城市轨道交通车辆及操作单元7-电力牵引系统

城市轨道交通车站设备城市轨道交通车辆及操作单元七电力牵引系统城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统知识目标1.现代地铁列车的电力传动系统具有的特点2.电力牵引系统的组成3.交流变压变频电力牵引系统的工作原理4.牵引逆变箱的结构组成城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统技能目标1.能认识电力牵引系统主要部件，并能够指出各自所处的位置2.能认知不同的供电方式所采用的受流装置城市轨道交通车辆及操作1单元7电力牵引系统电力牵引系统概述城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统电力牵引是一种以电能为动力的牵引方式，地铁列车电力牵引系统通常由受流器从第三轨（输电轨）或架空接触网接受电能，通过车载的变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电，将电能转换为机械能，通过齿轮传动箱和轮对，驱动地铁列车运行，如图7-1所示。图7-1牵引传动装置城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统现代地铁列车的电力传动系统具有的特点有：(1)电力传动技术由最初的变阻调速发展到斩波器调速，进一步发展，则在应用三相异步牵引电动机的动车中采用了变频变压(VVVF)技术。目前，逆变器技术在地铁电动车组上得到了广泛的应用。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统(2)在车辆电力传动系统中，牵引变流器(包括斩波器、逆变器等)广泛采用了GTO(门极可关断晶闸管)及IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)模块或IPM(智能功率模块)作为主开关器件，特别是IGBT或IPM模块对较高频率工作的电路也有较好的适应能力。(3)微电子技术在地铁车辆的牵引、制动、辅助控制、信息显示和存储、防滑与防空转控制及行车安全等方面的到了广泛的应用。(4)车辆的制动，除了采用摩擦制动外，还采用了电气制动技术，如再生制动、电阻制动及磁轨制动等，以提高运行过程中的节能效果与安全性。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统就世界地铁车辆的现状而言，随着电力电子器件和计算机技术的发展牵引传动系统大致经历了三个阶段。•20世纪80年代前的凸轮变阻调压直流传动系统•80年代的斩波调压直流传动系统•90年代的变压变频的交流传动系统城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统交流传动系统和直流传动系统相比有以下优点：①可充分利用黏着，减少动车比重：②主电路无触点化，电机无换向器和电刷，提高了运行可靠性，减少了维修量；③再生制动可从高速持续到8km/h以下，安全平稳、节省电能；④交流电机结构简单、寿命长，可延长检修周期等。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统目前在发达国家中，交流传动系统的交流装置已普遍采用场效应管（IGBT）组件，将电力电子器件与驱动电路、保护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内的智能功率模块（IPM）也已经开始使用。辅助电路是为了保证车辆正常运行和客室的舒适性，包括车辆上所需要的许多辅助设备（如压缩机、空调机、控制设备等）及其供电设备（如直流变交流的静止逆变器等）和连线。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统车辆上的控制电路是低压小功率电路，分为有接点的直流电路和无接点的电子电路。前者是由主控制器、继电器、控制电路的低压部分及联锁接点组成：后者由微机及各种电子插板等组成，有列车牵引控制单元、制动控制单元、空调控制单元、逆变器控制单元等。控制电路的作用是控制主电路及辅助电路的各种电器的协调动作，通过司机操纵主控制器各手柄和操纵按钮，使动车组按司机意图或由列车自动运行控制系统控制而运行。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统目前，在我国地铁列车牵引系统中，按其传动与控制方式可分为直流变阻牵引系统(如北京地铁1号线部分车辆)、直流斩波调阻牵引系统(如上海地铁1号线部分车辆)、和交流传动牵引系统(如上海地铁2号线车辆和广州地铁1号线车辆等)，其发展趋势与世界牵引技术发展主流基本一致。