城市轨道交通供电与牵引系统

3.于松伟,杨兴山,韩连祥,等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都:西南交通大学出版 社,2008.
6.1 城市轨道交通电力牵引系统 6.1.1 概述 6.1.2 直流电力牵引系统 6.1.3 交流电力牵引系统 6.1.4 城市轨道车辆用直流感应电机
6.1.1 概述 1. 电力牵引系统工作原理及能量传递过程
0
T
他励电动机机械特性
2. 直流牵引调速系统
直流电机的基本调速方法 直流牵引电动机调速的基本形式
直流牵引调速系统-基本调速方法：
n U Id R CE
这里，CE是常数 Id是由负载决定的
方法：调节电枢供电电压U 改变励磁磁通Φ 改变电枢回路电阻R。
直流牵引调速系统-基本形式（调节端电压）
机车电路
主电路 辅助电路 控制电路
主电路 功能：牵引和制动时，完成能量传递和转换； 特点：大功率、高电压、大电流； 主要包括：牵引变压器、整流器、牵引电机
1 受电弓 2 主断路器（牵引断路器） 3 电压检测环节 4 接地开关 5 负载接触器 6 滤波电抗器 7 滤波电容器 8 凸轮调速变阻器 9 牵引电动机 10 信号发生器 11 控制电子装置 12 司机控制器
国外部分城市使用交流牵引车辆概况
国家
奥地利
城市
维也纳
车辆型号 电压制(V) 受流方式
DC 750 第三轨
电机功率(kW) 200
电传动力方式 交流变 频调速
开始时间
1977
奥地利 维也纳
DC 750 第三轨
125 交流变 频调速 1980
德国 柏林 F型 DC 750 第三轨 133 交流变 频凋速 1980
图 5.18 直 流 传 动 系 统 主 回 路 结 构 框 图
辅助电路（有两类） （1）交流辅助电路 功能：给主电路的通风、冷却辅助电机等； 特点：三相380V交流供电,功率较小； 包括：单／三相变换器、通风电机、压缩电机等
（2）直流辅助电路 功能：给电器控制、电子控制及照明、空调设备供电； 特点：直流110V供电，有蓄电池作后备电源； 包括：DC110V交直流变换电源、蓄电池、车灯、空调等。 此外，用于客车牵引的机车上有DC600V直流电源供客车车厢内空调、采暖、照明及旅客信息服务
系统供电。
控制电路（有两类） （1）电器控制 功能：完成电路和气路的开关及逻辑互锁； 特点：电动或气动的逻辑开关． 包括：继电器、电控阀、气动开关等。 近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制单元（LCU)完成。
（2）电子控制 功能：配合主辅助电路完成机车的控制； 特点：弱电控制、控制复杂； 包括：给定积分器、特性控制、防空转／防滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等控制单元。
根据牵引电机可分为： 直流电力牵引系统
交流电力牵引系统
直流传动框图
~
交流传动框图
~ ~
3. 轨道交通车辆的结构与特性 有轨电车
电动车组
特种电动车 独轨电动车 轻轨车 磁浮列车
4. 电动车组牵引特性
速度与牵引力
牵引加速区 自然
恒力矩 恒功 特性
惰行区 速度
制动减速区
自然 特性 恒功 恒力矩
牵引力
( )电流入 Y
n A
0
tC
X
Z B
(•)电流出
三相电流合成磁场
i
Im
iA
iB
iC
的分布情况
o
t
n0
A
YN
Z
C
SB
X
t 0
合成磁场方向向下
600
60
A Y
NZ
CS
B X
t 60
合成磁场旋转60°
Y
S
C
A
Z
N
B X
t 90
合成磁场旋转90°
转动原理 定子三相绕组通入三相交流电
n A
0
v Y
N FZ
制动力
0
A BC 牵引
D
E FG 制动
距离
6.1.2 直流电力牵引系统
1. 直流电动机 2. 直流牵引调速系统 3. 牵引电动机的电气制动 4. 牵引主回路及其控制
1. 直流电动机 直流电动机由定子转子两部分构成。
极掌
· N·
·
极心 励磁绕组
· · ·
S
S
机座
转子
N
直流电动机的磁极和磁路
直流电动机各部分的作用： 定子的作用是用来产生磁场，提供磁路和作为电机的机械支撑 转子部分是用来产生感应电势和电磁转矩从而实现机电能量转换的主要部件
Ud
n
M E
Id
RZ IL
Id n
M E
+
IL
R
-
(a)
电机牵引工况
(b)
5.16 直流电他机 励电的阻电 制动阻工制 况 动接线原理图
