（电力电子与电力传动专业论文）城市轨道交通牵引与供电系统的应用研究.pdf

a b s t r a c t t h i sp a p e rw i l la n a l y z ea n ds t u d yt h ee l e c t r i c a lt r a c t i o na n dp o w e rs u p p l y s y s t e mo f u r b a nr a i lt r a n s i t ( ij r l 、) s y s t e mg e n e r a l l ya n dt h o r o u g b l y ，t h e ns u b m i tt i l e s i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o da d a p t e dt ot h et r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e ma n ds e tu pa k i n do ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mr u n n i n ge m u l a t i o nm o d e lb a s e do nt h et b e ”r y a n dc a l c u l a t i o nm e t h o do ft h i ss y s t e m f h ec o r r e s p o u d i n gp l + o g r a m ，w h i c hi sb a s e do n t h i sm o d e l ，m a i n l ys i m u l a t e st h ef u n n i u gp r o c e s sa n dt r a c t k mc a l c u l a t i o no f h c m e t r o 、d cl l a n s f n r m e rs u b s t a t i o na n ds t a t i ca n a l y s i so f s h o r tc i r c u i ta n dc a l c u l a t e st h e v i r t u a lv a l u eo fp o w e rs u p p l ye q u i p m e n t ，t h ep o w e rs u p p l i e db yp o w m 。n e t t h et h e s i sa n a l y z e sam e t h o do fs i m u l a t i o nf o re l e c t r i c a lt r a c t i o np o w e r s u p p l y s y s t e mt h a ti su s e di nt h eu r b a nr a i lt r a n s i tt os p e e d u pt h ec a l c u l a t i o na n di m p r o v et h e p r e c i s i o n t h i sm e t h o d canc h a n g eac o m p l i c a t e da n dv a r i a n tn e t w o r ki n t oa p e r i o d i c 、l i n e a ra n df i x e d t o p o l o g yn e t w o r k ，w h i c hc a l ls o l v ep r o b l e m ss u c c e s s f u l l y i nt h ed e s i g n t h es i m u l a t i o na n a l y s i sm e t h o dp r e s e n t e di nt h i sp a p e rh a sb e e na p p l i e dt ot h e t r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e mo fs h a n g h a im e t r ol i n ei ，a n dt h ec a l c u l a t i o na n d a n a l y s i sr e s u l t sa c c o ldw i t ht h ec o n c l u s i o nf r o mt i l ef o r e i g nc o n s u l t a t i o na n dd e s i g n c o m p a n y k e yw o r d s ：u r b a nr a i lt r a n s i t ( u r t ) ，e l e c t r i c a lt r a c t i o na n dp o w e rs u p p l ys y s t e m e m u l a t i o na n a l y s i s ，e m u l a t i o nm o d e