城市轨道交通电力牵引系统

1、2021/3/141 2021/3/142 第八章 城市轨道交通电力牵引系统 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 直流电力牵引系统直流电力牵引系统 第三节第三节 交流电力牵引系统交流电力牵引系统 第四节第四节 城市轨道车辆用直流感应电机城市轨道车辆用直流感应电机 2021/3/143 第一节 概述 一、轨道车辆电力牵引发展简介一、轨道车辆电力牵引发展简介 电力牵引是一种以电能为动力牵引车辆前电力牵引是一种以电能为动力牵引车辆前 进的牵引方式。进的牵引方式。 轨道车辆通过受流器从架空接触网或第三轨道车辆通过受流器从架空接触网或第三 轨（输电轨）接收电能轨（输电轨）接收电能,通过车载的变流装置通

2、过车载的变流装置 给安装在转向架上的牵引电机供电给安装在转向架上的牵引电机供电,牵引电机牵引电机 将电能转变成机械能将电能转变成机械能,机械能通过齿轮传给轮机械能通过齿轮传给轮 对对,驱动轮对在轨道上运动带动车辆前进。驱动轮对在轨道上运动带动车辆前进。 2021/3/144 第一节 概述 早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电动早期的电力牵引的轨道车辆采用直流电动 机机,电机调速是采用改变串联在电机上的电阻电机调速是采用改变串联在电机上的电阻 的大小来改变电机的端电压的控制的方式的大小来改变电机的端电压的控制的方式,这这 种方式对电能的浪费大。以后由于半导体技术种方式对电能的浪费大。以后由于半导体

3、技术 的发展的发展,电力电子变流技术得到了广泛应用电力电子变流技术得到了广泛应用,直直 流牵引普遍采用斩波调压的方式。流牵引普遍采用斩波调压的方式。 直流电动机存在体积大、结构复杂、工作直流电动机存在体积大、结构复杂、工作 可靠性差、制造成本高、维修麻烦的缺点可靠性差、制造成本高、维修麻烦的缺点,故故 随着交流电机控制理论和大功率电力电子元器随着交流电机控制理论和大功率电力电子元器 件制造技术的发展件制造技术的发展,采用交流电机牵引的交流采用交流电机牵引的交流 传动技术迅速崛起传动技术迅速崛起,使轨道车辆电力牵引技术使轨道车辆电力牵引技术 上了一个新台阶。上了一个新台阶。 2021/3/145

4、 第一节 概述 二、轨道交通电力牵引系统的主要类型二、轨道交通电力牵引系统的主要类型 轨道交通电力牵引供电制式轨道交通电力牵引供电制式: 直流直流:600、750、1500、3000 V 交流交流:6250、15000、25000 V 轨道交通电力牵引系统分为轨道交通电力牵引系统分为: 1、直流电力牵引系统、直流电力牵引系统 直流直流直流直流 2、交流电力牵引系统、交流电力牵引系统 （1）、直流）、直流交流交流 （2）、交流）、交流直流直流交流交流 2021/3/146 第一节 概述 三、轨道交通车辆的电力牵引结构与特性三、轨道交通车辆的电力牵引结构与特性 （一）、有轨电车（一）、有轨电车 （

5、二）、电动车组（二）、电动车组 1、铁路干线电动车组、铁路干线电动车组 2、城市轨道交通电动车组、城市轨道交通电动车组 （三）、特种电动车（三）、特种电动车 1、独轨、独轨 2、采用橡胶车轮的轻轨、采用橡胶车轮的轻轨 3、磁浮列车、磁浮列车 2021/3/147 第一节 概述 四、电动车组牵引特性四、电动车组牵引特性 电动车组在每个站间区间内电动车组在每个站间区间内,从启动加速从启动加速 运行到制动减速最后停车其速度和牵引力运行到制动减速最后停车其速度和牵引力 的变化曲线见下图。的变化曲线见下图。 2021/3/148 第一节 概述 2021/3/149 第二节 直流电力牵引系统 一、直流电机

6、一、直流电机 （一）、直流电机的组成（一）、直流电机的组成 （二）、直流电机的工作原理（二）、直流电机的工作原理 （三）、直流电机的励磁方式（三）、直流电机的励磁方式 （四）、直流串励电动机的机械特性（四）、直流串励电动机的机械特性 2021/3/1410 第二节 直流电力牵引系统 请按右图纠 正教材P185 图8-8 中的 错误 2021/3/1411 第二节 直流电力牵引系统 2021/3/1412 第二节 直流电力牵引系统 二、直流牵引调速系统二、直流牵引调速系统 直流牵引调速系统按电源性质分为直流牵引调速系统按电源性质分为: 直直-直流牵引系统（教材直流牵引系统（教材P183图图8-2

