城市軌道交通車輛 第06章 電力牽引傳動系統(tǒng)一

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1、第 六 章 電 力 牽 引 傳 動 系 統(tǒng)（ 一 ） 1 1 概 述2 牽 引 供 電 方 式3 直 流 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 構 成 及 原 理4 交 流 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 的 構 成 及 原 理5 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 主 要 設 備6 城 軌 車 輛 能 量 回 饋 系 統(tǒng)7 大 功 率 交 流 傳 動 互 饋 試 驗 系 統(tǒng) 2 電 力 牽 引 是 一 種 將 電 能 作 為 動 力 的 牽 引 方 式 。 軌 道 交 通 車 輛 的 電 力 牽引 系 統(tǒng) 的 基 本 功 能 是 車 輛 經 牽 引 供 電 網 絡 吸 取 電 能 轉 變 為 驅 動 車 輛 所 需 的機 械

2、 能 ， 或 者 是 將 車 輛 的 機 械 能 變 為 電 能 ， 對 車 輛 實 施 電 制 動 。 所 以 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 以 牽 引 電 機 為 控 制 對 象 ， 通 過 對 電 機 牽 引 力 和 速 度的 調 節(jié) ， 滿 足 車 輛 牽 引 和 制 動 特 性 的 需 要 。 圖 5.1 牽 引 傳 動 裝 置 車 軸 車 輪 牽 引 電 機 齒 輪 傳 動 箱 概 述 3 軌 道 交 通 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 主 要 類 型根 據 供 電 電 壓 制 式 可 分 為 ： 直 流 ： 600， 750， 1500， 3000V (標 稱 值 ) 交 流 ： 15000，

3、 25000V(標 稱 值 )根 據 牽 引 電 機 可 分 為 ： 直 流 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 交 流 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 4 軌 道 交 通 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 主 要 類 型 5直 流 -直 流 （ 城 軌） 交 流 -直 流 （ 干 線 鐵 路） （ 直 流 ） 軌 道 交 通 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 主 要 類 型 6（ 城 軌） （ 干 線 鐵 路） 牽 引 變 壓 器 將 牽 引 網 供 給 的 25kV單 相 交 流 電 壓 降 低 ， 以 滿 足 變 流 器 的 工作 要 求 （ 一 般 在 12kV左 右 ） 。 對 于 “交 直 ”傳 動 系 統(tǒng) ， 變 流

4、器 主 要 實 現 整 流 功 能 ， 通 過 相 控 整 流 將 交流 電 壓 變 為 大 小 可 控 的 直 流 電 壓 ； 對 于 “交 直 交 ”系 統(tǒng) ， 變 流 器 首 先 通 過 脈 寬 整 流 將 交 流 電 變 為 直 流 電， 再 將 直 流 逆 變 為 幅 值 和 頻 率 均 可 控 的 三 相 對 稱 交 流 電 。 變 流 器 輸 出 可 調 的 直 流 /交 流 電 壓 ， 供 給 直 流 /交 流 牽 引 電 機 工 作 ， 產 生 所需 要 的 牽 引 力 。 干 線 鐵 路 機 車 、 動 車 組 牽 引 系 統(tǒng)7 對 于 直 流 傳 動 系 統(tǒng) ， 變 流

5、器 主 要 作 用 為 調 壓 ； 對 于 交 流 傳 動 系 統(tǒng) ， 變 流 器 將 直 流 逆 變 為 幅 值 和 頻 率 均 可 控 的 三 相 對 稱交 流 電 。 變 流 器 輸 出 可 調 的 直 流 /交 流 電 壓 ， 供 給 直 流 /交 流 牽 引 電 機 工 作 ， 產 生 所需 要 的 牽 引 力 。 城 市 軌 道 車 輛 電 力 牽 引 系 統(tǒng)8 城 軌 車 輛 ： 電 氣 牽 引 時 ， DC750V或 DC1500V直 流 電 壓 ， 然 后 經 三 相 逆 變 器 變 為 交 流 三相 電 壓 ， 給 牽 引 電 機 供 電 ， 實 現 電 能 到 機 械 能

