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1、长春轻轨三期牵引系统知识介绍,中国北车股份有限公司大连电力牵引研发中心,2011年 11 月 长春,1,运营中的长春轻轨三期车辆,牵引系统原理介绍长春轻轨三期牵引系统组成长春轻轨三期牵引系统技术参数长春轻轨三期牵引系统部件技术参数,2,牵引系统原理介绍牵引系统能量的传递三相异步牵引电机的工作原理,3,牵引工况 受电弓 牵引变流器 牵引电机 齿轮箱 轮对（车辆）,4,牵引系统能量的传递,直流电能,直/交能量转换,电能/机械能,机械能,机械能,5,制动工况（再生制动）受电弓 牵引变流器 牵引电机 齿轮箱 轮对（车辆）,6,直流电能,直/交能量转换,电能/机械能,机械能,机械能,7,制动工况（电阻制
2、动+再生制动）受电弓 牵引变流器 牵引电机 齿轮箱 轮对（车辆）,8,直流电能,直/交能量转换,电能/机械能,机械能,机械能,制动电阻,热能,9,牵引系统原理介绍牵引系统能量的传递三相异步牵引电机的工作原理,10,三相异步牵引电机的工作原理 1、电生磁：三相定子对称绕组通以三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,11,电生磁 移动的电荷（电流）产生磁场 磁场强度和电流之间的关系由安培环路定理确定：设空间有N根载流体，环绕载流体的任意磁通闭合
3、回路中，磁场强度的切向分量沿该回路的线积分等于该回路所包围的电流的代数和。,12,13,电流I,磁场强度H,磁感应强度B,磁通,磁链,HL=NIL 磁场的积分路径N 载流体的数量,B=H介质的磁导率,=BSS与磁场垂直的面积,=NN 线圈的匝数,14,单相定子电流按正弦变化，产生的磁场（磁通）幅值也跟随变化,15,三相定子电流分别产生按正弦变化的磁通。,16,在三相电机中，三相定子绕组是按120度（电角度）排列，三相绕组产生的磁通位置关系如图所示。,17,三相磁通合成后的磁通如图所示。定子绕组虽然是固定的，但合成后磁通却因为电流的正弦变化而形成了一个旋转的磁场。三相定子对称绕组通以三相对称电流
4、产生圆形旋转磁场。,旋转磁场的旋转方向与三相交流电的相序一致;改变三相交流电的相序,即A-B-C变为C-B-A,旋转磁场反向;要改变电动机的转向,只要任意对调三相电源的两根接线.,旋转磁场的旋转方向,旋转磁场的转速,旋转磁场的转速称为同步转速,f为电机电源频率，即为牵引逆变器的输出频率；p为电机极对数，三期牵引电机为2。,磁生电：闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,这种现象叫电磁感应。,19,20,在电动机中，定子磁场是旋转的，起始时刻转子绕组是静止的。旋转磁场切割转子导体就产生了感应电动势和电流。在异步电动机转动起来以后，定子磁场和转子之间也一直存在速度差，
5、即转差，两者的相对运动保证了电磁感应现象的存在。,电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。,21,22,转子在定子磁场的转动作用下跟随旋转起来。车辆加速时，定子电流频率加大，磁场旋转速度加快，转子转速跟随加快。,23,变流器驱动三相异步电机的示意图,牵引工况下，电动机的转速达不到旋转磁场的转速,否则,就不能切割磁力线,就没有感应电势,电动机就停下来了.转子转速与同步转速不一样,差那么一些,所以称之为异步电机.设同步转速为no,电动机的转速为n,则转速差为;no-n;电动机的转速差与同步转速之比定义为异步电动机的转差率S,S是
