地铁列车牵引系统

2021/6/91列车牵引系统2021/6/92目录列车牵引理论简述列车牵引系统设备组成列车牵引控制一号线车辆牵引系统简介2021/6/93第一部分列车牵引理论简述2021/6/94列车受力分析地铁车辆在运动过程中会受到各种外力的作用，影响它的运行结果。我们把所有作用在车辆上外力的合力用G表示，根据动力学原理:•当G0时，车辆加速运行；•当G=0时，车辆静止或匀速运行；•当G0时，车辆减速运行。作用在车辆上的诸多外力按其性质可分为三类：•牵引力FK——使列车运动并可以控制的外力；•车辆阻力W——在运行中产生的与列车运行方向相反的不可控制的力；•制动力B——与列车运行方向相反的并使列车减速或停止的可控制的外力。这三个力作用于列车，并影响列车运行。在一般情况下不是同时存在的。在牵引工况，牵引力、阻力同时存在；在惰行工况，仅阻力存在；在制动工况，制动力、阻力同时存在。2021/6/95牵引力的形成牵引电机的转矩通过输出轴，传动装置（联轴节，齿轮箱）最后使车辆动轮获得扭矩M。假设我们把车辆吊起来离开钢轨，则扭矩作为内力矩，只能使车轮发生旋转运动，而不能使车辆发生平衡运动。但当车辆置于钢轨上使车轮和钢轨成为有压力的接触时，就产生车轮作用于钢轨的可以控制的力F，而F所引起的钢轨反作用于车轮的反作用力FK就是使列车发生平移运动的外力（如图所示）。这种由钢轨沿列车运行方向加于动轮轮周上的切向外力ΣFK就是列车的轮周牵引力，简称列车牵引力。2021/6/96黏着与黏着定律由上面的图可以看出，车轮由于受到正压力而保持动轮与钢轨的接触处的相对静止,这种现象称为“黏着”。黏着状态下的静摩擦力FK也叫“黏着力”。黏着类似于静力学里的静摩擦。当动轮的驱动转矩产生的切向力F增大时，黏着力FK也随之增大，保持与F相等，实验证明，黏着力最大值于动轮的正压力成正比，其比例常数被称为黏着系数。当F增大超过粘着力的极限值时，轮轨间的粘着被破坏，动轮因无足够的水平支承力，就不能在钢轨上滚动，而开始在钢轨上滑动，造成动轮空转，这时，钢轨对车轮的反作用力FK（牵引力）也因由静摩擦力变为动摩擦力而急剧下降。随着轮轨间相对滑动速度的增加，动磨擦系数越来越小，粘着力的下降更为严重。结果动轮以轴为中心加速空转，车轮空转易造成传动装置和走行部的损坏，并使轨与轮接触面擦伤。所以在运行中必须尽量避免。综上所述，列车牵引力最大值在任何时候都不得超过车辆各动轮与钢轨间粘着力的最大值的总和。这一原理称为粘着定律2021/6/97影响牵引力的两个因素一是牵引装置传给轮对的转矩。它和牵引电机的速度特性和扭转特性所决定的牵引特性有关；二是动轮与钢轨的相互作用，主要是轮轨间的粘着系数以及动轮的荷重有关。当牵引电机选定后，轮轨间的粘着就变成产生牵引力的决定条件，牵引力不能大于轮轨粘着力，否则动轮就会产生空转，列车不能前进并造成轮对踏面和钢轨面擦伤的恶果。2021/6/98阻力阻力是车辆运行中必然存在的一种外力与列车运动方向相反，根据阻力引起的原因可把阻力分为基本阻力和附加阻力。基本阻力：列车在运行中总是存在，列车在平直道上运行时一般只有基本阻力。附加阻力：发生在特定的情况下，上坡、曲线、起动。列车阻力随所处环境的不同而变化，也与车辆结构设计，保养质量有关。影响阻力的因素极为复杂，变化也很大，很难进行理论推算。2021/6/99基本阻力产生基本阻力的主要因素有：滚动轴承及车辆各摩擦处之间的摩擦；车轮与钢轨间的滚动的滚动摩擦和滑动摩擦；冲击和振动引起的阻力；空气阻力。基本阻力诸因素对列车阻力的影响程度与运行速度有关。低速时，轴承、轮轨等摩擦的影响大，空气阻力影响小；高速时，空气阻力占主导地位，而摩擦影响就不大。对于地铁车辆而言，车辆主要在隧道中运行，由于车辆与隧道的横截面之比很小，在车辆与隧道的间隙中存在着强烈气流摩擦和车辆前后的空气压力差，使空气阻力成为车辆的主要运行阻力。