城市轨道交通牵引供电系统..

IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极 型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体 器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和 压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快， 但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而 饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、 变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。 图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附 于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电 极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏 区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区， 与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空 穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。 IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极 电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道 MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极 注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。
城市轨道交通牵 引供电系统
交通工程教研室
牵引供电系统

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电力牵引系统
电力牵引系统由受流器从架空接触网或第三轨接
受电能，通过车载的变流装置给安装在转向架上 牵引电动机供电，将电能转换为机械能，通过齿 轮传动箱和轮对，驱动动车组运行。

供电系统
为电力牵引系统、其它电器设备提供电能。
电力牵引系统设备
直流牵引电机特点
启动性能好 牵引特性好 过载能力强 功率利用充分 控制简单 调速范围宽

交流牵引电机

结构 工作原理 特点
体积小，容易制造 无换向装置，输出功率大 牵引性能好，能耗小 工作条件要求低，维修少 可简化车辆主电路
牵引电机的结构

异步牵引电动机主要由定子和转子两部分组成。定 子通常是无机壳叠片形式，铁芯两端装有厚压板， 压板间用拉杆或钢板固定，用电焊将压板、铁芯和 拉杆等焊成一个整体。定子压板又作为转子轴承支 架，通过端盖和压板的止口来固定转子部分。转子 通常是鼠笼型，其绕组用铝或铜硅铝合金铸成，容 量较大的牵引电动机则采用铜材料制成。由于异步 牵引电动机都采用降低频率起动，起动时集肤效应 很小，从磁路饱和及结构简单的理由考虑，转子可 以采用矩形槽。
交流牵引电机原理

当在定子绕组中施加三相交流电压时即会产 生旋转磁场，如果在定子中放入鼠笼形转子， 则鼠笼条就会切割旋转磁场的磁力线，鼠笼 条中会流过二次电流，于是转子中会产生旋 转力矩
交流牵引电机特点




考虑到变频异步电动机控制方式复杂和运行条件恶劣，异步牵引电动机结构上有如下特点。 （1）由于异步牵引电动机运行时，需承受来自线路的强烈振动，因此需采用比普通异步 电动机较大的气隙（通常为1.5mm~2.5mm)。 （2）定子槽型一般采用开口型，这样可以用成型绕组以获得良好的绝缘性能，增加运行 的可靠性。对于选用气隙较小的电机，可在定子槽口开通风槽口，这样可增加通风效果， 同时还可以增加电机漏抗，减小谐波电流的影响。 （3）定、转子铁芯冲片选用0.5mm厚的高导磁、低损耗的冷轧硅钢片，要求内、外圆同 时落料，以保证气隙的均匀度。转子铁芯内孔与轴用热套固定，取消键槽配合，以满足牵 引电机频繁正反起动的要求。 （4）鼠笼转子的导条与端环间的联接用感应加热银铜钎焊，对于最大转速较大的牵引电 动机，可在端环外侧热套非磁性护环，以增加强度和刚度。 （5）采用耐热等级高、厚度薄的聚酰亚胺薄膜和云母带作定厂主绝缘。并通常选用C级绝 缘材料作H级温升使用，以提高电机热可靠性。 （6）开始使用绝缘轴承，阻止由于三相电流不平衡时产生的轴电流流过轴承，避免轴承 受到电腐蚀，保证轴承寿命。 （7）为配合变频调速系统进行转速（差）闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑 装设非接触式转速检测器。 （8）为适应高速列车运行需要，异步牵引电动机大多采用全悬挂方式（或称架承式悬 挂），这种悬挂方式的优点是电机的全部重量都在簧上，大大减少了冲击和振动对电机的 影响。架承式电机又分为实心轴和空心轴两种传动方式。实心轴传动多用于中型牵引电动 机，如德国西门子公司在地铁车辆上设计厂专用的球形万向联轴节，置于轴伸和小齿轮中 间，以补偿运行中轮对和电机间相对垂直位移，避免电机承受弯矩和轴向力，延长轴承寿 命。空心轴多用于电力机车用的大容量的牵引电动机，动轴两端采用齿形联轴节结构，便 于折装。体积小，容易制造

牵引电机
直流牵引电机 交流牵引电机

控制系统
电子元件：GTO、IGBT 控制模块：斩波器、逆
变器、整流器
直流牵引电机
结构 工作原理 特点

牵引电机的结构
直流牵引电机原理

转子绕组接通直流电，在磁场的作用下产生 运动；电刷不动，接入转子绕组的电流在相 同的磁极下是同一方向，因而转子可以向同 一方向运动。
GTO

可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门控晶 闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自 行关断。


普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能 维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维 持电流IH，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电 路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波 形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了 普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使 用方便，是理想的高压、大电流开关器件。GTO的容量及使 用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。 目前，GTO已达到3000A、4500V的容量。大功率可关断晶 闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显 示出强大的生命力。