城市轨道交通车辆 第06章 电力牵引传动系统一

第 六 章 电 力 牵 引 传 动 系 统（ 一 ） 1 1 概 述2 牵 引 供 电 方 式3 直 流 牵 引 传 动 系 统 构 成 及 原 理4 交 流 牵 引 传 动 系 统 的 构 成 及 原 理5 电 力 牵 引 系 统 主 要 设 备6 城 轨 车 辆 能 量 回 馈 系 统7 大 功 率 交 流 传 动 互 馈 试 验 系 统 2 电 力 牵 引 是 一 种 将 电 能 作 为 动 力 的 牵 引 方 式 。 轨 道 交 通 车 辆 的 电 力 牵引 系 统 的 基 本 功 能 是 车 辆 经 牵 引 供 电 网 络 吸 取 电 能 转 变 为 驱 动 车 辆 所 需 的机 械 能 ， 或 者 是 将 车 辆 的 机 械 能 变 为 电 能 ， 对 车 辆 实 施 电 制 动 。 所 以 电 力 牵 引 系 统 以 牵 引 电 机 为 控 制 对 象 ， 通 过 对 电 机 牵 引 力 和 速 度的 调 节 ， 满 足 车 辆 牵 引 和 制 动 特 性 的 需 要 。 图 5.1 牵 引 传 动 装 置 车 轴 车 轮 牵 引 电 机 齿 轮 传 动 箱 概 述 3 轨 道 交 通 电 力 牵 引 系 统 主 要 类 型根 据 供 电 电 压 制 式 可 分 为 ： 直 流 ： 600， 750， 1500， 3000V (标 称 值 ) 交 流 ： 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 4 轨 道 交 通 电 力 牵 引 系 统 主 要 类 型 5直 流 -直 流 （ 城 轨） 交 流 -直 流 （ 干 线 铁 路） （ 直 流 ） 轨 道 交 通 电 力 牵 引 系 统 主 要 类 型 6（ 城 轨） （ 干 线 铁 路） 牵 引 变 压 器 将 牵 引 网 供 给 的 25kV单 相 交 流 电 压 降 低 ， 以 满 足 变 流 器 的 工作 要 求 （ 一 般 在 12kV左 右 ） 。 对 于 “交 直 ”传 动 系 统 ， 变 流 器 主 要 实 现 整 流 功 能 ， 通 过 相 控 整 流 将 交流 电 压 变 为 大 小 可 控 的 直 流 电 压 ； 对 于 “交 直 交 ”系 统 ， 变 流 器 首 先 通 过 脉 宽 整 流 将 交 流 电 变 为 直 流 电， 再 将 直 流 逆 变 为 幅 值 和 频 率 均 可 控 的 三 相 对 称 交 流 电 。 变 流 器 输 出 可 调 的 直 流 /交 流 电 压 ， 供 给 直 流 /交 流 牵 引 电 机 工 作 ， 产 生 所需 要 的 牵 引 力 。 干 线 铁 路 机 车 、 动 车 组 牵 引 系 统7 对 于 直 流 传 动 系 统 ， 变 流 器 主 要 作 用 为 调 压 ； 对 于 交 流 传 动 系 统 ， 变 流 器 将 直 流 逆 变 为 幅 值 和 频 率 均 可 控 的 三 相 对 称交 流 电 。 变 流 器 输 出 可 调 的 直 流 /交 流 电 压 ， 供 给 直 流 /交 流 牵 引 电 机 工 作 ， 产 生 所需 要 的 牵 引 力 。 城 市 轨 道 车 辆 电 力 牵 引 系 统8 城 轨 车 辆 ： 电 气 牵 引 时 ， DC750V或 DC1500V直 流 电 压 ， 然 后 经 三 相 逆 变 器 变 为 交 流 三相 电 压 ， 给 牵 引 电 机 供 电 ， 实 现 电 能 到 机 械 能 的 转 换 。 电 气 制 动 时 ， 牵 引 电 机 机 械 能 转 换 为 电 能 ， 经 三 相 逆 变 器 变 为 直 流 电 压 反 馈到 电 网 ， 实 现 机 械 能 到 电 能 的 转 换 ， 也 称 为 再 生 制 动 ； 或 通 过 制 动 电 阻 ， 将 机 械能 转 化 为 热 能 。 9 干 线 铁 路 车 辆 ： 电 气 牵 引 时 ， 25kV交 流 电 经 变 压 器 降 压 后 ， 经 四 象 限 变 流 器 变 为 直 流 电 压， 然 后 经 三 相 逆 变 器 变 为 交 流 三 相 电 压 ， 给 牵 引 电 机 供 电 ， 实 现 电 能 到 机 械 能 的转 换 。 电 气 制 动 时 ， 牵 引 电 机 机 械 能 转 换 为 电 能 ， 经 三 相 逆 变 器 变 为 直 流 电 压 、 经四 象 限 变 流 器 变 为 单 相 交 流 电 压 ， 经 变 压 器 反 馈 到 25kV电 网 ， 实 现 机 械 能 到 电 能的 转 换 ， 也 成 为 再 生 制 动 。 