7、） 交交-直流牵引系统（教材直流牵引系统（教材P187图图8-11） 改错改错: : 2021/3/1413 第二节 直流电力牵引系统 （一）、直流牵引电动机的基本调速方法（一）、直流牵引电动机的基本调速方法 直流电动机的转速表达式直流电动机的转速表达式 E d C RIU n 2021/3/1414 第二节 直流电力牵引系统 （一）、直流牵引电动机调速的基本形式（一）、直流牵引电动机调速的基本形式: 1、调节牵引电机的端电压、调节牵引电机的端电压 （1）、变阻调压）、变阻调压 通过调节串入电机回路的电阻的大小来改通过调节串入电机回路的电阻的大小来改 变电动机的端电压以实现电动机的调速。变电动

8、机的端电压以实现电动机的调速。 调节电阻的方法又分两类调节电阻的方法又分两类: 有触点式开关调阻有触点式开关调阻 无触点斩波调阻无触点斩波调阻 这种调压方式在电阻中消耗了大量的电能。这种调压方式在电阻中消耗了大量的电能。 2021/3/1415 第二节 直流电力牵引系统 （2）、斩波调压）、斩波调压 在电路中接入能有规则地导通和关断的斩波器在电路中接入能有规则地导通和关断的斩波器, 则可以减低直流电动机两端的平均电压。电动机则可以减低直流电动机两端的平均电压。电动机 两端电压的平均值为两端电压的平均值为: U T t UU on R L 2021/3/1416 第二节 直流电力牵引系统 只要调

9、节导通比只要调节导通比,即可调节平均电压。即可调节平均电压。 随着半导体技术的发展随着半导体技术的发展,斩波器中的斩斩波器中的斩 波元件经历了以下的发展过程波元件经历了以下的发展过程: 晶闸管晶闸管 可关断晶闸管（可关断晶闸管（GTO） 绝缘门极晶闸管（绝缘门极晶闸管（IGBT） 斩波元件的发展斩波元件的发展,推动了斩波器向电路推动了斩波器向电路 简洁、控制简单、轻型化方向发展。简洁、控制简单、轻型化方向发展。 2021/3/1417 第二节 直流电力牵引系统 2、调节励磁磁通、调节励磁磁通 采取匝数短路法和分路电流法可以减小采取匝数短路法和分路电流法可以减小 牵引电动机励磁电流从而减小主极磁

10、通牵引电动机励磁电流从而减小主极磁通,以以 实现对转速的调节。实现对转速的调节。 2021/3/1418 第三节 交流电力牵引系统 一、交流电机一、交流电机 （一）、三相异步电动机基本结构（一）、三相异步电动机基本结构 （二）、三相异步电动机基本工作原理（二）、三相异步电动机基本工作原理 （三）、三相异步电动机的机械特性（三）、三相异步电动机的机械特性 2021/3/1419 第三节 交流电力牵引系统 2021/3/1420 第三节 交流电力牵引系统 二、交流电动机调速系统二、交流电动机调速系统 三相交流电机调速方法可以分为三相交流电机调速方法可以分为: 改变磁极对数改变磁极对数 调节转差率调

11、节转差率 调节供电频率调节供电频率 其中只有调节供电频率的方法是理想的方法。其中只有调节供电频率的方法是理想的方法。 2021/3/1421 第三节 交流电力牵引系统 在变频调速的交流传动系统中在变频调速的交流传动系统中,按供电制按供电制 式的不同式的不同,可分为可分为: 直流直流交流交流 交流交流直流直流交流交流 城市轨道交通多采用直流城市轨道交通多采用直流交流方式交流方式,干干 线铁路则采用交流线铁路则采用交流直流直流交流的方式。交流的方式。 由此可见由此可见,将直流电转变成频率可变的交将直流电转变成频率可变的交 流电就是交流传动的关键所在。流电就是交流传动的关键所在。 将直流电转变成频率

12、可变的交流电的设将直流电转变成频率可变的交流电的设 备称为逆变器。备称为逆变器。 2021/3/1422 第三节 交流电力牵引系统 在车辆牵引的开始阶段在车辆牵引的开始阶段,保持气隙磁通为保持气隙磁通为 常数常数,改变供电频率可以使电动机的最大扭改变供电频率可以使电动机的最大扭 矩基本不变矩基本不变,达到加速运行的目的。达到加速运行的目的。 2021/3/1423 第三节 交流电力牵引系统 而在随后的牵引阶段而在随后的牵引阶段,保持电压不变而改变保持电压不变而改变 频率频率,则最大扭矩随着频率的上升而下降则最大扭矩随着频率的上升而下降,实实 现恒功率控制。现恒功率控制。 2021/3/1424

