城市轨道交通电力牵引系统实用教案

1、第八章第八章 城市城市(chngsh)轨道交通电力牵引系统轨道交通电力牵引系统第一节第一节 概述概述(i sh)第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统第四节第四节 城市轨道车辆用直流感应电机城市轨道车辆用直流感应电机第1页/共33页第一页，共34页。第一节第一节 概述概述(i sh)一、轨道车辆电力牵引发展一、轨道车辆电力牵引发展(fzhn)简介简介 电力牵引是一种以电能为动力牵引车辆前进的牵引方式。电力牵引是一种以电能为动力牵引车辆前进的牵引方式。 轨道车辆通过受流器从架空接触网或第三轨（输电轨）接收电能，通过车载的轨道车辆通过受流器从架

2、空接触网或第三轨（输电轨）接收电能，通过车载的变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电，牵引电机将电能转变成机械能，机变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电，牵引电机将电能转变成机械能，机械能通过齿轮传给轮对，驱动轮对在轨道上运动带动车辆前进。械能通过齿轮传给轮对，驱动轮对在轨道上运动带动车辆前进。第2页/共33页第二页，共34页。第一节第一节 概述概述(i sh) 早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电动机，电机调速是采用改变串联在电机早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电动机，电机调速是采用改变串联在电机上的电阻的大小来改变电机的端电压的控制的方式，这种方式对电能的浪费大。以后上的电阻的大小来改变电

3、机的端电压的控制的方式，这种方式对电能的浪费大。以后由于半导体技术的发展，电力电子变流技术得到了广泛应用，直流牵引普遍由于半导体技术的发展，电力电子变流技术得到了广泛应用，直流牵引普遍(pbin)采用斩波调压的方式。采用斩波调压的方式。 直流电动机存在体积大、结构复杂、工作可靠性差、制造成本高、维修麻烦的直流电动机存在体积大、结构复杂、工作可靠性差、制造成本高、维修麻烦的缺点，故随着交流电机控制理论和大功率电力电子元器件制造技术的发展，采用交流缺点，故随着交流电机控制理论和大功率电力电子元器件制造技术的发展，采用交流电机牵引的交流传动技术迅速崛起，使轨道车辆电力牵引技术上了一个新台阶。电机牵引

4、的交流传动技术迅速崛起，使轨道车辆电力牵引技术上了一个新台阶。第3页/共33页第三页，共34页。第一节第一节 概述概述(i sh)二、轨道交通电力牵引系统的主要类型二、轨道交通电力牵引系统的主要类型(lixng) 轨道交通电力牵引供电制式：轨道交通电力牵引供电制式： 直流：直流：600、750、1500、3000 V 交流：交流：6250、15000、25000 V 轨道交通电力牵引系统分为：轨道交通电力牵引系统分为： 1、直流电力牵引系统、直流电力牵引系统 直流直流直流直流 2、交流电力牵引系统、交流电力牵引系统 （1）、直流）、直流交流交流 （2）、交流）、交流直流直流交流交流第4页/共3

5、3页第四页，共34页。第一节第一节 概述概述(i sh)三、轨道交通车辆三、轨道交通车辆(chling)的电力牵引结构与特性的电力牵引结构与特性（一）、有轨电车（一）、有轨电车（二）、电动车组（二）、电动车组 1、铁路干线电动车组、铁路干线电动车组 2、城市轨道交通电动车组、城市轨道交通电动车组（三）、特种电动车（三）、特种电动车 1、独轨、独轨 2、采用橡胶车轮的轻轨、采用橡胶车轮的轻轨 3、磁浮列车、磁浮列车第5页/共33页第五页，共34页。第一节第一节 概述概述(i sh)四、电动车组牵引特性四、电动车组牵引特性 电动车组在每个站间区间内，从启动加速运行到制动减速最后停车其速度电动车组在

6、每个站间区间内，从启动加速运行到制动减速最后停车其速度(sd)和牵引力的变化曲线见下图。和牵引力的变化曲线见下图。第6页/共33页第六页，共34页。第一节第一节 概述概述(i sh)第7页/共33页第七页，共34页。第二节第二节 直流电力牵引直流电力牵引(qinyn)系统系统一、直流电机一、直流电机（一）、直流电机的组成（一）、直流电机的组成（二）、直流电机的工作原理（二）、直流电机的工作原理（三）、直流电机的励磁方式（三）、直流电机的励磁方式(fngsh)（四）、直流串励电动机的机械特性（四）、直流串励电动机的机械特性第8页/共33页第八页，共34页。第二节第二节 直流电力牵引直流电力牵引(

7、qinyn)系统系统请按右图纠正(jizhng)教材P185图8-8 中的错误第9页/共33页第九页，共34页。第二节第二节 直流电力牵引直流电力牵引(qinyn)系统系统第10页/共33页第十页，共34页。第二节第二节 直流电力牵引直流电力牵引(qinyn)系统系统二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统 直流牵引调速系统按电源性质分为：直流牵引调速系统按电源性质分为： 直直-直流牵引系统（教材直流牵引系统（教材(jioci)P183图图8-2） 交交-直流牵引系统（教材直流牵引系统（教材(jioci)P187图图8-11） 改错：改错： 第11页/共33页第十一页，共34页。第二节第二节

