城市轨道交通车辆 第06章 电力牵引传动系统一

第六章电力牵引传动系统（一）11概述2牵引供电方式3直流牵引传动系统构成及原理4交流牵引传动系统的构成及原理5电力牵引系统主要设备6城轨车辆能量回馈系统7大功率交流传动互馈试验系统2电力牵引是一种将电能作为动力的牵引方式。轨道交通车辆的电力牵引系统的基本功能是车辆经牵引供电网络吸取电能转变为驱动车辆所需的机械能，或者是将车辆的机械能变为电能，对车辆实施电制动。所以电力牵引系统以牵引电机为控制对象，通过对电机牵引力和速度的调节，满足车辆牵引和制动特性的需要。图5.1牵引传动装置车轴车轮牵引电机齿轮传动箱概述3轨道交通电力牵引系统主要类型根据供电电压制式可分为：直流：600，750，1500，3000V(标称值)交流：15000，25000V(标称值)根据牵引电机可分为：直流电力牵引系统交流电力牵引系统4轨道交通电力牵引系统主要类型直流传动系统框图5直流-直流（城轨）交流-直流（干线铁路）（直流）轨道交通电力牵引系统主要类型交流传动系统框图6~~~（城轨）（干线铁路）变压器变流器变流器25kVACv牵引变压器将牵引网供给的25kV单相交流电压降低，以满足变流器的工作要求（一般在1~2kV左右）。对于“交—直”传动系统，变流器主要实现整流功能，通过相控整流将交流电压变为大小可控的直流电压；对于“交—直—交”系统，变流器首先通过脉宽整流将交流电变为直流电，再将直流逆变为幅值和频率均可控的三相对称交流电。变流器输出可调的直流/交流电压，供给直流/交流牵引电机工作，产生所需要的牵引力。干线铁路机车、动车组牵引系统7变流器DC1500V/750Vv对于直流传动系统，变流器主要作用为调压；对于交流传动系统，变流器将直流逆变为幅值和频率均可控的三相对称交流电。变流器输出可调的直流/交流电压，供给直流/交流牵引电机工作，产生所需要的牵引力。城市轨道车辆电力牵引系统8城轨车辆：电气牵引时，DC750V或DC1500V直流电压，然后经三相逆变器变为交流三相电压，给牵引电机供电，实现电能到机械能的转换。电气制动时，牵引电机机械能转换为电能，经三相逆变器变为直流电压反馈到电网，实现机械能到电能的转换，也称为再生制动；或通过制动电阻，将机械能转化为热能。受电弓牵引网逆变器牵引电动机电能机械能牵引工况电能机械能制动工况9干线铁路车辆：电气牵引时，25kV交流电经变压器降压后，经四象限变流器变为直流电压，然后经三相逆变器变为交流三相电压，给牵引电机供电，实现电能到机械能的转换。电气制动时，牵引电机机械能转换为电能，经三相逆变器变为直流电压、经四象限变流器变为单相交流电压，经变压器反馈到25kV电网，实现机械能到电能的转换，也成为再生制动。受电弓牵引网牵引变压器逆变器牵引电动机整流器变流器电能机械能牵引工况电能机械能制动工况101概述2牵引供电方式3直流牵引传动系统构成及原理4交流牵引传动系统的构成及原理5电力牵引系统主要设备6城轨车辆能量回馈系统7大功率交流传动互馈试验系统11电力系统生产、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、电力线路、各种用电设备联系在一起组成的统一体。1213动力部分：火电站的锅炉、汽轮机；水电站的水库、水轮机；热电站的热力网；风能；太能能；核能；14151617交流牵引供电系统18交流牵引供电系统19直流牵引供电系统2021电力源及主变电站•城市轨道交通的电源可以来自国家电网或发电站(厂)。由于城市轨道交通系统位于城市区域内，这里有国家电力系统的区域变电站，因此多数城市轨道交通系统可从区域变电站得电，其电压一般为10~35kV。•如果区域变电站的负荷有限，则需为城市轨道交通系统专设主(降压)变电站，将国家电网的高压(110～220kV)降为中压(10～35kV)，并通过牵引供电网络将电能分配到每一个牵引变电所和降压变电所。22•从发电厂(站)经升压、高压输电线到区域变电站(如可供轨道交通使用)或主(降压)变电站的部分，通常被称为供电系统的“外部供电系统，也称“一次供电系统”；•从主(降压)变电站及其以后的部分统称为“牵引供电系统”。