第第 77 章 城市轨道交通章 城市轨道交通牵引系统牵引系统

2023年4月21日2023年4月21日

主要内容主要内容

• 7.1 7.1 概述概述

• 7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

• 7.3 7.3 三相异步电机电力牵引系统三相异步电机电力牵引系统

• 7.4 7.4 三相同步电机电力牵引系统三相同步电机电力牵引系统

轨道交流牵引传动系统的构成

7.1 7.1 概述概述7.1 7.1 概述概述

轨道电力牵引传动及控制技术的特点

1 电力传动控制技术2 PWM 控制技术3 微电子技术 4 功率模块的集成化

7.1 7.1 概述概述7.1 7.1 概述概述

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

7.1 7.1 概述概述7.1 7.1 概述概述

电力牵引变流器

(1) 庞巴迪 TRAXX MITRAC TC 3000 系列牵引变流器

(2) 西门子 Eurosprinter 多流制牵引变流器

(3) 阿尔斯通 ONIX 牵引变流器系统

7.1 7.1 概述概述7.1 7.1 概述概述

第二代 EuroSprinter 电力机车—BR189

BR189 主牵引变流器实物图

7.1 7.1 概述概述7.1 7.1 概述概述

图 7-4 PRIMA EL4200 2U 机车

图 7-5 PRIMA EL4200 2U 机车 主牵引变流器

7.1 7.1 概述概述7.1 7.1 概述概述

轨道交通车辆的结构与特性

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

7.1 7.1 概述概述7.1 7.1 概述概述

有轨电车工作原理

7.1 7.1 概述概述7.1 7.1 概述概述

直流电动机由定子转子两部分构成。

极掌极掌 N

S

· · ·

· · ·

· · ·

·

· · N

S

极心极心励磁绕组励磁绕组

机座机座

转子转子

直流电动机的磁极和磁路直流电动机的磁极和磁路

7.27.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.27.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

直流电动机各部分的作用： 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

7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

直流电动机工作原理：

换向片

A

B

＋

—

N

7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

直流电动机分类：根据励磁绕组与电枢绕组的联接方式主要分为他励、并励、串励和复励四种。

7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

直流牵引调速系统 - 基本调速方法：

E

d

C

RIUn

这里， CE 是常数Id 是由负载决定的

方法：调节电枢供电电压 U 改变励磁磁通 Φ 改变电枢回路电阻 R 。

7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

3. 电动机的电气制动

电阻制动 他励式电阻制动 串励式电阻制动

再生制动

7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

电动机的电气制动（电阻制动）

电机牵引工况 他励电阻制动工况

7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

电动机的电气制动（再生制动）

7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

4. 牵引主回路及其控制

主电路

辅助电路

控制电路

机车电路

7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统7.2 7.2 直流电力牵引系统直流电力牵引系统

主电路

功能：牵引和制动时，完成能量传递和转换；

特点：大功率、高电压、大电流；

主要包括：牵引变压器、整流器、牵引电机

1 受电弓

2 主断路器（牵引断路器）

3 电压检测环节

4 接地开关

5 负载接触器

6 滤波电抗器

7 滤波电容器

8 凸轮调速变阻器

9 牵引电动机

10 信号发生器

11 控制电子装置

12 司机控制器

7.2.1 交流牵引系统特点及发展概况

7.2.2 三相异步电机

7.2.3 交流电机调速系统

7.2.4 交流传动的脉宽调制技术

7.2 7.2 三相异步电机电力牵引系统三相异步电机电力牵引系统7.2 7.2 三相异步电机电力牵引系统三相异步电机电力牵引系统

7.2.1 7.2.1 交流牵引系统特点及发展概况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；正作可靠，寿命长，维修、运行费用低；防空转能力好

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。

7.2.1 7.2.1 交流牵引系统特点及发展概况交流牵引系统特点及发展概况

7.2.2 7.2.2 三相异步电机 三相异步电机

一、旋转磁场1. 旋转磁场的产生

W2

W1

V2

V1

U

1

U

2

三相 ( 多相 ) 电流 → 三相 ( 多相 ) 绕组→ 旋转磁场。 三相绕组

7.2.2 7.2.2 三相异步电机 三相异步电机

横截面

U1

U2

V1

V2

W2

W1

U1 V1 W1

U2 V2 W2

流出 流入

7.2.2 7.2.2 三相异步电机 三相异步电机

U ←V ←W←

U1

U2

V1

V2 W2

W1

i1 = Imsin t

i2 = Imsin( t － 120O

)

i3 = Imsin( t ＋ 120O

)i1 i2 i3

t = 0O 时

i1 = 0 ， i2 ＜ 0 ， i3 ＞ 0

×

×

N

S Im

tO

i1

7.2.2 7.2.2 三相异步电机 三相异步电机

脉宽调制控制技术脉宽调制控制技术用于交 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。

7.2.2 7.2.2 三相异步电机 三相异步电机

t = 0O

时i1 = 0 ， i2 ＜ 0 ， i3

＞ 0

U1

U2

V1

V2 W2

W1

N

S

t = 120O

时i1 ＞ 0 ， i2 = 0 ， i3 ＜

0

U1

U2

V1

V2 W2

W1

N

S

7.2.2 7.2.2 三相异步电机 三相异步电机

U1

U2

V1

V2 W2

W1

U1

U2

V1

V2 W2

W1

N

S

t = 240O

时i1 ＜ 0 ， i2 ＞ 0 ， i3 =

0

t = 360O

时i1= 0 ， i2 ＜ 0 ， i3 ＞

0

N

S

7.2.2 7.2.2 三相异步电机 三相异步电机

i 变化一周

i 每秒钟变化 50 周

i 每分钟变化 (50×60) 周

→旋转磁场转一圈

→旋转磁场转 50 圈

→旋转磁场转 3000 圈

2. 旋转磁场的转速

同步转速 n0

n0 = 3000 = 60 f1 (r / min)

同步转速 n0 的大小怎样改变？

7.2.2 7.2.2 三相异步电机 三相异步电机

~2dU

2dU

A

C

B

'O O

M~

7.2.2 7.2.2 三相异步电机 三相异步电机

牵引逆变器原理图

牵引逆变器牵引逆变器

7.3 7.3 三相永磁同步电机电力牵引系统三相永磁同步电机电力牵引系统

三相永磁同步电机电力牵引系统

直接传动永磁同步电机

7.3 7.3 三相永磁同步电机电力牵引系统三相永磁同步电机电力牵引系统

谢 谢 ！谢 谢 ！