一、牵引系统的功能和分类
1.牵引系统的功能
列车牵引系统是城轨车辆的核心部分，是列车的动力来源，主要实现列车的牵引工况和制动工况。
牵引工况下，列车牵引系统提供牵引动力，将地铁电网上的电能转换为列车在轨道上运动的动能。
制动工况可以分为再生制动和电阻制动两种工况。列车在牵引时会将大量的电能转换为列车前进的动能，而再生制动时牵引系统将列车的动能转换为电能反馈到电网供其他列车使用，这极大地降低了列车的实际能量损耗。若列车制动时牵引系统反馈的电能使得电网电压超过1800 V，此时列车电制动产生的电能将会消耗在制动电阻上，列车动能转换为热能散逸在大气中，这种通过制动电阻消耗电能来实现电制动的工况叫作电阻制动工况。列车牵引提供列车的前进动力，电制动和空气制动共同配合完成列车的制动功能。
2.牵引系统的分类
为了能够获得较好的牵引和电制动性能，城轨车辆牵引系统都是分散配置在列车上。牵引系统选型时要考虑多方面的因素，包括线路纵断面（坡度/曲线）、城市轨道交通线路的站问距、线路设计的运行速度等。总之，牵引系统功率配置的前提条件是能够满足列车在所运营的线路上按照设计速度进行运营。牵引系统可以从以下几个方面分类。
（1）根据城轨车辆牵引电机的种类分类。
根据城轨车辆牵引电机的种类分来，城轨车辆有直流传动方式和交流传动方式之分。这两种传动方式各有优缺点，随着大功率逆变技术和自动控制技术的不断发展，交流电机能够通过变压变频技术来获得直流电机的优点。目前，城轨车辆以交流传动方式为主，国内近年来的城市轨道项目基本上为交流传动技术。根据交流传动技术中牵引电机形式的不同，又可将牵引系统分为旋转电机系统和直线电机系统。旋转电机系统是城轨车辆把从电网获得的直流电通过牵引逆变器转换为变压变频的交流电，通过安装在转向架上的电机把电能转换为动能，电机再通过联轴节—齿轮箱—轮对的传递途径把动能传递到列车的轴上，最终实现列车的牵引功能。直线电机系统的电机不需要传动装置，可以通过安装在车辆上和安装在轨道上的电机的初级和次级之间的电磁作用力直接实现列车的牵引和电制动。
（2）根据列车动力装置数量分类。
比较常见的六节编组A型列车一般都是四动两拖的编组方式，而四节编组的城轨车辆有全动力车的动力配置方式，也有两动两拖的编组方式，动力数量的选择主要是根据线路的实际客流量等因素。考虑系统冗余需要，牵引系统有1C4M（一个逆变器向四个电机供电）和1C2M（一个逆变器向两个电机供电）两种形式。
（3）根据控制单元控制类型的不同分类。
牵引系统可以分为直接转矩控制和矢量控制，两种控制方式各有优缺点，为了能够获得最佳的控制性能，设计人员趋向于融合两种控制方式的特点，对控制系统进行不断的优化。
二、牵引系统的组成和工作原理
城市轨道交通车辆的运行速度并不高，所以通常采用直流供电，我国采用DC 750 V和DC 1500 V两种电压制式。
我国常用的供电方式有接触网供电和接触轨供电两种方式，根据其供电方式的不同，电动列车的受流方式分为接触网受流和第三轨受流。接触网是沿轨道线路架设的特殊输电线，为电动列车不间断地提供电能，电动列车通过车顶的受电弓与接触网滑动摩擦而获得电能，电网电压为1500 V时多采用接触网供电。接触轨是除了列车行走的两条路轨以外的带电钢轨，列车受流器在带电钢轨上接触滑行受流，电网电压为750 V及以下时多采用第三轨供电。
根据牵引电传动系统的主电路，牵引系统主要包括以下设备：受流装置、高速断路器、接触器、线路滤波器、牵引逆变单元、牵引电机、制动电阻器、浪涌吸收器、接地装置等（见图8-1-1牵引主回路）。牵引逆变器（VVVF）是牵引系统的主要组成部分，是最关键、最复杂的部分，是牵引系统的核心技术所在，它采用正弦脉宽调制技术（SPWM）。
