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。广义的送接触网澡大体可副分为接膜触导线群(习惯算称为接迁触网)业及接触搜轨两大慎类。接触导础线悬挂哲于轨道葛上方，忧接触轨曲位于轨爪道中部泰或侧面挣。上海地碍铁采用慎架空式史接触网北京地延铁采用甘接触轨抵，接触垃轨安装锣于线路着行车方处向的左枯侧，集敲电靴采祥用上部踩接触方婶式受电迫。下部受涂电的接触轨钢铝复污合接触轨铝合金桌具有导快电性高狭、导热勒性好、直耐腐蚀质、吸震稠隔音、森比重轻伤等优点额，但其待弱点是邮：强度厅较低，今耐磨性散差；而识不锈钢敏具有强漂度及硬案度高、久耐磨性肿及延展视性好等折优点。钢铝复衣合接触轨在铝唤合金轨查的接触袋面上包册覆有一复层不锈烈钢带，风可大大提宿高耐怨磨性碑。又泉克服湿了两扮者的浪不足经之处脉，是饥一种袍理想遮的导板电轨贩复合测材料想。接触轨或安装在具绝缘支流架上，蔑绝缘支漂架通过盲胀锚螺等栓直接州固定在离整体道牙床上。6)电力改监控德系统电力沈监控搜系统勇也称馅SC泽AD尖A(伙Su杨pe方rv最is辈or恋y盾Co抄nt野ro零l绍an得d演Da秃ta翻A镇cq胆ui册si挤ti双on缩慧)。由设在吴控制中谱心的电狭力调度扣系统、掏通信通异道和设药在牵引天降压混负合所及魂降压所母的综合串自动化崖系统三述部分构廊成。该系笼统主牌要完子成对丢供电舍系统为及设饶备运借行状箩况的悉实时偿监控酒，为陈电力垃调度刷提供你自动尸化管披理手架段，侮保证贴供电聪系统俘安全数可靠融地运靠行。3.押2直流业电力薪牵引滔系统一、直惯流电机（一）加、直流殖电机的去组成（二凝）、灰直流月电机颂的工谋作原勿理（三）湿、直流羡电机的巷励磁方钻式（四迈）、越直流击串励贝电动附机的葵机械座特性二、直隆流牵引缓调速系柱统直流剃牵引氏调速稀系统献按电运源性锡质分帮为：直-直桑流牵引湖系统交-直棉流牵引优系统（一）冻、直流畏牵引电波动机的誉基本调椒速方法直流汪电动捞机的警转速箱表达鹅式U—电制动机的磁端电压Id—沉电动机勾的负载妖电流ΣR—彻电动机汉的总电垮阻Ce—慎由电动驴机结构迹决定的可电势常死数Φ—劳电动璃机的裕主极兽磁通（一捉）、因直流焰牵引假电动屋机调拿速的射基本去形式绘：1、哨调节肠牵引帆电机醋的端段电压（1腔）、菜变阻锤调压通过调王节串入喇电机回泽路的电伞阻的大肾小来改功变电动胡机的端踩电压以沙实现电震动机的忧调速。调节脱电阻名的方锦法又妈分两路类：有触点事式开关宇调阻无触点灰斩波调多阻这种调扩压方式染在电阻乱中消耗绍了大量悲的电能峡。（2）纺斩波调骂压在电拌路中桂接入悟能有票规则欢地导率通和独关断置的斩典波器山，则芹可以凯减低劫直流宴电动焦机两怨端的划平均唱电压滤。电做动机网两端侮电压出的平罗均值挪为：只要励调节姜导通教比，参即可突调节阔平均心电压环。随着半欧导体技般术的发装展，斩耕波器中壁的斩波裙元件经盛历了以角下的发赛展过程圆：晶闸垮管可关断精晶闸管欺（GT组O）绝缘门轻极晶闸趴管（I女GBT侄）斩波元阴件的发晋展，推数动了斩尝波器向甚电路简涛洁、控较制简单睡、轻型惭化方向蜻发展。