城市轨道交通牵引与传动(77页)

1、第3章 电力牵引与传动3.1 概述3.3 牵引供电系统3.3 直流电力牵引传动系统3.4 交流电力牵引传动系统3.5 广州地铁一号线车辆牵引系统3.1 概述一、轨道车辆电力牵引发展简介 电力牵引是一种以电能为动力牵引车辆前进的牵引方式。 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。早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电动机。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。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

2、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。二、轨道交通电力牵引传动系统的主要类型 轨道交通电力牵引供电制式： 直流：600、750、1500、3000 V 交流：6250、15000、25000 V 轨道交通电力牵引传动系统分为： 1、直流电力牵引传动系统 （1）直流直流 （2）交流直流 2、交流电力牵引传动系统 （1）直流交流 （2）交流直流交流三、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和牵引力的变化曲线见下图。 电动机的特性应满足列车牵引特性的要求。第一节 概述3.2 牵引供电系统 1供电系统的构成城市轨道

3、交通的供电系统是列车运行的动力源，它是由电力源、供电线路、主(降压)变电站、牵引变电所、降压变电所、接触网、电力监控系统、车站及区间动力照明系统、杂散电流防护系统、防雷设施和接地系统等部分组成。 1) 电力源及主变电站城市轨道交通的电源可以来自国家电网或发电站(厂)。由于城市轨道交通系统位于城市区域内，这里有国家电力系统的区域变电站，因此多数城市轨道交通系统可从区域变电站得电，其电压一般为1035 kV。如果区域变电站的负荷有限，则需为城市轨道交通系统专设主(降压)变电站，将国家电网的高压(110220 kV)降为中压(1035 kV)，并通过牵引供电网络将电能分配到每一个牵引变电所和降压变电

4、所。 从发电厂(站)经升压、高压输电线到区域变电站(如可供轨道交通使用)或主(降压)变电站的部分，通常被称为供电系统的“外部供电系统，也称“一次供电系统”；从主(降压)变电站及其以后的部分统称为“牵引供电系统”。 2 ) 输电线电流经输电线从电站传送到用电地区。电流(I)传送过程中会因导线电阻(R)的存在而产生能量损失(I2R)及电压损失(IR)。如果功率不变，电压增加，电流就减小，所以，高压传输能量损失小；但是，电压提高，也会提高电线绝缘和支柱的费用，以及升压变电所和降压变电所的费用。因此传送电压需要进行综合技术经济比较。我国国家电网的传送电压为110220 kV。3) 牵引变电所牵引变电所

5、的任务就是将电力系统提供的三相工频交流电通过变压、变相或变流转变为本线电动车辆可用的电源。 根据电流制的不同，牵引变电所又分为直流牵引变电所和交流牵引变电所。城市内的地铁、轻轨网络多采用直流牵引制式，只有少数延伸至远郊的城市铁路(如中国香港九广铁路、日本东京常盘线等)为了与区域铁路共线运营则会采用交流牵引制式。 城市轨道交通采用直流供电制式是因为城市轨道交通运输的列车功率并不是很大，其供电半径（范围）也不大，因此供电电压不需要太高，还由于直流制比交流制的电压损失小（同样电压等级下），因为没有电抗压降。 另外由于城市内的轨道交通，供电线路都处在城市建筑群之间，供电电压不宜太高，以确保安全。基于以

6、上原因，世界各国城市轨道交通的供电电压都在直流 5501500V之间 。直流牵引变电所将中压电降压整流后变成供轨道交通列车使用的直流电源，再通过沿线架设的接触网供给运行中的列车。现在，国际电工委员会拟定的电压标准为600 V、750 V和1500 V三种，后两种为推荐值。我国国家标准也规定为750 V和1500V。以北京和天津为代表的北方地区采用DC 750V供电电压制式，允许电压波动范围为DC 500VDC 900V，第三轨受流；以上海和广州为代表的南方地区采用DC 1500V供电电压制式，允许电压波动范围为DC 1000VDC 1800V，架空接触网受电弓受流。 从减少电能损失和电压降，延

