一种直流车辆牵引系统的制作方法

本发明涉及牵引动力技术领域，更具体的涉及一种直流车辆牵引系统。

背景技术：

随着国民经济的快速发展，城市交通问题日益突出，发展以地铁为代表的城市轨道交通系统是解决城市交通问题的必由之路，目前城市轨道交通牵引电网采用的是经二极管整流的直流电网，能量无法双向流动；并且城市轨道交通车辆的运行特点是：既要频繁地启动加速，又需要频繁地制动减速，车辆再生制动时产生的电能会抬高直流电网电压进而威胁设备安全。

综上所述，现有直流车辆牵引系统中采用直流电网，存在能量无法双向流动，以及车辆再生制动时抬高直流电网电压，威胁设备安全的问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种直流车辆牵引系统，用以解决现有直流车辆牵引系统中采用直流电网，存在能量无法双向流动，以及车辆再生制动时抬高直流电网电压，威胁设备安全的问题。

本发明实施例提供一种直流车辆牵引系统，包括：滤波电路、牵引制动电路和处理器；

所述滤波电路包括：直流电源通过受电弓与断路器的一端连接，所述断路器的另一端通过滤波电感与差动电流传感器的第一端连接，所述差动电流传感器的第二端通过第一接触器与限流电阻的一端连接，所述限流电阻的另一端与滤波电容的一端连接，所述滤波电容的另一端与所述差动电流传感器的第三端连接，所述差动电流传感器的第四端接地；

其中，所述限流电阻两端并接有第二接触器；所述滤波电容两端分别并接有电压传感器和充电电阻，同时所述滤波电容两端还与放电电阻与继电器构成的串联电路并联；

所述滤波电容的一端为供电输出正极A+端，所述滤波电容的另一端为供电输出负极A-端；所述供电输出正极A+端与所述牵引制动电路中的供电输入正极A+端连接，所述供电输出负极A-端与所述牵引制动电路中的供电输入负极A-端连接；

所述牵引制动电路包括：所述供电输入正极A+端通过第一牵引接触器依次与第一制动电阻、第一电流互感器、第一电动机装置、第二牵引接触器、第一电感和第一GTO晶闸管串联，并最终连接至所述供电输入负极A-端，其中所述第一电感与所述第一GTO晶闸管的正极连接；

其中，所述第一制动电阻和第一消磁接触器构成的串联电路与第一分路电阻并接；

其中，所述第一电动机装置包括：第一方向接触器和第二方向接触器串联构成第一串路，第三方向接触器和第四方向接触器串联构成第二串路，所述第一串路和所述第二串路并联，第一牵引电动机和第二牵引电动机串联构成第三串路，所述第三串路的一端连接在所述第一方向接触器和所述第二方向接触器之间，所述第三串路的另一端连接在所述第三方向接触器和所述第四方向接触器之间；所述第一串路的一端与所述第一电流互感器连接，所述第一串路的另一端与所述第二牵引接触器连接；

其中，所述第一制动电阻和所述第一电感之间连接有制动接触器；

其中，所述供电输入正极A+端与续流二极管的负极端连接，所述续流二极管的正极端与所述第一GTO晶闸管的正极端连接；

所述牵引制动电路还包括：所述供电输入正极A+端通过第一牵引接触器依次与第二电动机装置、第二电流互感器、第二制动电阻、所述第二牵引接触器、所述第一电感和所述第一GTO晶闸管串联，其中所述第一电感与所述第一GTO晶闸管的正极连接；

其中，所述第二电动机装置包括：第五方向接触器和第六方向接触器串联构成第四串路，第七方向接触器和第八方向接触器串联构成第五串路，所述第四串路和所述第五串路并联，第三牵引电动机和第四串联构成第六串路，所述第六串路的一端连接在所述第五方向接触器和所述第六方向接触器之间，所述第六串路的另一端连接在所述第七方向接触器和所述第八方向接触器之间，所述第四串路的一端与所述第一牵引接触器连接，所述第四串路的另一端与所述第二电流互感器连接；

其中，所述第二制动电阻与第二消磁接触器构成的串联电路与第二分路电阻并联；

其中，所述第二电流互感器和所述第二消磁接触器连接线的中间端与第一调节晶闸管的负极端连接，所述第一调节晶闸管的正极端与第二GTO晶闸管的负极端连接，所述第二GTO晶闸管的正极端与第一制动晶闸管的正极端连接，所述第一制动晶闸管的负极端与第二制动晶闸管的正极端连接，所述第二制动晶闸管的负极端通过第三制动电阻与所述供电输入负极A-端连接；并且所述第二GTO晶闸管的正极端与保护晶闸管的正极端连接，所述第二GTO晶闸管的负极端与所述保护晶闸管的负极端连接；

其中，所述第二电流互感器和所述第二消磁接触器连接线的中间端通过第一电阻与第二调节晶闸管的负极端连接，所述第二调节晶闸管的正极端与所述第二GTO晶闸管的负极端连接；

