城市軌道交通電力牽引介紹

1、《城市軌道交通電力牽引》,本課程的主要內(nèi)容：牽引理論基礎(chǔ)牽引電動(dòng)機(jī)與運(yùn)行電力電子器件的原理與應(yīng)用斬波電路和逆變電路控制與故障檢測(cè)車輛電器設(shè)備,第一章 牽引理論基礎(chǔ),第一節(jié) 粘著、牽引與制動(dòng)第二節(jié) 空轉(zhuǎn)與滑行、粘著的控制第三節(jié) 牽引參數(shù)的選擇,第一節(jié) 粘著、牽引與制動(dòng),一、動(dòng)輪與鋼軌間的粘著,1、電力機(jī)車的工作原理2、粘著3、蠕滑,,粘著,1、  引入 分析見教材圖1-1 動(dòng)輪對(duì)受力分析2

2、、  概念 由于正壓力而保持動(dòng)輪與鋼軌之間接觸相對(duì)靜止的現(xiàn)象稱為粘著。3、  影響因素,粘著力的最大值與動(dòng)輪對(duì)的正壓力成正比，其比例常數(shù)稱為粘著系數(shù)，用u表示，即 fmax=uPi 上式表明，在軸重一定的條件下，鋼軌間的最大粘著力由掄軌間粘著系數(shù)的大小決定。粘著系數(shù)是由輪軌間的物理狀態(tài)確定的。加大每軸的正壓力，即軸重，可以提高每軸牽引力，但軸重受鋼軌、路基、橋梁等限制。,4、

3、60; 空轉(zhuǎn) 因驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩過大，破壞粘著關(guān)系，使輪軌間出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)的現(xiàn)象，稱為“空轉(zhuǎn)”。動(dòng)輪出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時(shí)，輪軌間只能依靠湖動(dòng)磨镲力傳遞動(dòng)切力，傳遞切向力，傳遞切向力的能力大大削弱，同時(shí)造成動(dòng)輪踏面的擦傷。因此，牽引運(yùn)行應(yīng)盡量防止出現(xiàn)動(dòng)輪的空轉(zhuǎn)。,蠕滑,1、  概念 由于切向力的作用，動(dòng)輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí)，車輪和鋼軌的粗糙接觸面產(chǎn)生新彈性變形，接觸面間出現(xiàn)微量滑動(dòng)，即“蠕滑”。 2、原因：壓縮,3、分析圖1-2 牽

4、引工況輪軌（接觸面的彈性變形）兩區(qū)：滾動(dòng)區(qū)和滑動(dòng)區(qū),牽引力的形成及限制,形成 ： 牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩   限制 ：受粘著條件的限制 若各動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩歸算到輪軌的作用力之和超出公式限制時(shí)，粘著條件相對(duì)較差的動(dòng)輪就會(huì)產(chǎn)生空轉(zhuǎn)，動(dòng)車的牽引力就立即下降。,粘著系數(shù)與改善粘著的方法,影響粘著系數(shù)的重要因素 1、動(dòng)輪踏面與鋼軌表面狀態(tài) 2、撒沙 3、 線路質(zhì)量

5、 4、 車輛運(yùn)行速度和狀態(tài) 5、  動(dòng)車有關(guān)部件的狀態(tài),改善粘著的方法,一是修正輪軌表面接觸條件，改善輪軌表面不清潔狀態(tài)；二是試法改善軌道車輛的懸掛系統(tǒng)，以減輕輪對(duì)減載帶來的不利影響 常用的措施：撒沙、清洗軌道、打磨鋼軌，改進(jìn)匝瓦材料如用增粘匝瓦，改善車輛懸掛減少軸重轉(zhuǎn)移。,制動(dòng)力的形成,定義：為了降低列車運(yùn)行速度或停車，利用制動(dòng)裝置產(chǎn)生與列車運(yùn)行方向相反的外力稱為制動(dòng)力 制動(dòng)的方法：

