正極A+端，所述濾波電容的另一端為供電輸出負(fù)極A-端；所述供電輸出正極A+端與所述牽引制動(dòng)電路中的供電輸入正極A+端連接，所述供電輸出負(fù)極A-端與所述牽引制動(dòng)電路中的供電輸入負(fù)極A-端連接；

所述牽引制動(dòng)電路包括：所述供電輸入正極A+端通過(guò)第一牽引接觸器依次與第一制動(dòng)電阻、第一電流互感器、第一電動(dòng)機(jī)裝置、第二牽引接觸器、第一電感和第一GTO晶閘管串聯(lián)，并最終連接至所述供電輸入負(fù)極A-端，其中所述第一電感與所述第一GTO晶閘管的正極連接；

其中，所述第一制動(dòng)電阻和第一消磁接觸器構(gòu)成的串聯(lián)電路與第一分路電阻并接；

其中，所述第一電動(dòng)機(jī)裝置包括：第一方向接觸器和第二方向接觸器串聯(lián)構(gòu)成第一串路，第三方向接觸器和第四方向接觸器串聯(lián)構(gòu)成第二串路，所述第一串路和所述第二串路并聯(lián)，第一牽引電動(dòng)機(jī)和第二牽引電動(dòng)機(jī)串聯(lián)構(gòu)成第三串路，所述第三串路的一端連接在所述第一方向接觸器和所述第二方向接觸器之間，所述第三串路的另一端連接在所述第三方向接觸器和所述第四方向接觸器之間；所述第一串路的一端與所述第一電流互感器連接，所述第一串路的另一端與所述第二牽引接觸器連接；

其中，所述第一制動(dòng)電阻和所述第一電感之間連接有制動(dòng)接觸器；

其中，所述供電輸入正極A+端與續(xù)流二極管的負(fù)極端連接，所述續(xù)流二極管的正極端與所述第一GTO晶閘管的正極端連接；

所述牽引制動(dòng)電路還包括：所述供電輸入正極A+端通過(guò)第一牽引接觸器依次與第二電動(dòng)機(jī)裝置、第二電流互感器、第二制動(dòng)電阻、所述第二牽引接觸器、所述第一電感和所述第一GTO晶閘管串聯(lián)，其中所述第一電感與所述第一GTO晶閘管的正極連接；

其中，所述第二電動(dòng)機(jī)裝置包括：第五方向接觸器和第六方向接觸器串聯(lián)構(gòu)成第四串路，第七方向接觸器和第八方向接觸器串聯(lián)構(gòu)成第五串路，所述第四串路和所述第五串路并聯(lián)，第三牽引電動(dòng)機(jī)和第四串聯(lián)構(gòu)成第六串路，所述第六串路的一端連接在所述第五方向接觸器和所述第六方向接觸器之間，所述第六串路的另一端連接在所述第七方向接觸器和所述第八方向接觸器之間，所述第四串路的一端與所述第一牽引接觸器連接，所述第四串路的另一端與所述第二電流互感器連接；

其中，所述第二制動(dòng)電阻與第二消磁接觸器構(gòu)成的串聯(lián)電路與第二分路電阻并聯(lián)；

其中，所述第二電流互感器和所述第二消磁接觸器連接線的中間端與第一調(diào)節(jié)晶閘管的負(fù)極端連接，所述第一調(diào)節(jié)晶閘管的正極端與第二GTO晶閘管的負(fù)極端連接，所述第二GTO晶閘管的正極端與第一制動(dòng)晶閘管的正極端連接，所述第一制動(dòng)晶閘管的負(fù)極端與第二制動(dòng)晶閘管的正極端連接，所述第二制動(dòng)晶閘管的負(fù)極端通過(guò)第三制動(dòng)電阻與所述供電輸入負(fù)極A-端連接；并且所述第二GTO晶閘管的正極端與保護(hù)晶閘管的正極端連接，所述第二GTO晶閘管的負(fù)極端與所述保護(hù)晶閘管的負(fù)極端連接；

其中，所述第二電流互感器和所述第二消磁接觸器連接線的中間端通過(guò)第一電阻與第二調(diào)節(jié)晶閘管的負(fù)極端連接，所述第二調(diào)節(jié)晶閘管的正極端與所述第二GTO晶閘管的負(fù)極端連接；

其中，所述第二電流互感器和所述第二消磁接觸器連接線的中間端通過(guò)所述第一電阻和第二電阻與制動(dòng)二極管的負(fù)極端連接，所述制動(dòng)二極管的正極端與所述第二GTO晶閘管的負(fù)極端連接；

所述第一接觸器、所述第二接觸器、所述差動(dòng)電流傳感器、所述電壓傳感器、所述第一方向接觸器、所述第四方向接觸器、所述第三方向接觸器、所述第二方向接觸器、所述第五方向接觸器、所述第八方向接觸器、所述第七方向接觸器、所述第六方向接觸器、所述第一牽引接觸器、所述第二牽引接觸器、所述制動(dòng)接觸器、所述第一消磁接觸器、所述第二消磁接觸器、所述第一電流互感器、所述第二電流互感器、所述第一GTO晶閘管、所述第二GTO晶閘管、所述第一制動(dòng)晶閘管、所述第二制動(dòng)晶閘管、所述第一調(diào)節(jié)晶閘管、所述第二調(diào)節(jié)晶閘管和所述保護(hù)晶閘管均與所述處理器連接。

較佳地，所述受電弓通過(guò)避雷器接地。

較佳地，所述限流電阻與熔斷器和二極管串聯(lián)，并且，所述二極管的正極端與限流電阻連接，所述二極管的負(fù)極端與所述供電輸出正極A+端連接；所述限流電阻、所述熔斷器和所述二極管串聯(lián)后與所述第二接觸器并聯(lián)。

較佳地，所述第一分路電阻兩端并接有第二電感和第三電感構(gòu)成的串聯(lián)電路；所述第二分路電阻兩端并接有第四電感和第五電感。

較佳地，所述第二分路電阻兩端并接有有預(yù)勵(lì)磁接觸器和預(yù)勵(lì)磁裝置構(gòu)成的串聯(lián)電路，所述預(yù)勵(lì)磁接觸器與所述處理器連接。

較佳地，所述處理器與所述第一接觸器、所述第二接觸器、所述第一方向接觸器、所述第四方向接觸器、所述第三方向接觸器、所述第二方向接觸器、所述第五方向接觸器、所述第八方向接觸器、所述第七方向接觸器、所述第六方向接觸器、所述第一牽引接觸器、所述第二牽引接觸器、所述制動(dòng)接觸器、所述預(yù)勵(lì)磁接觸器、所述第一消磁接觸器和所述第二消磁接觸器之間均設(shè)置有接觸器觸動(dòng)裝置。

