（电气工程专业论文）地铁机车建模及直流牵引供电系统故障分析.pdf

本学位论 授权北京交通 并采用影印 家有关部门或 保密的 学位论文 签字日期 中图分类号 t m 4 6 1 u d c 6 2 1 3 学校代码 1 0 0 0 4 密级 公开 北京交通大学 硕士学位论文 地铁机车建模及直流牵引供电系统故障分析 m o d e l i n gf o rm e t r ol o c o m o t i v ea n da n a l y s i so f f a u l tc o n d i t i o no f d ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 作者姓名 杜芳 导师姓名 宋守信 和敬涵 学位类别 工学 学科专业 电气工程 学号 0 8 1 2 2 0 3 3 职称 教授 教授 学位级别 硕士 研究方向 直流牵引供电 系统保护 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文是在我的导师宋守信和和敬涵教授的悉心指导下完成的 他们严谨的 治学态度和深厚的理论功底帮我顺利完成论文 在我整个研究生阶段宋老师和和 老师也给予了我极大的关怀和帮助 在我的研究学习遇到瓶颈的时候 他们为我 指出了方向 在生活中遇到困难时 及时给我开导指引 他们的人格魅力潜移默 化的影响着我 在此向两位老师表示由衷的感谢和深深的敬意 在课题研究及撰写论文期间 实验室王小君老师给了我许多指导 我一个课 题组的喻乐 李墨雪 胡俊 徐金凤对论文的撰写提出了许多的宝贵意见 实验 室的其他同学也在课题过程中给予我关心和帮助 在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的家人 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 最后 再次感谢所有关心和帮助过我的老师 同学和朋友 1 i j 中文摘要 中文摘要 摘要 城市轨道交通是城市公共交通的重点发展方向 直流牵引供电系统的 安全可靠运行是城市轨道交通安全畅通的基础 本文在剖析直流牵引供电系统构 成的基础上 详细分析了机车传动系统以及直流牵引供电系统故障 对地铁直流 保护系统的研制开发具有十分重要的意义 首先本文对北京地铁7 5 0 v 直流牵引供电系统特点以及各组成部分进行深入 研究 着重分析了地铁交流机车传动系统 得出机车运行控制策略图并重点剖析 了机车制动工况 用某线路车辆实际参数进行详细的牵引计算 绘制了牵引特性 和制动特性曲线 然后在m a t l a b s i m u l i n k 中对d c 7 5 0 v 第三轨供电方式直流牵引供电系统的各 个子系统包括牵引变电站系统 地铁机车传动系统以及轨道系统进行建模 由于 机车运行过程中频繁起动 制动会引起供电系统电气参数的频繁变化 因此本文 对基于转差频率矢量控制的地铁机车起动 过三轨无电区 再生制动工况时的电 流进行仿真 模拟各种工况对直流牵引电网造成的影响 最后通过直流牵引供电系统的故障机理及故障电流的分析 可知当故障点不 同时故障电流的特征量即电流上升率和电流增量也不同 短路故障模型的仿真结 果表明机车起动电流和远端短路电流的相似会对直流馈线保护造成影响 探讨了 直流牵引供电系统馈线保护配置 详细分析了基于电流变化特征量保护的原理 本文中地铁机车模型的搭建以及故障分析对研究保护整定及各种类型保护的 相互间配合提供了理论依据和实验模型基础 关键词 直流牵引供电系统 地铁机车传动 再生制动 牵引计算 短路故 障分析 直流牵引保护馈线保护 分类号 t m 7 7 4 1 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t u r b a nr a i lt r a n s i ti st h ef o c u so fu r b a np u b l i ct r a n s p o r td e v e l o p m e n t s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ed cr a i l w a ys y s t e mo p e r a t i o ni st h eb a s i sf o re n t i r eu r b a n r a i l w a ys y s t e m t h ed cr a i l w a yp r o t e c t i o ns y s t e mm a i n l yi m p o r t e df r o mf o r e i g n c o u n t r i e s t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n ds t u d yo nt h ec o n f i g u r a t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c so fd cr a i l w a yp o w e rs u p p l ys y s t e ma n dt h ef a u l to ft h ed cr a i l w a y s y s t e mi