6、 的 轉 換 。 電 氣 制 動 時 ， 牽 引 電 機 機 械 能 轉 換 為 電 能 ， 經 三 相 逆 變 器 變 為 直 流 電 壓 反 饋到 電 網 ， 實 現 機 械 能 到 電 能 的 轉 換 ， 也 稱 為 再 生 制 動 ； 或 通 過 制 動 電 阻 ， 將 機 械能 轉 化 為 熱 能 。 9 干 線 鐵 路 車 輛 ： 電 氣 牽 引 時 ， 25kV交 流 電 經 變 壓 器 降 壓 后 ， 經 四 象 限 變 流 器 變 為 直 流 電 壓， 然 后 經 三 相 逆 變 器 變 為 交 流 三 相 電 壓 ， 給 牽 引 電 機 供 電 ， 實 現 電 能 到 機

7、械 能 的轉 換 。 電 氣 制 動 時 ， 牽 引 電 機 機 械 能 轉 換 為 電 能 ， 經 三 相 逆 變 器 變 為 直 流 電 壓 、 經四 象 限 變 流 器 變 為 單 相 交 流 電 壓 ， 經 變 壓 器 反 饋 到 25kV電 網 ， 實 現 機 械 能 到 電 能的 轉 換 ， 也 成 為 再 生 制 動 。 10 1 概 述2 牽 引 供 電 方 式3 直 流 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 構 成 及 原 理4 交 流 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 的 構 成 及 原 理5 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 主 要 設 備6 城 軌 車 輛 能 量 回 饋 系 統(tǒng)7 大 功 率 交 流

8、傳 動 互 饋 試 驗 系 統(tǒng) 11 電 力 系 統(tǒng)生 產 、 輸 送 、 分 配 、 消 費 電 能 的 發(fā) 電 機 、 變 壓 器 、 電 力 線 路 、各 種 用 電 設 備 聯 系 在 一 起 組 成 的 統(tǒng) 一 體 。 12 13 動 力 部 分 ： 火 電 站 的 鍋 爐 、 汽 輪 機 ； 水 電 站 的 水 庫 、 水 輪 機 ； 熱 電 站 的 熱 力 網 ； 風 能 ； 太 能 能 ； 核 能 ； 14 15 16 17 交 流 牽 引 供 電 系 統(tǒng) 18 交 流 牽 引 供 電 系 統(tǒng) 19 直 流 牽 引 供 電 系 統(tǒng) 20 21 電力源及主變電站 城 市 軌 道

9、交 通 的 電 源 可 以 來 自 國 家 電 網 或 發(fā) 電 站 (廠 )。 由 于 城 市 軌 道 交 通 系 統(tǒng) 位 于 城 市 區(qū) 域 內 ， 這里 有 國 家 電 力 系 統(tǒng) 的 區(qū) 域 變 電 站 ， 因 此 多 數 城 市軌 道 交 通 系 統(tǒng) 可 從 區(qū) 域 變 電 站 得 電 ， 其 電 壓 一 般為 1035 kV。 如 果 區(qū) 域 變 電 站 的 負 荷 有 限 ， 則 需 為 城 市 軌 道 交通 系 統(tǒng) 專 設 主 (降 壓 )變 電 站 ， 將 國 家 電 網 的 高 壓(110 220 kV)降 為 中 壓 (10 35 kV)， 并 通 過 牽引 供 電 網 絡

