项目二-城市轨道交通车辆牵引传动系统

学习目标1.项目导入2.学习任务3.拓展任务4.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；9.掌握单轨牵引传动系统的构成及主要电气结构作用；10.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2.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，切割定子磁力线产生感应电动势并被导出；•此时牵引电机处于发电机工作状态，发出的电势经逆变器模块将交流电变为直流电；制动•相比电制动，空气制动建立响应时间较长（1秒）；•为了实现电制动和纯空气制动之间的平滑过渡，减少冲撞，缩短空走距离，在供电网压过高（=1.2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，牵引电机发出的电能将被引导在制动电阻上；•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转换成电能再转变为热能消耗在大气中。3.列车向前、向后的换向•三相交流电机输入的相序U、V、W颠倒任意一组，电机都会发生反转；•电动列车通过改变逆变器输出相序来实现牵引向前和向后（即倒车）的操作，不需要切换主回路的构成。主回路系统构成图1-1城市轨道交通车辆控制原理示意图图1-1城市轨道交通车辆控制原理示意图主回路系统构成主回路系统构成图1-4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。电流由受电弓引入到高压隔离开关，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。熔断器：由两个100A、一个160A和一个250A的熔断器组成。100A——给B车和C车辅助逆变器提供保护；160A——给A车充电机提供电流保护；250A——给C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器，分别给B车和C车牵引逆变器供电。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、转向架轴端接地装置到轨道形成电流回路。•机场线（QKZ5）采用庞巴迪的牵引系统，其牵引逆变器称为PCU；•昌平线（SFM13型）采用日本三菱的牵引系统；•15号线（DKZ31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DC750V电压；•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；•牵引逆变器VVVF经滤波、整流、逆变，DC750V变换为满足牵引电机正常工作的电压和频率。主回路系统构成•车辆通过母线将TC车和M1车的高压联在一起；•通过贯穿全列车的母线为2个CVS（辅助变流器）供电，确保CVS顺利通过断电区。•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；•TC车设置有2个接地装置，M车设置有4个接地装置。主回路系统构成高速断路器高速断路器隔离接地开关箱牵引箱辅助箱受流器15号线车辆高压主电路IES箱每辆拖车1个HSCB箱每辆动车1个辅助变流器每辆拖车1个制动电阻器每辆动车1个电机（异步）每辆动车4个牵引箱每辆动车1个高压主电路IES（隔离接地开关）•适用接地牵引、辅助设备等。•IES的锁紧手柄和主手柄，均有低压开关，可指示其电流。•位置（高压电源、接地、车间）两个IES联锁，如果其中一个接地，则牵引无法启动（安全性）。•辅助变流器电源通过IES获得。D-AUX（线路输入二极管）•用于流向辅助设备的电流。•由两个二极管完成此功能，它们均借助外部散热器进行冷却。线路输入熔断器•F-AUX线路输入熔断器，可保护辅助变流器；•F-AUXBUS线路输入熔断器，可保护两辆拖车之间的电源总线。SA（避雷器）•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，然后直接将该冲击引至地面。HSCB（高速断路器）箱•HSCB为主断路器，可在出现故障的情况下断开牵引链与电源的连接。•主要防止牵引链路免受内部或外部故障的影响。•存在一个与断路器相关的控制板。A-LVMD（线路电压监控装置）•用于测量HSCB前线路电压的部件，用于获知动车是否在供电线路或中性区段上等返回牵引箱内信息。F-LVMD（线路电压监控装置熔断器）•为保护线路电压监控装置的熔丝，在HSCB前安装电压装置的必备之品。辅助变流器箱•辅助变流器可为列车负载（380V3相，110V直流）供电，且可用于为电源电池充电。•用作车辆空调、电热采暖、照明、蓄电池充电、各系统控制电路及列车监视系统、车载信号和通信设备的电源。3相逆变器模块输入级：预充电路和滤波器电感器集成3相三线圈变压器可逆蓄电池充电器模块逆变器和蓄电池充电器模块冷却风扇3相，400V交流，50Hz输出输出VMD和CMD3相隔离接触器蓄电池电流蓄电池电压制动电阻箱R-BZ（或BR）为0.377欧姆的制动电阻，具有两个功能：1)用于切断可能发生在牵引箱直流总线上的过压（消弧电路）；2)用于在电机制动且该线路不再易于接收时消耗电机功率。3秒钟时间，机械制动完全用于减少电气制动。电机•电机为异步-开式转子自通风。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•R-FL直流电容器放电电阻器•C-HF为EMC电容器•R-HF为EMC电阻器电动列车主回路•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风扇•风扇用于吹出590l/s的额定气流，最坏情况下为530l/s；•可冷却电源模块和线路感应器。•空气输入格栅位于TCU和预充电部件的下面，空气输出位于线路滤波器电感器部件的下面。TCU•TCU牵引控制单元为牵引箱电子控制单元，它可以从列车系统接收信号，包括所有功能顺序，可以监控电机等。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一．直流牵引电动机1．直流牵引电动机的结构与工作原理图2-2直流电动机结构（4极）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部位主要组成部件主要作用名称部件组成使用材料定子主极主极铁心热轧软钢板叠制产生磁通，建立主磁场励磁绕组漆包线或绝缘扁铜线换向极换向极铁心热轧软钢板叠制改善换向换向极绕组绝缘扁铜线补偿绕组绝缘扁铜线改善负载特性，改善换向（磁）轭部铸钢或热轧软钢板叠制提供磁路转子电枢电枢铁心硅钢片叠成产生电磁转矩，实现机电能量转换电枢绕组漆包线或绝缘扁铜线换向器（整流子）换向片含少量银的铜合金提供电流、整流、换向云母片云母层压板，绝缘轴碳素钢传递转矩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CIeaRUn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，；Φ—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Φ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