电力牵引传动系统一

1 第六章电力牵引传动系统 一 2 概述2牵引供电方式直流牵引传动系统构成及原理交流牵引传动系统的构成及原理5电力牵引系统主要设备城轨车辆能量回馈系统7大功率交流传动互馈试验系统 3 电力牵引是一种将电能作为动力的牵引方式 轨道交通车辆的电力牵引系统的基本功能是车辆经牵引供电网络吸取电能转变为驱动车辆所需的机械能 或者是将车辆的机械能变为电能 对车辆实施电制动 所以电力牵引系统以牵引电机为控制对象 通过对电机牵引力和速度的调节 满足车辆牵引和制动特性的需要 概述 4 轨道交通电力牵引系统主要类型 根据供电电压制式可分为 直流 600 750 1500 3000V 标称值 交流 15000 25000V 标称值 根据牵引电机可分为 直流电力牵引系统交流电力牵引系统 5 轨道交通电力牵引系统主要类型 直流传动系统框图 直流 直流 城轨 交流 直流 干线铁路 直流 6 轨道交通电力牵引系统主要类型 交流传动系统框图 7 牵引变压器将牵引网供给的25kV单相交流电压降低 以满足变流器的工作要求 一般在1 2kV左右 对于 交 直 传动系统 变流器主要实现整流功能 通过相控整流将交流电压变为大小可控的直流电压 对于 交 直 交 系统 变流器首先通过脉宽整流将交流电变为直流电 再将直流逆变为幅值和频率均可控的三相对称交流电 变流器输出可调的直流 交流电压 供给直流 交流牵引电机工作 产生所需要的牵引力 干线铁路机车 动车组牵引系统 8 对于直流传动系统 变流器主要作用为调压 对于交流传动系统 变流器将直流逆变为幅值和频率均可控的三相对称交流电 变流器输出可调的直流 交流电压 供给直流 交流牵引电机工作 产生所需要的牵引力 城市轨道车辆电力牵引系统 9 城轨车辆 电气牵引时 DC750V或DC1500V直流电压 然后经三相逆变器变为交流三相电压 给牵引电机供电 实现电能到机械能的转换 电气制动时 牵引电机机械能转换为电能 经三相逆变器变为直流电压反馈到电网 实现机械能到电能的转换 也称为再生制动 或通过制动电阻 将机械能转化为热能 10 干线铁路车辆 电气牵引时 25kV交流电经变压器降压后 经四象限变流器变为直流电压 然后经三相逆变器变为交流三相电压 给牵引电机供电 实现电能到机械能的转换 电气制动时 牵引电机机械能转换为电能 经三相逆变器变为直流电压 经四象限变流器变为单相交流电压 经变压器反馈到25kV电网 实现机械能到电能的转换 也成为再生制动 11 概述2牵引供电方式直流牵引传动系统构成及原理交流牵引传动系统的构成及原理5电力牵引系统主要设备城轨车辆能量回馈系统7大功率交流传动互馈试验系统 12 电力系统生产 输送 分配 消费电能的发电机 变压器 电力线路 各种用电设备联系在一起组成的统一体 13 14 动力部分 火电站的锅炉 汽轮机 水电站的水库 水轮机 热电站的热力网 风能 太能能 核能 15 16 17 18 交流牵引供电系统 19 交流牵引供电系统 20 直流牵引供电系统 21 22 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 23 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 24 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 25 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 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 26 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 27 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 28 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 