关于美国旧金山BART列车的声音——VVVF-IGBT

Lion2013

其实这个帖子是上一个帖子《这种声音是有级磁削吗？[url]http://bbs.hasea.com/thread-598852-1-1.html[/url]》的后续。算是统一回答一下参与讨论的会员们。

后来我查找了些资料，还真找到了。结果就是，我听到的声音，那个像汽车起步加速换挡的声音，来自于IGBT。而那个嗡嗡的声音，则来自于直流斩波器。换句话说，旧金山湾区捷运BART的列车，有的车厢是IGBT调速的交流车，有的则是斩波器调速的直流车。

这个答案来自于维基百科词条，比较惭愧的是，我之前只关注BART系统的词条，这个词条里没太介绍BART车辆的，实际上关于BART车辆还有一个专门的词条。这次就找到了这个词条。而且很幸运的是，这两个词条都有比较完整的中文版。
BART系统词条：
Bay Area Rapid Transit
[url]https://en.wikipedia.org/wiki/Bay_Area_Rapid_Transit[/url]
Bay Area Rapid Transit
[url]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%88%8A%E9%87%91%E5%B1%B1%E7%81%A3%E5%8D%80%E6%8D%B7%E9%81%8B%E7%B3%BB%E7%B5%B1[/url]
BART车辆词条：
Bay Area Rapid Transit rolling stock
[url]https://en.wikipedia.org/wiki/Bay_Area_Rapid_Transit_rolling_stock[/url]
舊金山灣區捷運系統鐵道機車車輛
[url]https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%97%A7%E9%87%91%E5%B1%B1%E6%B9%BE%E5%8C%BA%E6%8D%B7%E8%BF%90%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E9%93%81%E9%81%93%E6%9C%BA%E8%BD%A6%E8%BD%A6%E8%BE%86[/url]



简单点说，现在的Bart车辆有3种，A、B和C，A型车车头比较尖，前脸没有车门，好像也没有车钩，只能安排在列车两端，B型车就是中间的车厢，C型车有驾驶室，并且有车门，所以可以安排在列车两端，也可以安排在列车中部。

这些车中途有过延寿大修，也就是翻新，其中A和B型车的传动系统都换了（当时跟队长回帖的时候我猜他们是换过），换成IGBT的交流传动，C型保留原有的斩波器直流传动，AB车上换下来的留给C型备用，换句话说是消化AB型车上换下来的斩波器系统。

看到这里，提到IGBT了，我就想起来另一个IGBT的电力机车——德铁BR101，0BART的声音跟这个车有点像，再之后，去Youtube搜索IGBT的声音，就是这个声音，不差。

至于说我说的另一个嗡嗡的声音，老外比喻的更恰当，是蜜蜂的声音，还真是。然后上个周末我从旧金山坐Bart去东湾Hayward，坐在一辆C型车的后排座，身后是一节B型车，正好既能挺到C型车的斩波器声音，又能听到隔壁B型车的IGBT，结果发现，C型车的蜂鸣声响度变化跟B型车IGBT音调变化并不是同步的，但是没差太大。当时在那个帖子里我以为这两种车可能一种是拖车，一种是动力车。那么现在看词条知道，BART列车是全动力车（这也就难怪BART列车提速那么牛逼了，0-100公里20秒不到，截图“牵引电机”部分有描述），只不过这个蜜蜂声音的是直流，变调的是交流。

说到这，我突然想起大学时候买的直流调压器，背面标签写明了是斩波器，并且大致说了其原理。这时我想起来了，用这个调压器驱动电机和电热丝，的确是有声音的。只不过大学用的这个声音不是嗡嗡的，而是吱吱的，比较尖，应该是斩波频率比较高的原因吧。

Lion2013

铁道游击队长 发表于 2017-12-5 14:08
不过有一个问题，VVVF不应该有明显的顿挫感啊
如果是斩波调压，也不应该有
斩波调阻肯定有，但既然是80年 ...

其实这个顿挫感怎么说呢，可能是我的错觉，也可能来自于车钩。虽然是密接钩，但是，毕竟交流车和直流车的加速性能可能是有差别的，再加上每节车厢人数不同也造成重量不同，是不是年久了车钩松动造成的冲动也难说。

Lion2013

铁道游击队长 发表于 2017-12-5 15:10
交直流混编，这种事虽然听起来挺有冲击力，但其实也没啥复杂的
不过在中国肯定是完全“不可行”的{:5_113: ...