牵引时，电网DC 1500 V电压通过受流装置、主熔断器、隔离开关、高速断路器、接触器、线路滤波器后，形成稳定且干净的直流电送入牵引逆变器，牵引逆变器将直流电逆变为频率和幅值可调的三相交流电，送入牵引电机，牵引电机将电能转化为动能。再生制动时以相反的路径使电网吸收电机反馈的能量，电阻制动时，牵引电机反馈的能量经过牵引逆变器输出给制动电阻，制动电阻通过发热将电能以热能的形式耗散到空气中。
1.受流装置
受流装置的主要功能是从电网获取直流电源供列车牵引系统和辅助系统使用。城市轨道交通车辆受流装置有车顶受电弓从接触网受流和集电靴从第三轨受流两种方式，较多的是采用受电弓从接触网受流的方式。
2.高速断路器
高速断路器主要是对牵引逆变器与高压电路进行隔离，同时对牵引系统进行保护。在列车牵引系统的电路出现异常的情况下（如过电流、逆变器或线路电路故障），高速断路器（HSCB）能够将各牵引设备从受电弓线路上安全断开。VVVF逆变器通过高速断路器（HSCB）连接到接触网上。有些牵引系统在高速断路器（HSCB）和受电弓之间还设置了隔离开关（KS），必要时（如检修）可以把高速断路器（HSCB）和受电弓的高压线路断开，并用隔离开关（KS）设置为接地。
3.接触器
接触器是城轨车辆主电路上用来频繁地接通和切断主电路的自动切换电器，它具有远距离自动控制、操作频率较高和通断电流大的特点。接触器与充电电阻组成充电限流环节，当受电弓升起，高速断路器闭合后，为防止过大的充电电流对滤波电容器造成损害，先闭合KM2，当电容电压达到一定值之后，闭合KM1，将充电电阻短接。
4.线路滤波器
线路滤波器包括线路滤波电抗器和线路滤波电容器，具有稳压和滤波的作用，为牵引逆变单元提供稳定且干净的直流电压。线路滤波器形成的谐振频率与信号系统的调制频率有一定的差值，防止对信号系统的干扰，同时线路滤波器为牵引电传动系统提供无功功率。
5.牵引逆变单元
牵引逆变器作为整个交流传动系统的重要组成部分，它的基本功能是，把从直流电源获得的直流电压变换成频率和幅值都可调的三相交流电，供给牵引电机。根据中间储能元件的不同来分类，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。目前，交流牵引多采用电压型逆变器。当前中小功率的牵引逆变器中开关器件以IGBT为主，大功率逆变器以GTO为主。随着IGBT元件和应用技术的不断更新和发展，以IGBT为主电路开关的牵引逆变器的容量和性能进一步提高，并代表了地铁和城轨牵引逆变器的发展趋势。
6.牵引电机
城轨车辆交流牵引电机有旋转电机和直线电机两种，其功能都是将电能转化为动能。旋转牵引电机用于驱动每个动车转向架的动车轮对，而直线电机用于驱动安装电机的转向架。下面以旋转电机为主进行介绍。使用旋转牵引电机的列车上，牵引电机为鼠笼式感应电机；直线电机牵引系统的电机一般是长次级结构。
7.制动电阻器
制动电阻器用于在电阻制动时，制动电阻吸收牵引电机反馈的能量，将电能转换为热能耗散到大气中去。
8.浪涌吸收器（避雷器）
浪涌吸收器安装于车顶的受电弓侧，用于保护设备不受大气过电压（雷击过电压）的损害。当出现大气过电压并达到浪涌吸收器的动作电压时，其立即动作，切断过电压负荷，将过电压限制在一定水平，保护设备绝缘。过电压终止后，恢复正常工作。
9.接地装置
接地装置安装于转向架的轮对轴端，主要用于为主电路提供回流通路，使电流通过轮对到达钢轨，形成完整的回路。同时，防止电流通过轴承而造成轴承的损伤。
三、牵引系统主要设备及工作原理
1.受电弓
下面主要以QG-120（B-CQL6）型受电弓为例进行介绍。
（1）受电弓的结构组成（见图8-1-2）。
图8-1-2 受电弓的结构组成