7、长供电距离以降低牵引变电站的数量及投资，以及从降低受流接触网的悬挂重量、降低结构复杂性及投资而言，采用DC 1500V的牵引供电电压制式比采用DC 750V的牵引供电电压制式要经济得多。高耐压电力电子变流器件的发展，为采用DC 1500V供电的城市轨道交通牵引传动系统提供了可靠的技术保障。因此，今后我国的城市轨道交通牵引传动系统的供电电压制式的发展趋势应该是逐步采用统一的DC 1500 V。 5) 接触网 接触网是将牵引变电所的电源传送给电动车辆的导体。电动车辆通过受电弓(或受流器、集电靴)获得电能，驱动牵引电动机使列车运行。广义的接触网大体可分为接触导线(习惯称为接触网)及接触轨两大类。接触

8、导线悬挂于轨道上方，接触轨位于轨道中部或侧面。上海地铁采用架空式接触网北京地铁采用接触轨，接触轨安装于线路行车方向的左侧，集电靴采用上部接触方式受电。下部受电的接触轨钢铝复合接触轨铝合金具有导电性高、导热性好、耐腐蚀、吸震隔音、比重轻等优点，但其弱点是：强度较低，耐磨性差；而不锈钢具有强度及硬度高、耐磨性及延展性好等优点。钢铝复合接触轨在铝合金轨的接触面上包覆有一层不锈钢带，可大大提高耐磨性。又克服了两者的不足之处，是一种理想的导电轨复合材料。接触轨安装在绝缘支架上，绝缘支架通过胀锚螺栓直接固定在整体道床上。 6) 电力监控系统电力监控系统也称SCADA(Supervisory Control

9、 and Data Acquisition)。由设在控制中心的电力调度系统、通信通道和设在牵引降压混合所及降压所的综合自动化系统三部分构成。该系统主要完成对供电系统及设备运行状况的实时监控，为电力调度提供自动化管理手段，保证供电系统安全可靠地运行。3.2 直流电力牵引系统一、直流电机（一）、直流电机的组成（二）、直流电机的工作原理（三）、直流电机的励磁方式（四）、直流串励电动机的机械特性二、直流牵引调速系统 直流牵引调速系统按电源性质分为： 直-直流牵引系统 交-直流牵引系统 （一）、直流牵引电动机的基本调速方法 直流电动机的转速表达式 U电动机的端电压Id电动机的负载电流R电动机的总电阻Ce

10、由电动机结构决定的电势常数电动机的主极磁通（一）、直流牵引电动机调速的基本形式：1、调节牵引电机的端电压 （1）、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。 调节电阻的方法又分两类： 有触点式开关调阻 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。 （2）斩波调压 在电路中接入能有规则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。电动机两端电压的平均值为： 只要调节导通比，即可调节平均电压。 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 可关断晶闸管（GTO） 绝缘门极晶闸管（IGBT） 斩波元件的发展，推动

11、了斩波器向电路简洁、控制简单、轻型化方向发展。2、调节励磁磁通 采取匝数短路法和分路电流法可以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。直流控制系统分为凸轮变阻控制、斩波调阻控制及斩波调压控制。凸轮变阻控制就是在牵引和电阻制动时，由凸轮控制电器结点的开闭，实现制动电阻的变换和串并联转换来调节直流牵引电动机的电压及电流。斩波调阻控制就是用斩波器调节电阻值控制直流牵引电动机的电压及电流的控制方式。斩波调压控制就是用斩渡器直接调节牵引电动机的电压及电流。凸轮变阻控制利用凸轮控制器控制电阻的接入与切除。凸轮控制器原理：由手轮转轴、凸轮触点等部分组成。通过手轮转动转轴时，固定在轴上的凸