这个交直流混编我觉得就是消化那些还没坏的直流传动，能省点钱。

不过怎么说呢，地铁全列动力车的配置，在国内好像比较奢侈吧。别的不知道，反正北京地铁一号线和八通线不是全动力车的，我看过司机室的电脑屏幕，几动几拖的忘了。当然一号线和八通线是老车了，新线是什么样就不知道了。

反正有的时候我觉得美国人是造车的时候不太考虑成本，用料很扎实，性能也强。后期用的时候，因为性能冗余大，机器磨损轻，维护成本就低了，再加上平时缝缝补补的延寿，所以最后成本反而底。

美国的18轮大卡车，总重才36吨左右，就上15升柴油机，500多马力甚至600多。结果就是路上见到个跑了二三十年，好几百万公里，还拖着集装箱满美国跑的并不算什么稀奇的事。

我记得说ND5，当初进口的时候，一台ND5的价格好像顶两台东风4了。结果这些年用下来，实际上ND5反而更省钱。因为牵引力强，拉的多，维护周期还长。

Lion2013

铁道游击队长 发表于 2017-12-6 13:14
北京地铁直流时代也是全动车
但未必就很牛
因为电机功率小

BART 是电脑自动驾驶，从乘坐体验来看，貌似是直接满功率起车的。反正美国人开火车也是这么个手法，开卡车也是，大卡车绿灯起步的时候车头都一耸一耸的，甚至前轮都能离地。
[url=起车缓解之后直接给FULL THROTTLE，老美在编组场这么开车？ http://bbs.hasea.com/thread-531675-1-1.html]起车缓解之后直接给FULL THROTTLE，老美在编组场这么开车？
http://bbs.hasea.com/thread-531675-1-1.html[/url]

对于北京地铁小功率起车，除了出于保护传动系统，我还有另外一个猜想。

我不知道北京地铁直流时代人有多少，是不是也考虑到很多人是站着的，小功率起车，加速度低，对于站着的乘客舒适性能好一些，不容易被闪倒。

BART当初设计是按照全体乘客坐着设计的，车厢里现在的扶手杆都是后加的。刚开始的时候坐垫都是很高端的（号称就像坐在家里沙发一样），跟飞机、高铁的坐垫差不多的标准。后来因为细菌和粪便污染清除困难（我估计是流浪汉造成的），就换成现在的，乙烯基覆盖，但是仍然很软，坐上去很舒服。那既然乘客都是坐着的，加速度高点也就不是什么问题。而且美国人喜欢大马力肌肉车，估计加速度越大人们越喜欢。所以也就造成了BART在全世界不是第一也是头几名的加速性能，0~100公里20秒不到。加减速的时候不扶着把手，真的会被闪倒的。

Lion2013

铁道游击队长 发表于 2017-12-7 13:54
我雀还有大便……
看来美国还真远非“极乐世界”
话说那你们还敢坐着么？——即便容易清洗{:5 ...

我雀还有大便……

以之前咱俩对话当中我对流浪汉的描述，这个还意外吗？

看来美国还真远非“极乐世界”

美国的法律我看就是防君子不防小人的，行了，不多说，这个帖子还是专心聊车吧

话说那你们还敢坐着么？——即便容易清洗

眼不见为净呗，反正只要坐垫上没有明显异物，而且你也没看到上一个在这坐着的是不是流浪汉，那就坐呗。一般公交车上这个座位坐着流浪汉，旁边的人站着，到了这个站流浪汉走了，旁边站着的人不会去坐这个座，但是刚上车的人会坐上去，站着的人一般也不会去提醒。

其实我开车通常也是底板油，很多人觉得那样费油，但电喷车还真未必
中国人讲究中庸之道嘛，所以干什么都是悠着劲儿来——最烦那种买个跑车当夏利开的主儿

电喷车确实，你脚踩的实际只是个信号，到底喷多少油是ECU管的。实际上汽车起步地板油弹射，与小油门慢慢悠，到底哪个更省油真不好说。地板油虽然瞬时油耗大，但很短时间达到速度油门就松了，小油门慢慢悠，瞬时油耗低，但是油门踩的时间长。

我迄今为止还没开过车，骑自行车的时候到底怎么起步看心情，小劲慢慢悠和大劲嗷嗷撂都有，1档起步还是3档起步都是看心情。我干活，操作机器的性格是，刚开始不熟悉没有底的时候下手很轻很谨慎，等熟练了，确定没问题了，撂的比谁都狠。

当初学校金工实习，车床车铸铁棒，其他同学都按照师傅教的，用自动进给，挂上档就慢慢车。我嫌慢，直接在手轮上狂撂，别人自动进给才走一半，我第一趟车削已经退刀准备第二趟了。

我体验过最强悍的火车加速就是电力单机，过岔后手柄直接给7.5级，那个我可以肯定的说，你要不扶住了肯定把你闪一屁墩儿

总共多少位？要是柴油机车的话，我估计那种主发和机供共轴的，就是柴油机始终高转速的也能有这样的效果吧。

铁路工厂游戏里我记得早期版本柴油机车可以弹射起步的。首先换向器中位，拉功率手柄到底，柴油机达到最大转速稳定的时候，尽可能快的将功率手柄回到0，换向打到前位（或者后位，反正看你想朝哪个方向弹射了），然后再把功率手柄撸到底。

头几天在最新版本火车模拟上试了，这招不灵了

Lion2013

铁道游击队长 发表于 2017-12-10 19:38
这个“眼不见为净”让我想起了小时候和玩伴在操场上的经历，那会还是土操场，之前有个岁数大的在那撒了泡 ...