no r d e rt oa n a l y z es y s t e mo p e r a t i o no f t h ed cr a i l w a ys y s t e m f i r s t l y t h i sp a p e rc o n d u c t e dar e s e a r c ho nt h e c h a r a c t e r i s t i ca sw e l l 弱t h e c o n s t i t u e n to fb e i j i n gu r b a n7 5 0 vd ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m a n a l y z e dt h ea c l o c o m o t i v ed r i v es y s t e me m p h a t i c a l l y a n do b t a i n e dt h el o c o m o t i v eo p e r a t i n gc o n t r o l s t r a t e g yc h a r tt h e na n a l y z e dt h el o c o m o t i v e b r a k eo p e r a t i n gm o d ew i 1e m p h a s i s w i t h al i n ev e h i c l e sa c t u a lp a r a m e t e r st h i sp a p e rc o n d u c t e dad e t a i lt r a c t i o nc a l c u l a t i o n d r a w nu pt h et r a c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dt h eb r a k ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e t h e n t h i sp a p e rb u i l tam o d e lo ft h ed c 7 5 0 vt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi n m a t l a b s i m u l i n k i n c l u d i n gt r a c t i o np o w e rs y s t e m l o c o m o t i v ed r i v es y s t e ma n dt h e m e t r or a i ls y s t e mb e c a u s ef r e q u e n ts t a r t i n g a c c e l e r a t ea n db r a k ei ni t s1 1 1 1 1p r o c e s s i t c a u s e dt h ep o w e rs u p p l ys y s t e me l e c t r i c i t yp a r a m e t e r sf r e q u e n tc h a n g e b a s e do nt h e s l i pf r e q u e n c yv e c t o rc o n t r o l t h i sp a p e r c a r r i e do nt h es i m u l a t i o no f m e t r ol o c o m o t i v e s t a r t i n g o v e rt h r e e t r a c kr a d i oz o n e r e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n d i t i o no nt h ei m p a c to f d ct r a c t i o np o w e rs y s t e m t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd ct r a c t i o np o w e rs y s t e m sf a u l tm e c h a n i s ma n df a u l t c u r r e n t g o tt ok n o ww h e nt h ef a i l u r ep o i n ti sd i f f e r e n tt h ef e a t u r eo f f a u l tc u r r e n t t h e c u r r e n tr i s er a t ea n dt h ec u r r e n ti n c r e m e n ti sd i f f e r e n t s h o r t c i r c u i tf a u l tm o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h el o c o m o t i v es t a a i n gc u r r e n ti ss i m i l a rt ot h er e m o t e s h o