2、盈调节桑励磁童磁通采取匝宾数短路滥法和分洲路电流摩法可以套减小牵孕引电动榜机励磁筑电流从警而减小虹主极磁册通，以克实现对莲转速的钓调节。直流牺控制谢系统触分为疾凸轮楚变阻渴控制共、斩滚波调张阻控碗制及班斩波腐调压顺控制惕。凸轮娇变阻乳控制就是在折牵引和朱电阻制美动时，呈由凸轮妻控制电梯器结点巩的开闭削，实现番制动电世阻的变赢换和串斤并联转惨换来调绪节直流渐牵引电挂动机的排电压及有电流。斩波调阻控嫂制就是用拔斩波器拖调节电烛阻值控工制直流腹牵引电稼动机的暗电压及销电流的条控制方堂式。斩波调压寒控制就是用裹斩渡器搬直接调硬节牵引劈燕电动机熊的电压割及电流童。凸轮变龙阻控制利用凸辱轮控制石器控制串电阻的汇接入与兼切除。凸轮凡控制粒器原乔理：绵由手笨轮转番轴、病凸轮师触点环等部听分组玩成。塘通过屠手轮胃转动苏转轴葡时，稻固定础在轴胳上的日凸轮旋就转槐动．娱凸块膨压在符滚轮汪上，徒使杠尚杆绕止其轴距转动督，压广缩弹伶簧，刊而使康动触废点离帮开静纳触点浊。若序将凸勺轮的录凹部复对准阔滚子钞，则疮在弹屯簧力月的作船用下舅而使粥动静表触点向闭合肢。这离种触吃头有功多对庆，每分对触组头相如应有汪一凸议轮。圆由于征凸轮迟的形桌状及梦其安粘装的道角度奋不同涝，所队以当叔手轮艺转到担不同和的位谦置时适，将奸有不乱同的挽触点脆闭合团或断蓄开。斩波饲调阻怨控制斩波调转阻控制虫用于串蓝励电动干机的电钟阻控制荡，斩波棒器与电蚀阻并联弃，可实那现电阻裙无级平谁滑调节宁，提高帆粘着性臂能，有扑利于更议好地发现挥列车燥电制动愈性能。斩波肚调阻流原理斩波调孩压控制凸轮电束阻调速信和斩波霜调阻控愁制，均航不可避雪免地存慎在浪费比电能的渔缺点。斩波调犯压是通富过改变盆直流电毁流接通屈和断开节的时间愚比例，摸就可以耍改变直责流电机耐上的电损压、电拨流平均痛值。3.边3交流电随力牵引赵系统一、先交流亚电机三相疾异步大电动辱机的轻机械优特性交流控举制系统条分为异四步电动蹈机和直泉线电机甘控制两大种。异步勇电动锁机控邀制就春是用瘦调压誉调频向装置玩控制都异步沙电动武机电响压及每频率险，实卫现牵代引和放电气迁制动轿。直线未电机夺与以族上不把同的棍是不窝采用忧旋转丧的异围步电氏动机粉，而洲采用协平面陷的交里流电隔动机诉即直胸线电害机的旺控制晕。二、交瓶流电动钟机调速汇系统对于交丛流异步工电动机胆，其转栋速为：式中圈S—安转差溉率；P—磁蚕极对数f—频暂率。因此维，三相交哥流电机衣调速方怖法可以痒分为：改变磁脾极对数调节转呜差率调节药供电抄频率其中尿只有倾调节宗供电抖频率艰的方挥法是喂理想科的方浙法。在变毙频调蛇速的场交流映传动第系统况中，漫按供耳电制头式的细不同炭，可熔分为狸：直流融—交因流交流迷—直脏流—纪交流城市轨即道交通舒多采用具直流—让交流方税式，干宜线铁路务则采用间交流—萝直流—皮交流的亩方式。由此呆可见表，将阔直流倡电转宁变成汤频率册可变个的交掏流电丹就是隔交流加传动剧的关鲜键所唱在。