任務3城軌車輛直流牽引傳動系統(tǒng)課件

1、學 習 目 標1.項 目 導 入2.學 習 任 務3.任務3 城軌車輛直流牽引傳動系統(tǒng) 學習目標1掌握牽引傳動控制的類型；2掌握電氣制動的類型；3掌握直流傳動的控制原理；4能正確分析牽引和電制動電路；5能正確分析高壓回路電路；6掌握主傳動控制系統(tǒng)中的保護方式；7了解城軌車輛使用的電力電子器件類型、工作原理和應用；8了解城軌車輛整流、斬波和逆變電路工作原理和應用。項目導入：項目內(nèi)容： 主要介紹城軌交通車輛各種牽引傳動系統(tǒng)組成及控制原理。全面介紹了主傳動設備直流牽引電動機、三相異步牽引電機和直線牽引電機的結(jié)構(gòu)、工作原理及其特性。 詳細分析了主傳動系統(tǒng)牽引、制動、保護電路。 知識拓展： 介紹城軌交通

2、車輛使用的主要電力電子器件的類型、工作原理及應用場合，分析城軌車輛整流、斬波和逆變電路的工作原理。電力牽引控制定義：在軌道交通車輛中，用電動機驅(qū)動實現(xiàn)車輛牽引的傳動控制方式（電傳動系統(tǒng)）。作用：它是以牽引電機作為控制對象，通過控制系統(tǒng)對電動機的速度和牽引力進行調(diào)節(jié)，滿足車輛牽引和制動特性的要求。類型：直流傳動系統(tǒng)：采用直流（脈流）牽引電動機。 交流傳動系統(tǒng)：采用交流（同步、異步）牽引電動機。電傳動系統(tǒng)主電路定義：一般是指一個車輛單元的牽引動力電路。組成：受流器、牽引箱（PA）、牽引電機、制動電阻箱、電抗器、電氣開關等。圖2-1 主牽引逆變器外形結(jié)構(gòu)任務1 直流傳動控制一直流牽引電機的原理 1直

3、流牽引電機的結(jié)構(gòu)與原理圖2-2 直流電動機結(jié)構(gòu)（4極）表2-1 串勵牽引電動機的結(jié)構(gòu)及部件作用部位主要組成部件主要作用名稱部件組成使用材料定子主極主極鐵心熱軋軟鋼板疊制產(chǎn)生磁通，建立主磁場勵磁繞組漆包線或絕緣扁銅線換向極換向極鐵心熱軋軟鋼板疊制改善換向換向極繞組絕緣扁銅線補償繞組絕緣扁銅線改善負載特性，改善換向（磁）軛部鑄鋼或熱軋軟鋼板疊制提供磁路轉(zhuǎn)子電樞電樞鐵心硅鋼片疊成產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換電樞繞組漆包線或絕緣扁銅線換向器（整流子）換向片含少量銀的銅合金提供電流、整流、換向云母片云母層壓板，絕緣軸碳素鋼傳遞轉(zhuǎn)矩直流串勵牽引電機工作原理2直流牽引電機的特性分析 (1)速率特性 直流電

4、機的速率特性表示式 式中：U 牽引電動機的端電壓，V； Ia 牽引電動機的負載電流即電樞電流，A； R 牽引電動機電樞回路中的電阻， ； 牽引電動機的主極磁通，Wb； Ce 牽引電動機電動勢常數(shù)。 （2-1）圖2-4 電機磁化曲線主磁通由電機的磁化曲線決定 對于復勵電機而言，他勵繞組磁勢比例越大，速率特性越接近他勵電動機，反之則接近串勵電動機的特性。圖2-5 直流電動機速率特性（2） 轉(zhuǎn)矩特性直流電機的轉(zhuǎn)矩特性表示式 （2-2）式中：M 牽引電動機轉(zhuǎn)矩，N； ME 電動機電磁轉(zhuǎn)矩，N； M 電動機空載損耗引起的制動轉(zhuǎn)矩，N； 一般為電機額定轉(zhuǎn)矩的13。 CM 牽引電動機常數(shù)。根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)矩特

