城市轨道交通车辆构造项目六课件

1、项目6 1牵引传动及辅助供电系统目录6.16.2牵引传动系统辅助供电系统 6.1 牵引传动系统 城轨车辆的电能牵引传动系统是指将电能经过传输和转换后，提供给牵引电机，转换成机械能驱动列车运行的系统。牵引传动系统一旦发生故障，会影响列车牵引、制动控制的性能，造成列车控制不稳定、停车不准确、列车晚点、下线等，严重的情况还会造成列车完全丧失牵引力。 6.1 牵引传动系统 城轨车辆牵引供电来源于城市电网，牵引变电所经过降压、整流，将高压交流电变成DC 1 500 V（或DC 750 V），然后通过馈电线将电能传递给接触网，城轨车辆通过受流装置取电，由钢轨和回流线流回到牵引变电所形成回流。 牵引传动系统

2、的特点是：牵线功率大；传动效率高；能源利用率高；环保绿色，产生的污染很少；容易实现自动化控制。6.1.1 牵引传动系统概述6.1 牵引传动系统 牵引传动系统有两个工况：牵引工况和制动工况。 （1）牵引工况。在牵引工况下，列车牵引传动系统为列车提供牵引动力，将供电接触网上的电能转换为列车在轨道上运行的动能。 6.1.1 牵引传动系统概述1.牵引传动系统的工况6.1 牵引传动系统 （2）制动工况。制动工况可以分为再生制动工况和电阻制动工况。牵引传动系统再生制动就是将列车的动能转换成电能反馈到电网，再供给其他列车或车站设备使用，它能最大幅度地降低电能的损耗。若列车制动时牵引系统反馈的电能超过了接触网

3、上限值（达到DC 1 800 V），此时列车电制动产生的电能将会消耗在制动电阻上，通过电阻发热而消耗到大气中去，这种通过制动电阻消耗电能的电制动工况则称为电阻制动工况。 6.1.1 牵引传动系统概述1.牵引传动系统的工况6.1 牵引传动系统 电机在城轨车辆中按用途可以分为牵引电机和辅助电机。牵引电机为车辆运动提供动力，辅助电机主要使用在各通风冷却系统及供气系统中。牵引电机有直流牵引电机、交流异步牵引电机、交流同步牵引电机等。 6.1.1 牵引传动系统概述2.电机6.1 牵引传动系统 城轨车辆动车主要使用直流牵引电机和交流异步牵引电机。交流电机与直流电机相比较没有换向器，结构简单，可靠性高，维护

4、量少，电机重量显著减小，并能获得较大的单位重量功率，具有良好的牵引性能。如果合理设计三相交流牵引电机的调频、调压特性，可以实现大范围的平滑调速，充分满足机车牵引运行的需要，三相交流牵引电机还有防空转的性能，使黏着利用率提高。 三相交流牵引电机对瞬时过电压和过电流很不敏感，在启动时能在更长的时间内产生较大的启动力矩，从而交流异步牵引电机有取代直流电机的趋势。 6.1.1 牵引传动系统概述2.电机6.1 牵引传动系统 直流牵引传动系统由接触网侧高压电路和直流电机调速电路组成，包括受流器、断路器、接触器、直流牵引电机、齿轮箱、轮对、接地回流装置等。 6.1.2 直流牵引传动系统6.1 牵引传动系统

5、（1）直流牵引传动系统的类型。直流牵引传动系统按电机调速的原理不同可分为变阻控制和斩波调压控制。变阻控制通过调节串入电机回路的电阻，改变直流牵引电机的端电压而达到调速目的，有凸轮调阻控制和斩波调阻控制两种类型。斩波调压控制是通过控制接在电网与牵引电机之间的斩波器的导通与关断来改变牵引电机的端电压而达到调速目的的。斩波调压控制装置代替了启、制动电阻，在启动过程中减少了电能的消耗，在再生制动过程中回收一部分电能的消耗，并在再生制动的过程中回收一部分电能，与凸轮变阻车相比可节约电能20%30%，并且启、制动过程完全是无级平滑调节的，提高了平稳性。 6.1.2 直流牵引传动系统6.1 牵引传动系统 （