10、 將 電 能 分 配 到 每 一 個 牽 引 變 電 所 和 降壓 變 電 所 。 22 從 發(fā) 電 廠 (站 )經 升 壓 、 高 壓 輸 電 線 到 區(qū) 域 變 電 站 (如 可 供軌 道 交 通 使 用 )或 主 (降 壓 )變 電 站 的 部 分 ， 通 常 被 稱 為 供電 系 統(tǒng) 的 “ 外 部 供 電 系 統(tǒng) ， 也 稱 “ 一 次 供 電 系 統(tǒng) ” ； 從 主 (降 壓 )變 電 站 及 其 以 后 的 部 分 統(tǒng) 稱 為 “ 牽 引 供 電 系 統(tǒng)” 。 23 牽引變電所 牽 引 變 電 所 的 任 務 就 是 將 電 力 系 統(tǒng) 提 供 的 三 相 工 頻 交 流 電通

11、過 變 壓 或 變 流 轉 變 為 本 線 電 動 車 輛 可 用 的 電 源 。 根 據 電 流 制 的 不 同 ， 牽 引 變 電 所 又 分 為 直 流 牽 引 變 電 所和 交 流 牽 引 變 電 所 。 24 城 市 軌 道 交 通 采 用 直 流 供 電 制 式 是 因 為 城 市 軌 道 交 通 運輸 的 列 車 功 率 并 不 是 很 大 ， 其 供 電 半 徑 （ 范 圍 ） 也 不 大 ，因 此 供 電 電 壓 不 需 要 太 高 ， 還 由 于 直 流 制 比 交 流 制 的 電 壓損 失 小 （ 同 樣 電 壓 等 級 下 ） 。 另 外 由 于 城 市 內 的 軌 道

12、 交 通 ， 供 電 線 路 都 處 在 城 市 建 筑 群之 間 ， 供 電 電 壓 不 宜 太 高 ， 以 確 保 安 全 。 基 于 以 上 原 因 ，世 界 各 國 城 市 軌 道 交 通 的 供 電 電 壓 都 在 直 流 550 1500V之 間 。 25 現 在 ， 國 際 電 工 委 員 會 擬 定 的 電 壓 標 準 為 600 V、 750 V和1500 V三 種 ， 后 兩 種 為 推 薦 值 。 我 國 國 家 標 準 也 規(guī) 定 為 750 V和 1500V。 26 以 北 京 和 天 津 為 代 表 的 北 方 地 區(qū) 采 用 DC 750V供 電 電 壓 制式 ，

13、 允 許 電 壓 波 動 范 圍 為 DC 500V DC 900V， 第 三 軌 受 流； 以 上 海 和 廣 州 為 代 表 的 南 方 地 區(qū) 采 用 DC 1500V供 電 電 壓 制式 ， 允 許 電 壓 波 動 范 圍 為 DC 1000V DC 1800V， 架 空 接 觸網 受 電 弓 受 流 。 27 從 減 少 電 能 損 失 和 電 壓 降 ， 延 長 供 電 距 離 以 降 低 牽 引 變 電站 的 數 量 及 投 資 ， 以 及 從 降 低 受 流 接 觸 網 的 懸 掛 重 量 、 降低 結 構 復 雜 性 及 投 資 而 言 ， 采 用 DC 1500V的 牽 引

14、 供 電 電 壓制 式 比 采 用 DC 750V的 牽 引 供 電 電 壓 制 式 要 經 濟 得 多 。 高 耐 壓 電 力 電 子 變 流 器 件 的 發(fā) 展 ， 為 采 用 DC 1500V供 電 的城 市 軌 道 交 通 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 提 供 了 可 靠 的 技 術 保 障 。 因 此 ， 今 后 我 國 的 城 市 軌 道 交 通 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 的 供 電 電 壓制 式 的 發(fā) 展 趨 勢 應 該 是 逐 步 采 用 統(tǒng) 一 的 DC 1500 V。 28 牽 引 供 電 整 流 裝 置 將 高 壓 交 流 (10kV或 35kV)變 為 直 流 電(750V或