1—底架；2—绝缘子；3—气源控制箱；4—拉杆；5—下臂杆；6—软连线；7—液压阻尼器；8—平衡杆；9—上臂杆；10—调整钢丝；11—弓头；12—电气控制箱；13—气囊；14—钢丝绳
①底架。
为了增大强度，底架采用无缝矩形管材料焊接而成。
②上、下臂杆。
上臂杆采用高强度的铝合金材料，受流性能明显增强，且质量减轻，同时不会影响强度；下臂杆采用无缝钢管经机械加工后焊接而成，采用转动轴承技术，使受电弓的转动更加灵活。
③气囊。
受电弓的升弓动力来源于气囊，当车内压缩空气进入气囊后，气囊向水平方向移动，安装在气囊前推板上的钢丝绳推动下臂杆旋转，使受电弓升起。
④液压阻尼器。
受电弓的缓冲是通过安装在下臂杆和上臂杆上的液压阻尼器来实现的，通过安装液压阻尼器使弓头的炭滑条有很好的随网性。
⑤拉杆。
拉杆由无缝不锈钢管和重型自润滑的关节轴承组合而成。当拉杆绕底架的回转中心转动时，受电弓弓头的位置被改变。
⑥平衡杆。
平衡杆是使受电弓弓头在整个工作高度范围内（包括升到最大高度）保持水平，在车辆运动过程中通过缓冲调整装置消除外力对弓头在运动过程中的干扰。
⑦受电弓气源控制箱。
受电弓气源控制箱主要由控制箱体、过滤器、精密调压阀、节流阀和快排气阀等组成。安装在气源控制箱体内的精密调压阀可以调节受电弓静态压力。精密调压阀具有很高的灵敏度，可在0.01～1.0 MPa内对压力进行调节，受电弓气源控制箱被安装在受电弓底架上。
⑧软连线。
为了避免电流直接通过受电弓转动部位，在受电弓的每个转动部位都加装了一定数量的软连线，使电流由软连线流过，对转动部位起到保护作用。
⑨弓头总装。
弓头采用两根滑板条，同时横托架内设有减振弹簧，受电弓在工作时可有效地保护滑板条。
（2）受电弓的工作原理（见图8-1-3）。
图8-1-3 受电弓的工作原理
1—电磁阀；2—空气过滤器；3，9—节流阀；4—精密减压阀；5—三通座；6—安全阀；7—压力表；8—球阀；10—换向阀；11—消音器；12—消音节流阀
①升弓。
操作者首先启动空气压缩机，当气压达到受电弓的额定工作气压时，按下升弓按钮，压缩空气经车内电磁阀、受电弓控制箱进入气囊，气囊膨胀推动钢丝绳带动下臂杆运动，下臂杆在拉杆的协助下托起上臂杆及弓头，弓头在平衡杆的作用下，在工作高度范围内始终保持水平状态，并按规定的时间平稳地升至网线高度，完成整个升弓过程。整个升弓过程受电弓运动平稳，不对架空接触网线产生有害的冲击。
②降弓。
操作员按下降弓按钮，控制系统释放气囊中的压缩空气，受电弓在重力作用和阻尼器的辅助作用下平稳地落到底架上的橡胶止挡上，完成整个降弓动作。整个降弓过程在规定的时间内完成，并且受电弓的运动平稳对底架和车顶无有害冲击。
2.高速断路器
高速断路器（HSCB）具有分断能力强、响应时间短的特点，当发生过电流时，高速断路器能迅速作出反应，并且在电弧持续期间通过一个直接的恒定过电压立即灭弧。所以HSCB既是总电源开关，也是保护开关，由5个设计为单独安装的、功能不同的部件组成。
（1）主电路。
主电路组装在一个由刚性的玻璃纤维强化聚酯制成的构架上，它由带有动触点的下部连接和作为定触点的上部连接组成。主电路的闭合是由闭合装置控制的。动触点通过叉杆压靠在上部连接。上部连接和动触点的接触表面由银合金制成。主电路闭合则电路闭合，主电路断开则电路断开。
（2）脱扣装置。
脱扣装置为环状，被绕放在下部连接组成。脱扣装置由一组封装在脱扣盒中的板子组成，用脱扣装置盖板进行封闭。如此形成的磁路由移动磁铁完成闭合。
（3）闭合装置。
闭合装置由一个包含闭合线圈的磁铁组成。该磁路包括一个固定部分和一个移动部分。闭合部分包括气缸、前板和后板。移动部分包括MVQ环、触点压力弹簧和安装有叉杆的闭合杆。闭合线圈和磁路组件被安装在闭合装置盒内，由闭合装置的盖板封闭。
（4）辅助触点。