6、分析异步电动机运行情况的主要参数。,24,牵引系统原理介绍长春轻轨三期牵引系统组成长春轻轨三期牵引系统技术参数长春轻轨三期牵引系统部件技术参数,25,长春轻轨三期牵引系统组成长春轻轨三期车辆系统简介 列车采用两个单元编组；每个单元编组由三个模块编组，其中两个模块装有动车转向架和一个模块装有拖车转向架；每个动车转向架装有2台驱动电机，每台电机通过齿轮箱驱动一个车轴的2个车轮；每个动车车顶安装一台牵引逆变器，用以驱动两台牵引电机；每个单元编组构成一套相对独立的牵引系统。,26,编组方式：MC+TP+M=M+TP+MC(动车模块)（拖车模块）(动车模块)(动车模块)（拖车模块）(动车模块)Mc：安装
7、动车转向架和司机室的动车模块M：安装动车转向架的动车模块TP：安装受电弓和拖车转向架的拖车模块+：风档铰接结构=：车钩：事故车钩,27,28,牵引系统组成,常用名词 牵引控制单元 TCU 车辆控制单元 VCU 制动控制单元 BCU（VSS 阀制动单元）辅助控制单元 ACU 牵引变流器（VVVF逆变器）辅助电源箱（SIV）辅助逆变器 充电机,29,30,31,牵引系统包含所有的部件如上图所示，其中牵引变流器、辅助电源箱、制动电阻箱、避雷器安装在车顶，牵引电机、齿轮箱安装在车底转向架上，网络控制系统和司机控制器安装在车辆司机室内部。,产品功能描述1、避雷器用于高压或中压系统，保护高压或中压电器元件
8、的绝缘特性，防止由于雷击或者开关动作而引起的过压。避雷器是由金属氧化物组成，在最大运行电压下，只有很小电流可以流过，呈现出高阻特性，随着电压的增加，避雷器阻值下降的幅度越大，这样就可以很快速的将过电压转化为热量消耗掉。避雷器这种高能量消耗的特性，可以保护车辆高压系统的部件不被过电压所损坏。,32,2、牵引变流器牵引变流器可以提供变频变压电源给牵引电机以提供车辆前进的驱动力或减速、停车时制动力。大连电力牵引研发中心为长春轻轨三期车辆设计的CNTRAC TC-240/A-01型牵引变流器能够在大的电压波动范围内发挥出相应的牵引、制动功率，牵引变流器能够在刚出现打滑、空转现象时及时减小制动、牵引力来
9、减小或者消除打滑、空转现象。牵引变流器箱安装在轻轨车顶，具有IP65的外部防护等级，可以防止雨雪侵入。,33,3、辅助电源箱辅助电源箱包括静止辅助逆变器、充电机、蓄电池和相关控制接触器四部分。辅助逆变器主要为客室空调机组、客室电热、设备风机等提供三相交流380V和单相交流220V电源。充电机主要为牵引系统的控制、辅助电源系统的控制、门控、通信设备、客室照明、应急照明、磁轨制动等提供直流24V电源。控制接触器主要分为两部分，一部分为充电机控制接触器，主要实现蓄电池组的合断操作，另一部分为辅助控制接触器，主要功能为自动实现辅助逆变器半列车扩展供电功能和空调减载信号的输出功能。蓄电池主要为车辆失去外
10、部高压电源时为车辆控制系统和磁轨制动系统提供应急电源，为GNC100镉镍碱性蓄电池组（非研发中心供货范围），额定容量为100AH，蓄电池电压为24V。,34,4、牵引电机可靠性高，使用技术成熟的设计，适应VVVF逆变器输出的谐波影响，在车轮直径偏差小于6mm的车辆（同一列车）上，各牵引电动机间的负荷分配能满足要求，在整个速度范围内获得较高牵引力。在正常重复性工作周期中热容量大，有充分的余量实施过载运行，C级绝缘系统，避免受潮湿影响及雪和污物的弄脏，最轻重量和高旋转速度的紧凑设计，低噪音，主要部件和组件的可完全互换，除了定期润滑之外，免维修。电动机的额定效率大于等于0.91。电动机组件能保持动态
11、平衡，从而实现电动机平稳运行。电动机的轴承设计寿命长，轴承采用高度融化油脂进行润滑，轴承密封，防止外部污染，电动机为自通风型，单台牵引电动机额定功率为（连续制）120 KW。,35,5、齿轮箱齿轮传动装置用于将牵引电机的高速旋转通过齿轮传动到机车转向架轴，带动车轮旋转，提供车辆走行的动力。齿轮箱装置一端与牵引电机连接，另一端与车轴连接，牵引电机输出的转速和转矩通过齿轮传动装置，传递到车轴上，用于驱动车辆运行；在电气制动时，车轴通过齿轮传动装置，将车辆运行能量传递给牵引电机，用于电气制动。6、制动电阻箱制动电阻器安装Mc车和M车车顶上，用于电网无法吸收再生电能的情况下进行电阻制动。制动电阻器具有