13、 第三节 交流电力牵引系统 三、交流传动的脉宽调制控制技术三、交流传动的脉宽调制控制技术 用在交流变频调速传动中的逆变器实际上是变用在交流变频调速传动中的逆变器实际上是变 压变频器压变频器,变压（变压（Variable Voltage）,简称简称VV,变变 频（频（Variable Frequency）,简称简称VF,故变压变频故变压变频 器简称为器简称为VVVF装置。装置。 VVVF技术又分为两种技术又分为两种: 一种是脉冲幅值调制一种是脉冲幅值调制,称为称为PAM（Pulse Amplitude Modulation),变压变频分开完成。变压变频分开完成。 2021/3/1425 第三节

14、交流电力牵引系统 VVVF技术又分为两种技术又分为两种: 一种是脉冲幅值调制一种是脉冲幅值调制,称为称为PAM（Pulse Amplitude Modulation),变压变频分开完成。变压变频分开完成。 另一种是脉冲宽度调制另一种是脉冲宽度调制,称为称为PWM （Pulse Width Modulation),变压变频集中在逆变器中变压变频集中在逆变器中 一起完成一起完成,这是随着快速半导体开关元件这是随着快速半导体开关元件GTO、 IGBT等的发展的结果。等的发展的结果。 2021/3/1426 第四节 城市轨道交通用直线感应电机 一、直线感应电机的基本原理一、直线感应电机的基本原理 将三

15、相感应电动机的定子和转子沿径向将三相感应电动机的定子和转子沿径向 剖开后摊开成直线剖开后摊开成直线,原来转子的旋转运动就原来转子的旋转运动就 转变称为直线运动。转变称为直线运动。 但要长时间地维持这一运动但要长时间地维持这一运动,就必须有足就必须有足 够长的转子或定子够长的转子或定子,因而出现了两种基本类因而出现了两种基本类 型型:短定子电机和长定子电机。短定子电机和长定子电机。 2021/3/1427 第四节 城市轨道交通用直线感应电机 二、采用直线电机车辆的运行原理二、采用直线电机车辆的运行原理 用于轨道交通的直线电机一般都是短定用于轨道交通的直线电机一般都是短定 子直线电机。将定子（初级

16、）安装在转向子直线电机。将定子（初级）安装在转向 架底部中央架底部中央,而在轨道中央设置长长的称之而在轨道中央设置长长的称之 为反应板的次级为反应板的次级,初级和次级之间保持一定初级和次级之间保持一定 的气隙的气隙,在初级中通入交流电后就能带动车在初级中通入交流电后就能带动车 辆沿轨道作直线运动。辆沿轨道作直线运动。 2021/3/1428 第四节 城市轨道交通用直线感应电机 三、采用直线电机的车辆的特点三、采用直线电机的车辆的特点: 1、直线电机是扁平形状、直线电机是扁平形状,没有旋转部件没有旋转部件,不需要齿不需要齿 轮传动轮传动,因而可以采用小直径车轮因而可以采用小直径车轮,以降低地板以

17、降低地板 高度。这样就有利于车辆小型化高度。这样就有利于车辆小型化,因而使隧道断因而使隧道断 面面积大大减小面面积大大减小,从而降低建设成本。从而降低建设成本。 2、车辆不依靠轮轨的粘着来产生牵引力和制动、车辆不依靠轮轨的粘着来产生牵引力和制动 力力,故爬坡能力很大故爬坡能力很大,可以达到可以达到80。 3、车轮只起支撑及导向的作用车轮只起支撑及导向的作用,故可以做成车轮故可以做成车轮 独立旋转的径向转向架独立旋转的径向转向架,使车辆能够行走在更小使车辆能够行走在更小 的弯道上。采用小弯道和大坡道可使选线的自的弯道上。采用小弯道和大坡道可使选线的自 由度大大提高由度大大提高,便于节省建设费用。便于节省建设费用。 2021/3/1429 第四节 城市轨道交通用直线感应电机 4、车辆没有齿轮减速装置车辆没有齿轮减速装置,所以噪音小所以噪音小,保养维保养维 修工作量减少。同时由于采用独立旋转车轮修工作量减少。同时由于采用独立旋转车轮, 通过弯道时磨耗和噪音都能减小。通过弯道时磨耗和噪音都能减小。 5、直线电机与旋转电机相比较、直线电机与旋转电机