l ，t i m ev a r i m i o nn e t w o r k 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e lj 刷本和电子版，并采j 1 j 影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文企文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为佝的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或伞部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：五键5 渺岁年弓月0 j ? 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导i - ，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公丌发表或者没有公开发表的 作品的内容。列奉论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。木学位论文原刨性声明的法律责任 由本人承担i 签名；亟键铉 1 二零零五年二j - j 蛳 第1 章绪论 第1 章绪论 交通运输行业是整个国民经济的大动脉，发展交通是关乎国计民生的一项 战略任务。城市交通运输系统f l 勺形态和结构历来都是制约城市发展们最重要因 素之一。任何个大城市，特别是雨万人以上的城市，其城市形态很大程度上 取决于交通的规划”。 轨道交通作为现代化城市的交通工具，出于其运量大、速度快、安全可靠、 准点舒适、绿色环保，能够有效缓解城市交通拥挤的状况，提高城市公共交通 的服务水平，改善城市居民的出行结构，因此越柬越受到世界各国的普遍重视。 我国城市轨道交通建设自建国以来，特别是改革j r 放以来发展极为迅速，继北 京、上海、广州、天滓等城市相继建成地铁之后，重庆、长春、南京、武汉、 深圳等城市的轨道交通电i 卜在大规模的建设之中。几十年柬国内外太城市规划 和交通发展的经验表明：城市轨道交通存历史名城保护、减少土地供给压力、 缓解城市交通压力、促进城市经济发展等方面具有不可替代的作用。 目前我国证处在以城市化为中心的经济增长阶段。长期以柬形成的大城市 结构性缺陷，导致了诸如巾心区交通拥堵、空气质量下降、人均居住面积狭小、 停车场地缺乏等一系列严重问题，恶化了火城市的投资环境，影响了整个交通 运输体系效率的提高，限制了大城市的发展速度。根据国际经验，建设快速轨 道交通设施是提高公荚运输供给能力和效率，完善大城市立体交通系统的必山 之路。轨道交通存客运方面共同的优点是容量大、准点快捷、安全舒适、人均 占用道路少，能根掘不同路段的地面交通和 = 地供应状况，从地面、高架、地 下三种通行方式中选择一种，尽量少与其它建筑物和运输方式争夺用地，因而 特别适合我国大城市人口密度高、高峰期列交通需求量大、污染严重的特点。 此外随着我田加入w f o 和经济国际化程度的不断加深，城市建设也有个 走向市场、与国际接轨的更高要求。地铁不但是一种现代化城市的快速、便捷、 清洁、高效的交通工具，更成为一个国家综合囤力、城市经济实力、人民生活 水平及现代化的一个重要标志。它不仅对城市经济、城市建设、城市发展、城 市生活有巨火的推动作用，而且对社会文化、城市文化也有重要的促进作用。 城市轨道交通技术装备体现了技术j 二的多学科性和产业上的跨行业性。这 是一个规模庞大，专业分工很细的大系统，包括线路、车辆、供电、通信、信 第1 章绪论 号、防灾报警、机 邑设备 i i 拧、自动售检票等专业，存这个庞大的交通运输体 系中帝引供电系统是其他部分的能量来源，这决定了它是轨道交通系统中最为 基础关键的组成部分，【乜就列轨道交通牵引供电系统的研究和发展提出了迫切 的需求和很高的要求”3 。 城市轨道交通含义很广，简单的讲包括有轨电车、市郊铁路、地一卜铁道、 磁浮列车等，经过一个多世纪的迅速发展当今世界轨道交通的形式又有了更大 的发展。 11 城市轨道交通发展概况 城市轨道交通系统是近代高科技发展的产物，采用全封闭道路、立体交叉， 自动信号控制调度系统和快速电力驱动车纽，行车密度可达l ，5 2 o m i n ，平均 旅行速度在4 0 k m h 尼右，最高车速可达9 0 k m h ，单向载客能力i 叮达6 8 万人 次小时。九十年代后，轨道交通受到许多经济发达城市的币视我田的城市轨 道交通事j l k 进入了一个高速发展阶段。 城市轨道交通快速连接了城市中心区与边缘区，有助j ：居住和工作在叶1 心 区的居民，将居住或i t 作地点转移到边缘区，降低中心区的入口密集及交通需 求密度，改善大城市的空间布局。中心区地下铁路的，l 通，能降低中心区因为 交通拥堵而带来的成本，提高中心区通行能力，有助j ：中心区作为生产服务中 心功能的完善和发挥。边缘地带居住区与下业区之闻的帙速轨道交通，更是有 助于城市向边缘的扩展和辐射，促进边缘区与巾心区的均衡发展。 