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1、电力牵引是一种以电能为动力的牵引方式，地铁列车电力牵引系统通常由受流器从第三轨（输电轨）或架空接触网接受电能，通过车载的变流装置给安装在转向架上的牵引电机供电，将电能转换为机械能，通过齿轮传动箱和轮对，驱动地铁列车运行，如图7-1所示。,图7-1 牵引传动装置,现代地铁列车的电力传动系统具有的特点有：(1) 电力传动技术由最初的变阻调速发展到斩波器调速，进一步发展，则在应用三相异步牵引电动机的动车中采用了变频变压 (VVVF) 技术。目前，逆变器技术在地铁电动车组上得到了广泛的应用。,(2) 在车辆电力传动系统中，牵引变流器(包括斩波器、逆变器等)广泛采用了GTO(门极可关断晶闸管)及IGBT
2、(绝缘栅极双极型晶体管)模块或IPM(智能功率模块)作为主开关器件，特别是IGBT或IPM模块对较高频率工作的电路也有较好的适应能力。(3) 微电子技术在地铁车辆的牵引、制动、辅助控制、信息显示和存储、防滑与防空转控制及行车安全等方面的到了广泛的应用。(4) 车辆的制动，除了采用摩擦制动外，还采用了电气制动技术，如再生制动、电阻制动及磁轨制动等，以提高运行过程中的节能效果与安全性。,就世界地铁车辆的现状而言，随着电力电子器件和计算机技术的发展牵引传动系统大致经历了三个阶段。20世纪80 年代前的凸轮变阻调压直流传动系统80年代的斩波调压直流传动系统90年代的变压变频的交流传动系统,交流传动系统
3、和直流传动系统相比有以下优点：可充分利用黏着，减少动车比重：主电路无触点化，电机无换向器和电刷，提高了运行可靠性，减少了维修量；再生制动可从高速持续到8km/h以下，安全平稳、节省电能；交流电机结构简单、寿命长，可延长检修周期等。,目前在发达国家中，交流传动系统的交流装置已普遍采用场效应管（IGBT）组件，将电力电子器件与驱动电路、保护电路、检测电路等集成在一个芯片或模块内的智能功率模块（IPM）也已经开始使用。辅助电路是为了保证车辆正常运行和客室的舒适性，包括车辆上所需要的许多辅助设备（如压缩机、空调机、控制设备等）及其供电设备（如直流变交流的静止逆变器等）和连线。,车辆上的控制电路是低压小
4、功率电路，分为有接点的直流电路和无接点的电子电路。前者是由主控制器、继电器、控制电路的低压部分及联锁接点组成：后者由微机及各种电子插板等组成，有列车牵引控制单元、制动控制单元、空调控制单元、逆变器控制单元等。控制电路的作用是控制主电路及辅助电路的各种电器的协调动作，通过司机操纵主控制器各手柄和操纵按钮，使动车组按司机意图或由列车自动运行控制系统控制而运行。,目前，在我国地铁列车牵引系统中，按其传动与控制方式可分为直流变阻牵引系统(如北京地铁1号线部分车辆)、直流斩波调阻牵引系统(如上海地铁1号线部分车辆)、和交流传动牵引系统(如上海地铁2号线车辆和广州地铁1号线车辆等)，其发展趋势与世界牵引技
5、术发展主流基本一致。,1、电力牵引系统的组成电力牵引系统主要由牵引电机、受流器、高压箱、MCM(牵引逆变器模块)、过压保护电阻、电抗器和辅助电源系统等组成。其中辅助电源系统包括蓄电池、辅助逆变器模块和紧急通风逆变器组成。,图7-2 北京某型号地铁列车M1车牵引系统结构图,地铁的电力传动与控制方式可分为：直流调阻方式、直流斩波方式和交流变压变频(VVVF)方式，如图7-3所示。,图7-3 牵引电机及控制方式,早期北京地铁有BJ4型和BJ6型两种典型车型，全部采用动轴，各由一台76 kW的直流牵引电动机驱动，每台牵引电动机额定电压为750V，额定电流230 A，在每一节车组的4台牵引电动机中，同一