10 1 概 述2 牵 引 供 电 方 式3 直 流 牵 引 传 动 系 统 构 成 及 原 理4 交 流 牵 引 传 动 系 统 的 构 成 及 原 理5 电 力 牵 引 系 统 主 要 设 备6 城 轨 车 辆 能 量 回 馈 系 统7 大 功 率 交 流 传 动 互 馈 试 验 系 统 11 电 力 系 统生 产 、 输 送 、 分 配 、 消 费 电 能 的 发 电 机 、 变 压 器 、 电 力 线 路 、各 种 用 电 设 备 联 系 在 一 起 组 成 的 统 一 体 。 12 13 动 力 部 分 ： 火 电 站 的 锅 炉 、 汽 轮 机 ； 水 电 站 的 水 库 、 水 轮 机 ； 热 电 站 的 热 力 网 ； 风 能 ； 太 能 能 ； 核 能 ； 14 15 16 17 交 流 牵 引 供 电 系 统 18 交 流 牵 引 供 电 系 统 19 直 流 牵 引 供 电 系 统 20 21 电力源及主变电站 城 市 轨 道 交 通 的 电 源 可 以 来 自 国 家 电 网 或 发 电 站 (厂 )。 由 于 城 市 轨 道 交 通 系 统 位 于 城 市 区 域 内 ， 这里 有 国 家 电 力 系 统 的 区 域 变 电 站 ， 因 此 多 数 城 市轨 道 交 通 系 统 可 从 区 域 变 电 站 得 电 ， 其 电 压 一 般为 1035 kV。 如 果 区 域 变 电 站 的 负 荷 有 限 ， 则 需 为 城 市 轨 道 交通 系 统 专 设 主 (降 压 )变 电 站 ， 将 国 家 电 网 的 高 压(110 220 kV)降 为 中 压 (10 35 kV)， 并 通 过 牵引 供 电 网 络 将 电 能 分 配 到 每 一 个 牵 引 变 电 所 和 降压 变 电 所 。 22 从 发 电 厂 (站 )经 升 压 、 高 压 输 电 线 到 区 域 变 电 站 (如 可 供轨 道 交 通 使 用 )或 主 (降 压 )变 电 站 的 部 分 ， 通 常 被 称 为 供电 系 统 的 “ 外 部 供 电 系 统 ， 也 称 “ 一 次 供 电 系 统 ” ； 从 主 (降 压 )变 电 站 及 其 以 后 的 部 分 统 称 为 “ 牵 引 供 电 系 统” 。 23 牵引变电所 牵 引 变 电 所 的 任 务 就 是 将 电 力 系 统 提 供 的 三 相 工 频 交 流 电通 过 变 压 或 变 流 转 变 为 本 线 电 动 车 辆 可 用 的 电 源 。 根 据 电 流 制 的 不 同 ， 牵 引 变 电 所 又 分 为 直 流 牵 引 变 电 所和 交 流 牵 引 变 电 所 。 24 城 市 轨 道 交 通 采 用 直 流 供 电 制 式 是 因 为 城 市 轨 道 交 通 运输 的 列 车 功 率 并 不 是 很 大 ， 其 供 电 半 径 （ 范 围 ） 也 不 大 ，因 此 供 电 电 压 不 需 要 太 高 ， 还 由 于 直 流 制 比 交 流 制 的 电 压损 失 小 （ 同 样 电 压 等 级 下 ） 。 另 外 由 于 城 市 内 的 轨 道 交 通 ， 供 电 线 路 都 处 在 城 市 建 筑 群之 间 ， 供 电 电 压 不 宜 太 高 ， 以 确 保 安 全 。 基 于 以 上 原 因 ，世 界 各 国 城 市 轨 道 交 通 的 供 电 电 压 都 在 直 流 550 1500V之 间 。 25 现 在 ， 国 际 电 工 委 员 会 拟 定 的 电 压 标 准 为 600 V、 750 V和1500 V三 种 ， 后 两 种 为 推 荐 值 。 我 国 国 家 标 准 也 规 定 为 750 V和 1500V。 26 以 北 京 和 天 津 为 代 表 的 北 方 地 区 采 用 DC 750V供 电 电 压 制式 ， 允 许 电 压 波 动 范 围 为 DC 500V DC 900V， 第 三 轨 受 流； 以 上 海 和 广 州 为 代 表 的 南 方 地 区 采 用 DC 1500V供 电 电 压 制式 ， 允 许 电 压 波 动 范 围 为 DC 1000V DC 1800V， 架 空 接 触网 受 电 弓 受 流 。 27 从 减 少 电 能 损 失 和 电 压 降 ， 延 长 供 电 距 离 以 降 低 牵 引 变 电站 的 数 量 及 投 资 ， 以 及 从 降 低 受 流 接 触 网 的 悬 挂 重 量 、 降低 结 构 复 杂 性 及 投 资 而 言 ， 采 用 DC 1500V的 牵 引 供 电 电 压制 式 比 采 用 DC 750V的 牵 引 供 电 电 压 制 式 要 经 济 得 多 。 