單元七

城市軌道交通車輛電力牽引及控制系統(tǒng)城市軌道交通車輛牽引與控制系統(tǒng)

城市軌道交通車輛的牽引系統(tǒng)是由兩大部分組成：牽引高壓系統(tǒng)和牽引控制系統(tǒng)。牽引控制系統(tǒng)控制列車的牽引、制動工況，并記錄、顯示車輛的狀況；車輛牽引系統(tǒng)執(zhí)行控制指令，通過受電、變電和能量的轉(zhuǎn)換過程，實現(xiàn)列車的牽引與制動。課題一電力牽引系統(tǒng)概述

電力牽引系統(tǒng)是城市軌道交通車輛的核心部分，是列車的動力來源。

牽引系統(tǒng)在選型階段要考慮多方面的因素，包括現(xiàn)代技術(shù)的運用、線路縱斷面（坡度/曲線）、線路的站間距、線路設(shè)計運行速度、列車車型、編組形式等，因此，牽引系統(tǒng)是一個非常繁雜的系統(tǒng)。

對于城市軌道交通運營人員，必須對電力牽引系統(tǒng)的組成、功能及注意事項有所理解，特別是能夠控制牽引裝置，實現(xiàn)列車的正常運營。學(xué)習(xí)目標(biāo)理解電力牽引系統(tǒng)的原理；了解電力牽引的特點；掌握城市軌道交通的供電制式。一、電力牽引系統(tǒng)的原理

電力牽引是一種以電能為動力的牽引方式，城市軌道交通車輛通過受流器從第三軌（輸電軌）或架空接觸網(wǎng)接受電能，通過車載的變流裝置給安裝在轉(zhuǎn)向架上的牽引電機供電，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，通過聯(lián)軸器、齒輪傳動箱和輪對，驅(qū)動地鐵列車運行。一、電力牽引系統(tǒng)的原理列車電力牽引系統(tǒng)主要有兩個工況：牽引工況和制動工況。牽引工況下，列車牽引系統(tǒng)為列車提供牽引動力，將地鐵電網(wǎng)上的電能轉(zhuǎn)換為列車在軌道上運行的動能。制動工況可以分為再生制動工況和電阻制動工況。二、電力牽引的特點電力機車的功率大；電力機車的效率高；電力機車的過載能力強；電力機車的運營費用較低。電力牽引的優(yōu)點：對通訊方面所帶來的諧波干擾問題；相控調(diào)壓所引起的功率因數(shù)較低的問題；離不開牽引變電所和接觸網(wǎng)等沿線的供電設(shè)備，使其機動性較差，且線路電氣化投資較大。電力牽引的缺點：三、電力牽引系統(tǒng)的供電制式

世界各國采用的供電制式各不相同，我國電力牽引系統(tǒng)的供電制式分為直流供電和交流供電。不同制式、不同電壓的應(yīng)用如下：1.直流供電DC1500V，用于地鐵和輕軌列車；DC750V，用于地鐵和輕軌列車；DC600V，用于城市電車。

2.交流供電：單相、工頻（50Hz）、25KV，用于干線鐵路。三、電力牽引系統(tǒng)的供電制式我國的城市軌道交通列車已經(jīng)全部采用交流牽引系統(tǒng)，牽引電動機為交流三相異步鼠籠式。因此，城市軌道交通車輛的傳動方式是直-交流傳動。直流電經(jīng)晶閘管或其他新型電力電子器件構(gòu)成的逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為可調(diào)壓、變頻的三相交流電，再向交流牽引電機供電。課題二

牽引系統(tǒng)的部件組成

城市軌道交通車輛電力牽引的過程：由受流器從第三軌或接觸網(wǎng)接受電能。通過牽引主逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，用來驅(qū)動轉(zhuǎn)向架上的牽引電動機，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動列車運行。學(xué)習(xí)目標(biāo)1.掌握城市軌道交通電力牽引的過程；2.掌握牽引系統(tǒng)主要組成部件的功能和原理；3.能看懂城市軌道交通車輛主牽引電路圖。一、牽引系統(tǒng)設(shè)備組成城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)的主要設(shè)備包括：受流裝置

高速斷路器HSCBVVVF牽引逆變器牽引控制單元DCU牽引電機制動電阻司控器（一）受流裝置（受流器、受電器）

受流裝置是列車將外部電源平穩(wěn)地引入車輛電源系統(tǒng)，為列車的牽引設(shè)備和輔助設(shè)備提供電能的重要電氣設(shè)備。（一）受流裝置（受流器、受電器）

根據(jù)線路供電方式的不同，受流裝置有集電靴（受電靴）從第三軌受流和車頂受電弓從架空接觸網(wǎng)受流兩種方式。（一）受流裝置（受流器、受電器）1.集電靴受流裝置

由于城市軌道交通線路大多穿越城區(qū)，往往需要設(shè)在地下，且速度要求不高，從安全性、經(jīng)濟性和對城市景觀影響等方面考慮，更傾向于集電靴從第三軌受流方式。

