《车辆教程》-《车辆教程》-单元7 电力牵引及控制系统

单元七

城市轨道交通车辆电力牵引及控制系统城市轨道交通车辆牵引与控制系统

城市轨道交通车辆的牵引系统是由两大部分组成：牵引高压系统和牵引控制系统。牵引控制系统控制列车的牵引、制动工况，并记录、显示车辆的状况；车辆牵引系统执行控制指令，通过受电、变电和能量的转换过程，实现列车的牵引与制动。课题一电力牵引系统概述

电力牵引系统是城市轨道交通车辆的核心部分，是列车的动力来源。

牵引系统在选型阶段要考虑多方面的因素，包括现代技术的运用、线路纵断面（坡度/曲线）、线路的站间距、线路设计运行速度、列车车型、编组形式等，因此，牵引系统是一个非常繁杂的系统。

对于城市轨道交通运营人员，必须对电力牵引系统的组成、功能及注意事项有所理解，特别是能够控制牵引装置，实现列车的正常运营。学习目标理解电力牵引系统的原理；了解电力牵引的特点；掌握城市轨道交通的供电制式。一、电力牵引系统的原理

电力牵引是一种以电能为动力的牵引方式，城市轨道交通车辆通过受流器从第三轨（输电轨）或架空接触网接受电能，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，通过联轴器、齿轮传动箱和轮对，驱动地铁列车运行。一、电力牵引系统的原理列车电力牵引系统主要有两个工况：牵引工况和制动工况。牵引工况下，列车牵引系统为列车提供牵引动力，将地铁电网上的电能转换为列车在轨道上运行的动能。制动工况可以分为再生制动工况和电阻制动工况。二、电力牵引的特点电力机车的功率大；电力机车的效率高；电力机车的过载能力强；电力机车的运营费用较低。电力牵引的优点：对通讯方面所带来的谐波干扰问题；相控调压所引起的功率因数较低的问题；离不开牵引变电所和接触网等沿线的供电设备，使其机动性较差，且线路电气化投资较大。电力牵引的缺点：三、电力牵引系统的供电制式

世界各国采用的供电制式各不相同，我国电力牵引系统的供电制式分为直流供电和交流供电。不同制式、不同电压的应用如下：1.直流供电DC1500V，用于地铁和轻轨列车；DC750V，用于地铁和轻轨列车；DC600V，用于城市电车。

2.交流供电：单相、工频（50Hz）、25KV，用于干线铁路。三、电力牵引系统的供电制式我国的城市轨道交通列车已经全部采用交流牵引系统，牵引电动机为交流三相异步鼠笼式。因此，城市轨道交通车辆的传动方式是直-交流传动。直流电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转换为可调压、变频的三相交流电，再向交流牵引电机供电。课题二

牵引系统的部件组成

城市轨道交通车辆电力牵引的过程：由受流器从第三轨或接触网接受电能。通过牵引主逆变器将直流电转化为交流电，用来驱动转向架上的牵引电动机，将电能转化为机械能，驱动列车运行。学习目标1.掌握城市轨道交通电力牵引的过程；2.掌握牵引系统主要组成部件的功能和原理；3.能看懂城市轨道交通车辆主牵引电路图。一、牵引系统设备组成城市轨道交通车辆牵引系统的主要设备包括：受流装置