12、抗振动、抗冲击，并且具有良好的散热性能，采用自然风冷电阻回路被串联至对应的一个PWM IGBT斩波器。,36,7、网络控制系统基于CiA DS301规定的CANopen通讯网络，并在此基础上了引入了轻轨车辆控制算法，实现了轻轨车辆以网络控制为主、有触点控制为辅的控制模式；进行网络控制和运行监控，以更方便的完成列车牵引、制动及其他各种控制功能长春轻轨二期加车和三期项目网络监控系统VCU处于冗余状态，在一个VCU处于故障的时候，另外一个VCU会马上接管整个网络的控制工作，从总体上可以将功能分成网络配置功能和监控显示功能：网络配置功能通过对网络参数的设置，将所有节点正确连成一个网络系统进行数据传输；
13、通过正确配置各个节点的输入和输出变量来实现轻轨车的控制功能；CANopen网络上的数据均可以发送至显示器上来实现轻轨车的显示功能；同时还增加了便于线下分析的故障分析存储功能。,37,8、司机控制器用于提供车辆司机钥匙指令，向前向后的运行方向指令，牵引制动和紧急制动指令，司机死人按钮指令，牵引制动级位编码指令司机控制器分为钥匙开关、驾驶控制手柄和模式选择开关，其中驾驶控制手柄的定位是：牵引、惰行、常用制动、紧急制动，在“完全制动”和“完全牵引”的位置之间时的控制力是和主控手柄位置成相应的比例，并且带有一个警惕装置；模式选择开关有3个位置：向前、零位（关停）、向后；驾驶室的钥匙开关转到开的位置时使
14、得驾驶室得电，并确定了该驾驶室为前进车头，另一驾驶室处于锁闭状态。车头驾驶室所有设备得电，并且钥匙开关只有当驾驶控制器手柄位于零位位置，同时模式选择器位于零位位置时才能拔出。,38,牵引系统原理介绍长春轻轨三期牵引系统组成长春轻轨三期牵引系统技术参数长春轻轨三期牵引系统部件技术参数,39,长春轻轨三期牵引系统技术参数牵引系统工作环境(1)高度 海拔1200米(2)温度 环境温度：-35/+40C(3)湿度 在湿度最大的月份最大平均相对湿度为80%(4)使用环境 车辆主要在地面上运行,部分区段在高架桥或地下运行，车辆停放在地面车库,检修在地面车库进行。车库温度不低于-10。,40,轨道特性轨距
15、1435 mm正线最小竖曲线半径 1000 m正线曲线半径 150m车场线曲线半径 50 m轴重（动车）10.5 t轴重（拖车）12 t最大坡道 35,41,供电标准(1)车辆采用受电弓供电，供电额定电压为直流750V。线路走行轨为负极。(2)供电电压的变化范围为 500 V至900 V直流电。(3)在使用再生功能时，电压不高于1000 V。(4)车辆的再生制动能量反馈到电网，以便为线路上运行的其他列车提供电能。,42,列车重量（1）列车最大总重（AW3）125.2 t（60kg/人）（2）车辆自重（AW0）88t转向架参数轮径(新轮)660 mm半磨耗：630 mm全磨耗：600mm齿轮传动
16、比 6.05,43,最高运行速度 70 km/h 构造速度 80 km/h 旅行速度 2530 km/h平均加速度 在超员情况下，列车速度从0加速到32km/h，不小于0.96m/s2。在超员情况下，列车速度从0加速到70km/h，不小于0.5m/s2。制动减速度(在平直线上，车轮半磨耗轮径为630 mm)制动平均速度（列车从70km/h到停车）：1.1 m/s2 紧急制动（不包括制动反应时间）：1.8 m/s2,44,故障运行能力在牵引功率损失1/4的情况下，列车不限速，能正常运营。在牵引功率损失1/2的情况下，列车限速30km/h，运行到本次运营的终点站后回库。在牵引功率损失3/4的情况下