6、摩檫制動(dòng)：包括匝瓦制動(dòng)和盤式制動(dòng) 電氣制動(dòng)：包括電阻制動(dòng)和再生制動(dòng) 電磁制動(dòng)：包括磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng),產(chǎn)生,1、原因：摩檫制動(dòng)和電氣制動(dòng)都是通過輪軌粘著產(chǎn)生制動(dòng)力 2、分析產(chǎn)生過程 見圖1-4,第二節(jié) 空轉(zhuǎn)與滑行、粘著控制,一、空轉(zhuǎn)與滑行的產(chǎn)生與防止 （一）空轉(zhuǎn)與滑行的產(chǎn)生 1、當(dāng)動(dòng)輪對(duì)的牽引力大于最大粘著力時(shí)，輪對(duì)就發(fā)生空轉(zhuǎn)?？辙D(zhuǎn)時(shí)，輪對(duì)的轉(zhuǎn)速迅速上升，若任其擴(kuò)展往往可能在數(shù)

7、秒或略長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)超出構(gòu)造速度。 2、使得動(dòng)車的牽引力下降，而且會(huì)使輪對(duì)的踏面嚴(yán)重擦傷，引起“掃膛”,（二）防空轉(zhuǎn)設(shè)計(jì),1、主電路的防空轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)（1）    牽引電動(dòng)機(jī)全并聯(lián)結(jié)構(gòu)（2）    采用機(jī)械特性硬的牽引電動(dòng)機(jī)2、傳動(dòng)系統(tǒng)防空轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)（1）    采用單電機(jī)轉(zhuǎn)向架傳動(dòng)系統(tǒng)（2）機(jī)械走行部分采用低位牽引，以及采 用合適

8、的懸掛系統(tǒng)等措施,二、粘著控制,（一）粘著控制的必要性（二）粘著控制分類,按控制類型分類,校正型粘著控制系統(tǒng) 蠕滑率控制型控制系統(tǒng),按被控對(duì)象分類,集中控制：這種控制方式是一個(gè)粘著控制系統(tǒng)控制整輛制動(dòng)車 分散控制：這種控制方式也叫單軸控制，即每一動(dòng)軸單獨(dú)控制。,第三節(jié) 牽引參數(shù)的選擇,城市軌道交通車輛的運(yùn)行特點(diǎn) ： 與干線列車相比，城市軌道交通車輛的運(yùn)行特點(diǎn)是站距短而旅行速度 較高。

9、 制動(dòng)一般采用再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)相結(jié)合的電制動(dòng)優(yōu)先、空電制動(dòng)聯(lián)合。制動(dòng)方式，保證在制動(dòng)系統(tǒng)允許的條件下盡可能得到大的制動(dòng)減速度 。,電機(jī)特性匹配曲線,二、軸功率的計(jì)算,軸功率的計(jì)算公式： PA=NAMA/D其中MA——軌道交通車輛的車重NA——單位重量所需功率D——?jiǎng)虞S數(shù),三、起動(dòng)加速度的選擇,（一）起動(dòng)加速度（a）與單位重量所需功率（NA）的關(guān)系 見圖1-8（二）起動(dòng)加速度（a）與開行時(shí)間（tK）

10、的關(guān)系 見圖1-9（三）軸功率（PA）與區(qū)間運(yùn)行時(shí)間（t）的關(guān)系 見圖1-10，11,第二章 牽引電動(dòng)機(jī)與運(yùn)行,直流牽引電動(dòng)機(jī)交流牽引電動(dòng)機(jī)直線牽引電動(dòng)機(jī),牽引電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn),1.使用環(huán)境惡劣 絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較好的防潮，防塵性能及良好的通風(fēng)、散熱條件。2.外形尺寸受限制 牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)必須緊湊。3.動(dòng)力作用大 采用架承時(shí)懸掛，重力加速度大大減小。4.換向困難5.負(fù)載分配

11、不均勻,電力牽引系統(tǒng)發(fā)展概述,一、電力牽引系統(tǒng)的發(fā)展概況接觸網(wǎng)（第三軌）受流器 變流裝置 牽引電機(jī)齒輪傳動(dòng)箱輪對(duì) 列車運(yùn)行,二、軌道交通電力牽引系統(tǒng)主要類型根據(jù)供電電壓制式可分為： 直流：600，750，1500，3000V (標(biāo)稱值) 交流：6250，15000，25000V(標(biāo)稱值)根據(jù)牽引電機(jī)可分為： 直流電力牽引系統(tǒng) 交

12、流電力牽引系統(tǒng),直流傳動(dòng)框圖 交流傳動(dòng)框圖,三、電動(dòng)車組牽引特性,第一節(jié) 直流牽引電機(jī),,,,,,,,一般的說，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)有軟特性，他勵(lì)電動(dòng)機(jī)有硬特性。,,,二、直流牽引調(diào)速系統(tǒng)-基本調(diào)速方法,在上式中，CE是常數(shù)，Id是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有三種方法：調(diào)解電樞供電電壓U、減弱勵(lì)磁磁通Φ和改變電樞回路電阻R。,（一）調(diào)壓法： （1）變阻控制 調(diào)節(jié)電阻的方法又可分為兩類，即采用有觸點(diǎn)組

