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1、城市轨道交通 电力牵引系统,城市轨道交通概论 第九章,电力系统术语,电力系统 Power System生产、输送、分配、消费电能的发电机、变压器、电力线路、各种用电设备联系在一起组成的统一体。,动力系统与电力系统,动力部分：火电站的锅炉、汽轮机；水电站的水库、水轮机；热电站的热力网等。动力系统 （Dynamic System）：电力系统和“动力部分”的总和,电力系统单线示意图：,G ,发电机,输电线路,降 压 变压器,发电厂,配电系统,负荷,B,L,B,升 压 变压器,F,火力发电厂,水力发电厂,第一节 概述 第二节 直流电力牵引系统 第三节 交流电力牵引系统 第四节 城市轨道车辆用直线感应电
2、机 思考题,本章目录,一、电力牵引系统的发展概况,第一节 概 述,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,二、轨道交通电力牵引系统主要类型,第一节 概 述,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,二、轨道交通电力牵引系统主要类型,第一节 概 述,直流传动框图,交流传动框图,三、轨道交通车辆的结构与特性,第一节 概 述,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,四、电动车组牵引特性,第一节 概 述,第二节
3、 直流电力牵引系统,一、直流电机 二、直流牵引调速系统 三、牵引电动机的电气制动 四、牵引主回路及其控制,一、直流电机,第二节 直流电力牵引系统,直流电机由定子转子两部分构成。,一、直流电机,第二节 直流电力牵引系统,直流电机各部分的作用：,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,一、直流电机,第二节 直流电力牵引系统,直流电机工作原理：,一、直流电机,第二节 直流电力牵引系统,直流电机分类：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
4、种。,一、直流电机,第二节 直流电力牵引系统,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。,串励电动机机械特性,他励电动机机械特性,二、直流牵引调速系统,第二节 直流电力牵引系统,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,二、直流牵引调速系统-基本调速方法,第二节 直流电力牵引系统,在上式中，CE是常数，Id是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法：调解电枢供电电压U、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻R。,二、直流牵引调速系统-基本形式,第二节 直流电力牵引系统,（一）调压法：（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
5、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,二、直流牵引调速系统-基本形式,第二节 直流电力牵引系统,直流斩波电路原理,直流斩波电压波形,（一）调压法：（2）斩波调压,二、直流牵引调速系统-基本形式,第二节 直流电力牵引系统,改变负载平均电压有三种典型的控制方法:（1）定频调宽控制（脉宽调制）：即保持斩波周期T不变，改变斩波器导通时间，从而改变负载平均电压。,二、直流牵引调速系统-基本形式,第二节 直流电力牵引系统,改变负载平均电压有三种典型的控制方法:（2）定宽调频控制（频率调制）：即保持斩波器导通时间不变，通过改变斩波器周期T来改变负载平均电压。,二、直流牵引调速系统-基本
6、形式,第二节 直流电力牵引系统,改变负载平均电压有三种典型的控制方法:（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。,二、直流牵引调速系统-基本形式,第二节 直流电力牵引系统,三种典型控制方法特点:（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。,（二）调节主极磁通：,第二节 直流电力牵引系统,二、直流牵引调速系统-基本形式,三、牵引电动机的电气制动,第二节 直流电力牵引系统,（一）电阻制动：,电机牵引工况,他励电
7、阻制动工况,三、牵引电动机的电气制动,第二节 直流电力牵引系统,（二）再生制动：,四、牵引主回路及其控制,第二节 直流电力牵引系统,第三节 交流电力牵引系统,一、交流牵引系统特点及发展概况 二、三相异步电机 三、交流电机调速系统 四、交流传动的脉宽调制技术,一、交流牵引系统特点及发展概况,第三节 交流电力牵引系统,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,一、交流牵引系统特点及发展概况,第三节 交流电力牵
8、引系统,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。,二、三相异步电机-基本结构,第三节 交流电力牵引系统,1.定子,二、三相异步电机-基本结构,第三节 交流电力牵引系统,2.转子,鼠笼转子,铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。,(2) 绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,二、三相异步电机-工作原理,第三节 交流电力牵引系统,定子三相绕组
