牵引供电系统分析（第4版）课件：牵引负荷

《牵引供电系统分析》(第4

版)牵引负荷

2.1

概述

2.2

交-直型电力机车及运行特性

2.3

交-直-交型电力机车、动车及运行特性

2.4

牵引计算

2.5

馈线电流目录2.1概述

2.1概述电力机车或动车都使用电传动系统来进行电能(电功率)和机械能(机械功率)

的相互转化。牵引工况时，电传动系统将牵引网的电能转化成列车机械能，即通过牵引力拉动列车移动来做功；制动工况时，又将列车制动力做功的机械能转化为电能反馈到牵引网，称为再生，故制动工况也称为再生制动工况。在这个过程中，将牵引网上电力机车或动车的功率s

或电流i

称为牵引负荷，或负载。牵引时的牵引负荷视为正，再生的视为负。电传动系统的核心可控元件是牵引变流器，它决定列车的牵引与(再生)制动工况。早期生产的电力机车采用交流-直流型牵引变流器和直流电机，称为交-直型电力机车，现在生产的电力机车或动车都采用交流-直流-交流型牵引变流器和交流电机，称为交-

直-交型电力机车或动车。2.2交-直型电力机车及运行特性

2.2交-直型电力机车及运行特性交-直型电力机车从单相交流25kV接触网上取得工频50Hz交流电，经机车主变压器的降压和全波整流电路，将交流电变为直流电，再驱动直流牵引电机。实现这一转变过程的是机车电传动系统，其中主变压器和全波整流装置构成机车主电路。SS1型电力机车是典型的交-直型机车，其他类型电力机车均由此发展而来。SS1型电力机车电传动系统

2.2交-直型电力机车及运行特性电力机车的起动和调速主要靠改变牵引电机的端电压实现。机车主变压器低压侧设有调压分接头和转换机构K

，为了能大范围调压从而产生好的牵引特性，次边绕组分为2个基本绕组(a1x1

，a2x2

)和2个调压绕组，调压绕组可正接或反接于基本绕组。加上机车自身的分接头，共形成33个调压级，级位越高，输出电压就越高。另外还在激磁绕组上并联电阻来削弱磁场，也用于调速。1，2—电阻开关；3—并联电阻；4—串激绕组；5—牵引电机。机车主变压器次边绕组正、反接示意图削弱磁场电路

2.2交-直型电力机车及运行特性串激电机的转速n

与其等效端压U－IdRd

(Rd

为电枢和串激绕组电阻，Id

为电枢电流)及磁场磁通的关系为U

I

RCe

式中Ce——给定电机常数。可见，通过调压，即改变端压可以调速。对串激电机，有＝kId

(k为一常数)。当有并联电阻用以削弱磁场时，可引入削弱系数k

，则有=可见，改变削弱系数k

也能调速。U

I

R

−

d

d

Ce

kk

Id

−

d

d

n

=n

2.2交-直型电力机车及运行特性用于电力牵引的电机一般具有恒定功率或近似恒定功率的牵引特性，

即正常牵引时，

牵引力与行车速度之积(功率)

等于或近似等于常数。SS1型电力机车的牵引特性如图所示。图中曲线上的数字表示调压级位，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示削弱磁场级，包络线表示起动曲线。SS1型电力机车的牵引电流特性SS1型电力机车的牵引特性

2.2交-直型电力机车及运行特性通过司机操作，机车可在起动、正常牵引、惰行、

制动等多种状态下运行。惰行，即机车断电运行，机车靠惯性行驶。制动分为电能制动和机械制动。电力机车牵引过程中的一个电能指标是其功率因数，交-直型机车的网上取流都是感性滞后的，并且因取流大小而异。SS1型电力机车功率因数-网上取流曲线SS1型电力机车功率因数典型数值i/A1020406080100150200250cosQ滞后0.650.7230.7990.8450.8620.8660.8570.8510.849