5、性與速率特性，可以得到電動機的機械特性。圖2-6 直流電動機轉(zhuǎn)矩特性圖2-7直流電動機機械特性3直流牽引電機與動車牽引特性分析 動車牽引力與電動機轉(zhuǎn)矩、動車速度與電動機轉(zhuǎn)速都是正比例關系，因而動車的牽引 特性曲線F=（）與電動機的機械特性M=（n）趨勢一致，只是坐標比例尺不同。 動車運行時，必須具有機械和電氣上的穩(wěn)定性。（1）機械穩(wěn)定性定義：列車正常運行時，由于偶然的原因引起速度發(fā)生微量變化后，動車本身能恢復到原有的穩(wěn)定運行狀態(tài) 圖2-8 牽引特性機械穩(wěn)定性分析 即: （2-5） 穩(wěn)定條件：是牽引特性曲線的斜率小于基本阻力曲線的斜率。（2）電氣穩(wěn)定性：定義：動車正常運行時，由于偶然的原因引起電

6、流發(fā)生微 量變化后，電動機本身能恢復到原有的電平衡狀態(tài).直流牽引電動機的動態(tài)電壓平衡方程式 (2-6)(2-6)式中：UD 牽引電動機的端電壓，V； E 牽引電動機的反電勢，V； L 牽引電動機的電感量，H。牽引特性電氣穩(wěn)定性分析 牽引電動機穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程 （Ia）曲線斜率為正值時，就具有電氣穩(wěn)定性。 圖2-9 牽引特性電氣穩(wěn)定性分析圖2-10 串勵、他勵電動機的穩(wěn)態(tài)電壓平衡曲線f（Ia）（a）串勵； （b）他勵（3）牽引電動機之間的負載分配： 情況一：兩臺特性有差異的牽引電機裝在同一動車上并聯(lián)運行，輪徑完全相同。 結(jié)論： 串勵電動機負載分配不均勻的程度遠比他勵電動機小。 圖2-11 特性有

7、差異的牽引電動機負載（a）串勵電動機特性曲線 （b）他勵電動機特性曲線 情況二： 兩臺電動機特性完全相同，而它們各自的動輪直徑不同 結(jié)論：串勵電動機負載分配不均勻程度比他勵電動機小。圖2-12動輪直徑有差異時的牽引電動機負載分配（a）串勵電動機特性曲線 （b）他勵電動機特性曲線（4）電壓波動對牽引電動機工作的影響 當電網(wǎng)電壓波動時，由于他勵電動機具有硬特性，其電流沖擊和牽引力沖都比串勵電動機大得多。當外加電壓突變時，他勵電動機比串勵電動機所引起的電流沖擊要大得多。 結(jié)論：電壓波動對牽引電動機的影響，串勵電機要優(yōu)于他勵電機。圖2-13電壓波動時牽引電動機電流和牽引力的變化 （a）串勵電動機特性曲

8、線 （b）他勵電動機特性曲線（5）功率利用 由于串勵電動機具有軟特性，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增大而自動降低，所以串勵電動機的功率變化比他勵電動機要小，接近恒功率曲線，可以合理地利用與牽引功率有關的各種電器設備的容量。（a）串勵 （b）他勵圖2-14 牽引電動機機械特性和功率利用的關系（6）粘著重量利用（a）他勵 (b)串勵圖2-15 電機特性與空轉(zhuǎn)的關系圖中：1-最大粘著力特性 2-滑動摩擦力特性 3、4、5-電動機機械特性從粘著重量利用觀點出發(fā)，他勵電動機優(yōu)于串勵電動機。串勵電動機的防空轉(zhuǎn)能力較差。4直流串勵牽引電動機的調(diào)速調(diào)速常見方法： 調(diào)壓調(diào)速改變牽引電動機的端電壓UD， 磁削調(diào)速改變牽引電動機

