城市軌道交通概論-第九章城市軌道電力牽引系統(tǒng)

城市軌道交通

電力牽引系統(tǒng)城市軌道交通概論第九章電力系統(tǒng)術(shù)語

電力系統(tǒng)

PowerSystem

生產(chǎn)、輸送、分配、消費(fèi)電能的發(fā)電機(jī)、變壓器、電力線路、各種用電設(shè)備聯(lián)系在一起組成的統(tǒng)一體。動(dòng)力系統(tǒng)與電力系統(tǒng)動(dòng)力部分：火電站的鍋爐、汽輪機(jī)；水電站的水庫、水輪機(jī)；熱電站的熱力網(wǎng)等。動(dòng)力系統(tǒng)（DynamicSystem）：電力系統(tǒng)和“動(dòng)力部分”的總和電力系統(tǒng)單線示意圖：G～發(fā)電機(jī)輸電線路降壓變壓器發(fā)電廠配電系統(tǒng)負(fù)荷BLB升壓變壓器F火力發(fā)電廠水力發(fā)電廠第一節(jié)概述第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)第四節(jié)城市軌道車輛用直線感應(yīng)電機(jī)思考題

本章目錄一、電力牽引系統(tǒng)的發(fā)展概況第一節(jié)概述接觸網(wǎng)（第三軌）受流器變流裝置牽引電機(jī)齒輪傳動(dòng)箱輪對(duì)列車運(yùn)行

二、軌道交通電力牽引系統(tǒng)主要類型第一節(jié)概述根據(jù)供電電壓制式可分為：

直流：600，750，1500，3000V(標(biāo)稱值)

交流：6250，15000，25000V(標(biāo)稱值)根據(jù)牽引電機(jī)可分為：

直流電力牽引系統(tǒng)交流電力牽引系統(tǒng)二、軌道交通電力牽引系統(tǒng)主要類型第一節(jié)概述直流傳動(dòng)框圖交流傳動(dòng)框圖三、軌道交通車輛的結(jié)構(gòu)與特性第一節(jié)概述有軌電車電動(dòng)車組特種電動(dòng)車獨(dú)軌電動(dòng)車輕軌車磁浮列車四、電動(dòng)車組牽引特性第一節(jié)概述第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)一、直流電機(jī)二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)三、牽引電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)四、牽引主回路及其控制一、直流電機(jī)第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)極掌NS············NS極心勵(lì)磁繞組機(jī)座轉(zhuǎn)子直流電動(dòng)機(jī)的磁極和磁路

直流電機(jī)由定子轉(zhuǎn)子兩部分構(gòu)成。一、直流電機(jī)第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)

直流電機(jī)各部分的作用：定子的作用是用來產(chǎn)生磁場(chǎng)，提供磁路和作為電機(jī)的機(jī)械支撐轉(zhuǎn)子部分是用來產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的主要部件轉(zhuǎn)子通過軸承與定子保持相對(duì)位置，使兩者之間有一個(gè)空氣隙一、直流電機(jī)第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)

直流電機(jī)工作原理：一、直流電機(jī)第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)

直流電機(jī)分類：根據(jù)勵(lì)磁繞組與電樞繞組的聯(lián)接方式主要分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種。一、直流電機(jī)第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)

機(jī)械特性：電動(dòng)機(jī)是用來拖動(dòng)車輛運(yùn)行的，而車輛運(yùn)行對(duì)電動(dòng)機(jī)提出的主要要求是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。n0T串勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性他勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)直流電機(jī)的基本調(diào)速方法直流牽引電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本形式二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)-基本調(diào)速方法第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)

在上式中，CE是常數(shù)，Id是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：調(diào)解電樞供電電壓U、減弱勵(lì)磁磁通Φ和改變電樞回路電阻R。二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)-基本形式第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)（一）調(diào)壓法：（1）變阻控制

調(diào)節(jié)電阻的方法又可分為兩類，即采用有觸點(diǎn)組合式凸輪開關(guān)調(diào)阻和無觸點(diǎn)斬波調(diào)阻。有觸點(diǎn)開關(guān)調(diào)阻斬波調(diào)阻二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)-基本形式第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)直流斬波電路原理直流斬波電壓波形（一）調(diào)壓法：（2）斬波調(diào)壓二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)-基本形式第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)