r t c i r c u i tc u r r e n tw i l la f f e c tt h ed cl i n ep r o t e c t i o n t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ed ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m sf e e d e rp r o t e c t i o n c o n f i g u r a t i o ni nt h ee n d a n dd e t a i l e da n a l y s i st h ep r i n c i p l eo fp r o t e c t i o nb a s e do nt h e c u r r e n ta m o u n t t h ee n t i r em o d e l sb u i l dt os t u d yt h ep r o t e c t i o ni n s t a l l a t i o na n di t s c o o r d i n a t i o nh a sp r o v i d e dt h et h e o r yb a s i sa n dt h ee x p e r i m e n t a lm o d e lf o u n d a t i o n k e y w o r d s d ct r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m s u b w a y l o c o m o t i v e d r i v e r e g e n e r a t i v eb r a k i n g t r a c t i o nc a l c u l a t i o n s h o r tc i r c u i ta n a l y s i s d cw a c t i o np r o t e c t i o n c l a s s n 0 t m 7 7 4 v j 3 3 2 牵引性能计算 2 4 3 3 3 制动性能计算 2 6 3 3 4 再生制动电流计算 2 7 3 4本章小结 3 0 4地铁牵引传动系统的建模与仿真 3 1 4 1牵引变电站模建模 3l 4 2机车传动系统建模 3 4 4 2 1 交流牵引逆变模块 3 4 4 2 2 交流牵引电机模块 3 6 北京交通大学硕士学位论文 4 3地铁轨道建模 3 8 4 4仿真及结果分析 3 8 4 4 1 起动工况 3 8 4 4 2 再生制动工况 4 1 4 4 3 过三轨无电区 4 3 4 5本章小结 4 4 5 直流牵引供电系统故障分析 o 4 5 5 1 直流牵引供电系统故障分析 4 5 5 1 1 直流牵引供电系统故障原因分析 4 5 5 1 2 直流牵引供电系统故障电流分析 4 6 5 2直流牵引供电系统故障仿真 4 8 5 2 1 短路故障仿真 4 9 5 2 2 仿真结果分析 5 2 5 3直流牵引供电系统馈线保护 5 3 5 3 1 直流牵引供电系统保护装置的作用 5 3 5 3 2 直流牵引供电系统馈线保护的配置 5 4 5 3 3 直流牵引供电系统馈线主保护分析 5 5 5 4本章小结 5 8 6结论 5 9 参考文献 6 1 作者简历 6 3 独创性声明 6 5 学位论文数据集 6 7 引言 1 1 课题研究背景和意义 l 引言 随着我国经济的迅速发展 城市规模建设不断扩大 人口高度集中 城市交 通拥挤情况日益严重 人们开始逐步认识到解决大城市的交通问题 必须开发容 量大 速度快 能耗低 污染少的现代化快速轨道交通系统 城市轨道交通可以 有效的缓解城市交通的紧张状况 至2 0 0 8 年底 我国已有1 0 个城市拥有共2 9 条 城市轨道交通运营线路 运营里程达到7 7 6 公里 年客运总量达2 2 1 亿次 而据 不完全统计 北京 上海等1 5 个城市共有约5 0 条 1 1 5 4 公里轨道交通线路在建 截至目前 有约2 7 个城市正在筹备建设城市轨道交通 其中2 2 个城市的轨道交 通建设规划已经获得国务院批复 至2 0 1 5 年前后 北京 上海 广州等2 2 个城 市将建设7 9 条轨道交通线路 总长2 2 5 9 8 4 公里 总投资8 8 2 0 0 3 亿元 国务院 已批和拟批的城市轨道交通规划共涉及2 3 个城市 因为地铁的舒适 快捷和便利 使它成为人们出行的重要交通工具 地铁也就成为了许多城市交通的重要组成部 分 城市轨道交通作为现代化大都市的标志之一 具有快捷 安全 舒适和运载 能力大的优势 同时对改善城市空气环境以及推动城市经济和社会发展具有十分 重要的意义 城市轨道交通在国内的快速发展 对城市轨道交通的安全性 可靠 性提出了更高的要求 直流牵引系统的安全可靠运行是整个城市轨道交通运行的 基础与关键 对直流牵引系统组成和故障的分析 对保护与控制技术及相关问题 的研究有重要意义 中国的城市轨道交通建设正处于迅猛发展的时期 有着广阔的市场与前景 因对此领域技术的专业性 系统性 创新性提出了更高的要求 城市轨道交通供电系统是城市电力系统的一部分 能否安全 可靠 稳定的 运行 直接关系到城市轨道交通用电的通畅 当发生故障时 会严重的影响到电 