較佳地，所述處理器與所述第一GTO晶閘管、所述第二GTO晶閘管、所述第一制動(dòng)晶閘管、所述第二制動(dòng)晶閘管、所述第一調(diào)節(jié)晶閘管、所述第二調(diào)節(jié)晶閘管和所述保護(hù)晶閘管之間均設(shè)置有晶閘管驅(qū)動(dòng)裝置。

本發(fā)明實(shí)施例中，提供一種直流車輛牽引系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的處理器通過(guò)控制濾波電路和牽引制動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)牽引電動(dòng)機(jī)的牽引制動(dòng)。進(jìn)一步地，電能能夠通過(guò)濾波電路中的接地裝置經(jīng)鐵路軌道回到變電站，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)；進(jìn)一步地，通過(guò)晶閘管構(gòu)成的PWM斬波器實(shí)現(xiàn)牽引電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，降低故障率，牽引電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力也得到了充分發(fā)揮，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)的使用效率達(dá)到了最大值；進(jìn)一步地，濾波電路能夠克服網(wǎng)壓的波動(dòng)和浪涌電壓、抑制牽引制動(dòng)電路中的PWM斬波器產(chǎn)生的諧波，避免對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)的濾波電路原理圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)的牽引制動(dòng)電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1示例性的示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)的濾波電路原理圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)的牽引制動(dòng)電路原理圖。如圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)包括：濾波電路、牽引制動(dòng)電路和處理器。

具體地，濾波電路包括：直流電源DC通過(guò)受電弓1Q1與斷路器1Q3的一端連接，斷路器1Q3的另一端通過(guò)濾波電感1L1與差動(dòng)電流傳感器1U1的第一端連接，差動(dòng)電流傳感器1U1的第二端通過(guò)第一接觸器1K1與限流電阻1R1的一端連接，限流電阻1R1的另一端與濾波電容1C1的一端連接，濾波電容1C1的另一端與差動(dòng)電流傳感器1U1的第三端連接，差動(dòng)電流傳感器1U1的第四端接地。

需要說(shuō)明的是，限流電阻1R1兩端并接有第二接觸器1K2；濾波電容1C1兩端分別并接有電壓傳感器1U2和充電電阻1R3，同時(shí)濾波電容1C1兩端還與放電電阻1R2與繼電器1K3構(gòu)成的串聯(lián)電路并聯(lián)。

需要說(shuō)明的是，濾波電容1C1的一端為供電輸出正極A+端，濾波電容1C1的另一端為供電輸出負(fù)極A-端；供電輸出正極A+端與牽引制動(dòng)電路中的供電輸入正極A+端連接，供電輸出負(fù)極A-端與牽引制動(dòng)電路中的供電輸入負(fù)極A-端連接。

需要說(shuō)明的是，第一接觸器1K1、第二接觸器1K2、差動(dòng)電流傳感器1U1和電壓傳感器1U2均與均與處理器連接。

較佳地，受電弓1Q1通過(guò)避雷器1F1接地，起防雷作用。

較佳地，限流電阻1R1與熔斷器1F2和二極管1V1串聯(lián)，并且，二極管1V1的正極端與限流電阻1R1連接，二極管1V1的負(fù)極端與供電輸出正極A+端連接；限流電阻1R1、熔斷器1F2和二極管1V1串聯(lián)后與第二接觸器1K2并聯(lián)，保證電路的安全性。

較佳地，處理器與第一接觸器1K1和第二接觸器1K2之間均設(shè)置有接觸器觸動(dòng)裝置，增加電路穩(wěn)定性。

具體地，牽引制動(dòng)電路包括：供電輸入正極A+端通過(guò)第一牽引接觸器2K9依次與第一制動(dòng)電阻2R2、第一電流互感器2U1、第一電動(dòng)機(jī)裝置、第二牽引接觸器2K10、第一電感2L1和第一GTO晶閘管2V1串聯(lián)，并最終連接至供電輸入負(fù)極A-端，其中第一電感2L1與第一GTO晶閘管2V1的正極連接。

需要說(shuō)明的是，第一制動(dòng)電阻2R2和第一消磁接觸器2K13構(gòu)成的串聯(lián)電路與第一分路電阻2R1并接。

需要說(shuō)明的是，第一電動(dòng)機(jī)裝置包括：第一方向接觸器2K1和第二方向接觸器2K4串聯(lián)構(gòu)成第一串路，第三方向接觸器2K3和第四方向接觸器2K2串聯(lián)構(gòu)成第二串路，第一串路和第二串路并聯(lián)，第一牽引電動(dòng)機(jī)2M1和第二牽引電動(dòng)機(jī)2M2串聯(lián)構(gòu)成第三串路，第三串路的一端連接在第一方向接觸器2K1和第二方向接觸器2K4之間，第三串路的另一端連接在第三方向接觸器2K3和第四方向接觸器2K2之間；第一串路的一端與第一電流互感器2U1連接，第一串路的另一端與第二牽引接觸器2K10連接。

需要說(shuō)明的是，第一制動(dòng)電阻2R2和第一電感2L1之間連接有制動(dòng)接觸器2K11。

需要說(shuō)明的是，供電輸入正極A+端與續(xù)流二極管2V5的負(fù)極端連接，續(xù)流二極管2V5的正極端與第一GTO晶閘管2V1的正極端連接。

具體地，牽引制動(dòng)電路還包括：供電輸入正極A+端通過(guò)第一牽引接觸器2K9依次與第二電動(dòng)機(jī)裝置、第二電流互感器2U2、第二制動(dòng)電阻2R4、第二牽引接觸器2K10、第一電感2L1和第一GTO晶閘管2V1串聯(lián)，其中第一電感2L1與第一GTO晶閘管2V1的正極連接。

需要說(shuō)明的是，第二電動(dòng)機(jī)裝置包括：第五方向接觸器2K5和第六方向接觸器2K8串聯(lián)構(gòu)成第四串路，第七方向接觸器2K7和第八方向接觸器2K6串聯(lián)構(gòu)成第五串路，第四串路和第五串路并聯(lián)，第三牽引電動(dòng)機(jī)2M3和第四串聯(lián)構(gòu)成第六串路，第六串路的一端連接在第五方向接觸器2K5和第六方向接觸器2K8之間，第六串路的另一端連接在第七方向接觸器2K7和第八方向接觸器2K6之間，第四串路的一端與第一牽引接觸器2K9連接，第四串路的另一端與第二電流互感器2U2連接。