辅助触点由安装在附件盒上的6个双触点开关构成。开关由杠杆激活，由动触点通过导向组件进行控制，杠杆由销座叉杆和销钉组成。
（5）灭弧罩。
灭弧罩的作用是避免在使用开关时瞬间打火造成短路。它由一组抗电弧绝缘板和金属板组成。
3.接触器
接触器的用途很广，种类繁多，按传动方式分为电磁接触器和电空接触器，按通断电流的种类分为交流接触器和直流接触器，按主触头所处的介质分为空气式接触器、真空式接触器和油浸式接触器，按主触头数目分为单极接触器和多极接触器。
电磁接触器的工作原理是电磁线圈未通电时，衔铁在反力弹簧作用下打开，其常开触头打开，常闭触头闭合；当电磁线圈得电时，铁心与衔铁间产生吸力将衔铁吸合，使常开触头闭合，常闭触头打开。在主电路中的接触器位于牵引逆变器中，用于短接充电电阻。
（1）传动装置。
传动装置包括驱使触头闭合的装置和开断触头的弹簧机构以及缓冲装置，用来可靠地驱使触头按规定要求动作，完成接触器本身的职能。
（2）触头装置。
触头装置一般由主触头和联锁触头两部分组成。主触头由动、静主触头和触头弹簧支持件等组成。它是接触器的执行部分，用于直接实现电路的通、断。通常主触头接通和分断电路的额定电流比较大。联锁触头（又称辅助触头）用于控制其他电器、信号或电气联锁等，它的接通和分断一般为控制电路，额定电流较小。
（3）灭弧装置。
灭弧装置一般与主触头配合使用，主要用于熄灭主触头开断电路时产生的电弧，减少电弧对触头的破坏作用，保证触头可靠地工作。
（4）支架和固定装置。
支架和固定装置属于非工作部分，用于合理地安装和布置电器各部件，使接触器构成一个整体。支架和固定装置应有足够的机械强度，并能对内部部件起到保护作用，保证接触器达到一定的寿命。
4.牵引逆变器
（1）工作原理。
牵引逆变器是通过改变VVVF逆变器各开关元件（如IGBT、GTO等）的开通时间来改变负载的电压，通过改变VVVF逆变器各开关元件开通的周期来改变输出的频率。根据异步电动机的原理，电机转矩与电机电压和电源频率之比的平方成正比、与转差频率成正比。同时，当转差频率为负值时，转矩为负值，产生制动力。因此，在采用VVVF逆变器的电动车中，只要控制压频比和转差频率即可自由地控制牵引力和再生制动力。即只需控制3个因素：逆变器输出电压、逆变频率、转差频率，城轨车辆在运行过程中牵引系统就会进入不同的工况。
①牵引工况。
异步电动机作为电动机将逆变器提供的电能转化为动能，转差频率大于零。车辆由静止状态开始起动、加速的控制大致可经历3个模式：恒转矩控制、恒功率控制、自然特性区。
a.恒转矩控制。
恒转矩控制在控制转差频率的同时，慢慢提高逆变频率，使其值与速度相符合。当速度逐渐增加，异步电机转子的实际旋转频率随之增加，若要保护转差频率恒定，则要增加逆变频率。保持压频比恒定，则异步电机的磁通恒定；保持转差频率恒定，则异步电机转子电流恒定，结果力矩恒定。保持压频比恒定，则异步电机电压随逆变频率成正比例上升，电压控制为PWM控制。当逆变器输出电压达到上限时，转为恒功率控制。
b.恒功率控制。
逆变器电压达到上限后，其保持恒定，控制转差频率随速度增大而增大以控制电机电流恒定。由于电压电流都不变，所以是恒功率控制。转差频率增大，则逆变频率随之增大，则力矩下降，恒功率运行到转差频率上升到最大值时，转到自然特性区。如果逆变器容量有较大裕量，也可以在电机电压达到最大值后，在一段时间内提高转差频率使它随着速度（频率）较快增大，从而增大电流，以延长恒力矩运行时间，直到电流达到逆变器或电机的最大允许值，然后再进入恒功率运行。
c.自然特性区。
逆变器电压保持恒定最大值，转差频率保持恒定最大值。随着速度的上升继续增加逆变频率。电机电流下降，力矩下降。
②制动工况。
