城市轨道交通牵引供电系统

电力监控
❖ 主站
❖ 一般设置在控制中心，采用计算机网络技术，客户 机/服务器模式，主从网络节点方式。配置服务器、 调度工作站、系统维护工作站、前置通信处理、行 调显示终端节点设备、设置实时数据、程序、统计 报表、画面拷贝等打印机及实时监控供电系统概况 的模拟盘（或投影仪）等外围设备，重要的设备有 冗余配置，以提高系统的可靠性。系统配置不间断 电源设备。
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。
❖ 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。
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
基础承受支柱传给的全部负荷，并保证支柱的稳定性。预应
力钢筋混凝土支柱与基础制成一个整体，下端直接埋入地下。
新温州牵 引变电所
❖ 高压开关 ❖ 熔断器 ❖ 变流器 ❖ 变压器 ❖ 互感器 ❖ 断路器
电气设备
蓄电池
❖ 作为辅助系统的备用电源，蓄电池在辅助逆 变器正常工作的情况下处于浮充状态；当网 压故障或列车辅助逆变器全部故障的紧急情 况下，蓄电池作为紧急电源提供列车紧急负 载电源。其容量的大小由紧急负载的大小来 决定。北京城轨13号线车辆的蓄电池容量为 低倍率50 Ah镉镍碱性蓄电池。
位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线
与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。
❖
支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部
负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。我国接触
网中采用预应力钢筋混凝土支柱和钢柱，基础是对钢支柱而
言的，即钢支柱固定在下面的钢筋混凝土制成的基础上，由
电力供电系统
❖ 一次电力系统：发电厂、传输线路、区域变电所 ❖ 轨道交通牵引供电系统：牵引供电和动力照明供电系统
❖ 牵引网
接触网：经过受电器向电动列车供给电能的导电网。 回流线：用以供牵引电流返回牵引变电所的导线 馈电线：从牵引变电所向接触网输送牵引电能的导线 轨道（电路）：利用走行轨作为牵引电流回流的电路
❖ 被控站
❖ 设在主变电所、牵引降压混合所、降压变电 所。变电所采用分层分布式变电所综合自动 化系统，主要由站级管理层设备、所内现场 通信网络、间隔设备层单元组成，完成对变 电所及其供电范围内供电设备的保护、控制、 信号、测量及自动装置、远程通信等功能。
❖ 数据传输通道
❖ 采用专用的数据传输通道，点对点式结构。
❖ 遥测对象
主变电所进线电压、电流、功率、电能 变电所母线电压、电流、功率、电能 牵引整流机组的电流、电能、馈线电流、回流电流
供电负荷
❖ 一级
牵引系统 变电所操作电源 火灾自动报警系统、消防系统、事故风机、排
风/排烟风机及相关风阀、消防电梯、兼做疏散 的自动扶梯。 通信系统、信号系统、电力监控系统、环境与 设备监控系统、自动售检票系统 屏蔽门、防护门、防烟门、排雨泵、车站排水 泵 应急照明、地下站厅站台照明、地下区间照明
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
❖ 变电站：变换电压和电流
主变电站 DC110kv------35kv 牵引变电站 DC35kv---10kv----1500v(750v) 降压变电站 DC35kv---10kv---0.4kv 车站变电站 AC 220 V、380V、DC110V、24V牵引变电
所
接触网
❖ 铁路电气化是中国铁路发展的最终目标。电气化铁 路工程又称为“四电工程”，包括“接触网”、 “变电”、“信号”、“通信”，其中以接触网作 为铁路电气化工程的主构架。
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。
输出变压器
❖ 输出变压器将交流滤波器输出的三相电源变 换为AC380V或AC220V，提供给车辆交流负 载，同时作为和输出回路的隔离之用；同时 还将输出的AC 380V电源通过变压器再变换 为AC 85V和AC 20V，提供给整流装置，整 流装置通过三相整流模块，输出DC 110V和 DC 24V提供给车辆的直流负载。
❖ 接触网主要包含以下几项内容：1.基础构件，如水 泥支柱、钢柱及支撑这些结构物的基础；2.基础安 装结构件，这项内容的作用主要是连接接触网导线 和基础构件；3.接触网导线，这部分作用就是传输 电流给电力机车；4.其他辅助构件，包括回流线、 附加悬挂等。
❖ 接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的 输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基 础几部分组成。
❖
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
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
❖ 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
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。
斩波器
❖ 用于将输入的变化的网压变换为稳定的直流 电压
❖ 利用电压的变化进行直流电机的调速
图8-3 升降压斩波器电路
整流器
将交流电转换为直流电
三相逆变电路
❖ 主要由6只功率开关元件组成。采用SPWM控制各 开关元件，使其按一定的逻辑顺序导通和关断，从 而使三相逆变电路输出正负对称的方波电压。电压 和频率的参考值储存在控制程序中，根据与输出电 压的反馈值之间形成的偏差，作为功率元件门极信 号的指令，控制输出电压恒定。对于输入电压和负 载的变化，则通过检测各相电流值来校正输出电压。 频率的控制采用内置晶振。
❖
接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接
触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电
❖
支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其
它建筑物。根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所
不同。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式
绝缘Biblioteka Baidu及其它建筑物的特殊支持设备。
❖
定位装置包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的
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。
监控对象
❖ 遥控对象
变电所内10kv及以上电压等级的断路器、负荷开关及电动隔离开 关、直流快速断路器、直流电源总隔离开关、低压进线断路器、 低压母联断路器、低压总开关、接触网隔离开关、有载调压变压 器的调压开关。
❖ 遥信对象
遥控对象的位置信息、各种电源及断路器的故障信号、钢轨电位 限制装置的动作信号、无人值班变电所大门开启信号、控制方式 等