城市轨道交通概论第九章城市轨道电力牵引系统

1、城市轨道交通城市轨道交通电力牵引系统电力牵引系统城市轨道交通概论城市轨道交通概论 第九章第九章电力系统术语电力系统术语 电力系统电力系统 Power SystemPower System 生产、输送、分配、消费电能的发电机、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变压器、电力线路、各种用电设备联系在一起组成的统一体。一起组成的统一体。 动力系统与电力系统动力部分：火电站的动力部分：火电站的锅炉、汽轮机锅炉、汽轮机； 水电站的水电站的水库、水轮机水库、水轮机； 热电站的热电站的热力网热力网等。等。动力系统动力系统 （Dynamic System）：）： 电力系统和

2、电力系统和“动力部分动力部分”的总和的总和电力系统单线示意图：电力系统单线示意图：发电机发电机输电线路输电线路降降 压压变压器变压器发电厂发电厂配电系统配电系统负荷负荷BLB升升 压压变压器变压器F火力发电厂水力发电厂 一、电力牵引系统的发展概况一、电力牵引系统的发展概况第一节第一节 概概 述述接触网（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 图图 5.1 牵牵引引传传动动装装置置 车轴 车轮 牵引电机 齿轮传动箱 二、轨道交通电力牵引系统主要类型二、轨道交通电力牵引系统主要类型第一节第一节 概概 述述根据供电电压制式可分为： 直流：600，750，1500，3000V (标

3、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 交流电力牵引系统二、轨道交通电力牵引系统主要类型二、轨道交通电力牵引系统主要类型第一节第一节 概概 述述三、轨道交通车辆的结构与特性三、轨道交通车辆的结构与特性第一节第一节 概概 述述有轨电车电动车组特种电动车 独轨电动车 轻轨车 磁浮列车四、电动车组牵引特性四、电动车组牵引特性第一节第一节 概概 述述第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统一、直流电机一、直流电机第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统NSNS 直流电机由定子转子两部分构成。一、直流电机一、直流电机第二节第二节 直流

4、电力牵引系统直流电力牵引系统 直流电机各部分的作用：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一、直流电机一、直流电机第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 直流电机工作原理：直流电机工作原理：一、直流电机一、直流电机第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 直流电机分类：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。一、直流电机一、直流电机第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 机械

5、特性：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。n0T串励电动机机械特性串励电动机机械特性他励电动机机械特性他励电动机机械特性二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引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二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统-基本调速方法基本调速方法第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 在上式中，CE是常数，Id是由负载决定的，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、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻R。EdCRIUn二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速

6、系统-基本形式基本形式第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统（一）调压法：（一）调压法： （1 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。 图图 5.12 斩斩 波波 调调 阻阻 原原 理理 图图 C H0R有触点开关调阻有触点开关调阻斩波调阻斩波调阻二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统-基本形式基本形式第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 图图 5.13 直直 流流 斩斩 波波 电电 路路 原原 理理 直流斩波电直流斩波电路原理路原理直流斩波电直流斩波电压波形压波形t0LRUonToffTTLRuU 图图 5.14 直直

7、流流 斩斩 波波 电电 压压 波波 形形 （一）调压法：（一）调压法： （2）斩波调压TTonUTtUUonRL二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统-基本形式基本形式第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 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）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。二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统-基本形式基本形式第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 改变负载平均电压有三种典型的控制方法: （2）定宽调频控制（频率调制）：定宽调频控制（频率调制）：即保持斩波器导通时

8、间不变，通过改变斩波器周期T来改变负载平均电压。二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统-基本形式基本形式第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 改变负载平均电压有三种典型的控制方法: （3）调频调宽混合控制：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。二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统-基本形式基本形式第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 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

9、滤波器设计困难等问题。 图图 5.15 串励电动机磁场削弱法串励电动机磁场削弱法 （a） （b） （a）短路匝数法）短路匝数法 （b）分路电流法）分路电流法 MM（ 二 ）（ 二 ） 调调节 主 极节 主 极磁通：磁通：第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统-基本形式基本形式三、牵引电动机的电气制动三、牵引电动机的电气制动第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统（一）电阻制动：（一）电阻制动： 5.16 直直流流电电机机的的电电阻阻制制动动接接线线原原理理图图 （a）电电动动机机牵牵引引工工况况 （b）他他励励式式电电阻阻制制动动 （c）串