15、 1500V)， 為 了 提 高 直 流 電 的 供 電 質 量 ， 降 低 直 流電 源 的 脈 動 量 ， 通 常 采 用 多 脈 波 整 流 的 方 法 ， 如 12脈 波 ，24脈 波 整 流 ， 直 流 供 電 網 整 流 方 式 29 接觸網 接 觸 網 是 將 牽 引 變 電 所 的 電 源 傳 送 給電 動 車 輛 的 導 體 。 電 動 車 輛 通 過 受 電 弓 (或 受 流 器、 集 電 靴 )獲 得 電 能 ， 驅 動 牽 引 電 動 機 使 列 車 運 行。 30 廣 義 的 接 觸 網 大 體 可 分 為 接 觸 導 線 (習 慣 稱 為 接 觸網 )及 接 觸 軌

16、 兩 大 類 。 接 觸 導 線 懸 掛 于 軌 道 上 方 ， 接 觸 軌 位 于 軌 道 中 部 或側 面 。 上 海 地 鐵 采 用 架 空 式 接 觸 網 北 京 地 鐵 采 用 接 觸 軌 ， 接 觸 軌 安 裝 于 線 路 行 車 方 向的 左 側 ， 集 電 靴 采 用 上 部 接 觸 方 式 受 電 。接 觸 網 分 類 31 1 概 述2 牽 引 供 電 方 式3 直 流 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 構 成 及 原 理4 交 流 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 的 構 成 及 原 理5 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 主 要 設 備6 城 軌 車 輛 能 量 回 饋 系 統(tǒng)7 大 功 率 交 流

17、 傳 動 互 饋 試 驗 系 統(tǒng) 32 一 、 直 流 電 機 N S NS 直 流 電 機 由 定 子 、 轉 子 兩 部 分 構 成 。直 流 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 33 直 流 電 機 直 流 電 機 各 部 分 的 作 用 ： 定 子 的 作 用 是 用 來 產 生 磁 場 ， 提 供 磁 路 和 作 為 電 機 的 機 械 支 撐N S NS34 轉 子 部 分 是 用 來 產 生 感 應 電 勢 和 電 磁 轉 矩 從 而 實 現 機 電 能 量 轉 換 的 主 要部 件 轉 子 通 過 軸 承 與 定 子 保 持 相 對 位 置 ， 使 兩 者 之 間 有 一 個 空 氣 隙

18、直 流 電 動 機 工 作 原 理 載 流 導 體 在 磁 場 中 將 會 受 到 力 的 作 用 ， 若 磁 場 與 載 流 導 體 互 相 垂 直， 作 用 在 導 體 上 的 電 磁 力 大 小 為 ： f = Bli B:磁 密 l： 導 體 長 度 ； i： 導 體 中 電 流力 的 方 向 用 左 手 定 則 確 定 35 直 流 電 動 機 工 作 原 理換 向 電 樞 繞 組 兩 端 分 別 接 在兩 個 相 互 絕 緣 而 和 繞 組 同 軸旋 轉 的 半 圓 形 銅 片 換 向片 上 ， 組 成 一 個 換 向 器 。 換向 器 上 壓 著 固 定 不 動 的 炭 質電 刷

19、 。 36 直 流 電 動 機 工 作 原 理 當 電 樞 轉 到 圖 a所 示 位 置 時 ， ab邊 在 N極 下 ， cd邊 在 S極 下 ， 電 磁 轉矩 方 向 如 圖 所 示 。 37 直 流 電 動 機 工 作 原 理 當 電 樞 轉 到 上 圖 b所 示 位 置 時 ， ab邊 轉 到 了 S極 下 ， cd邊 轉 到 了 N極下 ， 但 由 于 換 向 器 隨 同 一 起 旋 轉 ， 使 得 電 刷 A總 是 接 觸 N極 下 的 導 線 ，而 電 刷 B總 是 接 觸 S極 下 的 導 線 ， 故 電 流 流 動 方 向 發(fā) 生 改 變 ， 電 磁 轉 矩 方向 不 變 。