高速断路器HSCBVVVF牵引逆变器牵引控制单元DCU牵引电机制动电阻司控器（一）受流装置（受流器、受电器）

受流装置是列车将外部电源平稳地引入车辆电源系统，为列车的牵引设备和辅助设备提供电能的重要电气设备。（一）受流装置（受流器、受电器）

根据线路供电方式的不同，受流装置有集电靴（受电靴）从第三轨受流和车顶受电弓从架空接触网受流两种方式。（一）受流装置（受流器、受电器）1.集电靴受流装置

由于城市轨道交通线路大多穿越城区，往往需要设在地下，且速度要求不高，从安全性、经济性和对城市景观影响等方面考虑，更倾向于集电靴从第三轨受流方式。

集电靴受流器安装在转向架的构架侧面上，与接触轨（第三轨）形成弹性接触。受流器的布置原则是保证列车在断电区仍能满足列车的供电要求。（一）受流装置（受流器、受电器）1.集电靴受流装置（一）受流装置（受流器、受电器）1.集电靴受流装置1——第三轨；2——滑块；3——受流臂；4——电缆；5——绝缘底座；6——位移调节板；7——熔断器；8——弹簧与轴承；9——手动回退工具插入位置。（一）受流装置（受流器、受电器）1.集电靴受流装置利用绝缘操作手柄（快速分离钩）将接地集电靴隔离。（一）受流装置（受流器、受电器）1.集电靴受流装置——技术参数项目参

数额定电压DC750V电压范围DC500V～DC900V额定电流1200A（800A）标准静接触压力120N静压力调节范围120N±20%受流部件在受流器上的调节范围-30～+55mm受流器顶面工作状态高度160mm受流器质量约39kg集电靴材料碳铜合金（或铝青铜合金）环境温度-40℃～+40℃环境湿度≯90%其他环境约束相对正常位置倾斜不大于10度无导电尘埃及不可能引起爆炸的地方（一）受流装置（受流器、受电器）2.受电弓受流装置受电弓是一种通过空气回路控制升、降动作的铰接式机械构件，从接触网上集取电流，并将其传送到车辆电气系统的电器设备。由于接触网方式可以实现长距离供电，受线路变化影响较小，并且能适应列车高速行驶的需要，因此，较多的地铁线路应用受电弓装置。

受电弓通过支持绝缘子安装于车辆顶部，通过弓头上的滑板与接触线接触。受电弓弓头及滑板应安装在车体中心线上尽可能靠近驱动轮的位置。在“工作”位置上，受电弓在车顶的部分都处于带电状态，仅在对车顶的机械接口和气路接口处是电气绝缘的。（一）受流装置（受流器、受电器）2.受电弓受流装置1——底架组成；2——阻尼器；3——升弓装置；4——下臂组装；5——弓装配；6——下导杆；7——上臂组成；8——上导杆；9——弓头；10——碳滑板；11——支持绝缘子（一）受流装置（受流器、受电器）2.受电弓受流装置——技术参数项目参

数额定工作电压DC1500V（DC1000V～DC1800V）最大短时电流（70s占空因素中为5s）3500A最大起动电流（30s）1600A最大停车时电流（DC1000V和单弓受电）540A折叠高度（包括绝缘子）≤310mm最低工作高度（从折叠位置滑板面起）150mm最高工作高度（从折叠位置滑板面起）1950mm最大升弓高度（从折叠位置滑板面起）＞2550mm最大宽度（弓头处）1550±5mm最大长度（落弓位置）≈2580mm平均静态力100N（70N～140N）运行速度≤90km/h重量（包括支持绝缘子）≤140kg额定工作气压550kPa（500kPa～900kPa）升弓时间≤8s降弓时间≤8s滑板数量2块（一）受流装置（受流器、受电器）2.受电弓受流装置——升降弓操作序号名称操作及控制方法结果/指示说明1准备按照车辆操作规程进行升弓前的检查与准备。

2升弓在司机室操纵台按下受电弓升弓控制按钮。升弓电磁阀得电接通，压缩空气进入受电弓；受电弓在开始动作≤8s后升弓到位；如果升弓故障，通知车场调度。3降弓在司机室操纵台按下受电弓降弓控制按钮。升弓电磁阀失电切除；受电弓在开始动作≤8s后降弓到位；如果降弓故障，通知车场调度。（二）高速断路器HSCB/HB

高速断路器是一个用低压控制高压的开关设备。其作用就是将电网与车辆高压设备分开，利用HSCB过电流(如短路)后的快速响应特性来保护直流侧设备。（三）VVVF牵引逆变器

VVVF牵引逆变器（VariableVoltage，VariableFrequency）是交流电动列车上的重要设备，安装在列车动车底部。组成包括：电源电流传感器、滤波电抗器、直流电压传感器、过电压释放晶闸管、过电压放电电阻、放电电阻、滤波电容器、IGBT模块、相电流传感器。