此时车辆以再生制动为主，产生的电能直接反馈到电网，由相邻运行的车辆吸收。当电网没有能力或不能全部吸收再生制动的能量时，再生制动转为电阻制动，多余的再生制动能量消耗在制动电阻上。再生制动与电阻制动的转换是由控制单元根据线路滤波电容器两端的电压控制制动斩波器自动完成的。当滤波电容器两端的电压超过1800 V时，电阻制动完全取代再生制动。在列车处于制动工况时，异步电机作为发电机将车辆动能转化为电能，转差频率小于零。车辆由运动状态逐渐减速直至停止的控制大致也经历3个模式：恒转差率控制、恒转矩（恒电压）、恒转矩（恒磁通）。
a.恒电压，恒转差率。
列车在高速时采取制动的情况下，此时逆变器电压保持恒定最大值，转差频率保持恒定最大值。随着车辆速度的下降减小逆变频率，电机电流与逆变频率成反比增加，制动力与逆变频率的平方成反比增加。电机电流增大到与恒转矩相符合的值时，进入恒转矩控制，但当电机电流增大到逆变器的最大允许值时，则要从电机电流增大到该最大值时刻起保持电机电流恒定，在一个小区段内用控制转差频率的方法进行恒流控制。在这种情况下，制动力将随逆变频率成反比增加。
b.恒转矩，恒电压。
逆变器电压保持恒定最大值，控制转差频率与逆变频率的平方成反比的同时，随着速度的下降减小逆变频率，则转差频率值变小直至最小值。电机电流与逆变器频率成正比减小，制动力保持恒定。
c.恒转矩，恒磁通。
转差频率保持恒定最小值，此时电机电流也为恒定。随着车辆速度的下降减小逆变频率。采用PWM控制电极电压减小，即保持电压频率比恒定，则磁通恒定，制动力恒定。
（2）牵引逆变器（见图8-1-4）组成。
图8-1-4 牵引逆变器
对于进行车控布置的牵引逆变器（即每节动车配置两个牵引逆变器1C2M，逆变器输出同时连接两个牵引电机）4个牵引电机分别布置在4个动轴上。为牵引电机供电的三相电缆直接连接到VVVF逆变器，无中线。
牵引逆变电器电路主要由输入电路、逆变器单元、牵引控制单元构成。如图8-1-5所示为牵引系统电路结构。除以上主要部分外，牵引逆变器还包括各种辅助的电源供应、散热系统等。
图8-1-5 牵引系统组成示意图
①输入电路。
输入电路包括线路电抗器、线路接触器、线路电容器。它们的设计考虑了牵引逆变器最大输入电流、最大可允许冲击电流、线路电压瞬间变化和EMC要求等因素。
牵引系统中的线路电感器与电容器组成LC滤波电路，作用是减少线路电压的瞬变和谐波，稳定逆变单元的输入电流电压，保证逆变单元得到一个优质的直流电压。同时，线路电感器也起扼制电感器后端在接地短路或逆变单元故障产生的大电流。因此，线路电感器通常也称为平波电感器。每个逆变单元都有一个线路电感器，安装位置由牵引系统设计进行总体考虑。一般地，安装在箱体外的电感器可以不通强迫风冷，利用列车行进时的自然对流可以满足散热要求；安装在箱体内的电感器需要采用冷却风机进行强迫风冷。线路电感器是铁心感应线圈。
输入电路的一个重要部分是充电回路，正常情况下，列车牵引逆变器在投入使用时先闭合充电接触器，此时电流通过充电电阻给电容器充电，当电容器电压升高到一定程度（如与电网电压差110 V）时线路接触器闭合，线路接触器闭合之后充电接触器断开。线路接触器持续地为逆变单元供电。在系统故障或系统停机时，牵引逆变器通过控制单元的控制断开线路接触器。
②逆变器单元。
a.逆变器单元的功能。
逆变器单元经过母排连接到高压回路，从而获取高压电源，通过逆变器单元的逆变后向两个（1C2M配置方式）三相异步牵引电机提供幅值和频率可变的电源。逆变器单元可以分为两个部分：三相逆变器、过压/制动斩波器。电源流入逆变器的方向由逆变器工作模式而定。牵引过程中，电流从DC+经过IGBT逆变后流入到电动机；电制动过程中，电流通过二极管整流后流向直流侧。