20、 38 直 流 電 機 分 類 ： 根 據 勵 磁 繞 組 與 電 樞 繞 組 的 聯接 方 式 主 要 分 為 他 勵 、 并 勵 、 串 勵 和 復 勵 四 種 。 39 機 械 特 性 ： 電 動 機 是 用 來 拖 動 車 輛 運 行 的 ， 而車 輛 運 行 對 電 動 機 提 出 的 主 要 要 求 是 轉 速 和 轉 矩 。n0 T串 勵 電 動 機 機 械 特 性 他 勵 電 動 機 機 械 特 性 40 串 勵 電 動 機 機 械 特 性 對 于 串 勵 電 動 機 ， 低 轉 速 時 ， 電 機 轉 矩 很 大 ， 有 利 于 重 載 啟 動 ，高 轉 速 時 ， 轉 矩

21、很 小 。 41 直 流 牽 引 調 速 系 統(tǒng)直 流 電 機 的 基 本 調 速 方 法直 流 牽 引 電 動 機 調 速 的 基 本 形 式 42 基 本 調 速 方 法 在 上 式 中 ， CE是 常 數 ， Id與 電 磁 轉 矩 成 正 比， 因 此 調 節(jié) 電 動 機 的 轉 速 可 以 有 三 種 方 法 ： 調 解 電 樞 供 電 電 壓 U 減 弱 勵 磁 磁 通 改 變 電 樞 回 路 電 阻 R EdC RIUn 43 圖 5.11 有 觸 點 式 開 關 調 阻 原 理 圖 （ 一 ） 調 壓 法 ： （ 1） 變 阻 控 制 調 節(jié) 電 阻 的 方 法 又 可 分 為

22、 兩類 ， 即 采 用 有 觸 點 組 合 式 凸 輪 開關 調 阻 和 無 觸 點 斬 波 調 阻 。 有 觸 點 開 關 調 阻基 本 調 速 方 法 （ 直 -直 系 統(tǒng) ） 44 圖 5.13 直 流 斬 波 電 路 原 理 直 流 斬 波 電 路 原 理直 流 斬 波 電 壓 波 形 t0 LRU onT offTT LRu U 圖 5.14 直 流 斬 波 電 壓 波 形 （ 一 ） 調 壓 法 ： （ 2） 斬 波 調 壓 TTon UTtUU onRL 導 通 比 45 基 本 調 速 方 法 （ 直 -直 系 統(tǒng) ） 改 變 負 載 平 均 電 壓 有 三 種 典 型 的 控

23、 制 方 法 : （ 1） 定 頻 調 寬 控 制 （ 脈 寬 調 制 ） ： 即 保 持 斬波 周 期 T不 變 ， 改 變 斬 波 器 導 通 時 間 ， 從 而 改 變 負載 平 均 電 壓 。 46 基 本 調 速 方 法 （ 直 -直 系 統(tǒng) ） （ 2） 定 寬 調 頻 控 制 （ 頻 率 調 制 ） ： 即 保 持 斬 波 器 導通 時 間 不 變 ， 通 過 改 變 斬 波 器 周 期 T來 改 變 負 載 平均 電 壓 。 47 基 本 調 速 方 法 （ 直 -直 系 統(tǒng) ） （ 3） 調 頻 調 寬 混 合 控 制 ： 不 但 改 變 斬 波 器 的 工 作 頻率 ， 而

24、 且 改 變 斬 波 器 的 導 通 時 間 。 48 基 本 調 速 方 法 （ 直 -直 系 統(tǒng) ） 三 種 典 型 控 制 方 法 特 點 : （ 1） 定 頻 調 寬 控 制 ： 頻 率 固 定 ， 易 于 設 計 消除 高 次 諧 波 的 濾 波 器 。 （ 2） 定 寬 調 頻 控 制 ： 控 制 方 便 ， 易 發(fā) 生 共 振及 干 擾 通 信 信 號 。 （ 3） 調 頻 調 寬 混 合 控 制 ： 常 用 在 需 要 大 幅 度改 變 輸 入 電 壓 ， 同 樣 帶 來 濾 波 器 設 計 困 難 等 問 題。 49 基 本 調 速 方 法 （ 直 -直 系 統(tǒng) ） 圖 5.