需要說(shuō)明的是，第二制動(dòng)電阻2R4與第二消磁接觸器2K14構(gòu)成的串聯(lián)電路與第二分路電阻2R3并聯(lián)。

需要說(shuō)明的是，第二電流互感器2U2和第二消磁接觸器2K14連接線的中間端與第一調(diào)節(jié)晶閘管2V6的負(fù)極端連接，第一調(diào)節(jié)晶閘管2V6的正極端與第二GTO晶閘管2V2的負(fù)極端連接，第二GTO晶閘管2V2的正極端與第一制動(dòng)晶閘管2V3的正極端連接，第一制動(dòng)晶閘管2V3的負(fù)極端與第二制動(dòng)晶閘管2V4的正極端連接，第二制動(dòng)晶閘管2V4的負(fù)極端通過(guò)第三制動(dòng)電阻2R7與供電輸入負(fù)極A-端連接；并且第二GTO晶閘管2V2的正極端與保護(hù)晶閘管2V9的正極端連接，第二GTO晶閘管2V2的負(fù)極端與保護(hù)晶閘管2V9的負(fù)極端連接。

需要說(shuō)明的是，第二電流互感器2U2和第二消磁接觸器2K14連接線的中間端通過(guò)第一電阻2R5與第二調(diào)節(jié)晶閘管2V7的負(fù)極端連接，第二調(diào)節(jié)晶閘管2V7的正極端與第二GTO晶閘管2V2的負(fù)極端連接。

需要說(shuō)明的是，第二電流互感器2U2和第二消磁接觸器2K14連接線的中間端通過(guò)第一電阻2R5和第二電阻2R6與制動(dòng)二極管2V8的負(fù)極端連接，制動(dòng)二極管2V8的正極端與第二GTO晶閘管2V2的負(fù)極端連接。

需要說(shuō)明的是，PWM斬波器包括：第一GTO晶閘管2V1、第二GTO晶閘管2V2、第一制動(dòng)晶閘管2V3、第二制動(dòng)晶閘管2V4、續(xù)流二極管2V5、第一調(diào)節(jié)晶閘管2V6、第二調(diào)節(jié)晶閘管2V7、制動(dòng)二極管2V8和保護(hù)晶閘管2V9。

需要說(shuō)明的是，第一方向接觸器2K1、第四方向接觸器2K2、第三方向接觸器2K3、第二方向接觸器2K4、第五方向接觸器2K5、第八方向接觸器2K6、第七方向接觸器2K7、第六方向接觸器2K8、第一牽引接觸器2K9、第二牽引接觸器2K10、制動(dòng)接觸器2K11、第一消磁接觸器2K13、第二消磁接觸器2K14、第一電流互感器2U1、第二電流互感器2U2、第一GTO晶閘管2V1、第二GTO晶閘管2V2、第一制動(dòng)晶閘管2V3、第二制動(dòng)晶閘管2V4、第一調(diào)節(jié)晶閘管2V6、第二調(diào)節(jié)晶閘管2V7和保護(hù)晶閘管2V9均與處理器連接。

較佳地，第一分路電阻2R1兩端并接有第二電感2L2和第三電感2L3構(gòu)成的串聯(lián)電路；第二分路電阻2R3兩端并接有第四電感2L4和第五電感2L5；第二分路電阻2R3兩端并接有有預(yù)勵(lì)磁接觸器2K12和預(yù)勵(lì)磁裝置2A2構(gòu)成的串聯(lián)電路，預(yù)勵(lì)磁接觸器2K12與處理器連接，保證了運(yùn)行可靠性。

較佳地，處理器與第一方向接觸器2K1、第四方向接觸器2K2、第三方向接觸器2K3、第二方向接觸器2K4、第五方向接觸器2K5、第八方向接觸器2K6、第七方向接觸器2K7、第六方向接觸器2K8、第一牽引接觸器2K9、第二牽引接觸器2K10、制動(dòng)接觸器2K11、預(yù)勵(lì)磁接觸器2K12、第一消磁接觸器2K13和第二消磁接觸器2K14之間均設(shè)置有接觸器觸動(dòng)裝置，增加電路穩(wěn)定性。

較佳地，處理器與第一GTO晶閘管2V1、第二GTO晶閘管2V2、第一制動(dòng)晶閘管2V3、第二制動(dòng)晶閘管2V4、第一調(diào)節(jié)晶閘管2V6、第二調(diào)節(jié)晶閘管2V7和保護(hù)晶閘管2V9之間均設(shè)置有晶閘管驅(qū)動(dòng)裝置，提高驅(qū)動(dòng)能力，增加電路穩(wěn)定性。

需要說(shuō)明的是，第一接觸器1K1、所述第二接觸器1K2、差動(dòng)電流傳感器1U1、電壓傳感器1U2、第一方向接觸器2K1、第四方向接觸器2K2、第三方向接觸器2K3、第二方向接觸器2K4、第五方向接觸器2K5、第八方向接觸器2K6、第七方向接觸器2K7、第六方向接觸器2K8、第一牽引接觸器2K9、第二牽引接觸器2K10、制動(dòng)接觸器2K11、第一消磁接觸器2K13、第二消磁接觸器2K14、第一電流互感器2U1、第二電流互感器2U2、第一GTO晶閘管2V1、第二GTO晶閘管2V2、第一制動(dòng)晶閘管2V3、第二制動(dòng)晶閘管2V4、第一調(diào)節(jié)晶閘管2V6、第二調(diào)節(jié)晶閘管2V7和保護(hù)晶閘管2V9均與處理器連接。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)的原理性說(shuō)明

(1)濾波電路工作原理

直流1500V網(wǎng)壓經(jīng)單臂受電弓1Q1、高速斷路器1Q3進(jìn)入B車和C車后，經(jīng)線路濾波電感1L1、差動(dòng)電流傳感器1U1、第一接觸器1K1，再經(jīng)充電限流電阻1R1、二極管1V1，向?yàn)V波電容1C1充電。濾波電容1C1的正極A+端和負(fù)極A-端接向牽引制動(dòng)電路的正極A+端和負(fù)極A-端；并且電流由牽引制動(dòng)電路經(jīng)濾波電容1C1的負(fù)極流出后，再經(jīng)差動(dòng)電流傳感器1U1和接地裝置1Q2經(jīng)鐵路軌道回到變電站。濾波電路吸收浪涌電壓和濾波的作用由濾波電感1L1和濾波電容1C1承擔(dān)。濾波電容1C1兩端并聯(lián)有檢測(cè)牽引制動(dòng)電路兩端電壓的電壓傳感器1U2，差動(dòng)電流傳感器1U1的作用是檢測(cè)牽引制動(dòng)回路有無(wú)接地，如發(fā)生接地，則主電路輸入和接地端之間的電流值就會(huì)有差異，當(dāng)此電流值超過(guò)50A，線路第一接觸器1K1斷開(kāi)，濾波電容1C1上除了并聯(lián)有電阻R1外，還通過(guò)繼電器1K3并聯(lián)有放電電阻1R2，1K3閉合，加速放電，接地裝置由接地電刷、車軸和輪軌構(gòu)成，以保證負(fù)極回流。