逆变器单元的工作原理类似于其他的电源逆变器，功率元件开通、关断的信号由控制单元发出，通过门极驱动单元来驱动。考虑到电磁干扰、高压隔离等因素，对功率元件的控制信号先转换为光信号，视同光纤送入门极控制单元，在门极控制单元上进行光电转换并将信号放大驱动功率元件工作。每相功率元件的接法完全相同，不同的是控制单元开通、关断各功率元件的时间不同。通常采用180°电压型逆变单元。
b.逆变器单元（见图8-1-6）组成。
Ⅰ.PWM逆变器由三相组成，每一相带两个开关，它们视同IGBT（或GTO）模块。在输出端子上，它提供可变频率、可变振幅的三相电源，持续改变所连接的牵引电机的转速和扭矩。它可以运行在牵引模式和电制动模式（再生电能）工况下。
Ⅱ.制动斩波部分。逆变器配有两个或一个制动斩波器。外部制动电阻器与这两个主动斩波器相连。制动斩波器与制动电阻器一起构成制动电路。制动电路的功能是，施加电制动时，牵引电机是作为发电机运行的，它将列车动能转换为电能。如果线路能够吸收这部分能量（即未达到电压限制的上限，同时区间里有其他列车用电），这部分能量就会通过逆变器整流生成电能进入供电网络；如果线路不能吸收这部分能量（已达到的电压限制的上限或此区间无其他列车），制动斩波器在控制单元的控制下接通。此时，制动能量通过制动电阻器被转换为热能，以阻止电压升高到上限以上。
图8-1-6 逆变器单元
③牵引控制单元。
牵引控制单元实现对牵引逆变器的控制和检测，每套牵引系统配备一个牵引控制单元。
牵引控制单元为微机控制系统，检测和控制牵引系统的大部分功能，在列车中是分布式控制系统的一部分。牵引控制单元通过列车线及通信线路（如MVB）与列车连接。随着技术和牵引控制理论的不断发展，早期在牵引控制单元完成的部分功能已经在列车控制单元中实现。
牵引控制单元既是软件，又是硬件，具有自诊断、故障诊断、存储功能和自监视功能
a.牵引控制单元的主要控制功能。
列车牵引控制单元是将列车控制级给定值（列车牵引参考值）和控制指令转换成VVVF逆变器用的控制信号，对VVVF逆变器和牵引电机进行再生制动和电阻制动之间的平滑过渡，并进行防空转/防滑保护控制和列车加减速冲击限制。
b.牵引控制单元的保护限制功能。
牵引控制单元对牵引逆变器所有的动作进行检测和保护，在检测到不可恢复的故障后，根据故障的严重程度，激活保护动作。牵引系统能在故障消失后自动重新启动。牵引控制单元能实现对逆变器的其他保护，例如，接触网到牵引逆变器输入过电流检测、牵引逆变器输出过电流检测、欠压检测保护、过电压检测、牵引逆变器过热保护、逆变器相电流和线电流检测等。
Ⅰ.欠压检测保护。欠压检测保护由系统分为两级。
第一级：按整定值进行检测，如网压为DC 1250 V，如果网压继续往下降，按比例减少逆变器的输出；如果逆变器减少输出后，网压保持在DC 1000 V以上，可以继续工作。当网压增高时，VVVF逆变器按比例增大输出。
第二级：按整定值进行检测，如网压为DC 1000 V，此时封锁逆变器，断开线路接触器，但保持HSCB闭合，同时提供状态指示，在等待一段时间延迟后，自动重新合上线路接触器，重新进行检测。
Ⅱ.过电压保护。一般系统中过电压保护的控制方式如下：
列车在牵引时，过电压保护按整定值进行检测，如网压为DC 1800 V，此时会封锁逆变器的触发脉冲，即关闭功率元件的功率输出。如果网压保持在DC 2500 V以下，保持线路接触器和HSCB闭合，等网压回到正常的工作范围时，逆变器恢复正常工作；如果网压持续上升，触发对VVVF逆变器的保护，此时控制单元发出指令断开线路接触器和HSCB，同时给出状态指示，在等待一段时间延迟后，自动重新合上线路接触器。
列车在制动时。过电压保护按整定值触发，如网压为DC 1800 V，则控制单元激活制动斩波器投入电阻制动；如果网压降落，则退出电阻制动，回到再生制动；如果网压继续上升，对VVVF逆变器进行保护，此时断开线路接触器和HSCB，同时有状态指示，在等待一段时间延迟后，自动重新合上线路接触器。