25、15 串 勵 電 動 機 磁 場 削 弱 法 （ a） （ b） （ a） 短 路 匝 數 法 （ b） 分 路 電 流 法 M M （ 二 ） 調 節(jié) 主 極 磁 通 ： 50 直 -直 系 統(tǒng) 的 電 制 動（ 一 ） 電 阻 制 動 ： 5.16 直 流 電 機 的 電 阻 制 動 接 線 原 理 圖 （ a） 電 動 機 牽 引 工 況 （ b） 他 勵 式 電 阻 制 動 （ c） 串 勵 式 電 阻 制 動 n EUd I L Id ERZ nId + - ER Z ndI IL I L (a) (b) (c) M M M電 機 牽 引 工 況 他 勵 電 阻 制 動 工 況 51

26、 圖 5.17 再 生 制 動 原 理 圖 dU D PL SU Mid iZ + （ 二 ） 再 生 制 動 ： 52 直 -直 系 統(tǒng) 的 電 制 動 在 干 線 鐵 路 軌 道 交 通 車 輛 中 ： 直 流 控 制 系 統(tǒng) 采 用 相 控 整 流 控 制 方 式 。 全 控 橋 式 整 流 控 制 方 式 ； 半 控 橋 式 整 流 控 制 方 式 ； 多 段 橋 順 序 控 制 方 式 ； 53 基 本 調 速 方 法 （ 交 -直 系 統(tǒng) ） 全 控 橋 式 整 流 控 制 方 式 54PKabT1 T2u2u1 MT4 T3 udiT 全 控 整 流 電 路 改 變 可 控 硅

27、改 變 整 流 電 壓 ud波 形 改 變 Ud。i 0iu, tu1 iTIT i(1) 0u tud 00 ttId I di iT1 iT2 iT4iT3 全 控 橋 整 流 波 形 基 本 調 速 方 法 （ 交 -直 系 統(tǒng) ） 半 控 橋 式 整 流 控 制 方 式 55半 控 整 流 電 路 改 變 可 控 硅 改 變 整 流 電 壓 ud波 形 改 變 Ud。 半 控 橋 整 流 波 形 PKa bT1 D1u2u1 MT2 D2 udiT cd Idi2 . . 基 本 調 速 方 法 （ 交 -直 系 統(tǒng) ） 兩 段 半 控 橋 電 路 56兩 段 半 控 橋 電 路 兩

28、段 半 控 橋 波 形 iT 20u tudi tId 2 RM1i tI d 2 RM200 t0iT 變 壓 器 副 邊 兩 段 ， 分 別 給 半 控橋 RM1、 RM2供 電 ， 兩 橋 串 后 向電 機 供 電 。 低 壓 段 ， RM1逐 漸 開 放 ， RM2關 斷 ； 高 壓 段 ， RM1全 開 放 ， RM2逐 漸 開 放 ；基 本 調 速 方 法 （ 交 -直 系 統(tǒng) ） 三 段 不 等 分 半 控 橋 式 電 路 57三 段 不 等 分 半 控 橋 電 路 第 一 段 ， 低 壓 調 節(jié) （ 大 橋 調 壓 ） 。 繞組 ax1、 T1、 T2、 D1、 D2工 作 ，

29、 D3、 D4聯 通 電 路 ； T3 T6均 關 斷 ； 第 二 段 ， 中 壓 調 節(jié) （ 小 橋 調 壓 ） 。 大橋 滿 開 放 （ 即 1=0） ， 繞 組 bc、 T3、T4、 及 D3、 D4投 入 工 作 ； T5、 T6關 斷； 第 三 段 ， 高 壓 調 節(jié) ， 前 兩 段 橋 滿 開 放（ 即 1=0、 2=0） ， 繞 組 cx2、 T5、T6也 工 作 ，ab Mu dcx1 T3D3 T1D1 T2D2 T4D4 . . T5T6. . . x2 iTu1 基 本 調 速 方 法 （ 交 -直 系 統(tǒng) ） 三 段 不 等 分 半 控 橋 式 電 路 58三 段 不