高 耐 压 电 力 电 子 变 流 器 件 的 发 展 ， 为 采 用 DC 1500V供 电 的城 市 轨 道 交 通 牵 引 传 动 系 统 提 供 了 可 靠 的 技 术 保 障 。 因 此 ， 今 后 我 国 的 城 市 轨 道 交 通 牵 引 传 动 系 统 的 供 电 电 压制 式 的 发 展 趋 势 应 该 是 逐 步 采 用 统 一 的 DC 1500 V。 28 牵 引 供 电 整 流 装 置 将 高 压 交 流 (10kV或 35kV)变 为 直 流 电(750V或 1500V)， 为 了 提 高 直 流 电 的 供 电 质 量 ， 降 低 直 流电 源 的 脉 动 量 ， 通 常 采 用 多 脉 波 整 流 的 方 法 ， 如 12脉 波 ，24脉 波 整 流 ， 直 流 供 电 网 整 流 方 式 29 接触网 接 触 网 是 将 牵 引 变 电 所 的 电 源 传 送 给电 动 车 辆 的 导 体 。 电 动 车 辆 通 过 受 电 弓 (或 受 流 器、 集 电 靴 )获 得 电 能 ， 驱 动 牵 引 电 动 机 使 列 车 运 行。 30 广 义 的 接 触 网 大 体 可 分 为 接 触 导 线 (习 惯 称 为 接 触网 )及 接 触 轨 两 大 类 。 接 触 导 线 悬 挂 于 轨 道 上 方 ， 接 触 轨 位 于 轨 道 中 部 或侧 面 。 上 海 地 铁 采 用 架 空 式 接 触 网 北 京 地 铁 采 用 接 触 轨 ， 接 触 轨 安 装 于 线 路 行 车 方 向的 左 侧 ， 集 电 靴 采 用 上 部 接 触 方 式 受 电 。接 触 网 分 类 31 1 概 述2 牵 引 供 电 方 式3 直 流 牵 引 传 动 系 统 构 成 及 原 理4 交 流 牵 引 传 动 系 统 的 构 成 及 原 理5 电 力 牵 引 系 统 主 要 设 备6 城 轨 车 辆 能 量 回 馈 系 统7 大 功 率 交 流 传 动 互 馈 试 验 系 统 32 一 、 直 流 电 机 N S NS 直 流 电 机 由 定 子 、 转 子 两 部 分 构 成 。直 流 牵 引 传 动 系 统 33 直 流 电 机 直 流 电 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N S NS34 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 直 流 电 动 机 工 作 原 理 载 流 导 体 在 磁 场 中 将 会 受 到 力 的 作 用 ， 若 磁 场 与 载 流 导 体 互 相 垂 直， 作 用 在 导 体 上 的 电 磁 力 大 小 为 ： f = Bli B:磁 密 l： 导 体 长 度 ； i： 导 体 中 电 流力 的 方 向 用 左 手 定 则 确 定 35 直 流 电 动 机 工 作 原 理换 向 电 枢 绕 组 两 端 分 别 接 在两 个 相 互 绝 缘 而 和 绕 组 同 轴旋 转 的 半 圆 形 铜 片 换 向片 上 ， 组 成 一 个 换 向 器 。 换向 器 上 压 着 固 定 不 动 的 炭 质电 刷 。 36 直 流 电 动 机 工 作 原 理 当 电 枢 转 到 图 a所 示 位 置 时 ， ab边 在 N极 下 ， cd边 在 S极 下 ， 电 磁 转矩 方 向 如 图 所 示 。 37 直 流 电 动 机 工 作 原 理 当 电 枢 转 到 上 图 b所 示 位 置 时 ， ab边 转 到 了 S极 下 ， cd边 转 到 了 N极下 ， 但 由 于 换 向 器 随 同 一 起 旋 转 ， 使 得 电 刷 A总 是 接 触 N极 下 的 导 线 ，而 电 刷 B总 是 接 触 S极 下 的 导 线 ， 故 电 流 流 动 方 向 发 生 改 变 ， 电 磁 转 矩 方向 不 变 。 38 直 流 电 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 。 39 机 械 特 性 ： 电 动 机 是 用 来 拖 动 车 辆 运 行 的 ， 而车 辆 运 行 对 电 动 机 提 出 的 主 要 要 求 是 转 速 和 转 矩 。n0 T串 励 电 动 机 机 械 特 性 他 励 电 动 机 机 械 特 性 40 串 励 电 动 机 机 械 特 性 对 于 串 励 电 动 机 ， 低 转 速 时 ， 电 机 转 矩 很 大 ， 有 利 于 重 载 启 动 ，高 转 速 时 ， 转 矩 很 小 。 