2.2交-直型电力机车及运行特性SS3

型电力机车的牵引电机仍为串激直流电机，仍属于交-直型。SS3

型机车采用了较为先进的桥式整流电路。图示的桥式电路是可控硅半控桥式整流电路。其可控硅只在某一级位起平滑调压(调速)作用，而幅度更大的调压(调速)仍靠变压器次边分接头的调整实现。SS3

型电力机车的级位只有8级，比SS1

型电力机车操纵简便，其削弱磁场级与SS1

相同。SS3型机车桥式整流电路

2.2交-直型电力机车及运行特性SS3

型电力机车的牵引特性即F＝f

(v)曲线，机车网上取流特性即i＝f

(v)曲线如图所示。SS3型电力机车的取流特性考虑到串激直流电机的自然牵引特性曲线不是一条严格的恒功曲线，随着机车提速，电机输出功率会减小，因此为发挥高速时应有的功率，均采用了削弱磁场的方法。

SS3型电力机车的牵引特性2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性交-直-交型电力机车和动车的电传动系统的基本构成是一样的。牵引工况下，列车将单相交流电变换成电压幅度和频率可调的三相交流电，从而驱动异步牵引电机，牵引电机输出的转矩和转速通过齿轮箱变换后传给轮对，转换成轮缘牵引力和线速度。制动工况下，轮对制动力推动牵引电机发电，牵引变流器将三相交流电经交-直-交变换为单相交流电，再由主变压器反馈至牵引网。电力机车/动车电传动系统示意图

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性具体的电传动系统主电路可以HXD1

型电力机车为例加以说明。HXD1

型电力机车为双节设置，每节机车拥有完整的主电路、辅助电路和控制系统，每节机车均可单独运行，其中主变压器和牵引变流器构成主电路。HXD1型电力机车电传动系统主电路

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性列车运行分牵引、惰行、制动、停车等多种工况。列车的制动分空气制动

(机械制动)和再生制动(电制动)两种，运行中首选再生制动，只有低速时才起动空气制动。牵引和再生制动工况下主电路、辅助电路都工作，

惰行、停车时只有辅助电路工作(供自用电)。牵引运行时，四象限整流模块用于整流，脉宽调制逆变器用于逆变，异步牵引电机牵引列车运行，处于用电(耗电)状态；再生制动时，异步牵引电机发电，脉宽调制逆变器用于整流，四象限整流模块用于逆变，把列车的机械能转化为电能反馈回牵引网上，列车处于发电状态。牵引和再生工况及其转化均由控制系统控制牵引变流器与牵引电机配合完成。

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性◆牵引特性牵引变流器改变其逆变器输出频率时，牵引电机的转速将随频率正比变化。列车牵引过

程分起动和运行两个阶段。起动采用恒力矩控制方式，运行采用恒功率控制方式。其中，恒功率控制又分为第一恒功率和第二恒功率两种控制模式。(b)起动与第二恒功率方式牵引运行过程牵引电机主要物理量变化曲线(a)起动与第一恒功率方式

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性1.恒力矩起动阶段列车牵引力与牵引电机的力矩成正比。为保证列车起动过程快速且平稳，须保持列车起动加速度不变，在列车重量给定的情况下，保持牵引力恒定，这就是恒力矩起动。若定子和转子电阻可忽略不计，电机电势接近电压，即Es