我猜，他要是亲眼见了别人撒尿，是肯定不会在那地方玩的
人，真的很有意思

以前有一个算是脑筋急转弯吧，说这个人吃完一个里边有很多虫子的苹果，然后他开始数这个苹果里边有多少个虫子，数着数着突然间想呕吐——因为他发现一条被咬去一半的虫子

反正我要是去美国，地铁座儿我还是不坐了

就旧金山的BART，以我的观察，一排一排的那种座位，流浪汉光顾的比较少，主要是那些在车门附近，或者是轮椅预留位、自行车预留位附近的那些，空间比较敞亮的座位，坐过流浪汉的可能性比较大。反正流浪汉问题也是很困扰BART的问题之一。

如果起步的话，你那游戏里貌似忽略了机控开关

火车模拟好像没考虑这些，基本上就是驾驶台那几个手柄外加几个关于车灯的开惯之类的。但是这家公司后期刚出的火车模拟世界（Train Sim World）就不一样了，驾驶室里很多开关，包括司机身后配电板都可以动，机车电脑也可以玩，不过相比于真车只是很有限的几个基本功能。机控开关在驾驶台上也有，而且也好使，不过这个机控开关是重联的时候用的，确切说更像是驾驶台与重联电缆的切换开关。所以当前是8级手柄，开关一打，马上就按照重联电缆的信号来了，如果是单机，就成了空档（0位）了。所以这边拿机控开关玩弹射是行不通的。

Lion2013

铁道游击队长 发表于 2017-12-13 17:51
其实有个关键问题
至少国内的司控器，你要是不打换向手柄，是不可能晋级的（有联锁）
呵呵，我不知道国 ...

因为我迄今为止还没上过真车，以下是架设这些模拟游戏跟真实一致的前提下：

美国车油门、换向器和电制的连锁是这样的：
换向器不会限制油门，在中立位一样可以打油门。部分较老的车型（比如EMD SD40，GP38）空压机与柴油机和主发是共轴的，机车挂车之后给列车打风，可以通过给油门提高柴油机转速加快打风速度。此时列车静止状态，换向器中立。游戏教程里说手柄给到1就行了，我为了更快，经常直接撸到8级。
油门会限制换向器。在8级油门的情况下，换向器可以从前位或后位打到中立，但无法从中立打到前位或后位。
另外，美国机车都有电阻制动自负荷实验，这个我记得ND5就有这个功能。看一些视频，貌似自负荷实验的时候柴油机油门就是正常用功率手柄控制的。
换向器和电制的连锁没注意。反正我在打电制的时候因为机车在移动，基本上换向器都在前牵位置。
电制跟油门是互锁的，有油门就掰不动电制，有电制就掰不动油门。所以在台式司控器上油门跟电制直接设计成一个手柄，中间是油门的0位，也是电制的OFF。

Lion2013

铁道游击队长 发表于 2017-12-15 17:41
找个周末潜入一下圣弗朗西斯科机务段呗
别告诉我有法律责任

私人领地，虽说挨枪子应该不至于，但也也没那么容易
迄今为止我脸皮还不够厚，火车暂时还是可远观不可亵玩的状态
潜入机务段，我觉得至少得能联系上一名当地车迷。
另外，旧金山没有机务段，Caltrain的机务段可能是在南湾圣荷西。东湾奥克兰虽然有一个很大的联运车场（主要是集装箱和驮背半挂车），但是看样子好像也没有个像样的机务段，貌似只有个加油的地方，然后可以停放一些机车，但是连个车棚都没有。

实际上与其贼头贼脑的潜入机务段，倒不如光明正大的去铁道博物馆玩车去。美国各色铁道博物馆很多的。

Lion2013

CRS 发表于 2017-12-20 22:03
我突然想到一个问题
前提是我也不知道VVVF逆变器具体怎么工作的，就是猜

貌似是这个原理。

回头我分享一个视频，是VVVF调速电路，旁边接了个示波器，显示出来的是方波，频率的确在变化。

Lion2013

CRS 发表于 2017-12-20 22:03
我突然想到一个问题
前提是我也不知道VVVF逆变器具体怎么工作的，就是猜

突然想起一个事，根据起重机、机床、粮米加工厂的三相电机启动声音来看，三相异步电机就算没有变频器调速，它转速变化也会对应音调变化的，而且也是转速越高音调越高，或者说转子与磁场转速差越小音调越高。

