城市轨道交通牵引供电系统 交通工程教研室 牵引供电系统 电力牵引系统 电力牵引系统由受流器从架空接触网或第三轨接受电能，通过车载的变流装置给安装在转向架上牵引电动机供电，将电能转换为机械能，通过齿轮传动箱和轮对，驱动动车组运行。 供电系统 为电力牵引系统、其它电器设备提供电能。 电力牵引系统设备 牵引电机 直流牵引电机 交流牵引电机 控制系统 电子元件：GTO、IGBT 控制模块：斩波器、逆变器、整流器 直流牵引电机 结构 工作原理 特点 牵引电机的结构 直流牵引电机原理 转子绕组接通直流电，在磁场的作用下产生运动；电刷不动，接入转子绕组的电流在相同的磁极下是同一方向，因而转子可以向同一方向运动。 直流牵引电机特点 启动性能好 牵引特性好 过载能力强 功率利用充分 控制简单 调速范围宽 交流牵引电机 结构 工作原理 特点 体积小，容易制造 无换向装置，输出功率大 牵引性能好，能耗小 工作条件要求低，维修少 可简化车辆主电路 牵引电机的结构 异步牵引电动机主要由定子和转子两部分组成。定子通常是无机壳叠片形式，铁芯两端装有厚压板，压板间用拉杆或钢板固定，用电焊将压板、铁芯和拉杆等焊成一个整体。定子压板又作为转子轴承支架，通过端盖和压板的止口来固定转子部分。转子通常是鼠笼型，其绕组用铝或铜硅铝合金铸成，容量较大的牵引电动机则采用铜材料制成。由于异步牵引电动机都采用降低频率起动，起动时集肤效应很小，从磁路饱和及结构简单的理由考虑，转子可以采用矩形槽。 交流牵引电机原理 当在定子绕组中施加三相交流电压时即会产生旋转磁场，如果在定子中放入鼠笼形转子，则鼠笼条就会切割旋转磁场的磁力线，鼠笼条中会流过二次电流，于是转子中会产生旋转力矩 交流牵引电机特点 考虑到变频异步电动机控制方式复杂和运行条件恶劣，异步牵引电动机结构上有如下特点。 （1）由于异步牵引电动机运行时，需承受来自线路的强烈振动，因此需采用比普通异步电动机较大的气隙（通常为1.5mm~2.5mm)。 （2）定子槽型一般采用开口型，这样可以用成型绕组以获得良好的绝缘性能，增加运行的可靠性。对于选用气隙较小的电机，可在定子槽口开通风槽口，这样可增加通风效果，同时还可以增加电机漏抗，减小谐波电流的影响。???? （3）定、转子铁芯冲片选用0.5mm厚的高导磁、低损耗的冷轧硅钢片，要求内、外圆同时落料，以保证气隙的均匀度。转子铁芯内孔与轴用热套固定，取消键槽配合，以满足牵引电机频繁正反起动的要求。 （4）鼠笼转子的导条与端环间的联接用感应加热银铜钎焊，对于最大转速较大的牵引电动机，可在端环外侧热套非磁性护环，以增加强度和刚度。 （5）采用耐热等级高、厚度薄的聚酰亚胺薄膜和云母带作定厂主绝缘。并通常选用C级绝缘材料作H级温升使用，以提高电机热可靠性。 （6）开始使用绝缘轴承，阻止由于三相电流不平衡时产生的轴电流流过轴承，避免轴承受到电腐蚀，保证轴承寿命。 （7）为配合变频调速系统进行转速（差）闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器。 （8）为适应高速列车运行需要，异步牵引电动机大多采用全悬挂方式（或称架承式悬挂），这种悬挂方式的优点是电机的全部重量都在簧上，大大减少了冲击和振动对电机的影响。架承式电机又分为实心轴和空心轴两种传动方式。实心轴传动多用于中型牵引电动机，如德国西门子公司在地铁车辆上设计厂专用的球形万向联轴节，置于轴伸和小齿轮中间，以补偿运行中轮对和电机间相对垂直位移，避免电机承受弯矩和轴向力，延长轴承寿命。空心轴多用于电力机车用的大容量的牵引电动机，动轴两端采用齿形联轴节结构，便于折装。体积小，容易制造 GTO 可关断晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。 普通晶闸管（SCR）靠门极正信号触发之后，撤掉信号亦能维持通态。欲使之关断，必须切断电源，使正向电流低于维持电流IH，或施以反向电压强近关断。