城市轨道交通车辆构造单元8电力牵引装置.ppt

<p>,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,教学目标,1.,掌握城市轨道交通车辆电力牵引系统的功能,8,电力牵引装置,2.,掌握城市轨道交通车辆电力牵引系统的组成,3.,掌握受流装置的结构,4.,掌握单个集电靴受流器的隔离方法,5.,了解牵引逆变器的工作原理,6.,掌握主电路的类型及控制对象,7.,掌握辅助电路的功能,8.,了解控制电路的功能,一、电力牵引系统的功能,城市轨道交通电动列车牵引供电来源于国家城市电网，经过直流牵引变电所的降压、整流，将高压交流电变成,DC750V,（或,DC1500V,），然后通过馈电线缆将电能传递给接触网（接触轨式接触网或架空式接触网），列车通过受流装置（受电靴或受电弓）与接触网接触摩擦取电，电动列车作为牵引电路中的用电设备，电能再通过钢轨和回流线回到牵引变电所的负极，形成一个完整的牵引回路。电动车辆通过受流器从接触网接受电能后，通过车载的变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电，将电能转换为机械能，通过齿轮传动箱和轮对，驱动地铁列车运行。城市轨道交通电力牵引系统原理图如图,8-1,所示。,8.1,电力牵引系统概述,一、电力牵引系统的功能,图,8-1,城市轨道交通电力牵引系统原理图,列车电力牵引系统主要有两个工况：牵引工况和制动工况。牵引工况下，列车牵引系统为列车提供牵引动力，将地铁电网上的电能转换为列车在轨道上运行的动能。制动工况可以分为再生制动工况和电阻制动工况。牵引系统再生制动就是在列车进行制动时，把列车的动能转换为电能反馈到电网可供其他列车使用或其他车站设备使用，这极大地降低了列车的实际能量损耗。若列车制动时牵引系统反馈的电能是电网电压超过了限值（如第三轨电压高于,1000V,，或架空接触线电压达到,1800V,），此时列车电制动产生的电能将会消耗在制动电阻上，列车动能转换为热能散逸到大气中，这种通过制动电阻消耗电能来实现电制动的工况叫电阻制动工况。当电制动不足或失效时，由空气制动补足。电制动与空气制动能平滑转换。,一、电力牵引系统的功能,二、电力牵引系统的特点,1,牵引功率大；,2,传动效率高；,3,能源利用率高；,4,污染很少；,5,容易实现自动化控制。,8.1,电力牵引系统概述,三、电力牵引系统的分类,为了能够获得最好的牵引和电制动性能，城市轨道交通车辆的牵引系统都是分散地配置在列车上的动车上。牵引系统功率配置的前提条件是能够满足列车在所运营线路上的设计速度及为乘客提供舒适的乘车环境以及个别动车故障时的运行需要。根据牵引系统的发展和特点，牵引系统可以从以下几个方面分类。,1,根据城轨车辆牵引电机的种类分类,根据城轨车辆牵引电机的种类分类，城轨车辆有直流传动方式和交流传动方式。直流传动方式从控制方式不同又经历了直流调阻方式到直流斩波方式的发展。随着大功率逆变技术和自动控制技术的发展，交流电机通过变频变压技术（,VVVF,）已成功广泛地应用到城轨车辆牵引系统中。,8.1,电力牵引系统概述,交流传动系统和直流传动系统相比有以下优点：,驱动电动机的大马力化，同时可实现高性能的轻便化、小型化的电动机车；,主电路无触点化，电机无换向器和电刷，提高了运行可靠性，减少了维修量；,再生制动可从高速持续到,8km/h,以下，安全平稳、节省电能；,交流电机结构简单、寿命长，可延长检修周期等。,目前城轨车辆以交流传动方式为主，国内近年来开通的新线路基本上均为交流传动方式，一些采用直流传动的老线路也通过车辆改造、淘汰旧车等方式逐渐转变为交流传动列车。本文主要介绍交流传动技术。,根据交流传动技术中牵引电机形式不同，又可以分为旋转电机系统和直线电机系统。旋转电机系统中，城轨车辆把从电网获得的直流电通过牵引逆变器转换为变频变压的交流电，通过安装在轴上的电机把电能转化为动能，电机再通过联轴节,齿轮箱,轮对的传递途径把动能传递到列车的轴上，最终实现列车的牵引功能。直线电机系统的电机不需要传动装置，可以通过安装在车辆上和安装在轨道上的电机部分之间的电磁作用力直接实现牵引和电制动。城轨车辆的电力传动与控制方式如图,8-2,所示。