6、转向架的两台牵引电动机串联成一个机组，在牵引工况下，同一车辆的两个机组串联或并联。BJ4型和BJ6型地铁车辆的根本区别在于前者采用变阻控制器进行主回路中电阻的切换，以实现调速，而后者利用可控硅斩波器调阻调速，实现无级平滑调节。,上海地铁一号线车辆，每单元由A、B、C三节车辆组成，A车是拖车，B、C车为动车。每一动轴由一台全悬挂的牵引电动机CUS5668B型直流串励电动机驱动，额定功率为207 kW，额定电流302 A，额定电压1500V，同一动车中4台牵引电动机接成两串两并连接，故加在每台牵引电动机上的实际额定电压为750V，额定转速1470r/min，利用可控硅斩波器调阻调速。在电阻制动工况
7、下，最大制动电流为360A。 广州地铁一、二号线车辆与上海地铁一号线车辆编组基本一致，但采用三相异步交流牵引电动机驱动，利用交流变压变频(VVVF)的方式控制。,2、交流变压变频电力牵引系统的工作原理车辆通过受流器由第三轨（或接触网）供电。直流750V（或直流1500V）电压经高压元件和线路滤波器是供给MCM(牵引逆变器模块)。MCM将直流电压转化为变频变压的交流电压，用来驱动电动机。在制动模式，电力牵引系统将能量反过来转化，牵引电机好似发电机，发出电能。电制动能量反馈到电网供给其它列车，或者如果不可能，则将以热量消耗在制动电阻上。,1、直流调阻车辆的传动与控制早期城轨车辆的传动与控制主要采用
8、直流调阻的方式，现以BJ-4型(DKl6型)车辆为例介绍直流调阻方式。,BJ-4型(DKl6型)车辆传动系统的组成及功能BJ-4型(DKl6型)车辆的主回路原理电路图如图7-4。,图7-4 BJ-4型(DKl6型)车辆主回路原理电路图,1)lD4D：直流串励牵引电动机2)QGD：受流器，借助第三轨将电源引入。3)GK：主隔离开关，用于无载分断三轨电源。4)R：下熔断器，用于主回路短路保护，动作值500I200A。5)DS：快速断路器，对主回路起过载及短路保护作用。6)CDJ：差动继电器，作为主回路牵引工况下的接地保护电器，其动作值为电流差值80A。,7)KC：电空接触器。8)GJ：总过载继电器
9、，动作值980A；分过载为13GJ及24GJ，动作值490A用于主回路过载保护。9)FQ：前进后退转换开关主触头，用于改变车辆的运行方向(8个主触头)。10)QZ：牵引制动转换开关，用于改变车辆牵引或电阻制动工况(12个主触头)。11)RF：直流电流表分流器，用以提高电流表量程。,12)Cll，12、C22，21及C31，32、C41，42：电动机串励主极绕组。13)12FL及34FL：感应分流器。在磁场削弱时，与磁场削弱分路电阻一起接入，利用电感具有阻碍电流变化的特性，使磁场削弱时分路电流变化不致过快，防止引起瞬时磁场削弱系数过深的可能。14)LK：变阻控制器，用以进行电阻的切换及与KC配合
10、进行主回路的串并联转换。15)R：起制动电阻，限制启动电流过大以及满足电机的调速要求，并限制制动电流过大而设置。,16)DJ：接地继电器，用于主回路电阻制动工况下的接地保护。动作值0.2A，它动作后KC跳开，切断主回路。17)DC：直流电流互感器，用作主回路电流检测，它将检测的电流信号传送到磁放大器中，然后去控制加速度继电器的输出从而控制可控硅S1与S2的触发导通或截止，使LK上的两个电磁阀LK和LK线圈得电或失电，最后完成LK变阻控制器的进级过程。18)Di：接地装置。19)Ri：电压表倍率器，用以扩大电压表量程。,牵引工况分I、三个工作位；制动工况下分I、三个工作位。牵引I位时 通过控制电