这就需要增加换向电路，不仅使设备的体积重量增大，而且会降低效率，产生波形失真和噪声。可关断晶闸管克服了上述缺陷，它既保留了普通晶闸管耐压高、电流大等优点，以具有自关断能力，使用方便，是理想的高压、大电流开关器件。GTO的容量及使用寿命均超过巨型晶体管（GTR），只是工作频纺比GTR低。目前，GTO已达到3000A、4500V的容量。大功率可关断晶闸管已广泛用于斩波调速、变频调速、逆变电源等领域，显示出强大的生命力。 IGBT IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。  图1所示为一个N 沟道增强型绝缘栅双极晶体管结构， N+ 区称为源区，附于其上的电极称为源极。N+ 区称为漏区。器件的控制区为栅区，附于其上的电极称为栅极。沟道在紧靠栅区边界形成。在漏、源之间的P 型区（包括P+ 和P 一区）（沟道在该区域形成），称为亚沟道区（ Subchannel region ）。而在漏区另一侧的P+ 区称为漏注入区（ Drain injector ），它是IGBT 特有的功能区，与漏区和亚沟道区一起形成PNP 双极晶体管，起发射极的作用，向漏极注入空穴，进行导电调制，以降低器件的通态电压。附于漏注入区上的电极称为漏极。  IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，切断基极电流，使IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和MOSFET 基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET ，所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET 的沟道形成后，从P+ 基极注入到N 一层的空穴（少子），对N 一层进行电导调制，减小N 一层的电阻，使IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。  斩波器 用于将输入的变化的网压变换为稳定的直流电压 利用电压的变化进行直流电机的调速 整流器 三相逆变电路 主要由6只功率开关元件组成。采用SPWM控制各开关元件，使其按一定的逻辑顺序导通和关断，从而使三相逆变电路输出正负对称的方波电压。电压和频率的参考值储存在控制程序中，根据与输出电压的反馈值之间形成的偏差，作为功率元件门极信号的指令，控制输出电压恒定。对于输入电压和负载的变化，则通过检测各相电流值来校正输出电压。频率的控制采用内置晶振。 电力供电系统 一次电力系统：发电厂、传输线路、区域变电所 轨道交通牵引供电系统：牵引供电和动力照明供电系统 牵引网 接触网：经过受电器向电动列车供给电能的导电网。 回流线：用以供牵引电流返回牵引变电所的导线 馈电线：从牵引变电所向接触网输送牵引电能的导线 轨道（电路）：利用走行轨作为牵引电流回流的电路 变电站：变换电压和电流 主变电站 DC110kv------35kv 牵引变电站 DC35kv---10kv----1500v(750v) 降压变电站 DC35kv---10kv---0.4kv 车站变电站 AC 220 V、380V、DC110V、24V牵引变电所 接触网 铁路电气化是中国铁路发展的最终目标。电气化铁路工程又称为“四电工程”，包括“接触网”、“变电”、“信号”、“通信”，其中以接触网作为铁路电气化工程的主构架。 接触网主要包含以下几项内容：1.基础构件，如水泥支柱、钢柱及支撑这些结构物的基础；2.基础安装结构件，这项内容的作用主要是连接接触网导线.接触网导线，这部分作用就是传输电流给电力机车；4.其他辅助构件，包括回流线、附加悬挂等。 接触网是沿铁路线上空架设的向电力机车供电的特殊形式的输电线路。