集電靴受流器安裝在轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架側(cè)面上，與接觸軌（第三軌）形成彈性接觸。受流器的布置原則是保證列車在斷電區(qū)仍能滿足列車的供電要求。（一）受流裝置（受流器、受電器）1.集電靴受流裝置（一）受流裝置（受流器、受電器）1.集電靴受流裝置1——第三軌；2——滑塊；3——受流臂；4——電纜；5——絕緣底座；6——位移調(diào)節(jié)板；7——熔斷器；8——彈簧與軸承；9——手動回退工具插入位置。（一）受流裝置（受流器、受電器）1.集電靴受流裝置利用絕緣操作手柄（快速分離鉤）將接地集電靴隔離。（一）受流裝置（受流器、受電器）1.集電靴受流裝置——技術(shù)參數(shù)項目參

數(shù)額定電壓DC750V電壓范圍DC500V～DC900V額定電流1200A（800A）標(biāo)準(zhǔn)靜接觸壓力120N靜壓力調(diào)節(jié)范圍120N±20%受流部件在受流器上的調(diào)節(jié)范圍-30～+55mm受流器頂面工作狀態(tài)高度160mm受流器質(zhì)量約39kg集電靴材料碳銅合金（或鋁青銅合金）環(huán)境溫度-40℃～+40℃環(huán)境濕度≯90%其他環(huán)境約束相對正常位置傾斜不大于10度無導(dǎo)電塵埃及不可能引起爆炸的地方（一）受流裝置（受流器、受電器）2.受電弓受流裝置受電弓是一種通過空氣回路控制升、降動作的鉸接式機械構(gòu)件，從接觸網(wǎng)上集取電流，并將其傳送到車輛電氣系統(tǒng)的電器設(shè)備。由于接觸網(wǎng)方式可以實現(xiàn)長距離供電，受線路變化影響較小，并且能適應(yīng)列車高速行駛的需要，因此，較多的地鐵線路應(yīng)用受電弓裝置。

受電弓通過支持絕緣子安裝于車輛頂部，通過弓頭上的滑板與接觸線接觸。受電弓弓頭及滑板應(yīng)安裝在車體中心線上盡可能靠近驅(qū)動輪的位置。在“工作”位置上，受電弓在車頂?shù)牟糠侄继幱趲щ姞顟B(tài)，僅在對車頂?shù)臋C械接口和氣路接口處是電氣絕緣的。（一）受流裝置（受流器、受電器）2.受電弓受流裝置1——底架組成；2——阻尼器；3——升弓裝置；4——下臂組裝；5——弓裝配；6——下導(dǎo)桿；7——上臂組成；8——上導(dǎo)桿；9——弓頭；10——碳滑板；11——支持絕緣子（一）受流裝置（受流器、受電器）2.受電弓受流裝置——技術(shù)參數(shù)項目參

數(shù)額定工作電壓DC1500V（DC1000V～DC1800V）最大短時電流（70s占空因素中為5s）3500A最大起動電流（30s）1600A最大停車時電流（DC1000V和單弓受電）540A折疊高度（包括絕緣子）≤310mm最低工作高度（從折疊位置滑板面起）150mm最高工作高度（從折疊位置滑板面起）1950mm最大升弓高度（從折疊位置滑板面起）＞2550mm最大寬度（弓頭處）1550±5mm最大長度（落弓位置）≈2580mm平均靜態(tài)力100N（70N～140N）運行速度≤90km/h重量（包括支持絕緣子）≤140kg額定工作氣壓550kPa（500kPa～900kPa）升弓時間≤8s降弓時間≤8s滑板數(shù)量2塊（一）受流裝置（受流器、受電器）2.受電弓受流裝置——升降弓操作序號名稱操作及控制方法結(jié)果/指示說明1準(zhǔn)備按照車輛操作規(guī)程進行升弓前的檢查與準(zhǔn)備。

2升弓在司機室操縱臺按下受電弓升弓控制按鈕。升弓電磁閥得電接通，壓縮空氣進入受電弓；受電弓在開始動作≤8s后升弓到位；如果升弓故障，通知車場調(diào)度。3降弓在司機室操縱臺按下受電弓降弓控制按鈕。升弓電磁閥失電切除；受電弓在開始動作≤8s后降弓到位；如果降弓故障，通知車場調(diào)度。（二）高速斷路器HSCB/HB

高速斷路器是一個用低壓控制高壓的開關(guān)設(shè)備。其作用就是將電網(wǎng)與車輛高壓設(shè)備分開，利用HSCB過電流(如短路)后的快速響應(yīng)特性來保護直流側(cè)設(shè)備。（三）VVVF牽引逆變器

VVVF牽引逆變器（VariableVoltage，VariableFrequency）是交流電動列車上的重要設(shè)備，安裝在列車動車底部。組成包括：電源電流傳感器、濾波電抗器、直流電壓傳感器、過電壓釋放晶閘管、過電壓放電電阻、放電電阻、濾波電容器、IGBT模塊、相電流傳感器。

