牵引系统第2讲课件.ppt

1、牵引系统 城市轨道交通车辆牵引传动系统定义定义：在轨道交通车辆中，用在轨道交通车辆中，用电动机电动机驱动实现车辆牵引的传动控制方式。驱动实现车辆牵引的传动控制方式。作用作用：它是以它是以牵引电机牵引电机作为控制对象，通过控制系统对电动机的作为控制对象，通过控制系统对电动机的速度速度和和牵引力牵引力进行调节，满足车辆进行调节，满足车辆牵引牵引和和制动制动特性的要求。特性的要求。类型类型：直流传动系统直流传动系统：采用直流（脉流）牵引电动机。：采用直流（脉流）牵引电动机。交流传动系统交流传动系统：采用交流（同步、异步）牵引电动机采用交流（同步、异步）牵引电动机。在城轨车上普遍使用在城轨车上普遍使用

2、交流交流传动牵引系统。传动牵引系统。电力牵引控制电力牵引控制定义定义：一般是指一个车辆单元的牵引动力电路。一般是指一个车辆单元的牵引动力电路。组成组成：受流器、牵引箱、牵引电机、制动电阻箱、电抗器受流器、牵引箱、牵引电机、制动电阻箱、电抗器及及电气开关等电气开关等。电传动系统主电路电传动系统主电路 城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引系统的功能牵引系统的功能完成牵引、制动（再生制动及电阻制动）。完成牵引、制动（再生制动及电阻制动）。牵引系统的工况牵引系统的工况 牵引工况牵引工况：为列车提供牵引动力，将接触网提供的直流电转换成三相交流电供给牵引电机，再由牵引电机将电能转换成机械能驱动列车运行。电制动

3、工况电制动工况：分为再生制动工况和电阻制动工况。（1）再生制动工况再生制动工况：牵引系统进行再生制动时将列车动能转换为电能反馈到电网供其他列车使用。（2）电阻制动工况电阻制动工况：制动能量不能向电网反馈时，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消散在大气中。每辆动车一个牵引逆变器，在车体底架下安装。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每台牵引逆变器有一台TCU控制单元控制并驱动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。驱动两个转向架的四个轴。牵引逆变器是来自于牵引逆变器是来自于ALST

4、OM的的OptONIX系列，逆变器驱动并联联接的四个牵引电机。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电机可以以功率消耗(牵引牵引)或功率产生或功率产生(制动制动)方式运行。这两个工作模式可以由牵方式运行。这两个工作模式可以由牵引逆变器来管理。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。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

5、，就不能吸收该能源时，机械制动就必须代替电制动。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再生电源的降低(流进了制动过渡电阻流进了制动过渡电阻)。城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引系统的主要设备牵引系统的主要设备 受流装置受流装置主要指受电弓和集电靴。将电网电主要指受电弓和集电靴。将电网电流平稳地引入车辆电源，为列车的流平稳地引入车辆电源，为列车的牵引设备和辅助设备提供电能。牵引设备和辅助设备提供电能。国家标

6、准：国家标准：DC1500V接触网接触网 DC750V第三轨第三轨供电方式：供电方式：接触接触网网供电供电受电弓受电弓 接触接触轨轨供电供电集电靴集电靴受电弓受电弓城市轨道交通车辆牵引传动系统 避雷器（浪涌吸收器）避雷器（浪涌吸收器）防止车辆内部和外部过电压对车辆防止车辆内部和外部过电压对车辆电气设备的破坏。电气设备的破坏。浪涌吸收器安装于浪涌吸收器安装于B B车车顶的受电弓侧。车车顶的受电弓侧。牵引系统的主要设备牵引系统的主要设备 具有很大的电阻值具有很大的电阻值(Mohm)。当电路上出现冲击电压时，此部件会发生短路，然后直接将该当电路上出现冲击电压时，此部件会发生短路，然后直接将该冲击引至