,三、电力牵引系统的分类,三、电力牵引系统的分类,图,8-2,牵引电机及控制方式,2,根据列车动力配置数量分类,动力配置数量即在列车编组中的“动拖比”，此配置也是受多种元素影响的，如车型、传动方式、线路的客流量、线路的站间距、线路设计的运行速度等等，动力数量的选择主要根据线路的实际客流量，考虑冗余需要。目前，比较常见的城轨列车为,A,型车和,B,型车，六节编组,A,型车一般都是四动两拖的编组方式，六节编组的,B,型车一般采用三动三拖的编组方式，随着客流量的不断攀升，有些新线路采用四动两拖编组的,B,型车。从牵引控制角度，牵引系统有,1C4M,（一个逆变器向四个电机供电）和,1C2M,（一个逆变器向两个电机供电）两种形式。,议一议：总结你所熟悉的线路的列车，讨论列车的车型、编组形式和动拖比例，根据线路的实际客流状况，思考列车编组形式、动力配置数量与客流量之间的关系。,三、电力牵引系统的分类,3,根据控制单元控制类型的不同分类,牵引系统是通过司机（或信号系统）给出的指令，综合考虑列车的状态信息、牵引系统自身反馈的信息等，通过牵引系统控制单元的计算，最终得出功率部件的开关指令。简单地讲，就是通过各个环节的计算最终算出逆变器单元应该如何开通功率部件，以便把,750V,（或,1500V,）直流电压源逆变为满足要求的三相交流电压供电机使用，再通过牵引电机驱动列车。这个复杂的计算过程需要建立相应的数学模型来完成，数学模型建立的越精确，越接近整个系统的实际情况，最终计算结果就越准确，列车的牵引制动就越接近理想状态，越能提供更舒适的乘车环境和更精确的停车精度。,在人们追求完美牵引控制方式的过程中出现了不同的控制理论，主要有直接转矩控制和矢量控制。两种控制方式各有优缺点，为了能够获得最佳的控制性能，设计人员趋向于融合两种控制方式的特点，对控制系统进行不断的优化。,查一查：直接转矩控制和矢量控制的原理及各自的优缺点。,三、电力牵引系统的分类,总结来看，城市轨道交通车辆的牵引系统是由两大部分组成的：牵引高压系统和牵引控制系统。,根据牵引系统的不同功能单元，牵引高压系统包括：主隔离开关（,MS,）、高速断路器（,HB,）、,VVVF,牵引逆变器（,VVVF,）、线路电抗器（,FL,）、制动电阻器（,BR1,和,BR2,）以及牵引电机（,M,），一个典型的牵引系统设备框图如图,8-3,所示。,逆变器电路是牵引系统的主要组成部分，是最关键、最复杂、最核心的部分，它采用脉宽调制的变压变频技术（,VVVF,），把直流电源转换为变压变频的交流电供牵引电动机使用。牵引逆变器除逆变器本身外，还有充电回路、滤波回路，滤波单元采用大的电抗器和电容器对输入牵引系统的电流进行滤波，优化逆变器电源的品质。一般主要的牵引系统电路通过车间母线电路接通，每个牵引系统电路可以通过母线断路器（,BHB,）或母线开关（,BS,）断开。,牵引控制系统包括：司机控制器、,PWM,发生器、各种继电器等。,司机控制器输出无极牵引,/,制动控制指令,PWM,信号（,10%,90%,），控制全列车的,VVVF,装置。,VVVF,装置按照混合矢量控制模式进行高精度转矩控制，实现对牵引电动机的速度调节。,8.2,电力牵引系统结构及特点,8.2,电力牵引系统结构及特点,车间母线电路,LS,BS,VVVF,BHB,BR2,BR1,MS,MF,BF,HB,第三轨,FL,接地电路,M,M,M,M,图,8-3,牵引系统设备框图,BS,母线电路开关；,BF,母线电路熔断器；,BHB,母线高速断路器；,MS,主开关；,MF,主熔断器；,HB,高速断路器；,LS,线路隔离开关；,FL,线路电抗器；,VVVFVVVF,牵引逆变器；,BR1,，,BR2,制动电阻；,M,牵引电动机。,一、受流装置,受流装置是列车将外部电源平稳地引入车辆电源系统，为列车的牵引设备和辅助设备提供电能的重要电气设备。根据线路供电方式的不同，受流装置有集电靴从第三轨受流和车顶受电弓从架空接触网受流两种方式，如图,8-4,、,8-5,所示。两种受流方式并存，且各具优缺点。,1,集电靴受流装置,由于城市轨道交通线路大多穿越城区，往往需要设在地下，且速度要求不高，从安全性、经济性和对城市景观影响等方面考虑，更倾向于集电靴从第三轨受流方式。,（,1,）集电靴受流装置安装位置,集电靴受流器安装在转向架的构架侧面上，与接触轨（第三轨）形成弹性接触。受流器的布置原则是保证列车在断电区仍能满足列车的供电要求。对于三动三拖六节编组的,B,型车，每列车共装有,12,个受流器，有两种布置方式。