6、2）直流牵引电机的特点及类型。直流牵引电机具有以下特点：良好的牵引和制动性能，调速方便；防空转性能较差，等功率条件下，直流牵引电机的体积和重量较大，换向困难，电位条件恶化，易产生环火和复杂的维护，特别是在高电压大功率时，换向困难，电位条件更加恶化，使电机的工作可靠性降低。直流牵引电机按其工作目的的不同可分为直流电动机和直流发电机。 6.1.2 直流牵引传动系统6.1 牵引传动系统 直流电动机6.1.2 直流牵引传动系统图6-1 直流电动机的工作原理模型6.1 牵引传动系统 直流发电机。直流发电机的结构分为可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，定子和转子之间存在气隙。定子的

7、作用：在电磁方面产生磁场和构成磁路，在机械方面作为整个电机的支撑。定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖、轴承等组成。转子又称电枢，是电机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承、风扇等。 6.1.2 直流牵引传动系统6.1 牵引传动系统 随着电子技术的不断发展与成熟，交流传动技术越来越受到重视，交流电机有全面取代直流电机的趋势；在大功率晶闸管技术的成熟与发展，特别是近年来全控电力电子器件的迅速发展的影响下，可调压调频的逆变装置已经成功解决了交流电机的调速问题。 6.1.3 交流牵引传动系统6.1 牵引传动系

8、统 （1）交流牵引电机的类型。交流牵引电机有同步和异步之分，目前城轨交通车辆普遍采用的是交流异步牵引电机， 异步牵引电机在空间利用和重量上都优于同步牵引电机，因此被广泛应用。异步牵引电机采用VVVF控制，即直流电通过逆变器变为三相交流电，用电压和频率的变化来控制异步牵引电机的转速变化，获得最佳的调速性能，并实现再生制动。 6.1.3 交流牵引传动系统6.1 牵引传动系统 交流异步牵引电机的转速控制方法是在保持电源频率恒定的情况下改变定子电压的大小，从而实现控制目的的。目前，我国的城轨交通车辆多采用闭环控制系统，基本采用：转差-电流控制，如上海地铁2号线车辆；矢量控制，如西安地铁2号线DKZ27

9、型车辆、广州地铁1号线车辆、北京地铁1号线SMF04型车辆等；直接转矩控制，如深圳地铁1号线车辆。 6.1.3 交流牵引传动系统6.1 牵引传动系统 图6-2 鼠笼式感应电机的构造（2）交流感应电机在城轨车辆上的使用。交流感应电机主要有结构简单的鼠笼式感应电机。图6-2其主要由定子和转子构成。定子上加载三相交流电压时，间隙磁通量发生变化，从而使转子受到感应，产生扭矩。 6.1 牵引传动系统 直线电机可认为是旋转电机的结构的转变，即将旋转电机沿轴向切开，按水平方向展开，从而使旋转电机的定子演变为初级，转子演变为次级，以直线运动取代旋转运动。由于直线电机无旋转部件，因此可大大降低城轨车辆的高度，缩

10、小隧道直径，降低工程成本。直线电机环保性能好，车辆运行噪声小。直线电机在城轨道车辆上应用时，初级既可设在车上，也可设在地面，这两种形式分别称为车载初级式和地面初级式。 6.1.4 直线电机牵引传动系统 6.1 牵引传动系统 目前，城轨车辆多采用车载初级式异步的方式，初级安装在动车的转向架上，从受电轨受电，电源的变换和控制设备安装在车上；次级是沿线路敷设的两根走行钢轨之间的导体板，建设费用低。广州地铁4号线车辆和北京机场线地铁车辆均采用直线电机牵引传动系统，该系统采用一台VVVF逆变器向两台三项八极的直线感应电机供电，采用绝缘栅双极晶体管（insulated-gate bipolar trans