Ⅲ.VVVF逆变器过热保护。一般情况下，VVVF逆变器提供两级温度传感器检测保护。如果逆变单元达到第一级温度保护门槛则进行如下保护：减少逆变器输出，同时提供状态指示（仅为指示表上逆变器温度超出正常工作范围）；一旦温度降下，等待一延迟时间后，如果有需要，则按比例增加逆变器输出。如果达到第二级温度保护门槛，则按梯度减少逆变器的输出直到功率为零，同时断开线路接触器，但保持HSCB闭合，提供状态指示，等待逆变器温度降到第一级温度保护门槛以下后，自动重新闭合线路接触器，逆变器可以重新投入工作。
Ⅳ.差动电流保护。对于一个用电设备而言，设备输入电流必须和输出电流相同（电路的基本理论）。为了检测电路短路、漏电等问题的存在，牵引系统中设置了差动电流保护。它主要是对输入牵引逆变器的电流和输出电流进行对比，监视主电路输入与输出电流及检测器差值来实现对系统的保护功能。有些牵引系统用一个差动电流传感器完成检测，有些系统用两个单独的电流传感器进行检测，然后在控制单元中计算差值。差动电流保护有些分为两级，当差动电流比较小时（如1A）提供故障提示信息，当差动电流达到大的整定值时，封锁IGBT的触发脉冲，系统断开线路接触器和HSCB，提供故障显示。
Ⅴ.逆变器相电流和线电压监视。牵引控制单元监视逆变器相电流和线电压，以检测输入电压故障和任何相不平衡故障，确保三相电流之和为零，保护系统正常运行。
Ⅵ.对牵引电机的过电流保护。牵引电机的过电流保护有的是按整定值触发（或上升率触发），当检测到过电流时，系统检查并修正IGBT的触发脉冲，如果故障一直存在，系统封锁IGBT触发脉冲，并且断开交流接触器以使逆变器与电网隔离，但保持HSCB闭合，同时提供故障显示。待故障消失后（输入电流恢复正常）自动对系统进行复位，并重新闭合线路接触器。如果逆变器重新启动失败，系统一般会断开GSCB和线路接触器。重新启动次数各系统有不同的设定。
Ⅶ.对列车的超速保护。为了防止列车超速，列车牵引系统有超速保护功能。在牵引控制单元检测到列车速度超过速度整定值时，则按一定的梯度将逆变器输出功率降为零，当速度降到一定值时，如果需要，牵引逆变器可重新开始牵引（如牵引指令仍然存在）；如果制动指令发出，则激活牵引逆变器；如果列车速度上升超过第二个速度等级时，则断开线路接触器和HSCB，同时给出故障显示，并施加紧急制动。
Ⅷ.对制动电阻的保护，为保护制动电阻，逆变器控制单元会检测制动电阻的电流，通过监视功率元件的反馈信号，在制动电阻电流过大时减少制动斩波器的导通占空比，以减少制动电阻的电流。如果故障一直存在，则按梯度减少逆变器的输出直到为零，封锁任何的电制动，但可以进行牵引，同时提供故障显示。如果在减少逆变器输出后，故障消失，则制动斩波器可以继续投入工作。
Ⅸ.VVVF逆变器控制逻辑内部检测。VVVF逆变器控制单元会通过相关的保护功能来实现对牵引系统的保护，同时它能够实现对控制单元自身的检测和保护：控制电路的开机自检，IGBT主电路的小功率测试，检查电流和电压传感器的信号，检查速度传感器的信号，检查控制电源是否在正常工作范围，检查HSVB的状态，检查线路接触器与充电接触器的状态，检查IGBT门极驱动板的状态等。
Ⅹ.对牵引电机的温度保护。有些牵引电机有温度保护功能，主要是通过每个电机里面的温度传感器来实现测量电机温度，当温度过高时通过控制单元来进行保护。
5.牵引电机
（1）牵引电机的结构和组成。
牵引电机采用鼠笼式电机，结构如图8-1-7所示。自通风电机的冷却通过安装在N端的一个内部风扇实现。进气口位于进气滤网上方D端的前方；排气滤网位于N端的一侧。
图8-1-7 三相异步电机结构