29 牵引供电整流装置将高压交流 10kV或35kV 变为直流电 750V或1500V 为了提高直流电的供电质量 降低直流电源的脉动量 通常采用多脉波整流的方法 如12脉波 24脉波整流 直流供电网整流方式 30 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 31 广义的接触网大体可分为接触导线 习惯称为接触网 及接触轨两大类 接触导线悬挂于轨道上方 接触轨位于轨道中部或侧面 上海地铁采用架空式接触网北京地铁采用接触轨 接触轨安装于线路行车方向的左侧 集电靴采用上部接触方式受电 接触网分类 32 概述2牵引供电方式直流牵引传动系统构成及原理交流牵引传动系统的构成及原理5电力牵引系统主要设备城轨车辆能量回馈系统7大功率交流传动互馈试验系统 33 一 直流电机 直流电动机的磁极和磁路 直流电机由定子 转子两部分构成 直流牵引传动系统 34 直流电机 直流电机各部分的作用 定子的作用是用来产生磁场 提供磁路和作为电机的机械支撑 转子部分是用来产生感应电势和电磁转矩从而实现机电能量转换的主要部件 转子通过轴承与定子保持相对位置 使两者之间有一个空气隙 35 直流电动机工作原理 载流导体在磁场中将会受到力的作用 若磁场与载流导体互相垂直 作用在导体上的电磁力大小为 f B l iB 磁密l 导体长度 i 导体中电流力的方向用左手定则确定 36 直流电动机工作原理 换向 电枢绕组两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的半圆形铜片 换向片上 组成一个换向器 换向器上压着固定不动的炭质电刷 37 直流电动机工作原理 当电枢转到图a所示位置时 ab边在N极下 cd边在S极下 电磁转矩方向如图所示 38 直流电动机工作原理 当电枢转到上图b所示位置时 ab边转到了S极下 cd边转到了N极下 但由于换向器随同一起旋转 使得电刷A总是接触N极下的导线 而电刷B总是接触S极下的导线 故电流流动方向发生改变 电磁转矩方向不变 39 直流电机分类 根据励磁绕组与电枢绕组的联接方式主要分为他励 并励 串励和复励四种 40 机械特性 电动机是用来拖动车辆运行的 而车辆运行对电动机提出的主要要求是转速和转矩 串励电动机机械特性 他励电动机机械特性 41 串励电动机机械特性 对于串励电动机 低转速时 电机转矩很大 有利于重载启动 高转速时 转矩很小 42 直流牵引调速系统 直流电机的基本调速方法直流牵引电动机调速的基本形式 43 基本调速方法 在上式中 CE是常数 Id与电磁转矩成正比 因此调节电动机的转速可以有三种方法 调解电枢供电电压U减弱励磁磁通 改变电枢回路电阻R 44 一 调压法 1 变阻控制调节电阻的方法又可分为两类 即采用有触点组合式凸轮开关调阻和无触点斩波调阻 有触点开关调阻 基本调速方法 直 直系统 45 直流斩波电路原理 直流斩波电压波形 一 调压法 2 斩波调压 导通比 基本调速方法 直 直系统 46 改变负载平均电压有三种典型的控制方法 1 定频调宽控制 脉宽调制 即保持斩波周期T不变 改变斩波器导通时间 从而改变负载平均电压 基本调速方法 直 直系统 47 2 定宽调频控制 频率调制 即保持斩波器导通时间不变 通过改变斩波器周期T来改变负载平均电压 基本调速方法 直 直系统 48 3 调频调宽混合控制 不但改变斩波器的工作频率 而且改变斩波器的导通时间 基本调速方法 直 直系统 49 三种典型控制方法特点 1 定频调宽控制 频率固定 易于设计消除高次谐波的滤波器 2 定宽调频控制 控制方便 易发生共振及干扰通信信号 3 调频调宽混合控制 常用在需要大幅度改变输入电压 同样带来滤波器设计困难等问题 基本调速方法 直 直系统 50 二 调节主极磁通 51 直 直系统的电制动 一 电阻制动 电机牵引工况 他励电阻制动工况 52 二 再生制动 直 直系统的电制动 53 在干线铁路轨道交通车辆中 直流控制系统采用相控整流控制方式 全控桥式整流控制方式 