城市轨道交通车辆及操作2单元7电力牵引系统电力牵引系统的组成及其原理城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统1、电力牵引系统的组成电力牵引系统主要由牵引电机、受流器、高压箱、MCM(牵引逆变器模块)、过压保护电阻、电抗器和辅助电源系统等组成。其中辅助电源系统包括蓄电池、辅助逆变器模块和紧急通风逆变器组成。图7-2北京某型号地铁列车M1车牵引系统结构图城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统地铁的电力传动与控制方式可分为：直流调阻方式、直流斩波方式和交流变压变频(VVVF)方式，如图7-3所示。图7-3牵引电机及控制方式城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统早期北京地铁有BJ—4型和BJ—6型两种典型车型，全部采用动轴，各由一台76kW的直流牵引电动机驱动，每台牵引电动机额定电压为750V，额定电流230A，在每一节车组的4台牵引电动机中，同一转向架的两台牵引电动机串联成一个机组，在牵引工况下，同一车辆的两个机组串联或并联。BJ—4型和BJ—6型地铁车辆的根本区别在于前者采用变阻控制器进行主回路中电阻的切换，以实现调速，而后者利用可控硅斩波器调阻调速，实现无级平滑调节。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统上海地铁一号线车辆，每单元由A、B、C三节车辆组成，A车是拖车，B、C车为动车。每一动轴由一台全悬挂的牵引电动机—CUS5668B型直流串励电动机驱动，额定功率为207kW，额定电流302A，额定电压1500V，同一动车中4台牵引电动机接成两串两并连接，故加在每台牵引电动机上的实际额定电压为750V，额定转速1470r/min，利用可控硅斩波器调阻调速。在电阻制动工况下，最大制动电流为360A。广州地铁一、二号线车辆与上海地铁一号线车辆编组基本一致，但采用三相异步交流牵引电动机驱动，利用交流变压变频(VVVF)的方式控制。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统2、交流变压变频电力牵引系统的工作原理车辆通过受流器由第三轨（或接触网）供电。直流750V（或直流1500V）电压经高压元件和线路滤波器是供给MCM(牵引逆变器模块)。MCM将直流电压转化为变频变压的交流电压，用来驱动电动机。在制动模式，电力牵引系统将能量反过来转化，牵引电机好似发电机，发出电能。电制动能量反馈到电网供给其它列车，或者如果不可能，则将以热量消耗在制动电阻上。城市轨道交通车辆及操作3单元7电力牵引系统电力传动主电路与控制城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统1、直流调阻车辆的传动与控制早期城轨车辆的传动与控制主要采用直流调阻的方式，现以BJ-4型(DKl6型)车辆为例介绍直流调阻方式。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统(1)BJ-4型(DKl6型)车辆传动系统的组成及功能BJ-4型(DKl6型)车辆的主回路原理电路图如图7-4。图7-4BJ-4型(DKl6型)车辆主回路原理电路图城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统1)lD～4D：直流串励牵引电动机2)QGD：受流器，借助第三轨将电源引入。3)GK：主隔离开关，用于无载分断三轨电源。4)R：下熔断器，用于主回路短路保护，动作值500～I200A。5)DS：快速断路器，对主回路起过载及短路保护作用。6)CDJ：差动继电器，作为主回路牵引工况下的接地保护电器，其动作值为电流差值80A。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统7)KC：电空接触器。8)GJ：总过载继电器，动作值980A；分过载为1～3GJ及2～4GJ，动作值490A．用于主回路过载保护。9)FQ：前进后退转换开关主触头，用于改变车辆的运行方向(8个主触头)。10)QZ：牵引制动转换开关，用于改变车辆牵引或电阻制动工况(12个主触头)。11)RF：直流电流表分流器，用以提高电流表量程。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统12)Cll，12、C22，21及C31，32、C41，42：电动机串励主极绕组。13)1～2FL及3～4FL：感应分流器。