轨道交通工程的建设不仅能直接弥补城市的交通结构缺陷，而且可以为其 空问布局、功能、需求、产业等多方丽内部结构的升级提供动力，使城市面貌 大为改观，缩小与发达国家大城市的差距。 据有关专家预测：至2 0 1 0 年，上海市常住人口为1 6 5 0 17 0 0 万，流动人 门为3 0 0 万人左右，将有1 8 0 4 万人次日的运量由轨道交通承担。届时我国火 城市将修建地铁和轻轨线路总瞿程达1 0 0 0 公里以上，需用车辆3 2 0 0 多辆。如 果我国大城市都按与囡际接轨水平建设城市轨道交通网络，那么我田至少要建 设2 0 0 0 公晕以上的城市轨道交通网络，需用车辆将达1 2 0 0 0 辆以上“此可见， 我国城市轨道交通在我固有着巨大的市场潜力“。 我国城市轨道交通领域在直、交流传动技术方面研究起步较晚，除地铁之 筇i 章绪论 # i - d 乎没有城市和市郊地面轨道交通，在分析瑚论、设 r 理论、制造水平等 与国外相比都有较大差距。北京地铁、上海地铁l 号线建设运营较早，采用直 流传动方式。八十年代前，城市轨道车辆一直采用直流传动方式，这种传动方 式受到直流电机木身性能的影响。商流电机表而换向线速度、换向电流等的允 许极限，限制了电机转速( n ) 和功率( p ) 的提高，无法适应高速和重载的需 要；换向器和电刷可靠性差、敞障率高、成为车辆的薄弱环节；电根与换向器 直径大，加大了电机转予惯量，体积无法减小，不利于车辆的轻虽化发展。随 着火容量电力电子器件的广泛应用以及计算机技术的发展，特别是可变频变压 的逆变器( v v v f 逆变器) 解决了交流电动机的调速控制问题。采用异步牵引电 动机驱动的交流传动系统正在我国迅速崛起，并使城市轨道交通迈向一个更高 的阶段。与直流电机相比，交流异步牵日l 电机克服了上述不足，它的结构简单、 转速高、功率大、体积小、重量轻、成本低、易于维修、可靠性高，可以减小 车辆的簧下重量，列线路的动力影响小。采用三相异步牵引电机，有利于实现 城轨交通车辆的轻量化、低地板、小转弯半径，从而大大地提高了车辆的性能。 山于异步牵引电机机械特性硬，使动车牵引的粘着利用好：采用变频驱动，可 使异步牵引电机发挥出优越的牵引性能，大大减少维修量，减少经营部门的工 作量，具有明显的经济效益和社会效益。 如今欧洲、北荚、日本等工业发达同家和地区生产的机车、城市轻轨和地铁 车辆均采用交流传动技术。交流传动系统其有显著的优点，它是我围今后铁蹄 干线机车、城市快速轨道车辆发展的必然趋势。在2 0 世纪9 0 年代中期，我国 研制了第一台干线交流传动电力机车( a c 4 0 0 0 ) 型原型车，广州地铁已引进德 国s i e m e m s 公司的交流牵引地铁动车，上海地铁2 号、3 号线都已采用交流夺 引车辆，这与国外城市轨道交通巾车辆传动方式的发展趋势一致。 1 2 城市轨道交通牵引供电系统 城市轨道交通牵引供电系统与铁路牵引供电系统有+ r t # n 2 之处，其基本特点 为：动车组常为分散型车组；客流最大且集中，停车频繁；坡度大，站间距短， 加速减速频繁等，这也就对城市轨道交通牵弓l 供电系统提出了更高的要求。 1 2 1 城市轨道交通牵引供电系统组成 第l 章绪论 城市轨道交通电力牵引供电系统主要包括自流牵引变r 乜站、馈电线、接触 网( 或地面供电线) 、走轨线及回流线等部分组成。直流牵引变电所将_ - j - n 高压 交流电变换成合适电动车应用的低压直流电：馈r 乜线是将牵引变电所的直流电 送到接触网上；接触网是沿列车走行轨架没的特殊供电线路，电动车辆通过其 受流器与接触网的直流接触丽获得电能。走行轨道构成牵引供电回路的谙b 分， 将轨道回流引向牵引变电所。图1 1 说明了城市轨道车辆电力牵引供电系统的 各组成部分关系”。 ( ：) 删一一一_ 3 一一一 ：l d o 1 22 1 掣。， 。驴n i s 、离 图11 城市轨道交通电力军0 | 供叱系统 l 一发 u j( 站) ；z 升j 三变 k 鞴；3 一l b 力同；4 一 ：降j k 变l u m 5 一直流蚺t 引变f b 所；6 - - 馈f b 线；7 一接触i 珥：8 - - 止行轨道；9 一川流线 直流牵引变电所的主要功能是将交流进线电压通过整流变压器降压，然后 经过整流器将交流电变换成直流电供电动车的直流牵引电动 ! i i 使用。为了提高 直流电的供电质量，降低直流电源的脉动量通常采用多相整流的方法，所以降 压变压器不仅起到降压的作用，还要将三相交流电变成多相交流电供整流器整 流，祭流变压器与整流器合称为整流装置。城市轨道交通供电系统根据实际需 要可以专设高压主变电所，对发电厂电能进行降压后分别以不同的电压等级对 牵引变电所或降压变电所供电，这利t 供电方式称为集中式供电方式，上海地铁 和明珠线都采用这种方式。也可以不设主变f 乜所，而是 j 城市电网中的区域变 电所直接对轨道交通的牵引变电所或降压变电所傲电，称为分布式供电方式， 北京、天津地铁多采用这利，方式。 牵引网包括了接触网、轨道、馈线和回流线等较大的范围，它足轨道交通 雏i 肇绪沦 供电系统中向电动车供电的重要环节。接触网足一种悬挂7 ：i 1 1 ) t 道j ：方沿轨道敷 设的同轨道保持一定距离的输电嘲。