23牵引变电所•牵引变电所的任务就是将电力系统提供的三相工频交流电通过变压或变流转变为本线电动车辆可用的电源。•根据电流制的不同，牵引变电所又分为直流牵引变电所和交流牵引变电所。24•城市轨道交通采用直流供电制式是因为城市轨道交通运输的列车功率并不是很大，其供电半径（范围）也不大，因此供电电压不需要太高，还由于直流制比交流制的电压损失小（同样电压等级下）。•另外由于城市内的轨道交通，供电线路都处在城市建筑群之间，供电电压不宜太高，以确保安全。基于以上原因，世界各国城市轨道交通的供电电压都在直流550～1500V之间。25•现在，国际电工委员会拟定的电压标准为600V、750V和1500V三种，后两种为推荐值。•我国国家标准也规定为750V和1500V。26•以北京和天津为代表的北方地区采用DC750V供电电压制式，允许电压波动范围为DC500V～DC900V，第三轨受流；•以上海和广州为代表的南方地区采用DC1500V供电电压制式，允许电压波动范围为DC1000V～DC1800V，架空接触网受电弓受流。27•从减少电能损失和电压降，延长供电距离以降低牵引变电站的数量及投资，以及从降低受流接触网的悬挂重量、降低结构复杂性及投资而言，采用DC1500V的牵引供电电压制式比采用DC750V的牵引供电电压制式要经济得多。•高耐压电力电子变流器件的发展，为采用DC1500V供电的城市轨道交通牵引传动系统提供了可靠的技术保障。•因此，今后我国的城市轨道交通牵引传动系统的供电电压制式的发展趋势应该是逐步采用统一的DC1500V。28•牵引供电整流装置将高压交流(10kV或35kV)变为直流电(750V或1500V)，为了提高直流电的供电质量，降低直流电源的脉动量，通常采用多脉波整流的方法，如12脉波，24脉波整流，直流供电网整流方式29接触网接触网是将牵引变电所的电源传送给电动车辆的导体。电动车辆通过受电弓(或受流器、集电靴)获得电能，驱动牵引电动机使列车运行。30•广义的接触网大体可分为接触导线(习惯称为接触网)及接触轨两大类。•接触导线悬挂于轨道上方，接触轨位于轨道中部或侧面。•上海地铁采用架空式接触网•北京地铁采用接触轨，接触轨安装于线路行车方向的左侧，集电靴采用上部接触方式受电。接触网分类311概述2牵引供电方式3直流牵引传动系统构成及原理4交流牵引传动系统的构成及原理5电力牵引系统主要设备6城轨车辆能量回馈系统7大功率交流传动互馈试验系统32一、直流电机极掌NS······NS极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路直流电机由定子、转子两部分构成。直流牵引传动系统33直流电机直流电机各部分的作用：定子的作用是用来产生磁场，提供磁路和作为电机的机械支撑极掌NS······NS极心励磁绕组机座转子34转子部分是用来产生感应电势和电磁转矩从而实现机电能量转换的主要部件转子通过轴承与定子保持相对位置，使两者之间有一个空气隙直流电动机工作原理载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力大小为：f=B·l·iB:磁密l：导体长度；i：导体中电流力的方向用左手定则确定35直流电动机工作原理换向电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片——换向片上，组成一个换向器。换向器上压着固定不动的炭质电刷。换向片AB＋—N36直流电动机工作原理当电枢转到图a所示位置时，ab边在N极下，cd边在S极下，电磁转矩方向如图所示。37直流电动机工作原理当电枢转到上图b所示位置时，ab边转到了S极下，cd边转到了N极下，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N极下的导线，而电刷B总是接触S极下的导线，故电流流动方向发生改变，电磁转矩方向不变。