力系统的运行安全 城市轨道交通供电属于一级供电负荷 一旦中断 将打乱运 输计划和机车车辆运行图 影响城市轨道交通的环控系统 照明系统的运行 造 成很大的社会影响 特别考虑到城市轨道交通大都处于我国重要城市 甚至是国 家或某一区域的政治 经济 文化中心 其影响更不可估量 因此 对牵引供电 系统保护的研究 建设一个安全 可靠的城市轨道交通供电系统 对城市轨道交 通有着重要的意义 北京交通大学硕士学位论文 由于电气牵引线路的空间有限 也为了减小机车体积 需采用直流牵引供电 在整个城市轨道供电系统中 直流牵引供电系统占有极其重要的位置 城市轨道 交通系统全部采用电力牵引 采用封闭的专用线路 使得自动化控制水平高 运 输能力强 由于站间距离短 起动 调速 制动及惰性情况频繁 而且起动和制 动时间短 运行速度高 所以必须保证其安全运行 研究直流牵引供电系统的继 电保护技术 一方面确保向地铁列车提供安全可靠的供电 减少甚至消除不必要 的停电时间 从而提高经济效益 另一方面可以在当直流牵引供电系统发生故障 时 需要保护装置有选择性的及时迅速切除故障 保护装置靠性与稳定性的好坏 与否 直接影响到整个地铁交通系统的运行和工作人员及旅客的人身安全 因此 对保护领域技术的专业性 系统性 创新性提出了更高的要求 1 2 国内外研究现状 在地铁交通发展的初期 直流供电保护系统在可靠性方面还很不完善 一般 仅依靠电流速断保护和过流保护切除短路故障 效果往往非常不理想 保护装置 一般都是由电磁式继电器构成 这类保护装置使用了大量的时间继电器 中间继 电器 重合闸继电器等元器件 由于使用的元器件品种和数量比较多 使得系统 接线复杂 潜在故障点多 从而降低了整个系统的安全可靠性 随着电子技术 计算机技术的飞速发展 微处理器的应用实现了电流上升率 和电流增量保护 极大的提高了直流牵引供电系统保护装置的可靠性和准确性 目前较为先进的保护装置是 采用基于可编程控制器的数字式保护装置取代传统 的继电器保护装置 大大提高了保护性能以及直流牵引供电的自动化程度 随着 科技的不断进步 未来的趋势是向网络化 计算机化 控制 保护 测量 数据 人工智能化及通信一体化发展 国内在地铁直流牵引供电系统保护领域的设备基本来自于进口 德国和日本 处于领先阶段 国外研制开发的直流继电保护装置主要有w h i p p b o u r n e 公司 的m m l 0 m t r 2 0 m t r 3 0 等型号的继电保护装 a d t r a n z 公司的d c p1 0 6 型 继电保护装置 s 正m e n s 公司的s i t r a sd p u 9 6 型继电保护装置以及s e c h e r o n 公司的s e p c o s 继电保护装置等 在国内各地工程建设中 因各地实际情况所采 用的保护装置也不同 目前在国内南京地铁采用s e e h e r o n 公司的s e p c o s 保护单 元 广州地铁采用s i e m e n s 公司的d p u 9 6 保护单元 上海地铁采用a d t r a n z 公司的d c p l 0 6 单元等 由于国外进口设备与国内设备差价大 价格高 且工程 的安装和调试均受制于外商 使运营费用大大增加 因此 及早研制出具有自主 知识产权的直流供电系统保护设备 具有广阔的市场前景和重要的现实意义 2 引言 1 3 论文的主要内容和工作 本论文首先介绍了直流牵引供电系统组成及供电方式 基于某线路的实际数 据对机车传动系统进行详细牵引计算和建模 然后对各种运行工况进行仿真分析 通过故障分析对直流牵引供电系统馈线保护的配置进行了阐述 并对直流牵引供 电系统主保护进行重点研究 本论文主要完成了以下工作 1 本文对直流牵引供电系统特点以及各组成部分进行剖析 对各种机车传动 方式进行阐述 重点研究了交流电力牵引机车逆变系统和机车传动时的控制策略 对机车制动运行工况状态进行深入分析 2 基于某线路车辆的列车编组方式等实际参数 对牵引和制动工况时的特性 进行了详细的计算 为后面的模型搭建提供了理论基础 3 详细的分析了地铁机车的电力传动结构 在m a t l a b s i m u l i n k 中对整个直流 牵引供电系统包括牵引变电站系统 基于转差频率矢量控制地铁机车电传动系统 以及轨道系统的建模 进行机车起动工况 制动工况 过三轨无电区的仿真分析 4 对直流牵引供电系统故障机理及故障电流进行分析 并且通过建立 m a t l a b s i m u l i n k 短路故障模型进行仿真验证 5 通过故障分析 对直流牵引供电系统的保护策略进行探讨 深入研究了基 于电流变化特征量保护的原理 卜 i 直流牵引供电系统的组成 2 直流牵引供电系统的组成 城市轨道交通供电系统的作用是为城市轨道交通运行提供所需电能 它不仅 为城市轨道交通电动列车提供牵引用电 而且还为城市轨道交通运营服务的其他 设施提供电能 如照明 通风 空调 给水排水 通信 信号 防灾报警 自动 扶梯等 在城市轨道交通的运营中 供电一旦中断不仅会造成城市轨道交通运输 的瘫痪 而且还会危及乘客生命安全和造成财产的损失 因此 高度安全 可靠 而又经济合理的电力供给是城市轨道交通正常运营的重要保证和前提 城市轨道交通供电电源一般取自城市电网 通过城市电网一次电力系统和城 市轨道交通供电系统实现输送或变换 然后以适当的电压等级供给城市轨道交通 