通过i 包动乍细的受电弓和接触网的滑动接 触，牵引电能就由接触网进入电动车组驱动牵引电动机运行。接触网绎常处于 动态运行状态中，结构复杂、技术要求高，而且没有铸用，所以要求接触线和 i l 动车组受f u 弓滑板之州接触导电情况良好，并h 保持一定压力。 多数电力牵引轨道交通线路是以走行轨道作为回流线路的， 且是轨道与大 地之问不是绝缘n 勺，所以山钢轨【i j l 流牵引变电所的电流必有部分经大地回流 到牵引变电所。这部分电流田地下导电性质、地下会属管线位置不同而分布特 殊，称为地下迷流或杂散电流。为了改善地下迷流的影响，常采用增加轨道与 大地的绝缘、降低走行轨道电阻、缩短变电所之i h l 7 e 离、远离金属管道和增设 专门电保护等措施。 1 2 2 城市轨道交通供电制式及特征 目前世界l 二城市轨道巾的直流牵引供电等级繁多，其发展趋向是 e c 标准中 的6 0 0 、7 5 0 和1 5 0 0 伏；中国国家标准地铁直流供电系统舰定为7 5 0 5 1 1 5 0 0 伏 两种，其电压允许波动范围为5 0 0 v 9 0 0 v 和1 0 0 0 v 1 8 0 0 v 。卜述两种直流供电 电压制式都能满足城i h 轨道交通的要求，但是从经济角度看，选用1 5 0 0 v 可以增 加供电距离，减少牵引供电系统的电能损失和电压降，较少牵引变电所数量， 牵引网的电流也较小，所以可以大量地降低变压器和接触网的电能损耗，降低 受流接触网的悬挂重量、降低结构复杂。p e 及投资，节约运营成本，压缩变电所 建筑面积，减少施工用量，减少电能损失，节约投资和运行费用：同时还可以提 高牵引供电电压质瞳，减少杂散电流。 i ：t 同时也提高了牵引变电所和车辆直流 电器、电机设备的电压绝缘水平，增加了电气设备的投资。同时随着高耐压电 力电予器件的不断发展，为采用1 5 0 0 v g t 电的城市轨道交通牵引系统提供了可靠 的技术保障。所以实际工程中采j 目1 5 0 0 v 的牵引供电电爪制j 比采n 1 7 5 0 v 的牵引 供电电压制式要经济的多。 早期绝大数的_ f 线电力机车、商速电动车组以及| j j 柴油机带动二乏相同步交 流发动机的电力传动内燃机车都采用交流供屯制式：而城市轨道午辆交通儿乎 都采用直流供电制式，这是因为城市轨道交通运输的列车功率并小是很大，其 供电半径( 范刚) 也不大，因此供电电压不需要太高。而且由于直流制的电抗压 降较小，直流制比交流制的电压损失也较小( 同样电压等级卜i ) 。另外，由于城 第l 章绪论 市内的轨道交通，其供 乜线路都处在城市建筑群之问，供电电压不。南：太高，以 确保安全。这是因为城市轨道交通的列车功率并不是很大，供电电压近期轨道 交通虽采用交流异步牵引电动机的电动车辆，但其供电电压还是育流的( 如卜- 海地铁2 号线) 。车辆主要从供电网上获得直流电，然后经过电j k 源逆变器将直 流电变成三相交流电，同时根据调节指令还可以为i 相异步电机提供调频凋压 控制，以满足r 乜动机的牵引任务。 随着经济和科学技术的不断发展，用于轨道交通的电力牵引方式有许多不 同的制式出现。这里所提及的牵引制式是指供电系统向电动车辆或电力机车所 采用的电流和电压制式，如苴流制和交流制，即直流牵引供电和交流牵引。商 流牵引一般采用直流串励电动机或以串励为主、并励为辅的复励电动机作为牵 引动力：交流牵引般采用交流- - - - 十h 异步电动机作为牵引动力。 1 3 牵引供电系统仿真 城市轨道交通t 程是市政重大建设项= i ，：r 程规模大、技术要求商、施一l 周期长、投资额庞火，因此，从可行性方案到施工设计的每一步，都要求i 一程 设计人员反复进行技术、经济 ：的比较，以_ | f 】更快更好地完成建设仟务。如何 进行地铁牵引供电系统的设讨+ ，特别是电动争组的选型以及牵引供电系统技术 方案的确定已愈来愈为设计师们所关心。设计个牵引供电系统，既要满足近 期客运量的需要，又要考虑城市舰划在若 二于f 后客运量增民的需要，所以寻找 一种适合于地下铁道交通的牵引计算方法以及供电系统仿真分析方法便显得十 分重要，特别足在经济高速发展的今天更具仃重要的实际应用价值。 1 ，3 1 系统仿真概述 系统仿真就是利用模型对实际系统进行实验分析、研究的过程，是通过对 系统模型的实验分析去研究一个已存在的或设计中的系统。仿真i - l 程不仅是一 个计算求解的过程，更是一种反复多次运算验证的过程，所以i l ”刖l 仿真是在 计算机上反复多次试验，以取代耗赀巨大的人力、物力进干的食物试验，具有 投资小、无j x 【, l 硷、可重复等优点。- l , t 年代以来，已经被，“泛的心用于航窄、 航天、制造等许多领域；近_ 卜几年来，随着汁算机技术和仿真技术n 勺发展成熟， 扩展到了更多的新兴领域中。特别是在高速列车牵引供电运 j ：q i ，更足以更低 第1 章绪论 的研究成本和更短的研究时间为牵引供电方案的制定奠定基 i i i 。 系统仿真模型主耍客观的反映系统的卜要特征，一般来说模型r ，r 以分为 数学模型和物理模型两大类。采用计算机辅助分析时，主要采用数学模型。在 常见的数学模型巾，又有动态模型和静态模酗之分。本义所要建立的地铁牵引 供电系统属于动态模型的范畴，这个模型的建立是进行仿真训算的罄砌和关键。 