将直流足电转变疏成频率赏可变的蔑交流电漏的设备愉称为逆变息器。在车伸辆牵躲引的巷开始划阶段究，保愁持气铸隙磁至通为命常数敞，改奋变供豪电频闻率可旦以使葬电动委机的俱最大剖扭矩超基本电不变唯，达困到加稿速运睛行的饰目的纽奉。而在随玻后的牵策引阶段智，保持忠电压不钻变而改金变频率自，则最区大扭矩博随着频羊率的上息升而下辆降，实善现恒功径率控制仪。用在贱交流查变频坐调速阀传动童中的眠逆变奇器实你际上触是变卧压变来频器畅，变辽压（坑Va沟ri坚ab咐le泉V厘ol懂ta箱ge市）,丽简称螺VV勒，变捏频（侨Va粘ri销ab发le弟F记re宪qu袖en仇cy豆）,泻简称姻VF峡，故梁变压今变频念器简朋称为速VV蛛VF船装置俗。三、健交流橡传动闪的脉沉宽调钩制控成制技但术VV史VF殖技术许又分咱为两烛种：一种是挠脉冲幅气值调制搬，称为仇PAM旁（Pu福lseAmp栏lit热ude锐Mo合dul肤ati斥on)呢,变压耐变频分念开完成赔。另一种访是脉冲托宽度调掘制，称稼为PW录M（燃Pul研se乏Wid鄙th但Mod等ula死tio埋n),平变压变旁频集中哥在逆变享器中一暂起完成藏，这是配随着快辈速半导惭体开关惭元件G申TO、相IGB竿T等的蜓发展的脉结果。3.框5广州通地铁刮一号服线车秤辆牵歇引系歪统牵引/安制动系型统组成广州地盛铁一号盆线车辆窜牵引和堆电制动匪系统由静德国A完Dtr打anz鼻公司提稼供，是碰国内首辛家采用置交流传妇动和动芹力分散间型控制孕技术的匠地铁车兼辆项目顾。整个划系统宇由受盏电弓傲、高夕速断毕路器坝HS捡CB雀、V活VV闲F牵梯引逆肉变器从、D更CU挣（牵串引控荐制单非元）队/U质NA程S（逆巨变器而保护减监控呢单元糟）、牵素引电晚机，浊制动熟电阻血等组脚成。1两——坝D色CU铃对V姨VV牛F逆板变器材的线干路电哑容器精充/伟放电舒控制2种——易D典CU特/U黄NA任S对址VV颂VF峡逆变孙器及播电机护转矩盈控制牵引系佩统组成畏示意图列车受遗电弓从肤接触网妇受流，域通过高长速断路块器后，述将15肚00V念DC送之入VV盆VF牵庄引逆变勿器。V贱VVF偿牵引逆翅变器采向用PW昼M脉宽脚调制模谎式，将宋150亮0VD威C直流浮电逆变腾成频率涨、电压缺可调的扰三相交岸流电，目平行供洗给车辆意四台交原流鼠笼秀式异步窄牵引电丝式机，对越电机进也行调速散，实现晨列车的畅牵引。其半细导体培变流辩元件忠采用伏45傍00均V/盖30烤00肺A的奔GT星O。VV伞VF输出蜡电压术的频上率调健节范肠围为凯0翅~引11父2融Hz怕，幅僚值调模节范同围为约0掩~搅11茎47勿V殃AC膛。牵引电喷机通过尽齿轮连检轴节和议齿轮将爸从电机绣产生的暗力矩传睁到车轮钓车轴。在“牵专引”过小程中，这个幼系统搜通过浅线路胀向电的机逆恰变器虏模块战供电恭，使色电机抱逆变背器模翻块完息成振晌幅和斧频率绕可调厘的三脸相电哪压（肆VV票VF统）驱品动牵叨引电侦机运杠转，弯完成巴电能终转化分为机蕉械能圣。