城市轨道交通牵引与传动

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、3000V交流：6250、15000、25000V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10~35kV。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(110～220kV)降为中压(10～35kV)，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110~220kV。3)牵引变电所牵引变电所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。基于以上原因，世界各国城市轨道交通的供电电压都在直流550～1500V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600V、750V和1500V三种，后两种为推荐值。我国国家标准也规定为750V和1500V。以北京和天津为代表的北方地区采用DC750V供电电压制式，允许电压波动范围为DC500V～DC900V，第三轨受流；以上海和广州为代表的南方地区采用DC1500V供电电压制式，允许电压波动范围为DC1000V～DC1800V，架空接触网受电弓受流。从减少电能损失和电压降，延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DC1500V的牵引供电电压制式比采用DC750V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DC1500V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DC1500V。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。下部籍受电针的接触轨钢铝复搞合接触轨铝合金弊具有导逐电性高乓、导热世性好、昌耐腐蚀练、吸震纸隔音、英比重轻借等优点赛，但其甩弱点是至：强度年较低，扁耐磨性辣差；而土不锈钢疮具有强签度及硬菌度高、粉耐磨性甘及延展改性好等忘优点。钢铝线复合接触轨在计铝合亏金轨家的接艺触面冒上包霜覆有住一层拐不锈着钢带迫，可大大提释高耐甩磨性得。又性克服邀了两泊者的株不足珠之处绩，是汗一种皮理想毙的导检电轨兵复合遗材料跨。接触轨安坟装在绝缘预支架上，悟绝缘支架牢通过胀锚忍螺栓直接齐固定在整霞体道床上延。6)电力迷监控周系统电力监歉控系统袍也称S亦CAD婚A(S守upe汤rvi披sor辣yC朵ont董rol赵an剑dD愤ata店Ac扁qui垂sit景ion犹)。由设在怪控制中甚心的电爷力调度摇系统、羽通信通使道和设用在牵引世降压混潜合所及初降压所梢的综合窗自动化爱系统三傻部分构卧成。该系统桨主要完询成对供注电系统晶及设备遵运行状尤况的实激时监控为，为电横力调度殃提供自古动化管挣理手段衫，保证户供电系有统安全狮可靠地蜻运行。3.2直流馒电力豆牵引献系统一、直流驱电机（一）视、直流燃电机的蜡组成（二）、互直流电机翅的工作原易理（三）、束直流电机催的励磁方梁式（四）、题直流串励颈电动机的者机械特性二、直流结牵引调速芦系统直流牵纱引调速都系统按立电源性乖质分为徒：直-直支流牵引内系统交-直高流牵引掏系统（一）、粉直流牵引少电动机的攀基本调速汗方法直流拣电动引机的撇转速毫表达模式U—电动赔机的端电脑压Id婆—电锐动机钱的负步载电艳流ΣR—电必动机的总推电阻Ce—由备电动机结繁构决定的义电势常数Φ—电动两机的主极恨磁通（一）友、直流已牵引电斑动机调驴速的基舌本形式慕：1、脸调节否牵引候电机勉的端均电压（1）、祸变阻调压通过倡调节前串入颂电机涉回路栗的电市阻的乖大小盈来改趟变电字动机酿的端槽电压娱以实泛现电犁动机拔的调叉速。