需要說(shuō)明的是，1F1為避雷器，用以釋放雷擊過(guò)電壓。充電限流電阻1R1、二極管1V1及熔斷器1F2上并聯(lián)有第二接觸器1K2，當(dāng)濾波電容1C1充電到一定電壓以后，1K2閉合，將充電限流電阻1R1短路。

需要說(shuō)明的是，本發(fā)明的直流牽引系統(tǒng)設(shè)置濾波器的原因是：四象限運(yùn)行的斬波調(diào)速系統(tǒng)只是應(yīng)用于中、小容量的電機(jī)、線路的電流及電樞反電動(dòng)勢(shì)并不是很大，所以只需要一個(gè)容量足夠大的電容器并聯(lián)在電路上即可，如若有需要的話在濾波電容上并聯(lián)上一個(gè)電阻(過(guò)電壓放電電阻)就可以抑制系統(tǒng)的電流、電壓波動(dòng)。但是，直流牽引系統(tǒng)是由專門的供電系統(tǒng)供電(1500V的直流電源)，單靠簡(jiǎn)單的濾波是不切實(shí)際的。理論分析和實(shí)際測(cè)量表明整流器和逆變器等同于一個(gè)諧波源，在運(yùn)行時(shí)都會(huì)向電網(wǎng)注入電流電壓，這些諧波分量都將產(chǎn)生不良的影響：引起供電電能質(zhì)量的下降，使電流和電壓波形畸變?yōu)榉钦也úㄐ?，從而影響各種測(cè)量?jī)x器的精度和引起繼電器保護(hù)的誤動(dòng)作；增加了電網(wǎng)的電壓損失和供電線路的功率損耗，供電電壓過(guò)低時(shí)會(huì)引起用電設(shè)備過(guò)熱；在一定范圍內(nèi)對(duì)通信電子儀器設(shè)備產(chǎn)生射頻干擾。

(2)牽引制動(dòng)電路在牽引工況下的工作原理

牽引工況下，第一牽引接觸器2K9和牽引第一接觸器1K10閉合，制動(dòng)接觸器2K11打開(kāi)，第一牽引電動(dòng)機(jī)2M1、第二牽引電動(dòng)機(jī)2M2和第三牽引電動(dòng)機(jī)2M3、第四均為串勵(lì)。此時(shí)，若第一方向接觸器2K1、第四方向接觸器2K2閉合，而第三方向接觸器2K3、第二方向接觸器2K4打開(kāi)；第五方向接觸器2K5、第八方向接觸器2K6閉合，而第七方向接觸器2K7、第六方向接觸器2K8打開(kāi)，假設(shè)牽引電動(dòng)機(jī)為正轉(zhuǎn)，電流與電樞反電動(dòng)勢(shì)方向相反，則為向前牽引工況。若將第一方向接觸器2K1、第四方向接觸器2K2打開(kāi)，而第三方向接觸器2K3、第二方向接觸器2K4閉合；第五方向接觸器2K5、第八方向接觸器2K6打開(kāi)，而將第七方向接觸器2K7、第六方向接觸器2K8閉合，則牽引電動(dòng)機(jī)電樞極性改變，牽引電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，電樞電動(dòng)勢(shì)方向也反向，電樞電流與電樞反電動(dòng)勢(shì)方向仍相反，因而，向前牽引變化為向后運(yùn)轉(zhuǎn)，為反向牽引工況。

需要說(shuō)明的是，牽引工況下，無(wú)論牽引電動(dòng)機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，均可以調(diào)節(jié)降壓PWM斬波器主管V1、V2的占空比來(lái)改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制動(dòng)車的運(yùn)行速度。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓調(diào)節(jié)到最高值，若想在提高動(dòng)車的速度，可將第一消磁接觸器2K13、第二消磁接觸器2K14閉合進(jìn)行磁場(chǎng)削弱，此時(shí)磁場(chǎng)削弱系數(shù)為50％。第一分路電阻2R1和第二分路電阻2R3為固定磁場(chǎng)分路電阻，磁場(chǎng)固定削弱系數(shù)為93％，其作用是將電流中的諧波分量從電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組中分流掉，以改善直流牽引電動(dòng)機(jī)的換向火花，并改善換向器上的電位分布特性，從而可提高牽引電動(dòng)機(jī)的抗環(huán)火能力。

需要說(shuō)明的是，PWM斬波器的工作方式為定頻調(diào)寬，PWM斬波器的兩個(gè)GTO晶閘管(即V1、V2)輪流工作，PWM斬波器輸出為兩相一重，每相頻率為250HZ。實(shí)際使用的占空比調(diào)節(jié)范圍為0.05～0.95。

需要說(shuō)明的是，由于假設(shè)了一個(gè)機(jī)車前進(jìn)方向，機(jī)車反向前進(jìn)的牽引過(guò)程類似以上分析。

(2)牽引制動(dòng)電路在制動(dòng)工況下的工作原理

制動(dòng)工況下，將第一牽引接觸器2K9、第二牽引接觸器2K10打開(kāi)，將制動(dòng)接觸器2K11閉合。若第一方向接觸器2K1、第四方向接觸器2K2閉合，第五方向接觸器2K5、第八方向接觸器2K6閉合，而第三方向接觸器2K3、第二方向接觸器2K4打開(kāi)，第七方向接觸器2K7、第六方向接觸器2K8打開(kāi)，則為向前運(yùn)行的制動(dòng)工況。在向前牽引工況時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)換為向前運(yùn)動(dòng)中的制動(dòng)工況時(shí)，因?yàn)闋恳妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向未變，勵(lì)磁方式由串勵(lì)方式改成為交叉式他勵(lì)磁，勵(lì)磁電流也未變，因而牽引電動(dòng)機(jī)的電樞反電動(dòng)勢(shì)仍不變。電流方向與電樞電動(dòng)勢(shì)方向一致了，因而牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)工況，從而產(chǎn)生電制動(dòng)力。