在“制君动”时犹，使牵竭引电机荒充当发梅电机发量电，并廊通过接棉触网馈蓝电，供他给其它爱列车或揪者在制饲动电阻像中消耗衬。完成贡机械能咳转化成革电能。牵引晕系统镇基本剩参数牵引逆遭变器V太VVF更：线电暴压较UN却=籍1火00归0扑~构18栗00廊V众DC输入度线电楼流捎I绢N柔=越4项80添A最大线继电流（猫牵引）塑I烫ND驾MAX毛=辰692匪A最大惑线电妇流（鞠制动蔽）因I俯N瓜BM锯AX恼=蛾1午17室1四A输出电慌流别I涉A训=7屯20态A最大输款出电流兵I形AM液AX仪=1谋080六A最大保魂护电流姨I抹MA敏X=驾29鉴00忧A输出匙电压旁U她N谅=温0烧~天10淘50渡V输出脸频率梳fA好=笑0驼~唐1丘12租H灭z\GTO册最大开迈关频率率f覆P=黄45悟0H蜂z制动掩斩波令模块傻斩波亿频率唤fB壮=扔2呈50园H舱z模块煤冷却灾方式盐强燥迫风堆冷牵引电件机：基本工党作原理整个患控制吃系统残由输执入值杜设定旧、速嚷度测屡量、交电机蔬控制拣、脉稼冲发灭生器昨、能护量反疮馈各但环节鸟构成袭。D贩CU显通过忧列车晨线接桑受来活自控回制系笔统的瓶牵引拜/制岗动力奶绝对煎值（些以百循分比系的形洁式）纱，与军此同宵时还福接受梅司机莲发出枝牵引攀或制弃动指徒令，隆来决妖定是地施加筑牵引探或制滚动力们。在给定网值进行普实际电捷机控制帜前，必胳须经过租以下条负件的处社理:输入淋值设狱定载荷校姜验：DCU榨根据相冰应动车摇的载荷葵状况来销调整实趣际牵引兽/制动敌力，这视是由于筹采用了立动力分辨散型控纲制，为蝴了保持男车钩之骄间的相穿对运动糊最小，引并且使程整车达百到相同待的动态比特性。速度宝限制曲（牵赶引时鸽）：广州崭地铁币一号约线规跨定了饱3个划速度阳限制堤，速羞度控娱制的喝优先妄级高俩于电桑机控后制。正常速驶度：炸8购0携km/短h倒车速歇度：律1前0斤km/看h慢行速胃度：焦3贺km浆/h线电流誉限制（贴牵引时歇）：在牵跪引工序况时截，线拐电流碌控制裁的优驶先级纽奉高于查电机娱控制针，出淡于功嗽耗的讲考虑殖，该坡限制摸值为瓦不超垂过每单节动跃车7皆20腔A。欠压保泥护（制标动时）：在制颈动时川，网狭压一涉直受丽到检轮测，团当网炒压降嫂到1更50昌0V测以下苍时，迹制动怖力矩腿随速弓度和壳网压驶相应惩的减专少，哲这时妨不足礼的制饿动力寄由气悲制动锣补充蚕。空转筛/滑途行保观护：空转稻/滑礼行保偿护通榜过比复较拖验车动眯车之胜间的丢速度乏差异劳来实悲现，丽通过旬适当雄减少芒力矩狸设定税值，板该保幼护能扑确保岔输出膨最大虏所要讨求的现牵引做/制孝动力冰，当庆拖车晒速度嗓检测盆失败烦时，歇该保跃护还豪可以范通过殿仿真死计算愿拖车械速度米来保溜证正忘常功牢能。速度检俗测每个牵译引电机籍带一个蔬速度传叨感器，挥输出两盈个通道变，每个柄通道相盗差为9唱0º的骨方波（边电机每追转为2爱56个落脉冲）次，通过专判断相绳差可以亿确定旋跳转的方倦向。每夹个牵引锈控制单够元连接取3个速熊度传感盏器。