调节电芽阻的方耍法又分欺两类：有触明点式壳开关辉调阻无触点斩耽波调阻这种调辟压方式绩在电阻塔中消耗办了大量销的电能烂。（2由）斩夺波调蔬压在电仆路中抬接入哄能有婚规则签地导苦通和临关断直的斩软波器章，则小可以往减低温直流警电动给机两唐端的胆平均摄电压传。电锻动机迫两端归电压股的平屠均值侦为：只要河调节愁导通航比，惹即可板调节荐平均脚电压轻。随着半虫导体技豪术的发飞展，斩筋波器中例的斩波矩元件经蕉历了以攀下的发蕉展过程筹：晶闸管可关断贸晶闸管绿（GT剪O）绝缘门极惜晶闸管（仿IGBT约）斩波元件须的发展，旷推动了斩竿波器向电王路简洁、浆控制简单目、轻型化穴方向发展众。2、调厕节励磁栗磁通采取匝迹数短路携法和分减路电流喊法可以秆减小牵旧引电动诸机励磁愧电流从泊而减小也主极磁得通，以歉实现对截转速的言调节。直流淡控制体系统衣分为涂凸轮锄变阻愧控制钉、斩页波调梨阻控怜制及柳斩波候调压衔控制抓。凸轮变仇阻控制就是泪在牵滚引和币电阻锄制动散时，圈由凸脖轮控帜制电脾器结厦点的既开闭眼，实差现制钢动电叙阻的飞变换液和串息并联脚转换稍来调使节直递流牵窗引电凡动机拜的电歼压及索电流姻。斩波调阻翠控制就是用割斩波器借调节电拨阻值控均制直流狼牵引电望动机的禽电压及月电流的筋控制方期式。斩波调压穗控制就是用斩视渡器直接逮调节牵引筐电动机的批电压及电踏流。凸轮变阻擦控制利用凸轮齿控制器控阀制电阻的萍接入与切姐除。凸轮雷控制座器原诉理：降由手萌轮转玩轴、汗凸轮莲触点倘等部粥分组趁成。命通过盈手轮爽转动讽转轴辣时，睬固定低在轴浩上的辆凸轮兰就转生动．膜凸块仆压在叠滚轮至上，望使杠夹杆绕野其轴常转动笨，压忙缩弹迷簧，合而使异动触嘱点离辛开静阀触点员。若帮将凸绵轮的肿凹部男对准翁滚子葬，则宵在弹买簧力卖的作对用下批而使防动静倡触点秋闭合阴。这仇种触妻头有胁多对蓬，每窄对触附头相扑应有勇一凸蜓轮。踪蝶由于畜凸轮降的形役状及奇其安泉装的捉角度挡不同娘，所投以当鸡手轮玩转到呈不同孤的位舱置时器，将虎有不丧同的朝触点秋闭合辛或断封开。斩波调阻仆控制斩波调章阻控制柴用于串找励电动劫机的电校阻控制曾，斩波师器与电更阻并联柳，可实影现电阻辆无级平怎滑调节出，提高僻粘着性择能，有稿利于更价好地发盯挥列车女电制动泻性能。斩波钓调阻步原理斩波版调压例控制凸轮电阻烈调速和斩裕波调阻控雁制，均不究可避免地乖存在浪费岸电能的缺销点。斩波调压访是通过改订变直流电则流接通和晓断开的时位间比例，绞就可以改快变直流电洁机上的电出压、电流木平均值。3.3交流电力摊牵引系统一、交流粮电机三相异竖步电动府机的机叔械特性交流盟控制园系统园分为疏异步鲁电动童机和孩直线妻电机公控制葵两种的。异步电劫动机控拘制就是喷用调压闭调频装想置控制泉异步电预动机电菠压及频醋率，实累现牵引竖和电气浙制动。直线电机出与以上不翁同的是不僵采用旋转嚷的异步电专动机，而渐采用平面泰的交流电备动机即直户线电机的棉控制。二、交流乱电动机调新速系统对于交流慨异步电动篇机，其转标速为：式中志S—由转差率筒；P—事磁极奏对数f—冤频率洲。因此，三相彩交流识电机虏调速饿方法脉可以涛分为活：改变磁极破对数调节转嗓差率调节铸供电久频率其中您只有徒调节聪供电欢频率刺的方芳法是低理想苦的方惯法。在变频调为速的交流贝传动系统巡寿中，按供锡电制式的冰不同，可摸分为：直流断—交裁流交流—直权流—交流城市轿轨道殃交通件多采鸽用直足流—圆交流肢方式自，干亡线铁他路则捏采用奥交流星—直虫流—肤交流目的方榆式。由此可见石，将直流雪电转变成梯频率可变论的交流电辩就是交流办传动的关棍键所在。将直流电婶转变成频著率可变的转交流电的肉设备称为逆变器。在车裳辆牵浓引的野开始说阶段脖，保闻持气考隙磁寨通为晋常数敌，改饱变供秘电频拒率可名以使尖电动吼机的启最大浑扭矩遇基本扫不变福，达灵到加指速运犬行的牛目的嚷。而在轰随后勒的牵嫌引阶食段，震保持始电压亏不变棵而改库变频昏率，岂则最筹大扭币矩随炕着频摊率的类上升性而下呜降，萌实现驱恒功找率控辅制。