（a）电动机牵引工况 （b）他励式电阻制动 （c）串励式电
电动机的电气制动（再生制动）
US
iZ
D
LP
id +
M
Ud
图 5 .1 7 再 生 制 动 原 理 图
4. 牵引主回路及其控制
德国 慕尼黑
B型 DC 750 第三轨
1H0 交流变 频调速 1980
德国 纽伦堡
DC 750 第三轨
195 交流变 频调速 1981
西班牙 马德里
日本 大阪
DC 600 架空线
系列 DC 750 第三轨
120
140
交流变 频调速
交流变 频凋速
1982
1980
2. 三相异步电动机 封闭式三相笼型异步电动机结构
直流斩波电路原理
图 5.13 直 流 斩 波 电路 原 理
uRL
U
U RL
0 Ton
T off
t
T
直流斩波电压波形
图 5.14 直 流 斩 波 电 压 波 形
（1）定频调宽控制（脉宽调制）： 保持斩波周期T 不变，改变斩波器导通时间，从而改变负载平均电压。
ton1
ton2
U
T
T
ULD
（2）定频调宽控制（频率调制） 保持斩波周期T 不变，改变斩波器导通时间，从而改变负载平均电压。
加拿大的多伦多、温哥华，LIM驱动的轻轨车辆已运营多年 马来西亚也计划建设同样的交通系统 在日本，LIM驱动方式也被用于地铁车辆牵引，如大阪地铁的鹤见绿地线电动车辆、东京地铁的都营 12号线电动车辆，都采用了LIM驱动方式，
2. 直线感应电机的基本工作原理
转图 子 5.30 将旋转电机剖开拉直而得到的直感电动定机子
第六章 城市轨道交通供电与牵引系统 课程基础: 1. 工厂供电原理； 2. 电机与电力拖动； 3. 电力拖动自动控制系统； 4. 电力电子技术。
第六章 城市轨道交通供电与牵引系统
推荐相关教材: 1.徐安. 城市轨道交通电力牵引[M].北京:中国铁道出版社,2000.
2.郑瞳炽,张明锐. 城市轨道交通牵引供电系统[M].北京:中国铁道出版社,2000.
3. 三相异步电机工作原理
旋转磁场的产生
定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接)
Im i iA iB iC
o
t
iA Im s int
iB Im s int 120 iC Im s int 120
iA
A
iC C
iB
ZX Y
B
Im i iA iB iC
o
i : “+” 首端流入，尾端流出。 i : “–” 尾端流入，首端流出。
6.1.3 交流电力牵引系统
1. 交流牵引系统特点及发展概况 2. 三相异步电机 3. 交流电机调速系统 4. 交流传动的脉宽调制技术
1. 交流牵引系统特点及发展概况
直流电力传动优点：具有良好的调速性能
直流电力传动缺点：防空转性能较差；换向器与电刷，因而带来了较大的体积与重量，容易产生环火 以及繁杂的维护问题
旋转磁场 切割转子导体
n0
60 f1 p
(转/分）
方向:顺时针
CF
Blv
右手定则
感应电动势 E20
B
S X
感应电流 I2 旋转磁场
Bl i 电磁力F
左手定则
电磁转矩T
n
转差率
由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场 旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即
n n0
异步电动机
ton1
ton1
U
T1
T2
ULD
（3）调频调宽混合控制： 不但改变斩波器的工作频率，而且改变斩波器的导通时间。
ton1
ton2
U
T1
T2
ULD
特点比较： （1）定频调宽控制：频率固定，易于设计消除高次谐波的滤波器 （2）定宽调频控制：控制方便，易发生共振及干扰通信信号 （3）调频调宽混合控制：常用在需要大幅度改变输入电压，同样带来滤波器设计困难等问题
6.1.4 城市轨道车辆用直线感应电机
1. 直线电机特点及发展概况 2. 直线感应电机的基本工作原理 3. 直线感应电机控制及在地铁动车上的应用
1. 直线电机特点及发展概况
优点：LTM车辆有着断面小、爬坡能力强、转弯半径小、良好的牵引和制动性能、噪声小、寿命长等优 点。 缺点：与普通的旋转电机相比，它的效率和功率因数低。直线电机系统一次侧和二次侧的气隙对LIM的 性能影响较大，所以对轨道、反作用板、轨枕的尺寸精度及安装精度，LIM的安装精度及支撑结构都相 应有较高的要求。
27.5KV单相 接触网
车上 受电弓
交流
