城市轨道交通牵引与传动77

第3章电力牵引引与传动动3.1概述3.3牵引供电电系统3.3直流电力力牵引传动系统3.4交流电力力牵引传动系统3.5广州地铁铁一号线线车辆牵牵引系统统3.1概述一、轨道道车辆电电力牵引引发展简简介电力牵引引是一种种以电能能为动力力牵引车车辆前进进的牵引引方式。。轨道车辆辆通过受受流器从从架空接接触网或或第三轨轨（输电电轨）接接收电能能，通过过车载的的变流装装置给安安装在转转向架上上的牵引引电机供供电，牵牵引电机机将电能能转变成成机械能能，机械械能通过过齿轮传传给轮对对，驱动动轮对在在轨道上上运动带带动车辆辆前进。。早期的电电力牵引引的轨道道车辆采采用直流流电动机机。直流电动动机存在在体积大大、结构构复杂、、工作可可靠性差差、制造造成本高高、维修修麻烦的的缺点。随着交流流电机控控制理论论和大功功率电力力电子元元器件制制造技术术的发展展，采用用交流电电机牵引引的交流流传动技技术迅速速崛起，，使轨道道车辆电电力牵引引技术上上了一个个新台阶阶。二、轨道道交通电电力牵引引传动系统的主主要类型型轨道交通通电力牵牵引供电电制式：：直流：600、、750、1500、、3000V交流：6250、15000、25000V轨道交通通电力牵牵引传动系统分为为：1、直流流电力牵牵引传动系统（1）直流—直直流（2）交流—直直流2、交流电力力牵引传动系统（1）直流——交流（2）交流——直流—交流流三、电动车组牵牵引特性电动车组在每每个站间区间间内，从启动动加速运行到到制动减速最最后停车其速速度和牵引力力的变化曲线线见下图。电动机的特性性应满足列车车牵引特性的要求。第一节概概述3.2牵引供电系统统1．供电系统统的构成城市轨道交通通的供电系统统是列车运行行的动力源，，它是由电力力源、供电线线路、主(降降压)变电站站、牵引变电电所、降压变变电所、接触触网、电力监监控系统、车车站及区间动动力照明系统统、杂散电流流防护系统、、防雷设施和和接地系统等等部分组成。。1)电力源及主变变电站城市轨道交通通的电源可以以来自国家电电网或发电站站(厂)。由由于城市轨道道交通系统位位于城市区域域内，这里有有国家电力系系统的区域变变电站，因此此多数城市轨轨道交通系统统可从区域变变电站得电，，其电压一般般为10~35kV。。如果区域变电电站的负荷有有限，则需为为城市轨道交交通系统专设设主(降压)变电站，将将国家电网的的高压(110～220kV)降降为中压(10～35kV)，并并通过牵引供供电网络将电电能分配到每每一个牵引变变电所和降压压变电所。从发电厂(站站)经升压、、高压输电线线到区域变电电站(如可供供轨道交通使使用)或主(降压)变电电站的部分，，通常被称为为供电系统的的“外部供电电系统"，也也称“一次供供电系统”；；从主(降压)变电站及其其以后的部分分统称为“牵牵引供电系统统”。2)输电线电流经输电线线从电站传送送到用电地区区。电流(I)传送过程中中会因导线电电阻(R)的的存在而产生生能量损失(I2R)及电压损失失(IR)。如果功率率不变，电压压增加，电流流就减小，所所以，高压传输能量量损失小；但是，电压提提高，也会提提高电线绝缘缘和支柱的费费用，以及升升压变电所和和降压变电所所的费用。因因此传送电压压需要进行综综合技术经济济比较。我国国家电网网的传送电压压为110~220kV。3)牵引变电所牵引变电所的的任务就是将将电力系统提提供的三相工工频交流电通通过变压、变变相或变流转转变为本线电电动车辆可用用的电源。根据电流制的的不同，牵引引变电所又分分为直流牵引引变电所和交交流牵引变电电所。