41 直 流 牵 引 调 速 系 统直 流 电 机 的 基 本 调 速 方 法直 流 牵 引 电 动 机 调 速 的 基 本 形 式 42 基 本 调 速 方 法 在 上 式 中 ， CE是 常 数 ， Id与 电 磁 转 矩 成 正 比， 因 此 调 节 电 动 机 的 转 速 可 以 有 三 种 方 法 ： 调 解 电 枢 供 电 电 压 U 减 弱 励 磁 磁 通 改 变 电 枢 回 路 电 阻 R EdC RIUn 43 图 5.11 有 触 点 式 开 关 调 阻 原 理 图 （ 一 ） 调 压 法 ： （ 1） 变 阻 控 制 调 节 电 阻 的 方 法 又 可 分 为 两类 ， 即 采 用 有 触 点 组 合 式 凸 轮 开关 调 阻 和 无 触 点 斩 波 调 阻 。 有 触 点 开 关 调 阻基 本 调 速 方 法 （ 直 -直 系 统 ） 44 图 5.13 直 流 斩 波 电 路 原 理 直 流 斩 波 电 路 原 理直 流 斩 波 电 压 波 形 t0 LRU onT offTT LRu U 图 5.14 直 流 斩 波 电 压 波 形 （ 一 ） 调 压 法 ： （ 2） 斩 波 调 压 TTon UTtUU onRL 导 通 比 45 基 本 调 速 方 法 （ 直 -直 系 统 ） 改 变 负 载 平 均 电 压 有 三 种 典 型 的 控 制 方 法 : （ 1） 定 频 调 宽 控 制 （ 脉 宽 调 制 ） ： 即 保 持 斩波 周 期 T不 变 ， 改 变 斩 波 器 导 通 时 间 ， 从 而 改 变 负载 平 均 电 压 。 46 基 本 调 速 方 法 （ 直 -直 系 统 ） （ 2） 定 宽 调 频 控 制 （ 频 率 调 制 ） ： 即 保 持 斩 波 器 导通 时 间 不 变 ， 通 过 改 变 斩 波 器 周 期 T来 改 变 负 载 平均 电 压 。 47 基 本 调 速 方 法 （ 直 -直 系 统 ） （ 3） 调 频 调 宽 混 合 控 制 ： 不 但 改 变 斩 波 器 的 工 作 频率 ， 而 且 改 变 斩 波 器 的 导 通 时 间 。 48 基 本 调 速 方 法 （ 直 -直 系 统 ） 三 种 典 型 控 制 方 法 特 点 : （ 1） 定 频 调 宽 控 制 ： 频 率 固 定 ， 易 于 设 计 消除 高 次 谐 波 的 滤 波 器 。 （ 2） 定 宽 调 频 控 制 ： 控 制 方 便 ， 易 发 生 共 振及 干 扰 通 信 信 号 。 （ 3） 调 频 调 宽 混 合 控 制 ： 常 用 在 需 要 大 幅 度改 变 输 入 电 压 ， 同 样 带 来 滤 波 器 设 计 困 难 等 问 题。 49 基 本 调 速 方 法 （ 直 -直 系 统 ） 图 5.15 串 励 电 动 机 磁 场 削 弱 法 （ a） （ b） （ a） 短 路 匝 数 法 （ b） 分 路 电 流 法 M M （ 二 ） 调 节 主 极 磁 通 ： 50 直 -直 系 统 的 电 制 动（ 一 ） 电 阻 制 动 ： 5.16 直 流 电 机 的 电 阻 制 动 接 线 原 理 图 （ a） 电 动 机 牵 引 工 况 （ b） 他 励 式 电 阻 制 动 （ c） 串 励 式 电 阻 制 动 n EUd I L Id ERZ nId + - ER Z ndI IL I L (a) (b) (c) M M M电 机 牵 引 工 况 他 励 电 阻 制 动 工 况 51 图 5.17 再 生 制 动 原 理 图 dU D PL SU Mid iZ + （ 二 ） 再 生 制 动 ： 52 直 -直 系 统 的 电 制 动 在 干 线 铁 路 轨 道 交 通 车 辆 中 ： 直 流 控 制 系 统 采 用 相 控 整 流 控 制 方 式 。 全 控 桥 式 整 流 控 制 方 式 ； 半 控 桥 式 整 流 控 制 方 式 ； 多 段 桥 顺 序 控 制 方 式 ； 53 基 本 调 速 方 法 （ 交 -直 系 统 ） 全 控 桥 式 整 流 控 制 方 式 54PKabT1 T2u2u1 MT4 T3 udiT 全 控 整 流 电 路 改 变 可 控 硅 改 变 整 流 电 压 ud波 形 改 变 Ud。i 0iu, tu1 iTIT i(1) 0u tud 00 ttId I di iT1 iT2 iT4iT3 全 控 桥 整 流 波 形 基 本 调 速 方 法 （ 交 -直 系 统 ） 半 控 桥 式 整 流 控 制 方 式 55半 控 整 流 电 路 改 变 可 控 硅 改 变 整 流 电 压 ud波 形 改 变 Ud。 