各类用电设备 城市轨道交通供电系统一般包括外部电源 主变电所 牵引供电 系统 动力照明供电系统 电力监控系统 其中 牵引供电系统包括牵引变电所 和牵引网 动力照明供电系统包括降压变电所和动力照明配电系统 城市轨道交通供电系统主要由以下三部分构成如图2 1 所示 中压环网供电系 统 牵引供电系统和动力照明供电系统 交流交流 图2 1 直流牵引供电系统 f i g u r e2 1d c t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 5 走行回流轨 北京交通大学硕士学位论文 1 中压环网供电系统 城市轨道交通中压环网供电系统指电网向城市轨道交通系统供电的方式 由 城市公共电网提供交流电 如1 1 0 k v 3 5 k v l o k v 城市轨道交通的中压交流环 网系统可采用牵引与动力照明相对独立的网络形式 也可采用牵引与动力照明混 合的网络形式 2 牵引供电系统 它是城市轨道交通供电系统的核心 负责向轨道交通车辆提供电能 其主要 作用是降压 整流和传输电能 其中主要包括降压整流系统 直流牵引网 机车 受电等 牵引供电系统的牵引变电所将交流电经过变压器降压以及整流器整流 变成适合低压直流电送到直流馈线网 轨道交通车辆通过受流器获得电能 3 动力照明信号供电系统 它主要负责向车站和区间各类照明 信号设备 通风 排水 制冷设备馈送 电能 其主要作用是降压 分配和传输电能 2 1 供电方式 变电所是城市轨道交通供电系统的重要组成部分 一般是在城市轨道交通沿 线设置 其数量 容量及其在线路上的分布应在综合考虑的基础上由计算确定 城市轨道交通供电系统中一般设置三类变电所 即主变电所 分散式供电方式为电 源开闭所 降压变电所及牵引降压混合变电所 主变电所是指采用集中供电方式 时 接受城市电网3 5 k v 及以上电压等级的电源 经其降压后以中压供给牵引变电 所和降压变电所的一种城市轨道交通变电所 降压变电所从主变电所 电源开闭所 获得电能并降压变成低压交流电 牵引变电所从主变电所 电源开闭所 获得电能 经过降压和整流变成电动列车牵引所需要的直流电 在有牵引变电所和降压变电 所的站点 为方便运行管理 降低工程造价 可合并建成一座牵引及降压混合变 电所 当由其他变电所引人中压电源而独立设置降压变电所时 可称为跟随式降 压变电所 城市轨道交通系统是一个重要的用电负荷 按规定应为一级负荷 即应由两 路电源供电 当任何一路电源发生故障中断供电时 另一路应能保证城市轨道交 通重要负荷的全部用电需要 在城市轨道交通供电系统中牵引用电负荷为一级负 荷 而动力照明等用电负荷根据它们的实际情况可分为一级 二级或三级负荷 城市轨道交通的外部电源供电方案 应根据线网规划和城市电网的具体情况进行 规划设计 而不应局限在某一条线路上 根据实际情况不同可分为集中供电方式 分散供电方式和混合供电方式 6 1i 直流牵引供电系统的组成 集中供电方式是指在线路的适中站位 根据总容量要求设主变电所 由发电 厂或城市电网区域变电所以高压 如1 1 0 k v 向主变电所供电 经降压并在沿线结合 牵引变电所 降压变电所进线形成3 5 0 3 k v 或1 0 k v 中压环网 由环网供沿线设 置的牵引变电所经降压整流为直流电 如7 5 0 v 或1 5 0 0 v 从而对电动列车供电 各车站机电设备则由降压变电所降压为3 8 0 2 2 0 v 对动力 照明等供电 这种供电 方式的中压网络的电压等级应根据用电容量 供电距离 城市电网现状及发展规 划等因素 经技术经济综合比较后确定 为了便于城市轨道交通供电系统的统一 管理 提高自身供电的可靠性和灵活性 城市轨道交通供电系统目前较多地采用 集中供电方式 分散供电方式是指不设主变电所 而直接由城市电网区域变电所的3 5 3 3 k v 或1 0 k v 中压输电线直接向城市轨道交通沿线设置的牵引变电所 降压变电所供电 并形成环网 采用这种方式的环境必须是城市电网比较发达 在有关车站附近有 符合可靠性要求的供电 混合供电方式 顾名思义就是上两种方式的混合 即指一条轨道交通线路 一部分采用集中供电 另一部分采用分散供电 直流牵引系统采用的供电方式常用有以下四种 下面是供电系统接线图 1 环形供电接线 如图2 2 所示 由两个或两个以上主降压变电站向所有的牵引变电所和降压变 电所供电 相互构成一个环形 环形供电是很可靠的供电线路 因为在这种情况 下 一路输电线和一主降压变电站同时停止工作时 只要其母线仍保持供电 就 不致中断任何一个牵引变电所的正常供电 但投资较大 图2 2 环形供电接线 f i g u r e 2 2l 0 0 pf e e d i n ga r r a n g e m e n t 2 双边供电 如图2 3 所示 由主降压变电站向沿线牵引变电所供电 为了增加供电的可靠 性 用双路输电线供电 而每路按输送功率计算 这种接线可靠性稍低于环形供 电 当一个主变电站所出现故障时 供电区域内的沿线牵引变电所和降压变电所 仍能正常工作 7 图2 5 辐射性供电接线 f i g u r e 2 5r a d i o a c t i v ef e e d i n ga r r a n g e m e n t 从供电可靠性的角度出发 为了增加系统的可靠性 不致用户供电中断 一 般采用三种方式 一是采用双电源或多电源 