其由接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱与基础几部分组成。 接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件。接触悬挂通过支持装置架设在支柱上，其功用是将从牵引变电所获得的电能输送给电力机车。 支持装置用以支持接触悬挂，并将其负荷传给支柱或其它建筑物。根据接触网所在区间、站场和大型建筑物而有所不同。支持装置包括腕臂、水平拉杆、悬式绝缘子串，棒式绝缘子及其它建筑物的特殊支持设备。 定位装置包括定位管和定位器，其功用是固定接触线的位置，使接触线在受电弓滑板运行轨迹范围内，保证接触线与受电弓不脱离，并将接触线的水平负荷传给支柱。 支柱与基础用以承受接触悬挂、支持和定位装置的全部负荷，并将接触悬挂固定在规定的位置和高度上。我国接触网中采用预应力钢筋混凝土支柱和钢柱，基础是对钢支柱而言的，即钢支柱固定在下面的钢筋混凝土制成的基础上，由基础承受支柱传给的全部负荷，并保证支柱的稳定性。预应力钢筋混凝土支柱与基础制成一个整体，下端直接埋入地下。  电气设备 高压开关 熔断器 变流器 变压器 互感器 断路器 蓄电池 作为辅助系统的备用电源，蓄电池在辅助逆变器正常工作的情况下处于浮充状态；当网压故障或列车辅助逆变器全部故障的紧急情况下，蓄电池作为紧急电源提供列车紧急负载电源。其容量的大小由紧急负载的大小来决定。北京城轨13号线车辆的蓄电池容量为低倍率50 Ah镉镍碱性蓄电池。 输出变压器 输出变压器将交流滤波器输出的三相电源变换为AC380V或AC220V，提供给车辆交流负载，同时作为和输出回路的隔离之用；同时还将输出的AC 380V电源通过变压器再变换为AC 85V和AC 20V，提供给整流装置，整流装置通过三相整流模块，输出DC 110V和DC 24V提供给车辆的直流负载。 电力监控 主站 一般设置在控制中心，采用计算机网络技术，客户机/服务器模式，主从网络节点方式。配置服务器、调度工作站、系统维护工作站、前置通信处理、行调显示终端节点设备、设置实时数据、程序、统计报表、画面拷贝等打印机及实时监控供电系统概况的模拟盘（或投影仪）等外围设备，重要的设备有冗余配置，以提高系统的可靠性。系统配置不间断电源设备。 被控站 设在主变电所、牵引降压混合所、降压变电所。变电所采用分层分布式变电所综合自动化系统，主要由站级管理层设备、所内现场通信网络、间隔设备层单元组成，完成对变电所及其供电范围内供电设备的保护、控制、信号、测量及自动装置、远程通信等功能。 数据传输通道 采用专用的数据传输通道，点对点式结构。 监控对象 遥控对象 变电所内10kv及以上电压等级的断路器、负荷开关及电动隔离开关、直流快速断路器、直流电源总隔离开关、低压进线断路器、低压母联断路器、低压总开关、接触网隔离开关、有载调压变压器的调压开关。 遥信对象 遥控对象的位置信息、各种电源及断路器的故障信号、钢轨电位限制装置的动作信号、无人值班变电所大门开启信号、控制方式等 遥测对象 主变电所进线电压、电流、功率、电能 变电所母线电压、电流、功率、电能 牵引整流机组的电流、电能、馈线电流、回流电流 供电负荷 一级 牵引系统 变电所操作电源 火灾自动报警系统、消防系统、事故风机、排风/排烟风机及相关风阀、消防电梯、兼做疏散的自动扶梯。 通信系统、信号系统、电力监控系统、环境与设备监控系统、自动售检票系统 屏蔽门、防护门、防烟门、排雨泵、车站排水泵 应急照明、地下站厅站台照明、地下区间照明 二级 普通风机、污水泵、直升电梯、自动扶梯 地上站厅站台照明、设备管理用房照明、出入口照明 三级 冷水机组及配套设备、电热设备、清洁机械 广告照明 新温州牵引变电所 * * * * * * 图8-3 升降压斩波器电路 将交流电转换为直流电 * * *

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