半 控 桥 整 流 波 形 PKa bT1 D1u2u1 MT2 D2 udiT cd Idi2 . . 基 本 调 速 方 法 （ 交 -直 系 统 ） 两 段 半 控 桥 电 路 56两 段 半 控 桥 电 路 两 段 半 控 桥 波 形 iT 20u tudi tId 2 RM1i tI d 2 RM200 t0iT 变 压 器 副 边 两 段 ， 分 别 给 半 控桥 RM1、 RM2供 电 ， 两 桥 串 后 向电 机 供 电 。 低 压 段 ， RM1逐 渐 开 放 ， RM2关 断 ； 高 压 段 ， RM1全 开 放 ， RM2逐 渐 开 放 ；基 本 调 速 方 法 （ 交 -直 系 统 ） 三 段 不 等 分 半 控 桥 式 电 路 57三 段 不 等 分 半 控 桥 电 路 第 一 段 ， 低 压 调 节 （ 大 桥 调 压 ） 。 绕组 ax1、 T1、 T2、 D1、 D2工 作 ， D3、 D4联 通 电 路 ； T3 T6均 关 断 ； 第 二 段 ， 中 压 调 节 （ 小 桥 调 压 ） 。 大桥 满 开 放 （ 即 1=0） ， 绕 组 bc、 T3、T4、 及 D3、 D4投 入 工 作 ； T5、 T6关 断； 第 三 段 ， 高 压 调 节 ， 前 两 段 桥 满 开 放（ 即 1=0、 2=0） ， 绕 组 cx2、 T5、T6也 工 作 ，ab Mu dcx1 T3D3 T1D1 T2D2 T4D4 . . T5T6. . . x2 iTu1 基 本 调 速 方 法 （ 交 -直 系 统 ） 三 段 不 等 分 半 控 桥 式 电 路 58三 段 不 等 分 半 控 桥 电 路 三 段 不 等 分 半 控 桥 波 形 ab Mudcx1 T3D3 T1D1 T2D2 T4D4 . . . T5 T6. . .x 2 iTu1 iT10u t t0iTi t0 iT2 iT2 iT4 iT1 iT3 iT2iT4 iT6 iT1iT3 iT5Id2KT 3Id4KT IdKT 基 本 调 速 方 法 （ 交 -直 系 统 ） 四 段 经 济 半 控 桥 式 电 路 59四 段 经 济 半 控 桥 电 路 ab Mudcx1 T3D3 T1D1 T2D2 T4D4 . . . T5 T6. . .x 2 iTu1 四 段 经 济 桥 与 三 段 不 等 分 桥 电 路 相 同 ，只 是 控 制 顺 序 不 同 。 第 一 段 ， 移 相 控 制 T3、 T4， 绕 组 bc、 T3、T4、 D3、 D4工 作 ， D1、 D2联 通 电 路 ， T1、 T2、 T5、 T6均 封 锁 ， 仅 bc段 绕 组 流 过 电 流 ； 第 二 段 ， 一 段 桥 满 开 放 ， 移 相 控 制 T5、 T6， 绕 组 bc和 cx2、 T3 T6、 D3、 D4工 作 ， D1、 D2联 通 电 路 ， T1、 T2封 锁 ； 过 渡 ， 2=0时 ， 将 bx2段 负 载 全 转 移 到ax1上 。 （ 二 绕 组 匝 数 相 等 ， 合 理 控 制 实 现无 冲 击 平 滑 转 移 ） 电 压 过 零 时 刻 满 开 放 T1、T2， 并 封 锁 T3 T6。 电 机 端 压 不 变 ； 第 三 段 ， 维 持 T1、 T2满 开 放 ， 再 次 控 制 T3、 T4， 使 bc段 再 次 投 入 工 作 ； 第 四 段 ， 维 持 T1 T4满 开 放 ， 再 次 控 制 T5 、 T6， 使 cx2段 再 次 投 入 工 作 ； 基 本 调 速 方 法 （ 交 -直 系 统 ） 60 1 23456 不 同 整 流 电 路 功 率 系 数 1 不 可 控 整 流 电 路2 全 控 桥 式 整 流 电 路3 半 控 桥 式 整 流 电 路4 两 段 半 控 桥 式 整 流 电 路5 三 段 不 等 分 半 控 桥 式 整 流 电 路6 四 段 经 济 半 控 桥 式 整 流 电 路 基 本 调 速 方 法 （ 交 -直 系 统 ） 交 -直 系 统 的 电 制 动电 阻 制 动 ： 5.16 直 流 电 机 的 电 阻 制 动 接 线 原 理 图 （ a） 电 动 机 牵 引 工 况 （ b） 他 励 式 电 阻 制 动 （ c） 串 励 式 电 阻 制 动 n EUd I L Id ERZ nId + - ER Z ndI IL I L (a) (b) (c) M M M电 机 牵 引 工 况 他 励 电 阻 制 动 工 况 61 1 概 述2 牵 引 供 电 方 式3 直 流 牵 引 传 动 系 统 构 成 及 原 理4 交 流 牵 引 传 动 系 统 的 构 成 及 原 理5 电 力 牵 引 系 统 主 要 设 备6 城 轨 车 辆 能 量 回 馈 系 统7 大 功 率 交 流 传 动 互 馈 试 验 系 统 62 一 、 交 流 牵 引 系 统 特 点 及 发 展 概 况二 、 三 相 异 步 电 机三 、 交 流 电 机 调 速 系 统四 、 交 流 传 动 的 脉 宽 调 制 技 术 63 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 。 