环形和双边供电就是采用这种方式 二是采用双路输电线路 防止因输电线路故障而引起用户的供电中断 8 曰 知 直流牵引供电系统的组成 2 2 牵引网 城市轨道交通系统的牵引网是专门为电动车辆供给电源而沿线路铺设的装 置 它由正极接触网供电 负极走行回流轨两部分组成 接触网分为架空式接触网和第三轨式接触网 1 架空式接触网 架空式接触网的悬挂类型大致为三种 简单悬挂 链形悬挂 刚体悬挂 不 同的类型其电线粗细 条数 张力都是不一样的 简单悬挂 简单悬挂方式结构简单 支柱高度低 支持装置承受的负荷较 轻 但是弛度大 弹性不均匀 为改善这一状况 一般在悬挂点处增加一个倒y 形的弹性吊索 称为弹性简单悬挂 相应改善了悬挂点处的弹性和运行状况 链形悬挂 接触线通过吊弦悬挂到承力索上的悬挂称为链形悬挂 链形悬 挂的类型很多 可以按悬挂链数分为 单链形悬挂 双链形悬挂和多链形悬挂 对城市轨道交通 因其运行速度不太高 列车功率也不太大 一般多采用简单链 形悬挂 应用速度可达1 0k m h 以上 刚性悬挂 刚性悬挂又称刚性接触网 是一种区别于传统柔性接触网的供 电方式 由于地铁隧道供电导线上方空间有限 链形悬挂一般采用冷拉电解铜接 触线 2 第三轨接触网 第三轨接触网是沿轨道线路铺设的附加接触轨 电动客车转向架伸出的受流 器 通过滑靴与第三轨的接触而取得电能 三轨接触网的电压据i e c 标准为 d c 6 0 0 v 和d c 7 5 0 v 接触轨可以有三种方式 即上接触式 下接触式和侧接触式 上接触式 受流器的滑靴从上面压向接触轨轨头顶面受流 受流器的接触 力由下作用弹簧的压力调节 受流平稳 由于端部弯头的过渡作用 能够减少在 断电区的电流冲击 下接触式 下接触式的优点是防护罩从上部通过橡胶垫直接固定在接触轨 周围 对人员安全性好 但是这种方式安装结构较复杂 费用较高 侧面接触式 侧面接触式就是接触轨的轨头端面朝向走行轨 集电靴从侧 面受流 跨座式独轨车辆就采用侧面接触形式 它的受流器装在转向架下部 接 触轨装在轨道梁上 第三轨是沿轨道线路敷设的附加接触轨 从机车转向架伸出的受流器通过集 电靴与第三轨接触取得电能 北京 天津地铁均采用d c 7 5 0 v 三轨供电方式 三 轨供电系统所需隧道净空低 系统简单可靠 维护简单 9 q i l r 北京交通大学硕士学位论文 2 3 地铁车辆 地铁车辆是地铁运输的主要载体 交流传动由于相对直流传动具有优异的传 动性能及良好的可靠性 已广泛应用于地铁车辆 极大地提升了地铁车辆在牵引 和制动方面的性能 城市轨道交通车辆是一种以电力传动方式来实现能量变换及 传递的机车 地铁列车的电力牵引通常由受流器从第三轨 输电轨 或架空网受电 通过车载的变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电 将电能转换为机械能 通过齿轮传动箱和轮对 驱动列车运行 地铁机车工作原理如图2 6 所示 d c 供电 图2 6 地铁机车工作原理 f i g u r e 2 6m e t r ol o c o m o t i v es c h e m a t i c 地铁牵引电机的控制根据地铁车辆牵引电机的不同采用的牵引控制技术也不 同 直流电机采用凸轮控制 直流斩波调压控制 交流电机采用调压调频控制 在计算能耗和电机发热时 要考虑不同的电机形式 地铁机车最常用的为凸轮调阻 斩波和交流电机三种 凸轮调阻传动较差 维护工作量大 耗能较多 大量热量耗散在隧道中 在世界上已逐渐被淘汰 斩 波调速车有车辆运行性能较好 节约能源 维护工作量少等优点 能减少隧道内 的温升 交流传动调速地铁车与凸轮调阻和斩波调速车相比 降低维护费用方面 更具优势 是地铁车辆发展方向 地铁车辆就传动系统的电动机而言 有以下分类 如图2 7 1 0 直流牵引供电系统的组成 图2 7 牵引电动机及控制方式 f i g u r e 2 7t r a c t i o nm o t o r sa n dc o n t r o lm e t h o d s 2 4 地铁相关辅助系统 城市轨道电动车辆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 为了提高城市轨道交通供电系统的可靠性和自动化程度 城市轨道交通供电 系统设置了自动控制系统 电力监控系统 电力监控系统运用计算机和网络技 术 采用分层分布式结构 由中央监控中心主站系统 车站变电所子站系统 车 辆段隔离开关监控系统以及车站内的基础设备 接触网设备及通信单元组成 主 变电所 牵引变电所和动力照明变电所的信息经过信息终端和通道接入电力监控 系统中 通过地铁通信系统形成一个完整的系统网络结构 2 5 本章小结 本章首先介绍了城市轨道交通直流牵引供电系统的组成及运行原理 其后对 牵引网和相关辅助系统加以介绍 重点对机车的工作原理及各种传动方式进行分 析 为后面的牵引计算及建模仿真打下基础 j 曰 i 地铁牵引传动系统及其计算 3 地铁牵引传动系统及其计算 3 1 地铁车辆电力传动方式 地铁车辆的电力牵引通常由受流器从第三轨或架空网受电 通过车载的变流 装置给安装在转向架上的牵引电机供电 通过牵引电机实现电气传动控制系统改 变牵引电动机的转速来达到车辆调速的目的 轨道交通车辆电力主要传动方式分 为直流传动方式和交流传动方式 3 1 1直流电机传动方式 若车辆采用直流牵引电机 