其中，所述第二电流互感器和所述第二消磁接触器连接线的中间端通过所述第一电阻和第二电阻与制动二极管的负极端连接，所述制动二极管的正极端与所述第二GTO晶闸管的负极端连接；

所述第一接触器、所述第二接触器、所述差动电流传感器、所述电压传感器、所述第一方向接触器、所述第四方向接触器、所述第三方向接触器、所述第二方向接触器、所述第五方向接触器、所述第八方向接触器、所述第七方向接触器、所述第六方向接触器、所述第一牵引接触器、所述第二牵引接触器、所述制动接触器、所述第一消磁接触器、所述第二消磁接触器、所述第一电流互感器、所述第二电流互感器、所述第一GTO晶闸管、所述第二GTO晶闸管、所述第一制动晶闸管、所述第二制动晶闸管、所述第一调节晶闸管、所述第二调节晶闸管和所述保护晶闸管均与所述处理器连接。

较佳地，所述受电弓通过避雷器接地。

较佳地，所述限流电阻与熔断器和二极管串联，并且，所述二极管的正极端与限流电阻连接，所述二极管的负极端与所述供电输出正极A+端连接；所述限流电阻、所述熔断器和所述二极管串联后与所述第二接触器并联。

较佳地，所述第一分路电阻两端并接有第二电感和第三电感构成的串联电路；所述第二分路电阻两端并接有第四电感和第五电感。

较佳地，所述第二分路电阻两端并接有有预励磁接触器和预励磁装置构成的串联电路，所述预励磁接触器与所述处理器连接。

较佳地，所述处理器与所述第一接触器、所述第二接触器、所述第一方向接触器、所述第四方向接触器、所述第三方向接触器、所述第二方向接触器、所述第五方向接触器、所述第八方向接触器、所述第七方向接触器、所述第六方向接触器、所述第一牵引接触器、所述第二牵引接触器、所述制动接触器、所述预励磁接触器、所述第一消磁接触器和所述第二消磁接触器之间均设置有接触器触动装置。

较佳地，所述处理器与所述第一GTO晶闸管、所述第二GTO晶闸管、所述第一制动晶闸管、所述第二制动晶闸管、所述第一调节晶闸管、所述第二调节晶闸管和所述保护晶闸管之间均设置有晶闸管驱动装置。

本发明实施例中，提供一种直流车辆牵引系统，该系统中的处理器通过控制滤波电路和牵引制动电路实现牵引电动机的牵引制动。进一步地，电能能够通过滤波电路中的接地装置经铁路轨道回到变电站，实现了能量的双向流动；进一步地，通过晶闸管构成的PWM斩波器实现牵引电动机的平滑调速，使系统运行稳定，降低故障率，牵引电动机的负载能力也得到了充分发挥，使电力拖动系统的使用效率达到了最大值；进一步地，滤波电路能够克服网压的波动和浪涌电压、抑制牵引制动电路中的PWM斩波器产生的谐波，避免对其它电子设备的电磁干扰。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统的滤波电路原理图。

图2为本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统的牵引制动电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示例性的示出了本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统的滤波电路原理图；图2为本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统的牵引制动电路原理图。如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统包括：滤波电路、牵引制动电路和处理器。

具体地，滤波电路包括：直流电源DC通过受电弓1Q1与断路器1Q3的一端连接，断路器1Q3的另一端通过滤波电感1L1与差动电流传感器1U1的第一端连接，差动电流传感器1U1的第二端通过第一接触器1K1与限流电阻1R1的一端连接，限流电阻1R1的另一端与滤波电容1C1的一端连接，滤波电容1C1的另一端与差动电流传感器1U1的第三端连接，差动电流传感器1U1的第四端接地。

需要说明的是，限流电阻1R1两端并接有第二接触器1K2；滤波电容1C1两端分别并接有电压传感器1U2和充电电阻1R3，同时滤波电容1C1两端还与放电电阻1R2与继电器1K3构成的串联电路并联。

需要说明的是，滤波电容1C1的一端为供电输出正极A+端，滤波电容1C1的另一端为供电输出负极A-端；供电输出正极A+端与牵引制动电路中的供电输入正极A+端连接，供电输出负极A-端与牵引制动电路中的供电输入负极A-端连接。

需要说明的是，第一接触器1K1、第二接触器1K2、差动电流传感器1U1和电压传感器1U2均与均与处理器连接。

较佳地，受电弓1Q1通过避雷器1F1接地，起防雷作用。

较佳地，限流电阻1R1与熔断器1F2和二极管1V1串联，并且，二极管1V1的正极端与限流电阻1R1连接，二极管1V1的负极端与供电输出正极A+端连接；限流电阻1R1、熔断器1F2和二极管1V1串联后与第二接触器1K2并联，保证电路的安全性。

较佳地，处理器与第一接触器1K1和第二接触器1K2之间均设置有接触器触动装置，增加电路稳定性。

具体地，牵引制动电路包括：供电输入正极A+端通过第一牵引接触器2K9依次与第一制动电阻2R2、第一电流互感器2U1、第一电动机装置、第二牵引接触器2K10、第一电感2L1和第一GTO晶闸管2V1串联，并最终连接至供电输入负极A-端，其中第一电感2L1与第一GTO晶闸管2V1的正极连接。