改變負(fù)載平均電壓有三種典型的控制方法:

（1）定頻調(diào)寬控制（脈寬調(diào)制）：即保持?jǐn)夭ㄖ芷赥不變，改變斬波器導(dǎo)通時(shí)間，從而改變負(fù)載平均電壓。二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)-基本形式第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)

改變負(fù)載平均電壓有三種典型的控制方法:

（2）定寬調(diào)頻控制（頻率調(diào)制）：即保持?jǐn)夭ㄆ鲗?dǎo)通時(shí)間不變，通過改變斬波器周期T來改變負(fù)載平均電壓。二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)-基本形式第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)

改變負(fù)載平均電壓有三種典型的控制方法:

（3）調(diào)頻調(diào)寬混合控制：不但改變斬波器的工作頻率，而且改變斬波器的導(dǎo)通時(shí)間。二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)-基本形式第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)

三種典型控制方法特點(diǎn):

（1）定頻調(diào)寬控制：頻率固定，易于設(shè)計(jì)消除高次諧波的濾波器。（2）定寬調(diào)頻控制：控制方便，易發(fā)生共振及干擾通信信號(hào)。（3）調(diào)頻調(diào)寬混合控制：常用在需要大幅度改變輸入電壓，同樣帶來濾波器設(shè)計(jì)困難等問題。（二）調(diào)節(jié)主極磁通：第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)-基本形式三、牽引電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)（一）電阻制動(dòng)：電機(jī)牽引工況他勵(lì)電阻制動(dòng)工況三、牽引電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)（二）再生制動(dòng)：四、牽引主回路及其控制第二節(jié)直流電力牽引系統(tǒng)第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)一、交流牽引系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展概況二、三相異步電機(jī)三、交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)四、交流傳動(dòng)的脈寬調(diào)制技術(shù)一、交流牽引系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展概況第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)

直流電力傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：具有良好的調(diào)速性能

直流電力傳動(dòng)缺點(diǎn)：防空轉(zhuǎn)性能較差；換向器與電刷，因而帶來了較大的體積與重量，容易產(chǎn)生環(huán)火以及繁雜的維護(hù)問題

交流電力傳動(dòng)特點(diǎn)：電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低；正作可靠，壽命長(zhǎng)，維修、運(yùn)行費(fèi)用低；防空轉(zhuǎn)能力好一、交流牽引系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展概況第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)

第一階段：交流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，初期，人們對(duì)其調(diào)速特點(diǎn)沒有很好的掌握；第二階段：充分掌握其調(diào)速理論，受變流器本身限制，調(diào)速裝置無法實(shí)現(xiàn)；第三階段：電力電子器件的發(fā)展促進(jìn)了交流電機(jī)的應(yīng)用。交流牽引系統(tǒng)已被世界各國公認(rèn)為近代最優(yōu)越的牽引調(diào)速系統(tǒng)，交流牽引也是今后世界各國軌道交通發(fā)展的總趨勢(shì)。二、三相異步電機(jī)-基本結(jié)構(gòu)第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)1.定子鐵心：由內(nèi)周有槽的硅鋼片疊成。A----XB----YC----Z三相繞組機(jī)座：鑄鋼或鑄鐵二、三相異步電機(jī)-基本結(jié)構(gòu)第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)2.轉(zhuǎn)子鼠籠轉(zhuǎn)子鐵心：由外周有槽的硅鋼片疊成。(1)鼠籠式轉(zhuǎn)子

鐵芯槽內(nèi)放銅條，端部用短路環(huán)形成一體?；蜩T鋁形成轉(zhuǎn)子繞組。(2)繞線式轉(zhuǎn)子

同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。二、三相異步電機(jī)-工作原理第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)

定子三相繞組通入三相交流電(星形聯(lián)接)AXBYCZ1.旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生o二、三相異步電機(jī)-工作原理第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)oi:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出()電流入二、三相異步電機(jī)-工作原理第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ

三相電流合成磁

場(chǎng)的分布情況合成磁場(chǎng)方向向下合成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)60°合成磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)90°600o2.轉(zhuǎn)動(dòng)原理定子三相繞組通入三相交流電方向:順時(shí)針