①定子。电机定子由电器绝缘钢片叠装而成的定子铁心组件被冷缩装配到定子壳体内，形成一个固定式定子单元。定子铁心组件和定子壳体中提供有通风用的轴向风道。定子绕组被插入定子铁心组件的槽中。这些槽由槽盖密封。线圈的绕组端、定子线圈连接和定子铁心组件采用真空浸渍，满足耐热等级200的要求。
②转子。转子由电气绝缘钢片叠装而成的铁心组件被冷缩装配到由高强度热处理钢支撑的转子轴上，同时左右侧均装有转子止推环。转子配有通风用的轴向风道。铜制转子线排位于铁心组件的槽中。它们与在D端和N端以铜焊连接的短路环一起构成笼式绕组。用于电机冷却的内部风扇安装在轴的N端。内部风扇（N端）和转子止推环（D端）在圆周上都各有一个槽，在其中可旋入平衡配重。转子以这些配重达到动态平衡。转子支承深沟球轴承内的D端和圆柱滚子轴承内的N端。轴承由润滑脂润滑，并带有一个填充润滑机构。用过的润滑脂被存放在尺寸足够的空间中。轴承筒由非接触迷宫式密封环密封，它们可以由锥形润滑脂喷嘴重新润滑。根据牵引系统的需要，有的牵引电机安装有速度传感器，有的没有。
（2）牵引电机的工作原理。
异步电动机最基本的工作原理之一是在气隙中建立旋转和正弦分布的磁场。若忽略槽的影响，则三相绕组分布对称。正弦三相对称电源加到三相定子绕组上会建立一个同步旋转磁场。若初始时转子处于静止状态，磁场将从转子导条上扫过，在短路的转子电路中感应出相同频率的电流。气隙磁链和转子磁动势相互作用产生转矩。只有当转子的转速和磁场的转速（同步转速）出现转速差，才会感应出转子电流，从而产生转矩。
旋转磁场的同步转速ns与电动机转子转速n之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率s：
牵引异步电动机的转速为
6.制动电阻器
制动电阻有自然风冷制动电阻和强迫风冷制动电阻两种。有些制动电阻采用对流冷却，无须强制冷却，即自然风冷制动电阻。强迫风冷制动电阻由入风罩、出风防护罩、电机和叶轮以及主箱体内两个低阻值的电阻组成。制动电阻箱悬挂安装于车辆底架下方。
制动电阻应有充分的容量，用来承受持续制动下100%的制动负载，直到制动力矩升到极限。带状电阻流过制动电流转化为热能，以发热的方式传递出去。根据这一原理，制动电阻除要求有良好的热容量、耐振动外，还要求能防腐蚀，在高温下不生成氧化层，并特别要注意在正常使用周期内不断裂。
制动电阻器的主要技术参数如下：
（1）电阻值：20℃时的阻值与热态时的阻值。
（2）电阻材料：材质及温度系数。
（3）功率：等效持续功率与短时最大功率。
（4）最高工作温度：一般为600℃左右。
（5）冷却：多数采用强迫风冷，少数采用自然风冷（列车走行风）。
（6）保护：过热、过流、失风（若用强迫风冷）保护，IP等级（电阻箱外观保护等级）。
7.浪涌吸收器
浪涌吸收器用于防止来自城市轨道交通车辆外部的过电压（如雷击等）对车辆电气设备的破坏。浪涌吸收器外壳用硅橡胶材料或其他抗紫外线、不分解的绝缘材料制成。浪涌吸收器安装于B车车顶的受电弓侧。它包括一个火花间隙和一个非线性电阻，装配于一个陶瓷壳内。
击穿电压的幅值同击穿时机的关系曲线称为伏秒特性。要可靠保护用电设备，避雷器的伏秒特性应低于被保护绝缘的伏秒特性，即同一过电压下避雷器应先击穿。
浪涌吸收器的主要技术参数如下：
（1）额定冲击释放电流、冲击电流、持续释放电流、短路电流。
（2）阀座电压、冲击释放电压、直流放电电压。
（3）爬电距离、放电距离。
（4）特性曲线。
8.接地装置
接地装置安装于转向架轴端，主要由接触盘、炭刷架、弹簧支撑组成，如图8-1-8所示。
图8-1-8 接地装置的外形及内部结构
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