所谓数学模型仿真是指建市一个系统或过程可以用来计算，并把它放在计算 机上进行实验的过程。通过模型实验了解系统内部全过程，在外部因素发生变 化时，仿真程序根据不同的参数变化模拟出刁i 同的变化结果。这个结果要和实 际情况在允许误差范围内桐吻合。仿真过程不足简竹的计算和求解过程，而是 数学模型在一定范围内的反复计算整合逼近的过程，这个过程可能要进行大量 计算，也可能引用不同的算法，还会有对比分析综合整理的过程，最后给出一 个与实际情况较一致的结果。应当指出的是模型建立的过程实际f ! 是根据实际 数掘对各组参数进行0 i 断校核的过程，所以建立模型时只有充分考虑到叮能j u 现的各种情况使模! 鬯在逐次修改后达到最为准确的状态。 牵引计算的计算方法很多，大都采用计算机数值仿真分折法。请算机数值 仿真可以存计算机上反复多次试验，只有投资小、无风险、可重复等优点，是 进行牵引计算研究非常有效的工具。以上海地铁为依托，对城市轨道车辆的牵 引计算进行探讨。洋细拙述动车组运行模型的建立过程，撕- 提供相应的算法。 在动车纽运行模型的建立过程中，分析动车组在运行过程中的各种受力，包括 基本阻力、附加阻力、牵引力、制动力等。电力系统牵引供电仿真对城市轨道 交娜的运输管理、线路设计、车辆制造和运用、计算统划具有重要的参考价值。 此外在处理许多实际问题时，都会用函数y = 厂( ，) 来表示某种内在觌律的 数量关系，其中相当一部分函数是通过实验观察获得的。虽然，( x ) 在某个区问 h b 】上是存在的，但只能给出h b 卜系列点x ，的函数y ，= f ( x ，) ( ，_ 0 ，i ， ，1 ，这只是一张函数表。为了研究函数的变化规律，往往需求h 不存表上的函 数值，因此，希望根据函数表做一个既能反映函数厂( x ) 的特性，又便于计算的 简单函数厂( x ) ，通常选一类较简单的函数如代数多项式或分段代数多项式p ( x ) ， 使p ( x ，) = f ( x ，) ( i = 0 ，1 ，h ) 成立。这样确定的，( x ) 就是希望得到的函数。 1 3 2 城市轨道交通牵引供电系统仿真模型特点 第1 章绪论 为了便j 二划牵引供l 乜系统进i r 建模与仿真分析，首先列陔系统的运行和与 电机牵引的关系进行简要介绍。本文以上海地铁号线为例，它采用德国 s i e m e n s 自流传动电动车组，每列车由两组构成，每组a 、b 、ci 种车辆组成。 牵引 乜机为直流串激f 乜动机，存牵引工况f ，额定功率为2 0 7 k w ，额定i 乜流为 3 0 2 a ，额定电_ 丌三为7 5 0 v ，额定转速为1 4 7 0 r p m ，在电阳制动工况下壤大制动电 流为3 6 0 a ”。 城市轨道交通线路t l - i 多个车站构成，站州距般在j 2 5 15 k m 。在每个站 区内，列 二车辙运行般有三个典裂区域构成：即牵0 【加速区、惰行区和制 动减速区，其速度变化曲线如图1 1 2 所示。 对于较长的站问运行动车( 组) ，在牵引加速区与制动减速区之问除惰行区 外还f - j 能有恒述( 或：6 1 述) 运行区域。 为满足车辆( 动车) 运行的需要，动车组必须具备三种基本的牵引工况( 包 括制动工况) ，即恒力矩特性、恒功率特性和口然特性，牵引电机一般需要满足 图巾所示的车辆牵引力一距离特性图中制动转矩特性是对应于采用单独电制动 方式舱情况。 速 度 与 齐 弓l j 、 乔j 1 浊r 惰 ，i ：眨i 。制动a 进r 1 蚴自然 辩 i 噎珈特性 h 卜h = = ， ： - i 十j i i i l 二j 才弋 l w 一 牵引b cd ei 一g 制动 罔1 ，2 乍辆运朽曲线( 运干亍时分图) 与 u 机特性控制方式 上图中的电机牵引特性和制动特性，表明了牵引电机和传动系统廊该具有的工 作能力，对于干线机车或氏距离运行的电动车组的交流电动机，图中的某段 的某一点( 常位于牵引曲线的a b 区域) 列应的工作能力( 转矩t 、转速n ) 被定义为额定点。传动系统一直1 作在瞬变过程中，城市轨道交通动乍细负载 变化强烈，电机往往大部分时叫运行丁过载状态， 乜机的额定i 一作点及其额定 参数仪垌于电机的考核i 引。 第1 章绪论 在城市轨道车辆牵引、- 卜算巾所用到的一些常用的技术参数包括：。 ( 1 ) 动车纽速度。包括最高速度( 8 0 l o o k m ) 、平均技术速度”一( 4 0 5 0 k m h ) 、旅行速度”w ( 3 3 4 0m n h ) 。 ( 2 ) 起动平均加速度a ，车辆最藿要的运行性能之一，如图1 2 所示，起动 平均加速皮( 即直线0 a 的斜率) 与最大起动加速度之问的等异l i 火，斟而 起动加速度通常是指列车起动过程中速度从0 增至恒力矩最大速度之问的i 产 均加速度。对了：地铁车辆，应有起动平均加速度a 。o9 一，s ；对了二轻轨 车辆，于站n d 距离较短、起动频繁，要求有较高的起动f c f f 速度。田外轻轨 车辆的起动范m 为o8 i ，4 3 m s 2 。 ( 3 ) 制动平均减速度。