需要說(shuō)明的是，制動(dòng)是分為電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)。其中電制動(dòng)又分為能耗制動(dòng)和再生制動(dòng)兩種方式。能耗制動(dòng)是把牽引電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能消耗于電阻上的一種制動(dòng)方式。再生制動(dòng)是把多余的機(jī)械能反饋回電網(wǎng)的一種制動(dòng)方式，經(jīng)濟(jì)性較好。制動(dòng)過(guò)程的各接觸器狀態(tài)與牽引有所不同，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通也不一樣。電機(jī)及勵(lì)磁繞組的匹配也有變化。機(jī)車正向前進(jìn)時(shí)，制動(dòng)過(guò)程中，第一牽引接觸器2K9，第二牽引接觸器2K10打開(kāi)，制動(dòng)接觸器2K11閉合。方向接觸器狀態(tài)與牽引時(shí)相同，第一方向接觸器2K1，第四方向接觸器2K2及第五方向接觸器2K5，第八方向接觸器2K6閉合；第三方向接觸器2K3，第二方向接觸器2K4及第七方向接觸器2K7，第六方向接觸器2K8。

(1)能耗制動(dòng)

能耗制動(dòng)時(shí)2V3，2V4導(dǎo)通。此時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變，勵(lì)磁方式變?yōu)榻徊娴乃麆?lì)，勵(lì)磁電流方向不變，牽引電機(jī)的電樞反電動(dòng)勢(shì)方向不變，電流方向與電樞電動(dòng)勢(shì)方向一致，牽引電機(jī)在發(fā)電機(jī)工況下運(yùn)行，產(chǎn)生電制動(dòng)力。能耗制動(dòng)分為三級(jí)，它們之間的轉(zhuǎn)換由2V6，2V7，2V8的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(2)再生制動(dòng)

當(dāng)電機(jī)反電勢(shì)超過(guò)電路網(wǎng)壓時(shí)，2V5自動(dòng)導(dǎo)通，回路進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)。電制動(dòng)時(shí)，當(dāng)動(dòng)車速度足夠高，則電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)足夠高，電流經(jīng)續(xù)流二極管2V5反饋到電網(wǎng)，則為再生制動(dòng)。再生制動(dòng)時(shí)，為了調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)主電路的電壓值，可控制主管2V1、2V2進(jìn)行升壓斬波。當(dāng)2V1、2V2導(dǎo)通時(shí)，其電流將電動(dòng)機(jī)的電能儲(chǔ)存于2L1中；當(dāng)2V1、2V2關(guān)斷時(shí)，2L1中的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)相加，提高了主電路的總電壓值，從而將電能反饋到電網(wǎng)?？刂浦鲾夭ü?V1、2V2的占空比，就可以調(diào)節(jié)2V1、2V2上電壓大小，即控制2V5電流的大小，從而控制再生制動(dòng)力的大小。

需要說(shuō)明的是，電制動(dòng)時(shí)，當(dāng)動(dòng)車速度足夠高，則電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)足夠高，電流經(jīng)續(xù)流二極管2V5反饋到電網(wǎng)，則為再生制動(dòng)。再生制動(dòng)時(shí)，為了調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)主電路的電壓值，可控制主管2V1、2V2進(jìn)行升壓斬波。當(dāng)2V1、2V2導(dǎo)通時(shí)，電流將電動(dòng)機(jī)的電能儲(chǔ)存于2L1中；當(dāng)2V1、2V2關(guān)斷時(shí)，2L1中的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與電動(dòng)機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)疊加，提高了主電路的總電壓值，從而將電能反饋到電網(wǎng)?？刂浦鲾夭ü?V1、2V2的占空比就可以調(diào)節(jié)電壓的大小，即控制流過(guò)2V5的回路電流的大小，從而控制再生制動(dòng)力的大小。

需要說(shuō)明的是，在電制動(dòng)工況下，如果接觸網(wǎng)電壓過(guò)高(變電站本身網(wǎng)壓過(guò)高，或因鄰近供電區(qū)段內(nèi)無(wú)其他車輛處于牽引工況下可以吸收再生反饋的能量)，則可以調(diào)節(jié)第一制動(dòng)晶閘管2V3、2V4的導(dǎo)通角，使得電路由再生制動(dòng)逐漸轉(zhuǎn)為電阻制動(dòng)，即轉(zhuǎn)換為能耗制動(dòng)。電阻制動(dòng)工況下，也可以由主斬波管2V1、2V2進(jìn)行升壓斬波工作，以調(diào)節(jié)制動(dòng)力的大小。α為GTO晶閘管主管2V1、2V2的導(dǎo)通角，β為第一制動(dòng)晶閘管2V3、2V4的導(dǎo)通角，當(dāng)β＝0時(shí)，為純?cè)偕苿?dòng)，此時(shí)列車制動(dòng)的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)換為電能反饋回電網(wǎng)。當(dāng)調(diào)大第一制動(dòng)晶閘管2V3、2V4的導(dǎo)通角β則增加了電阻制動(dòng)的份額，當(dāng)β＝1-α?xí)r，轉(zhuǎn)換為純電阻制動(dòng)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)，實(shí)際應(yīng)用中的說(shuō)明如下：

本發(fā)明中的直流車輛主電路的輸入電壓為直流1500V，每節(jié)動(dòng)車由4臺(tái)207KW直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),每2臺(tái)電機(jī)串聯(lián)成一組,再兩組并聯(lián)。兩組牽引電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)交錯(cuò)聯(lián)結(jié),以使兩組電動(dòng)機(jī)電勢(shì)平衡。牽引時(shí)，車輛牽引電機(jī)采用GTO斬波器PWM調(diào)速方式和弱磁調(diào)速方式。制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)作為串勵(lì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行將電能反饋至電網(wǎng)(再生制動(dòng)),或消耗在制動(dòng)電阻上(能耗制動(dòng))。

本發(fā)明中的直流車輛主控器包括TCU(牽引控制單元)和斬波器。TCU是西門子公司設(shè)計(jì)和制造的SIBAS16機(jī)車控制系統(tǒng)，主要功能是根據(jù)司機(jī)發(fā)出的控制指令，發(fā)出相應(yīng)的接觸器、繼電器控制信號(hào)，控制斬波器各個(gè)功率管的觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車的控制。斬波器實(shí)現(xiàn)機(jī)車直流電機(jī)的PWM調(diào)速。

本發(fā)明中的直流車輛牽引系統(tǒng)主電路包括濾波電路和牽引制動(dòng)電路。直流1500V網(wǎng)壓經(jīng)B車的受電弓1Q1和高速斷路器1Q3進(jìn)入B車和C車的濾波電路以及牽引制動(dòng)電路。