9、的主極磁通 （1）調(diào)壓調(diào)速： 改變牽引電動機的聯(lián)接法，例如串并聯(lián)的方式。 在電動機回路串接電阻。 在電動機與電源之間串接斬波器。（2）磁削調(diào)速：定義：通過減少流過牽引電動機的勵磁電流減小牽引電動機主極磁通進行調(diào)速的方法。磁場削弱系數(shù)（用表示）定義：在同一牽引電動機電樞電流下，磁場削弱后（削弱磁場）牽引電動機主極 磁勢與磁場削弱前（滿磁場）牽引電動機主極磁勢之比。表達式： 式中：（IW） 磁場削弱后主極磁勢； （IW） 磁場削弱前（滿磁場）主極磁勢。表示意義：牽引電動機主極磁勢削弱的程度。 愈小表明磁場削弱愈深。（2-3）常用磁削方法結(jié)論：要改變磁場削弱系數(shù)，只須改變分路電阻的大小即可。電阻分路

10、法的特點：結(jié)構(gòu)簡單，磁削調(diào)節(jié)方便，附加電能損耗很小。 磁場削弱系數(shù)的表達式：（2-4） 圖2-16 電阻分路法弱磁場原理城軌車輛上普遍采用電阻分路法（二）直流傳動控制系統(tǒng)組成與控制原理 圖2-17 城市軌道交通車輛直流主傳動結(jié)構(gòu)組成直流傳動調(diào)速控制基本形式： 變阻控制 斬波調(diào)壓控制1變阻控制 變阻控制：是通過調(diào)節(jié)串入電機回路的電阻，改變直 流牽引電動機端電壓，實現(xiàn)調(diào)速目的。 調(diào)阻方法：凸輪調(diào)阻、斬波調(diào)阻。圖2-18 凸輪調(diào)阻控制（1） 凸輪調(diào)阻控制的原理（2） 斬波調(diào)阻控制圖2-19 斬波調(diào)阻控制2.斬波調(diào)壓控制（電樞斬波控制） 利用接在電網(wǎng)與牽引電動機之間的斬波器，通過控制斬波器的導通與關斷

11、時間來改變牽引電動機的端電壓。 圖2-20 斬波調(diào)壓控制 結(jié)論：斬波調(diào)速是一種經(jīng)濟的調(diào)速手段。3直流傳動系統(tǒng)的電氣制動原理： 電氣制動是利用電機的可逆性原理，即一臺電機既可以作發(fā)電機也可以做電動機，只是運行條件不同。分類： 1.電阻制動（能耗制動）：電氣制動時牽引電機所產(chǎn)生的電能，利用電阻使之轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。2.再生制動（反饋制動）：電氣制動時牽引電機所產(chǎn)生的電能重新反饋回電網(wǎng)中去加以利用。（1）電阻制動（能耗制動） 直流串勵牽引電動機的電阻制動，按其接線方式不同分： 他勵式電阻制動、 串勵式電阻制動（a）他勵 (b)串勵圖2-21 電阻制動原理 （2）再生制動（反饋制動） 采用GTO斬波裝

12、置，可以比較方便地實現(xiàn)再生制動。圖2-22 再生制動原理（四）直流斬波控制方式主電路實例分析以某地鐵車輛主電路為例分析其工作原理。該主電路的原理接線圖包括兩部分:主傳動輸入濾波電路、 牽引/制動電路。1主傳動輸入濾波電路（見圖2-23） 組成：網(wǎng)側(cè)電路濾波電路啟動限流環(huán)節(jié)保護電路 由波電容1C1及固定放電電阻R1和二次放電接觸器1K17與電阻1R2、電感1L1組成。作用是為了克服浪涌電壓及網(wǎng)壓波動，同時將直流斬波器產(chǎn)生的諧波限制在主電路內(nèi) 。圖2-23 主傳動輸入濾波電路1Q1受電弓 1Q3高速斷路器 1F1避雷器 1L1濾波電感 1C1/R1濾波電容 1R1啟動限流電阻 1R2二次放電電阻

