城市轨道交通列车牵引传动系统

城市轨道交通列车牵引传动系统
城市轨道交通列车的牵引力是由城市轨道交通列车的牵引系统产生的，因此要掌握城市轨道交通列车牵引力的知识，就必须先掌握列车牵引传动系统的基础知识。

目前城市轨道交通列车的牵引传动系统基本都是电力牵引传动系统，其基本的工作过程是：电能经过列车牵引供电系统传输和相应的转换，提供给列车的牵引电动机，电能转换成机械能，从而驱动列车运行。

城市轨道交通列车牵引供电的电源是城市电网，城市电网提供的电能经过牵引变电所的降压、整流变成DC 1 500 V（或DC 750 V），再通过馈电线传递给接触网，然后通过受流装置，由钢轨和回流线流回牵引变电所形成回流。

城市轨道交通列车牵引传动系统的基本特点是牵引功率大、传动效率高、能源利用率高、绿色环保、产生的污染很少、容易实现自动化控制。

城市轨道交通列车的牵引电动机为列车提供动力，牵引电动机按工作原理可分为直流电动机、交流异步电动机、交流同步牵引电动机三种。

由于交流电动机与直流电动机相比不需要换向器，结构简单，可靠性高，维护量少，重量小，并能获得较大的单位重量功率，具有良好的牵引性能，同时三相交流牵引电动机的调频、调压特性如果设计合理，可以实现大范围的平滑调速，还具有防空转的性能，使黏着利用率提高；三相交流牵引电动机对瞬时过电压和过电流很不敏感，在启动时能在更长的时间内产生较大的起动力矩。

因此，交流异步电动机有取代直流电动机的趋势。

一、牵引传动系统的工况
城市轨道交通列车的牵引传动系统有两个工况：牵引工况和制动工况。

1、在牵引工况下，列车牵引传动系统为列车提供牵引动力，将供电接触网上的电能转换为列车在轨道上运行的机械能。

2、制动工况可以分为再生制动工况和电阻制动工况。

再生制动就是将列车的机械能转换成电能反馈到接触网再供给其他列车或车站设备使用，这种方式能最大限度地降低电能的损耗。

列车制动过程中牵引传动系统反馈的电能超过了接触网上的限值（达到DC 1 800 V）时，列车电制动产生的电能将会消耗在制动电阻上，
通过制动电阻发热而消耗到大气中去，这种通过制动电阻消耗电能的电制动工况称为电阻制动工况。

二、直流牵引传动系统
直流牵引传动系统由接触网侧高压电路和直流电动机调速电路组成，主要包括受流器、断路器、接触器、直流牵引电动机、齿轮箱、轮对及接地回流装置等，其中直流牵引电动机是核心部件。

直流牵引传动系统按电动机调速的原理不同可分为变阻调压控制和斩波调压控制两种类型。

变阻调压控制通过调节串入电动机回路的电阻，改变直流牵引电动机的端电压来达到调速目的，有凸轮调阻和斩波调阻之分。

斩波调压控制通过控制接在接触网与牵引电动机之间的斩波器的导通与关断来改变牵引电动机的端电压而实现调速目的，斩波调压控制装置代替了起动、制动电阻，在起动过程中减少了电能的消耗，在再生制动的过程中能回收一部分电能，并且起动、制动过程是完全无级平滑调节的，提高了平稳性。

所示为直流牵引电动机的模型，导体受力方向由左手定则确定，位于N极下的导体ab受力方向为从右向左，而位于S极上的导体cd受力方向为从左向右。

导体所受电磁力对轴产生一个转矩，这种由于电磁作用而产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针方向。

当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转，当电枢转动到第二个位置时，原位于S极上的导体cd转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原位于N极下的导体ab转到S极上，其受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。

这
样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极上的导体受力方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。

实际直流牵引电动机的电枢根据具体应用情况需要有多个线圈。

线圈分布于电枢表面的不同位置上，并按照一定的规定连起来，构成直流牵引电动机的电枢绕组。

N极、S极也是根据需要，交替放置多对。

直流牵引电动机分为静止部分和可旋转部分。

静止部分称为定子，可旋转部分称为转子，在定子和转子之间存在着气隙。

定子的作用是：在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是作为整个电动机的支撑。

定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承等组成。

转子又称电枢，是电动机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分，它包括电枢铁芯、换向器、电动机转轴、电枢绕组、轴承和风扇等。

直流牵引电动机具有良好的牵引和制动性能，调速方便；但防空转性能较差，等功率下电动机的体积和重量较大，换向困难，电位条件差，易产生环火，维护复杂，特别是在高电压、大功率时，电位条件更差。

三、交流牵引传动系统
交流异步牵引电动机的转速控制是在保持电源频率恒定的条件下通过改变
定子电压的大小实现的。

目前我国的城市轨道交通列车多采用闭环控制系统，基本采用转差电流控制，如上海地铁2号线列车；也有采用矢量控制，如西安地铁2号线DKZ27型列车、广州地铁1号线和北京地铁1号线SMF04型列车等。

随着电子技术的不断发展与成熟，交流牵引传动技术越来越受到重视，交流牵引电动机有全面取代直流牵引电动机的趋势；大功率晶闸管技术的成熟与发展，特别是近年来全控电力电子器件的迅速发展，使得可调压调频的逆变装置被普遍应用，成功解决了交流电动机的调速问题。

交流牵引电动机有同步和异步之分，目前城市轨道交通列车普遍采用的是交流异步牵引电动机，因为交流同步牵引电动机需要集电环和电刷或者在转子上安装旋转整流器，不能满足频繁起动和停止的工作需要，也不能在轮径不同或牵引电动机转速有差别时，由一台逆变器驱动多台电动机并联工作。

交流异步牵引电动机在空间利用和重量上都优于交流同步牵引电动机，因此被广泛应用。

交流异步牵引电动机采用VVVF控制，即直流电通
过逆变器变为三相交流电，用电压和频率的变化来控制异步牵引电动机的转速变化，获得最佳的调速性能，并实现再生制动。

城市轨道交通列车使用的交流感应电动机主要是结构简单的鼠笼式感应电
动机，它主要由定子和转子构成，定子上加载三相交流电压时，间隙磁通量就会发生变化，从而使转子受到感应，产生扭矩。

四、直线电动机牵引系统
直线电动机可认为是旋转电动机的结构的转变，即将旋转电动机沿轴向切开，按水平方向展开，从而使旋转电动机的定子演变为初级，转子演变为次级，以直线运动取代旋转运动。

由于直线电动机无旋转部件，因此可大大降低城市轨道交通列车的高度，缩小隧道直径，降低工程成本。

此外，直线电动机环保性能好，车辆运行噪声小。

直线电动机在城市轨道交通中应用时，初级既可设在车上，也可设在地面，分别称为车载初级式和地面初级式。

目前，城市轨道交通列车多采用车载初级式异步的方式，初级安装在动车的转向架上，从受电轨受电，电源的变换和控制设备安装在车上；次级沿线路敷在两根走行钢轨之间的导体板上，建设费用低。

广州地铁4号线和北京地铁机场线的列车均采用直线电动机牵引传动系统，采用一台VVVF逆变器向两台三相八极的直线感应电动机供电，采用IGBT
器件和脉冲调制技术的牵引逆变器，实现牵引、再生制动控制。