列车运行速度越高，基本阻力越大。地铁在A车前端下部设计扰流板的目的就是为了减少运行时的空气阻力。高速列车把外形设计成流线形也是为了减少高速时很大的气流阻力。因为影响阻力的因素极为复杂，变化很大，所以一般采用理论和实验相结合，求出经验公式，在车辆单位重量下车辆的基本阻力公式为：W=a+bv+cv2(N/KN)阻力与速度是二次函数的关系，式中a、b、c为实验数据2021/6/910附加阻力坡道阻力:列车进入坡道后，由列车重力产生的沿坡道斜面的分力称为坡道阻力。曲线阻力：曲线阻力是列车通过曲线时增加的阻力，引起曲线阻力的原因有：缘与外轨头内侧的摩擦；柱轴承的轴端摩擦；轮对于钢轨的横向及纵向滑动；心销及中心销座因转向架的回转而发生的摩擦。曲线阻力与许多因素有关，如：曲线半径、运行速度、外轨超高、车重、轴距、踏面的磨耗程度等。经验公式：起动阻力：起动阻力对地铁车辆而言起动性能好，影响不大。对内燃机车是一主要阻力。2021/6/911制动力制动力的形成：制动是车辆运行的重要性能，制动性能的好坏在很大程度上限制了车辆的载重和列车的运行速度。地铁车辆主要采用电制动，但是由于电制动的制动力和车辆运行速度之间的关系是速度越低制动力越小，所以停车和紧急制动时还要采用空气制动系统。空气制动又称摩擦制动。列车运行时，增大制动力可缩短制动距离，提高行车的安全性，但是，并不是制动力越大，制动效果越好。制动力也和实现牵引力一样，必须遵守粘着定律。当制动力大于轮轨间的粘着力时，就像牵引力一样，也会发生轮轨间的滑行，此时，车轮被闸瓦抱死，车轮在钢轨上滑行。列车一旦滑行，首先是制动力下降，其次会发生轮对踏面及轨面的擦伤。对此司机在驾驶列车，尤其是天气不良，轮轨粘着状态不好时，要特别加以注意。为了保证正常制动，制动力必须不超过粘着力2021/6/912第二部分列车牵引系统设备组成2021/6/913牵引系统设备组成受电弓高速断路器HSCBVVVF牵引逆变器牵引控制单元DCU牵引电机制动电阻司控器2021/6/914受电弓组成：1.底座2.下臂3.下导杆4.上臂5.上导杆6.弓头7.张紧弹簧8.气压升弓装置9.导电桥线机构10.阻尼器11.托12.最低点位置指示器13.高位阻挡用途：从接触网获得1500V直流电，将其转化为三相交流电，来满足列车牵引和车上其他的设备的用电需求。2021/6/915高速断路器HSCB低压控制高压的开关设备。其作用就是将电网与车辆高压设备分开，利用HSCB过电流(如短路)后的快速响应特性来保护直流侧设备。2021/6/916VVVF逆变器组成：电源电流传感器滤波电抗器直流电压传感器过电压释放晶闸管过电压放电电阻放电电阻,滤波电容器IGBT模块相电流传感器作用：牵引时，通过控制内部的IGBT模块的通断来产生三相交流电源供牵引电机使用；制动时，将感应电机产生的交流电整流成直流电反馈给电网或制动电阻。2021/6/917牵引控制单元DCUDCU的主要功能异步电动机控制牵引控制单元DCU将机车控制级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控制，包括调节、保护、逆变器脉冲模式的产生等。对VVVF逆变器和牵引电机进行保护控制电制动（ED-BRAKE）进行调整、保护和逆变器脉冲模式的产生，实现在再生制动和电阻制动之间的平滑过渡。防空转/防滑保护控制列车加减速冲击限制保护通信网路功能故障诊断功能等2021/6/918牵引电机基本参数类型和冷却：自通风铜条鼠笼式三相感应电机额定方式：持续制额定功率：190kW转矩：766N·m电机电压：1100V电机电流：130A额定频率：80Hz额定转速：2370r/min转差率：1.4%-转差率极数：4极效率：93%功率因数：84%最大功率：牵引时：277kW,DC1350V车速40km/h,电流210A制动时：455kW,DC1650V车速80km/h,电流215A绝缘等级：200级（IEC60349-2）齿轮传动比：7.71(131/17)轮径：840mm（新）805（半磨耗，计算用）770（全磨耗）最高转速：4780r/min最高试验转速：5740r/min转向：U-V-W正常相序时按照顺时针方向旋转（从牵引端看）估计重量：625Kg2021/6/919制动电阻为牵引系统在电制动时消耗过高再生电压的耗能设备，保证线网及列车的安全。