所以机车的音调变化，还有一种可能是变频器的频率是有级变化的，音调突降应该是变频器频率提高一档的表现。

没记错的话，三相异步电机的输出扭矩，除了跟绕组（相同的电压和频率，不同的绕组对应不同的转速和频率）和电压有关系，还与转子跟磁场转速差有关，应该是转速差越大扭矩越大（当然太大可能也不行）。三相电机调速要用变频器就是因为变频器能调磁场转速，能直接改变电机的外特性曲线。

所以说交流传动机车高速性能好，应该主要是变频器能在高转速的时候提供更高频率的交流电，让磁场与转子仍然有足够大的转速差，所以电机高转速仍然能输出足够扭矩，不会像直流电机达到一定转速之后转速再高扭矩马上就软了，但是高速扭矩够的电机到了低速可能扭矩又不够硬。

Lion2013

CRS 发表于 2017-12-23 23:24
所以我记得有人提到过交流电机有一个特性叫“颠覆转矩”
直流的就没这回事，磁场是恒定的

简单解释一下吧。我从网上搜索到的解释似乎跟你说的好像不是一回事

Lion2013

CRS 发表于 2017-12-24 23:43
如果我没理解错的话
直流电机转速转矩曲线基本是线性的
供电与励磁不变的情况下，随外负载增加

直流电机的转速跟扭矩，其他转速区间不知道，但在接近最高转速的时候，我觉得应该不是线性的，可能是类似于对数或几次曲线迅速归0

交流电机，看来我搜索到的内容方向上是对的。颠覆转矩似乎跟启动转矩相等，至少是近似相等。对应的颠覆电流（堵转电流，就是电机通电之后转子固定不转的电流）和启动电流也是相等或近似相等的。但是正常工作的启动电流，因为通电之后转子马上就开始转了，所以这个电流只是多少毫秒的瞬间（但是这个瞬间也足够扰动配电板上所有的仪表了）。而颠覆电流/堵转电流，它是持续的，会迅速烧坏电机。

那如果颠覆转矩与启动转矩相等，那么电机在负载增大，转速降低，在接近停转（堵转）的状态下，扭矩应该不会减小，而是增大，至少应该是持平。否则启动转矩就不会跟颠覆转矩相等。

Lion2013

CRS 发表于 2017-12-25 21:21
反正图是这样的

那按照这个图来看，颠覆转矩实际就是最大转矩？

这个横轴的n轴是转速，看了半天才看明白。S轴应该是磁场转速，或者说是同步转速与转子的转速差？不过貌似转速=0的时候S=1，所以应该是转速差与同步转速的比值？

Lion2013

vvvf 发表于 2018-1-7 06:34
我来解释下把，这条曲线的原点n0是同步转送，也就是电源在电机定子上产生的磁场转速，当电机处于同步转速时 ...

非常感谢！
这下就真的明白了。
我以前以为扭矩跟转差率是正相关，原来不完全是。

Lion2013

vvvf 发表于 2018-1-7 11:12
是的，我看了你之前的帖子不止一次提到交流电机转速下降转矩提高，这个仅适用在0-Sm区间，当然当转矩颠覆 ...

所以这篇帖子聊到这里我也就明白了三相异步电机的优势在哪了。
以前我也在想，三相电机是高速性能好，维护成本低，可以控制那么难做为什么人们就那么想用交流传动。

Lion2013

vvvf 发表于 2018-1-7 11:12
是的，我看了你之前的帖子不止一次提到交流电机转速下降转矩提高，这个仅适用在0-Sm区间，当然当转矩颠覆 ...

这个颠覆转矩的补救，也只能在有变频器的情况下才行了，如果直接连接在电网，固定频率，那一旦达到颠覆转矩，如果不及时减载，除非有熔断器，否则一旦堵转电机报废只是一两秒甚至一秒不到的时间而已。

不过说到这我突然想起来，三相电机带动的电锯，仔细回想因为进给过快造成电机堵转，那个转速的变化仔细回想的话，它要堵转几乎是马上就不转了，转速掉的非常快，的确不是正相关，扭矩是在堵转前到达最大值，而不是堵转的时候最大值，否则话就不那么容易堵转了。

Lion2013

vvvf 发表于 2018-1-7 16:28
是的，异步电机的起动不是最大转矩，而当转动起来之后转矩又是随着转速提升逐步达到最大值，所以在变频调 ...

这些内容应该在大学的时候讲的，不知是我都还给老师了还是他们确实没讲。