30、等 分 半 控 橋 電 路 三 段 不 等 分 半 控 橋 波 形 ab Mudcx1 T3D3 T1D1 T2D2 T4D4 . . . T5 T6. . .x 2 iTu1 iT10u t t0iTi t0 iT2 iT2 iT4 iT1 iT3 iT2iT4 iT6 iT1iT3 iT5Id2KT 3Id4KT IdKT 基 本 調 速 方 法 （ 交 -直 系 統(tǒng) ） 四 段 經 濟 半 控 橋 式 電 路 59四 段 經 濟 半 控 橋 電 路 ab Mudcx1 T3D3 T1D1 T2D2 T4D4 . . . T5 T6. . .x 2 iTu1 四 段 經 濟 橋 與 三 段

31、 不 等 分 橋 電 路 相 同 ，只 是 控 制 順 序 不 同 。 第 一 段 ， 移 相 控 制 T3、 T4， 繞 組 bc、 T3、T4、 D3、 D4工 作 ， D1、 D2聯 通 電 路 ， T1、 T2、 T5、 T6均 封 鎖 ， 僅 bc段 繞 組 流 過 電 流 ； 第 二 段 ， 一 段 橋 滿 開 放 ， 移 相 控 制 T5、 T6， 繞 組 bc和 cx2、 T3 T6、 D3、 D4工 作 ， D1、 D2聯 通 電 路 ， T1、 T2封 鎖 ； 過 渡 ， 2=0時 ， 將 bx2段 負 載 全 轉 移 到ax1上 。 （ 二 繞 組 匝 數 相 等 ， 合

32、 理 控 制 實 現無 沖 擊 平 滑 轉 移 ） 電 壓 過 零 時 刻 滿 開 放 T1、T2， 并 封 鎖 T3 T6。 電 機 端 壓 不 變 ； 第 三 段 ， 維 持 T1、 T2滿 開 放 ， 再 次 控 制 T3、 T4， 使 bc段 再 次 投 入 工 作 ； 第 四 段 ， 維 持 T1 T4滿 開 放 ， 再 次 控 制 T5 、 T6， 使 cx2段 再 次 投 入 工 作 ； 基 本 調 速 方 法 （ 交 -直 系 統(tǒng) ） 60 1 23456 不 同 整 流 電 路 功 率 系 數 1 不 可 控 整 流 電 路2 全 控 橋 式 整 流 電 路3 半 控 橋 式

33、 整 流 電 路4 兩 段 半 控 橋 式 整 流 電 路5 三 段 不 等 分 半 控 橋 式 整 流 電 路6 四 段 經 濟 半 控 橋 式 整 流 電 路 基 本 調 速 方 法 （ 交 -直 系 統(tǒng) ） 交 -直 系 統(tǒng) 的 電 制 動電 阻 制 動 ： 5.16 直 流 電 機 的 電 阻 制 動 接 線 原 理 圖 （ a） 電 動 機 牽 引 工 況 （ b） 他 勵 式 電 阻 制 動 （ c） 串 勵 式 電 阻 制 動 n EUd I L Id ERZ nId + - ER Z ndI IL I L (a) (b) (c) M M M電 機 牽 引 工 況 他 勵 電 阻

34、 制 動 工 況 61 1 概 述2 牽 引 供 電 方 式3 直 流 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 構 成 及 原 理4 交 流 牽 引 傳 動 系 統(tǒng) 的 構 成 及 原 理5 電 力 牽 引 系 統(tǒng) 主 要 設 備6 城 軌 車 輛 能 量 回 饋 系 統(tǒng)7 大 功 率 交 流 傳 動 互 饋 試 驗 系 統(tǒng) 62 一 、 交 流 牽 引 系 統(tǒng) 特 點 及 發(fā) 展 概 況二 、 三 相 異 步 電 機三 、 交 流 電 機 調 速 系 統(tǒng)四 、 交 流 傳 動 的 脈 寬 調 制 技 術 63 交 流 牽 引 系 統(tǒng) 特 點 及 發(fā) 展 概 況 直 流 電 力 傳 動 優(yōu) 點 ： 具 有 良