一种是将所有受流器安装在动车转向架上，如图,8-6,所示。另一种布置方式是其中,3,个动车共装有,8,个受流器，拖车,T,车不安装受流器，带驾驶室的拖车,Tc,车共装有,4,个受流器。受流器的布置情况如图,8-7,所示。,8.2,电力牵引系统结构及特点,一、受流装置,图,8-4,集电靴受流装置 图,8-5,受电弓受流装置,一、受流装置,图,8-6,集电靴受流器布置图,图,8-7,集电靴受流器布置图,显而易见，第二种受流器布置方式比第一种布置更加分散，但两种方式均能确保列车能顺利通过三轨断电区。无论哪种布置方式，受流器之间均为并联连接，当任意一个受流器接地时，只需隔离该受流器，即可解除故障。,（,2,）集电靴受流器的结构,一个典型的集电靴受流器的结构如图,8-8,，可分为以下四部分：,受流器主体：（包括一整套动力系统弹簧、轴承、金属底座、金属臂架、紧固件、连接熔断器与受流器,2,根电缆）；,受流臂、滑块；,熔断器；,绝缘框架。,（,3,）集电靴受流器的特点,受流器机械部分安装在一个绝缘支架上，该支架上设计有带锯齿状的位移调节板，每个最小调节量是,4mm,，总调节量为,40mm,。以配合对车轮运行后磨损镟修后的补偿；,受流器有一套由,2,个弹簧和,2,个弹性铰键轴承组成的机构，用于保证滑块磨损后，其与三轨的压力不受影响，仍然保持恒定压力；,一、受流装置,一、受流装置,图,8-8,集电靴受流器结构图,1,第三轨；,2,滑块；,3,受流臂；,4,电缆；,5,绝缘底座；,6,位移调节板；,7,熔断器；,8,弹簧与轴承；,9,手动回退工具插入位置。,受流臂采用了弱连接结构，当滑块在运行轨道上受到意外障碍时，为了保护整个受流器和与之安装的转向架，首先断裂的是集电靴靴臂，而不影响车辆的正常运行；,为了防止短路，保护车体和转向架，受流器上都装有熔断器，如果短路电流超过熔断器的分断能力，熔断器熔丝会熔断，从而保护了其它电气部件，例如，避免由于车辆牵引系统短路造成的损坏。因此，必须经过慎重选择，避免电气设备受到安全方面的损坏；,受流器具有回位和锁定功能，锁定功能是为了保证有缺陷的受流器与三轨脱离（脱靴）。列车在运行时，可能会发生各动力单元主电路对地绝缘故障或受流器故障，此时需将故障单元的各受流器进行有效隔离,(,脱靴,),，使其不影响在线其它列车正常运营，以便列车应用其它动力单元运行至检修库。,集电靴受流器配备了手动回收操作装置，可以进行集中回收操作。同时也配备了绝缘操作手柄，需要时，用户也可以手动操作。手动隔离单个集电靴的操作如图,8-9,所示，将绝缘操作手柄（快速分离钩）的钩头插入受流器手动回退工具插入位置，向上提起，完成集电靴滑块与第三轨的分离；也可通过绝缘操作手柄完成已隔离集电靴的降靴操作。,（,4,）集电靴受流器的技术参数,集电靴受流器的技术参数见表,8-1,。,一、受流装置,一、受流装置,图,8-9,手动隔离单个集电靴,一、受流装置,表,8-1,集电靴受流器的主要技术参数,项 目,参 数,额定电压,DC750V,电压范围,DC500V,DC900V,额定电流,1200A,（,800A,）,标准静接触压力,120N,静压力调节范围,120N20%,受流部件在受流器上的调节范围,-30,+55mm,（如图,8-9,所示）,受流器顶面工作状态高度,160mm,（如图,8-10,所示）,受流器质量,约,39kg,集电靴材料,碳铜合金（或铝青铜合金）,环境温度,-40,+40,环境湿度,90%,其他环境约束,相对正常位置倾斜不大于,10,度,无导电尘埃及不可能引起爆炸的地方,一、受流装置,图,8-10,集电靴受流装置侧视图,2,受电弓受流装置,受电弓是一种通过空气回路控制升、降动作的铰接式机械构件，从接触网上集取电流，并将其传送到车辆电气系统的电器设备。由于接触网方式可以实现长距离供电，受线路变化影响较小，并且能适应列车高速行驶的需要，因此，较多的地铁线路应用受电弓装置。,（,1,）受电弓的安装位置,受电弓通过支持绝缘子安装于车辆顶部，通过弓头上的滑板与接触线接触。受电弓弓头及滑板应安装在车体中心线上尽可能靠近驱动轮的位置。在“工作”位置上，受电弓在车顶的部分都处于带电状态，仅在对车顶的机械接口和气路接口处是电气绝缘的。,受电弓一般安装在,A,车上，也有安装在,B,车上的。受电弓的安装位置一般都是根据列车整车的设计来确定的。