城市轨道交通车辆牵引传动系统课件.ppt

城市轨道交通车辆牵引传动系统课件.ppt

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任务1直流主传动控制,任务3直线电机主传动控制,任务2交流主传动控制,任务4单轨牵引传动系统,任务1常用电力电子器件类型、原理与应用,任务2电流电压变换电路,任务3轨道交通车辆电磁兼容,学习目标,1掌握牵引传动控制的类型；2掌握电气制动的类型；3掌握直流、交流传动的控制原理；4能正确分析牵引和电制动电路；5能正确分析高压回路电路；6掌握主传动控制系统中的保护方式；7了解城轨车辆使用的电力电子器件类型、工作原理和应用；8了解城轨车辆整流、斩波和逆变电路工作原理和应用；掌握单轨牵引传动系统的构成及主要电气结构作用；了解城轨车辆的电磁兼容技术应用。

项目导入,项目内容：

主要介绍城轨交通车辆各种牵引传动系统组成及控制原理。

全面介绍了主传动设备直流牵引电动机、三相异步牵引电机和直线牵引电机的结构、工作原理及其特性。

简要介绍了单轨牵引传动系统的组成特点及应用案例。

详细分析了主传动系统牵引、制动、保护电路。

知识拓展：

介绍城轨交通车辆使用的主要电力电子器件的类型、工作原理及应用场合，分析城轨车辆整流、斩波和逆变电路的工作原理。

城轨交通车辆电磁兼容。

项目二城市轨道交通车辆牵引传动系统,定义：

在轨道交通车辆中，用电动机驱动实现车辆牵引的传动控制方式。

作用：

它是以牵引电机作为控制对象，通过控制系统对电动机的速度和牵引力进行调节，满足车辆牵引和制动特性的要求。

类型：

直流传动系统：

采用直流（脉流）牵引电动机。

交流传动系统：

采用交流（同步、异步）牵引电动机。

电力牵引控制,定义：

一般是指一个车辆单元的牵引动力电路。

组成：

受流器、牵引箱、牵引电机、制动电阻箱、电抗器及电气开关等。

电传动系统主电路,图2-1主牵引逆变器外形结构,主回路的功能概述及构成,定义：

是牵引电机工作回路，通过指令对牵引电机进行控制；功能：

可实现列车牵引和电制动功能，也可完成向前、向后的方向转换。

组成：

由受流单元、保护装置（熔断器、高速断路器、隔离开关）、线路接触器、电抗器、电容器、VVVF逆变单元、牵引电机、回地装置等部分构成。

为了保证直流供电电压的品质，采用电路电抗器和电容滤波器来吸收牵引供电网中直流电压的脉动波纹，使逆变单元得到的直流成分更加平顺。

逆变单元由IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）绝缘栅双极型晶体管模块组成，能够实现将输入的直流电逆变为交流电并变压变频输出，从而控制交流感应电机的转速，实现列车速度在很宽泛的范围内平稳调节。

主回路工况,牵引电机可以工作在牵引工况或制动工况；两个工作状态由主逆变器来管理。

牵引时：

主逆变器工作在逆变状态，将直流逆变为交流；电制动时：

主逆变器工作在整流状态，将牵引电机产生的交流电转换成直流电，并反馈回供电网供其他车辆使用。

列车常用制动采用电制动和空气制动混合运算的制动方式，再生制动优先，当电制动不足以完成制动指令时，再由空气制动补足。

1.主回路牵引工况,主回路通过受流装置连接至供电网络，获得直流电能：

将直流电转换为三相交流电,牵引,牵引箱,每辆动车一个牵引逆变器，在车体底架下安装。

每台牵引逆变器有一台TCU控制单元控制并驱动4台三相交流牵引电机，这些电机分别驱动两个转向架的四个轴。

牵引逆变器是来自于ALSTOM的OptONIX系列，逆变器驱动并联联接的四个牵引电机。

牵引电机可以以功率消耗（牵引）或功率产生（制动）方式运行。

这两个工作模式可以由牵引逆变器来管理。

列车运行时，逆变器把从第三轨供电获得的直流电转变为调频调压的三相交流电。

当制动时，逆变器把电机产生的三相交流电转换成直流电。

产生的能量回馈电网供其他车辆使用。

当网压太高，就不能吸收该能源时，机械制动就必须代替电制动。

为了实现电制动和机械制动之间的平滑过渡，在气制动引入期间，制动斩波器控制了再生电源的降低（流进了制动过渡电阻）。

列车牵引主电路,辅助箱,制动过渡电阻,隔离开关箱,牵引电机,牵引箱,轴端接地,浪涌吸收,受流器,轴端接地,外接电源,高速断路器,牵引逆变器原理图,IGBT模块绝缘栅双极型晶体管,RE制动过渡电阻,电动列车主回路,A-LCMD1和A-LCMD2线路电流监控装置A-LCMD1为线路电流监控装置，可测量输入电流，位于预充电LRU上；A-LCMD2可测量返回电流，位于电缆入口附件的高压棒周围，通过软件实现不同的功能。