半控桥式整流控制方式 多段桥顺序控制方式 基本调速方法 交 直系统 54 全控桥式整流控制方式 全控整流电路 改变可控硅 改变整流电压ud波形 改变Ud 全控桥整流波形 基本调速方法 交 直系统 55 半控桥式整流控制方式 半控整流电路 改变可控硅 改变整流电压ud波形 改变Ud 半控桥整流波形 基本调速方法 交 直系统 56 两段半控桥电路 两段半控桥电路 两段半控桥波形 变压器副边两段 分别给半控桥RM1 RM2供电 两桥串后向电机供电 低压段 RM1逐渐开放 RM2关断 高压段 RM1全开放 RM2逐渐开放 基本调速方法 交 直系统 57 三段不等分半控桥式电路 三段不等分半控桥电路 第一段 低压调节 大桥调压 绕组ax1 T1 T2 D1 D2工作 D3 D4联通电路 T3 T6均关断 第二段 中压调节 小桥调压 大桥满开放 即 1 0 绕组bc T3 T4 及D3 D4投入工作 T5 T6关断 第三段 高压调节 前两段桥满开放 即 1 0 2 0 绕组cx2 T5 T6也工作 基本调速方法 交 直系统 58 三段不等分半控桥式电路 三段不等分半控桥电路 三段不等分半控桥波形 基本调速方法 交 直系统 59 四段经济半控桥式电路 四段经济半控桥电路 四段经济桥与三段不等分桥电路相同 只是控制顺序不同 第一段 移相控制T3 T4 绕组bc T3 T4 D3 D4工作 D1 D2联通电路 T1 T2 T5 T6均封锁 仅bc段绕组流过电流 第二段 一段桥满开放 移相控制T5 T6 绕组bc和cx2 T3 T6 D3 D4工作 D1 D2联通电路 T1 T2封锁 过渡 2 0时 将bx2段负载全转移到ax1上 二绕组匝数相等 合理控制实现无冲击平滑转移 电压过零时刻满开放T1 T2 并封锁T3 T6 电机端压不变 第三段 维持T1 T2满开放 再次控制T3 T4 使bc段再次投入工作 第四段 维持T1 T4满开放 再次控制T5 T6 使cx2段再次投入工作 基本调速方法 交 直系统 60 不同整流电路功率系数 1不可控整流电路2全控桥式整流电路3半控桥式整流电路4两段半控桥式整流电路5三段不等分半控桥式整流电路6四段经济半控桥式整流电路 基本调速方法 交 直系统 61 交 直系统的电制动 电阻制动 电机牵引工况 他励电阻制动工况 62 概述2牵引供电方式直流牵引传动系统构成及原理交流牵引传动系统的构成及原理5电力牵引系统主要设备城轨车辆能量回馈系统7大功率交流传动互馈试验系统 63 一 交流牵引系统特点及发展概况二 三相异步电机三 交流电机调速系统四 交流传动的脉宽调制技术 64 交流牵引系统特点及发展概况 直流电力传动优点 具有良好的调速性能直流电力传动缺点 防空转性能较差 换向器与电刷 因而带来了较大的体积与重量 容易产生环火以及繁杂的维护问题 65 交流牵引系统特点及发展概况 交流电力传动特点 电机结构简单 成本较低 工作可靠 寿命长 维修 运行费用低 防空转能力好 66 第一阶段 交流电动机数学模型复杂 初期 人们对其调速特点没有很好的掌握 第二阶段 充分掌握其调速理论 受变流器本身限制 调速装置无法实现 第三阶段 电力电子器件的发展促进了交流电机的应用 交流牵引系统特点及发展概况 67 交流牵引系统已被世界各国公认为近代最优越的牵引调速系统 交流牵引也是今后世界各国轨道交通发展的总趋势 交流牵引系统特点及发展概况 68 三相异步电机基本结构 三相异步电机由定子 转子及其他附属设备构成 69 三相异步电机基本结构 1 定子 70 2 转子 转子分为鼠笼式转子和绕线式转子 铁芯 由外周有槽的硅钢片叠成 2 绕线式转子 同定子绕组一样 也分为三相 并且接成星形 71 三相异步电机工作原理 定子三相绕组通入三相交流电 星形联接 1 旋转磁场的产生 72 电流出 电流入 三相异步电机工作原理 73 三相电流合成磁场的分布情况 合成磁场方向向下 合成磁场旋转60 合成磁场旋转90 o 三相异步电机工作原理 74 可以看出 旋转磁场是一对磁极 级对数就是旋转磁场的级对数 