城市轨道交通供电与牵引系统

城市轨道交通系统概论第六章城市轨道交通供电与牵引系统要点:2.城市轨道交通供电系统；1.城市轨道交通电力牵引系统；3.城市轨道交通牵引供电行业标准；4.城市轨道交通牵引供电产业发展概况。城市轨道交通系统概论第六章城市轨道交通供电与牵引系统课程基础:2.电机与电力拖动；1.工厂供电原理；3.电力拖动自动控制系统；4.电力电子技术。城市轨道交通系统概论第六章城市轨道交通供电与牵引系统推荐相关教材:2.郑瞳炽,张明锐.城市轨道交通牵引供电系统[M].北京:中国铁道出版社,2000.1.徐安.城市轨道交通电力牵引[M].北京:中国铁道出版社,2000.3.于松伟,杨兴山,韩连祥,等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都:西南交通大学出版社,2008.城市轨道交通系统概论6.1.2直流电力牵引系统6.1.3交流电力牵引系统6.1城市轨道交通电力牵引系统6.1.4城市轨道车辆用直流感应电机6.1.1概述城市轨道交通系统概论1.电力牵引系统工作原理及能量传递过程6.1.1概述车上受电弓牵引变压器牵引整流器转向架牵引电机机车车辆27.5KV单相接触网交流直流机械能电能城市轨道交通系统概论图5.1牵引传动装置车轴车轮牵引电机齿轮传动箱牵引传动装置接触网（第三轨）受流器变流装置牵引电机齿轮传动箱轮对列车运行城市轨道交通系统概论2.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：6250，15000，25000V(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城市轨道交通系统概论~~~直流传动框图交流传动框图城市轨道交通系统概论3.轨道交通车辆的结构与特性有轨电车电动车组特种电动车独轨电动车轻轨车磁浮列车城市轨道交通系统概论4.电动车组牵引特性制动牵引牵引力制动力恒功恒力矩距离速度ABC牵引加速区惰行区制动减速区自然特性0DEFG恒功恒力矩自然特性速度与牵引力城市轨道交通系统概论6.1.2直流电力牵引系统1.直流电动机2.直流牵引调速系统3.牵引电动机的电气制动4.牵引主回路及其控制城市轨道交通系统概论1.直流电动机直流电动机由定子转子两部分构成。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城市轨道交通系统概论直流电动机各部分的作用：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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城市轨道交通系统概论直流电动机工作原理：换向片AB＋—N城市轨道交通系统概论直流电动机分类：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。城市轨道交通系统概论直流电动机机械特性：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城市轨道交通系统概论2.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城市轨道交通系统概论直流牵引调速系统-基本调速方法：dEUIRnC这里，CE是常数Id是由负载决定的方法：调节电枢供电电压U改变励磁磁通Φ改变电枢回路电阻R。城市轨道交通系统概论直流牵引调速系统-基本形式（调节端电压）（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。图5.11有触点式开关调阻原理图有触点开关调阻图5.12斩波调阻原理图CH0R斩波调阻城市轨道交通系统概论直流牵引调速系统-基本形式（调压法）（2）斩波调压onTTUTtUUonRL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直流斩波电压波形城市轨道交通系统概论（1）定频调宽控制（脉宽调制）：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。TTUton1ton2ULD城市轨道交通系统概论（2）定频调宽控制（频率调制）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。T1T2Uton1ULDton1城市轨道交通系统概论（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。T1T2Uton1ULDton2城市轨道交通系统概论特点比较：（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城市轨道交通系统概论直流牵引调速系统-基本形式（调节主极磁通）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城市轨道交通系统概论3.电动机的电气制动电阻制动他励式电阻制动串励式电阻制动再生制动城市轨道交通系统概论电动机的电气制动（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城市轨道交通系统概论电动机的电气制动（再生制动）图5.17再生制动原理图dUDPLSUMidiZ+城市轨道交通系统概论4.牵引主回路及其控制主电路辅助电路控制电路机车电路城市轨道交通系统概论主电路功能：牵引和制动时，完成能量传递和转换；特点：大功率、高电压、大电流；主要包括：牵引变压器、整流器、牵引电机图5.18直流传动系统主回路结构框图1受电弓2主断路器（牵引断路器）3电压检测环节4接地开关5负载接触器6滤波电抗器7滤波电容器8凸轮调速变阻器9牵引电动机10信号发生器11控制电子装置12司机控制器城市轨道交通系统概论辅助电路（有两类）（1）交流辅助电路功能：给主电路的通风、冷却辅助电机等；特点：三相380V交流供电,功率较小；包括：单／三相变换器、通风电机、压缩电机等（2）直流辅助电路功能：给电器控制、电子控制及照明、空调设备供电；特点：直流110V供电，有蓄电池作后备电源；包括：DC110V交直流变换电源、蓄电池、车灯、空调等。