11、istor，IGBT）器件和脉冲调制技术的牵引逆变器，实现牵引、再生制动控制。 6.1.4 直线电机牵引传动系统 6.2 辅助供电系统 辅助供电系统包括辅助逆变器（DC/AC变流器，简称SIV）和低压电源（DC/DC变流器和蓄电池）。辅助逆变供电系统主要是给车辆上AC 380 V和AC 220 V交流负载提供电源，负载大部分是泵类（三相异步电机驱动），不需要调速，直接启动，启动冲击电流大。6.2.1 辅助供电系统的组成 6.2 辅助供电系统 早期，辅助逆变技术采用旋转式电动-发电机组供电，接触网为电机提供直流高压，电机带动发电机工作，输出三相交流电为负载供电；使用三相变压器和整流设备变换将输出

12、三相交流电转变为控制用DC 110 V和DC 24V。应用这种供电方式的机组体积大，输出容量小，效率低，电源易受直流发电机组工况变化的影响,输出电压波动大,可靠性差。6.2.2 辅助逆变技术的发展 6.2 辅助供电系统 随着电力电子技术的发展，新的电力电子器件在城轨车辆技术被引用，我国城轨车辆的辅助电源系统均采用了静止逆变供电的方式，通过车辆的受流设备受电，高压直流电经过DC/AC静止逆变转换为低压三相交流电，再通过整流及斩波电源变换输出可用的直流电源。电源变换中采用了变压器隔离形式。这种辅助逆变方案的优点为输出电压品质因数好、电源使用效率高、工作性能安全可靠。其实际应用设计也具备多样性，主要

13、与车辆所使用的高压电源电压类型和电力电子器件发展水平存在直接关系。6.2.2 辅助逆变技术的发展 6.2 辅助供电系统 随着电力电子器件的发展，城轨车辆采用的静止辅助系统经历了晶闸管、大功率晶体管、可关断晶闸管和绝缘栅双极晶体管的发展过程。最初，上海地铁进口的车辆，其辅助系统由电流驱动型可关断晶闸管（gate turn-off thyristor,GTO）构成，如图6-3所示。此设备开关频率低，功率大，耐压值高，安全性好。 6.2.2 辅助逆变技术的发展 6.2 辅助供电系统 图6-3 电流驱动型可关断晶闸管GTO6.2 辅助供电系统 随着新一代的电力电子器件绝缘栅双极晶体管（见图6-4）容量

14、的提升，电力晶体管进入了淘汰行列。国际上主要生产厂家对中等容量范围的GTO的停产标志着地铁车辆逆变进入了IGBT时代，其具有驱动全控性、脉冲开关频率高、性能好、损耗低、自我保护能力强等优点，推动了电力元件集成化、模块化的发展。近年来，城轨交通供电网电压由低至高（由DC 750 V升至DC 1 500 V），对IGBT的电压等级也提出了更高的要求。目前，国内新使用的地铁车辆辅助供电设备均采用IGBT电子元件。 6.2.2 辅助逆变技术的发展 6.2 辅助供电系统 图6-4 绝缘栅双极晶体管6.2 辅助供电系统 随着电力电子器件IGBT的发展，城轨车辆辅助供电系统由过去的单一形式逐渐发展为设计多样

15、化，满足了城轨车辆在不同时期的不同需求。 辅助逆变电路结构按逆变器电路原理的不同，分为先斩波（升/降压斩波）后逆变方式和直接逆变方式。从逆变器的电路构造来分，分为双逆变器型和单逆变器型。其中，双逆变器型又分为串联型与并联型。单逆变器型又分为先经升/降压稳压后逆变型和直接逆变型。这些逆变器均采用二电平逆变方式。 6.2.3 辅助逆变电路结构 6.2 辅助供电系统 先斩波（升/降压斩波）后逆变方式(DC-DC-AC)。将高压直流电通过斩波器转换为较低/高直流电压，通过逆变装置输出交流电。此电路主要由单管DC/DC斩波器、二点式逆变器、三相滤波器、隔离变压器和整流电路组成。其原理如图6-5所示。 6

16、.2.3 辅助逆变电路结构 （1）按逆变器电路原理选型。6.2 辅助供电系统 图6-5 先斩波（升/降压斩波）后逆变原理6.2 辅助供电系统 在DC-DC-AC方式升/降压斩波中，升压斩波的系统应用在网压为DC750V的场合，降压斩波的系统应用在网压为DC1500V的场合。采用升/降压斩波的目的是使逆变器的输入电压稳定，当负载变化或电压波动时，保证斩波器有稳定的输出电压。德国Siemens公司制造的车辆多采用此项技术，如上海1号线、2号线车辆和广州1号线地铁车辆。 6.2.3 辅助逆变电路结构 （1）按逆变器电路原理选型。6.2 辅助供电系统 直接逆变方式（DC-AC）。这种方式是地铁车辆辅助

