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三北列车牵引系统讲稿 主讲人：邱后军 一、概述 牵引系统是列车驱动系统的组成部分，主 要目的是把线网上的直流电流逆变成一个 带有可变振幅和频率的三相电流，为牵引 电动机运行提供合适的能量。 另一个功能：电制动 一、再生制动 二、电阻制动 再生制动是在制动时把车辆的动能转化电能馈送电网或 储存起来，而不是变成无用的热。其工作原理是：制动 时电动机的工作方式从原来的受电转动转变为轮对带动 电动机转动而发电，此时等效于发电机使用，把车辆的 动能转成电能储起来或透过电网馈送出去，再生循环使 用。 再生制动产生的能量不断的增加，把电网的电压抬高， 当超出一定的范围时，为了保证设备的正常使用就必须 要进行强制降压，因此就出现了利用电阻来消耗过多的 能量。这种方式就称之为电阻制动。 再生制动 电阻制动 二、主电路 三、牵引系统的组成 司机控制器 受流系统 高速断路器 线路滤波模块 制动电阻 牵引电机 牵引逆变功率模块 司机控制器 司机控制器是用来操纵地铁车辆运行的主 令控制器，是利用控制电路的低压电器间 接控制主电路的电气设备。也适用于其它 内燃机车、电力机车、动车组、城市轻轨 等，用来控制机车（或动车等）的运用工 况和行车速度。 司机控制器 主控制器（1）由控制杆（1）在83.2 的角度内手动操作。 整个位移被细分为以下几部分： 控制杆处于垂直位置 - 中间档位（N）（自动驱动）。 控制杆（1）正向偏离惰行档位约10 最低驱动（Dmin）。 控制杆（1）正向偏离最低驱动档位（Dmin）约31.6 = 持续提 高牵引力，直至达到最高驱动档位（Dmax）。 控制杆（1）反向偏离惰行档位约10 最低制动（Bmin）。 控制杆（1）反向偏离最低制动档位（Bmin）约25 = 持续提高 制动力，直至达到最大常用制动档位（MB）。 控制杆（1）反向完全偏离惰行档位约41.6 有缺口位置的 完全制动档（FB）（紧急制动）。 牵引/制动控制器配有弹簧回复机构，司机一旦在驱动或制动范围 内松开控制杆（1），该机构会立即使控制杆（1）返回到中间档 位（N）。此外牵引/制动控制器还带有一个警惕机构，按下控制 杆（1）的手柄即可操作该机构。 受流系统 目前受流系统主要有两种方式分别为受电 弓和集电靴。 受电弓从接触网采集1500V电压，供给 车辆牵引系统和辅助系统。一般在安装受 电弓位置都安装有避雷器，防止车辆遭受 雷击。在正常运行模式下受电弓受激活端 的司机室控制。 受电弓 高速断路器HSCB HSCB 是一个直流（DC）断路器，双向 电磁控制，采用自然冷却。发生过电流（ 短路、过载或故障）后，HSCB能够迅 速做出反应，它适合保护直流设备。 高速断路器HSCB 总重. 37 kg 额定工作电流 560 A 电流设置 1,800 A 电流设置范围 1,200 kA-2,400 kA 线圈电压. DC 110 V 电弧峰值电压 DC 4 kV 开断时间. 40 ms 制动电阻 在电制动过程中，VVVF逆变器能将列车 上减速时产生的能量回馈给供电网，条件 是供电系统能够吸收这种能量。如果在电 制动过程中由牵引电机产生的电能不能馈 入供电系统（在这种模式下，牵引电机被 用作发电机），电流则被馈入制动电阻并 被转化为热能。 按冷却方式不同分为自 然风冷却制动电阻和强迫风冷制动电阻。 自然风冷却制动电阻 制动电阻采用对流冷却，无须强制风冷 ，即自然风冷制动电阻。不同的厂家生产 的产品可能不尽相同，有的冷却空气从底 部进入制动电阻箱并从带孔侧墙排出，有 的冷却空气从侧面进入，从底部排出。 