,（,2,）受电弓典型结构和主要部件,受电弓是由碳滑板、上臂组成、下臂组成、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成。目前，城市轨道交通系统多采用单臂式受电弓，具有占用车顶空间小，重量轻，弓头归算质量小的特点。典型的单臂式受电弓结构如图,8-11,所示。以下对几个关键部件进行说明。,一、受流装置,2,受电弓受流装置,受电弓是一种通过空气回路控制升、降动作的铰接式机械构件，从接触网上集取电流，并将其传送到车辆电气系统的电器设备。由于接触网方式可以实现长距离供电，受线路变化影响较小，并且能适应列车高速行驶的需要，因此，较多的地铁线路应用受电弓装置。,（,1,）受电弓的安装位置,受电弓通过支持绝缘子安装于车辆顶部，通过弓头上的滑板与接触线接触。受电弓弓头及滑板应安装在车体中心线上尽可能靠近驱动轮的位置。在“工作”位置上，受电弓在车顶的部分都处于带电状态，仅在对车顶的机械接口和气路接口处是电气绝缘的。,受电弓一般安装在,A,车上，也有安装在,B,车上的。受电弓的安装位置一般都是根据列车整车的设计来确定的。,（,2,）受电弓典型结构和主要部件,受电弓是由碳滑板、上臂组成、下臂组成、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成。目前，城市轨道交通系统多采用单臂式受电弓，具有占用车顶空间小，重量轻，弓头归算质量小的特点。典型的单臂式受电弓结构如图,8-11,所示。,一、受流装置,一、受流装置,图,8-11,受电弓结构,1,底架组成；,2,阻尼器；,3,升弓装置；,4,下臂组装；,5,弓装配；,6,下导杆；,7,上臂组成；,8,上导杆；,9,弓头；,10,碳滑板；,11,支持绝缘子,（,3,）受电弓受流器的特点,受电弓在刚性接触网和柔性接触网的线路上均能适用。,在车辆运行速度范围内，受电弓有良好的动力学性能，能够保证在各种轨道和速度条件下与接触网具有良好的接触状态和接触稳定性。,受电弓的框架保证了弓头相对于底架在垂直方向运动。由于弓头运动方向垂直于车辆运行方向，因此车辆的运行方向对受电弓与接触网之间的接触压力不产生影响，受电弓可以满足车辆的双向运行要求。且受电弓设置由机械止挡，可以限制受电弓在无接触网区段上的垂直运动。,受电弓采用气动工作方式。对受电弓持续供以压缩空气，压缩空气作用于受电弓的两个升弓气囊，则受电弓升起，并最终使弓头与接触导线保持在规定的接触压力。作用于气囊的控制压力要求具有很高的精度（,0.01bar,），它通过安装于受电弓底架上的气阀箱内的调压阀、节流阀等控制元件来调节和实现。,受电弓在气路上的特别设计保证了它降弓时有明显的迅速下降和平稳下降两个阶段。,关闭对受电弓的压缩空气供应，则受电弓靠自重降下。,受电弓气路系统有任何故障时，受电弓自动的降下。,一、受流装置,正常工作时，受电弓持续保持升弓状态，只有当司机在司机室按下降弓按钮时受电弓降下。受电弓还设有,ADD,自动降弓系统，当受电弓滑板破裂等引起受电弓气路泄露时，,ADD,自动降弓系统作用，受电弓迅速有效的降下，避免受电弓与接触网之间的进一步破坏。,（,4,）受电弓的主要技术参数,受电弓的技术参数见表,8-2,。,一、受流装置,一、受流装置,表,8-2,受电弓的主要技术参数,项 目,参 数,额定工作电压,DC1500V,（,DC1000V,DC1800V,）,最大短时电流（,70s,占空因素中为,5s,）,3500A,最大起动电流（,30s,）,1600A,最大停车时电流（,DC 1000V,和单弓受电）,540A,折叠高度（包括绝缘子）,310mm,最低工作高度（从折叠位置滑板面起）,150mm,最高工作高度（从折叠位置滑板面起）,1950mm,最大升弓高度（从折叠位置滑板面起）,2550mm,最大宽度（弓头处）,15505mm,最大长度（落弓位置）,2580mm,平均静态力,100N,（,70N,140N,）,运行速度,90km/h,重量（包括支持绝缘子）,140kg,额定工作气压,550kPa,（,500kPa,900kPa,）,升弓时间,8s,降弓时间,8s,滑板数量,2,块,二、牵引电动机,凡用于铁路机车车辆或地铁车辆带动列车运行的电动机通常称为牵引电动机。是城市轨道交通车辆得以实现牵引及电制动的动力机械装置。它将电能变为机械能，产生牵引力驱动列车，又可将机械能转变电能，实现电制动力。