牵引 变压器
牵引 整流器
直流
牵引电机 电能
转向架 机械能
机车车辆
接触网（第三轨） 受流器 变流装置 牵引电机 齿轮传动箱 轮对 列车运行
齿轮传动箱 牵引电机
车轴 车轮 图 5.1 牵 引 传 动 装 置
牵引传动装置
2. 轨道交通电力牵引系统主要类型
根据供电电压制式可分为： 直流：600，750，1500，3000V (标称值) 交流：6250，15000，25000V(标称值)
（1）变阻控制 调节电阻的方法又可分为两类，
即采用有触点组合式凸轮开 关调阻和无触点斩波调阻。
R0
CH
图 5.12 斩 波 调 阻 原 理 图
有触点开关调阻
斩波调阻
图 5 .11 有 触 点 式 开 关 调 阻 原 理 图
直流牵引调速系统-基本形式（调压法） （2）斩波调压
URL
Uton T
U
Ton T
如果:
ห้องสมุดไป่ตู้
n n0
转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切 割转子导条
无转子电动势和转子电流 无转矩
因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。
s
n0 n0
n
100%
机械特性
T
Tmax
Ts t
TN
nnN0 n
O
SN Sm
1S
1 轴承 2 前端盖 3 转轴 4 接线盒 5 吊环 6 定子铁心 7 转子 8 定子绕组 9 机座 10 后端盖 11 风罩 12 风扇
定子
铁心：由内周有槽 的硅钢片叠成。
三相绕组
A ----X B ----Y C---- Z
机座：铸钢或铸铁
鼠笼转子
转子
铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。 (1) 鼠笼式转子 铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体； 或铸铝形成转子绕组。 (2) 绕线式转子 同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星 形。
转子通过轴承与定子保持相对位置，使两者之间有一个空气隙
直流电动机工作原理：
N
＋ A
换向片
B —
直流电动机分类： 根据励磁绕组与电枢绕组的联接方式主要分为他励、并励、串励和复励四种。
直流电动机机械特性：
电动机是用来拖动车辆运行的，而车辆运行对电动机提出的主要要求是转速和转矩。
n
n
O
T
串励电动机机械特性
T f (s)曲线
O
TN Tst Tmax T
n f (T )曲线
4. 交流电动机调速系统
三相交流异步电机调速方法可分为改变极对数、调节供电频率、调节转差三大类。变频调速是 最为理想的调速方法。
变频调速是把交、直流电变换为可调电压、可调频率的交流电，向交流电机供电。
M
M
f1增 高
f1增高
n
n
直流牵引调速系统-基本形式（调节主极磁通）
M
M
M
M
（a）
（b）
图 5（.15a）串励电动（ 机磁 b）场削弱法
（ a图）短5.1路5匝串数励法电动（机b磁）场分削路弱电法流 法
（a）短路匝数法 （b）分路电流法
3. 电动机的电气制动
电阻制动 他励式电阻制动 串励式电阻制动
再生制动
电动机的电气制动（电阻制动）
图 5.2 6 一 定 的 气 隙 磁 通 ， 不 同 的 频图率5-27 一 定 的电 压， 不 同的 电 源频 率
脉宽调制控制技术 用于交流电传动的变频器实际上是变压(Variable Voltage，简称VV)、变频(Variable Frequency，简称VF)器，即所谓VVVF装置。
图 5.29 PWM方式框图
交流电力传动特点：电机结构简单，成本较低；正作可靠，寿命长，维修、运行费用低；防空转能力 好
第一阶段：交流电动机数学模型复杂，初期，人们对其调速特点没有很好的掌握； 第二阶段：充分掌握其调速理论，受变流器本身限制，调速装置无法实现； 第三阶段：电力电子器件的发展促进了交流电机的应用。
交流牵引系统已被世界各国公认为近代最优越的牵引调速系统，交流牵引也是今后世界各国轨道交通 发展的总趋势。
(次 级 ）
（初级）
a)
定子
转子
（初级）
(次 级 ）
b)
图 5.31 扁 平 型 直线 感 应电 动机 的 两种 基 本类 型
图 5.33 轨 道 牵 引 设 计 方 案 之 一
图 5.34 轨 道 牵 引 设 计 方 案 之 二