需要说明的是，第一制动电阻2R2和第一消磁接触器2K13构成的串联电路与第一分路电阻2R1并接。

需要说明的是，第一电动机装置包括：第一方向接触器2K1和第二方向接触器2K4串联构成第一串路，第三方向接触器2K3和第四方向接触器2K2串联构成第二串路，第一串路和第二串路并联，第一牵引电动机2M1和第二牵引电动机2M2串联构成第三串路，第三串路的一端连接在第一方向接触器2K1和第二方向接触器2K4之间，第三串路的另一端连接在第三方向接触器2K3和第四方向接触器2K2之间；第一串路的一端与第一电流互感器2U1连接，第一串路的另一端与第二牵引接触器2K10连接。

需要说明的是，第一制动电阻2R2和第一电感2L1之间连接有制动接触器2K11。

需要说明的是，供电输入正极A+端与续流二极管2V5的负极端连接，续流二极管2V5的正极端与第一GTO晶闸管2V1的正极端连接。

具体地，牵引制动电路还包括：供电输入正极A+端通过第一牵引接触器2K9依次与第二电动机装置、第二电流互感器2U2、第二制动电阻2R4、第二牵引接触器2K10、第一电感2L1和第一GTO晶闸管2V1串联，其中第一电感2L1与第一GTO晶闸管2V1的正极连接。

需要说明的是，第二电动机装置包括：第五方向接触器2K5和第六方向接触器2K8串联构成第四串路，第七方向接触器2K7和第八方向接触器2K6串联构成第五串路，第四串路和第五串路并联，第三牵引电动机2M3和第四串联构成第六串路，第六串路的一端连接在第五方向接触器2K5和第六方向接触器2K8之间，第六串路的另一端连接在第七方向接触器2K7和第八方向接触器2K6之间，第四串路的一端与第一牵引接触器2K9连接，第四串路的另一端与第二电流互感器2U2连接。

需要说明的是，第二制动电阻2R4与第二消磁接触器2K14构成的串联电路与第二分路电阻2R3并联。

需要说明的是，第二电流互感器2U2和第二消磁接触器2K14连接线的中间端与第一调节晶闸管2V6的负极端连接，第一调节晶闸管2V6的正极端与第二GTO晶闸管2V2的负极端连接，第二GTO晶闸管2V2的正极端与第一制动晶闸管2V3的正极端连接，第一制动晶闸管2V3的负极端与第二制动晶闸管2V4的正极端连接，第二制动晶闸管2V4的负极端通过第三制动电阻2R7与供电输入负极A-端连接；并且第二GTO晶闸管2V2的正极端与保护晶闸管2V9的正极端连接，第二GTO晶闸管2V2的负极端与保护晶闸管2V9的负极端连接。

需要说明的是，第二电流互感器2U2和第二消磁接触器2K14连接线的中间端通过第一电阻2R5与第二调节晶闸管2V7的负极端连接，第二调节晶闸管2V7的正极端与第二GTO晶闸管2V2的负极端连接。

需要说明的是，第二电流互感器2U2和第二消磁接触器2K14连接线的中间端通过第一电阻2R5和第二电阻2R6与制动二极管2V8的负极端连接，制动二极管2V8的正极端与第二GTO晶闸管2V2的负极端连接。

需要说明的是，PWM斩波器包括：第一GTO晶闸管2V1、第二GTO晶闸管2V2、第一制动晶闸管2V3、第二制动晶闸管2V4、续流二极管2V5、第一调节晶闸管2V6、第二调节晶闸管2V7、制动二极管2V8和保护晶闸管2V9。

需要说明的是，第一方向接触器2K1、第四方向接触器2K2、第三方向接触器2K3、第二方向接触器2K4、第五方向接触器2K5、第八方向接触器2K6、第七方向接触器2K7、第六方向接触器2K8、第一牵引接触器2K9、第二牵引接触器2K10、制动接触器2K11、第一消磁接触器2K13、第二消磁接触器2K14、第一电流互感器2U1、第二电流互感器2U2、第一GTO晶闸管2V1、第二GTO晶闸管2V2、第一制动晶闸管2V3、第二制动晶闸管2V4、第一调节晶闸管2V6、第二调节晶闸管2V7和保护晶闸管2V9均与处理器连接。

较佳地，第一分路电阻2R1两端并接有第二电感2L2和第三电感2L3构成的串联电路；第二分路电阻2R3两端并接有第四电感2L4和第五电感2L5；第二分路电阻2R3两端并接有有预励磁接触器2K12和预励磁装置2A2构成的串联电路，预励磁接触器2K12与处理器连接，保证了运行可靠性。

较佳地，处理器与第一方向接触器2K1、第四方向接触器2K2、第三方向接触器2K3、第二方向接触器2K4、第五方向接触器2K5、第八方向接触器2K6、第七方向接触器2K7、第六方向接触器2K8、第一牵引接触器2K9、第二牵引接触器2K10、制动接触器2K11、预励磁接触器2K12、第一消磁接触器2K13和第二消磁接触器2K14之间均设置有接触器触动装置，增加电路稳定性。