10、串励励式式电电阻阻制制动动 nEUdILIdERZnId+-ERZndIILIL(a)(b)(c)MMM电机牵引工况电机牵引工况他励电阻制动工况他励电阻制动工况 图图 5.17 再再生生制制动动原原理理图图 dUDPLSUMidiZ+三、牵引电动机的电气制动三、牵引电动机的电气制动第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统（二）再生制动：（二）再生制动：图图 5.18 直直流流传传动动系系统统主主回回路路结结构构框框图图 四、牵引主回路及其控制四、牵引主回路及其控制第二节第二节 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一、交流牵引系统特点及发展概况二、

11、三相异步电机三、交流电机调速系统四、交流传动的脉宽调制技术一、交流牵引系统特点及发展概况一、交流牵引系统特点及发展概况第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 直流电力传动优点：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：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：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；防空转能力好一、交流牵引系统特点及发展概况一、交流牵引系统特点及发展概况第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 第一阶段：交流电动机数学模型复杂，初

12、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。交通发展的总趋势。二、三相异步电机二、三相异步电机-基本结构基本结构第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A -XB -Y C- Z三相绕组机座：铸钢或铸铁二、三相异步电机二、三相异步电机-基本结构基本结构第三节第三节

13、 交流电力牵引系统交流电力牵引系统鼠笼转子(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。二、三相异步电机二、三相异步电机-工作原理工作原理第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 120sin120sinsinmCmBmAtIitIitIi 定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)BiAXBYCZAiCiCiAiBiitmIo二、三相异步电机二、三相异步电机-工作原理工作原理第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统iCiAiBitmIo0n i : “+” 首端流入，尾端流出。首端流入，

14、尾端流出。 i : “” 尾端流入，首端流出。尾端流入，首端流出。 AYCBZX()电流出电流出( )电流入电流入二、三相异步电机二、三相异步电机-工作原理工作原理第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统CiBiAii tAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS 三相电流合成磁三相电流合成磁场的分布情况场的分布情况0 t 60t 合成磁场方向向下 合成磁场旋转600n60 90t 合成磁场旋转90600mIoSNSN定子三相绕组通入三相交流电定子三相绕组通入三相交流电分分）转转/( 6010pfn 方向方向: :顺时针顺时针 切割转子导体切割转子导体Blv右手定则右手定则感应电动势感应电

15、动势 E E2020旋转磁场旋转磁场感应电流感应电流 I I2 2旋转磁场旋转磁场Bli左手定则左手定则电磁力电磁力F F电磁转矩电磁转矩T TnAXYCBZv0nNS二、三相异步电机二、三相异步电机-工作原理工作原理第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统FF二、三相异步电机二、三相异步电机-工作原理工作原理第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 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 异步电动机异步电动机如果如果: :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

16、矩二、三相异步电机二、三相异步电机-工作原理工作原理第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 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。因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。%10000nnns二、三相异步电机二、三相异步电机-工作原理工作原理第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 maxTmSNSOTS曲线)(sfT 曲线)(Tfn stT1NTNnmaxTstTOnTNT0n三、交流电机调速系统三、交流电机调速系统第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 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

17、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。三、交流电机调速系统三、交流电机调速系统第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 图图5-27 一一定定的的 电电压压 ，不不同同 的的电电源源 频频率率 时时异异步步电电 动动机机 的的矩矩速速 特特性性 Mn增 高1f 图图5.26一一定定的的气气隙隙磁磁通通，不不同同的的频频率率 时时异异步步电电动动机机的的矩矩速速特特性性 Mn增高1f四、交流传动的脉宽调制控制技术四、交流传动的脉宽调制控制技术第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 图图 5.29 P W M 方方 式式 框

18、框 图图 用于交流电传动的变频器实际上是变压(Variable Voltage，简称VV)、变频(Variable Frequency，简称VF)器，即所谓VVVF装置。一、直线电机特点及发展概况一、直线电机特点及发展概况第四节第四节 城市轨道车辆用直线感应电机城市轨道车辆用直线感应电机优点：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：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。一、

