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1、城市轨道交通电力牵引,本课程的主要内容： 牵引理论基础 牵引电动机与运行 电力电子器件的原理与应用 斩波电路和逆变电路 控制与故障检测 车辆电器设备,第一章 牵引理论基础,第一节 粘着、牵引与制动 第二节 空转与滑行、粘着的控制 第三节 牵引参数的选择,第一节 粘着、牵引与制动,一、动轮与钢轨间的粘着,1、电力机车的工作原理 2、粘着 3、蠕滑,粘着,1、 引入 分析 见教材图1-1 动轮对受力分析 2、 概念由于正压力而保持动轮与钢轨之间接触相对静止的现象称为粘着。 3、 影响因素,粘着力的最大值与动轮对的正压力成正比，其比例常数称为粘着系数，用u表示，即fmax=uPi上式表明，在轴重一定
2、的条件下，钢轨间的最大粘着力由抡轨间粘着系数的大小决定。粘着系数是由轮轨间的物理状态确定的。加大每轴的正压力，即轴重，可以提高每轴牵引力，但轴重受钢轨、路基、桥梁等限制。,4、 空转因驱动转矩过大，破坏粘着关系，使轮轨间出现相对滑动的现象，称为“空转”。动轮出现空转时，轮轨间只能依靠湖动磨镲力传递动切力，传递切向力，传递切向力的能力大大削弱，同时造成动轮踏面的擦伤。因此，牵引运行应尽量防止出现动轮的空转。,蠕滑,1、 概念由于切向力的作用，动轮在钢轨上滚动时，车轮和钢轨的粗糙接触面产生新弹性变形，接触面间出现微量滑动，即“蠕滑”。2、原因：压缩,3、分析 图1-2 牵引工况轮轨（接触面的弹性变
3、形） 两区：滚动区和滑动区,牵引力的形成及限制,形成 ： 牵引电机的转矩限制 ：受粘着条件的限制若各动轴驱动转矩归算到轮轨的作用力之和超出公式限制时，粘着条件相对较差的动轮就会产生空转，动车的牵引力就立即下降。,粘着系数与改善粘着的方法,影响粘着系数的重要因素1、动轮踏面与钢轨表面状态2、撒沙3、 线路质量 4、 车辆运行速度和状态5、 动车有关部件的状态,改善粘着的方法,一是修正轮轨表面接触条件，改善轮轨表面不清洁状态；二是试法改善轨道车辆的悬挂系统，以减轻轮对减载带来的不利影响常用的措施：撒沙、清洗轨道、打磨钢轨，改进匝瓦材料如用增粘匝瓦，改善车辆悬挂减少轴重转移。,制动力的形成,定义：为
4、了降低列车运行速度或停车，利用制动装置产生与列车运行方向相反的外力称为制动力 制动的方法：摩檫制动：包括匝瓦制动和盘式制动电气制动：包括电阻制动和再生制动电磁制动：包括磁轨制动和涡流制动,产生,1、原因：摩檫制动和电气制动都是通过轮轨粘着产生制动力 2、分析产生过程 见图1-4,第二节 空转与滑行、粘着控制,一、空转与滑行的产生与防止 （一）空转与滑行的产生1、当动轮对的牵引力大于最大粘着力时，轮对就发生空转。空转时，轮对的 转速迅速上升，若任其扩展往往可能在数秒或略长的时间内超出构造速度。2、使得动车的牵引力下降，而且会使轮对的踏面严重擦伤，引起“扫膛”,（二）防空转设计,1、主电路的防空转
5、设计 （1） 牵引电动机全并联结构 （2） 采用机械特性硬的牵引电动机 2、传动系统防空转设计 （1） 采用单电机转向架传动系统 （2）机械走行部分采用低位牵引，以及采 用合适的悬挂系统等措施,二、粘着控制,（一）粘着控制的必要性 （二）粘着控制分类,按控制类型分类,校正型粘着控制系统 蠕滑率控制型控制系统,按被控对象分类,集中控制：这种控制方式是一个粘着控制系统控制整辆制动车 分散控制：这种控制方式也叫单轴控制，即每一动轴单独控制。,第三节 牵引参数的选择,城市轨道交通车辆的运行特点 ：与干线列车相比，城市轨道交通车辆的运行特点是站距短而旅行速度较高。制动一般采用再生制动和电阻制动相结合的电
6、制动优先、空电制动联合。制动方式，保证在制动系统允许的条件下尽可能得到大的制动减速度 。,电机特性匹配曲线,二、轴功率的计算,轴功率的计算公式： PA=NAMA/D其中 MA轨道交通车辆的车重 NA单位重量所需功率 D动轴数,三、起动加速度的选择,（一）起动加速度（a）与单位重量所需功率（NA）的关系 见图1-8 （二）起动加速度（a）与开行时间（tK）的关系 见图1-9 （三）轴功率（PA）与区间运行时间（t）的关系 见图1-10，11,第二章 牵引电动机与运行,直流牵引电动机 交流牵引电动机 直线牵引电动机,牵引电动机的主要特点,1.使用环境恶劣绝缘材料和绝缘结构应具有较好的防潮，防尘性能