7、地面。冲击引至地面。城市轨道交通车辆牵引传动系统 高速断路器（高速断路器（HSCB）牵引系统的主要设备牵引系统的主要设备high-speed circuit breaker安装位置：安装在含有受流装置车辆的安装位置：安装在含有受流装置车辆的底部高压箱内。底部高压箱内。功能：正常状态下通断车辆主电路，功能：正常状态下通断车辆主电路，在发生故障时执行保护指令，切断动在发生故障时执行保护指令，切断动力电源。力电源。城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引系统的主要设备牵引系统的主要设备 制动电阻制动电阻作用:电阻制动时，制动电阻吸收未被消耗掉的电阻制动时，制动电阻吸收未被消耗掉的电机发电能量，转换为热能散逸

8、到大气中去。电机发电能量，转换为热能散逸到大气中去。城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引系统的主要设备牵引系统的主要设备 接地回流装置接地回流装置 为主电路提供回流通路，使电流经轮对到达钢轨，构成完整的回路；为主电路提供回流通路，使电流经轮对到达钢轨，构成完整的回路；防止电流通过轴承造成轴承内润滑油层的电腐蚀；防止电流通过轴承造成轴承内润滑油层的电腐蚀；提高轴承的使用寿命提高轴承的使用寿命。牵引系统的主要设备牵引系统的主要设备 牵引逆变器牵引逆变器牵引系统的核心部件。主牵引逆变器外形结构牵引时：主逆变器工作在牵引时：主逆变器工作在逆变逆变状态，将直流逆变为交状态，将直流逆变为交流；流；电制动时：主

9、逆变器工作在电制动时：主逆变器工作在整流整流状态，将牵引电机产状态，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。辆使用。城市轨道交通车辆牵引传动系统城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引系统的主要设备牵引系统的主要设备 牵引电机牵引电机城轨车使用三相鼠笼式异步电动机。牵引电机安装于动车转向架上，用来驱动列车运行。城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引系统的主要设备牵引系统的主要设备 PWM编码器编码器将主控制手柄或ATO设备给出的模拟牵引/制动指令信号转化为500Hz/24V的PWM信号。牵引控制单元牵引控制单元对牵引电机进行矢量控制；将

10、车辆控制单元通过总线传输的给定值和控制指令转换成VVVF逆变器用的控制信号对VVVF逆变器和牵引电机进行保护；对电制动进行调整保护，以及逆变器脉冲模式的产生。主回路的功能概述及构成主回路的功能概述及构成定义定义：是牵引电机工作回路，通过指令对牵引电机进行控制；：是牵引电机工作回路，通过指令对牵引电机进行控制；功能功能：可实现列车牵引和电制动功能，也可完成向前、向后的：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。方向转换。组成组成：由受流单元、保护装置（熔断器、高速断路器、隔离开：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、关）、线路接触器、电

11、抗器、电容器、VVVF逆变单元、牵引逆变单元、牵引电机、回地装置等部分构成。电机、回地装置等部分构成。为了保证直流供电电压的品质，采用为了保证直流供电电压的品质，采用电路电抗器电路电抗器和和电容滤波器电容滤波器来吸收牵引来吸收牵引供电网中直流电压的脉动波纹，使逆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。变单元得到的直流成分更加平顺。逆变单元逆变单元由由IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅）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

12、流感应电机的转速，实现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。列车速度在很宽泛的范围内平稳调节。主回路系统构成主回路系统构成主回路系统构成主回路系统构成图图1-4 城市轨道交通车辆单元车的总体控制城市轨道交通车辆单元车的总体控制在列车顶部安装受电弓，用于将电流从电网引入列车。在列车顶部安装受电弓，用于将电流从电网引入列车。在受电弓的旁边安装避雷器，主要用于防止雷击过电在受电弓的旁边安装避雷器，主要用于防止雷击过电压和操作过电压，保护主电系统。压和操作过电压，保护主电系统。电流由受电弓引入到高压隔离开关，隔离开关用于车间电电流由受电弓引入到高压隔离开