城市内的地铁铁、轻轨网络络多采用直流流牵引制式，，只有少数延延伸至远郊的的城市铁路(如中国香港港九广铁路、、日本东京常常盘线等)为为了与区域铁铁路共线运营营则会采用交交流牵引制式式。城市轨道交通通采用直流供供电制式是因因为城市轨道道交通运输的的列车功率并并不是很大，，其供电半径径（范围）也也不大，因此此供电电压不不需要太高，，还由于直流流制比交流制制的电压损失失小（同样电电压等级下）），因为没有有电抗压降。。另外由于城市市内的轨道交交通，供电线线路都处在城城市建筑群之之间，供电电电压不宜太高高，以确保安安全。基于以以上原因，世世界各国城市市轨道交通的的供电电压都都在直流550～1500V之间间。直流牵引变电电所将中压电电降压整流后后变成供轨道道交通列车使使用的直流电电源，再通过过沿线架设的的接触网供给给运行中的列列车。现在，国际电电工委员会拟拟定的电压标标准为600V、750V和1500V三种，后两两种为推荐值值。我国国家标准准也规定为750V和和1500V。以北京和天津津为代表的北北方地区采用用DC750V供电电电压制式，允允许电压波动动范围为DC500V～DC900V，第第三轨受流；；以上海和广州州为代表的南南方地区采用用DC1500V供电电电压制式，，允许电压波波动范围为DC1000V～DC1800V，架空接接触网受电弓弓受流。从减少电能损损失和电压降降，延长供电电距离以降低低牵引变电站站的数量及投投资，以及从从降低受流接接触网的悬挂挂重量、降低低结构复杂性性及投资而言言，采用DC1500V的牵引供供电电压制式式比采用DC750V的牵引供电电电压制式要要经济得多。。高耐压电力电电子变流器件件的发展，为为采用DC1500V供电的城市市轨道交通牵牵引传动系统统提供了可靠靠的技术保障障。因此，今后我我国的城市轨轨道交通牵引引传动系统的的供电电压制制式的发展趋趋势应该是逐逐步采用统一一的DC1500V。5)接触网接触网是将牵牵引变电所的的电源传送给给电动车辆的的导体。电动动车辆通过受受电弓(或受受流器、集电电靴)获得电电能，驱动牵牵引电动机使使列车运行。。广义的接触网网大体可分为为接触导线(习惯称为接接触网)及接接触轨两大类类。接触导线悬挂挂于轨道上方方，接触轨位位于轨道中部部或侧面。上海地铁采用用架空式接触触网北京地铁采用用接触轨，接接触轨安装于于线路行车方方向的左侧，，集电靴采用用上部接触方方式受电。下部受电的接触轨钢铝复合接触轨铝合金具有导导电性高、导导热性好、耐耐腐蚀、吸震震隔音、比重重轻等优点，，但其弱点是是：强度较低低，耐磨性差差；而不锈钢钢具有强度及及硬度高、耐耐磨性及延展展性好等优点点。钢铝复合接触轨在铝合金轨轨的接触面上上包覆有一层层不锈钢带，，可大大提高耐磨性性。又克服了了两者的不足足之处，是一一种理想的导导电轨复合材材料。接触轨安装在在绝缘支架上上，绝缘支架架通过胀锚螺螺栓直接固定定在整体道床床上。6)电力监控系统统电力监控系统统也称SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)。由设在控制中中心的电力调调度系统、通通信通道和设设在牵引降压压混合所及降降压所的综合合自动化系统统三部分构成成。该系统主要完完成对供电系系统及设备运运行状况的实实时监控，为为电力调度提提供自动化管管理手段，保保证供电系统统安全可靠地地运行。3.2直流电力牵引引系统一、直流电机机（一）、直流流电机的组成成（二）、直流流电机的工作作原理（三）、直流流电机的励磁磁方式（四）、直流流串励电动机机的机械特性性二、直流牵引引调速系统直流牵引调速速系统按电源源性质分为：：直-直流牵引引系统交-直流牵引引系统（一）、直流流牵引电动机机的基本调速速方法直流电动机的的转速表达式式U—电动机的的端电压Id—电动机机的负载电流流ΣR—电动机机的总电阻Ce—由电动动机结构决定定的电势常数数Φ—电动机的的主极磁通（一）、直流流牵引电动机机调速的基本本形式：1、调节牵引引电机的端电电压（1）、变阻阻调压通过调节串入入电机回路的的电阻的大小小来改变电动动机的端电压压以实现电动动机的调速。。