电力牵引论文

电力电子技术应用调研论文——电力牵引一、概述电力机车或动车的牵引电动机将电能转换为机械能，驱动铁路列车、电动车组和城市轨道交通电动车辆组运行。主要由电源、牵引变电所、接触网（接触轨）、轨道回路和电力机车、动车组等环节构成的系统以实现电力牵引。电力牵引的核心部分是电力电子与电力传动，其主要特点为：蓄电池供电，四象限运行，恒力矩控制，高温、强振动环境等。这些特点对电力电子设备要求较高，目前我国用在电力牵引的电力电子变换器仍以进口产品为主，国产产品也正在快速成长之中。但主要问题仍然是适应性差，动态性能不够，可靠性差。二、分类电力牵引正成为世界各国交通发展重点。电力牵引主要包括高铁、地铁、城市轻轨、电动汽车等。1、高铁技术由于电力机车本身不带原动机，需要靠外部电力系统经过牵引供电装置供给其电能，故电气化铁路是由电力机车和牵引供电系统组成的。电力机车由机械部分（包括车体和转向架）、电气部分和空气管路系统构成。车体是电力机车的骨架，是由钢板和压型梁组焊成的复杂的空间结构，电力机车大部分机械及电气设备都安装在车体内，它也是机车乘务员的工作场所。转向架是由牵引电机把电能转变成机械能，便电力机车沿轨道走行的机械装置。它的上部支持着车体，它的下部轮对与铁路轨道接触。电气部分包括机车主电路、辅助电路和控制电路形成的全部电气设备，在机车上占的比重最大，除安装在转向架中的牵引电机之外，其余均安装在车顶、车内、车下和司机室内。空气管路系统主要执行机车空气制动功能，由空气压缩机、气阀柜、制动机和管路等组成干线电力牵引中，按照供电电流制分为：直流制电力机车和交流制电力机车和多流制电力机车。交流机车又分为单相低频电力机车（25Hz或162/3Hz）和单相工频（50Hz）电力机车。单相工频电力机车，又可分为交--直传动电力机车和交—直—交传动电力机车。牵引供电系统主要由牵引变电所和接触网两部分组成，所以人们又称电力机车、牵引变电所和接触网为电气化铁道的三大元件。其工作原理为电力机车靠其顶部升起的受电弓和接触网接触获取电能。受电弓升起时，紧贴接触网线摩擦滑行，将电能引入机车，经机车主断路器到机车主变压器，主变压器降压后，经供电装置供给牵引电动机，牵引电动机通过传动机构使电力机车运行。电牵引变电所的主要任务是将电力系统输送来的110kV三相交流电变换为27.5（或55）kV单相电，然后以单相供电方式经馈电线送至接触网上，电压变化由牵引变压器完成。牵引网是由馈线、钢轨回流线、接触网组成的双导线供电系统，完成对电力机车的送电任务。电力牵引供变电系统是指从电力系统接受电能，通过变压，变相后，向电力机车供电的系统。牵引供电回路是由牵引变电所、馈电线、接触网、电力机车、钢轨、地或回流线构成。另外还有分区亭、开闭所、自耦变压器站等。其工作原理图如下：电气化铁路的供电方式在目前220kV及更高系统逐步形成之情况下，当采用110kV系统给铁道牵引供电时，就较少采用环形方式，双边供电等方式，而多用单边供电或带有备用开关的双边侧供电及环形供电等方式。2、城市轻轨技术城市轨道交通电力牵引（electrictractionofurbanrailwtransit）以电力系统城市电网的电力为动力源，在车辆上将电能转换为机械能，从而牵引列车组在轨道上运行的一种城市交通牵引动力形式。由于它具有准时、快捷、安全、舒适、运量大、编组灵活及节能、无污染等优点，已经成为世界许多国家大中城市公共交通的骨干。目前全世界已有40多个国家的130多个城市，共修建了7000km的城市轨道交通（包括地铁、轻轨）线路。城市轨道交通电力牵引主要由牵引供电系统和电动车组构成。引供电系统主要由牵引变电所和牵引网组成，牵引变电所的作用是将城市电网的交流电压（一般为110kV、：35kV或10kV）降压并整流成为直流电压。牵引网由馈电线、接触网、轨道和回流线组成。接触网是牵引网中最主要的组成部分，车上的受电器通过与它可靠地直接滑动接触，不断取得电能，以保持电动车组的正常运行。