13、关，隔离开关用于车间电源转换和作为高速断路器前的隔离接地。源转换和作为高速断路器前的隔离接地。熔断器：由两个熔断器：由两个100A、一个、一个160A和一个和一个250A的熔断器组成。的熔断器组成。100A给给B车和车和C车辅助逆变器提供保护；车辅助逆变器提供保护；160A给给A车充电机提供电流保护；车充电机提供电流保护；250A给给C车的车端连接器电路提供电流保护。车的车端连接器电路提供电流保护。B车底部安装有高压箱，每台高压箱中安装两台高速断路车底部安装有高压箱，每台高压箱中安装两台高速断路器，分别给器，分别给B车和车和C车牵引逆变器供电。车牵引逆变器供电。牵引逆变器分别给两台转向架上的四

14、台牵引电机供电，牵引逆变器分别给两台转向架上的四台牵引电机供电，电流最终通过接地碳刷，经由车体、转向架轴端接地装电流最终通过接地碳刷，经由车体、转向架轴端接地装置到轨道形成电流回路。置到轨道形成电流回路。机场线（机场线（QKZ5）采用庞巴迪的牵引系统，其牵引逆变器称为）采用庞巴迪的牵引系统，其牵引逆变器称为PCU；昌平线（昌平线（SFM13型）采用日本三菱的牵引系统；型）采用日本三菱的牵引系统；15号线（号线（DKZ31型）采用发过阿尔斯通的牵引系统。型）采用发过阿尔斯通的牵引系统。虽然各条线路采取牵引系统的厂家不同，但牵引系统都是通过调频虽然各条线路采取牵引系统的厂家不同，但牵引系统都是通过

15、调频调压的方法来改变电机的转速，从而实现对车辆的牵引控制。调压的方法来改变电机的转速，从而实现对车辆的牵引控制。车辆通过受流器接触第三轨，采集车辆通过受流器接触第三轨，采集DC750V电压；电压；经过受流器熔断器、高速断路器等将经过受流器熔断器、高速断路器等将DC750V电输入给牵引逆变器；电输入给牵引逆变器；牵引逆变器牵引逆变器VVVF经滤波、整流、逆变，经滤波、整流、逆变，DC750V变换为满足牵变换为满足牵引电机正常工作的电压和频率。引电机正常工作的电压和频率。主回路系统构成主回路系统构成 车辆通过母线将车辆通过母线将TC车和车和M1车的高压联在一起；车的高压联在一起；通过贯穿全列车的母

16、线为通过贯穿全列车的母线为2个个CVS（辅助变流器）供电，确保（辅助变流器）供电，确保CVS顺利顺利通过断电区。通过断电区。车辆接地时通过接地汇流排经由转向架轴端接地装置形成接地回路；车辆接地时通过接地汇流排经由转向架轴端接地装置形成接地回路；TC车设置有车设置有2个接地装置，个接地装置，M车设置有车设置有4个接地装置。个接地装置。主回路系统构成主回路系统构成IES箱箱每辆拖车每辆拖车1个个HSCB箱箱每辆动车每辆动车1个个 辅助变流器辅助变流器每辆拖车每辆拖车1个个 制动电阻器制动电阻器 每辆动车每辆动车1个个 电机（异步）电机（异步）每辆动车每辆动车4个个牵引箱牵引箱每辆动车每辆动车1个个

17、城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引系统主回路原理图牵引系统主回路原理图主要设备及作用主要设备及作用（1）主隔离开关）主隔离开关该开关为手动开关。只有在电路不带电的时候才能操该开关为手动开关。只有在电路不带电的时候才能操作。作。主要用于实现主要用于实现VVVFVVVF逆变器与高压母线间电气上的隔离。逆变器与高压母线间电气上的隔离。（2）滤波电抗器（）滤波电抗器（FLFL）对电网提供的直流电进行滤波。对电网提供的直流电进行滤波。（3）直流电压传感器（）直流电压传感器（DCPTDCPT）用于监测滤波电容电压用于监测滤波电容电压（4）制动斩波器（）制动斩波器（DCHDCH）主体结构为主体结构为IGBTI