11、器按合表的规定自动闭合或断开，使牵引电动机1D4D串联在一起工作，为限制启动电流过大，而将全部起制动的电阻串联在主回路中。 同时，为了降低启动转矩，使启动平稳而不发生冲动或引起空转而进行了最深的磁场削弱min为45，在这一工作位，列车速度最高可达813 km/h，电流整定值为250A，此工作位为启动或调车位，不能久留。,牵引位通过控制磁放大器、可控硅及电磁阀最终由变阻控制器LK通过切电阻来完成111级的进级过程。在12级时磁场削弱1=65，在13级磁场削弱2=45(即达min)。此级内4台牵引电动机全串联，列车速度可达4050 km/h，电流整定值为350A左右。,牵引位牵引电动机改为两串两并
12、接法，并在两并联支路中逐级切电阻，最后进级是实行二级磁场削弱，最深的磁场削弱系数为45，列车速度可达6580km/h，电流整定值为350A左右。制动I位通过牵引制动转换开关的闭合，电空接触器和变阻控制器的闭合。首先形成了两组牵引电动机的交叉励磁，交差励磁的好处是能使这两个电阻制动主回路中的负载平衡。进一级，全部电阻接入，电动机作发电机运行。,制动位这一制动位从二级开始自动进级，自中间后两边依次轮流切除起制动的电阻，以实现对制动电流的恒流控制。制动位从2级开始进级到19级，制动位的制动电流整定值大于制动I位，因此，制动力火，制动效果明显。 制动位工作过程与制动位相似，进级过程也与制动位时一样，所
13、不同的是制动电流整定值加大，使制动过程加快，制动力更大，因此制动位又称快速制动位，列车很快会停下。,2、直流斩波车辆的传动与控制BJ-6型车辆主电路及其控制与BJ-4型不同之处在于，前者不用变阻控制器LK来切换电阻，而是采用了可控硅斩波器无级平滑地调节电阻，这样不但调节平稳，而且去掉了LK，在主回路中减少了许多触头，从而减少了因此引起的故障次数及维修工作量。,图7-5 BJ-6型车辆主回路原理电路图,Sl、S2、S3-主可控硅；S4、S5-副可控硅；C0-换流电器；L0-换流电感；3Z-旁路二极管；R3、R38-静态均压保护电阻；R31、32、34、35、36-动态均压电阻；C3136-动态均
14、压保护电容；RQZ-起制动电阻；R39-预充电电阻；JL1、2、3-均流电感；WC-预充电接触器；RJ-热继电器；WB-变压器；710z、1114z-空波整流桥路；S6-可控硅；R41、424Z、5Z的均压电阻；R40、43-单相全波整流桥路输出负载,其主要电气元件及功能如下：(1)SL：受流器，每节车4个，借助于第三轨为车体引入电能。(2)RD：熔断器，直接保护受流器，以防止第三轨直接与走行轨之间构成短路，造成危害。(3)GK：主隔离开关，供专人手动无载分断三轨电源用。 (4)ZRD：主回路总熔断器，用以对一回路进行短路保护。(5)HB1：霍尔传感器，控制主回路电流，供电度表KWH使用。,(
15、6)DS：直流快速断路器(开关)，对丰回路起过载保护作用。 (7)CDJ：差动继电器，作为主回路在牵引工况下的接地保护。动作值为电流差值80A。(8)KC：电空接触器。(9)GJ：总过载继电器，动作值980A。 (10)FQ：前进后退转换开关主触头，FQg向前，FQn向后，其作用为改变电枢电流方向以改变牵引电动机转向，最终改变车辆的运行方向。,(11)H：牵引电动机换向极绕组。 (12)D：牵引电动机，共4台，lD3D为一组；2D4D为另一组。 (13)CD：电动机的主极绕组。(14)A1，A2：电路中的二只电流表，Rf1、Rf2为分流器。(15)FL：感应分流器，用于防止磁场削弱过渡过程中磁
16、场削弱过深而设置。(16)lZ、2Z：桥式转换二极管，供电机进行串并联转换用。,(17)QZ：牵引制动转换开关，供牵引及制动工况转换用，共8个触头。(18)DCCT：直流互感器，检测主回路中电流，达到触发箱内，控制副脉冲的发出时刻，以控制主可控硅导通角的大小，从而对电阻进行切换控制。(19)DJ：接地继电器，用于主回路在制动工况下的接地保护。(20)V2：电压表。(21)BL2：电压表倍率器，扩展电压表量程之用。(22)JC1,2,3：检测磁环。用以捡测主固路的电流变化送入触发箱，控制斩波器的导通角。JC1,2检测牵引位到牵引位时的电流变化，JC3检测切换电阻过程中的电流变化。,(23)Pk：