必Us

，牵引电机转矩为(U

2Tem

=

k

|

s

|

fs1

fs

)式中，为由电机结构等决定的系数。为了使启动电流最小，起动阶段要控制电机磁通保持恒定。恒磁通是通过控制恒电压频率比Us

/fs

或恒电势频率比Es

/

fs

实现的。此阶段除磁通、力矩Tem

、最大力矩Tmax恒定外，定子电流Is

和滑差频率

fs1

也恒定。s

s

s

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性2.恒功率运行阶段电机角速度达到基速Ob

后，转入恒功率阶段。电机的输出功率为U

fs1s恒功率控制有两种控制模式：第一恒功率模式，即恒电压Us

和恒滑差率s

=

控制。第二恒功率模式，即恒电压平方与频率比和恒滑差频率fs1

控制。s2P

=

Tem

fs

=

kf

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性HXD1C

型机车牵引特性曲线，包括恒力矩起动和恒功率运行特性。HXD1C

型机车牵引力公式为(570(25t轴重时)520(23t轴重时)|

(570−400)F(kN)(取最小值)=520−

(v

−5)(23t轴重时)|

3.6

7

200|

v|HXD1C

型电力机车牵引特性曲线(外包络线)|10n

+1.5−

v|

4

n

50|570−

(v

−5)(25t轴重时)|

(65

−

5)50n

|

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性根据机车牵引特性，还可做出牵引网侧的机车牵引电流-速度特性i

=

f

(v)曲线。

与牵引特性对应，再生制动特性也包含恒功率控制与恒力矩控制。HXD1C型电力机车再生制动特性曲线(外包络线)机车牵引用电有功电流-速度特性i＝f(v)曲线

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性再生制动特性曲线公式为(400(25t轴重时)370(23t轴重时)|400|

5(v

−2)(25t轴重时)|

5(v

−2)(23t轴重时)|

3.67200||

40n式中：n＝0~10，手柄级位(由于是无级调速，可以根据手柄比例×10来确定值)；v＝0~120km/h。|B(kN)(取最小值)=〈

370v|

2.3交-直-交型电力机车、动车及运行特性根据机车再生制动特性，还可作出牵引网侧的机车再生制动发电有功电流-速度特性i

=f(v)曲线。机车再生制动发电有功电流-速度特性i＝f(v)曲线2.4牵引计算2.4牵引计算牵引计算假设牵引网给列车提供额定电压25

kV。牵引计算需要的原始数据主要有三个方面：➢①机车/动车参数，包括机车/动车类型、质量及其牵引特性、制动特性；➢②上、下行单列牵引质量；➢③线路情况，如电气化区段总长度，最小曲线半径，上、下行坡道等。要求提供的主要结果有：✓①区间运行时分及带电(不含自用电)

运行时分；✓②区间上、下行能耗；✓③速度-距离即v

=f(l)曲线，时间-距离即t

=

f(l)曲线，牵引网列车取流-距离即i

=

f(l)曲线等。2.4牵引计算v

=f(l)曲线可直接在原始资料中获得，而t

=

f(l)曲线可在i

=f(l)曲线基础上得到，即vi

=

l

jl

v(s)ds则有n

1t

=

f

(l)

=

l

当列车停车时，v

=0，t

=f(l)曲线中应在对应l

处直接加上停车时分，也可用其他等效方法处理。计算中可将计算总距离分为n

等份，每份长l，并取第i

等份的平均速度为1

l

+

lt

=

f

(l)

=

j0

v(s)

dsi

=1

vil

12.4牵引计算t

=

f(l)是一条非减单调曲线。v＝f(l)和t＝f(l)实例曲线为进一步利用v

=f(l)曲线进行计算，v

=f(l)曲线各段(工况段)对应的牵引、惰行、制动等工况应予以说明。i

=f(l)曲线中不包含列车的自用电，i

=f(l)的正值为牵引(用电)电流，负值为再生(发电)电流。牵引工况+再生工况i＝f(l)曲线的应用示例2.4牵引计算牵引能耗和再生电能可按上、下行供电臂分别作出，即由t

=f(l)曲线和i

=f

(l)曲线作出i

=

f(t)曲线，再用积分求牵引能耗和再生电能。(b)牵引工况列车i＝f(t)曲线

(a)牵引工况+再生工况2.4牵引计算将牵引工况(正值)的牵引能耗与再生工况(负值)的再生电能分别计算。积分步骤如下：以牵引工况为例，在时间坐标上将上行(或下行)供电臂上牵引工况的走行时分划分为n

等份t。每隔t

从i

=

f

(t)