指列车在额定载客容量下，从最大运行速度制动直至 停车过程巾的平均减速度，范阳为一o 8 3 i 2 0 m s 2 ( 本文巾制动碱速度均采 用负值) 。 ( 4 ) 轴重。它是指车辆静止状态时，每个轮列加于轨道卜的正压力。轴蕈的 选择与线路、桥梁及午辆走行部分的设汁标准有天。轻轨到地铁，轴重变化 范同为1 0 1 6 t ，但一般不会超过1 6 t 在轨道交通牵引供电系统中其丰要技术特点包括： ( 【) 受电的制式主要山直流7 s o v 第三轨受电或甑流 5 0 0 v 架窄线受f 也q 受 电。 ( 2 ) 运输能力大，列车间隔最短可达到i s t a i n ，单向最大客运量可达6o 8 0 万人次小时。 ( 3 ) f i j 车的编组数取决丁客运晕平站台氏度，一般为4 8 辆，车种般采用 动车与拖午混合编组，可节约车辆投资。 ( 4 ) 速度快、起动制动快，最高运行速度可达8 0 l o o k m h ，平均旅行速度可 达4 0 f i o k m h 。准时性、安全性及舒适性好，能满足乘客要求。 j f 是【1 1 于其自身的上述特点决定了浚仿真系统要对如下儿个方丽着重分析： ( 1 ) 在电动车组的牵引计算中，对坡度、弯道、区段交叉处速度限制的处理及 相关制动考虑。 ( 2 ) 电动车组牵引i 十算中1 ：况的选取。 ( 3 ) 乖引供乜系统t 卜i j 要改得、装荠和l n 关部件晦流有效值的计算，i 法。 ( 4 ) 作为电动车组负载的支路模型，征卜f 行站点接触网电爪波动m i x , l 系统的 影响。 第1 章绪论 ( 5 ) 牵引变电所全负载外特性各个支路模型具有j j 线性特性，考虑前级供电变 压器漏抗的影响时要采用线性化处理方法。 此外在建立仿真模裂的过程叶1 ，有个重要的问题会直接影 l | f 4 到模型质量 必须引起重视。直流牵引变电所的内阻，其对输u 1 咆j 1 ( 6 - 一定影响；各列动乍 组从接触网获耿的电功率随其运行位置的不同而不断变化。闪此从电路网路理 论考虑，整个网络属j 二时变参数网络。 以上简要介绍r 城市轨道交通牵引供r 缸系统的基本组成、各部分主要功能、 供电制式、运行1 ：况、地铁动车组的皋本特点。由于地铁直流特有的供电制式 特：i ，详细了解其运行特点对直流牵引供电系统数学模，艘的建立并进行仿真足 十分必要的。 1 前圈内地铁直流大都采用1 5 0 0 v 空接触网供电方式，机车按运行 图的要求在各站间运行，并从接触网吸取电流，因而研究可靠、灵敏f t j t g 铁直 流接触网对地铁直流的正常运行具有重要意义。 1 4 论文内容安排 论文对牵引供电系统进行仿真研究，欲建立地铁电动车组直流牵引的动态 仿真模型，详细闸迓种适合于地下铁道以及轻轨交通的牵引、供电系统计算 方法和短路计算方法。在建立直流牵引系统的仿真运行模型的基础上，聚川汁 算机进行辅助分析汁算的方法，并在w i n d o w s 环境f 采用v i s u a lb a s i c6 0 集成 开发环境开发相应地系统仿真应_ j 程序。主要用米模拟电动车组运行，以计锋 电动车组运行速度和运j 刘j f i l l 、电动车绢能耗、巾f 动誓封l 运行距离、以及从接 触网受驳功率( 或电流) 随时间的变化量、变电站电流值和短路电流等重要参 数。然后再将这些数据经过功能性处理，采门j 多种图表形式处理机计算结果， 使结果更形象化，以便结果可以满足小同的吱际要求。还配有绘制各种曲线的 功能，即将乖引计算结果分删以图形方式显示在计算桃屏幕k 或者交m 打印机 输出。 第一章绪论 第二章牵引计算的原理与方法 第i 三章牵引供电系统计算与仿真 第四章牵引供电系统短路分析计算 第i 章牵引供电系统仿真软件丌发及仿真结果 第六章全文总结与展望 筇2 章牵引i , l 筛分析力法 第2 章牵引计算分析方法 城市轨道交通牵引, f l lr - 乜系统是整个交通运输系统的z 巩力能源，安全可靠的 供 【l 是保证城市轨道交通正常运jj ：的首要i 讨捉条f l 。轨道交通牵引供电系统的 软件丌发和牵引供电系统模型的建奇= 和算法的选取南不可分的。本章首先介绍 牵引计算的原理和乖引方程，然后分析牵引汁算巾的蕈要环1 ，如j r 况选择、 段面转换等。 2 1 牵引仿真的概述与特点 城市轨道交通乖引仿真n 0i i 要任务是对动车绷在运行过程中的速度、m i j 离、 电流和时间之| l n j f 勺关系进行讣箅、机仿真分析，f 绘制相应特性曲线。在仿真过 程中涉及到：动乍乖引特傩、动车卦i 运行的限遮、制动肌离、进站试凑及算法 的稳定性等许多闷题，主要绲到牵引力、制动力、电动机电流以及电动车组从 接触网受取的网电流( 或功牢) 等参数与速度之问的相互：关系。 对轨道交通牵引供电系统进行牵引计算分析，首先要根掘地铁电动车组直 流牵引的动态模型捕述它的仿真计算，j 法。这主要是用来模拟电动车组运行， 以求解出电动车组运行速度和叫问的关系，同时求解h 电动车组的耗能、运彳j ： 距离、以及从接削【网受取功率( 或电流) 随时i h j 的变化量，为将要进行的牵引 供电系统仿真分析做准备。这种计算方法以电动车组的运动方程式为茉 i ：| ，采 用变步长积分的计算方法。