17、平波电抗器，用以敷平电流的脉冲，减小电流昀脉冲系数；以改善电机的换向。(24)HB2：霍尔传感器，用以控制制动工况下的制动力，即它将检测出的电流信号，送往SD制动机的控制阀系统，将电信号转变为空气压力信号，决定空气制动投入的多少，从而使这两种制动方式很好地配合，既有足够的制动力，又不致使二者制动力叠加，以防抱死擦伤轮缘。(25)RQZ0,1,2,3：启动电阻。其他电阻为：均压电阻及感应分路电阻等。(26)Di：接地装置。(27)CH：斩波器，用以切换调节电阻。,3、交流变压变频车辆的传动与控制 随着微电子技术和可控硅变流技术的突飞猛进的发展，城轨车辆的电力传动与控制系统采用了交流三相异步牵引电
18、动机的电力传动系统。我国北京地铁四号线、上海地铁二号线、广州、深圳、南京地铁和武汉轻轨等城轨车辆都已经采用了这种传动方式。,下面以广州地铁一号线车辆传动与控制系统为例介绍交流变压变频车辆的传动与控制，该系统由受电弓、高速断路器HSCB、VVVF牵引逆变器、DCU/UNAS(牵引控制单元)、牵引电机，制动电阻等组成，并采用微机控制系统。列车受电弓从接触网受流，通过高速断路器后，将DC1500V送入VVVF牵引逆变器。,VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式，将1 500VDC直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电，平行供给车辆四台交流鼠笼式异步牵引电机，对电机进行调速，实现列车的牵引、制动功能
19、，其半导体变流元件采用4 500V/3000A的GTO，最大斩波频率为450Hz。VVVF输出电压的频率调节范围为O112Hz，幅值调节范围为0AC1147V。,图7-6所示是广州地铁二号线车辆采用VVVF传动与控制的主回路原理图。,图7-6 广州地铁二号线车辆电力传动主回路原理,1、受流装置受流器（缩写“CC”）作为轨道车辆取电装置。在采用接触网供电的车辆中，受流器采用受电弓受流,图7-7 采用受电靴受流的受流装置,在采用第三轨供电的车辆中，受流器与轨道旁边的导电轨连接。车辆的每个动力转向架的每侧均装有受流器(受电靴)，向车辆提供电源。所有受流器都安装在转向架的侧面构架上。如图7-8所示。,
20、图7-8 第三轨受电方式受流装置结构图,2、高压箱高压箱(M1M2)包括：1个充电电路，1个高速断路器HSCB，1个选择开关和1个网压继电器，其作用原理如图7-9所示。,图7-9 高压箱(M1/M2)作用原理图,高压箱(M3)包括：1个高速断路器，1个MCM 充电电路和1个延伸模式的电流接触器，其作用原理如图7-10所示。,图7-10 高压箱(M3)作用原理图,每个充电电路包括：一个充电电阻器，一个充电接触器和一个分离接触器，分离接触器和每个逆变器的一个充电电路用于把牵引系统连接、断开直流高压。选择开关的三个作用位分别是正线位、车间电源位和接地位。选择开关的作用：1、隔离第三轨受流靴；2、隔离
21、车间电源；3、使主回路接地。,（1）EP2002阀EP2002阀相当于常规制动控制系统中制动电子控制单元BECU和制动控制单元BCU的集成部件。根据功能的不同，EP2002阀可以分为智能阀、RIO阀(远程输入/输出阀)和网关阀3种，每节车设有2个EP2002阀，每个EP2002阀都安装在其控制的转向架附近的车体底架上，所有的EP2002阀上都提供了多个压力测试接口，可以方便地测量制动风缸压力、制动缸压力、载荷压力、停放制动缸压力等。,1、牵引逆变器的发展在城市地铁与轻轨车辆电气系统中，牵引逆变器指的是DC-AC（直流-交流）逆变系统。随着电力电子技术发展，它们在轨道车辆中的应用也在不断地进步与