接触网按其结构可分为接触轨式和架空式两种。接触轨式是沿走行轨道一侧平行铺设第三轨，电动车组从侧面伸出的受电器——接触靴与其滑动接触而取得电能。架空式接触网是架设在走行轨道上部的接触导线、承力索系统。电动车组从上都伸出的受电器（受电弓）与接触导线滑动接触取得电能。电动车组由牵引供电系统供给电能，驱动车辆上的电动机，产生牵引力牵引在轨道上行驶的列车组。列车组中的车辆主要分两类：有动力装置的动力车和无动力装置的拖车。动车和拖车又有司机室和无司机室之分。为保证动车组良好的性能和股务，近年来车体大多采用铝合金或不锈钢材料；走行部采用动力制动（包括再生制动和电阻制动）辅以空气制动。在运行方式上，应用了自动驾驶系统。在服务设施上，增加了客室容量，采用空调、通风等设施。动车组的最高运行速度多数在80km/h，2min时间间隔，也有少数城市在100km/h以上。线路的站间距离；市区一般1km左右，郊区多为1.5km〜2km。城市轻轨存在的问题地下迷流在直流牵引供电中，牵引电流并非全部由钢轨直接流回牵引变电所，而是有一部分由钢轨杂散泄漏流入大地，再由大地流回钢轨和牵引变电所，这种地下杂散电流被称为地下迷流。牵引电流越大或钢轨对地绝缘程度越差，地下迷流就越大。地下迷流主要有两个危害：一是轨道线路附近的各种地下电缆或金属构件将因电解现象被腐蚀损坏：二是在电气接地装置上将会引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作。因此必须采取防护措施，尽量减少迷流源的泄漏，限制迷流向线路外部扩散：对线路附近的地下金属管线应采取有效的防蚀措施。谐波由于牵引变电所大功率整流设备和动车组中其他变流装置等的非线性负荷特性，使牵引供电系统成了城市电网的一个重要谐波源。为了抑制谐波对轨道交通系统本身和电力系统其他用户的危害，常常采取增加整流器的整流相数、设置滤鞋装着、保持三相负荷平衡、采用电容吸收等方法来解决。3、地铁技术地铁电气系统是指静止辅助电源系统和主传动电路系统。随着电力电子技术的发展,它们在城轨车辆中的应用也在不断地进步和发展。车辆上的静止辅助电源,主要用作空调机、通风机、空压机、蓄电池充电器、照明及控制等辅助设备的供电电源。随着电力电子技术的发展,辅助电源系统已从早期的旋转式电动-发电机组模式进步为静止式变流机组,即所谓的静止辅助电源装置。它的技术和原理与城市轻轨相似，而且普通民众由于对城市轨道交通系统接触较少，认识时间较晚，概念上有些误区。有人认为城市轨道交通中，在地面以下行驶的叫地铁，在地面或高架上行驶的就是轻轨；还有人认为轻轨的钢轨重量比地铁轻，这两种认识都是错误的。城市轨道交通分为地铁和轻轨两种制式，地铁和轻轨都可以建在地下、地面或高架上。按照国际标准，城市轨道交通列车可分为A、B、C三种型号，分别对应3米、2.8米、2.6米的列车宽度。凡是选用A型或B型列车的轨道交通线路称为地铁，采用5〜8节编组列车；选用C型列车的轨道交通线路称为轻轨（上海轨道交通8号线除外），采用2〜4节编组列车，列车的车型和编组决定了车轴重量和站台长度。在我国的规范中是指，轴重相对较轻，单方向输送能力在1万〜3万人次的轨道交通系统，称为轻轨；每小时客运量3万〜8万人次的轨道交通系统，称为地铁。4、电动汽车技术电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。由于对环境影响相对传统汽车较小，其前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。电动汽车的种类：纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FCEV）。纯电动汽车优点：技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。