需要說(shuō)明的是，受電弓1Q1是指電力牽引機(jī)車從接觸網(wǎng)取得電能的電氣設(shè)備，安裝在機(jī)車或動(dòng)車車頂上，通過(guò)與接觸導(dǎo)線的摩擦將變電所的電能轉(zhuǎn)移給機(jī)車。

需要說(shuō)明的是，濾波電路的主要作用是克服網(wǎng)壓的波動(dòng)和浪涌電壓、抑制牽引制動(dòng)回路中PWM斬波器產(chǎn)生的諧波，避免它對(duì)牽引系統(tǒng)中其他電子設(shè)備的電磁干擾。

需要說(shuō)明的是，牽引制動(dòng)電路的作用是用接觸器切換直流牽引電動(dòng)機(jī)電樞電壓的極性，以改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而改變動(dòng)車的運(yùn)行方向；用降壓PWM斬波器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電壓值的大小，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)動(dòng)車的運(yùn)行速度；用勵(lì)磁削弱的方法提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以擴(kuò)展動(dòng)車的調(diào)速范圍；用改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁方式的方法(由串勵(lì)改為交叉式他勵(lì))使電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)工況改為發(fā)電機(jī)工況，從而使電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生制動(dòng)或能耗制動(dòng)狀態(tài)，使動(dòng)車由牽引工況進(jìn)入制動(dòng)工況，并通過(guò)升壓PWM斬波的方法調(diào)節(jié)制動(dòng)力的大小。

需要說(shuō)明的是，牽引制動(dòng)電路中各接觸器的功能為：2K1～2K8為方向接觸器，通過(guò)它們改變牽引電機(jī)電樞端電壓極性，以改變牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而改變機(jī)車的運(yùn)行方向，其中2K1，2K2及2K5，2K6為正向；2K3，2K4及2K7，2K8為反向。

進(jìn)一步，2K9和2K10為牽引接觸器，2K11為制動(dòng)接觸器，通過(guò)它們可以改變主電路的運(yùn)行工況，使?fàn)恳姍C(jī)的勵(lì)磁方式由串勵(lì)改為交叉式他勵(lì)，從而使由電動(dòng)機(jī)工況改為發(fā)電機(jī)工況，使?fàn)恳姍C(jī)進(jìn)人再生制動(dòng)或能耗制動(dòng)狀態(tài)。

進(jìn)一步，2K12為預(yù)勵(lì)磁接觸器，當(dāng)機(jī)車由惰行工況轉(zhuǎn)為制動(dòng)工況前，由于電機(jī)電樞電流為零，需要對(duì)勵(lì)磁繞組進(jìn)行預(yù)勵(lì)磁。預(yù)勵(lì)磁電源由三相整流器提供。

進(jìn)一步，2K13和2K14為削磁接觸器，通過(guò)磁場(chǎng)削弱的方法可以提高牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而擴(kuò)展?fàn)恳姍C(jī)的調(diào)速范圍。當(dāng)牽引電機(jī)的電樞端電壓調(diào)節(jié)到最高值，若再想提高動(dòng)車的速度，可將2K13、2K14閉合進(jìn)行磁場(chǎng)削弱，此時(shí)磁場(chǎng)削弱系數(shù)為50％。R1和R3為固定磁場(chǎng)分路電阻，磁場(chǎng)固定削弱系數(shù)為93％，其作用是將電流中的諧波分量從電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組中分掉，以改善直流牽引電動(dòng)機(jī)的換向火花，并改善換向器上的電位分布特性，從而可提高牽引電動(dòng)機(jī)的抗環(huán)火能力。

需要說(shuō)明的是，牽引制動(dòng)電路中各晶閘管的功能為：2V1和2V2為GTO晶閘管(主斬波器)，2V3和2V4為能耗制動(dòng)晶閘管，2V5為再生制動(dòng)電力續(xù)流二極管，2V6和2V7為調(diào)節(jié)制動(dòng)電阻阻值的晶閘管，2V8為制動(dòng)二極管，V9為保護(hù)晶閘管。

需要說(shuō)明的是，牽引制動(dòng)電路中還包括電流互感器1U2和1U3，測(cè)量并比較兩并聯(lián)支路的電流；牽引電機(jī)2M1～2M4通過(guò)全懸掛的方式懸掛在轉(zhuǎn)向架上，電機(jī)輸出端與齒輪箱小齒輪間采用彈性聯(lián)軸節(jié)聯(lián)結(jié)。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)，其軟件控制部分說(shuō)明如下：

該系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，根據(jù)各種命令、給定信號(hào)、反饋信號(hào)、監(jiān)控信號(hào)，對(duì)列車進(jìn)行開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制。牽引控制系統(tǒng)的硬件采用模塊式插件設(shè)計(jì)，安裝在動(dòng)車客室中的專用設(shè)備柜內(nèi)。

牽引控制系統(tǒng)的軟件也是采用模塊式設(shè)計(jì)，包括三類模塊：功能模塊、處理模塊、計(jì)算模塊。系統(tǒng)的軟件模塊中最先啟動(dòng)的是啟動(dòng)程序，其功能是對(duì)系統(tǒng)的軟件模塊和接口進(jìn)行初始化、調(diào)用參數(shù)、觸發(fā)硬件元件等。之后，經(jīng)過(guò)一個(gè)規(guī)定的短延時(shí)后，執(zhí)行功能模塊。功能模塊每毫秒由中斷執(zhí)行一次，所以又稱為毫秒中斷模塊。毫秒中斷功能模塊執(zhí)行所有的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制和監(jiān)控，包括：(1)觸發(fā)制動(dòng)電阻分路晶閘管；(2)對(duì)“全閉鎖”信號(hào)進(jìn)行處理；(3)監(jiān)控制動(dòng)時(shí)的網(wǎng)壓；(4)監(jiān)控牽引時(shí)的網(wǎng)壓；(5)監(jiān)控應(yīng)答信號(hào)；(6)控制牽引工況時(shí)的GTO晶閘管觸發(fā)；(7)控制制動(dòng)工況時(shí)的GTO晶閘管觸發(fā)；(8)控制電動(dòng)機(jī)的電樞電流；(9)控制再生制動(dòng)；(10)控制牽引工況下的斬波頻率；(11)調(diào)用牽引控制功能模塊并對(duì)處理時(shí)間進(jìn)行監(jiān)控。

需要說(shuō)明的是，毫秒中斷功能模塊，執(zhí)行以上(1)～(10)功能的時(shí)間很短，余下的時(shí)間執(zhí)行(11)，即執(zhí)行“牽引控制”處理模塊。

需要說(shuō)明的是，處理模塊含牽引控制模塊、背景處理模塊與處理計(jì)算模塊、監(jiān)控處理模塊等。計(jì)算模塊執(zhí)行計(jì)算功能，如PI控制器等。