调节电阻的方方法又分两类类：有触点式开关关调阻无触点斩波调调阻这种调压方式式在电阻中消消耗了大量的的电能。（2）斩波调调压在电路中接入入能有规则地地导通和关断断的斩波器，，则可以减低低直流电动机机两端的平均均电压。电动动机两端电压压的平均值为为：只要调节导通通比，即可调调节平均电压压。随着半导体技技术的发展，，斩波器中的的斩波元件经经历了以下的的发展过程：：晶闸管可关断晶闸管管（GTO））绝缘门极晶闸闸管（IGBT）斩波元件的发发展，推动了了斩波器向电电路简洁、控控制简单、轻轻型化方向发发展。2、调节励磁磁磁通采取匝数短路路法和分路电电流法可以减减小牵引电动动机励磁电流流从而减小主主极磁通，以以实现对转速速的调节。直流控制系统统分为凸轮变变阻控制、斩斩波调阻控制制及斩波调压压控制。凸轮变阻控制制就是在牵引和和电阻制动时时，由凸轮控控制电器结点点的开闭，实实现制动电阻阻的变换和串串并联转换来来调节直流牵牵引电动机的的电压及电流流。斩波调阻控制就是用斩波器器调节电阻值值控制直流牵牵引电动机的的电压及电流流的控制方式式。斩波调压控制就是用斩渡器器直接调节牵牵引电动机的的电压及电流流。凸轮变阻控制制利用凸轮控制制器控制电阻阻的接入与切切除。凸轮控制器原原理：由手轮轮转轴、凸轮轮触点等部分分组成。通过过手轮转动转转轴时，固定定在轴上的凸凸轮就转动．．凸块压在滚滚轮上，使杠杠杆绕其轴转转动，压缩弹弹簧，而使动动触点离开静静触点。若将将凸轮的凹部部对准滚子，，则在弹簧力力的作用下而而使动静触点点闭合。这种种触头有多对对，每对触头头相应有一凸凸轮。由于凸凸轮的形状及及其安装的角角度不同，所所以当手轮转转到不同的位位置时，将有有不同的触点点闭合或断开开。斩波调阻控制制斩波调阻控制制用于串励电电动机的电阻阻控制，斩波波器与电阻并并联，可实现现电阻无级平平滑调节，提提高粘着性能能，有利于更更好地发挥列列车电制动性性能。斩波调阻原理理斩波调压控制制凸轮电阻调速速和斩波调阻阻控制，均不不可避免地存存在浪费电能能的缺点。斩波调压是通通过改变直流流电流接通和和断开的时间间比例，就可可以改变直流流电机上的电电压、电流平平均值。3.3交流电力牵引引系统一、交流电机机三相异步电动动机的机械特特性交流控制系统统分为异步电电动机和直线线电机控制两两种。异步电动机控控制就是用调调压调频装置置控制异步电电动机电压及及频率，实现现牵引和电气气制动。直线电机与以以上不同的是是不采用旋转转的异步电动动机，而采用用平面的交流流电动机即直直线电机的控控制。二、交流电动动机调速系统统对于交流异步步电动机，其其转速为：式中S——转差率；P—磁极对数数f—频率。因此，三相交流电机机调速方法可可以分为：改变磁极对数数调节转差率调节供电频率率其中只有调节节供电频率的的方法是理想想的方法。在变频调速的的交流传动系系统中，按供供电制式的不不同，可分为为：直流—交流交流—直流——交流城市轨道交通通多采用直流流—交流方式式，干线铁路路则采用交流流—直流—交交流的方式。。由此可见，将将直流电转变变成频率可变变的交流电就就是交流传动动的关键所在在。将直流电转变变成频率可变变的交流电的的设备称为逆变器。在车辆牵引的的开始阶段，，保持气隙磁磁通为常数，，改变供电频频率可以使电电动机的最大大扭矩基本不不变，达到加加速运行的目目的。