根据绕组的不同安排 可产生两对 三对或更多对数的旋转磁场 合成磁场方向向下 合成磁场旋转60 合成磁场旋转90 三相异步电机工作原理 75 2 转动原理 定子三相绕组通入三相交流电 感应电动势E20 电磁力F A X Y C B Z 三相异步电机工作原理 76 3 转差率 由前面分析可知 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致 但转子转速n不可能达到与旋转磁场的转速相等 即 如果 三相异步电机工作原理 77 3 转差率 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率 因此 转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别 三相异步电机工作原理 78 3 转差率 三相异步电机工作原理 转子转速越接近定子的磁场转速 则转差率越小 由于三相异步电动机的额定转速与同步转速相近 所以它的转差率很小 通常在额定负载时的转差率约为1 9 79 4 机械特性 三相异步电机工作原理 80 三 交流电机调速系统 直流电机的速度控制主要基于电压和磁场控制 交流电机的速度控制 需要控制更多参数 电压 电流 电源频率及转差率 81 关键问题 82 基本公式 83 基本公式 84 速度 扭矩特性 只有频率发生变化 85 速度 扭矩特性 只有电压发生变化 86 87 速度 牵引力特性 A 恒扭矩区 B 恒功率区 C 特性区 88 恒扭矩区 89 恒扭矩区 90 恒功率区 91 恒功率区 92 特性区 93 特性区 94 速度 牵引力特性 A 恒扭矩区 B 恒功率区 C 特性区 95 随着电子技术及控制技术的发展 出现了矢量控制 直接力矩控制技术 模仿直流电机的控制方法 采用矢量坐标变换来实现对异步电机定子励磁电流分量和转矩电流分量的解耦控制 保持电机磁通的恒定 进而达到良好的转矩控制性能 实现高性能控制 性能优良 控制相同复杂 直到90代计算机技术迅速发展才真正大范围使用 96 四 交流传动的脉宽调制控制技术 用于交流电传动的变频器实际上是变压 VariableVoltage 简称VV 变频 VariableFrequency 简称VF 器 即所谓VVVF装置 97 逆变器的基本情况介绍 1 逆变的概念 逆变 与整流相对应 直流电变成交流电 98 2 逆变电路的基本工作原理 以单相桥式逆变电路为例 S1 S4是桥式电路的4个臂 由电力电子器件及辅助电路组成 输出电压 输出电流 99 S1 S4闭合 S2 S3断开时 负载电压uo为正 100 S2 S3闭合 S1 S4断开时 负载电压uo为负 101 逆变电路最基本的工作原理 改变两组开关切换频率 可改变输出交流电频率 电阻负载时 负载电流io和uo的波形相同 相位也相同 阻感负载时 io相位滞后于uo 波形也不同 102 根据直流侧电源性质的不同 3 逆变电路的分类 103 电压型全桥逆变电路 1 直流侧为电压源或并联大电容 直流侧电压基本无脉动 2 输出电压为矩形波 输出电流因负载阻抗不同而不同 3 阻感负载时需提供无功功率 为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道 逆变桥各臂并联反馈二极管 电压型逆变电路的特点 104 图5 11电流型三相桥式逆变电路 一般在直流侧串联大电感 电流脉动很小 可近似看成直流电流源 吸收换流时负载电感中存贮的能量 电流型逆变电路 105 1 直流侧串大电感 相当于电流源 2 交流输出电流为矩形波 输出电压波形和相位因负载不同而不同电流型逆变电路中 采用半控型器件的电路仍应用较多 电流型逆变电路主要特点 106 4 三相电压型逆变电路 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路可看成由三个半桥逆变电路组成 107 四 交流传动的脉宽调制控制技术 逆变器电路 108 利用半导体开关器件的导通和关断