38直流电机分类：根据励磁绕组与电枢绕组的联接方式主要分为他励、并励、串励和复励四种。39机械特性：电动机是用来拖动车辆运行的，而车辆运行对电动机提出的主要要求是转速和转矩。OnTn0T串励电动机机械特性他励电动机机械特性40OnT串励电动机机械特性对于串励电动机，低转速时，电机转矩很大，有利于重载启动，高转速时，转矩很小。41直流牵引调速系统直流电机的基本调速方法直流牵引电动机调速的基本形式42基本调速方法在上式中，CE是常数，Id与电磁转矩成正比，因此调节电动机的转速可以有三种方法：调解电枢供电电压U减弱励磁磁通Φ改变电枢回路电阻REdCRIUn43图5.11有触点式开关调阻原理图（一）调压法：（1）变阻控制调节电阻的方法又可分为两类，即采用有触点组合式凸轮开关调阻和无触点斩波调阻。有触点开关调阻基本调速方法（直-直系统）44图5.13直流斩波电路原理直流斩波电路原理直流斩波电压波形t0LRUonToffTTLRuU图5.14直流斩波电压波形（一）调压法：（2）斩波调压TTonUTtUUonRL导通比45基本调速方法（直-直系统）TTUton1ton2ULD改变负载平均电压有三种典型的控制方法:（1）定频调宽控制（脉宽调制）：即保持斩波周期T不变，改变斩波器导通时间，从而改变负载平均电压。46基本调速方法（直-直系统）T1T2Uton1ULDton1（2）定宽调频控制（频率调制）：即保持斩波器导通时间不变，通过改变斩波器周期T来改变负载平均电压。47基本调速方法（直-直系统）（3）调频调宽混合控制：不但改变斩波器的工作频率，而且改变斩波器的导通时间。T1T2Uton1ULDton248基本调速方法（直-直系统）三种典型控制方法特点:（1）定频调宽控制：频率固定，易于设计消除高次谐波的滤波器。（2）定宽调频控制：控制方便，易发生共振及干扰通信信号。（3）调频调宽混合控制：常用在需要大幅度改变输入电压，同样带来滤波器设计困难等问题。49基本调速方法（直-直系统）图5.15串励电动机磁场削弱法（a）（b）（a）短路匝数法（b）分路电流法MM（二）调节主极磁通：50直-直系统的电制动（一）电阻制动：5.16直流电机的电阻制动接线原理图（a）电动机牵引工况（b）他励式电阻制动（c）串励式电阻制动nEUdILIdERZnId+-ERZndIILIL(a)(b)(c)MMM电机牵引工况他励电阻制动工况51图5.17再生制动原理图dUDPLSUMidiZ+（二）再生制动：52直-直系统的电制动在干线铁路轨道交通车辆中：直流控制系统采用相控整流控制方式。•全控桥式整流控制方式；•半控桥式整流控制方式；•多段桥顺序控制方式；53基本调速方法（交-直系统）全控桥式整流控制方式54PKabT1T2u2u1MT4T3udiT全控整流电路改变可控硅α→改变整流电压ud波形→改变Ud。i0iu,tu1iTITi(1)0utud00ttIdIdiiT1iT2iT4iT3全控桥整流波形基本调速方法（交-直系统）半控桥式整流控制方式55半控整流电路改变可控硅α→改变整流电压ud波形→改变Ud。半控桥整流波形PKabT1D1u2u1MT2D2udiTcdIdi2..基本调速方法（交-直系统）两段半控桥电路56两段半控桥电路两段半控桥波形abMudcdId.T3D3T1D1T2D2T4D4.......RM1RM2iTu1iT20utuditId2RM1itId2RM200t0iT变压器副边两段，分别给半控桥RM1、RM2供电，两桥串后向电机供电。①低压段，RM1逐渐开放，RM2关断；②高压段，RM1全开放，RM2逐渐开放；基本调速方法（交-直系统）三段不等分半控桥式电路57三段不等分半控桥电路①第一段，低压调节（大桥调压）。绕组ax1、T1、T2、D1、D2工作，D3、D4联通电路；T3～T6均关断；②第二段，中压调节（小桥调压）。大桥满开放（即α1=0），绕组bc、T3、T4、及D3、D4投入工作；T5、T6关断；③第三段，高压调节，前两段桥满开放（即α1=0