缺点：目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些使用价格比汽车贵，有些价格仅为汽车的1/3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。工作原理：蓄电池——电流——电力调节器——电动机——动力传动系统——驱动汽车行驶主要结构电源、驱动电动机、电动机调速控制装置、传动装置行驶装置、转向装置、制动装置、工作装置电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。转向装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。目前国内电动汽车在大功率载客汽车，给提供空气制动设备有耐力NAILI滑片式空气压缩机，主要是压缩空气的制动方式。电动汽车的种类：纯电动汽车（BEV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池汽车（FCEV）。纯电动汽车（BEV）由电动机驱动的汽车。电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄电池或其他能量储存装置。优点：技术相对简单成熟，只要有电力供应的地方都能够充电。缺点：目前蓄电池单位重量储存的能量太少，还因电动车的电池较贵，又没形成经济规模，故购买价格较贵，至于使用成本，有些使用价格比汽车贵，有些价格仅为汽车的1/3，这主要取决于电池的寿命及当地的油、电价格。混合动力汽车根据动力系统结构形式可分为以下三类：串联式混合动力汽车（SHEV）,并联式混合动力汽车（PHEV）,混联式混合动力汽车（CHEV）。优点：采用混合动力后可按平均需用的功率来确定内燃机的最大功率，此时处于油耗低、污染少的最优工况下工作。缺点：长距离高速行驶基本不能省油。燃料电池汽车：以燃料电池作为动力电源的汽车。燃料电池的化学反应过程不会产生有害产物，因此燃料电池车辆是无污染汽车，燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2~3倍，因此从能源的利用和环境保护方面，燃料电池汽车是一种理想的车辆。与传统汽车相比，燃料电池汽车具有以下优点：零排放或近似零排放，减少了机油泄露带来的水污染，降低了温室气体的排放，提高了燃油经济性，提高了发动机燃烧效率，运行平稳、无噪声。电动汽车的优缺点无污染，噪声低；能源效率高，多样化；结构简单，使用维修方便;动力电源使用成本高，续驶里程短。三、电力牵引技术的结论与展望在高速铁路、运煤专线、繁忙干线及长大坡道、长隧道、高海拔地区等线路上应采用电力机车牵引；积极发展交流传动技术，逐步完成直流传动向交流传动的转换。据1996年有关资料统计，全世界已有电气化铁路22.2万km，在经济发达国家，电气化铁路占铁路营业里程的比重一般都已达到35%60%以上，承担的铁路运量所占比重已超过60%90%以上，所以铁道电气化为许多国家作为发展方向。电气化铁路较长的国家有俄罗斯、日本、德国、法国、波兰、意大利；有些国家几乎全部电气化，例如瑞士；电气化铁路占该国铁路总长50%以上的国家有瑞典、挪威、荷兰等国。目前电气化铁路还在持续增加，由内燃机车牵引或蒸气机车牵引转向电力机车牵引。国家十分重视电气化铁路的发展。国务院批准的《中长期铁路网规划》明确指出，到2020年，我国铁路总里程将达到100000km，其中电气化50000km。今后铁路主要干线大都实现电气化，电力牵引将承担铁路的主要运输任务，在中国铁路运输中处于主导地位。铁路运输在国民经济中占有重要的地位，是国民经济的大动脉，是国民经济三大支柱产业之一。它担负着城乡、工矿各种物资和人员交流的主要运输任务铁路主要技术政策还明确指出要：大力发展