7、及良好的通风、散热条件。 2.外形尺寸受限制牵引电机结构必须紧凑。 3.动力作用大采用架承时悬挂，重力加速度大大减小。 4.换向困难 5.负载分配不均匀,电力牵引系统发展概述,一、电力牵引系统的发展概况 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 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,直流传动框图 交流传动框图,三、电动车组牵引特性,第一节 直流牵引电机,一般的说，串励电动机有软特性，
8、他励电动机有硬特性。,二、直流牵引调速系统-基本调速方法,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。,（一）调压法：（1）变阻控制调节电阻的方法又可分为两类，即采用有触点组合式凸轮开关调阻和无触点斩波调阻。,斩波调阻,有触点开关调阻,（二）调节主极磁通：,三、动车的牵引特性（一）机械稳定性机械稳定性是指列车正常运行时，由于偶然的原因引起速度发生微量变化后，动车本身能恢复到原有的稳定运行状态。,机械稳定性条件：牵引特性曲线的斜率小于基本阻力曲线的斜率,动车的牵引特性,小结,第二节 交流牵引电动机,交流异步电
9、动机特性 交流异步电动机的转速控制 交流异步牵引电机在动车中的应用 交流异步牵引电机的设计特点,一、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；工作可靠，寿命长，维修、运行费用低；防空转能力好,二、三相异步电机-基本结构,三、三相异步电动机工作基本原理,基本原理：通过旋转磁场，与由这种旋转磁场借助感应作用在转子绕组内所感生的电流相互作用，以产生电磁转矩来实现拖动作用。 旋转磁场：一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。,A
10、-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼此互隔120分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。,旋转磁场,当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。,三相异步电动机的工作原理,左手定则 决定导条 受力方向,右手定则决定 电流方向,三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生以同步转速旋转的旋转磁场。 转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，磁场又对导条产生电磁力，于是转子就跟着旋转磁场旋转。,异步电动机转速与运行状态,交流调速基本控制结构,运动控制系统闭环结构示意图,交流调速基本类型,按电动机的调速方法分类,变转差率调速： 转
11、子串电阻调速 定子调压调速 电磁转差离合器调速 串级调速 变极对数调速： 鼠笼型转子 变频调速： 交交变频调速 交直交变频调速,按电动机的能量转换类型分类,交流变频调速系统,异步电动机稳态等效电路,U1 定子相电压 ； 1电源角频率； Es定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势； E1气隙（或互感）磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Er转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。,几种电压频率协调控制方式的特性比较,VVVF控制,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。 如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。 对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m 保持不变是很容易做到的。 在交流异步电机中，磁通m 由定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就比较麻烦。,VVVF控制的电压模式,基频以下调速,基频以上调速,交流异步牵引电机在动车中的应用,转矩裕量与恒功范围 异步牵引电动机并联运行 坡道起步 防止空转和滑行 降低噪音,交流异步牵引电机在动车中的应用,转矩裕量与恒功范围 异步牵引电动机并联运行 坡道起步 防止空转和滑行 降低噪音,