切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體右手定則感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E20旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)感應(yīng)電流I2旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)左手定則電磁力F電磁轉(zhuǎn)矩TnAXYCBZ二、三相異步電機(jī)-工作原理第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)FF二、三相異步電機(jī)-工作原理第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)3、轉(zhuǎn)差率

由前面分析可知，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相等，即異步電動(dòng)機(jī)如果:無轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子電流

轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，磁通不切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條無轉(zhuǎn)矩二、三相異步電機(jī)-工作原理第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)3、轉(zhuǎn)差率

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率。因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速間必須要有差別。二、三相異步電機(jī)-工作原理第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)4、機(jī)械特性

OTS1OT三、交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)

三相交流異步電機(jī)調(diào)速方法可分為改變極對(duì)數(shù)、調(diào)節(jié)供電頻率、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差三大類。變頻調(diào)速是最為理想的調(diào)速方法。變頻調(diào)速是把交、直流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電，向交流電機(jī)供電。三、交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)四、交流傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù)第三節(jié)交流電力牽引系統(tǒng)

用于交流電傳動(dòng)的變頻器實(shí)際上是變壓(VariableVoltage，簡(jiǎn)稱VV)、變頻(VariableFrequency，簡(jiǎn)稱VF)器，即所謂VVVF裝置。一、直線電機(jī)特點(diǎn)及發(fā)展概況第四節(jié)城市軌道車輛用直線感應(yīng)電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：LTM車輛有著斷面小、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、良好的牽引和制動(dòng)性能、噪聲小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：與普通的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，它的效率和功率因數(shù)低。直線電機(jī)系統(tǒng)一次側(cè)和二次側(cè)的氣隙對(duì)LIM的性能影響較大，所以對(duì)軌道、反作用板、軌枕的尺寸精度及安裝精度，LIM的安裝精度及支撐結(jié)構(gòu)都相應(yīng)有較高的要求。一、直線電機(jī)特點(diǎn)及發(fā)展概況第四節(jié)城市軌道車輛用直線感應(yīng)電機(jī)加拿大的多倫多、溫哥華，LIM驅(qū)動(dòng)的輕軌車輛已運(yùn)營多年馬來西亞也計(jì)劃建設(shè)同樣的交通系統(tǒng)在日本，LIM驅(qū)動(dòng)方式也被用于地鐵車輛牽引，如大阪地鐵的鶴見綠地線電動(dòng)車輛、東京地鐵的都營12號(hào)線電動(dòng)車輛，都采用了LIM驅(qū)動(dòng)方式，二、直線感應(yīng)電機(jī)的基本工作原理第四節(jié)城市軌道車輛用直線感應(yīng)電機(jī)二、直線感應(yīng)電機(jī)的基本工作原理第四節(jié)城市軌道車輛用直線感應(yīng)電機(jī)三、直線感應(yīng)電機(jī)控制及在地鐵動(dòng)車上的應(yīng)用第四節(jié)城市軌道車輛用直線感應(yīng)電機(jī)

車輛用直線感應(yīng)電機(jī)的牽引控制原理與旋轉(zhuǎn)式異步電機(jī)的控制方法是一樣的，都采用變頻變壓控制，由VVVF逆變器完成牽引控制功能?？刂品椒瓤刹捎幂^為簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)差頻率控制，亦可采用高級(jí)的動(dòng)態(tài)控制方法，如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。但車輛用直線電機(jī)的控制還必須考慮當(dāng)電機(jī)氣隙變化時(shí)的頻率問題和反應(yīng)板材料變化的相應(yīng)控制。

電力牽引系統(tǒng)electrictractionsystem：

1、電力牽引供電系統(tǒng)

electrictractionsupplysystem—保證實(shí)現(xiàn)電力牽引方式且能夠安全可靠的、不間斷工作的電力供應(yīng)系統(tǒng)

（1）牽引變電所

tractionsubstation

（2）牽引網(wǎng)

tractionnetwork

①饋電線feederline②接觸網(wǎng)overheadcontactline③鋼軌及回流線

rail,negativefeeder

2、電力機(jī)車electriclocomotive交流電力牽引系統(tǒng)概述G電力系統(tǒng)(發(fā)電廠）輸電線牽引變電所電力機(jī)車接觸網(wǎng)饋電線回流線鋼軌、地3、電力牽引系統(tǒng)組成原理圖電力牽引系統(tǒng)直流牽引供電系統(tǒng)概述

?