在磁场削弱时，与磁场削弱分路电阻一起接入，利用电感具有阻碍电流变化的特性，使磁场削弱时分路电流变化不致过快，防止引起瞬时磁场削弱系数过深的可能。14)LK：变阻控制器，用以进行电阻的切换及与KC配合进行主回路的串并联转换。15)R：起制动电阻，限制启动电流过大以及满足电机的调速要求，并限制制动电流过大而设置。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统16)DJ：接地继电器，用于主回路电阻制动工况下的接地保护。动作值0.2A，它动作后KC跳开，切断主回路。17)DC：直流电流互感器，用作主回路电流检测，它将检测的电流信号传送到磁放大器中，然后去控制加速度继电器的输出从而控制可控硅S1与S2的触发导通或截止，使LK上的两个电磁阀ⅠLK和ⅡLK线圈得电或失电，最后完成LK变阻控制器的进级过程。18)Di：接地装置。19)Ri：电压表倍率器，用以扩大电压表量程。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统牵引工况分I、Ⅱ、Ⅲ三个工作位；制动工况下分I、Ⅱ、Ⅲ三个工作位。牵引I位时通过控制电器按合表的规定自动闭合或断开，使牵引电动机1D～4D串联在一起工作，为限制启动电流过大，而将全部起制动的电阻串联在主回路中。同时，为了降低启动转矩，使启动平稳而不发生冲动或引起空转而进行了最深的磁场削弱βmin为45％，在这一工作位，列车速度最高可达8～13km/h，电流整定值为250A，此工作位为启动或调车位，不能久留。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统牵引Ⅱ位通过控制磁放大器、可控硅及电磁阀最终由变阻控制器LK通过切电阻来完成1～11级的进级过程。在12级时磁场削弱β1=65％，在13级磁场削弱β2=45％(即达βmin)。此Ⅱ级内4台牵引电动机全串联，列车速度可达40～50km/h，电流整定值为350A左右。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统牵引Ⅲ位牵引电动机改为两串两并接法，并在两并联支路中逐级切电阻，最后进级是实行二级磁场削弱，最深的磁场削弱系数为45％，列车速度可达65～80km/h，电流整定值为350A左右。制动I位通过牵引制动转换开关的闭合，电空接触器和变阻控制器的闭合。首先形成了两组牵引电动机的交叉励磁，交差励磁的好处是能使这两个电阻制动主回路中的负载平衡。进一级，全部电阻接入，电动机作发电机运行。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统制动Ⅱ位这一制动位从二级开始自动进级，自中间后两边依次轮流切除起制动的电阻，以实现对制动电流的恒流控制。制动Ⅱ位从2级开始进级到19级，制动Ⅱ位的制动电流整定值大于制动I位，因此，制动力火，制动效果明显。制动Ⅲ位工作过程与制动Ⅱ位相似，进级过程也与制动Ⅱ位时一样，所不同的是制动电流整定值加大，使制动过程加快，制动力更大，因此制动Ⅲ位又称快速制动位，列车很快会停下。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统2、直流斩波车辆的传动与控制BJ-6型车辆主电路及其控制与BJ-4型不同之处在于，前者不用变阻控制器LK来切换电阻，而是采用了可控硅斩波器无级平滑地调节电阻，这样不但调节平稳，而且去掉了LK，在主回路中减少了许多触头，从而减少了因此引起的故障次数及维修工作量。城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统图7-5BJ-6型车辆主回路原理电路图Sl、S2、S3-主可控硅；S4、S5-副可控硅；C0-换流电器；L0-换流电感；3Z-旁路二极管；R3、R38-静态均压保护电阻；R31、32、34、35、36-动态均压电阻；C31～36-动态均压保护电容；RQZ-起制动电阻；R39-预充电电阻；JL1、2、3-均流电感；WC-预充电接触器；RJ-热继电器；WB-变压器；7～10z、11～14z-空波整流桥路；S6-可控硅；R41、42—4Z、5Z的均压电阻；R40、43-单相全波整流桥路输出负载城市轨道交通车辆及操作单元7电力牵引系统其主要电气元件及功能如下：(1)SL：受流器，每节车4个，借助于第三轨为车体引入电能。(2)RD：熔断器，直接保护受流器，以防止第三轨直接与走行轨之间构成短路，造成危害。(3)GK：主隔离开关，供专人手动无载分断三轨电源用。(4)ZRD：主回路总熔断器，用以对一回路进行短路保护。(5)HB1：霍尔传感器，控制主回路电流，供电度表KW