用在交流格变频调速得传动中的嗓逆变器实涛际上是变竭压变频器分，变压（乒Vari屯able厕Vol园tage垂）,简称宜VV，变必频（Va哨riab风leF凉requ寨ency矛）,简称装VF，故首变压变频剩器简称为涨VVVF冻装置。三、交流袍传动的脉虽宽调制控术制技术VVV数F技术化又分为盯两种：一种是抓脉冲幅楚值调制轨，称为却PAM默（Pu握lseAmpl瓶itud超eMo耳dula鬼tion量),变压邀变频分开匹完成。另一种是术脉冲宽度崖调制，称鞠为PWM葛（Pu蔬lse坏Widt增hMo掉dula胜tion绝),变压示变频集中茅在逆变器订中一起完唉成，这是册随着快速办半导体开贝关元件G亿TO、I遗GBT等雄的发展的订结果。3.5广州地章铁一号逆线车辆探牵引系给统牵引/制暮动系统组为成广州地罢铁一号雾线车辆星牵引和忌电制动缘瑞系统由叶德国A有Dtr挖anz焦公司提想供，是续国内首占家采用晋交流传村动和动辰力分散贪型控制片技术的汁地铁车磨辆项目孕。整个棒系统传由受吉电弓芒、高套速断宾路器主HS达CB绵、V缠VV俘F牵聚引逆秆变器颂、D大CU珍（牵课引控伟制单景元）卡/U矛NA估S（逆变器立保护监控边单元）、牵引休电机，允制动电月阻等组捡成。1—糠—D饥CU对股VVV饱F逆变阿器的线底路电容蚀器充/妈放电控版制2——盗DCU袍/UNA醋S对VV螺VF逆变刘器及电机丝式转矩控制牵引股系统淹组成泥示意屠图列车受电蚊弓从接触横网受流，悠通过高速巷断路器后遇，将15和00VD对C送入V罚VVF牵故引逆变器饮。VVV社F牵引逆戴变器采用浓PWM脉稼宽调制模感式，将1英500V低DC直流蔬电逆变成奖频率、电降压可调的膏三相交流因电，平行每供给车辆想四台交流要鼠笼式异玻步牵引电灶机，对电杂机进行调男速，实现棉列车的牵惕引。其半导体骗变流元件尚采用45绑00V/凭3000拥A的GT奖O。VVVF输出电东压的频户率调节辛范围为苏0~鼓11质2H便z，幅栽值调节秘范围为征0~作11样47劈燕VAC枣。牵引贤电机删通过钱齿轮屿连轴远节和鱼齿轮己将从狗电机营产生羞的力赚矩传烧到车臣轮车陷轴。在“牵曲引”过岛程中，这个系统康通过线路王向电机逆搂变器模块膀供电，使进电机逆变蠢器模块完搏成振幅和偏频率可调绪的三相电弯压（VV沿VF）驱牧动牵引电细机运转，榜完成电能敲转化为机踩械能。在“制动呢”时，使药牵引电机变充当发电宫机发电，器并通过接喘触网馈电遇，供给其洽它列车或甚者在制动幸电阻中消么耗。完成叶机械能转颠化成电能去。牵引系坚统基本忠参数牵引逆衔变器V求VVF棵：线电璃压船UN犁=态1此00需0兽~状18鸽00甚V呀DC输入线肥电流展I负N情=4畏80眨A最大线电疗流（牵引惜）例IN僵DMAX缠=6椅92A最大今线电园流（屠制动袭）腥I冶N叼BM壤AX垦=垃1站17俯1棋A输出电流烦IA撕=72作0A最大输出耕电流光I穗AMAX忠=1参080棚A最大保受护电流展I离MA驴X=摄29取00改A输出电压报U修N=像0~姜1050锤V输出频沫率座f渐A=窃0罪~1挽12失Hz\GTO最琴大开关频偷率敞fP=女450肯Hz制动斩波蒸模块斩波规频率由fB乳=2碑50H站z模块冷却傅方式廊强迫风课冷牵引电丹机：基本工和作原理整个控趁制系统番由输入款值设定蜻、速度挽测量、故电机控汉制、脉挺冲发生英器、能馆量反馈蜻各环节鼠构成。劈燕DCU弄通过列掠车线接蜓受来自讯控制系估统的牵勿引/制撇动力绝溪对值（季以百分载比的形顿式），腔与此同诱时还接拦受司机研发出牵艰引或制词动指令致，来决妄定是施槽加牵引员或制动慨力。在给定据值进行帆实际电耐机控制困前，必摇须经过炉以下条症件的处版理:输入值设疲定载荷校验：DCU根涂据相应动拾车的载荷靠状况来调饰整实际牵匀引/制动旁力，这是怖由于采用芒了动力分天散型控制秆，为了保苗持车钩之然间的相对械运动最小苏，并且使碰整车达到押相同的动侦态特性。速度宾限制眯（牵冰引时道）：广州地铁悼一号线规肃定了3个属速度限制浑，速度控余制的优先袋级高于电捆机控制。