8、直流电力牵引直流电力牵引(qinyn)系统系统（一）、直流牵引电动机的基本调速方法（一）、直流牵引电动机的基本调速方法(fngf)(fngf) 直流电动机的转速表达式直流电动机的转速表达式 EdCRIUn第12页/共33页第十二页，共34页。第二节第二节 直流电力牵引直流电力牵引(qinyn)系统系统（一）、直流牵引（一）、直流牵引(qinyn)电动机调速的基本形式：电动机调速的基本形式：1、调节牵引、调节牵引(qinyn)电机的端电压电机的端电压 （1）、变阻调压）、变阻调压 通过调节串入电机回路的电阻的大小来改变电动机的端电压以实现电动机的调速。通过调节串入电机回路的电阻的大小来改变电动机

9、的端电压以实现电动机的调速。 调节电阻的方法又分两类：调节电阻的方法又分两类： 有触点式开关调阻有触点式开关调阻 无触点斩波调阻无触点斩波调阻 这种调压方式在电阻中消耗了大量的电能。这种调压方式在电阻中消耗了大量的电能。 第13页/共33页第十三页，共34页。第二节第二节 直流电力牵引直流电力牵引(qinyn)系统系统（2）、斩波调压）、斩波调压 在电路中接入能有规则在电路中接入能有规则(guz)地导通和关断的地导通和关断的斩波器，则可以减低直流电动机两端的平均电压。电斩波器，则可以减低直流电动机两端的平均电压。电动机两端电压的平均值为：动机两端电压的平均值为： UTtUUonRL第14页/共

10、33页第十四页，共34页。第二节第二节 直流电力牵引直流电力牵引(qinyn)系统系统 只要调节导通比，即可调节平均电压只要调节导通比，即可调节平均电压(diny)。 随着半导体技术的发展，斩波器中的斩波元件经历了以下的发展过程：随着半导体技术的发展，斩波器中的斩波元件经历了以下的发展过程： 晶闸管晶闸管 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO） 绝缘门极晶闸管（绝缘门极晶闸管（IGBT） 斩波元件的发展，推动了斩波器向电路简洁、控制简单、轻型化方向发展。斩波元件的发展，推动了斩波器向电路简洁、控制简单、轻型化方向发展。第15页/共33页第十五页，共34页。第二节第二节 直流电力牵引直流电力牵引(

11、qinyn)系统系统2、调节励磁磁通、调节励磁磁通 采取匝数短路法和分路电流法可以采取匝数短路法和分路电流法可以(ky)减小牵引电动机励磁电流从而减小减小牵引电动机励磁电流从而减小主极磁通，以实现对转速的调节。主极磁通，以实现对转速的调节。第16页/共33页第十六页，共34页。第三节第三节 交流电力牵引交流电力牵引(qinyn)系统系统一、交流电机一、交流电机（一）、三相（一）、三相(sn xin)异步电动机基本结构异步电动机基本结构（二）、三相（二）、三相(sn xin)异步电动机基本工作原理异步电动机基本工作原理（三）、三相（三）、三相(sn xin)异步电动机的机械特性异步电动机的机械特

12、性第17页/共33页第十七页，共34页。第三节第三节 交流电力牵引交流电力牵引(qinyn)系统系统第18页/共33页第十八页，共34页。第三节第三节 交流电力牵引交流电力牵引(qinyn)系统系统二、交流电动机调速系统二、交流电动机调速系统(xtng) 三相交流电机调速方法可以分为：三相交流电机调速方法可以分为： 改变磁极对数改变磁极对数 调节转差率调节转差率 调节供电频率调节供电频率 其中只有调节供电频率的方法是理想的方法。其中只有调节供电频率的方法是理想的方法。 第19页/共33页第十九页，共34页。第三节第三节 交流电力牵引交流电力牵引(qinyn)系统系统 在变频调速的交流传动系统中

13、，按供电制式的不同，可分为：在变频调速的交流传动系统中，按供电制式的不同，可分为： 直流直流交流交流 交流交流直流直流交流交流 城市城市(chngsh)轨道交通多采用直流轨道交通多采用直流交流方式，干线铁路则采用交流交流方式，干线铁路则采用交流直流直流交流的方式。交流的方式。 由此可见，将直流电转变成频率可变的交流电就是交流传动的关键所在。由此可见，将直流电转变成频率可变的交流电就是交流传动的关键所在。 将直流电转变成频率可变的交流电的设备称为逆变器。将直流电转变成频率可变的交流电的设备称为逆变器。第20页/共33页第二十页，共34页。第三节第三节 交流电力牵引交流电力牵引(qinyn)系统系