作用：牵引时，通过控制内部的IGBT模块的通断来产生三相交流电源供牵引电机使用；制动时，将感应电机产生的交流电整流成直流电反馈给电网或制动电阻。（四）牵引控制单元DCUDCU是车辆牵引与控制系统的核心，其主要功能包括：1.控制异步电动机。牵引控制单元DCU将机车控制级给定值和控制指令转换成VVVF逆变器用的控制信号，对VVVF逆变器和牵引电机进行控制，包括调节、保护、逆变器脉冲模式的产生等；2.对VVVF逆变器和牵引电机进行保护控制。对电制动（ED-BRAKE）进行调整、保护和逆变器脉冲模式的产生，实现在再生制动和电阻制动之间的平滑过渡；3.防空转/防滑保护控制；4.列车加减速冲击限制保护；5.通信网路功能；6.故障诊断功能等。（五）牵引电机DCU是车辆牵引与控制系统的核心，其主要功能包括：1.控制异步电动机。牵引控制单元DCU将机车控制级给定值和控制指令转换成VVVF逆变器用的控制信号，对VVVF逆变器和牵引电机进行控制，包括调节、保护、逆变器脉冲模式的产生等；2.对VVVF逆变器和牵引电机进行保护控制。对电制动（ED-BRAKE）进行调整、保护和逆变器脉冲模式的产生，实现在再生制动和电阻制动之间的平滑过渡；3.防空转/防滑保护控制；4.列车加减速冲击限制保护；5.通信网路功能；6.故障诊断功能等。（五）牵引电机

牵引电机将电能转换为机械能，通过联轴器、齿轮传动箱和轮对，驱动地铁列车运行。（五）牵引电机三相鼠笼式交流电机主要由3部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子，定子和转子之间的间隙称为气隙。（五）牵引电机技术参数项目参

数定额1h输出功率180kW额定电压550V额定电流240A频率77Hz转速2255r/min（六）制动电阻

制动电阻是为牵引系统在电制动时消耗过高再生电压的耗能设备，保证线网及列车的安全。因为在电制动的情况下，能量不能被电网完全吸收时，多余的能量必须转换为热能消耗在制动电阻上，否则电网电压将抬高到不能承受的水平。因此制动电阻的存在确保了电网上的其它设备的安全。（七）司机控制器司机控制器是用来操纵城轨车辆运行的控制器，它利用控制电路的低压电器间接控制主电路的电气设备，用来完成整个列车的牵引、制动功能，以及列车的前进方向的控制和司机警惕等功能。（七）司机控制器1.司控器的主要组件每个司机室设有一个司机控制器，在每个司机控制器上有司机钥匙、方向手柄及牵引/制动控制手柄（带警惕按钮）。启动列车驾驶操作的钥匙开关，司机钥匙有两个位置：ON、OFF。选择列车行驶方向的方向手柄，该手柄共有F（向前）、0、R（向后）三个位置。牵引/制动控制手柄有四个位置：牵引、0、常用制动、EB。高加速按钮和复位按钮。（七）司机控制器2.司控器的互锁逻辑司机控制器的司机钥匙、方向手柄、牵引/制动控制手柄为机械互锁结构，其逻辑为：当司机控制器不在零位（惰行位）时，方向手柄无法动作；当方向手柄不在零位时，司机钥匙无法动作。司机控制器的牵引、制动和紧急制动状态指令通过模式选择继电器送到执行机构；牵引、制动力大小信号为0～10V模拟信号，送入到TCMS中，经过TCMS转换为的PWM信号送到执行机构中。在非ATO模式下，司机应按下控制器上的警惕按钮，否则列车将实施紧急制动。二、牵引主电路虽然不同车型牵引系统不尽相同，但基本原理都是一致的。三、牵引系统的控制整个牵引控制系统由输入值设定、速度测量、电机控制、脉冲发生器、能量反馈各环节构成。DCU通过列车线接受来自控制系统的牵引/