正常中速度瞎：惜80略km搜/h倒车速年度：使1惰0欲km/慢h慢行妈速度窗：旁3拉k妖m/翻h线电流限挥制（牵引链时）：在牵引工骆况时，线废电流控制牵的优先级搁高于电机库控制，出夸于功耗的削考虑，该船限制值为控不超过每角节动车7便20A。欠压保估护（制在动时）：在制沿动时俱，网循压一态直受棕到检浮测，村当网恼压降另到1责50住0V征以下爱时，平制动井力矩伪随速帖度和蒙网压疗相应涉的减陶少，编这时旗不足下的制煤动力迅由气得制动戴补充泼。空转/滑棵行保护：空转/撕滑行保如护通过胖比较拖赶车动车悟之间的垃速度差势异来实亩现，通姨过适当帖减少力鹅矩设定勤值，该找保护能雄确保输牙出最大霜所要求榆的牵引恳/制动沟力，当甲拖车速内度检测改失败时时，该保州护还可速以通过班仿真计喝算拖车雷速度来据保证正窜常功能包。速度检拆测每个哪牵引桶电机终带一灭个速仗度传带感器涝，输腰出两疾个通酸道，比每个疫通道亿相差开为9痛0º京的方尸波（婆电机毒每转疗为2股56侨个脉处冲）冷，通键过判谅断相滩差可总以确币定旋偷转的样方向的。每低个牵文引控仗制单积元连阳接3让个速恩度传中感器箩。在葵正常租情况谋下，视该数营值直朵接送吉入D填CU首进行微牵引培控制夜，在破进行薯速度迫测量令的时净候，吊如果劲出现滋各速粮度值哑不相熊等的情情况撇（例扇如，咱空转压/滑劣行时魔），屈甚至联在极以端情州况下糟，只严有一雄个电挡机的瞧速度孙信息墨对于董牵引西控制斗来说穴都是围足够动的。火当D袜CU滑监控死逻辑需系统秩发现链有一死个速画度传般感器绑故障柱时，聚马上片封锁巧该速渗度信闲号，喜以免留对牵够引控祸制造湿成严枯重的品影响破。除了电机士速度，在孙DCU中律同样检测滚拖车的速霸度。在拖柏车一个轴负上装有一坊个编码速分度传感器怜，同电机糟速度传感沃器不同，怒该传感器驴是单通道脚的（每周己111个雪脉冲）。速度坑值通预过计东算脉晋冲数戒，然沈后与贱参考模时钟秩周期归计算宴得到副。脉冲模仓式发生填器脉冲薯模式在发生挨器根跟据电清机控脾制的湖三个朽输入立变量座：相晋控因冈数、谁定子唱频率兴、和喘校正解角实童时计礼算牵烂引逆扣变器桐中的套GT链O触爸发脉掌冲。电机控搅制采用空暖间矢量瓶控制，临电机的粘磁通大搂小和方任向（空益间矢量钳）通过阿逆变器愤输出线尾电压和觉相电流散，电机构速度等勿参数近标似得到羞。绕组中的主电流和电习机电压作菠为空间矢岁量与磁通瘦量有关，什该解耦过倡程使得可贝以单独控雁制磁通和杀力矩（磁厨场定向控腔制）。能量反馈在电机的把能量反馈励中,能量洞反馈到电骡网中,如茂果在电制纽奉动的情况艺下,能量智不能被电母网完全吸汗收,多余浅的能量必受须转换为消热能消耗胸在制动电睡阻上，否桃则电网电宇压将抬高果到不能承答受的水平受。受电如弓广州地破铁每列弓车上有蝴2个受垂电弓，井位于B奇车车顶恩。受电胡弓把电暖流从接惕触网传镜导到车否辆上。正常怪情况巧下可给通过保压缩竭空气弱升起尼受电抛弓，权而受各电弓段的控乒制是暂通过布电磁垄阀进放行控壶制。如果压套缩空气疼失败（概即压缩葡空气压瞧力不够墨），车汽顶的受衫电弓会弦在弹簧谈拉力下捏回到降叠弓位置叮。在这烧种情况圾下，用肠安装在香B车2汗位端电度气柜中莲的脚踏身泵可使享受电弓脉升起。受电云弓包久括底付架、决构架签、弓斧头、皂拉伸蛇装置环及下赏部组洲成。底架底架壮安装泪在车乱顶，池它由捎方形宽的中间空管必、角休钢及拐板的扎焊接架构件送组成级，它晕作为从下臂兴的支铅撑装轨置，股包括弃轴承添、下莲导杆乳的轴框承滑外轮、欠拉伸跃弹簧竖的悬广挂及烦气压个升弓王传动堤装置火，主构要的省电器诱连接兴位于牛底架找后部默的镀帜铜部跪件。升降江装置升降装舍置控制调受电弓吹框架接甩触滑板撤与上部淘接触网眯接触的出范围，孤要求的钳提升力右由拉伸卫弹簧产纽奉生，下臭降力由产气压升芹弓传动挨装置产兄生。在受电弓菌两侧下导具杆的侧下赚方安装有高度止挡硬，其两个难螺钉限制减受电弓的针升起的最吃大高度，戏使受电弓芳在垂向不臂会产生任弊何的位移给。高度止挡燃是使受电喊弓的最大眯提升高度肢不超过2担050m桌m（从绝王缘子的下栏部边缘测倒量起）。绝缘子受电弓肥安装在顿4个记绝缘子婶上，绝职缘子由促环脂