较佳地，处理器与第一GTO晶闸管2V1、第二GTO晶闸管2V2、第一制动晶闸管2V3、第二制动晶闸管2V4、第一调节晶闸管2V6、第二调节晶闸管2V7和保护晶闸管2V9之间均设置有晶闸管驱动装置，提高驱动能力，增加电路稳定性。

需要说明的是，第一接触器1K1、所述第二接触器1K2、差动电流传感器1U1、电压传感器1U2、第一方向接触器2K1、第四方向接触器2K2、第三方向接触器2K3、第二方向接触器2K4、第五方向接触器2K5、第八方向接触器2K6、第七方向接触器2K7、第六方向接触器2K8、第一牵引接触器2K9、第二牵引接触器2K10、制动接触器2K11、第一消磁接触器2K13、第二消磁接触器2K14、第一电流互感器2U1、第二电流互感器2U2、第一GTO晶闸管2V1、第二GTO晶闸管2V2、第一制动晶闸管2V3、第二制动晶闸管2V4、第一调节晶闸管2V6、第二调节晶闸管2V7和保护晶闸管2V9均与处理器连接。

本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统的原理性说明

(1)滤波电路工作原理

直流1500V网压经单臂受电弓1Q1、高速断路器1Q3进入B车和C车后，经线路滤波电感1L1、差动电流传感器1U1、第一接触器1K1，再经充电限流电阻1R1、二极管1V1，向滤波电容1C1充电。滤波电容1C1的正极A+端和负极A-端接向牵引制动电路的正极A+端和负极A-端；并且电流由牵引制动电路经滤波电容1C1的负极流出后，再经差动电流传感器1U1和接地装置1Q2经铁路轨道回到变电站。滤波电路吸收浪涌电压和滤波的作用由滤波电感1L1和滤波电容1C1承担。滤波电容1C1两端并联有检测牵引制动电路两端电压的电压传感器1U2，差动电流传感器1U1的作用是检测牵引制动回路有无接地，如发生接地，则主电路输入和接地端之间的电流值就会有差异，当此电流值超过50A，线路第一接触器1K1断开，滤波电容1C1上除了并联有电阻R1外，还通过继电器1K3并联有放电电阻1R2，1K3闭合，加速放电，接地装置由接地电刷、车轴和轮轨构成，以保证负极回流。

需要说明的是，1F1为避雷器，用以释放雷击过电压。充电限流电阻1R1、二极管1V1及熔断器1F2上并联有第二接触器1K2，当滤波电容1C1充电到一定电压以后，1K2闭合，将充电限流电阻1R1短路。

需要说明的是，本发明的直流牵引系统设置滤波器的原因是：四象限运行的斩波调速系统只是应用于中、小容量的电机、线路的电流及电枢反电动势并不是很大，所以只需要一个容量足够大的电容器并联在电路上即可，如若有需要的话在滤波电容上并联上一个电阻(过电压放电电阻)就可以抑制系统的电流、电压波动。但是，直流牵引系统是由专门的供电系统供电(1500V的直流电源)，单靠简单的滤波是不切实际的。理论分析和实际测量表明整流器和逆变器等同于一个谐波源，在运行时都会向电网注入电流电压，这些谐波分量都将产生不良的影响：引起供电电能质量的下降，使电流和电压波形畸变为非正弦波波形，从而影响各种测量仪器的精度和引起继电器保护的误动作；增加了电网的电压损失和供电线路的功率损耗，供电电压过低时会引起用电设备过热；在一定范围内对通信电子仪器设备产生射频干扰。

(2)牵引制动电路在牵引工况下的工作原理

牵引工况下，第一牵引接触器2K9和牵引第一接触器1K10闭合，制动接触器2K11打开，第一牵引电动机2M1、第二牵引电动机2M2和第三牵引电动机2M3、第四均为串励。此时，若第一方向接触器2K1、第四方向接触器2K2闭合，而第三方向接触器2K3、第二方向接触器2K4打开；第五方向接触器2K5、第八方向接触器2K6闭合，而第七方向接触器2K7、第六方向接触器2K8打开，假设牵引电动机为正转，电流与电枢反电动势方向相反，则为向前牵引工况。若将第一方向接触器2K1、第四方向接触器2K2打开，而第三方向接触器2K3、第二方向接触器2K4闭合；第五方向接触器2K5、第八方向接触器2K6打开，而将第七方向接触器2K7、第六方向接触器2K8闭合，则牵引电动机电枢极性改变，牵引电动机反转，电枢电动势方向也反向，电枢电流与电枢反电动势方向仍相反，因而，向前牵引变化为向后运转，为反向牵引工况。