曲线上读出对应的电流i0

，i1

，i2，…，in，

共得n＋1个对应的i

值，于是列车通过上行(或下行)供电臂的牵引能耗为式中，U＝25kV为牵引网标称电压，t的单位是min。国家标准动车组8节编组设置两台辅助变流器，每台260kV·A，总共520kV·A，按60%计得列车空调、照明等自用电为312kW，设列车在上行(或下行)供电臂运行时分为t,(min)，则自用电能耗为2.4牵引计算在时间坐标上将上行(或下行)供电臂上再生工况的走行时分划分为m

等份t

。每隔t

从i

=

f(t)曲线上读出对应的电流i0

，i1

，i2，…，im

，共得m＋1个对应的i

值，计算出列

车通过上行(或下行)供电臂的再生能耗(发电电度)A−1

。列车通过上行(或下行)供电臂的总能耗

A为10

−1列车通过上行(或下行)供电臂的带电运行平均电流为Ig

=

式中，tg为列车区间带电运行时分，单位是min。A

=A

+A

−

A2.5馈线电流

2.5馈线电流

2.5.1电力系统简介负荷过程法即利用牵引计算和运行图作出关于某供电臂在周期T

(一般为1天)内馈线的电流-时间曲线，称为日负荷电流曲线i＝f

(t)曲线，再进一步加工。运行图是行车组织的重要数据。虽然利用运行图作出负荷过程是复杂的，但却是相对最精确可信的，现在采用计算机过程仿真实现。某单线一供电臂4个区间的列车运行图

2.5馈线电流

2.5.1电力系统简介对上、下行的货车、客车(或等值货车)做出牵引计算，得到4组i

=f(l)或i

=f

(t)曲线，根据运行图可查出所讨论时间T

内任一时刻t

时供电臂上的列车数及牵引取流(用电)和再生发电情况，当认为各机车功率因数相同时，馈线电流即为供电臂上各列车电流之和，即iF

=i1

+i2

++im这里的i

都是即时值，即随时间变化的有效值。从运行图中易见，列车数m

是变化的，通过各个时刻的计算，就能得到馈线在T

内的负荷过程，即日负荷电流曲线馈线iF＝f

(t)曲线举例

2.5馈线电流

2.5.1电力系统简介仿真得到的客运铁路某牵引变电所供电臂馈线日负荷(功率)曲线，重载铁路某牵引变电所实测的馈线负荷曲线如图所示，负荷电流曲线可由每时刻的功率除以牵引网电压得到。日负荷过程中，主要是牵引工况(正值)，也有再生工况(负值)。供电臂213馈线负荷(有功功率)过程

馈线负荷(有功功率)过程仿真

2.5馈线电流

2.5.1电力系统简介下面以牵引工况为例，讨论牵引负荷数字特征。最有用的数字特征是平均值(数学期望)和平均有效值(均方根值)。若全天T

内总带电时间为Tg

，则定义馈线带电概率pF

和空载概率p0

分别为可分别按总带电时间和总讨论时间定义iF

有关的数字特征。实际计算时，并不用连续的iF

=f(t)，虽然它可由实测得到，但一是因为无法在现阶段准确得到这种表达式，再者牵引计算给出的iF

=f(t)曲线本身就是按一定时间间隔得到的，因此，常采用离散量。

2.5馈线电流

2.5.1电力系统简介单边供电方式下，复线铁路的馈线电流总是上、下行电流的和，因此，复线负荷过程可由上、下行负荷过程相加得到，并且复线的负荷过程可按上、下行逐一完成。双边供电时，不论是单线还是复线，列车k

的牵引负荷ik

将根据其在供电臂的位置和两侧牵引网的阻抗进行分配，两侧各有一个分配系数，记左侧1的分配系数为kk1、右侧2的分配系数为kk2

，kk1+kk2＝1，则左侧馈线电流为iF1

=k11i1

+k21i2

++km1im右侧馈线电流为iF2

=k12

i1

+k22

i2

++km2im随着交-直-交型电力机车和动车的普及，再生制动成为制动的首选。

2.5馈线电流

2.5.2同型列车法同型列车法，是认为供电臂上的列车同属某一种类型，并且只考虑处于牵引工况的列车。

已知供电臂列车带电运行的平均电流为Ig

，则馈线日平均电流为2NtgF

g式中N——通过供电臂的全日列车对数；tg——列车通过供电臂的带电走行时分，min；T——全日时分，T＝1440min。对馈线平均有效电流的计算，可先写出即时电流，然后求其均方根。设供电臂的区间数iF