12、轮就转动凸块压在滚轮上，使杠杆绕其轴转动，压缩弹簧，而使动触点离开静触点。若将凸轮的凹部对准滚子，则在弹簧力的作用下而使动静触点闭合。这种触头有多对，每对触头相应有一凸轮。由于凸轮的形状及其安装的角度不同，所以当手轮转到不同的位置时，将有不同的触点闭合或断开。斩波调阻控制斩波调阻控制用于串励电动机的电阻控制，斩波器与电阻并联，可实现电阻无级平滑调节，提高粘着性能，有利于更好地发挥列车电制动性能。斩波调阻原理斩波调压控制凸轮电阻调速和斩波调阻控制，均不可避免地存在浪费电能的缺点。斩波调压是通过改变直流电流接通和断开的时间比例，就可以改变直流电机上的电压、电流平均值。 3.3 交流电力牵引系统一、

13、交流电机三相异步电动机的机械特性 交流控制系统分为异步电动机和直线电机控制两种。异步电动机控制就是用调压调频装置控制异步电动机电压及频率，实现牵引和电气制动。直线电机与以上不同的是不采用旋转的异步电动机，而采用平面的交流电动机即直线电机的控制。二、交流电动机调速系统 对于交流异步电动机，其转速为：式中 S转差率；P磁极对数f频率。因此，三相交流电机调速方法可以分为：改变磁极对数调节转差率 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。 在变频调速的交流传动系统中，按供电制式的不同，可分为： 直流交流 交流直流交流 城市轨道交通多采用直流交流方式，干线铁路则采用交流直流交流的方式。 由此

14、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。 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矩基本不变，达到加速运行的目的。 而在随后的牵引阶段，保持电压不变而改变频率，则最大扭矩随着频率的上升而下降，实现恒功率控制。 用在交流变频调速传动中的逆变器实际上是变压变频器，变压（Variable Voltage）,简称VV，变频（Variable Frequency）,简称VF，故变压变频器简称为VVVF装置。三、交流传动的脉宽调制控制技术 VVVF技术又分为两种： 一种是脉冲幅值调制，称为PAM（Pul

15、se Amplitude Modulation),变压变频分开完成。 另一种是脉冲宽度调制，称为PWM （Pulse Width Modulation),变压变频集中在逆变器中一起完成，这是随着快速半导体开关元件GTO、IGBT等的发展的结果。3.5 广州地铁一号线车辆牵引系统牵引/制动系统组成广州地铁一号线车辆牵引和电制动系统由德国ADtranz公司提供，是国内首家采用交流传动和动力分散型控制技术的地铁车辆项目。整个系统由受电弓、高速断路器HSCB、VVVF牵引逆变器、DCU（牵引控制单元）/UNAS（逆变器保护监控单元）、牵引电机，制动电阻等组成。1 DCU对VVVF逆变器的线路电容器充/

16、放电控制2 DCU/UNAS对VVVF逆变器及电机转矩控制 牵引系统组成示意图列车受电弓从接触网受流，通过高速断路器后，将1500VDC送入VVVF牵引逆变器。VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式，将1500VDC直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电，平行供给车辆四台交流鼠笼式异步牵引电机，对电机进行调速，实现列车的牵引。其半导体变流元件采用4500V/3000A的GTO。VVVF输出电压的频率调节范围为0 112 Hz，幅值调节范围为0 1147 VAC。牵引电机通过齿轮连轴节和齿轮将从电机产生的力矩传到车轮车轴。在“牵引”过程中，这个系统通过线路向电机逆变器模块供电，使电机逆变器模块

17、完成振幅和频率可调的三相电压（VVVF）驱动牵引电机运转，完成电能转化为机械能。在“制动”时，使牵引电机充当发电机发电，并通过接触网馈电，供给其它列车或者在制动电阻中消耗。完成机械能转化成电能。牵引系统基本参数牵引逆变器VVVF：线电压 UN = 1000 1800 VDC输入线电流 I N = 480 A最大线电流（牵引） I NDMAX = 692 A最大线电流（制动） I NBMAX = 1171 A输出电流 I A = 720 A最大输出电流 I AMAX = 1080 A最大保护电流 I MAX = 2900 A输出电压 UN = 0 1050 V输出频率 fA = 0 112 Hz