需要说明的是，牵引工况下，无论牵引电动机是正转还是反转，均可以调节降压PWM斩波器主管V1、V2的占空比来改变电动机电枢电压的大小，以调节电动机的转速，从而控制动车的运行速度。当电动机的电枢端电压调节到最高值，若想在提高动车的速度，可将第一消磁接触器2K13、第二消磁接触器2K14闭合进行磁场削弱，此时磁场削弱系数为50％。第一分路电阻2R1和第二分路电阻2R3为固定磁场分路电阻，磁场固定削弱系数为93％，其作用是将电流中的谐波分量从电动机的励磁绕组中分流掉，以改善直流牵引电动机的换向火花，并改善换向器上的电位分布特性，从而可提高牵引电动机的抗环火能力。

需要说明的是，PWM斩波器的工作方式为定频调宽，PWM斩波器的两个GTO晶闸管(即V1、V2)轮流工作，PWM斩波器输出为两相一重，每相频率为250HZ。实际使用的占空比调节范围为0.05～0.95。

需要说明的是，由于假设了一个机车前进方向，机车反向前进的牵引过程类似以上分析。

(2)牵引制动电路在制动工况下的工作原理

制动工况下，将第一牵引接触器2K9、第二牵引接触器2K10打开，将制动接触器2K11闭合。若第一方向接触器2K1、第四方向接触器2K2闭合，第五方向接触器2K5、第八方向接触器2K6闭合，而第三方向接触器2K3、第二方向接触器2K4打开，第七方向接触器2K7、第六方向接触器2K8打开，则为向前运行的制动工况。在向前牵引工况时，当转换为向前运动中的制动工况时，因为牵引电动机的转向未变，励磁方式由串励方式改成为交叉式他励磁，励磁电流也未变，因而牵引电动机的电枢反电动势仍不变。电流方向与电枢电动势方向一致了，因而牵引电动机转换为发电机工况，从而产生电制动力。

需要说明的是，制动是分为电制动和机械制动。其中电制动又分为能耗制动和再生制动两种方式。能耗制动是把牵引电动机的机械能消耗于电阻上的一种制动方式。再生制动是把多余的机械能反馈回电网的一种制动方式，经济性较好。制动过程的各接触器状态与牵引有所不同，开关管的导通也不一样。电机及励磁绕组的匹配也有变化。机车正向前进时，制动过程中，第一牵引接触器2K9，第二牵引接触器2K10打开，制动接触器2K11闭合。方向接触器状态与牵引时相同，第一方向接触器2K1，第四方向接触器2K2及第五方向接触器2K5，第八方向接触器2K6闭合；第三方向接触器2K3，第二方向接触器2K4及第七方向接触器2K7，第六方向接触器2K8。

(1)能耗制动

能耗制动时2V3，2V4导通。此时牵引电动机的转向不变，励磁方式变为交叉的他励，励磁电流方向不变，牵引电机的电枢反电动势方向不变，电流方向与电枢电动势方向一致，牵引电机在发电机工况下运行，产生电制动力。能耗制动分为三级，它们之间的转换由2V6，2V7，2V8的切换来实现。

(2)再生制动

当电机反电势超过电路网压时，2V5自动导通，回路进入再生制动状态。电制动时，当动车速度足够高，则电动机电枢电动势足够高，电流经续流二极管2V5反馈到电网，则为再生制动。再生制动时，为了调节电动机主电路的电压值，可控制主管2V1、2V2进行升压斩波。当2V1、2V2导通时，其电流将电动机的电能储存于2L1中；当2V1、2V2关断时，2L1中的储能转换为感应电动势，此感应电动势与电动机电枢电动势相加，提高了主电路的总电压值，从而将电能反馈到电网。控制主斩波管2V1、2V2的占空比，就可以调节2V1、2V2上电压大小，即控制2V5电流的大小，从而控制再生制动力的大小。

需要说明的是，电制动时，当动车速度足够高，则电动机电动势足够高，电流经续流二极管2V5反馈到电网，则为再生制动。再生制动时，为了调节电动机主电路的电压值，可控制主管2V1、2V2进行升压斩波。当2V1、2V2导通时，电流将电动机的电能储存于2L1中；当2V1、2V2关断时，2L1中的储能转换为感应电动势，与电动机的电枢电动势叠加，提高了主电路的总电压值，从而将电能反馈到电网。控制主斩波管2V1、2V2的占空比就可以调节电压的大小，即控制流过2V5的回路电流的大小，从而控制再生制动力的大小。

需要说明的是，在电制动工况下，如果接触网电压过高(变电站本身网压过高，或因邻近供电区段内无其他车辆处于牵引工况下可以吸收再生反馈的能量)，则可以调节第一制动晶闸管2V3、2V4的导通角，使得电路由再生制动逐渐转为电阻制动，即转换为能耗制动。电阻制动工况下，也可以由主斩波管2V1、2V2进行升压斩波工作，以调节制动力的大小。α为GTO晶闸管主管2V1、2V2的导通角，β为第一制动晶闸管2V3、2V4的导通角，当β＝0时，为纯再生制动，此时列车制动的动能全部转换为电能反馈回电网。当调大第一制动晶闸管2V3、2V4的导通角β则增加了电阻制动的份额，当β＝1-α时，转换为纯电阻制动。