19、直线电机特点及发展概况一、直线电机特点及发展概况第四节第四节 城市轨道车辆用直线感应电机城市轨道车辆用直线感应电机加拿大的多伦多、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，二、直线感应电机的基本工作原理二、直线感应电机的基本工作原理第四节第四节 城市轨道车辆用直线感应电机城市轨道车辆用直线感应电机 图图5 .3 0 将将 旋旋 转转 电电 机机 剖剖 开开 拉拉 直直 而而 得得 到到 的的 直直 感感 电电 动动 机机 图图 5.3

20、1 扁扁 平平 型型 直直 线线 感感 应应 电电 动动 机机 的的 两两 种种 基基 本本 类类 型型 a )短短 定定 子子 电电 机机 b)长长 定定 子子 电电 机机 转 子( 次 级 ）定 子（ 初 级 ）a )b )转 子( 次 级 ）定 子（ 初 级 ）二、直线感应电机的基本工作原理二、直线感应电机的基本工作原理第四节第四节 城市轨道车辆用直线感应电机城市轨道车辆用直线感应电机 图图5.33轨轨道道牵牵引引设设计计方方案案之之一一 图图5.34轨轨道道牵牵引引设设计计方方案案之之二二 5.35 用用 于于 地地 铁铁动动 车车 的的轨轨 道道牵牵 引引 方方案案 三、直线感应电机

21、控制及在地铁动车上的应用三、直线感应电机控制及在地铁动车上的应用第四节第四节 城市轨道车辆用直线感应电机城市轨道车辆用直线感应电机 车辆用直线感应电机的牵引控制原理与旋转式异步电机的控制方法是一样的，都采用变频变压控制，由VVVF逆变器完成牵引控制功能。 控制方法既可采用较为简单的转差频率控制，亦可采用高级的动态控制方法，如矢量控制、直接转矩控制等。 但车辆用直线电机的控制还必须考虑当电机气隙变化时的频率问题和反应板材料变化的相应控制。 电力牵引系统电力牵引系统 electric traction system electric traction system ： 1 1、电力牵引供电系统、电

22、力牵引供电系统 electric traction supply systemelectric traction supply system 保证实现电力牵引方式且能够安全可靠的、不间断保证实现电力牵引方式且能够安全可靠的、不间断工作的电力供应系统工作的电力供应系统 （1 1）牵引变电所）牵引变电所 traction substationtraction substation （2 2）牵引网）牵引网 traction networktraction network 馈电线馈电线 feeder line feeder line 接触网接触网 overhead contact lineoverh

23、ead contact line 钢轨及回流线钢轨及回流线 rail, negative feederrail, negative feeder 2 2、电力机车、电力机车 electric locomotiveelectric locomotive交流电力牵引系统概述交流电力牵引系统概述G电力系统电力系统( (发电厂）发电厂）输电线输电线牵引变电所牵引变电所电力机车电力机车接触网接触网馈电线馈电线回流线回流线钢轨、地钢轨、地3、电力牵引系统组成原理图、电力牵引系统组成原理图电力牵引系统电力牵引系统直流牵引供电系统概述直流牵引供电系统概述 基本结构基本结构发发电电厂厂升压升压变压器变压器升压升

24、压变压器变压器输电线路输电线路接触网接触网馈线馈线回回流流线线走行轨道走行轨道主降压变电站主降压变电站直流牵引变电所直流牵引变电所发发电电厂厂G电力系统电力系统(发电厂）发电厂）输电线输电线直流牵引变电所直流牵引变电所接触网接触网馈电线馈电线回流线回流线电动车辆电动车辆走行轨走行轨主（降压）变电站主（降压）变电站电力地铁或者表示为：或者表示为：电力系统与电力牵引供电系统电力系统与电力牵引供电系统一、构成一、构成1.电力系统电力系统是一个包括发电厂、输电是一个包括发电厂、输电(线线)、变电、配、变电、配电、用电装置的完整工作系统。电、用电装置的完整工作系统。发发电电机机升压升压变压器变压器降压降

25、压变压器变压器输电线路输电线路用户用户发电厂发电厂配电系统配电系统GTMTML接触网接触网馈馈线线2727. .5 5kVkV回回流流线线牵引变电所牵引变电所钢轨钢轨110110kVkV专用高压输电线路专用高压输电线路( (牵引牵引) )供电系统供电系统电电气气化化铁铁道道供供电电系系统统2、电力牵引供电系统的组成部分与作用、电力牵引供电系统的组成部分与作用 （1）牵引变电所）牵引变电所:把电力系统供应的电能变换成适合电把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能。力机车牵引要求的电能。 （2）馈电线）馈电线:连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵引变

