城市轨道交通概论-第九章城市轨道电力牵引系统

城市轨道交通

电力牵引系统城市轨道交通概论第九章电力系统术语

电力系统

PowerSystem

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：火电站的锅炉、汽轮机；水电站的水库、水轮机；热电站的热力网等。动力系统（DynamicSystem）：电力系统和“动力部分”的总和电力系统单线示意图：G～发电机输电线路降压变压器发电厂配电系统负荷BLB升压变压器F火力发电厂水力发电厂第一节概述第二节直流电力牵引系统第三节交流电力牵引系统第四节城市轨道车辆用直线感应电机思考题

本章目录一、电力牵引系统的发展概况第一节概述接触网（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

二、轨道交通电力牵引系统主要类型第一节概述根据供电电压制式可分为：

直流：600，750，1500，3000V(标称值)

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第一节概述直流传动框图交流传动框图三、轨道交通车辆的结构与特性第一节概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、电动车组牵引特性第一节概述第二节直流电力牵引系统一、直流电机二、直流牵引调速系统三、牵引电动机的电气制动四、牵引主回路及其控制一、直流电机第二节直流电力牵引系统极掌NS············NS极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路

直流电机由定子转子两部分构成。一、直流电机第二节直流电力牵引系统

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、直流电机第二节直流电力牵引系统

直流电机工作原理：一、直流电机第二节直流电力牵引系统

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、直流电机第二节直流电力牵引系统

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他励电动机机械特性二、直流牵引调速系统第二节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-基本调速方法第二节直流电力牵引系统

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Φ和改变电枢回路电阻R。二、直流牵引调速系统-基本形式第二节直流电力牵引系统（一）调压法：（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。有触点开关调阻斩波调阻二、直流牵引调速系统-基本形式第二节直流电力牵引系统直流斩波电路原理直流斩波电压波形（一）调压法：（2）斩波调压二、直流牵引调速系统-基本形式第二节直流电力牵引系统

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）：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-基本形式第二节直流电力牵引系统

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）：即保持斩波器导通时间不变，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-基本形式第二节直流电力牵引系统

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：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-基本形式第二节直流电力牵引系统

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，同样带来滤波器设计困难等问题。（二）调节主极磁通：第二节直流电力牵引系统二、直流牵引调速系统-基本形式三、牵引电动机的电气制动第二节直流电力牵引系统（一）电阻制动：电机牵引工况他励电阻制动工况三、牵引电动机的电气制动第二节直流电力牵引系统（二）再生制动：四、牵引主回路及其控制第二节直流电力牵引系统第三节交流电力牵引系统一、交流牵引系统特点及发展概况二、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第三节交流电力牵引系统

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：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：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第三节交流电力牵引系统

第一阶段：交流电动机数学模型复杂，初期，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。二、三相异步电机-基本结构第三节交流电力牵引系统1.定子铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A----XB----YC----Z三相绕组机座：铸钢或铸铁二、三相异步电机-基本结构第三节交流电力牵引系统2.转子鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(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-工作原理第三节交流电力牵引系统

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)AXBYCZ1.旋转磁场的产生o二、三相异步电机-工作原理第三节交流电力牵引系统oi:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入二、三相异步电机-工作原理第三节交流电力牵引系统tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ

三相电流合成磁

场的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600o2.转动原理定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力F电磁转矩TnAXYCBZ二、三相异步电机-工作原理第三节交流电力牵引系统FF二、三相异步电机-工作原理第三节交流电力牵引系统3、转差率

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，即异步电动机如果: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矩二、三相异步电机-工作原理第三节交流电力牵引系统3、转差率

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。二、三相异步电机-工作原理第三节交流电力牵引系统4、机械特性

OTS1OT三、交流电机调速系统第三节交流电力牵引系统

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、交流电机调速系统第三节交流电力牵引系统四、交流传动的脉宽调制控制技术第三节交流电力牵引系统

用于交流电传动的变频器实际上是变压(VariableVoltage，简称VV)、变频(VariableFrequency，简称VF)器，即所谓VVVF装置。一、直线电机特点及发展概况第四节城市轨道车辆用直线感应电机优点：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：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、直线电机特点及发展概况第四节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第四节城市轨道车辆用直线感应电机二、直线感应电机的基本工作原理第四节城市轨道车辆用直线感应电机三、直线感应电机控制及在地铁动车上的应用第四节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electrictractionsystem：

1、电力牵引供电系统

electrictractionsupplysystem—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

（1）牵引变电所

tractionsubstation

（2）牵引网

tractionnetwork

①馈电线feederline②接触网overheadcontactline③钢轨及回流线

rail,negativefeeder

2、电力机车electriclocomotive交流电力牵引系统概述G电力系统(发电厂）输电线牵引变电所电力机车接触网馈电线回流线钢轨、地3、电力牵引系统组成原理图电力牵引系统直流牵引供电系统概述

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基本结构G电力系统(发电厂）输电线直流牵引变电所接触网馈电线回流线电动车辆走行轨主（降压）变电站电力地铁或者表示为：电力系统与电力牵引供电系统一、构成1.电力系统—是一个包括发电厂、输电(线)、变电、配电、用电装置的完整工作系统。2、电力牵引供电系统的组成部分与作用（1）牵引变电所: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。（2）馈电线:连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵引变电所变换后的电能送到接触网。（3）接触网: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组，从而驱动牵引电动机使列车运行。（4）轨道: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，还需要完成导通回流的任务。因此，电力牵引的轨道，需要具有良好的导电性能。

（5）回流线: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。牵引网:通常将接触网、馈电线、钢轨回路(包括大地)和回流线称为牵引网。牵引变电所和牵引网构成牵引供电系统。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。3、牵引供电系统的其他供电设备（1）、开闭所—sub-feederswitchingpost：指不进行电压变换而用开关设备实现电路开闭的配电所。位置：设在车站、货场附近、电力机务段、枢纽站等大宗负荷处。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、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。（2）、分区亭（SP，分区所）—sectionpost：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并联或单独工作。

位置：设在两个牵引变电所中间，增加供电的灵活性、可靠性

作用：分相；越区供电；缩小事故的范围（3）、自耦变压器站（AT所）—autotransformerpost二、牵引变电所一次侧的供电方式(1)单边供电：电能由一个方向送来(2)两边供电：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。(3)环形供电：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段环路之中。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Ⅰ、单线区段①一边供电②两边供电Ⅱ、双线区段①同相一边并联供电②同相一边分开供电③双边纽结供电(2)牵引供电系统向电力机车的供电方式直接供电方式(DF)Directfeed带回流线的直接供电方式(DN供电方式)