种类主要有直流牵引电机、交流牵引电机、直线牵引电机。旋转牵引电动机用于驱动每个动车转向架的动车轮对，而直线电机用于驱动安装电机的转向架。使用旋转牵引电动机的列车上，牵引电机为三相鼠笼式感应电机；直线电机牵引系统的电机一般是长转子结构。目前，最广泛应用的是旋转电机，吊挂在动车转向架的构架上，每个动车转向架安装两个牵引电机，牵引电机的安装位置如图,8-12,所示。,（一）三相鼠笼式交流电动机,1,三相鼠笼式交流电动机的结构,三相鼠笼式交流电机的结构如图,8-13,所示，主要由,3,部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子，定子和转子之间的间隙称为气隙。,（,1,）定子的组成,定子由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成。,定子铁芯内原有许多形状相同的槽，用于嵌放定子绕组，机座用于固定和支撑定子铁芯，要求有足够的机械强度和刚度。,8.2,电力牵引系统结构及特点,二、牵引电动机,图,8-12,牵引电机安装位置,图,8-13,三相鼠笼式交流电机结构分解图,（,2,）转子的组成,转子由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。,转子铁芯是电动机主磁通磁路的一部分，用,0.35,0.5mm,厚的硅钢片叠压而成，表面开有槽，用与放置或浇注转子绕组。转子铁芯安装在转轴上。,（,3,）气隙,异步电动机的励磁电流是由定子电源供给的。气隙较大时，磁路的磁阻较大。若要使气隙中的磁通达到一定的要求，则相应的励磁电流也就大了，从而影响电动机的功率因数。为了提高功率因数，尽量让气隙小些。但也不应太小，否则，定转子有可能发生摩擦与碰撞。如果从减少附加损耗以及减少高次谐波磁动势产生的磁通的角度来看，气隙大点又有好处。,2,牵引电机的技术参数,三相交流电机刚性安装在底架动车转向架的中央，每个车轴一个电机。电动机和齿轮箱柔性相连。采取自通风，整体密封设计。半磨耗齿轮在,80kph,时电机转速,3660rpm,，速度传感器安装在电机上。,YQ-180-4,型三相鼠笼式异步电动机的额定参数如表,8-3,所示。,二、牵引电动机,二、牵引电动机,表,8-3,牵引电机的主要技术参数,项 目,参 数,定额,1h,输出功率,180kW,额定电压,550V,额定电流,240A,频率,77Hz,转速,2255r/min,3,牵引电机的工作原理,受流器从接触网上获得直流电流，经过列车牵引逆变器转换成三相交流电，输送给交流牵引电动机（三相异步电动机）定子上空间位置相差,120,的三相绕组，使定子三相绕组中有对称的三相电流流过，从而在气隙中产生旋转磁场。转子绕组在这个旋转磁场中感应出电动势，转子的感应电动势在自我闭合回路的转子绕组中产生电流。转子电流与旋转磁场相互作用，产生电磁力，形成使转子旋转的电磁转矩，转轴通过联轴器和齿轮箱把转矩传送给车辆转向架的车轴，带动车轮滚动，驱动列车运行。,（二）直线感应电机,近代新发展的直线电机系统，改变了传统电动机旋转运动方式为直线运动方式，突破了轨道车辆长期以来依靠轮轨粘着作用传递牵引力的传统技术，代表着未来车辆传动技术的发展方向。,直线感应电机,LIM,（,Linear Induction Motor,）技术作为一种较为成熟的技术，目前在加拿大温哥华空中列车,Sky Train,系统、马来西亚吉隆坡格兰纳再也线、美国纽约肯尼迪国际机场线、日本大阪,7,号线、东京地铁,12,号线（大江户线）、斯卡伯勒快速运输系统、底特律市区运输系统等得到了广泛应用。在我国广州地铁,4,号线、首都机场线也应用了直线电机系统。,二、牵引电动机,1,直线电机轮轨驱动原理,直线电机如同将旋转电机沿半径方向切开展平而成，定子为初级线圈，转子为次级线圈。直线牵引电动机应用于城市轨道交通车辆时，初级可以设置在车上，也可以设置在地面，分别称为车载初级式和地面初级式。一般将电机的定子部分（初级）安装在车辆的转向架上，将转子（次级）沿线路铺设在轨道中间，如图,8-14,所示。,当电流通过定子电磁铁线圈时，会产生向前方向的磁场，通过与轨道反应板的相互作用产生牵引力。列车靠车轮支撑在轨道上，由于反应板固定在轨道上，反作用力推动定子，带动转向架和列车向前运行。轨道感应板要安置在轨道道床上，其与钢轨、道床以及三轨的尺寸链关系至为重要。