因为在电制动的情况下,当能量不能被电网完全吸收时,多余的能量必须转换为热能消耗在制动电阻上，否则电网电压将抬高到不能承受的水平。因此制动电阻的存在确保了电网上的其它设备的安全。额定电阻值（20℃）2.95Ω±5%采用自然风冷的冷却方式2021/6/920司控器司机控制器是用来操纵地铁车辆运行的主令控制器，是利用控制电路的低压电器间接控制主电路的电气设备。司机控制器的面板上有控制手柄、换向手柄两种可操作机构。控制手柄有：牵引区、0位、制动区、快速制动位；换向手柄有：“向后”、“0”、“向前”三个档位。司机控制器的控制手柄0位、牵引最大位、制动最大位、快速制动位有定位；在这些档位之间为无级调节；通过转动同轴的驱动电位器用来调节输入到电子柜的电压指令，从而达到调节机车牵引力和电阻制动的目的；换向手柄在每个档位均定位，换向手柄稳定在相应的档位中。控制手柄、换向手柄和机械锁之间相互机械联锁。在使用时，先打开机械锁，再由换向手柄选定机车的行车方向和工况，再操作控制手柄来控制机车的速度。在行车过程中，如需要改变机车的工况时，必须将控制手柄放回“0”位后，才可进行换向手柄的操作。如司机需要进行异端操作时，必须将本端司控器的控制手柄置“0”位，且换向手柄置“0”位，锁闭机械锁，拔出钥匙，方可进行异端操作。2021/6/921第三部分列车牵引控制2021/6/922整列车的牵引指令控制车辆牵引指令中有对车辆各种状态的监控，一旦这些因素有一点不满足要求，牵引指令线就会断开，列车将无法牵引，以此来进行保护。这其中除了信号系统相关的保护外，还有车门状态监控、主风缸压力大小监控、停车制动状态监控、紧急制动状态监控，如下图所示：•DCR为车门全关闭继电器，当车门全部关好后，DCR得电，其串在牵引回路中的常开触点闭合，一旦车门中有一个未能关闭，继电器失电，触点断开，牵引指令就法发送出去。•MRPR2为主风缸压力继电器，是由列车管理系统TMS控制，当主风缸的压力高于6bar时得电，其辅助触点闭合，一旦主风缸压力低于6bar，继电器失电，触点断开，牵引封锁。•PKBR为停放制动继电器，列车在牵引前必须按停放制动缓解按钮缓解停放制动才能让继电器得电来牵引，若停放制动不缓解，继电器不得电，将牵引封锁。•EBR为紧急制动继电器，若列车处于紧急制动状态，继电器失电，列车将无法牵引。DCRDLCOSPKBRPKBRCOSMRPR2MPR2COS110vEBRVVVFDCU2021/6/923牵引主电路原理高速断路器(HB)，线路接触器(LB)，充电电阻(CHRe)，充电接触器(LCH)，制动斩波模块(BCH1,2),制动电阻(BRe1,2)输入电流传感器(DCCTS)，差动电流传感器（DCCT1），滤波电抗器（FL），直流电压传感器(DCPT1、2)，放电电阻(DCHR)滤波电容器(FC)，牵引电机(IM1～4)，U相电流传感器(CTU)，V相电流传感器(CTV)，IGBT模块(IGU～IGZ)2021/6/924主电路功能与说明功能•主电路通过HB、线路接触器连至接触网，从电网获得电能。•逆变器将1500V直流电压转换为三相交流电压，从而驱动三相感应电机。逆变器由IPM模块组成。该逆变器能够实现变压变频控制，它能够控制感应电机的转速，也就使得列车速度能在一个很宽的范围内调节。它还能够实现牵引/再生制动和向前/向后操作，不需切换主电路，而是通过对滑差频率及输出相序的控制来实现的，也就是说只需控制门极信号。•电