22、发展。这些变流系统中的电力电子器件都经历过从半控型晶闸管(SCR)，全控型晶闸管(GTO)及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的发展过程。,随着器件发展，还会有性能更好的电力电子器件进一步替代，采用新一代性能优良的电力电子器件，这是科技发展的必然趋势，标志着科技的进步。目前，世界上无论是干线铁路还是城市轨道的电动车辆的电气系统中均采用IGBT模块来构成。,IGBT器件是电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高，性能好，损耗小，且自保护能力也强。,随着IGBT性能的迅速发展，IGBT模块的电压等级和电流容量在不断提高，从1991年生产出了小型IGBT模块，其电压等级为1200V/300A，很快取代了
23、在工业上通用变频器中所用的双极型晶体管；1993年出现了1700V/300A的IGBT，并已开始在城市电车上获得推广应用;到2000年后更出现了1700V/2400A , 3300V/1200A和6500V/600A的高压IGBT，这些高压HV-IGBT很快地应用到铁道与城市地铁轻轨车辆中。由于其性能优越，加之其为绝缘型模块，整机的结构设计紧凑轻巧，且采用了低感母线技术与软门极的驱动技术并解决了热循环的寿命问题。,目前，HV-IGBT模块已成为轨道电力牵引系统中应用的主导元件，IGBT在牵引领域的发展历程如图7-11所示。,图7-11 IGBT在牵引领域的发展,随着城市发展，城轨交通供电网压制
24、也从早期的DC600V和DC750V发展为DC1500V网压制，以适应大城市大客流量发展的需要。网压的提高对电力电子器件的电压等级提出了更高的要求，IGBT模块的电压等级也从1200V发展到1700V, 3300V以及4500V和6500V电压等级水平，国外已有多家公司批量生产与供货。,IGBT逆变器模块的优点为：（1）开关损耗小，允许使用较高的开关频率，装置性能更好；（2）吸收电路小型化，甚至目前无需吸收电路，从而简化了逆变器主电路；（3）绝缘式模块结构便于设计与组装，简化了整个装置的结构；（4）开关转换均匀，提高了稳定性和可靠性；（5）并联简单，便于标定变流器功率等级；（6）作为电压驱动型
25、器件，只需简单的控制电路来实现良好的保护功能；,当电压等级不够高时，在德国和日本曾用1200V和1700V等级IGBT构成三点式逆变器用于750V和1500V电网(如图7-12)。,图7-12 三点式逆变器主电路原理图,随着新一代IGBT迅速发展，尤其是3300V等级IGBT的批量生产，用这类电压等级的模块(器件)构成两点式逆变器能够满足在3300V电网当中的应用，因而在上世纪末国外生产的地铁轻轨电动车辆以及部分干线电力机车动车都已采用这类高压HV-IGBT模块，其所构成的逆变器主电路图如图7-13所示。,图7-13 两点式逆变器主电路原理图,由图7-12和图7-13可见，虽然三点式逆变器较两
26、点式逆变器具有输出波形好、脉冲频率低、电压上升率也低及损耗小等优点，但是其主电路结构复杂，所用器件多出一倍，这是它不足之点。所以在城轨车辆中目前都采用IGBT构成的两点式逆变器，而在大铁路干线电力机车中，采用4500V等级或6500V等级的HV-IGBT来构成两点式逆变器。,两点式逆变器和三点式逆变器，由于三点式逆变器输出的谐波分量低的突出优点，目前在日本仍有不少的应用。,2、 牵引逆变箱的结构组成一般地，在牵引逆变器箱中包括：1个牵引逆变器模块、线路滤波器、充电电路、1个接地故障传感器、1个线路滤波器、1个外部风机和1个内部风机。其中，牵引逆变器模块包括有3相逆变器、2个制动斩波器、1个驱动