而在随后的牵牵引阶段，保保持电压不变变而改变频率率，则最大扭扭矩随着频率率的上升而下下降，实现恒恒功率控制。。用在交流变频频调速传动中中的逆变器实实际上是变压压变频器，变变压（VariableVoltage）,简称VV，，变频（VariableFrequency）,简称称VF，故变变压变频器简简称为VVVF装置。三、交流传动动的脉宽调制制控制技术VVVF技术术又分为两种种：一种是脉冲幅幅值调制，称称为PAM（（PulseAmplitudeModulation),变压变频频分开完成。。另一种是脉冲冲宽度调制，，称为PWM（PulseWidthModulation),变压变频频集中在逆变变器中一起完完成，这是随随着快速半导导体开关元件件GTO、IGBT等的的发展的结果果。3.5广州地铁一号号线车辆牵引引系统牵引/制动系系统组成广州地铁一号号线车辆牵引引和电制动系系统由德国ADtranz公司提供供，是国内首首家采用交流流传动和动力力分散型控制制技术的地铁铁车辆项目。。整个系统由受受电弓、高速速断路器HSCB、VVVF牵引逆逆变器、DCU（牵引控控制单元）/UNAS（逆变器保护护监控单元））、牵引电机，，制动电阻等等组成。1——DCU对VVVF逆变器器的线路电容容器充/放电电控制2——DCU/UNAS对VVVF逆变器器及电机转矩矩控制牵引系统组成成示意图列车受电弓从从接触网受流流，通过高速速断路器后，，将1500VDC送入入VVVF牵牵引逆变器。。VVVF牵牵引逆变器采采用PWM脉脉宽调制模式式，将1500VDC直直流电逆变成成频率、电压压可调的三相相交流电，平平行供给车辆辆四台交流鼠鼠笼式异步牵牵引电机，对对电机进行调调速，实现列列车的牵引。其半导体变流流元件采用4500V/3000A的GTO。。VVVF输出电压的频频率调节范围围为0~112Hz，幅值调调节范围为0~1147VAC。牵引电机通过过齿轮连轴节节和齿轮将从从电机产生的的力矩传到车车轮车轴。在“牵引”过过程中，这个系统通过过线路向电机机逆变器模块块供电，使电电机逆变器模模块完成振幅幅和频率可调调的三相电压压（VVVF）驱动牵引引电机运转，，完成电能转转化为机械能能。在“制动”时时，使牵引电电机充当发电电机发电，并并通过接触网网馈电，供给给其它列车或或者在制动电电阻中消耗。。完成机械能能转化成电能能。牵引系统基本本参数牵引逆变器VVVF：线电压UN=1000~1800VDC输入线电流IN=480A最大线电流（（牵引）INDMAX=692A最大线电流（（制动）INBMAX=1171A输出电流IA=720A最大输出电流流IAMAX=1080A最大保护电流流IMAX=2900A输出电压UN=0~1050V输出频率fA=0~112Hz\GTO最最大开关关频率fP=450Hz制动斩波波模块斩斩波频率率fB=250Hz模块冷却却方式强强迫风风冷牵引电机机：基本工作作原理整个控制制系统由由输入值值设定、、速度测测量、电电机控制制、脉冲冲发生器器、能量量反馈各各环节构构成。DCU通通过列车车线接受受来自控控制系统统的牵引引/制动动力绝对对值（以以百分比比的形式式），与与此同时时还接受受司机发发出牵引引或制动动指令，，来决定定是施加加牵引或或制动力力。在给定值值进行实实际电机机控制前前，必须须经过以以下条件件的处理理:输入值设设定载荷校验验：DCU根根据相应应动车的的载荷状状况来调调整实际际牵引/制动力力，这是是由于采采用了动动力分散散型控制制，为了了保持车车钩之间间的相对对运动最最小，并并且使整整车达到到相同的的动态特特性。速度限制制（牵引引时）：广州地铁铁一号线线规定了了3个速速度限制制，速度度控制的的优先级级高于电电机控制制。