1 6 则其传动方式为直流传动如图3 1 早期的直 流传动主要采用凸轮调阻方式来进行电压调节 这种方式会产生相当大的冲击电 流 现在主要由直流电源经直流变换器 c d c 向直流牵引电机供电 斩波调速 又称脉宽调速 是在直流电源电压基本不变的情况下通过电子开关器件的通断 改变施加到电动机两端的电压脉冲宽度 即所谓占空比 以调节输人到电动机的 电压平均值 直流电力机车就是采用斩波器对牵引电机的端电压进行连续 平滑 的调节 通过改变晶闸管移向角的方法来改变整流输出电压 从而进行平滑无级 调速 d c 接地装置 图3 1 直流机车传动框图 f i g u r e 3 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f d cl o c o m o t i v et r a n s m i s s i o n 1 3 机 北京交通大学硕士学位论文 城市轨道交通车辆的牵引动力要求负载转矩可以在较大范围内变动 因此 直流机车通常采用具有软特性的串励电机 串励电动机的空载速率为满载速率的 好几倍 它的机械特性为双曲线 当转矩增加时 速度便会自动降低 功率输出 可保持恒定 由电网供给电机的功率也可保持在稳定的数值而不致有大的波动 上海1 号线直流机车主电路如图3 2 每节动车由4 台2 0 7 k w 直流串励电动 机驱动 每2 台电机串励成一组 再两组并联 两组牵引电机磁场交错联结 以 使两组电机电势平衡 车辆牵引电机采用g t o 斩波器无级调速和一级磁场削弱运 行 将电能反馈至电网再生制动或消耗在制动电阻上电阻制动 斩波器由2 只g t o 元件 最高截止电压4 5 0 0 v 最大关断电流2 0 0 0 a 与二串二并的4 台牵引电机组成 斩波调压线路 2 只g t o 元件相差1 8 0 交替工作 每只工作频率2 5 0 h z 所以 斩波器得工作频率为5 0 0 h z 这样使斩波器及平波电抗器的工作频率都提高了l 倍 使l c 的数值明显降低 使得易于设计滤波器 消除高次谐波 u l 图3 2 上海1 号线直流机车主电路图 f i g u r e3 2m a i nc i r c u i to fs h a n g h a il i n e1l o c o m o t i v es y s t e m 3 1 2交流电机传动方式 若地铁车辆采用交流电动机 则其传动方式为交流传动 由直流电源经晶闸 管或其他新型电力电子器件构成的逆变器将直流电源转换为可调压 变频的三相 交流电 再向交流牵引电机供电 直流 交流方式向三相交流牵引电机供叫1 6 1 方式 如图3 3 将在后面的论文中重点分析交流机车传动方式 1 4 i i 地铁牵引传动系统及其计算 d c 动机 接地装置 图3 3 交流机车传动框图 f i g u r e 3 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f a cl o c o m o t i v et r a n s m i s s i o n 交流机车一般采用鼠笼式异步电动机 交流机车调速系统比斩波调速系统要 更复杂 主要采用变频调速 通过把固定频率的交流电变换为可调电压 可调频 率的交流电 由变频器向交流电机供电 变流调速控制主要由p w m 脉冲宽度调 制 方式来进行控制 这种控制的优点有 中间直流电压不变 故其强迫换流线路可以很简单 调频调压均可在逆变器内部实现 可不受直流滤波回路参数影响而实现快 速调节 电源侧功率因数较高 减少了高次谐波对电网的影响 可以将输出电压调制成p w m 波 减少了低次谐波 从而解决了电动机在低 频区的转矩脉动问题 也降低了电动机的谐波损耗与噪声 3 2 地铁交流机车电力传动系统分析 交流机车是地铁发展方向 在论文中重点分析目前在地铁中广泛应用的交流 传动系统 交流机车牵引系统拓扑图如图3 4 主要包括断路器 电抗器 牵引逆 变单元 斩波单元 制动电阻及牵引电机 d c 7 5 0 v 电压经过高压断路器和线路滤 波供给牵引逆变模块变成交流电驱动鼠笼式异步电动机 当制动模式的时候 电 力牵引系统将能量反过来转化 电动机转化成发电机 发出电能 电制动能量反 馈到电网供给其他列车 如果不可行 则以热能的形式消耗在制动电阻上 1 5 北京交通大学硕士学位论文 逆变器 制动电阻 图3 4 牵引变流系统拓扑图 f i g u r e 3 3t o p o l o g yo ft r a c t i o ns y s t e m 图3 4 中直流滤波电路由滤波电抗器和滤波电容器构成 滤波电路的作用如下 过滤输入电压 抑制电网侧发生的过电压对逆变器的影响 例如变电所的操作过电压 雷 击过电压等 抑制逆变器因换流引起的尖峰过电压 抑制电网侧传输到逆变器直流环节的谐波电流 抑制逆变器产生的谐波电 流对电网及轨道信号的影响 限制变流器的故障电流 限制直流电流的上升率 以便有时间让接触器在 电流限值内分断 以避免逆变器短路对电网产生的冲击 3 2 1机车牵引逆变系统 轨道车辆电气系统牵引逆变器驱动方式有1 c 4 m 4 c 4 m 2 c 4 m 三种方式 1 1 c 4 m 整车控制驱动方式 1 c 4 m 整车控制驱动方式即是动车两个转向架上的四个牵引电机只由一个牵 引逆变器驱动 这种方式的优点是成本低 控制简单 