17、逆变电源最简单的基本电路结构形式。它将高压直流电通过逆变设备直接逆变输出交流电，供列车使用。开关器件通常可采用大功率GTO、IGBT或智能功率模块（intelligent power module，IPM）。辅助逆变电源采用直接从受电弓或第三供电轨受流的方式，逆变器按V/F等于常数的控制方式，输出三相脉宽调制电压采用变压器隔离向负载供电。其原理如图6-6所示。 6.2.3 辅助逆变电路结构 （1）按逆变器电路原理选型。6.2 辅助供电系统 图6-6 直接逆变原理6.2 辅助供电系统 这种电路的特点是电路结构简单，元器件使用数量少，控制方便，但逆变器电源输出电压容易受电网输入电压波动的影响，功率

18、电子器件（如IGBT）环流时承受的DU/DT较大，特别是在高电压的情况下（DC1500V供电系统再生制动时，网压可达2 000 V）。Bombardier 公司多采用此项技术，应用于长春生产的车辆中。 目前，以GTO、IGBT为代表的开关器件的开关频率足以满足在网压波动范围内，用脉冲宽度调变（pulse width modulation，PWM）调制实现逆变器稳定输出，且满负荷运行，因此现在生产的车辆常采用直接逆变的方式。 6.2.3 辅助逆变电路结构 （1）按逆变器电路原理选型。6.2 辅助供电系统 单逆变器型。网压为DC1500V，容量为190 kVA左右的辅助逆变器，一般均使用3 300

19、 V/400 A的IGBT器件。这种结构简单、可靠，逆变器采用PWM调制控制，可使输出电压的谐波含量在限制值以内。而且随着IGBT性能的不断完善，将会进一步简化逆变器主电路，减少使用器件，提高电路的可靠性，降低制造成本，简化调试工作灯。因此，这是目前辅助系统逆变器普遍采用的形式。 6.2.3 辅助逆变电路结构 （2）按逆变器的电路构造选型6.2 辅助供电系统 双逆变器型。两台逆变器输出至隔离变压器，隔离变压器或者通过电路叠加，或者通过磁路叠加，然后滤波输出。这种多重逆变电路的优点是逆变器可以用容量较低的IGBT器件。另外，可以通过控制两台逆变器输出电压的相位差，使变压器输出电压的谐波减少，提高

20、基波含量，从而可减少滤波器的体积和质量。 双逆变器型电路较为复杂，尤其是组式变压器，用电路叠加的变压器称DY-DZ变压器，其二次绕组较为复杂。用磁路叠加的变压器，其磁路设计较为复杂。鉴于现在IGBT的耐电压水平已足够高，因此目前的产品已基本不再采用这种形式。 6.2.3 辅助逆变电路结构 （2）按逆变器的电路构造选型6.2 辅助供电系统 城轨车辆低压电力变换装置为列车提供DC110V的电源，同时给蓄电池浮充电。DC110V电力变换设计就输入电源形式来讲分为直接变换与间接变换。 6.2.3 辅助逆变电路结构 （3）低压DC110V电力变换形式6.2 辅助供电系统 直接变换。设计独立的直-直变换器，直接接于供电网压（DC1500V，DC750V），通过高频变压器隔离后再整流并滤波得到DC110V电源。广州地铁1号线、2号线车辆采用直接变换形式。 间接变换。使用辅助逆变器提供的低压交流电（AC380V），通过50 z隔离降压变压器来实现，再通过整流得到DC110V电源。广州地铁3号线、西安地铁2号线均采用间接变换形式。 6.2.3 辅助逆变电路结构 （3）低压DC110V电力变换形式6.2 辅助供电系统 这两种方案，间接变换依赖于静止辅助逆变器，一般是将辅助逆变器输出的AC380V转换成DC110V，其