在忧正常情牢况下，祖该数值寒直接送蜡入DC挽U进行逆牵引控含制，在帝进行速期度测量仪的时候瞧，如果铺出现各策速度值蠢不相等阵的情况识（例如门，空转驻/滑行殊时），获甚至在饶极端情施况下，介只有一颠个电机兆的速度猪信息对细于牵引伤控制来安说都是壳足够的逮。当D盾CU监糟控逻辑汉系统发向现有一许个速度雷传感器绝故障时津，马上蹄封锁该呼速度信伸号，以炕免对牵敲引控制期造成严买重的影刊响。除了电肠机速度急，在D滩CU中恭同样检表测拖车井的速度闷。在拖础车一个时轴上装勤有一个建编码速歼度传感铺器，同添电机速尿度传感其器不同已，该传怨感器是翅单通道罗的（每删周11遗1个脉场冲）。速度值省通过计服算脉冲嫩数，然小后与参垄考时钟弱周期计案算得到疑。脉冲饲模式浙发生哭器脉冲模察式发生有器根据污电机控姨制的三响个输入有变量：熟相控因林数、定较子频率恒、和校脾正角实仅时计算阔牵引逆编变器中谣的GT界O触发遣脉冲。电机扎控制采用捆空间错矢量续控制姻，电晒机的腥磁通路大小贷和方锣向（容空间喂矢量花）通嘉过逆半变器牛输出越线电谅压和蜻相电坡流，师电机迷速度睁等参为数近妻似得牵到。绕组晚中的纸电流靠和电势机电楼压作刺为空嚼间矢猾量与顷磁通播量有汉关，荡该解房诚耦过盏程使涛得可朱以单柴独控肚制磁跃通和地力矩送（磁盖场定陵向控借制）羞。能量敌反馈在电机地的能量糟反馈中戚,能量匙反馈到满电网中泼,如果竭在电制甜动的情肃况下,振能量不塞能被电弯网完全困吸收,封多余的叼能量必探须转换藏为热能钻消耗在鸭制动电捷阻上，脚否则电掏网电压鼻将抬高蝴到不能层承受的始水平。受电蔬弓广州地贡铁每列某车上有涛2个受幅电弓，绳位于B街车车顶帐。受电议弓把电跟流从接样触网传吩导到车垃辆上。正常拴情况猪下可驰通过格压缩谎空气能升起旱受电缸弓，词而受殊电弓迅的控辅制是斥通过升电磁点阀进刮行控顷制。如果压择缩空气齐失败（径即压缩宗空气压宴力不够殊），车总顶的受浇电弓会俘在弹簧灭拉力下榆回到降贺弓位置键。在这玻种情况再下，用尸安装在栏B车2秧位端电响气柜中而的脚踏扔泵可使掠受电弓壤升起。受电弓站包括底闯架、构番架、弓砖头、拉贩伸装置醒及下部剂组成。底架底架安询装在车牛顶，它论由方形细的中空有管、角艺钢及板梯的焊接叙构件组藏成，它奥作为下察臂的支歇撑装置窃，包括拢轴承、富下导杆肾的轴承杜滑轮、床拉伸弹凯簧的悬纵挂及气垦压升弓白传动装蜘置，主绸要的电版器连接颜位于底华架后部港的镀铜昂部件。升降装禾置升降装顺置控制把受电弓墙框架接秀触滑板叮与上部宏接触网壁接触的暮范围，并要求的辽提升力高由拉伸粪弹簧产示生，下票降力由傲气压升右弓传动狐装置产纺生。在受招电弓唤两侧首下导恰杆的潜侧下偿方安舒装有高度懒止挡堡，其植两个炸螺钉替限制淘受电捏弓的摆升起突的最亮大高刷度，咬使受武电弓译在垂摧向不百会产某生任稠何的秒位移迈。高度止妇挡是使饱受电弓蛇的最大笛提升高母度不超楼过20框50m胆m（从掉绝缘子盖的下部呼边缘测巧量起）宣。绝缘子受电比弓安拐装在怒4晒个绝逮缘子斑上，葡绝缘质子由框环脂讯充填呢树脂寸制成歼，由坝一个氧不锈灭钢M存20平的螺倍母安课装在面车顶们。螺更栓螺逢纹的看可用扣高度怨为2誉0慎mm宽。构架受