正常速度度：80km/h倒车速度度：10km/h慢行速度度：3km/h线电流限限制（牵牵引时））：在牵引工工况时，，线电流流控制的的优先级级高于电电机控制制，出于于功耗的的考虑，，该限制制值为不不超过每每节动车车720A。欠压保护护（制动动时）：在制动时时，网压压一直受受到检测测，当网网压降到到1500V以以下时，，制动力力矩随速速度和网网压相应应的减少少，这时时不足的的制动力力由气制制动补充充。空转/滑滑行保护护：空转/滑滑行保护护通过比比较拖车车动车之之间的速速度差异异来实现现，通过过适当减减少力矩矩设定值值，该保保护能确确保输出出最大所所要求的的牵引/制动力力，当拖拖车速度度检测失失败时，，该保护护还可以以通过仿仿真计算算拖车速速度来保保证正常常功能。。速度检测测每个牵引引电机带带一个速速度传感感器，输输出两个个通道，，每个通通道相差差为90º的方方波（电电机每转转为256个脉脉冲），，通过判判断相差差可以确确定旋转转的方向向。每个个牵引控控制单元元连接3个速度度传感器器。在正正常情况况下，该该数值直直接送入入DCU进行牵牵引控制制，在进进行速度度测量的的时候，，如果出出现各速速度值不不相等的的情况（（例如，，空转/滑行时时），甚甚至在极极端情况况下，只只有一个个电机的的速度信信息对于于牵引控控制来说说都是足足够的。。当DCU监控控逻辑系系统发现现有一个个速度传传感器故故障时，，马上封封锁该速速度信号号，以免免对牵引引控制造造成严重重的影响响。除了电机机速度，，在DCU中同同样检测测拖车的的速度。。在拖车车一个轴轴上装有有一个编编码速度度传感器器，同电电机速度度传感器器不同，，该传感感器是单单通道的的（每周周111个脉冲冲）。速度值通通过计算算脉冲数数，然后后与参考考时钟周周期计算算得到。。脉冲模式式发生器器脉冲模式式发生器器根据电电机控制制的三个个输入变变量：相相控因数数、定子子频率、、和校正正角实时时计算牵牵引逆变变器中的的GTO触发脉脉冲。电机控制制采用空间间矢量控控制，电电机的磁磁通大小小和方向向（空间间矢量））通过逆逆变器输输出线电电压和相相电流，，电机速速度等参参数近似似得到。。绕组中的的电流和和电机电电压作为为空间矢矢量与磁磁通量有有关，该该解耦过过程使得得可以单单独控制制磁通和和力矩（（磁场定定向控制制）。能量反馈馈在电机的的能量反反馈中,能量反反馈到电电网中,如果在在电制动动的情况况下,能能量不能能被电网网完全吸吸收,多多余的能能量必须须转换为为热能消消耗在制制动电阻阻上，否否则电网网电压将将抬高到到不能承承受的水水平。受电弓广州地铁铁每列车车上有2个受电电弓，位位于B车车车顶。。受电弓弓把电流流从接触触网传导导到车辆辆上。正常情况况下可通通过压缩缩空气升升起受电电弓，而而受电弓弓的控制制是通过过电磁阀阀进行控控制。如果压缩缩空气失失败（即即压缩空空气压力力不够）），车顶顶的受电电弓会在在弹簧拉拉力下回回到降弓弓位置。。在这种种情况下下，用安安装在B车2位位端电气气柜中的的脚踏泵泵可使受受电弓升升起。受电弓包包括底架架、构架架、弓头头、拉伸伸装置及及下部组组成。底架底架安装装在车顶顶，它由由方形的的中空管管、角钢钢及板的的焊接构构件组成成，它作作为下臂臂的支撑撑装置，，包括轴轴承、下下导杆的的轴承滑滑轮、拉拉伸弹簧簧的悬挂挂及气压压升弓传传动装置置，主要要的电器器连接位位于底架架后部的的镀铜部部件。升降装置置升降装置置控制受受电弓框框架接触触滑板与与上部接接触网接接触的范范围，要要求的提提升力由由拉伸弹弹簧产生生，下降降力由气气压升弓弓传动装装置产生生。在受电弓弓两侧下下导杆的的侧下方方安装有高度