本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统，实际应用中的说明如下：

本发明中的直流车辆主电路的输入电压为直流1500V，每节动车由4台207KW直流串励电动机驱动,每2台电机串联成一组,再两组并联。两组牵引电动机磁场交错联结,以使两组电动机电势平衡。牵引时，车辆牵引电机采用GTO斩波器PWM调速方式和弱磁调速方式。制动时，牵引电机作为串励发电机运行将电能反馈至电网(再生制动),或消耗在制动电阻上(能耗制动)。

本发明中的直流车辆主控器包括TCU(牵引控制单元)和斩波器。TCU是西门子公司设计和制造的SIBAS16机车控制系统，主要功能是根据司机发出的控制指令，发出相应的接触器、继电器控制信号，控制斩波器各个功率管的触发脉冲，实现对机车的控制。斩波器实现机车直流电机的PWM调速。

本发明中的直流车辆牵引系统主电路包括滤波电路和牵引制动电路。直流1500V网压经B车的受电弓1Q1和高速断路器1Q3进入B车和C车的滤波电路以及牵引制动电路。

需要说明的是，受电弓1Q1是指电力牵引机车从接触网取得电能的电气设备，安装在机车或动车车顶上，通过与接触导线的摩擦将变电所的电能转移给机车。

需要说明的是，滤波电路的主要作用是克服网压的波动和浪涌电压、抑制牵引制动回路中PWM斩波器产生的谐波，避免它对牵引系统中其他电子设备的电磁干扰。

需要说明的是，牵引制动电路的作用是用接触器切换直流牵引电动机电枢电压的极性，以改变直流电动机的转向，从而改变动车的运行方向；用降压PWM斩波器调节电动机电枢电压值的大小，以调节电动机的转速，从而调节动车的运行速度；用励磁削弱的方法提高电动机的转速，以扩展动车的调速范围；用改变电动机励磁方式的方法(由串励改为交叉式他励)使电动机由电动工况改为发电机工况，从而使电动机进入再生制动或能耗制动状态，使动车由牵引工况进入制动工况，并通过升压PWM斩波的方法调节制动力的大小。

需要说明的是，牵引制动电路中各接触器的功能为：2K1～2K8为方向接触器，通过它们改变牵引电机电枢端电压极性，以改变牵引电机的转向，从而改变机车的运行方向，其中2K1，2K2及2K5，2K6为正向；2K3，2K4及2K7，2K8为反向。

进一步，2K9和2K10为牵引接触器，2K11为制动接触器，通过它们可以改变主电路的运行工况，使牵引电机的励磁方式由串励改为交叉式他励，从而使由电动机工况改为发电机工况，使牵引电机进人再生制动或能耗制动状态。

进一步，2K12为预励磁接触器，当机车由惰行工况转为制动工况前，由于电机电枢电流为零，需要对励磁绕组进行预励磁。预励磁电源由三相整流器提供。

进一步，2K13和2K14为削磁接触器，通过磁场削弱的方法可以提高牵引电机的转速，从而扩展牵引电机的调速范围。当牵引电机的电枢端电压调节到最高值，若再想提高动车的速度，可将2K13、2K14闭合进行磁场削弱，此时磁场削弱系数为50％。R1和R3为固定磁场分路电阻，磁场固定削弱系数为93％，其作用是将电流中的谐波分量从电动机的励磁绕组中分掉，以改善直流牵引电动机的换向火花，并改善换向器上的电位分布特性，从而可提高牵引电动机的抗环火能力。

需要说明的是，牵引制动电路中各晶闸管的功能为：2V1和2V2为GTO晶闸管(主斩波器)，2V3和2V4为能耗制动晶闸管，2V5为再生制动电力续流二极管，2V6和2V7为调节制动电阻阻值的晶闸管，2V8为制动二极管，V9为保护晶闸管。

需要说明的是，牵引制动电路中还包括电流互感器1U2和1U3，测量并比较两并联支路的电流；牵引电机2M1～2M4通过全悬挂的方式悬挂在转向架上，电机输出端与齿轮箱小齿轮间采用弹性联轴节联结。

本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统，其软件控制部分说明如下：

该系统采用模块式结构，根据各种命令、给定信号、反馈信号、监控信号，对列车进行开环和闭环控制。牵引控制系统的硬件采用模块式插件设计，安装在动车客室中的专用设备柜内。

牵引控制系统的软件也是采用模块式设计，包括三类模块：功能模块、处理模块、计算模块。系统的软件模块中最先启动的是启动程序，其功能是对系统的软件模块和接口进行初始化、调用参数、触发硬件元件等。之后，经过一个规定的短延时后，执行功能模块。功能模块每毫秒由中断执行一次，所以又称为毫秒中断模块。毫秒中断功能模块执行所有的开环、闭环控制和监控，包括：(1)触发制动电阻分路晶闸管；(2)对“全闭锁”信号进行处理；(3)监控制动时的网压；(4)监控牵引时的网压；(5)监控应答信号；(6)控制牵引工况时的GTO晶闸管触发；(7)控制制动工况时的GTO晶闸管触发；(8)控制电动机的电枢电流；(9)控制再生制动；(10)控制牵引工况下的斩波频率；(11)调用牵引控制功能模块并对处理时间进行监控。