自然风冷却制动电阻 强迫风冷制动电阻 制动电阻冷却采用强迫风冷，与自然风冷 制动电阻相比，体积较小重量较轻。虽然 强迫风冷风扇电机需要消耗电能，相比于 自然风冷增加重量引起的能耗增加，风扇 电机能耗较少。 强迫风冷制动电阻 制动电阻参数 额定电压 : DC 1800 V 最大工作电压 : DC 2200 V 常温阻值：2 x 1,96 运行时的阻值：2 x 2,90 牵引电机 地铁牵引系统主要采用交流传动系统，地铁列 车交流牵引电机有旋转电机和直线电机两种 ， 目前一至三号线牵引系统采用旋转电机，四、 五号线采用直线电机。 目前旋转电机主要采用鼠龙三相异步电机。 电机的冷却由安装在非驱动端的内部风扇实现 。 绝缘等级 200级 部分电机安装有温度传感器 VVVF组成及介绍 牵引逆变器将1500V直流电压转换频率和电压 均可调的三相交流电压（针对不同的速度和力 矩，频率和振幅可变），为牵引电机供电。 牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式，早期地 铁列车VVVF的功率元件是GTO，近年来，随 着IGBT技术的不断发展，目前VVVF的功率 元件已经普遍采用IGBT元件。牵引逆变器采 用模块化设计。 线路接触器（K100） 线路接触器是线路和电气部件之间的隔离元件，保证在发生特定 故障时进行隔离。 1 控制侧 额定控制电压 . DC 24 V, +25 %, - 30 % 闭合时线圈电流及保持电流. . 2 A at UN +25 % 20 C 额定电压开关闭合时间 205 msec 20 C 额定电压开关断开时间 30 msec 2 高压侧 正常持续电流 650 A 正常工作电压 DC 1500 V, 30 % 预充电接触器（K102） 预充电接触器与预充电电阻一起为牵引箱的直流中继电路缓慢充 电直至达到线网电压值。 1 控制侧 正常线圈电压. DC 24 V, +25 % 30 % 额定功率. . 12 W 闭合时间 50 msec 断开时间 24 msec 2 高压侧 额定电压. DC 1500 V 最大工作电压 . DC 1800 V 额定电流. 60 A 75 C最大工作电流. 40 A 预充电接触器（K102） 驱动禁止辅助接触器K121 驱动禁止辅助接触器K121 线路电抗器L100 线路电抗器与T 滤波电容器和直流电路电容器一起起到 线路滤波器的作用。由于会产生热量，线路电抗器被安 装在通风道内，由设备风扇进行冷却。 初始感应率.10mH 到10 kHz 时的感应率3mH (最小值) 标称电流（有效值） .415 A 标称电压直流 1500 V 电阻（冷态） .70 m 电阻（最大值） .105 m 线路电抗器L100 线路电抗器L100 预充电电阻 预充电电阻 作用：当直流电路电容器被充电至线网电 压时，预充电电阻器起到限制电流的作用 。 预充电电阻器通过预充电接触器以串联方 式连接到电路中。有了这个电路，直流电 路电容器便可被缓慢充电直至达到线网电 压。在达到一定的电压限值后，线路接触 器接通，预充电接触器断开。 阻值：15 预充电电阻 IGBT逆变相（A1A6） 集电极-发射极反向电压 .3300 V 集电极持续直流电流 1200 A 门极-发射极偏差电压+/- 20V IGBT斩波相（A7A8） 集电极-发射极反向电压.3300 V 集电极持续直流电流800 A 门极-发射极偏差电压 +/- 20V 自振荡二极管&放电电阻 自振荡二极管（A9） 二极管反向电压3300 V 持续直流电流400A 放电电阻（R10） 额定电阻. 100 k 5% 最大工作电压 . 