需要說(shuō)明的是，“牽引控制”處理控制模塊循環(huán)時(shí)間為15ms，多出的時(shí)間則調(diào)用背景處理控制模塊和技術(shù)處理模塊。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)，以下為直流電機(jī)調(diào)速的相關(guān)知識(shí)說(shuō)明：

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為n＝U-IR/KΦ。

式中，U為電樞端電壓；I為電樞電流；R為電樞電路總電阻；Φ為每極磁通量；K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

根據(jù)直流電機(jī)的基本原理，由感應(yīng)電勢(shì)、電磁轉(zhuǎn)矩以及機(jī)械特性方程式可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：

(1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。Ia變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。

(2)改變電動(dòng)機(jī)主磁通Φ。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速(簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速)，從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。If變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同Ia變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。

(3)改變電樞回路電阻R。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。

改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來(lái)使用。

直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流Ia、Φ相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個(gè)可控參量Φ和Ia是互相獨(dú)立的，可以非常方便地分別調(diào)節(jié)，這種機(jī)理使直流電動(dòng)機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，從而有優(yōu)良的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。調(diào)節(jié)主磁通Φ一般還是通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以，不管是調(diào)壓調(diào)速，還是調(diào)磁調(diào)速，都需要可調(diào)的直流電源。

因?yàn)椴煌瑒?lì)磁方式的電機(jī)它有不同的工作特性，他們各有優(yōu)點(diǎn)與不足，在不同的工作場(chǎng)合和環(huán)境下選擇不同的勵(lì)磁方式再加上適當(dāng)調(diào)速方式的選擇，這樣才能發(fā)揮整個(gè)拖動(dòng)系統(tǒng)的能力，達(dá)到事半功倍。在調(diào)速過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力在不同的轉(zhuǎn)速下是不同的，為了保證電動(dòng)機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)始終得到最充分的利用，在選擇傳動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)速方案時(shí)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力必須與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)相匹配。

電動(dòng)機(jī)調(diào)速過(guò)程中的負(fù)載能力：為了充分利用電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，在調(diào)速過(guò)程中應(yīng)保持電樞電流Ia為額定值，這時(shí)在不同的轉(zhuǎn)速下電動(dòng)機(jī)軸上輸出的轉(zhuǎn)矩和功率就是電動(dòng)機(jī)所能允許長(zhǎng)期輸出的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率，即電動(dòng)機(jī)調(diào)速過(guò)程中的負(fù)載能力。

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式應(yīng)與生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載性質(zhì)相適應(yīng)。在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率能否達(dá)到且不超過(guò)其允許長(zhǎng)期輸出的最大轉(zhuǎn)矩和最大功率。最大轉(zhuǎn)矩和最大功率取決于生產(chǎn)機(jī)械在調(diào)速過(guò)程中負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和負(fù)載轉(zhuǎn)矩PL的大小和變化規(guī)律。因此，負(fù)載轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)盡可能的選用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式且電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)略大于或等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。相應(yīng)的，負(fù)載為恒功率性質(zhì)的生產(chǎn)機(jī)械應(yīng)盡可能的選用恒功率調(diào)速方式。

根據(jù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考慮：初期投資、維護(hù)費(fèi)用及調(diào)速過(guò)程中的電能損耗等。對(duì)直流電機(jī)而言，若采用電樞電路串接電阻的調(diào)速方式，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備費(fèi)用低；若采用改變電樞電壓的調(diào)速方式時(shí)，必須為拖動(dòng)電機(jī)配置專門的可調(diào)電源。因此，設(shè)備費(fèi)用較高，運(yùn)行效率也較高；采用弱磁調(diào)速方式時(shí)一般也必須為勵(lì)磁線圈配置專門的可調(diào)電源，且由于特殊設(shè)計(jì)的調(diào)速電機(jī)價(jià)格較普通直流電機(jī)高，因而設(shè)備投資大，但運(yùn)行效率高。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)，以下為直流電動(dòng)機(jī)的PWM斬波調(diào)壓控制的相關(guān)知識(shí)說(shuō)明：

改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵(lì)磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：

(1)旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組(G-M系統(tǒng))。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。

(2)靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。

(3)直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。

目前，為直流電動(dòng)機(jī)供電的電力電子變流器主要包括：相控式變流器和斬控式直流PWM變換器兩大類。

相控式變流器的主要特點(diǎn)是輸出的直流電源電壓存在一定上的脈動(dòng)，當(dāng)負(fù)載較輕電樞電流斷續(xù)時(shí)，由其供電的直流電機(jī)的機(jī)械特性有所改變。相控式變流器與直流電動(dòng)機(jī)組成的拖動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為T-D系統(tǒng)，他廣泛應(yīng)用與大中小型各種容量的直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)。其中相控式變流器是由半控型開(kāi)關(guān)器件-晶閘管組成。由于相控式變流器中晶閘管開(kāi)關(guān)器件的單向?qū)щ娦?。因此，僅由一組相控式變流器為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，直流電機(jī)的電樞電流只能是但方向的。電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o法反向。所以直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行到制動(dòng)狀態(tài)不可能通過(guò)一組相控式變流器來(lái)完成為了獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，就必須采用另一組反并聯(lián)運(yùn)行的變流器。并使其工作在逆變狀態(tài)下。只有通過(guò)一組變流器工作在整流狀態(tài)，另外一組整流器工作在逆變狀態(tài)才能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。這是相控式變流器的不足之一，另外也使系統(tǒng)變復(fù)雜，增加運(yùn)營(yíng)成本。

除了采用相控式變流器供電以外，中、小容量的直流電動(dòng)機(jī)還可以采用PWM控制方式的變流器(又稱為斬波器)供電。

斬控式PWM變換器可以將恒定的直流電源電壓變換為大小和極性均可調(diào)的直流電壓，從而可以方便的實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速以及四象限運(yùn)行。由于采用全控型器件(如IGBT、MOSFET、GTR)，其開(kāi)關(guān)頻率較高，通過(guò)直流電機(jī)的電樞電感便可確保電樞電流連續(xù)，而且系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速范圍大(可達(dá)1：2000)，綜合指標(biāo)明顯優(yōu)于相控式變流器。

構(gòu)成直流斬波器的開(kāi)關(guān)器件過(guò)去用得較多的是普通晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管，它們本身沒(méi)有自關(guān)斷的能力，必須有附加的關(guān)斷電路，增加了裝置的體積和復(fù)雜性，增加了損耗，而且由它們組成的斬波器開(kāi)關(guān)頻率低，輸出電流脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，電力電子器件迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力電子晶體管(GTR)、電力場(chǎng)效應(yīng)管(P-MOSFET)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等，這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu)成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱PWM調(diào)速系統(tǒng))近年來(lái)在中小功率直流傳動(dòng)中得到了迅猛的發(fā)展，PWM調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開(kāi)關(guān)頻率高，一般在幾kHz，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。