,2,直线电机轮轨驱动的特点,与其它城市轨道交通方式对比，直线电机轮轨驱动系统具有以下优点：,优良的动力性能,列车采用直线电机牵引和制动。车轮仅起承载作用，牵引力不受轮轨之间粘着条件的限制，因此列车具有优良的动力性能和较强的爬坡能力（理论线路限制坡度可达,100,）。有利于线路的纵断面设计。,二、牵引电动机,二、牵引电动机,图,8-14,直线电机结构原理图,通过小曲线半径的能力强,直线电机列车采用径向转向架。列车具有较强的通过小曲线半径能力（列车在正线可通过的最小曲线半径为,80m,）。因此在平面选线时有利于避开建筑物或建筑基础，减少征地拆迁费用。,隧道断面面积小,隧道建设投资约占地铁总投资的一半左右，由于直线电机车辆车轮只起支撑和导向作用，因此轮径较小，车辆总体高度降低。整个系统小型化，可以减小地下隧道开挖断面面积，从而降低了土建工程造价。,车辆段占地面积小,直线电机车辆养护维修工作量相对较少。且通过小半径曲线能力强（列车在库内可通过最小曲线半径为,50m,），这就可以设置小型车辆段。,环保,根据国外经验比普通轮轨系统噪音低,810dB,，最大噪音在,73dB,左右,完全满足国家规定的环保标准。,维修费用低,由于直线电机车辆车轮仅起支撑和导向作用且采用了径向转向架，故轮缘和轨道的磨耗大为减少。转向架和直线电机结构也都比旋转电机车辆简单，使维修工作大量减少的同时也减少了维修人员，节省运营成本。,直线电机轮轨驱动系统的缺点在于轨道结构复杂、要求高，而且牵引能耗较大。,二、牵引电动机,三、,VVVF,牵引逆变器,VVVF,牵引逆变器（,Variable Voltage,，,Variable Frequency,）是交流电动列车上的重要设备，安装在列车动车底部，其主要功能是把来自接触轨上的,750V,直流电转换为,0,550V,交流电，为动车转向架上的交流牵引电机提供交流电，其频率和电压值是可调的。,1,牵引逆变器的技术参数,MAP-184-75V208,型二级三相电压型,PWM,逆变器的主要技术参数见表,8-4,。,2,牵引逆变器的工作原理,牵引逆变器是通过改变,VVVF,逆变器各开关元件（如,IGBT,，,GTO,等）的开通时间来改变负载的电压，通过改变,VVVF,逆变器各开关元件开通的周期来改变输出的频率。根据异步电动机的原理，电机转矩与电机电压和电源频率之比的平方成正比、与转差频率成正比。同时，当转差频率为负值时，转矩为负值，产生制动力。因此，在采用,VVVF,逆变器的电动车中，只要控制压频比和转差频率即可自由地控制牵引力和再生制动力。即只需控制,3,个因素：逆变器输出电压、逆变频率和转差频率，就可以实现对城轨车辆牵引系统不同工况（牵引工况和制动工况）的控制，,VVVF,控制装置的主线路的简略连线图如图,8-15,所示。,8.2,电力牵引系统结构及特点,三、,VVVF,牵引逆变器,表,8-4,牵引逆变器的主要技术参数,项 目,参 数,输入电压,DC750V,逆变器输出电压,AC0,550V,逆变器输出频率,0,200Hz,脉冲模式,异步,(600Hz),、,3PM,、,1PM,控制容量,180kW IM,4,三、,VVVF,牵引逆变器,图,8-15 VVVF,装置的简易线路图,三、,VVVF,牵引逆变器,（,1,）主开关（,MS,）,由电源线的闭合、切断开关（,MS,）和,FC,的电荷放电开关（,MDS1,、,MDS2,）组成。,（,2,）反相器装置,由控制向反相器线路供电的高速断路器（,HB,）和单位开关（,L2,）、控制导入,FC,（滤波电容器）电流的电阻器（,CGR,）和这些单位开关（,L1,）及,FC,放电的电阻器（,DCGR1,、,DCGR2,）、反相器线路等组成。,（,3,）滤波电抗器（,FL,）,这是控制从电源线流入的电流脉动，并能限制特定的周波电流，设定定数值的电抗器。,（,4,）滤波电容器（,FC,）,这是能稳定来自电源线的直流电压的电容器。,（,5,）反相器线路,将从电源线传来的直流电压变换成交流电压，再将电力提供给主电动机（,IM1,IM4,）的电力转换线路。（,S1U,W,、,S2U,W,）。,三、,VVVF,牵引逆变器,（,6,）制动断路器线路（,BCH,）,当电气制动时，电源线的电压上升到设定值以上的场合下，制动断路器的元件（,BCH,）被激活，一部分从反相器线路来的再生电力被制动电阻器消耗了，电源线的电压上升便被抑制了。