此外，用于客车牵引的机车上有DC600V直流电源供客车车厢内空调、采暖、照明及旅客信息服务系统供电。城市轨道交通系统概论控制电路（有两类）（1）电器控制功能：完成电路和气路的开关及逻辑互锁；特点：电动或气动的逻辑开关．包括：继电器、电控阀、气动开关等。近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制单元（LCU)完成。（2）电子控制功能：配合主辅助电路完成机车的控制；特点：弱电控制、控制复杂；包括：给定积分器、特性控制、防空转／防滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等控制单元。城市轨道交通系统概论6.1.3交流电力牵引系统1.交流牵引系统特点及发展概况2.三相异步电机3.交流电机调速系统4.交流传动的脉宽调制技术城市轨道交通系统概论1.交流牵引系统特点及发展概况直流电力传动优点：具有良好的调速性能直流电力传动缺点：防空转性能较差；换向器与电刷，因而带来了较大的体积与重量，容易产生环火以及繁杂的维护问题交流电力传动特点：电机结构简单，成本较低；正作可靠，寿命长，维修、运行费用低；防空转能力好城市轨道交通系统概论第一阶段：交流电动机数学模型复杂，初期，人们对其调速特点没有很好的掌握；第二阶段：充分掌握其调速理论，受变流器本身限制，调速装置无法实现；第三阶段：电力电子器件的发展促进了交流电机的应用。交流牵引系统已被世界各国公认为近代最优越的牵引调速系统，交流牵引也是今后世界各国轨道交通发展的总趋势。城市轨道交通系统概论国家奥地利奥地利德国德国德国西班牙日本城市维也纳维也纳柏林慕尼黑纽伦堡马德里大阪车辆型号F型B型系列电压制(V)DC750DC750DC750DC750DC750DC600DC750受流方式第三轨第三轨第三轨第三轨第三轨架空线第三轨电机功率(kW)2001251331H0195120140电传动力方式交流变频调速交流变频调速交流变频凋速交流变频调速交流变频调速交流变频调速交流变频凋速开始时间1977198019801980198119821980国外部分城市使用交流牵引车辆概况城市轨道交通系统概论2.三相异步电动机1轴承2前端盖3转轴4接线盒5吊环6定子铁心7转子8定子绕组9机座10后端盖11风罩12风扇封闭式三相笼型异步电动机结构城市轨道交通系统概论定子铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A----XB----YC----Z三相绕组机座：铸钢或铸铁转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(1)鼠笼式转子铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体；或铸铝形成转子绕组。(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼转子城市轨道交通系统概论3.三相异步电机工作原理定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)BiAXBYCZAiCi旋转磁场的产生120sin120sinsinmCmBmAtIitIitIiCiAiBiitmIo城市轨道交通系统概论0ni:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入iCiAiBimIot城市轨道交通系统概论三相电流合成磁场的分布情况CiBiAiiAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS0t60t合成磁场方向向下合成磁场旋转60°0n6090t合成磁场旋转90°600SNSNtmIo城市轨道交通系统概论转动原理定子三相绕组通入三相交流电分）转/(6010pfn方向:顺时针切割转子导体Blv右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场Bli左手定则电磁力F电磁转矩TnAXYCBZv0nNSFF城市轨道交通系统概论由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即0nn异步电动机如果:0nn无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切割转子导条无转矩转差率城市轨道交通系统概论因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。%10000nnns城市轨道交通系统概论maxTmSNSOTS曲线)(sfT曲线)(TfnstT1NTNnmaxTstTOnTNT0n机械特性城市轨道交通系统概论4.交流电动机调速系统三相交流异步电机调速方法可分为改变极对数、调节供电频率、调节转差三大类。变频调速是最为理想的调速方法。变频调速是把交、直流电变换为可调电压、可调频率的交流电，向交流电机供电。图5-27一定的电压，不同的电源频率时异步电动机的矩速特性Mn增高1f图5.26一定的气隙磁通，不同的频率时异步电动机的矩速特性Mn增高1f城市轨道交通系统概论脉宽调制控制技术用于交流电传动的变频器实际上是变压(VariableVoltage，简称VV)、变频(VariableFrequency，简称VF)器，即所谓VVVF装置。图5.29PWM方式框图城市轨道交通系统概论6.1.4城市轨道车辆用直线感应电机1.直线电机特点及发展概况2.直线感应电机的基本工作原理3.直线感应电机控制及在地铁动车上的应用城市轨道交通系统概论优点：LTM车辆有着断面小、爬坡能力强、转弯半径小、良好的牵引和制动性能、噪声小、寿命长等优点。缺点：与普通的旋转电机相比，它的效率和功率因数低。直线电机系统一次侧和二次侧的气隙对LIM的性能影响较大，所以对轨道、反作用板、轨枕的尺寸精度及安装精度，LIM的安装精度及支撑结构都相应有较高的要求。加拿大的多伦多、温哥华，LIM驱动的轻轨车辆已运营多年马来西亚也计划建设同样的交通系统在日本，LIM驱动方式也被用于地铁车辆牵引，如大阪地铁的鹤见绿地线电动车辆、东京地铁的都营12号线电动车辆，都采用了LIM驱动方式，1.直线电