基本結(jié)構(gòu)G電力系統(tǒng)(發(fā)電廠）輸電線直流牽引變電所接觸網(wǎng)饋電線回流線電動(dòng)車輛走行軌主（降壓）變電站電力地鐵或者表示為：電力系統(tǒng)與電力牽引供電系統(tǒng)一、構(gòu)成1.電力系統(tǒng)—是一個(gè)包括發(fā)電廠、輸電(線)、變電、配電、用電裝置的完整工作系統(tǒng)。2、電力牽引供電系統(tǒng)的組成部分與作用（1）牽引變電所:把電力系統(tǒng)供應(yīng)的電能變換成適合電力機(jī)車牽引要求的電能。（2）饋電線:連接牽引變電所和接觸網(wǎng)的導(dǎo)線。它將牽引變電所變換后的電能送到接觸網(wǎng)。（3）接觸網(wǎng):是一種懸掛在軌道上方，沿軌道鋪設(shè)的和鐵路鋼軌保持一定高度，牽引電能就由接觸網(wǎng)進(jìn)入電動(dòng)車組，從而驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)使列車運(yùn)行。（4）軌道:在非電牽引情形下只作為列車的導(dǎo)軌。在電力牽引時(shí)，軌道除仍具有導(dǎo)軌功能外，還需要完成導(dǎo)通回流的任務(wù)。因此，電力牽引的軌道，需要具有良好的導(dǎo)電性能。

（5）回流線:是連接軌道和牽引變電所的導(dǎo)線。通過回流線把軌道中的回路電流導(dǎo)入牽引變電所的主變壓器。牽引網(wǎng):通常將接觸網(wǎng)、饋電線、鋼軌回路(包括大地)和回流線稱為牽引網(wǎng)。牽引變電所和牽引網(wǎng)構(gòu)成牽引供電系統(tǒng)。專用高壓輸電線路和牽引供電系統(tǒng)稱為電氣鐵路供電系統(tǒng)。3、牽引供電系統(tǒng)的其他供電設(shè)備（1）、開閉所—sub-feederswitchingpost：指不進(jìn)行電壓變換而用開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)電路開閉的配電所。位置：設(shè)在車站、貨場(chǎng)附近、電力機(jī)務(wù)段、樞紐站等大宗負(fù)荷處。作用：將供電臂分段，事故時(shí)縮小事故范圍，提高供電的可靠性、靈活性；減少變電所的復(fù)雜性；不改變電壓大小，只擴(kuò)大饋線回路數(shù)，相當(dāng)于配電所。（2）、分區(qū)亭（SP，分區(qū)所）—sectionpost：設(shè)置于兩個(gè)牽引變電所的中間，可使兩相鄰的接觸網(wǎng)供電區(qū)段實(shí)現(xiàn)并聯(lián)或單獨(dú)工作。

位置：設(shè)在兩個(gè)牽引變電所中間，增加供電的靈活性、可靠性

作用：分相；越區(qū)供電；縮小事故的范圍（3）、自耦變壓器站（AT所）—autotransformerpost二、牽引變電所一次側(cè)的供電方式(1)單邊供電：電能由一個(gè)方向送來(2)兩邊供電：就是牽引變電所的電能由電力系統(tǒng)中兩個(gè)方向的發(fā)電廠送來。(3)環(huán)形供電：若干個(gè)發(fā)電廠、地方變電所通過高壓輸電線連接成環(huán)形的電力系統(tǒng)，牽引變電所處于環(huán)形電力系統(tǒng)的一段環(huán)路之中。三、牽引供電系統(tǒng)的構(gòu)成方式(1)牽引供電系統(tǒng)向接觸網(wǎng)的供電方式Ⅰ、單線區(qū)段①一邊供電②兩邊供電Ⅱ、雙線區(qū)段①同相一邊并聯(lián)供電②同相一邊分開供電③雙邊紐結(jié)供電(2)牽引供電系統(tǒng)向電力機(jī)車的供電方式直接供電方式(DF)Directfeed帶回流線的直接供電方式(DN供電方式)