K-IC电源输入接触器K-CCC预充电接触器R-CCZ预充电电阻器,L-FL线路滤波电感器2.5mH适用于过滤电压（低通滤波器）还可用于限制浪涌电流上升时间。

C-FL直流电容器用于保持电压稳定，以供给逆变器，带L-FL；可形成低通滤波器，在逆变器切换过程中作为电源使用。

A-FVMD滤波器电压监控装置可测量直流总线上的电压,电动列车主回路,EMC电容器,EMC电阻器,A-CMDU和A-CMDVU相和V相电流监控装置可测量供给4个电机的电流；根据两次测量计算W相电流。

TM1、TM2、TM3、TM4牵引电机,电动列车主回路,直流牵引传动系统,任务1,交流牵引传动系统,任务2,直线电动机牵引传动系统,任务3,项目二城市轨道交通车辆牵引传动系统,单轨牵引传动系统,任务4,直流牵引传动系统,任务一直流牵引传动系统,表2-1串励牵引电动机的结构及部件作用,电磁感应定律,电磁力定律,任务一直流牵引传动系统,图2-3直流串励牵引电动机工作原理,电能机械能,任务一直流牵引传动系统,一直流牵引电动机2直流牵引电动机的特性分析,

（1）速率特性直流电机的速率特性表示式,式中：

U牵引电动机的端电压，V；Ia牵引电动机的负载电流即电枢电流，A；R牵引电动机电枢回路中的电阻，；牵引电动机的主极磁通，Wb；Ce牵引电动机电动势常数。

图2-4电机磁化曲线,主磁通由电机的磁化曲线决定,对于复励电机而言，他励绕组磁势比例越大，速率特性越接近他励电动机，反之则接近串励电动机的特性。

图2-5直流电动机速率特性,任务一直流牵引传动系统,任务一直流牵引传动系统,一直流牵引电动机2直流牵引电动机的特性分析,

（2）转矩特性,直流电机的转矩特性表示式,式中：

M牵引电动机转矩，N；ME电动机电磁转矩，N；M电动机空载损耗引起的制动转矩，N；一般为电机额定转矩的13。

CM牵引电动机常数。

根据电动机的转矩特性与速率特性，可以得到电动机的机械特性。

图2-6直流电动机转矩特性,图2-7直流电动机机械特性,任务一直流牵引传动系统,一直流牵引电动机,任务一直流牵引传动系统,一直流牵引电动机3直流牵引电动机与电动列车牵引特性分析,动车牵引力与电动机转矩、动车速度与电动机转速都是正比例关系，因而动车的牵引特性曲线F=（）与电动机的机械特性M=（n）趋势一致，只是坐标比例尺不同。

动车运行时，必须具有机械和电气上的稳定性。

（1）机械稳定性,定义：

列车正常运行时，由于偶然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。

图2-8牵引特性机械稳定性分析,即:

稳定条件：

牵引特性曲线的斜率小于基本阻力曲线的斜率。

（2）电气稳定性,定义：

电动列车正常运行时，由于偶然的原因引起电流发生微量变化后，电动机本身能恢复到原有的电平衡状态。

直流牵引电动机的动态电压平衡方程式：

（2-6）,式中：

UD牵引电动机的端电压，V；E牵引电动机的反电势，V；L牵引电动机的电感量，H。

任务一直流牵引传动系统,一直流牵引电动机4直流串励牵引电动机的调速,调速常见方法：

调压调速改变牵引电动机的端电压UD磁削调速改变牵引电动机的主极磁通

（1）调压调速,改变牵引电动机的联接法，例如串并联的方式。

在电动机回路串接电阻。

在电动机与电源之间串接斩波器。

（2）磁削调速,定义：

通过减少流过牵引电动机的励磁电流减小牵引电动机主极磁通进行调速的方法。

磁场削弱系数（用表示）定义：

在同一牵引电动机电枢电流下，磁场削弱后（削弱磁场）牵引电动机主极磁势与磁场削弱前（满磁场）牵引电动机主极磁势之比。

表达式：

式中：

（IW）磁场削弱后主极磁势；（IW）磁场削弱前（满磁场）主极磁势。

表示意义：

牵引电动机主极磁势削弱的程度。

愈小表明磁场削弱愈深。

常用磁削方法,结论：

要改变磁场削弱系数，只须改变分路电阻的大小即可。

电阻分路法的特点：

结构简单，磁削调节方便，附加电能损耗很小。

磁场削弱系数的表达式：

图2-16电阻分路法弱磁场原理,城轨车辆上普遍采用电阻分路法,直流传动调速控制基本形式：

变阻控制斩波调压控制,1变阻控制变阻控制：

是通过调节串入电机回路的电阻，改变直流牵引电动机端电压，实现调速目的。

调阻方法：

凸轮调阻、斩波调阻。

2.斩波调压控制（电枢斩波控制）,利用接在电网与牵引电动机之间的斩波器，通过控制斩波器的导通与关断时间来改变牵引电动机的端电压。

图2-20斩波调压控制,结论：

斩波调速是一种经济的调速手段。

3直流传动系统的电气制动,原理：

电气制动是利用电机的可逆性原理，即一台电机既可以作发电机也可以做电动机，只是运行条件不同。

分类：

1.电阻制动（能耗制动）：

电气制动时牵引电机所产生的电能，利用电阻使之转化为热能耗散掉。

2.再生制动（反馈制动）：

电气制动时牵引电机所产生的电能重新反馈回电网中去加以利用。

牵引电路,地铁车辆动车调速以调压调速为主、磁削调速为辅，即采用直流斩波调压调速，通过主极磁通削磁扩展调速范围。

牵引时四台牵引电机两串两并，电流路径（向前时）为：

第一、二电机支路第三、四电机支路磁场削弱电路,

（2）电制动电路,路制动时电流路径为:

3主要设备,

（1）牵引电机

（2）斩波器牵引电机：

地铁车辆选用直流串励牵引电机特点：

起动力矩大，过载能力强，调速平滑且范围广，控制简单。

主要技术参数,斩波器,斩波器原理：

（图2-24中点划线框内部分）地铁车辆斩波器控制方法：

启动牵引前期采用频率调制，设定很小的脉宽（即定ton），频率从60Hz起调至400Hz，之后转入脉宽调制（即调ton），对导通比在0.050.95之间进行控制。

电制动时，V1、V2可关断晶闸管调节再生制动电流，V3、V4电阻制动晶闸管调节电阻制动电流，V7、V8配上电阻（1R3-R7、-R8、-R9）构成分级电阻制动调节电路。

斩波器主要技术参数：

GTO主要技术参数：

斩波器冷却采用内外隔离方式,图2-25斩波器箱通风冷却示意图,斩波器箱内的热量一部分通过箱体表面散热，一部分通过热交换器排大气。

由于箱内空气只在箱内循环，不与外部空气接触，因此能保持很高的清洁度。

直流牵引传动系统,任务1,交流牵引传动系统,任务2,直线电动机牵引传动系统,任务3,项目二城市轨道交通车辆牵引传动系统,单轨牵引传动系统,任务4,交流牵引传动系统,一、交流牵引电动机的原理分析,任务二交流牵引传动系统,交流电动机的优点：

没有换向器、结构简单、成本低、工作可靠、寿命长、维修与运行费用低、防空转性能好。

目前城轨交通车辆普遍用交流异步牵引电动机。

直流电动机：

具有良好的牵引和制动性能；通过调节端电压和励磁，可方便调速。

防空转性能较差；换向器与电刷结构存在一系列缺点。

1三相异步电动机的转差率和转速,三相异步电动机最基本的工作原理之一是在气隙中建立旋转和正弦分布的磁场。

旋转磁场的同步转速ns与电动机转子转速n之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率s：

式中：

1定子频率，Hz；p电动机极对数；s转差率。

异步电动机的转速为,2等效电路,异步电动机本质:

可看成一个具有旋转和短路的次级绕组的三相变压器。

二次电流I2为：

图2-26交流异步电动机等效回路,3特性,根据每相等效电路，可求感应电机的各项特性。

（1）电流一次负载电流：

一次电流I1：

式中：

I0励磁电流，A。

（2）功率,由定子向转子输入的电磁功率P2，消耗在负载（rsr2）上的功率为,转子铜损PCu2：

转子输出的机械功率P0：

（3）转矩,电动机的输出机械功率：

当频率和电源电压恒定时，式T是转差率s的函数。

转差率为s的异步电动机输出转矩T：

电源电