18、GBT（逆变单元）元件。（逆变单元）元件。进行电阻制动时，将制动能量消耗在制动电阻上。进行电阻制动时，将制动能量消耗在制动电阻上。（5）滤波电容（）滤波电容（FCFC）FCFC与与FL组成滤波电路，对电网提供给牵引逆变器的电组成滤波电路，对电网提供给牵引逆变器的电能进行滤波。能进行滤波。稳定逆变电路直流输入电压，吸收无功能量。稳定逆变电路直流输入电压，吸收无功能量。（6）制动电流传感器（）制动电流传感器（BCCHBCCH）用于检测制动电流的大小用于检测制动电流的大小。城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引系统主回路原理图牵引系统主回路原理图主要设备有受电弓、主隔离开关、主熔断器、高速断路器、滤波电抗

19、器、VVVF逆变器、制动电阻、牵引电机。城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引主回路的电路结构牵引主回路的电路结构网侧电路：主要是供电、隔离及主回路故障保护。预充电电路：限制主回路接通时滤波电容的充电电流。直流滤波电路：与滤波电容构成滤波器，对逆变器的直流侧双向滤波。抑制电网侧发生的过电压，减少其对逆变器的影响。抑制逆变器因换流引起的尖峰过电压。抑制逆变器产生的谐波电流对电网的影响。限制逆变器的故障电流。城市轨道交通车辆牵引传动系统牵引主回路的电路结构牵引主回路的电路结构电阻制动电路：（1）进行电阻制动。（2）过电压保护。三相桥式逆变电路：牵引时：工作在逆变状态，将直流电逆变成三相交流电输出。电制动

20、时：工作在整流状态，将交流电整流成直流电输出放电电路：主回路在非工作状态时操作主回路设备。检测电路：用来检测牵引主回路工作时各状态量，起监控和保护主回路的作用。主回路工况主回路工况牵引电机可以工作在牵引电机可以工作在牵引牵引工况或工况或制动制动工况；工况；两个工作状态由两个工作状态由主逆变器主逆变器来管理。来管理。牵引时：主逆变器工作在牵引时：主逆变器工作在逆变逆变状态，将直流逆变为交流；状态，将直流逆变为交流；电制动时：主逆变器工作在电制动时：主逆变器工作在整流整流状态，将牵引电机产生的交流状态，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。电转换成直流电，并反馈回供电网

21、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。制动指令时，再由空气制动补足。城市轨道交通车辆牵引传动系统1.主回路牵引工况主回路牵引工况 主回路通过受流装置连接至供电网络，获得直流电能：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将直流电转换为三相交流电牵引牵引2.主回路制动工况主回路制动工况 主回路电制动时，牵引电机转子被列车轮对带动旋转，切割定子主回路电制动时，牵引电机转子被列车轮对带动旋转，切割

22、定子磁力线产生感应电动势并被导出；磁力线产生感应电动势并被导出；此时牵引电机处于此时牵引电机处于发电机发电机工作状态，发出的电势经逆变器模块将工作状态，发出的电势经逆变器模块将交流电变为直流电；交流电变为直流电；制动制动 相比相比电制动电制动，空气制动建立响应时间较长（，空气制动建立响应时间较长（1秒）；秒）；为了实现电制动和为了实现电制动和纯空气制动纯空气制动之间的平滑过渡，减少冲撞，之间的平滑过渡，减少冲撞，缩短空走距离，在供电网压过高（缩短空走距离，在供电网压过高（=1.2倍额定电压），不再倍额定电压），不再接受反馈时，再生制动退出转为纯空气制动的瞬间，牵引电接受反馈时，再生制动退出转为纯空气制动的瞬间，牵引电机发出的电能将被引导在制动电阻上；机发出的电能将被引导在制动电阻上；电阻制动电阻制动实现暂态的纯电阻制动，即列车动能转换成电能再实现暂态的纯电阻制动，即列车动能转换成电能再转换成电能再转变为热能消耗在大气中。转换成电能再转变为热能消耗在大气中。