但是对于各动轴轮径差较 大时 各动轴功率将极不均衡 容易出现空转 整车粘着利用率将会降低 粘着 系数仅可以达到o 1 8 左右 而且一旦逆变器出现故障 整车即失去动力 所以故 障运行能力差 1 6 地铁牵引传动系统及其计算 2 4 c 4 m 轴控驱动方式 4 c 4 m 轴控驱动方式是每个逆变器只为一个牵引电机供电 每个电机的力矩均 独立控制 此种控制方法的优点是不存在牵引电机工作时由轮径差及电机特性差 异引起的功率不平衡问题 粘着利用率高 粘着系数可以达到0 2 1 6 左右 动车 拖车比较小 故障运行能力强 是一种较为理想的驱动方式 但是存在着成本高 逆变器所占空间大的问题 3 2 c 4 m 架控驱动方式 2 c 4 m 架控驱动方式是每个转向架配备一台逆变器 由逆变器驱动一个转向架 上的两个并联的牵引电动机 粘着系数可以达到o 1 6 0 1 8 性价比比较高 本文选取的实际线路的机车采用的2 c 4 m 驾控驱动方式的b 型车 电力传动 主电路图如图3 5 所示 图3 5 北京地铁5 号线电传动主电路图 f i g u r e 3 5m a i nc i r c u i to fl o c o m o t i v es y s t e mi nb e i j i n gs u b w a yl i n e5 电气牵引系统中 每辆动车所包含的一套电气牵引系统主电路由高压电器及 能量释放单元 电容器充放电单元 滤波单元 v w f 牵引逆变器 包括制动斩波 器 交流牵引电动机 制动电阻及检测单元等组成 主电路各部件需满足列车的 牵引及制动特性的要求 d c 7 5 0 v 直流电压经接触轨受电器 主隔离开关 高速断 路器 电抗器等送入变频机组 再经过中间的保护充电电路送到逆变器回路 经 过逆变器回路的三相逆变器功率模块逆变成三相交流电压 驱动三相异步牵引电 动机工作 1 7 簧压紧力与车轴紧密接触 电刷的尺寸为3 2 m m x 3 2 r n m x 5 0 m m 极限尺寸为2 5 r a m 弹簧压紧力为7 0 6 n 初次使用 3 8 1 n 磨耗到极限 另外 齿轮传动比为1 0 0 1 3 3 2 2机车控制策略分析 实际线路的最高运行速度是5 0 k m h 平均速度为3 5 4 0 k m h 其速度控制由 逆变器来实现 牵引电机的转速 直流侧电压 逆变器三相输出电压等检测信号 送入逆变器的控制电路中 由逆变器控制器按照运行指令和电机牵引特性的要求 计算出电压和频率指令 并转化为p w m 开关信号来控制逆变器的开关器件 从而 实现电机的速度控制 1 8 地铁牵引传动系统及其计算 一般情况下 电力拖动系统的运动方程式是 7 e z 一j d c a 旦彩 墨口 n p 出n pn p 式中z 负载转矩 期 组的转动惯量 d 与转速成正比的转矩阻尼系数 k 期转弹性转矩系数 刀 极对数 对于恒转矩负载 d 0 k 0 因此有 t e 瓦 丢 d t 呱一瓦 卷d t 刀 刀 显然控制转速的变化率 可以提高系统的动态性能 只要控制转矩 就可以 控制d 国 e t 因此 总的说来 调速系统的动态性能就是控制其转矩的能力 此线路的机车牵引控制系统采用转差频率矢量控制 其要点是保持压频比u f 恒定 控制滑差就可以调节转矩 当u f 恒定 即保持气隙磁通近似不变 滑差不 变时 便可实现起动与调速 1 恒转矩牵引控制阶段 该阶段转差频率一定 电压 频率 u f 一定 逆变 器输出频率按速度要求逐渐增大 对逆变器输出电压实行p w m 控制 可以保持牵 引力恒定 电机电流基本不变 2 恒功率牵引控制阶段 逆变器输出电压达到最大值后保持不变 使电机的 转差频率随逆变器频率增加 维持电机电流不变 从而得到恒功率控制 该阶段 电机牵引力随逆变器输出频率的上升成反比减少 相当于直流电机的弱磁控制 该阶段从电机转速一直持续到转差频率达到所给定的最大值 3 自然特性牵引控制阶段 这一阶段逆变器输出电压保持最大值不变 转差 频率也保持最大值不变 逆变器输出频率随速度要求逐渐增大 电机电流与频率 成反比逐渐减少 直到最高运行速度 4 制动自然特性控制阶段 速度变化由高到低 电机电流随逆变器输出频率 的减少成反比增大 由于逆变器容量的限制 决定了电机电流的上限 当电机电 流达到最大值后将实行恒流控制 这时制动力矩随逆变器频率的降低成反比例增 力玎 5 制动恒转矩控制阶段一 逆变器电压仍保持最大值 控制时使转差频率的 绝对值与逆变器频率的平方成正比 逆变器频率随着电机的速度逐渐下降 该阶 段电机电流基本上与逆变器频率成反比减少 使得制动力矩保持恒定 6 制动恒转矩控制阶段二 这一阶段与控制模式4 的阶段相同 只是速度变 1 9 北京交通大学硕士学位论文 化由高到低 再生制动恒转矩控制可以持续到速度降到5 k m h 然后切除电制动 转换到空气制动 直到停车 地铁机车运行时的控制策略图和相应段内的电机各电量变化情况如图3 6 所 示 f 牢一 恒转矩 恒压 恒压一 恒转矩j 引 力 l i 7 o 一牵引 一1 卜 一钳动 叫 距离 电机电流恒流一定 l f一定恒流 电机电压f恒压恒压恒压恒压l 频率 fff l ll 转差频率一定 f 一定一定 l 一定 磁通一定ll t f 一定 电机功率 t 一定 i t一定 l 图3 6 地铁交流机车运行控制策略图 f i g u r e 3 6o