9、通入三 相交流电(星形联接),1.旋转磁场的产生,二、三相异步电机-工作原理,第三节 交流电力牵引系统,()电流出,()电流入,二、三相异步电机-工作原理,第三节 交流电力牵引系统,三相电流合成磁 场的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,o,2. 转动原理,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,A,X,Y,C,B,Z,二、三相异步电机-工作原理,第三节 交流电力牵引系统,二、三相异步电机-工作原理,第三节 交流电力牵引系统,3、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,如
10、果:,二、三相异步电机-工作原理,第三节 交流电力牵引系统,3、转差率,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。,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。,二、三相异步电机-工作原理,第三节 交流电力牵引系统,4、机械特性,三、交流电机调速系统,第三节 交流电力牵引系统,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。,三、交流电机调速系统,第三节 交流电力牵引系统,四、交流传动的脉宽调制控制技术,第三节 交流电力牵引系统,用于交
11、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。,一、直线电机特点及发展概况,第四节 城市轨道车辆用直线感应电机,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。,一、直线电机特点及发展概况,第四节 城市轨道车辆用直线感应电机,加拿大的多伦多、
12、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，,二、直线感应电机的基本工作原理,第四节 城市轨道车辆用直线感应电机,二、直线感应电机的基本工作原理,第四节 城市轨道车辆用直线感应电机,三、直线感应电机控制及在地铁动车上的应用,第四节 城市轨道车辆用直线感应电机,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
13、态控制方法，如矢量控制、直接转矩控制等。但车辆用直线电机的控制还必须考虑当电机气隙变化时的频率问题和反应板材料变化的相应控制。,电力牵引系统 electric traction system ：1、电力牵引供电系统 electric traction supply system 保证实现电力牵引方式且能够安全可靠的、不间断工作的电力供应系统（1）牵引变电所 traction substation（2）牵引网 traction network馈电线 feeder line 接触网 overhead contact line钢轨及回流线 rail, negative feeder 2、电力机车 e
14、lectric locomotive,交流电力牵引系统概述,钢轨、地,3、电力牵引系统组成原理图,电力牵引系统,直流牵引供电系统概述 基本结构,电力,地铁,或者表示为：,电力系统与电力牵引供电系统 一、构成 1.电力系统是一个包括发电厂、输电(线)、变电、配电、用电装置的完整工作系统。,2、电力牵引供电系统的组成部分与作用（1）牵引变电所:把电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能。（2）馈电线:连接牵引变电所和接触网的导线。它将牵引变电所变换后的电能送到接触网。（3）接触网:是一种悬挂在轨道上方，沿轨道铺设的和铁路钢轨保持一定高度，牵引电能就由接触网进入电动车组，从而驱动牵引电动机
15、使列车运行。（4）轨道:在非电牵引情形下只作为列车的导轨。在电力牵引时，轨道除仍具有导轨功能外，还需要完成导通回流的任务。因此，电力牵引的轨道，需要具有良好的导电性能。,（5）回流线: 是连接轨道和牵引变电所的导线。通过回流线把轨 道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。牵引网: 通常将接触网、馈电线、钢轨回路(包括大地)和回流线称为牵引网。牵引变电所和牵引网构成牵引供电系统 。专用高压输电线路和牵引供电系统称为电气铁路供电系统 。,3、 牵引供电系统的其他供电设备,（1）、开闭所sub-feeder switching post：指不进行电压变换而用开关设备实现电路开闭的配电所。位置：设在车站、货场附近、电力机务段、枢纽站等大宗负荷处。作用：将供电臂分段，事故时缩小事故范围，提高供电的可靠性、灵活性；减少变电所的复杂性；不改变电压大小，只扩大馈线回路数，相当于配电所。（2）、分区亭（SP，分区所）section post：设置于两个牵引变电所的中间，可使两相邻的接触网供电区段实现并联或单独工作。位置：设在两个牵引变电所中间，增加供电的灵活性、可靠性作用：分相；越区供电；缩小事故的范围（3）、自耦变压器站（AT所）auto transformer post,二、牵引变电所一次侧的供电方式 (1)单边供电：电能由一个方向送来,