27、控制单元DCU/M、1个电源单元、IGBT门驱动单元、2个输出相电流传感器、1个DC-link的电流传感器和1个DC-link的电压传感器；线路滤波器包括有2个DC-link电容器和2个滤波感应器；充电电路包括有2个分离接触器、1个充电接触器和1个充电电阻。,3、 牵引逆变模块的作用原理牵引逆变器将高压箱提供高压电源转换成变频变幅的对称三相电压，供给牵引电动机。牵引逆变模块单元的控制电路是由列车电池提供110V直流电。,直流电压通过牵引逆变器转换成变频变幅的三相交流电压驱动或制动牵引电机。其作用原理图如图7-14所示。,图7-14 牵引逆变器作用原理示意图,一、选择题1、电力牵引是一种以 为动
28、力的牵引方式。 （ ）A. 电能 B. 电磁能C. 风能 D. 热能2、地铁列车电力牵引系统通常由 从第三轨（输电轨）或架空接触网接受电能（ ） A. 空压机 B. 电动机C. 受流器 D. 齿轮箱,3、车辆上的控制电路是低压小功率电路，分为 和无接点的电子电路。 （ ）A. 有接点的交流电路 B. 有接点的直流电路C. 无接点的交流电路 D. 无接点的直流电路4、目前，在我国地铁列车牵引系统中，按其传动与控制方式可分为直流变阻牵引系统、直流斩波调阻牵引系统和 。 （ ）A. 直流传动牵引系统 B. 交流斩波调阻牵引系统C. 交流调阻牵引系统 D. 交流传动牵引系统,5、在地铁系统中，采用第三
29、轨供电方式的电压为 ，采用接触网供电方式的电压为 。 （ ）A. AC750V，DC1500V B. DC750V，DC1500VC. DC750V，AC1500V D. AC750V，AC1500V6、在城市地铁与轻轨车辆电气系统中，牵引逆变器指的是 逆变系统。 （ ）A. AC-DC（直流-交流） B. AC-DC（交流-直流）C. DC-AC（交流-直流） D. DC-AC（直流-交流）,7、变流系统中的电力电子器件都经历过从 的发展过程。 （ ）A. 半控型晶闸管(SCR)，全控型晶闸管(GTO)及绝缘栅双极型晶体管(IGBT)B. 全控型晶闸管(GTO)，半控型晶闸管(SCR)及绝缘
30、栅双极型晶体管(IGBT)C. 半控型晶闸管(SCR)，绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 及全控型晶闸管(GTO) D. 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，全控型晶闸管(GTO)及半控型晶闸管(SCR),二、判断题1、地铁列车电力牵引系统通常将电能转换为热能，继而再转换为机械能。2、在车辆电力传动系统中，牵引变流器广泛采用了GTO(门极可关断晶闸管)及IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)模块，特别是IGBT对较高频率工作的电路有较好的适应能力。,3、随着电力电子器件和计算机技术的发展，地铁车辆早在20世纪80年代就开始采用变压变频的交流传动系统。4、在早期北京地铁1号线的部分车辆中，就采用了交流传动牵引系统。5、IGBT器件属电压驱动的全控型开关器件，脉冲开关频率高，性能好，但损耗较大，且自保护能力弱。,三、简答题1、简述现代地铁列车的电力传动系统具有的特点。2、简述交流传动系统和直流传动系统相比具有哪些优点。3、简述电力牵引系统的组成。4、简述交流变压变频电力牵引系统的工作原理。5、简述IGBT逆变器模块的优点。,