18、GTO最大开关频率 fP = 450 Hz制动斩波模块斩波频率 fB = 250 Hz模块冷却方式 强迫风冷牵引电机：基本工作原理整个控制系统由输入值设定、速度测量、电机控制、脉冲发生器、能量反馈各环节构成。DCU通过列车线接受来自控制系统的牵引/制动力绝对值（以百分比的形式），与此同时还接受司机发出牵引或制动指令，来决定是施加牵引或制动力。在给定值进行实际电机控制前，必须经过以下条件的处理:输入值设定载荷校验：DCU根据相应动车的载荷状况来调整实际牵引/制动力，这是由于采用了动力分散型控制，为了保持车钩之间的相对运动最小，并且使整车达到相同的动态特性。速度限制（牵引时）：广州地铁一号线规定了

19、3个速度限制，速度控制的优先级高于电机控制。正常速度：80 km/h倒车速度：10 km/h慢行速度： 3 km/h线电流限制（牵引时）：在牵引工况时，线电流控制的优先级高于电机控制，出于功耗的考虑，该限制值为不超过每节动车720A。欠压保护（制动时）：在制动时，网压一直受到检测，当网压降到1500V以下时，制动力矩随速度和网压相应的减少，这时不足的制动力由气制动补充。空转/滑行保护：空转/滑行保护通过比较拖车动车之间的速度差异来实现，通过适当减少力矩设定值，该保护能确保输出最大所要求的牵引/制动力，当拖车速度检测失败时，该保护还可以通过仿真计算拖车速度来保证正常功能。速度检测每个牵引电机带一

20、个速度传感器，输出两个通道，每个通道相差为90的方波（电机每转为256个脉冲），通过判断相差可以确定旋转的方向。每个牵引控制单元连接3个速度传感器。在正常情况下，该数值直接送入DCU进行牵引控制，在进行速度测量的时候，如果出现各速度值不相等的情况（例如，空转/滑行时），甚至在极端情况下，只有一个电机的速度信息对于牵引控制来说都是足够的。当DCU监控逻辑系统发现有一个速度传感器故障时，马上封锁该速度信号，以免对牵引控制造成严重的影响。除了电机速度，在DCU中同样检测拖车的速度。在拖车一个轴上装有一个编码速度传感器，同电机速度传感器不同，该传感器是单通道的（每周111个脉冲）。速度值通过计算脉冲数

21、，然后与参考时钟周期计算得到。脉冲模式发生器脉冲模式发生器根据电机控制的三个输入变量：相控因数、定子频率、和校正角实时计算牵引逆变器中的GTO触发脉冲。电机控制采用空间矢量控制，电机的磁通大小和方向（空间矢量）通过逆变器输出线电压和相电流，电机速度等参数近似得到。绕组中的电流和电机电压作为空间矢量与磁通量有关，该解耦过程使得可以单独控制磁通和力矩（磁场定向控制）。能量反馈在电机的能量反馈中,能量反馈到电网中,如果在电制动的情况下,能量不能被电网完全吸收,多余的能量必须转换为热能消耗在制动电阻上，否则电网电压将抬高到不能承受的水平。受电弓广州地铁每列车上有2个受电弓，位于B车车顶。受电弓把电流从

22、接触网传导到车辆上。正常情况下可通过压缩空气升起受电弓，而受电弓的控制是通过电磁阀进行控制。如果压缩空气失败（即压缩空气压力不够），车顶的受电弓会在弹簧拉力下回到降弓位置。在这种情况下，用安装在B车2位端电气柜中的脚踏泵可使受电弓升起。受电弓包括底架、构架、弓头、拉伸装置及下部组成。底架底架安装在车顶，它由方形的中空管、角钢及板的焊接构件组成，它作为下臂的支撑装置，包括轴承、下导杆的轴承滑轮、拉伸弹簧的悬挂及气压升弓传动装置，主要的电器连接位于底架后部的镀铜部件。升降装置升降装置控制受电弓框架接触滑板与上部接触网接触的范围，要求的提升力由拉伸弹簧产生，下降力由气压升弓传动装置产生。在受电弓两侧下导杆的侧下方安装有高度止挡，其两个螺钉限制受电弓的升起的最大高度，使受电弓在垂向不