17、，列车马上清客后空车回库。在一台转向架因故隔离时，停放制动应能保证在35坡道上停住。,45,牵引系统原理介绍长春轻轨三期牵引系统组成长春轻轨三期牵引系统技术参数长春轻轨三期牵引系统部件技术参数,46,长春轻轨三期牵引系统部件技术参数一、牵引变流器额定输入电压DC750V 输入电压范围DC500VDC950V（再生DC1000V）额定输出功率120kW2（牵引）额定输出电压3510V AC额定输出电流163A（牵引）；245A（制动）额定输出频率71Hz,47,额定转矩：548N.m额定制动功率：275kW2启动转矩倍数：1.6输出频率范围：0137Hz冷却方式：强迫风冷效率97%防护等级IP6
18、5重量400kg,48,二、牵引电机型 号YJ146A额定功率120 kW极数4相数3额定电压3*510V AC额定电流163A额定频率71Hz额定转速2089r/min最高转速4032r/min,49,额定转矩548Nm功率因数0.91效率91%绝缘等级200工 作 制S1（小时制）防护等级IP54冷却方式IC41连接方式Y重量382kg 3%,50,三、齿轮箱传动比 6.05：1输入速度最大值 3047 rpm最大启动转矩 849 Nm最大制动转矩 790 Nm带有联轴节的重量 485 kg联轴节的重量 大约 70 kg装填油 大约 4.3 L,51,四、制动电阻阻值（20C，含所有误差）
19、1.9 5%平均电流132A功率(连续的等效功率)35 kW额定工作电压1000Vdc最大热态阻值（含所有误差）2.4(approx.600C)电压 额定工作电压1000V DC 最大工作电压1100 V DC 过电压2类过电压（OV2）,52,工作循环 平均制动负荷 0kW=50sec 150kW-275kW=4sec 275kW-0kW=13.5sec 0kW=12.5sec上述工作负荷每80秒重复循环一次。全程平均负荷35 kW紧急制动300kW-0kW=10sec,53,五、避雷器避雷器型号：POLIM-H 1 ND接触网额定电压Un；750V接触网电压波动范围：5001000V避雷器
20、持续工作电压Uc：1.0kV避雷器额定放电电流In 8/20s：20kA避雷器保护电压等级Up(In=20kA)：2.64kV爬电距离：327mm击穿距离：176mm重量：5.1kg高度：210mm,54,六、辅助电源箱6.1辅助供电设备辅助静止逆变器DC 750V/AC 380V/AC220V充电机 DC 750V/DC 24V蓄电池组24V 60Ah（仅考虑安装设计）辅助静止逆变器和充电机的外围接触器,55,6.2 辅助电源系统辅助电源系统的供电分为交流供电和直流供电。交流供电电压为50Hz AC380V和AC220V，由辅助静止逆变器提供。交流供电的负载有客室空调机组、客室电热、设备风机
21、等。直流供电电压为DC24V，由充电机提供，应急时由蓄电池提供。直流供电的负载有牵引系统的控制、辅助电源系统的控制、门控、通信设备、客室照明、应急照明等。客室照明在充电机不工作时自动切除。,56,6.3 辅助逆变器额定输入电压 DC750V 输入电压的范围 DC500VDC900V（再生DC1000V）额定输出交流电压 AC380V 5%电压不平衡 低于 1%频率 50 Hz 1 Hz 满载效率 大于94%容量 35kVA变频启动+定频输出,57,6.4 充电机输入额定电压 DC750V输入电压范围 DC500VDC900V（再生DC1000V）输出电压 DC2429V（可调）最大输出功率 8kW充电电流限制值 25A（可调）纹波（峰-峰值）1V充电方式 限流恒压+蓄电池浮充电,58,七、司控器包括：驾驶控制手柄（带警惕装置）模式选择手柄 钥匙开关参数：输入电压：24V DC最大输入电压：30V DC输入电流：1A 输出电压：高电平 18V 低电平 7V,59,牵引系统原理介绍长春轻轨三期牵引系统组成长春轻轨三期牵引系统技术参数长春轻轨三期牵引系统部件技术参数。,60,61,谢谢,