需要说明的是，毫秒中断功能模块，执行以上(1)～(10)功能的时间很短，余下的时间执行(11)，即执行“牵引控制”处理模块。

需要说明的是，处理模块含牵引控制模块、背景处理模块与处理计算模块、监控处理模块等。计算模块执行计算功能，如PI控制器等。

需要说明的是，“牵引控制”处理控制模块循环时间为15ms，多出的时间则调用背景处理控制模块和技术处理模块。

本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统，以下为直流电机调速的相关知识说明：

直流电动机转速n的表达式为n＝U-IR/KΦ。

式中，U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；Φ为每极磁通量；K为电动机结构参数。

根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：

(1)调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

(2)改变电动机主磁通Φ。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速(简称弱磁调速)，从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。If变化时间遇到的时间常数同Ia变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

(3)改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。

直流电动机电枢绕组中的电流Ia、Φ相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。直流电动机电磁转矩中的两个可控参量Φ和Ia是互相独立的，可以非常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。调节主磁通Φ一般还是通过调节励磁电压来实现，所以，不管是调压调速，还是调磁调速，都需要可调的直流电源。

因为不同励磁方式的电机它有不同的工作特性，他们各有优点与不足，在不同的工作场合和环境下选择不同的励磁方式再加上适当调速方式的选择，这样才能发挥整个拖动系统的能力，达到事半功倍。在调速过程中，电动机的负载能力在不同的转速下是不同的，为了保证电动机在整个调速范围内始终得到最充分的利用，在选择传动控制系统的调速方案时，电动机的负载能力必须与生产机械的负载性质相匹配。

电动机调速过程中的负载能力：为了充分利用电动机的负载能力，在调速过程中应保持电枢电流Ia为额定值，这时在不同的转速下电动机轴上输出的转矩和功率就是电动机所能允许长期输出的最大转矩和最大功率，即电动机调速过程中的负载能力。

电动机的调速方式应与生产机械负载性质相适应。在不同的转速下运行时，实际输出转矩和输出功率能否达到且不超过其允许长期输出的最大转矩和最大功率。最大转矩和最大功率取决于生产机械在调速过程中负载转矩TL和负载转矩PL的大小和变化规律。因此，负载转矩性质的生产机械应尽可能的选用恒转矩调速方式且电动机的额定转矩应略大于或等于负载转矩。相应的，负载为恒功率性质的生产机械应尽可能的选用恒功率调速方式。

根据经济指标考虑：初期投资、维护费用及调速过程中的电能损耗等。对直流电机而言，若采用电枢电路串接电阻的调速方式，系统简单，设备费用低；若采用改变电枢电压的调速方式时，必须为拖动电机配置专门的可调电源。因此，设备费用较高，运行效率也较高；采用弱磁调速方式时一般也必须为励磁线圈配置专门的可调电源，且由于特殊设计的调速电机价格较普通直流电机高，因而设备投资大，但运行效率高。

本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统，以下为直流电动机的PWM斩波调压控制的相关知识说明：

改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：

(1)旋转变流机组(G-M系统)。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

(2)静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。

(3)直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

目前，为直流电动机供电的电力电子变流器主要包括：相控式变流器和斩控式直流PWM变换器两大类。

相控式变流器的主要特点是输出的直流电源电压存在一定上的脉动，当负载较轻电枢电流断续时，由其供电的直流电机的机械特性有所改变。相控式变流器与直流电动机组成的拖动系统简称为T-D系统，他广泛应用与大中小型各种容量的直流电力拖动系统。其中相控式变流器是由半控型开关器件-晶闸管组成。由于相控式变流器中晶闸管开关器件的单向导电性。因此，仅由一组相控式变流器为他励直流电动机供电时，直流电机的电枢电流只能是但方向的。电磁转矩无法反向。所以直流电动机由电动状态运行到制动状态不可能通过一组相控式变流器来完成为了获得制动转矩，就必须采用另一组反并联运行的变流器。并使其工作在逆变状态下。只有通过一组变流器工作在整流状态，另外一组整流器工作在逆变状态才能实现四象限运行。这是相控式变流器的不足之一，另外也使系统变复杂，增加运营成本。

除了采用相控式变流器供电以外，中、小容量的直流电动机还可以采用PWM控制方式的变流器(又称为斩波器)供电。

斩控式PWM变换器可以将恒定的直流电源电压变换为大小和极性均可调的直流电压，从而可以方便的实现直流电动机的平滑调速以及四象限运行。由于采用全控型器件(如IGBT、MOSFET、GTR)，其开关频率较高，通过直流电机的电枢电感便可确保电枢电流连续，而且系统的动态响应快，调速范围大(可达1：2000)，综合指标明显优于相控式变流器。

构成直流斩波器的开关器件过去用得较多的是普通晶闸管和逆导晶闸管，它们本身没有自关断的能力，必须有附加的关断电路，增加了装置的体积和复杂性，增加了损耗，而且由它们组成的斩波器开关频率低，输出电流脉动较大，调速范围有限。自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产了多种既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管(GTO)、电力电子晶体管(GTR)、电力场效应管(P-MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的脉宽调制直流调速系统(简称PWM调速系统)近年来在中小功率直流传动中得到了迅猛的发展，PWM调速系统有以下优点：