14、统 在车辆牵引的开始阶段，保持气隙磁通为在车辆牵引的开始阶段，保持气隙磁通为常数，改变供电频率可以使电动机的最大扭常数，改变供电频率可以使电动机的最大扭矩基本不变，达到加速运行矩基本不变，达到加速运行(ynxng)的目的。的目的。第21页/共33页第二十一页，共34页。第三节第三节 交流电力牵引交流电力牵引(qinyn)系统系统 而在随后的牵引阶段，保持电压而在随后的牵引阶段，保持电压(diny)不变而改变频率，则最大扭矩随着不变而改变频率，则最大扭矩随着频率的上升而下降，实现恒功率控制。频率的上升而下降，实现恒功率控制。第22页/共33页第二十二页，共34页。第三节第三节 交流电力牵引交流电

15、力牵引(qinyn)系统系统三、交流传动三、交流传动(chundng)的脉宽调制控制技术的脉宽调制控制技术 用在交流变频调速传动用在交流变频调速传动(chundng)中的逆变器实际上是变压变频器，变压中的逆变器实际上是变压变频器，变压（Variable Voltage）,简称简称VV，变频（，变频（Variable Frequency）,简称简称VF，故变压变频，故变压变频器简称为器简称为VVVF装置。装置。 VVVF技术又分为两种：技术又分为两种： 一种是脉冲幅值调制，称为一种是脉冲幅值调制，称为PAM（Pulse Amplitude Modulation),变压变频分开完成。变压变频分开完

16、成。第23页/共33页第二十三页，共34页。第三节第三节 交流电力牵引交流电力牵引(qinyn)系统系统 VVVF技术又分为两种：技术又分为两种： 一种是脉冲幅值调制，称为一种是脉冲幅值调制，称为PAM（Pulse Amplitude Modulation),变压变频分开完成变压变频分开完成(wn chng)。 另一种是脉冲宽度调制，称为另一种是脉冲宽度调制，称为PWM （Pulse Width Modulation),变压变频集变压变频集中在逆变器中一起完成中在逆变器中一起完成(wn chng)，这是随着快速半导体开关元件，这是随着快速半导体开关元件GTO、IGBT等等的发展的结果。的发展的

17、结果。第24页/共33页第二十四页，共34页。第四节第四节 城市轨道交通用直线城市轨道交通用直线(zhxin)感应电机感应电机一、直线感应电机的基本原理一、直线感应电机的基本原理 将三相感应电动机的定子和转子沿径向剖开后摊开成直线，原来转子的旋转将三相感应电动机的定子和转子沿径向剖开后摊开成直线，原来转子的旋转运动就转变称为运动就转变称为(chn wi)直线运动。直线运动。 但要长时间地维持这一运动，就必须有足够长的转子或定子，因而出现了两但要长时间地维持这一运动，就必须有足够长的转子或定子，因而出现了两种基本类型：短定子电机和长定子电机。种基本类型：短定子电机和长定子电机。第25页/共33页

18、第二十五页，共34页。第四节第四节 城市城市(chngsh)轨道交通用直轨道交通用直线感应电机线感应电机二、采用直线电机车辆的运行原理二、采用直线电机车辆的运行原理 用于轨道交通的直线电机一般都是短定子直线电机。将定子（初级用于轨道交通的直线电机一般都是短定子直线电机。将定子（初级(chj)）安装在转向架底部中央，而在轨道中央设置长长的称之为反应板的次级，初级安装在转向架底部中央，而在轨道中央设置长长的称之为反应板的次级，初级(chj)和次级之间保持一定的气隙，在初级和次级之间保持一定的气隙，在初级(chj)中通入交流电后就能带动车中通入交流电后就能带动车辆沿轨道作直线运动。辆沿轨道作直线运动

19、。第26页/共33页第二十六页，共34页。第四节第四节 城市轨道交通用直线感应城市轨道交通用直线感应(gnyng)电机电机三、采用直线电机的车辆的特点：三、采用直线电机的车辆的特点：1、直线电机是扁平形状，没有旋转部件，不需要齿轮传动，因而可以采用小直径车轮，、直线电机是扁平形状，没有旋转部件，不需要齿轮传动，因而可以采用小直径车轮，以降低地板高度。这样就有利于车辆小型化，因而使隧道断面以降低地板高度。这样就有利于车辆小型化，因而使隧道断面(dun min)面积大大面积大大减小，从而降低建设成本。减小，从而降低建设成本。2、车辆不依靠轮轨的粘着来产生牵引力和制动力，故爬坡能力很大，可以达到、车辆不依靠轮轨的粘着来产生牵引力和制动力，故爬坡能力很大，可以达到80。3、车轮只起支撑及导向的作用，故可以做成车轮独立旋转的径向转向架，使车辆能够行、车轮只起支撑及导向的作用，故可以做成车轮独立旋转的径向转向架，使车辆能够行走在更小的弯道上。采用小弯道和大坡道可使选线的自由度大大提高，便于节省建设走在更小的弯道上。采用小弯道和大坡道可使选线的自由度大大提高，便于节省建设费用。费用。第27页/共33页第二十七页，共34页。第四节第四节 城市城市(chngsh)轨道交通用直轨道交通用直线感应电机线感应电机4、车辆没有齿轮减速装置，所以噪