作用：牽引時，通過控制內(nèi)部的IGBT模塊的通斷來產(chǎn)生三相交流電源供牽引電機使用；制動時，將感應(yīng)電機產(chǎn)生的交流電整流成直流電反饋給電網(wǎng)或制動電阻。（四）牽引控制單元DCUDCU是車輛牽引與控制系統(tǒng)的核心，其主要功能包括：1.控制異步電動機。牽引控制單元DCU將機車控制級給定值和控制指令轉(zhuǎn)換成VVVF逆變器用的控制信號，對VVVF逆變器和牽引電機進行控制，包括調(diào)節(jié)、保護、逆變器脈沖模式的產(chǎn)生等；2.對VVVF逆變器和牽引電機進行保護控制。對電制動（ED-BRAKE）進行調(diào)整、保護和逆變器脈沖模式的產(chǎn)生，實現(xiàn)在再生制動和電阻制動之間的平滑過渡；3.防空轉(zhuǎn)/防滑保護控制；4.列車加減速沖擊限制保護；5.通信網(wǎng)路功能；6.故障診斷功能等。（五）牽引電機DCU是車輛牽引與控制系統(tǒng)的核心，其主要功能包括：1.控制異步電動機。牽引控制單元DCU將機車控制級給定值和控制指令轉(zhuǎn)換成VVVF逆變器用的控制信號，對VVVF逆變器和牽引電機進行控制，包括調(diào)節(jié)、保護、逆變器脈沖模式的產(chǎn)生等；2.對VVVF逆變器和牽引電機進行保護控制。對電制動（ED-BRAKE）進行調(diào)整、保護和逆變器脈沖模式的產(chǎn)生，實現(xiàn)在再生制動和電阻制動之間的平滑過渡；3.防空轉(zhuǎn)/防滑保護控制；4.列車加減速沖擊限制保護；5.通信網(wǎng)路功能；6.故障診斷功能等。（五）牽引電機

牽引電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，通過聯(lián)軸器、齒輪傳動箱和輪對，驅(qū)動地鐵列車運行。（五）牽引電機三相鼠籠式交流電機主要由3部分組成：固定部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。（五）牽引電機技術(shù)參數(shù)項目參

數(shù)定額1h輸出功率180kW額定電壓550V額定電流240A頻率77Hz轉(zhuǎn)速2255r/min（六）制動電阻

制動電阻是為牽引系統(tǒng)在電制動時消耗過高再生電壓的耗能設(shè)備，保證線網(wǎng)及列車的安全。因為在電制動的情況下，能量不能被電網(wǎng)完全吸收時，多余的能量必須轉(zhuǎn)換為熱能消耗在制動電阻上，否則電網(wǎng)電壓將抬高到不能承受的水平。因此制動電阻的存在確保了電網(wǎng)上的其它設(shè)備的安全。（七）司機控制器司機控制器是用來操縱城軌車輛運行的控制器，它利用控制電路的低壓電器間接控制主電路的電氣設(shè)備，用來完成整個列車的牽引、制動功能，以及列車的前進方向的控制和司機警惕等功能。（七）司機控制器1.司控器的主要組件每個司機室設(shè)有一個司機控制器，在每個司機控制器上有司機鑰匙、方向手柄及牽引/制動控制手柄（帶警惕按鈕）。啟動列車駕駛操作的鑰匙開關(guān)，司機鑰匙有兩個位置：ON、OFF。選擇列車行駛方向的方向手柄，該手柄共有F（向前）、0、R（向后）三個位置。牽引/制動控制手柄有四個位置：牽引、0、常用制動、EB。高加速按鈕和復(fù)位按鈕。（七）司機控制器2.司控器的互鎖邏輯司機控制器的司機鑰匙、方向手柄、牽引/制動控制手柄為機械互鎖結(jié)構(gòu)，其邏輯為：當(dāng)司機控制器不在零位（惰行位）時，方向手柄無法動作；當(dāng)方向手柄不在零位時，司機鑰匙無法動作。司機控制器的牽引、制動和緊急制動狀態(tài)指令通過模式選擇繼電器送到執(zhí)行機構(gòu)；牽引、制動力大小信號為0～10V模擬信號，送入到TCMS中，經(jīng)過TCMS轉(zhuǎn)換為的PWM信號送到執(zhí)行機構(gòu)中。在非ATO模式下，司機應(yīng)按下控制器上的警惕按鈕，否則列車將實施緊急制動。二、牽引主電路雖然不同車型牽引系統(tǒng)不盡相同，但基本原理都是一致的。三、牽引系統(tǒng)的控制整個牽引控制系統(tǒng)由輸入值設(shè)定、速度測量、電機控制、脈沖發(fā)生器、能量反饋各環(huán)節(jié)構(gòu)成。DCU通過列車線接受來自控制系統(tǒng)的牽引/