64 交 流 牵 引 系 统 特 点 及 发 展 概 况 交 流 电 力 传 动 特 点 ： 电 机 结 构 简 单 ， 成 本 较 低 ； 工 作 可 靠 ， 寿 命 长 ， 维 修 、 运 行 费 用 低 ； 防 空 转 能 力 好 。 65 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 特 点 及 发 展 概 况 66 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 。交 流 牵 引 系 统 特 点 及 发 展 概 况 67 三 相 异 步 电 机 基 本 结 构 68 三 相 异 步 电 机 基 本 结 构铁 心 ： 由 内 周 有 槽的 硅 钢 片 叠 成 。A -XB -Y C- Z三 相 绕 组机 座 ： 铸 钢 或 铸 铁 69 70 (1) 鼠 笼 式 转 子 铁 芯 槽 内 放 铜 条 ， 端 部用 短 路 环 形 成 一 体 ， 形 成 转子 绕 组 。(2) 绕 线 式 转 子 同 定 子 绕 组 一 样 ， 也 分为 三 相 ， 并 且 接 成 星 形 。 三 相 异 步 电 机 工 作 原 理 120sin 120sinsinmC mB mA tIi tIi tIi 定 子 三 相 绕 组 通 入 三相 交 流 电 (星 形 联 接 ) Bi AX BYC ZA iCi CiAi Bii tmIo 71 i CiAi Bi tmIo 0n i : “+” 首 端 流 入 ， 尾 端 流 出 。 i : “” 尾 端 流 入 ， 首 端 流 出 。 AYC B ZX()电 流 出()电 流 入三 相 异 步 电 机 工 作 原 理 72 CiBiAii tAXYC B ZAXYC B ZAXYC B ZNS 三 相 电 流 合 成 磁场 的 分 布 情 况 0t 60t合 成 磁 场 方 向 向 下 合 成 磁 场 旋 转 600n 60 90t合 成 磁 场 旋 转 90600 mIoS N S N三 相 异 步 电 机 工 作 原 理 73 AXYC B ZAXYC B ZAXYC B ZNS 可 以 看 出 ， 旋 转 磁 场 是 一 对 磁 极 。 级 对 数 就 是 旋 转 磁 场 的 级 对 数 。 根 据 绕 组 的 不同 安 排 ， 可 产 生 两 对 、 三 对 或 更 多 对 数 的 旋 转 磁 场 。0t 60t合 成 磁 场 方 向 向 下 合 成 磁 场 旋 转 600n 60 90t合 成 磁 场 旋 转 90S N S N三 相 异 步 电 机 工 作 原 理 74 定 子 三 相 绕 组 通 入 三 相 交 流 电 分 ）转 /( 60 10 pfn 方 向 :顺 时 针 切 割 转 子 导 体 Blv右 手 定 则 感 应 电 动 势 E20旋 转 磁 场感 应 电 流 I2旋 转 磁 场 Bli左 手 定 则 电 磁 力 F电 磁 转 矩 T n AXYC BZv 0nNS FF三 相 异 步 电 机 工 作 原 理 75 由 前 面 分 析 可 知 ， 电 动 机 转 子 转 动 方 向 与 磁 场旋 转 的 方 向 一 致 ， 但 转 子 转 速 n 不 可 能 达 到 与 旋 转磁 场 的 转 速 相 等 ， 即 0nn 异 步 电 动 机如 果 : 0nn 无 转 子 电 动 势 和 转 子 电 流 转 子 与 旋 转 磁 场 间 没 有 相 对 运 动 ， 磁 通 不 切 割 转 子 导 条无 转 矩 三 相 异 步 电 机 工 作 原 理 76 旋 转 磁 场 的 同 步 转 速 和 电 动 机 转 子 转 速 之 差 与旋 转 磁 场 的 同 步 转 速 之 比 称 为 转 差 率 。因 此 ， 转 子 转 速 与 旋 转 磁 场 转 速 间 必 须 要 有 差 别 。