城市轨道交通系统概论 第六章 城市轨道交通供电与牵引系统 要点: 2. 城市轨道交通供电系统； 1. 城市轨道交通电力牵引系统；3. 城市轨道交通牵引供电行业标准； 4. 城市轨道交通牵引供电产业发展概况。 城市轨道交通系统概论 第六章 城市轨道交通供电与牵引系统 课程基础: 2. 电机与电力拖动； 1. 工厂供电原理；3. 电力拖动自动控制系统； 4. 电力电子技术。 城市轨道交通系统概论 第六章 城市轨道交通供电与牵引系统 推荐相关教材: 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,2000.1.徐安. 城市轨道交通电力牵引M.北京:中国铁 道出版社,2000.3.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.城市轨道交通系统概论 6.1.2 直流电力牵引系统 6.1.3 交流电力牵引系统 6.1 城市轨道交通电力牵引系统6.1.4 城市轨道车辆用直流感应电机6.1.1 概述 城市轨道交通系统概论 1. 电力牵引系统工作原理及能量传递过程6.1.1 概述 车上 受电弓牵引 变压器牵引 整流器转向架牵引电机机车车辆27.5KV单 相接触网交流直流机械能电能城市轨道交通系统概论 牵引传动装置接触网（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 城市轨道交通系统概论 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) 根据牵引电机可分为： 直流电力牵引系统 交流电力牵引系统城市轨道交通系统概论 直流传动框图直流传动框图交流传动框图交流传动框图城市轨道交通系统概论 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 磁浮列车城市轨道交通系统概论 4. 电动车组牵引特性 城市轨道交通系统概论 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 城市轨道交通系统概论 1. 直流电动机 直流电动机由定子转子两部分构成。极掌极掌NSNS极心极心励磁绕组励磁绕组机座机座转子转子直流电动机的磁极和磁路直流电动机的磁极和磁路城市轨道交通系统概论 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 之间有一个空气隙城市轨道交通系统概论 直流电动机工作原理：城市轨道交通系统概论 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。 城市轨道交通系统概论 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。 n0T 串励电动机机械特性他励电动机机械特性城市轨道交通系统概论 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城市轨道交通系统概论 直流牵引调速系统-基本调速方法：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改变励磁磁通改变电枢回路电阻R。 城市轨道交通系统概论 直流牵引调速系统-基本形式（调节端电压）（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。有触点开关调阻斩波调阻城市轨道交通系统概论 直流牵引调速系统-基本形式（调压法）（2）斩波调压直流斩波电路原理直流斩波电压波形城市轨道交通系统概论 （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。城市轨道交通系统概论 （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。城市轨道交通系统概论 （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。城市轨道交通系统概论 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城市轨道交通系统概论 直流牵引调速系统-基本形式（调节主极磁通）城市轨道交通系统概论 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城市轨道交通系统概论 电动机的电气制动（电阻制动）电机牵引工况他励电阻制动工况城市轨道交通系统概论 电动机的电气制动（再生制动）城市轨道交通系统概论 4. 牵引主回路及其控制主电路辅助电路控制电路机车电路城市轨道交通系统概论 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 司机控制器城市轨道交通系统概论 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。城市轨道交通系统概论 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。城市轨道交通系统概论 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城市轨道交通系统概论 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 好城市轨道交通系统概论 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。城市轨道交通系统概论 国家奥地利奥地利德国德国德国西班牙日本城市维也纳维也纳柏林慕尼黑纽伦 堡马德里大阪车辆 型号F型B型系列电压 制(V)DC 750DC 750DC 750DC 750DC 750DC 600DC 750受流方式第三轨第三轨第三轨第三轨第三轨架空线第三轨电机功率 (kW)2001251331H0195120140电传动 力方 式交流变 频调 速交流变 频调 速交流变 频凋速交流变 频调 速交流变 频调 速交流变 频调 速交流变 频凋速开始时间1977198019801980198119821980国外部分城市使用交流牵引车辆概况 城市轨道交通系统概论 2. 三相异步电动机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 封闭式三相笼型异步电动机结构 城市轨道交通系统概论 定子铁心：由内周有槽 的硅钢片叠成。A -X B -Y C- Z三相绕组机座：铸钢或铸铁转子铁心：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。鼠笼转子城市轨道交通系统概论 3. 三相异步电机工作原理定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接)AXBYCZ旋转磁场的产生旋转磁场的产生o城市轨道交通系统概论 i : “+” 首端流入，尾端流出。 i : “” 尾端流入，首端流出。 AYCBZX()电流出()电流入o城市轨道交通系统概论 三相电流合成磁场三相电流合成磁场 的分布情况的分布情况AXYCBZAXYCBZAXYC BZ合成磁场方向向下合成磁场旋转60合成磁场旋转90600 to城市轨道交通系统概论 转动原理转动原理定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针切割转子导体右手定则感应电动势 E20 旋转磁场感应电流 I2 旋转磁场左手定则电磁力F电磁转矩Tn AXYCBZFF城市轨道交通系统概论 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，即异步电动机如果:无转子电动势和转子电流转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切 割转子导条无转矩转差率转差率 城市轨道交通系统概论 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。城市轨道交通系统概论 OTS1OT机械特性机械特性城市轨道交通系统概论 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。城市轨道交通系统概论 脉宽调制控制技术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。城市轨道交通系统概论 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 的应用城市轨道交通系统概论 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。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， 1. 直线电机特点及发展概况城市轨道交通系统概论 2. 直线感应电机的基本工作原理城市轨道交通系统概论 城市轨道交通系统概论 车辆用直线感应电机的牵引控制原理与旋转式异步电机的控 制方法是一样的，都采用变频变压控制，由VVVF逆变器完 成牵引控制功能。 控制方法既可采用较为简单的转差频率控制，亦可采用高级 的动态控制方法，如矢量控制、直接转矩控制等