而且，即便是线路内的直流电压有异常上升的话，也能被激活，抑制上升的电压。,（,7,）制动电阻器（,BR,）,在电气制动时，用于电源线电压上升到设定值以上的场合下，或者检测过载电压时，接续的电阻器。,3,牵引逆变器的功能,在,DC 750V,电源与,3,相,AC,电压（需用于驱动,3,相感应电机）之间传输电力。,VVVF,逆变器进行变压变频控制，从而在较大范围内控制牵引电机转数（即列车速度）。,VVVF,逆变器通过空转频率（转差频率）控制牵引,/,再生操作和向前,/,后退操作，并且在不切换主电路的情况下输出相位排列控制（即只控制,IGBT,闸极信号）。,（,1,）牵引控制（加速度）,司控器的向前,/,后退指令和牵引指令通过列车管理系统传输线发送至,VVVF,逆变器，以确保正常操作。同时还有多条列车线路输入至,VVVF,逆变器，以便当列车管理系统网络发生故障时能够进行紧急操作。牵引扭矩根据这些司控器指令和制动控制装置负载信息通过列车管理系统传输线进行控制。,三、,VVVF,牵引逆变器,（,2,）再生制动控制（减速度）,司控器制动指令输入到列车管理系统，列车管理系统计算再生制动请求指令，随后通过列车管理系统传输线输入到,VVVF,逆变器。制动扭矩根据这个来自列车管理系统的制动请求指令进行控制。,逆变器执行再生控制操作，使得牵引电机所发电力能够反馈到第三轨电路。如果第三轨电路上再生负载不能完成接受牵引电机的再生电力，多余电力将被制动电阻消耗掉。,（,3,）空转,/,打滑和附着力控制,空转,/,打滑通过计算的电机频率（根据,U,相和,V,相牵引电机电流估计）进行检测。当检测至空转,/,打滑时，立即降低牵引电机扭矩对空转,/,打滑状态进行校正。,（,4,）保护操作,与牵引控制系统相关的保护操作主要用于保护设备不受损坏或帮助维护作业。当,VVVF,逆变器检测到任何保护时，即将该信息传输至列车管理系统，并且列车管理系统会为驾驶员或维护人员提供一些帮助指导，列车的管理系统如图,8-16,所示。,三、,VVVF,牵引逆变器,图,8-16,列车管理系统的构成,四、高速断路器,高速断路器是一个单极型直流（,DC,）断路器，双向电磁控制，采用自然冷却。发生过电流（短路、过载或故障）时，高速断路器能够迅速做出反应，它适合保护直流设备。,城轨车辆中的高速断路器主要是对牵引逆变器与高压电路进行隔离，控制电车和主线路的“入”、“切”动作，同时对牵引系统进行保护。在列车牵引系统的电路出现异常的情况下（如过电流、逆变器故障或线路短路），高速断路器能够将各牵引设备从受流器线路上安全断开。而且，由于是微离子格栅状，所以在断路时不会产生电弧现象。,VVVF,逆变器通过高速断路器连接到接触网上。有些牵引系统在高速断路器和受流器之间还设置了闸刀开关，必要时（例如检修）可以把高速断路器和受流器的高压线路断开，并用闸刀开关设置为接地。,8.2,电力牵引系统结构及特点,五、司机控制器,司机控制器是用来操纵城轨车辆运行的控制器，它利用控制电路的低压电器间接控制主电路的电气设备，用来完成整个列车的牵引、制动功能，以及列车的前进方向的控制和司机警惕等功能。,1,司控器的主要组件,每个司机室设有一个司机控制器，在每个司机控制器上有司机钥匙、方向手柄及牵引,/,制动控制手柄（带警惕按钮）。司控器的外形如图,8-17,所示，其主要组件包括：,（,1,）启动列车驾驶操作的钥匙开关，司机钥匙有两个位置：,ON,、,OFF,。,（,2,）选择列车行驶方向的方向手柄，该手柄共有,F,（向前）、,0,、,R,（向后）三个位置。,（,3,）牵引,/,制动控制手柄有四个位置：牵引、,0,、常用制动、,EB,。,（,4,）高加速按钮和复位按钮。,8.2,电力牵引系统结构及特点,五、司机控制器,图,8-17,司控器外形图,2,司控器的互锁逻辑,司机控制器的司机钥匙、方向手柄、牵引,/,制动控制手柄为机械互锁结构，其逻辑为：,（,1,）当司机钥匙在“,OFF”,位置时：方向手柄和牵引,/,制动控制手柄都无法动作；,（,2,）当司机钥匙在“,ON”,位置时：方向手柄可以离开零位切换到“向前”或“向后”位置；,（,3,）当方向手柄在“,0”,位时：牵引,/,制动控制手柄无法动作；,（,4,）当方向手柄在“,F”,或者“,R”,位置时：牵引,/,制动控制手柄可离开零位（惰行位）切换到牵引、制动以及紧急制动位。