%100 00 n nns 三 相 异 步 电 机 工 作 原 理 77 maxT mSNSO T S曲 线)(sfT stT 1NT 三 相 异 步 电 机 工 作 原 理 转 子 转 速 越 接 近 定子 的 磁 场 转 速 ， 则 转 差率 越 小 ， 由 于 三 相 异 步电 动 机 的 额 定 转 速 与 同步 转 速 相 近 ， 所 以 它 的转 差 率 很 小 ， 通 常 在 额定 负 载 时 的 转 差 率 约 为1% 9%。 78 maxT mSNSO T S曲 线)(sfT 曲 线)(TfnstT 1NT Nn maxTstTO n TNT0n 三 相 异 步 电 机 工 作 原 理 79 三 、 交 流 电 机 调 速 系 统 直 流 电 机 的 速 度 控 制 主 要 基 于 电 压 和 磁 场 控制 。 交 流 电 机 的 速 度 控 制 ， 需 要 控 制 更 多 参 数 ，电 压 、 电 流 、 电 源 频 率 及 转 差 率 。 80 关 键 问 题 ： ?maxT mSNSO T S曲 线)(sfT stT 1NT 81 基本公式： 82 基本公式： 83 84 速 度 -扭 矩 特 性 （ 只 有 频 率 发 生 变 化 ） ： 85 速 度 -扭 矩 特 性 （ 只 有 电 压 发 生 变 化 ） ： 86 87 速 度 -牵 引 力 特 性 ： A B C A-恒 扭 矩 区 ； B-恒 功 率 区 ； C-特 性 区 88 恒 扭 矩 区 ：A B C 89 恒 扭 矩 区 ：A B C 90 恒 功 率 区 ：A B C 91 恒 功 率 区 ：A B C 92 特 性 区 ：A B C 93 特 性 区 ：A B C 94 速 度 -牵 引 力 特 性 ： A B C A-恒 扭 矩 区 ； B-恒 功 率 区 ； C-特 性 区 随 着 电 子 技 术 及 控 制 技 术 的 发 展 ， 出现 了 矢 量 控 制 、 直 接 力 矩 控 制 技 术 。 模 仿 直 流 电 机 的 控 制 方 法 ， 采 用 矢 量 坐 标 变换 来 实 现 对 异 步 电 机 定 子 励 磁 电 流 分 量 和 转 矩 电流 分 量 的 解 耦 控 制 ， 保 持 电 机 磁 通 的 恒 定 ， 进 而达 到 良 好 的 转 矩 控 制 性 能 ， 实 现 高 性 能 控 制 。 性能 优 良 ， 控 制 相 同 复 杂 ， 直 到 90代 计 算 机 技 术 迅速 发 展 才 真 正 大 范 围 使 用 。 95 四 、 交 流 传 动 的 脉 宽 调 制 控 制 技 术 图 5.29 PWM方 式 框 图 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 。 96 逆 变 器 的 基 本 情 况 介 绍 1、 逆 变 的 概 念 ： 逆 变 与 整 流 相 对 应 ， 直 流 电 变 成 交 流 电 。 97 2、 逆 变 电 路 的 基 本 工 作 原 理以 单 相 桥 式 逆 变 电 路 为 例负 载a) b) tS1S 2 S3S4io uoUd uo iot1 t2S1S4是 桥 式 电 路 的 4个 臂 ， 由 电 力 电 子器 件 及 辅 助 电 路 组 成 。 输 出 电 压 输 出 电 流98 S1、 S4闭 合 ， S2、 S3断 开 时 ， 负 载 电 压 uo为 正 。 99 直 流 电交 流 电S2、 S3闭 合 ， S1、 S4断 开 时 ， 负 载 电 压 uo为 负 。100 逆 变 电 路 最 基 本 的 工作 原 理 改 变 两组 开 关 切 换 频 率 ， 可改 变 输 出 交 流 电 频 率。 a)b) tuo iot 1 t2电 阻 负 载 时 ， 负 载 电流 io和 uo的 波 形 相 同， 相 位 也 相 同 。阻 感 负 载 时 ， io相 位 滞 后于 uo， 波 形 也 不 同 。 101 根 据 直 流 侧 电 源 性 质 的 不 同电 压 型 逆 变 电 路 又 称 为 电 压 源型 逆 变 电 路Voltage Source Type Inverter-VSTI直 流 侧 是 电 压 源 电 流 型 逆 变 电 路 又 称 为 电 流 源型 逆 变 电 路Current Source Type Inverter-VSTI直 流 侧 是 电 流 源3、 逆 变 电 路 的 分 类 102 电 压 型 全 桥 逆 变 电 路 (1)直 流 侧 为 电 压 源 或并 联 大 电 容 ， 直 流 侧 电 压基 本 无 脉 动 。 (2)输 出 电 压 为 矩 形 波， 输 出 电 流 因 负 载 阻 抗 不同 而 不 同 。 (3)阻 感 负 载 时 需 提 供无 功 功 率 。 为 了 给 交 流 侧向 直 流 侧 反 馈 的 无 功 能 量提 供 通 道 ， 逆 变 桥 各 臂 并联 反 馈 二 极 管 。电 压 型 逆 变 电 路 的 特 点103 U V W 图 5-11 i d U d VT 1 VT 2 VT3 VT 4 VT5 VT 6图 5-11 电 流 型 三 相 桥 式 逆 变 电 路 一 般 在 直 流 侧 串 联 大 电 感 ， 电 流 脉 动 很 小 ， 可 近 似 看 成 直 流 电 流 源 吸 收 换 流 时 负 载电 感 中 存 贮 的 能量电 流 型 逆 变 电 路 104 (1) 直 流 侧 串 大 电 感 ， 相 当 于 电 流 源 (2)交 流 输 出 电 流 为 矩 形 波 ， 输 出 电 压 波 形和 相 位 因 负 载 不 同 而 不 同 电 流 型 逆 变 电 路 中 ， 采 用 半 控 型 器 件 的 电路 仍 应 用 较 多电 流 型 逆 变 电 路 主 要 特 点 105 4、 三 相 电 压 型 逆 变 电 路l 三 个 单 相 逆 变 电 路 可 组 合 成 一 个 三 相 逆 变 电 路l 应 用 最 广 的 是 三 相 桥 式 逆 变 电 路l 可 看 成 由 三 个 半 桥 逆 变 电 路 组 成N N+ - U V WV 1 V 2V 3V 4 V 5V6VD 1 VD 2VD 3VD 4 VD 5VD 6U d2U d2 106 四 、 交 流 传 动 的 脉 宽 调 制 控 制 技 术 逆 变 器 电 路107 利 用 半 导 体 开 关 器 件 的 导 通 和 关 断 把 直 流 电 压调 制 成 电 压 可 变 、 频 率 可 变 的 电 压 脉 冲 列 。 中 间 部分 较 宽 ， 越 向 两 侧 越 窄 。 PWM（ Pulse Width Moderation） 脉 宽 调 制 技 术U t 等 效 波 形 108 SPWM调 制 ： 采 用 三 角 波 和 正 弦 波 相 交 获 得 的 PWM波 形直 接 控 制 各 个 开 关 ， 可 以 得 到 脉 冲 宽 度 和 各 脉 冲 间的 占 空 比 可 变 的 、 呈 正 弦 变 化 的 输 出 脉 冲 电 压 ， 能获 得 理 想 的 控 制 效 果 ： 109 SPWM调 制 原 理 图SPWM调 制载 波 自 然 采 样110 1、 单 极 性 正 弦 脉 宽 调 制(a)输 出 电 压 波(b)两 种 控 制 电 压 波 的 相 交 111 2、 双 极 性 正 弦 脉 宽 调 制(a) 三 角 形 载 波 与 正 弦 调 制 波 的 相 交(b) 输 出 相 电 压 波 112 3、 脉 宽 调 制 （ PWM） 控 制 示 意 图正 常 输 出调 压 （ 通 断 周 期 不 变 ， 调 整 通 断时 间 的 比 例 ）调 频 （ 通 断 时 间 的 比 例 不 变 ， 改变 通 断 周 期 ） 113 4、 脉 宽 调 制 关 键 技 术 电 子 开 关 元 件 （ IGBT、 IPM） 开 关 频 率 变 频 控 制 方 法 （ V/F控 制 、 矢 量 控 制 ） 114 绝 缘 门 极 双 极 型 晶 体 管 （ IGBT） IGBT是一种MOSFET与GTR（大功率双极型晶体管）的复合器件。CG EIGBT原理示意图CG E门 极 发 射 极集 电 极 IGBT是 一 种 既能 控 制 其 导 通 又 能 控制 其 关 断 的 功 率 半 导体 器 件 ， 当 门 极 加 上一 定 的 正 向 电 压 时 管子 导 通 ， 而 当 门 极 加反 向 电 压 时 ， 管 子 则被 关 断 。 115 ECG门 极 电 压 UG UG(th), IGBT导 通集 电 极 电 流 IC 由 门 极 电 压 UG控 制IGBT需 专 用 门 极 驱 动 电 路 ,ui高 电 平时 导 通 ,低 电 平 时 关 断 .既 可 控 制 导 通又 可 控 制 关 断 ,全 控 型 器 件 .门 极 电 压 UG UG(th), IGBT关 断IGBT的 工 作 特 点116 IGBT 功 率 模 块 图IGBT或 IPM内 部 都 集 成 了续 流 二 极 管 117 交 -直 -交 主 电 路 结 构 每 一 个 动 车 一 台 逆 变 器 ， 同 时 为 4台 异 步 电 机 供 电典 型 的 地 铁 牵 引 变 频 器 MACMACMACMAC 119直 -交 主 电 路 结 构