(1)采用全控型器件的PWM调速系统，其脉宽调制电路的开关频率高，一般在几kHz，因此系统的频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强。

(2)由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电动机的损耗和发热都较小。

(3)PWM系统中，主回路的电力电子器件工作在开关状态，损耗小，装置效率高，而且对交流电网的影响小，没有晶闸管整流器对电网的“污染”，功率因数高，效率高。

(4)主电路所需的功率元件少，线路简单，控制方便。

直流斩波器的原理：控制电压加到开关器件的门极上。在开关器件处于导通期间，忽略期间的导通压降，直流电机电枢两端的电压与电源电压相等。在开关器件处于关断时期，电枢两端的电压为零。如此反复，所获得的输出电压的平均值。改变占空比便可以改变电枢电压的平均值。占空比的改变则可通过控制电压来实现。因此，斩波器相当于一个电压放大器。至于占空比，则具体可以通过如下两种方式加以改变。

(1)定频调宽法：保持开关频率不变，仅改变导通时间；

(2)定宽调频法：保持导通时间不变，仅改变开关频率。

开关频率固定的优点是：开关损耗可以预先确定，有利于变流器主回路冷却的优化设计，而且由于输出的谐波分量一定，输入滤波器也容易实现优化设计。一旦改变开关频率，上述优点便不复存在。因此，斩波器多采用定频调宽法即PWM进行控制，故这种控制方式的斩波器又称为直流PWM变换器。原则上，占空比也可以通过开关频率和导通时间的同时改变来实现，但其缺点同定宽调频法相同。

四象限可逆式直流PWM变换器中，由于电枢电压的极性和电枢电流的方向均可通过开关器件的通断加以改变，因此，电流电机可以很容易的实现正、反转一集快速启、制动，即四象限运行。

第一象限对应与直流电机处于正向电动运行状态，此时，电枢电流和转速(或反电势)的方向均为正。同样，电枢电压的改变也可以采用另一方案实现，这一方案的缺点是：由于两个主开关同时通断，系统的开关损耗增加；电枢两端的电压变化率是其他方案的两倍，易造成电机内部的绝缘击穿；电枢电流的变化率较高，要求主开关器件的耐压提高，而且又可能引起电机的转子震动；由于电流在电源与电机的电枢之间流通，造成变流器的输入电流的谐波幅值增大。

第二象限对应于直流电机处于正向发电制动状态，此时，转速(或反电势)方向保持正向不变，而电枢电流反向，转子储存的动能将通过变流器回馈至直流电源。值得指出的是，随着直流电机的动能回馈至直流电源，并联在直流电源两侧的滤波电容将被充电，从而可能造成两端的电压升高，这一电压被称为泵升电压。泵升电压过高会导致主开关器件因电压过高而损坏。为解决这一问题，对几千瓦的直流电机通常在滤波电容两端并联制动电阻。一旦电压超过一定数值，通过控制主开关器件导通，将回馈至滤波电容上的过电荷消耗在制动电阻上。对于容量较大的直流电机，若采用蒸馏电源供电，则可以采用具有双向电功率流动功能的变流器(如由全控型器件组成的PWM整流器)，将直流侧能量逆变至交流侧电网上。

第三象限对应于直流电机处于反向电动状态，此时，转速(或反电势)均反向。

第四象限对应于直流电机处于反向发电制动状态，此时，转速(或反电势)保持方向不变，电枢电流变为正向，电动机储存的动能便会通过变流器回馈至直流电源。

实际上，并不是所有的直流电机拖动系统都需要四象限运行。根据实际情况，为了节约成本，直流PWM变换器电路可简化为单象限和两象限运行。

PWM调速装置具有电路简单、成本低廉、可靠性高、运行稳定的特点，其升、降压PWM斩波调速的原理也很简单，由于它采用全控型器件作为执行机构开关频率高、反应速度快，能够实现对于中小型直流电动机的调速。但是，对于高压系统中的大型牵引电动机，其还要考虑调速装置的耐压及控制电路系统中网压的波动、浪涌电压、电流电压谐波等问题，以上的装置是不能承担的。必须需要另外的调速装置来实现。

综上所述，本发明实施例提供的一种直流车辆牵引系统，该系统中的处理器通过控制滤波电路和牵引制动电路实现牵引电动机的牵引制动。进一步地，电能能够通过滤波电路中的接地装置经铁路轨道回到变电站，实现了能量的双向流动；进一步地，通过晶闸管构成的PWM斩波器实现牵引电动机的平滑调速，使系统运行稳定，降低故障率，牵引电动机的负载能力也得到了充分发挥，使电力拖动系统的使用效率达到了最大值；进一步地，滤波电路能够克服网压的波动和浪涌电压、抑制牵引制动电路中的PWM斩波器产生的谐波，避免对其它电子设备的电磁干扰。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。