城市轨道交通车辆 第06章 电力牵引传动系统一

1、第六章第六章 电力牵引传动系统电力牵引传动系统（一）（一）1概述概述2 牵引供电方式3直流牵引传动系统构成及原理4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6城轨车辆能量回馈系统7 大功率交流传动互馈试验系统车轴 车轮 牵引电机 齿轮传动箱 概述概述直流-直流（城轨）交流-直流（干线铁路）（直流）（直流）（城轨）（干线铁路）城市轨道车辆电力牵引系统1概述2 牵引供电方式牵引供电方式3直流牵引传动系统构成及原理4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6城轨车辆能量回馈系统7 大功率交流传动互馈试验系统电力源及主变电站 城市轨道交通的电源可以来自国家电网或发电站(厂)。由于

2、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1035 kV。 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(110220 kV)降为中压(1035 kV)，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。 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”。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

3、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。 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 5501500V之间 。 现在，国际电工委员会拟定的电压标准为600 V、750 V和1500 V三种，后两种为推荐值。 我国国家标准也规定为750 V和1500V

4、。 以北京和天津为代表的北方地区采用DC 750V供电电压制式，允许电压波动范围为DC 500VDC 900V，第三轨受流； 以上海和广州为代表的南方地区采用DC 1500V供电电压制式，允许电压波动范围为DC 1000VDC 1800V，架空接触网受电弓受流。 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DC 1500V的牵引供电电压制式比采用DC 750V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DC 1500V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

5、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DC 1500 V。 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，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。 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

6、，集电靴采用上部接触方式受电。1概述2 牵引供电方式3直流牵引传动系统构成及原理直流牵引传动系统构成及原理4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6城轨车辆能量回馈系统7 大功率交流传动互馈试验系统 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： B:磁密 l：导体长度； i：导体中电流力的方向用左手定则确定 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。 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

7、下的导线，故电流流动方向发生改变，电磁转矩方向不变。 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REdCRIUn t0LRUonToffTTLRuU TTonUTtUUonRL 图图 5.15 串励电动机磁场削弱法串励电动机磁场削弱法 （a） （b） （a）短路匝数法）短路匝数法 （b）分路电流法）分路电流法 MMnEUdILIdERZnId+-ERZndIILIL(a)(b)(c)MMM dUDPLSUMidiZ+ 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；

8、半控桥式整流控制方式； 多段桥顺序控制方式； 全控桥式整流控制方式 PKabT1T2u2u1MT4T3udiT改变改变可控硅可控硅改变整流电压改变整流电压udud波形波形改变改变UdUd。i0iu,tu1iTITi(1)0utud00ttIdIdiiT1iT2iT4iT3半控桥式整流控制方式 改变改变可控硅可控硅改变整流电压改变整流电压udud波形波形改变改变UdUd。PKabT1D1u2u1MT2D2udiTcdIdi2.两段半控桥电路iT20utuditId2RM1itId2RM200t0iT变压器副边两段，分别给半控变压器副边两段，分别给半控桥桥RM1RM1、RM2RM2供电，供电，两桥

9、串两桥串后向后向电机供电。电机供电。低压段，低压段，RM1RM1逐渐开放，逐渐开放，RM2RM2关关断；断；高压段，高压段，RM1RM1全开放，全开放，RM2RM2逐渐逐渐开放；开放；三段不等分半控桥式电路abMudcx1T3D3T1D1T2D2T4D4.T5T6.x2iTu1三段不等分半控桥式电路abMudcx1T3D3T1D1T2D2T4D4.T5T6.x2iTu1iT10utt0iTit0iT2iT2iT4iT1iT3iT2iT4iT6iT1iT3iT5Id2KT3Id4KTIdKT四段经济半控桥式电路abMudcx1T3D3T1D1T2D2T4D4.T5T6.x2iTu1 四段四段经济

10、桥与三段不等分桥电路经济桥与三段不等分桥电路相同，相同，只是控制顺序不同只是控制顺序不同。第一段第一段，移相控制，移相控制T3T3、T4T4，绕组，绕组bcbc、T3T3、T4T4、D3D3、D4D4工作，工作，D1D1、D2D2联通电路，联通电路，T1T1、T2T2、T5T5、T6T6均封锁，仅均封锁，仅bcbc段绕组流过电流；段绕组流过电流；第二段第二段，一段桥满开放，移相控制，一段桥满开放，移相控制T5T5、T6T6，绕组绕组bcbc和和cx2cx2、T3T3T6T6、D3D3、D4D4工作，工作，D1D1、D2D2联通电路，联通电路，T1T1、T2T2封锁；封锁；过渡过渡，2=02=0

11、时，将时，将bx2bx2段负载全转移到段负载全转移到ax1ax1上。（二绕组匝数相等，合理控制实现上。（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无冲击平滑转移）电压过零时刻满开放T1T1、T2T2，并封锁，并封锁T3T3T6T6。电机端压不变；。电机端压不变；第三段第三段，维持，维持T1T1、T2T2满开放，再次控制满开放，再次控制T3T3、T4T4，使，使bcbc段再次投入工作；段再次投入工作；第四段第四段，维持，维持T1T1T4T4满开放，再次控制满开放，再次控制T5T5、T6T6，使，使cx2cx2段再次投入段再次投入工作；工作；123456不同不同整流电路功率系数

12、整流电路功率系数 1 1 不可控整流电路不可控整流电路2 2 全全控桥式整流控桥式整流电路电路3 3 半半控桥式整流控桥式整流电路电路4 4 两两段半控桥式整流段半控桥式整流电路电路5 5 三段三段不等分半控桥式整流不等分半控桥式整流电路电路6 6 四段四段经济半控桥式整流电路经济半控桥式整流电路nEUdILIdERZnId+-ERZndIILIL(a)(b)(c)MMM1概述2 牵引供电方式3直流牵引传动系统构成及原理4交流牵引传动系统的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6城轨车辆能量回馈系统7 大功率交流传动互馈试验系统 120sin120sinsinmCmBm

13、AtIitIitIi BiAiCiCiAiBiitmIiCiAiBitmI0nCiBiAiiNS0 t 60t 0n60 90t mISNSNNS 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。0 t 60t 0n60 90t SNSN分）分）转转/( 6010pfn BlvBliv0nNS0nn 0nn %10000nnnsmaxTmSNS曲线)(sfT stTNTmaxTmSNS曲线)(sfT 曲线)(Tfn stTNTNnmaxTstTnNT0n关键问题：maxTmSNS曲线)(sfT stTNT基本公式：基本公式：速

14、度-扭矩特性（只有频率发生变化）：速度-扭矩特性（只有电压发生变化）：速度-牵引力特性：ABC恒扭矩区：ABC恒扭矩区：ABC恒功率区：ABC恒功率区：ABC特性区：ABC特性区：ABC速度-牵引力特性：ABC 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。 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。2、逆变电路的基本工作原理 S1、S4闭合闭合，S2、S3断开断开时，负载电压

15、uo为正正。逆变电路最基本的工逆变电路最基本的工作原理作原理 改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。根据直流侧电源性质的不同3、逆变电路的分类电压型逆变电路的特点UVW图5-11图5-11idUdVT1VT2VT3VT4VT5VT6电流型逆变电路 (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4、三相电压型逆变电路l 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路l 应用最广的是三相桥式逆变电路l 可看成由三个半桥逆变电路组成PWM（Pulse Width Moderation）脉宽调制技术SPWM调制： 采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控