5000 V DC 70C 负载 500 W 牵引系统工作原理 牵引逆变器基本参数 线电压 UN = 1000 1800 VDC 输入线电流 I N = 480 A 最大线电流（牵引） I NDMAX = 692 A 最大线电流（制动） I NBMAX = 1171 A 输出电流 I A = 720 A 输出电压 UN = 0 1480 V 输出频率 fA = 0 112 Hz 模块冷却方式 强迫风冷 牵引系统工作原理 牵引逆变器是通过改变VVVF逆变器各开关元件（ 如IGBT,GTO等）每个周期开通时间来改变负载 的电压，通过改变VVVF逆变器各开关元件开通 的周期来改变输出的频率。异步电动机的转矩 公式为： T = K1Ir = K2（V/fi）2 fs 其中T为转矩，为磁通，Ir为转子电流，V为电 机电压，fi为电源频率，fs为转差频率，K1， K2为比例系数 牵引系统工作原理 由公式可以看出：转矩T与电机电压和电 源频率之比（V/fi）的平方成正比、与转 差频率fs成正比。同时还说明，当转差频 率fs为负值时，转矩T为负值，产生了制 动力。因此，在采用VVVF逆变器的电动车 中，只要控制压频比（V/fi）和转差频率 （fs）即可自由的控制牵引力和再生制动 力。 列车运行工况介绍 列车运行主要有三种工况 牵引工况 制动工况 惰性工况 列车运行工况介绍 列车运行工况介绍 1、牵引工况 牵引工况时异步电机作为电动机将逆 变器提供的电能转化为动能，转差频率（ fs）大于零。车辆由静止状态开始起动、 加速的控制大致可经历三个模式：恒转矩 控制、恒功率控制、自然特性区。 列车运行工况介绍 恒转矩控制 恒转矩控制在控制转差频率的同时， 慢慢提高逆变频率fi。当速度逐渐的增加 ，异步电机转子的实际旋转频率fm随之增 加。若要保持转差频率fs恒定，则要增加 逆变频率fi。保持压频比（V/fi）恒定， 则异步电机的磁通恒定，保持转差频率 fs恒定，则异步电机转子电流Ir恒定，结 果力矩恒定 列车运行工况介绍 恒功率控制 逆变器电压V达到上限后，电压保持 恒定，控制转差频率fs随速度增大而增大 以控制电机电流Ir恒定。由于电压电流都 不变，所以是恒功率控制。转差频率 fs 增大，则逆变频率fi随之增大，则力矩T 下降，恒功率运行到转差频率fs上升到最 大值时，转到自然特性区 列车运行工况介绍 自然特性区 逆变器电压V保持恒定最大值，转差 频率fs保持恒定最大值。随着速度的上升 继续增加逆变频率fi。电机电流Ir1 fi下降，力矩T下降，T1fi2。 列车运行工况介绍 2、制动工况 恒压，恒转差率 恒转矩，恒电压 恒转矩，恒磁通 列车运行工况介绍 恒压，恒转差率 列车在高速时采取制动的情况下，此 时逆变器电压V保持恒定最大值，转差频 率fs保持恒定最大值。随着车辆速度的下 降减小逆变频率fi。电机电流Ir与逆变频 率成反比增加，制动力与逆变频率的平方 成反比增加。电机电流Ir增大到恒转矩相 符合的值，进入恒转矩控制。 列车运行工况介绍 恒转矩、恒电压 逆变器电压V保持恒定最大值，控制 转差频率fs与逆变频率fi的平方成反比的 同时，随着速度的下降减小逆变频率fi， 则转差频率fs值变小直至最小值。电机转 子电流Ir，制动力保持恒定。 列车运行工况介绍 恒转矩，恒磁通 转差频率fs保持恒定最小值，此时电 机电流Ir亦为恒定。随着车辆速度的下降 减小逆变频率fi。采用PWM控制电机电压V 减小，即保持（V/fi）恒定，则磁通恒定 ，制动力恒定。 列车运行工况介绍 3、惰行工况 惰性工况是一种特殊运行状态,此时牵 引电机不输出力矩,列车依靠自身惯性