26、电所变换后的电能送到接触网。引变电所变换后的电能送到接触网。 （3）接触网）接触网:是一种悬挂在轨道上方，沿轨道铺设的和是一种悬挂在轨道上方，沿轨道铺设的和铁路钢轨保持一定高度，牵引电能就由接触网进入电动车铁路钢轨保持一定高度，牵引电能就由接触网进入电动车组，从而驱动牵引电动机使列车运行。组，从而驱动牵引电动机使列车运行。 （4）轨道）轨道:在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电力牵引时，轨道除仍具有导轨功能外，还需要完成导通回力牵引时，轨道除仍具有导轨功能外，还需要完成导通回流的任务。因此，电力牵引的轨道，需要具有良好的导电流的任务。因此，电力牵引的轨道

27、，需要具有良好的导电性能。性能。 （5）回流线）回流线: 是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨 道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。 牵引网牵引网: 通常将接触网、馈电线、钢轨回路通常将接触网、馈电线、钢轨回路(包括大地包括大地)和回和回 流线称为牵引网。流线称为牵引网。 牵引变电所和牵引网构成牵引变电所和牵引网构成牵引供电系统牵引供电系统 。 专用高压输电线路和牵引供电系统称为专用高压输电线路和牵引供电系统称为电气铁路供电系统电气铁路供电系统 。3、 牵引供电系统的其他供电设备牵引供电系统的其他供

28、电设备（1）、）、开闭所开闭所sub-feeder switching post：指不进行电：指不进行电压变换而用开关设备实现电路开闭的配电所。压变换而用开关设备实现电路开闭的配电所。 位置：位置：设在车站、货场附近、电力机务段、枢纽站等大宗负荷处。设在车站、货场附近、电力机务段、枢纽站等大宗负荷处。 作用：作用：将供电臂分段，事故时缩小事故范围，提高供电的可靠性、将供电臂分段，事故时缩小事故范围，提高供电的可靠性、灵活性；减少变电所的复杂性；不改变电压大小，只扩大馈线回路数，灵活性；减少变电所的复杂性；不改变电压大小，只扩大馈线回路数，相当于配电所。相当于配电所。（2）、）、分区亭分区亭（S

29、P，分区所），分区所）section post：设置于两：设置于两个牵引变电所的中间，可使两相邻的接触网供电区段实现个牵引变电所的中间，可使两相邻的接触网供电区段实现并联或单独工作。并联或单独工作。 位置位置：设在两个牵引变电所中间，增加供电的灵活性、可靠性：设在两个牵引变电所中间，增加供电的灵活性、可靠性 作用作用：分相；越区供电；缩小事故的范围：分相；越区供电；缩小事故的范围（3）、）、自耦变压器站（自耦变压器站（AT所）所）auto transformer post二、牵引变电所一次侧的供电方式二、牵引变电所一次侧的供电方式(1)单边供电：单边供电：电能由一个方向送来电能由一个方向送来1

30、C2C3C1A1B2B2A3A3B110kV35kV(2)两边供电：两边供电：就是牵引变电所的电能由电力系统中就是牵引变电所的电能由电力系统中两个方向的发电厂送来。两个方向的发电厂送来。(3)环形供电：环形供电：若干个发电厂、地方变电所通过高压输电线连若干个发电厂、地方变电所通过高压输电线连接成环形的电力系统，牵引变电所处于环形电力系统的一接成环形的电力系统，牵引变电所处于环形电力系统的一段环路之中。段环路之中。三、牵引供电系统的构成方式三、牵引供电系统的构成方式(1)牵引供电系统向接触网的供电方式牵引供电系统向接触网的供电方式、单线区段、单线区段 一边供电一边供电 两边供电两边供电、双线区段、双线区段 同相一边并联供电同相一边并联供电 同相一边分开供电同相一边分开供电 双边纽结供电双边纽结供电(2)牵引供电系统向电力机车的供电方式牵引供电系统向电力机车的供电方式 直接供电方式直接供电方式(DF) Direct feed 带回流线的直接供电方式带回流线的直接供电方式(DN供电方式供电方式) 自耦变压器供电方式自耦变压器供电方式(AT供电方式供电方式) Auto-Transformer 吸流变压器供电方式