13、合式凸輪開關(guān)調(diào)阻和無觸點(diǎn)斬波調(diào)阻。,斬波調(diào)阻,有觸點(diǎn)開關(guān)調(diào)阻,,,（二）調(diào)節(jié)主極磁通：,三、動(dòng)車的牽引特性（一）機(jī)械穩(wěn)定性 機(jī)械穩(wěn)定性是指列車正常運(yùn)行時(shí)，由于偶然的原因引起速度發(fā)生微量變化后，動(dòng)車本身能恢復(fù)到原有的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。,機(jī)械穩(wěn)定性條件： 牽引特性曲線的斜率小于基本阻力曲線的斜率,動(dòng)車的牽引特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,小結(jié),第二節(jié) 交流牽引電動(dòng)機(jī),交流異步電動(dòng)機(jī)特性交流

14、異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制交流異步牽引電機(jī)在動(dòng)車中的應(yīng)用交流異步牽引電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),一、交流牽引系統(tǒng)特點(diǎn)及發(fā)展概況,直流電力傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：具有良好的調(diào)速性能直流電力傳動(dòng)缺點(diǎn)：防空轉(zhuǎn)性能較差；換向器與電刷，因而帶來了較大的體積與重量，容易產(chǎn)生環(huán)火以及繁雜的維護(hù)問題交流電力傳動(dòng)特點(diǎn)：電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低；工作可靠，壽命長(zhǎng)，維修、運(yùn)行費(fèi)用低；防空轉(zhuǎn)能力好,,二、三相異步電機(jī)-基本結(jié)構(gòu),三、三相異步電動(dòng)機(jī)工作基本原理,基本原理：通過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

15、，與由這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)借助感應(yīng)作用在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)所感生的電流相互作用，以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)作用。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)：一種極性和大小不變，并且以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。,A-X、B-Y、C-Z三個(gè)線圈在空間上彼此互隔120°分布在定子鐵心內(nèi)圓的圓周上，構(gòu)成了對(duì)稱三相繞組。,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),當(dāng)三相對(duì)稱繞組接上三相對(duì)稱電源，就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理,左手定則決定導(dǎo)條受力方向,右手定則決定電流方向,三相異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心上嵌有三

16、相對(duì)稱繞組，接通三相對(duì)稱電源后，在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙內(nèi)產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條被這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割，在導(dǎo)條內(nèi)產(chǎn)生感生電流，磁場(chǎng)又對(duì)導(dǎo)條產(chǎn)生電磁力，于是轉(zhuǎn)子就跟著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。,異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與運(yùn)行狀態(tài),交流調(diào)速基本控制結(jié)構(gòu),運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖,交流調(diào)速基本類型,按電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法分類,變轉(zhuǎn)差率調(diào)速： ① 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速 ② 定子調(diào)壓調(diào)速 ③ 電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速

17、 ④ 串級(jí)調(diào)速變極對(duì)數(shù)調(diào)速： ⑤ 鼠籠型轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速： ⑥ 交?交變頻調(diào)速 ⑦ 交?直?交變頻調(diào)速,按電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)換類型分類,,交流變頻調(diào)速系統(tǒng),異步電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路,U1— 定子相電壓 ； ?1—電源角頻率；Es—定子全磁通在定子每相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；E1—?dú)庀叮ɑ蚧ジ校┐磐ㄔ诙ㄗ用肯嗬@組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；E‘r—轉(zhuǎn)子全磁通在轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（

18、折合到定子邊）。,幾種電壓－頻率協(xié)調(diào)控制方式的特性比較,VVVF控制,在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，常須考慮的一個(gè)重要因素是：希望保持電機(jī)中每極磁通量?m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；如果過分增大磁通，又會(huì)使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因繞組過熱而損壞電機(jī)。對(duì)于直流電機(jī)，勵(lì)磁系統(tǒng)是獨(dú)立的，只要對(duì)電樞反應(yīng)有恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，?m 保持不變是很容易做到的。在交流異步電機(jī)中，磁通?m 由定子和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)合成產(chǎn)