(2)由于開(kāi)關(guān)頻率高，僅靠電動(dòng)機(jī)電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。

(3)PWM系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對(duì)交流電網(wǎng)的影響小，沒(méi)有晶閘管整流器對(duì)電網(wǎng)的“污染”，功率因數(shù)高，效率高。

(4)主電路所需的功率元件少，線路簡(jiǎn)單，控制方便。

直流斬波器的原理：控制電壓加到開(kāi)關(guān)器件的門極上。在開(kāi)關(guān)器件處于導(dǎo)通期間，忽略期間的導(dǎo)通壓降，直流電機(jī)電樞兩端的電壓與電源電壓相等。在開(kāi)關(guān)器件處于關(guān)斷時(shí)期，電樞兩端的電壓為零。如此反復(fù)，所獲得的輸出電壓的平均值。改變占空比便可以改變電樞電壓的平均值。占空比的改變則可通過(guò)控制電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，斬波器相當(dāng)于一個(gè)電壓放大器。至于占空比，則具體可以通過(guò)如下兩種方式加以改變。

(1)定頻調(diào)寬法：保持開(kāi)關(guān)頻率不變，僅改變導(dǎo)通時(shí)間；

(2)定寬調(diào)頻法：保持導(dǎo)通時(shí)間不變，僅改變開(kāi)關(guān)頻率。

開(kāi)關(guān)頻率固定的優(yōu)點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)損耗可以預(yù)先確定，有利于變流器主回路冷卻的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且由于輸出的諧波分量一定，輸入濾波器也容易實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。一旦改變開(kāi)關(guān)頻率，上述優(yōu)點(diǎn)便不復(fù)存在。因此，斬波器多采用定頻調(diào)寬法即PWM進(jìn)行控制，故這種控制方式的斬波器又稱為直流PWM變換器。原則上，占空比也可以通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率和導(dǎo)通時(shí)間的同時(shí)改變來(lái)實(shí)現(xiàn)，但其缺點(diǎn)同定寬調(diào)頻法相同。

四象限可逆式直流PWM變換器中，由于電樞電壓的極性和電樞電流的方向均可通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的通斷加以改變，因此，電流電機(jī)可以很容易的實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)一集快速啟、制動(dòng)，即四象限運(yùn)行。

第一象限對(duì)應(yīng)與直流電機(jī)處于正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，電樞電流和轉(zhuǎn)速(或反電勢(shì))的方向均為正。同樣，電樞電壓的改變也可以采用另一方案實(shí)現(xiàn)，這一方案的缺點(diǎn)是：由于兩個(gè)主開(kāi)關(guān)同時(shí)通斷，系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗增加；電樞兩端的電壓變化率是其他方案的兩倍，易造成電機(jī)內(nèi)部的絕緣擊穿；電樞電流的變化率較高，要求主開(kāi)關(guān)器件的耐壓提高，而且又可能引起電機(jī)的轉(zhuǎn)子震動(dòng)；由于電流在電源與電機(jī)的電樞之間流通，造成變流器的輸入電流的諧波幅值增大。

第二象限對(duì)應(yīng)于直流電機(jī)處于正向發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，轉(zhuǎn)速(或反電勢(shì))方向保持正向不變，而電樞電流反向，轉(zhuǎn)子儲(chǔ)存的動(dòng)能將通過(guò)變流器回饋至直流電源。值得指出的是，隨著直流電機(jī)的動(dòng)能回饋至直流電源，并聯(lián)在直流電源兩側(cè)的濾波電容將被充電，從而可能造成兩端的電壓升高，這一電壓被稱為泵升電壓。泵升電壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致主開(kāi)關(guān)器件因電壓過(guò)高而損壞。為解決這一問(wèn)題，對(duì)幾千瓦的直流電機(jī)通常在濾波電容兩端并聯(lián)制動(dòng)電阻。一旦電壓超過(guò)一定數(shù)值，通過(guò)控制主開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，將回饋至濾波電容上的過(guò)電荷消耗在制動(dòng)電阻上。對(duì)于容量較大的直流電機(jī)，若采用蒸餾電源供電，則可以采用具有雙向電功率流動(dòng)功能的變流器(如由全控型器件組成的PWM整流器)，將直流側(cè)能量逆變至交流側(cè)電網(wǎng)上。

第三象限對(duì)應(yīng)于直流電機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，轉(zhuǎn)速(或反電勢(shì))均反向。

第四象限對(duì)應(yīng)于直流電機(jī)處于反向發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，轉(zhuǎn)速(或反電勢(shì))保持方向不變，電樞電流變?yōu)檎?，電?dòng)機(jī)儲(chǔ)存的動(dòng)能便會(huì)通過(guò)變流器回饋至直流電源。

實(shí)際上，并不是所有的直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)都需要四象限運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況，為了節(jié)約成本，直流PWM變換器電路可簡(jiǎn)化為單象限和兩象限運(yùn)行。

PWM調(diào)速裝置具有電路簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，其升、降壓PWM斬波調(diào)速的原理也很簡(jiǎn)單，由于它采用全控型器件作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)關(guān)頻率高、反應(yīng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于中小型直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。但是，對(duì)于高壓系統(tǒng)中的大型牽引電動(dòng)機(jī)，其還要考慮調(diào)速裝置的耐壓及控制電路系統(tǒng)中網(wǎng)壓的波動(dòng)、浪涌電壓、電流電壓諧波等問(wèn)題，以上的裝置是不能承擔(dān)的。必須需要另外的調(diào)速裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種直流車輛牽引系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的處理器通過(guò)控制濾波電路和牽引制動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)牽引電動(dòng)機(jī)的牽引制動(dòng)。進(jìn)一步地，電能能夠通過(guò)濾波電路中的接地裝置經(jīng)鐵路軌道回到變電站，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)；進(jìn)一步地，通過(guò)晶閘管構(gòu)成的PWM斬波器實(shí)現(xiàn)牽引電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速，使系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，降低故障率，牽引電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力也得到了充分發(fā)揮，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)的使用效率達(dá)到了最大值；進(jìn)一步地，濾波電路能夠克服網(wǎng)壓的波動(dòng)和浪涌電壓、抑制牽引制動(dòng)電路中的PWM斬波器產(chǎn)生的諧波，避免對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。

以上公開(kāi)的僅為本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。