,（,5,）反之当司机控制器不在零位（惰行位）时，方向手柄无法动作；当方向手柄不在零位时，司机钥匙无法动作。司机控制器的牵引、制动和紧急制动状态指令通过模式选择继电器送到执行机构；牵引、制动力大小信号为,0,10V,模拟信号，送入到,TCMS,中，经过,TCMS,转换为的,PWM,信号送到执行机构中。,（,6,）在非,ATO,模式下，司机应按下控制器上的警惕按钮，否则列车将实施紧急制动。,五、司机控制器,一、主电路,牵引系统电路称为主电路。主电路将产生列车牵引力和制动力的各种电气设备连成一个电系统，实现牵引功率的传输。,主电路是牵引系统最重要的组成部分。它的结构不但决定牵引系统的类型，而且即使同一类型的机车或动车，如主电路的结构不同，也会在很大程度上决定该型机车或动车的基本特性。,1,主电路的结构,按照对牵引电动机的控制方式不同，主电路分为三种结构：,（,1,）车控方式（集中供电）,车控方式下动车的所有牵引电动机并联起来由一个电源（逆变器）供电。车控方式的电路结构相对比较简单，但由于多台牵引电动机并联运用，牵引电动机的特性、电路参数以及车轮的轮径均不相同，所以控制模式上需要考虑多方面的因素，而显得比较复杂，特别是在粘着控制方面难以获得理想的控制效果。,（,2,）架控方式（混合供电）,架控方式是一个转向架上的,2,台牵引电动机并联后由一个逆变器供电。轴控方式下，一个逆变器只对一个牵引电动机，其控制模式直接且简单，但显然电路结构复杂、使用的逆变器或整流器数量成倍增加，经济性差。,8.3,牵引电路,（,3,）轴控方式（独立供电）,轴控方式则是每一个牵引电动机均由一个独立的整流器或逆变器供电。架控方式的性能则介于车控方式和轴控方式两者之间，可以说是一个比较好的兼顾方式。,2,主电路保护,（,1,）主电路短路保护,主电路短路故障是指电网侧短路或接地、变压器的副边绕组或其中的一段短路、硅整流器击穿短路、中间直流环节短路、牵引逆变器可控硅（,GTOI,或,GBT,）击穿短路和牵引电动机短路。,交,-,直,-,交牵引系统中的中间直流环节短路也是一种严重的短路故障。,主断路器是主电路也是整台机车和动车的主要保护装置和最后的保护屏障，如图,8-18,所示。主断路器可以切断整个车辆的供电，所以是列车保护的最后屏障。,一、主电路,一、主电路,图,8-18,通过主断路器切断短路电流,图,8-19,主电路接地保护,（,2,）主电路过载保护,过载保护本质上也是电流保护，与短路保护只是保护电流整定值的大小和程度上的差别。,过载保护主要是指牵引电动机的负载电流过大，因此在每一个牵引电动机的回路中都设置过载保护继电器。另外在交流牵引系统中还要设置交流牵引电动机的三相不平衡保护。,（,3,）主电路接地保护,主电路接地故障是由于主电路中的电气设备或导线的绝缘破坏，造成主电路与车体钢结构接触或者与钢结构之间发生放电。保护的手段主要是设置接地继电器，如图,8-19,所示。,（,4,）主电路过电压保护,包括雷击过电压，操作过电压，中间直流回路过电压保护。,一、主电路,二、辅助电路,辅助电路将牵引系统中的各种辅助电气设备和辅助电源连成一个电系统，成为保证牵引系统正常运转不可缺少的电气装置。,辅助电路还可以包括列车照明、旅客信息系统的供电、通信设备、空调、自动门以及取用来改善乘务人员和旅客的工作和生活条件的设备。,辅助电源装置包括辅助逆变器、蓄电池组和充电装置。辅助逆变器为辅助电气设备提供电源，它有,CVCF,（恒压恒频）和,VVVF,（变压变频）两种工作模式；多个辅助逆变器以实现分散供电和互为冗余的目的。蓄电池组为列车控制电路提供电源，充电装置作为直,-,直变流器应用，如图,8-20,所示。,8.3,牵引电路,二、辅助电路,图,8-20,充电装置的作用,三、控制电路,控制电路将主电路和辅助电路中的各电气设备的控制装置,信号装置和控制电源连成一个电系统，实现对列车的操纵和控制。,控制电路普遍采用的是间接控制，司机通过控制器操纵各种低电压的控制电器，再通过这些电器的动作去改变主电路或辅助电路的工作状态，实现对机车运行的控制。,8.3,牵引电路,1,城市轨道交通车辆电力牵引系统的由哪几部分组成？各组成的功能是什么？,2,在车辆运行中如果有一个集电靴接地会出现什么情况，如何解决？,3,通过驾驶模拟器，练习通过司控器控制列车运行。,4,列车主电路有几种结构？,5,辅助电路的作用。,6</p>