13、1K17二次放電接觸器 1U1差動電流繼電器 1U2電壓互感器 1Q2接地端子 1F2快速熔斷器 1V1防迂回二極管 1R4接地電阻 1Q41Q11接地裝置牽引電路 地鐵車輛動車調(diào)速以調(diào)壓調(diào)速為主、磁削調(diào)速為輔，即采用直流斬波調(diào)壓調(diào)速，通過主極磁通削磁擴展調(diào)速范圍。 牽引時四臺牽引電機兩串兩并，電流路徑（向前時）為： 第一、二電機支路 第三、四電機支路 磁場削弱電路饋電正端1K9第一牽引電機勵磁繞組1M1第二牽引電機勵磁繞組1M2電流互感器1U31K1第一牽引電機1M1A1B2第二牽引電機電樞繞組1M2B2A1波器1A17、6饋電負端接地裝置11K21K10平波電抗器1L3斬電樞繞組Q8-1Q

14、11車軸鋼軌回流。 饋電正端1K91K5第三牽引電機電樞繞組1M3A1B2第四牽引電機電樞繞組1M4B2A11K6電流互感器1U4第三牽引電機勵磁繞組1M3第四牽引電機勵磁繞組1M41K10平波電抗器1L3斬波器1A17、6饋電負端接地裝置1Q8-1Q11車軸鋼軌回流。 當速度達到36km/h，斬波器調(diào)節(jié)達到0.95時，閉合磁削接觸器1K13，磁削電阻1R3-R4并入第一、二電機的勵磁繞組支路；閉合磁削接觸器1K14，磁削電阻1R3-R6并入第三、四電機的勵磁繞組支路，實現(xiàn)磁場削弱級調(diào)速，磁場削弱系數(shù)為50%。注意：電機勵磁繞組上并聯(lián)的電阻1R3-R3、1R3-R5為固定分路電阻，用以改善牽引

15、電機的換向，其固定磁削率為93%。圖2-24 主傳動牽引-制動電路1K11K14接觸器 1U31U4電流互感器 1M11M4牽引電動機 1A2預勵磁裝置 1L3平波電抗器 1R3/R3、R6磁削電 1R3/R4R5固定分路電阻 1R3/R7R9制動電阻 1A1斬波器（V1V2GTO主晶閘管，V3V4制動晶閘管，V7V8制動電阻調(diào)節(jié)晶閘管，V9串聯(lián)制動二極管，V5續(xù)流二極管，V11短路保護晶閘管） 2主傳動牽引 制動電路電制動電路 路制動時電流路徑為:負端接地裝置V5受電弓其他車輛1L31K111M3勵磁1M4勵磁1K21M2電樞A1B21M1電樞B2A11K1 V7 1R3-R9V3、V4 V

16、8 1R3-R71R3-R8V9 V1/V21R3-R5、R61U41K61M4電樞A1B21M3電樞B2A11K51M1勵磁1M2勵磁1U3 1R3-R3、R43主要設備：（1）牽引電機 （2）斬波器（1）牽引電機： 地鐵車輛選用 直流串勵牽引電機 特點：起動力矩大， 過載能力強， 調(diào)速平滑且范圍廣， 控制簡單.型號CUCS 5668h工作制持續(xù)制額定功率207kW額定電壓750V額定電流305A額定轉(zhuǎn)速1470rmin最大轉(zhuǎn)速3140rmin絕緣等級H級通風量自通風量0.28m3s磁場削弱系數(shù)0min：9350齒輪傳動比5.95：1 主要技術參數(shù)（2）斬波器 斬波器原理：（圖2-24中點劃線框內(nèi)部分） 地鐵車輛斬波器控制方法： 啟動牽引前期采用頻率調(diào)制，設定很小的脈寬（即定ton），頻率從60Hz起調(diào)至400Hz，之后轉(zhuǎn)入脈寬調(diào)制（即調(diào)ton），對導通比在0.05 0.95之間進行控制。 電制動時，V1、V2可關斷晶閘管調(diào)節(jié)再生制動電流，V3、V4電阻制動晶閘管調(diào)節(jié)電阻制動電流，V7、V8配上電阻（1R3-R7、-R8、-R9）構(gòu)成分級電阻制動調(diào)節(jié)電路。 兩相一重相位差180工作頻率500HzGTO導通角0.05 0.95型號CSG200301最大可控