=i1

+i2

++in为n，则馈线即时电流I

=

IT

2.5馈线电流

2.5.2同型列车法当各区间列车都取流时，上式右端各电流均为非零值；当并非所有区间列车都带电时，则只有取流列车的电流为非零值。取平方有n

n−1

ni

=

i

+

2

ik

ilk

=1

k

=1l

=k

+1求平均得

n

n−1nI

=

i

=

pk

I

k

+

2

pk

Igkpl

Iglk

=1

k

=1l

=k

+1式中Iεgk

=

kεgIgkkεg为带电期间的有效系数，Igk为区间k

的列车带电平均电流。εg2F2εF2k2F2

2.5馈线电流

2.5.2同型列车法工程应用中还可进一步简化，一般情形可采用Ig1

=

Ig2

=

=

Ign

tg1

=

tg2

=

=

tgn

=

所以2NtgnTI

=

npk

I

+

n(n

−1)p

I2

=

(npIg

)2

1

+

k

−

p|L

np

」|2Ntgnp

=Tk2

−

pI

=

IεF

F注意故εg2g2g2εg2εF2p1

=p2

==pn

=p

=npIg

=

IF1+

εgnp

2.5馈线电流

2.5.2同型列车法k2

−

p按定义知馈线全日内电流有效系数为式中n

——供电臂区间数；p

——区间(平均)带电概率。由于馈线电流总是各区间电流之和，故上式既适用于单线，也适用于复线。复线馈线有效电流计算时，则需以上、下行连发列车时在供电分区同时给电运行的最大列车数代替单线计算中的区间数。根据馈线电流选择设备容量时，往往要区分正常运行和紧密运行。紧密运行时列车对数按连发列车对数计，若连发追踪间隔为T

min

(常用于复线)，则紧密运行计算列车对数为N＝T/T

1+

εg

=

εFnpk

2.5馈线电流

2.5.3概率分布法获得馈线电流的概率分布有多种方法。直接从实际运行中统计；从负荷过程的计算机仿真中统计；根据已知的各种数字特征和分布特征用数字方法加以拟合等。瞬时负荷图

2.5馈线电流

2.5.3概率分布法供电臂上出现的走行(含停站)列车数m

具有较稳定的概率分布p

(m)，下图是两组典型的分布实例。供电臂上列车数的概率分布是求取馈线电流概率分布的基础。(a)夏季情况(b)冬季情况复线区段供电臂走行列车数的概率分布单线区段供电臂走行列车数的概率分布

2.5馈线电流

2.5.3概率分布法设供电臂上出现m

个列车走行的概率已知为p

(m)，m

=1,2,

,n

。走行带电概率为pg

，列车带电平均电流为Ig

，相应无电(空载)概率为(1−pg

)

。在m

个列车出现(走行)的条件下，有k

(k≤m)个走行列车带电的馈线电流和概率IF

=

kIgp

=

C

p

(1−

pg

)m−k式中，Cp(1−pg

)m−k

是二项式分布的概率，k

=0,1,2,,m

。注意：p

为条件概率，而供电臂有k

个车的取流及概率分别为IF

=

kIgp

m)

=p(m)

p

=p(m)

C

p

(1−pg

)m−kgkmkk(gkmkgkmk分别为

2.5馈线电流

2.5.3概率分布法瞬时负荷图考虑各种取流情况，可得带电列车数馈线电流概率00np0

=p(m)C

p(1−pg

)mm

=01Inp1

=p(m)C

p(1−pg

)m−1m=122Inp2

=p(m)C

p(1−pg

)m−2m

=2kkIgnpk

=