在对牵弓| 、惰行、动力制动和机械制动等i ：况的选 取巾，采用对应不同坡段、曲段的牵引均衡加速度和惰行均衡加速度加以判断。 动车组以坡段而和曲段而为界进行仿真计算，采用当前段面与下一段l f i ! 限速相 结合以及引入段面牵引加速度和惰行加速度概念的方法来选择动竿组工况。由 于制动停站速度为零和转换段面限速要求，因此采用先以某段而限速预算出制 动距离和转换段面前制动距离，再按当时运行的实际速度，不断反复缩短制动 距离直到满足规定速度要求的方法。根据娑际速度试凑的方法不仅有利丁计算 精度的提高、运算刚问的缩短，更能较好地模拟实际操作的运行过程。考虑到 电动车组的牵引特性和制动特性是非线。e 1 ：的，为了提高训算精度，采用抛物线 拟合特性曲线求值方法。这样的仿真计算方法，更接近实际的驾驶操作过程并 第2 章牵引计算分析疗法 使仿真计算的精度更高、速度更快也更可靠。 城市轨道交通中电动乍纠的直流牵引计算不同于普通卜线电力机乍的牵引 训算，具体1 二要表现血以 ；几个方而： ( 1 ) 站间距离短，需要频繁在启动和制动问转换。启动和制动过程在整个运 行区段中占了较大的比例，因此要求启动和制动工况的牵引计算更为精确； ( 2 ) 地铁线路的选取要充分考虑实际地形和沿线土要建筑物分前i ，尽量避丌 地面建筑的地基影i i m 同州还得考虑它对地下建筑物的破坏，弯道半径有时 必须小于3 0 0 m ，加之坡段与曲段交叉，日坡度大，义有限速要求。因此， 在当前段面上运行时，需要考虑下一曲段面限速要求与牵引汁算巾实际运行 速度之间的灭系。 2 2 牵引计算基础 2 2 1 牵引力 城市轨道交通系统电动车组由受 包弓( 或第三轨) 从接触网受耿电能，牵 引电动机将这一电能通过动力传动装置的作用最终转换成机械能，并传递到动 轮上，使动轮得到产生牵引力所必需的旋转力矩，最后通过轮轨间的粘薪作h i 产生与动车组运动方向相蚓的外力，这一外力称为动车牵引力r 。它的大小是司 机可以控制的，其作用可使动车组产生运动或加速。地铁电动年组【原 哩如图2 1 所示”1 。 第2 章牵引计算分析方法 2 2 2 阻力 图2 1i b 动午纽1 。作原理 动车组运行过程中，由于各种原冈自然发生的与动车组运行方向相反的外 力，称为阻力_ 。它的大小是司机不能控制的，其作用可阻止动车组发生运动 或使动车组自然减速。 阻力按其产生原因可分成两类：摹本阻力和附加f f n 力。基本阻力是动卞绢 在运行中任何情况_ f 都存在的阻力，动车组由静l j ：起动时增加的一部分阻力又 称为起动阻力；附加阻力是动车组在运行中某些特殊情况下除去基本阻力外 的其他阻力( 如坡道阻力、曲线附加阻力等) 。 a 基本阻力w ， 基本阻力是牵引计算中常用的重要参数之一引起基本# r 力的闲素很多， 归纳起来主要由以下血种因素组成： ( 1 ) 轴颈与轴承之间的摩擦( 轴承阻力) ； ( 2 ) 轮轨间的滚动摩擦( 滚动阻力) ： ( 3 ) 轮轨阳j 的滑动摩擦( 滑动阻力) ： ( 4 ) 车辆振动和轮轨间的冲击( 冲击和振动阻力) ； ( 5 ) 当地铁动车组在隧道内高速运行时与周围空气发生相剥运动尤为剧烈， 东车组前面空气被压缩，尾部空气则产生真空或涡流，空气沿隧道外部表面反 第2 章牵引计算分析方法 隧道壁运动产生的摩擦( 空气阻力) 。 i = l = i 于影响基木阻力的因素极为复杂，在使刖中通常按照旧夫量试验综合得 出的经验公式进行计算。这些公式都采用译何e i l 力的标记方式，都足车组运行 速度的二次函数的形式： 根据动车组运行的工况的不同，菜木i t l j j 习+ 分成三剃，形式： ( 1 ) 启动币位阻力：通常设为常数。在计算中启巩时取w 。5 0k g t ，启动 后将其忽略 ( 2 ) 带电时单位阻力： r f = o a p + b b r v + c c f v 2 ( k g t ) ( 2 - 2 ) 口o r = 【0 0 0 0 6 5 m 1 0 0 0 + 1 3 15 4 xn ) m( 2 - 3 ) b b r = f 0 0 0 0 0 1 3 9 8 i l l 1 0 0 0 ) m( 2 - 4 ) c c j 一( 0 0 3 6 2 5 + 0 0 0 0 6 4x0 一t ) x6 0 ) m( 2 5 ) 其巾，”一动车组编组总数；m 一总质量( t ) ：v 一速度( k m h ) 。 ( 3 ) 断电时单位阻力( 惰行状态) ： r r = 2 2 + o 0 2 8 v + o 0 0 0 7 4 7 v 2 ( k 卧)( 2 - 6 ) b 附加阻力 附加阻力主要取决于运行的线路的实际路况条件，这晕主要考虑坡道附加 阻力和曲线附) j 1 j 阻力。 ( 1 ) 坡道附加阻力w ， 动车组在坡道上运行时，迹受到重力滑轨道方向的分力的影响，这个分力 就是坡道附加限力。通过理论推导可知，犯位坡道附) j 1 1 阻力值批，在数值上应 近似为该坡道的坡度的千分数i ，即 w * if k g i t ) ，( 2 - 7 ) 其中i 为线路的坡度，以千分数( ) 表示。 ( 2 ) 曲线附加阻力w 动乍组进入曲线运行时，因部分轮缘压向外轨头而产生的横向滑动以及转 第2 章牵引计算分析方法 向架r 心盘等处的摩擦力称为j i l l 线燃 趣1 5 l 王力坤，它的犬小与舱线j 径、动擎组 运动速度、曲线的外轨超高以及轮轨加宽、车辆的轴距等诸多因素有关，因此 很难用理论方法推导，一般采用综合经验公式计算，即 w ，= 7 0 ( k g i t ) ( 2 8 ) 其中月为曲线半径( m ) 。 2 2 ，3 制动力 山制动装置产生且与动车组运动方向相辰的外力，它是人为的阻力，其大小 是司机可以控制的。它的作用是使动车组产生较大的减速度，以便及叫减速停 车、防止超速运行或防f f ：动车停午时山于坡度而自然涮走。 月阿在轨道交通电动车组中应用较多的有两种制动形式：动力制动和闸瓦制 动。动力制动是波动车的车轮带动其动力传动装胃，使帘引电动机为发f t i * j l 状 态，从而消耗动车组动能，并产生制动作用。闸瓦制动是通过闸瓦与车轮踏而 的桃械摩擦，将动车组动能转变成热能消耗婶，两得以发挥靠4 动作用。 地铁电动车组高速运行时，为了调节速度、防止超速或减速停车时都需要实 行制动。若只用闸瓦摩擦制动方式，在动车组速度高时，由于摩擦系数低，制 动力小所以制动性能差、制动时间长，同时也造成了闸瓦摩耗快，损耗大量 材料，此外山于轮箍热负荷加大易，“生热裂与松动，还会造成轮箍的使用寿 命缩短。地铁电动车组的频繁肩动、制动，增大了运行的不平衡的程度因此 t l 前l u 动车纽j 二均采用电气制动和机械制动相结合的方法。 电阻捌动是利用电机的可逆原理，在制动工况使牵引电动机变为发电机工 作，将动车组的动能转变为屯能再消耗到制动电阻上，最终以热能的形式逸散。 此时牵引电动机轴上所产生的逆转距作用于机车动轮( 即制动力矩m 。) ，从而 产生f l i i l 动力。再生制动则是把动车组的动能转化为电能，并通过动车组上的回 馈装置，向电网网馈能量。其制动工作原理与电阳制动相似。应该指闸k 摩 擦制动是由制动缸内空气压力迫使闸瓦紧压轮表面而产生制动力。实际上它存 在着一个过渡过程。为了便于计算，可认为所有电动车组是在同时刻加力， 即不考虑闸瓦压紧轮箝过程，也不考虑轮轨问粘着力的变化以及“拖死滑行” 等问题。 第2 章牵引计算分析方法 2 3 供电系统牵引方程分析 根据线路情况和动车组运行耍求，电动车组可咀有三种运行工况：牵引运 行、惰行和制动运行。每种工况下，都有j l , p 力共同作用于电动车组。 ( 1 ) 牵引运行。作用于动车组k v , j 力有动乍牵引力和动车组运行m 力，其动 车组的单位合力为： o 2 ，一f r 2 - 9 1 ( 2 ) 惰行。此时牵引电动机不通电( 即。o ) ，那么作_ f j 于动车组上的只有 运行阻力，其动车组单位合力为： 。3 0 ；f 2 1 0 ) ( 3 ) 制动运行。作用于动车组上的力有运行阻力和动车组制动力，其动车组 单位合力为： c 2 一( 6 + r t ) ：( 2 1 1 1 其中c 为单位合力( k g t ) ：f 为单位牵引力( k g t ) ；0 为单位阻力，包括单位 基本阻力k 和单位附加阻力( w 。+ w ，) ( k g t ) ；b 为单位制动力( k g t ) 。 当合力c 0 ，即合力方向与动车组运动方向相同，它属于加速力，动车组将 加速运行；当合力f 、b l 一 7 7 “”a 1 j 02 0 04 0 0 i 划2 2 牵引特性帅线 i ( a ) 图2 2q 1 ， 目l ( 包括f 打线 1 、a 2 、a ：”为个磁场时的牵引特r i ：，8 细( 包括嘏线、 2 、 b 3 ) 为磁场削弱t i , j f l , j 牵引特性：牵引特性又包含速度特性( 分为恒功特性曲线 1 或r l 以艘白 然特性曲线 2 或b 2 ) 和牵引力特性( 曲线a 3 或b 3 ) 。 由于需要频繁采用制动，电动车组常装有电阻制动或再生制动两套制动装 置。一般的要求足以允曲：纳恒减速度进行制动，i ：l l j 维持恒定的电机制动电流制 动。为了使电制动能在低速下发挥作用，电制动可以设计成为多级自动切换。 对于具有再生回馈制动的电动车组，需具有回馈功率能被吸收的装置，否则倘 若在其它电动车组不能吸收其网馈功率时，会导致再j i - l t 动失败。 由于一般电制动不能在低速时( 低于1 0 k m h ) 有效发挥作用，电制动的制 动力随着速度的降低而减小，因此动车组在低速或停j i 时还必须依稚空气f 0 j 瓦 制动来进行减速或停车。 在牵引计算中对丁动车组在每个段而上采用何种工况进行运行，应依据实 际的断而资料进行选择，模拟司机实际操作的。过去常常采用牵引均衡速度和 惰行均衡速度的概念，如图2 3 所示。均衡速度v 就是图中单位合力曲线。2 ( ”) ( 或c2 z ( v ) ) 与单位附加阻力曲线相交处c = 0 所对应的速度一( 或v 一) ，即预 先计算出在此段面上对应的坡度、弯道、基本阻力以及牵引运行相对应的那个 速度( 牵引均衡速度) 和对廓坡度、弯道、基本阻力与惰行工况相对应的那个 速度( 惰性均衡速度”n ) 。由于牵引运行和情行的单位合力( 代数值) 随速度的 提高而减小，因此在牵引工况下，当实际动车组运行速度低f 牵引均衡速度”一 时，