35、 好 的 調 速 性 能 直 流 電 力 傳 動 缺 點 ： 防 空 轉 性 能 較 差 ； 換 向 器與 電 刷 ， 因 而 帶 來 了 較 大 的 體 積 與 重 量 ， 容 易 產 生環(huán) 火 以 及 繁 雜 的 維 護 問 題 。 64 交 流 牽 引 系 統(tǒng) 特 點 及 發(fā) 展 概 況 交 流 電 力 傳 動 特 點 ： 電 機 結 構 簡 單 ， 成 本 較 低 ； 工 作 可 靠 ， 壽 命 長 ， 維 修 、 運 行 費 用 低 ； 防 空 轉 能 力 好 。 65 第 一 階 段 ： 交 流 電 動 機 數 學 模 型 復 雜 ， 初 期 ，人 們 對 其 調 速 特 點 沒

36、有 很 好 的 掌 握 ； 第 二 階 段 ： 充 分 掌 握 其 調 速 理 論 ， 受 變 流 器 本身 限 制 ， 調 速 裝 置 無 法 實 現 ； 第 三 階 段 ： 電 力 電 子 器 件 的 發(fā) 展 促 進 了 交 流 電機 的 應 用 。 交 流 牽 引 系 統(tǒng) 特 點 及 發(fā) 展 概 況 66 交 流 牽 引 系 統(tǒng) 已 被 世 界 各 國 公 認 為 近 代 最 優(yōu) 越的 牽 引 調 速 系 統(tǒng) ， 交 流 牽 引 也 是 今 后 世 界 各 國 軌 道交 通 發(fā) 展 的 總 趨 勢 。交 流 牽 引 系 統(tǒng) 特 點 及 發(fā) 展 概 況 67 三 相 異 步 電 機 基 本

37、 結 構 68 三 相 異 步 電 機 基 本 結 構鐵 心 ： 由 內 周 有 槽的 硅 鋼 片 疊 成 。A -XB -Y C- Z三 相 繞 組機 座 ： 鑄 鋼 或 鑄 鐵 69 70 (1) 鼠 籠 式 轉 子 鐵 芯 槽 內 放 銅 條 ， 端 部用 短 路 環(huán) 形 成 一 體 ， 形 成 轉子 繞 組 。(2) 繞 線 式 轉 子 同 定 子 繞 組 一 樣 ， 也 分為 三 相 ， 并 且 接 成 星 形 。 三 相 異 步 電 機 工 作 原 理 120sin 120sinsinmC mB mA tIi tIi tIi 定 子 三 相 繞 組 通 入 三相 交 流 電 (星

38、形 聯 接 ) Bi AX BYC ZA iCi CiAi Bii tmIo 71 i CiAi Bi tmIo 0n i : “+” 首 端 流 入 ， 尾 端 流 出 。 i : “” 尾 端 流 入 ， 首 端 流 出 。 AYC B ZX()電 流 出()電 流 入三 相 異 步 電 機 工 作 原 理 72 CiBiAii tAXYC B ZAXYC B ZAXYC B ZNS 三 相 電 流 合 成 磁場 的 分 布 情 況 0t 60t合 成 磁 場 方 向 向 下 合 成 磁 場 旋 轉 600n 60 90t合 成 磁 場 旋 轉 90600 mIoS N S N三 相 異

39、步 電 機 工 作 原 理 73 AXYC B ZAXYC B ZAXYC B ZNS 可 以 看 出 ， 旋 轉 磁 場 是 一 對 磁 極 。 級 對 數 就 是 旋 轉 磁 場 的 級 對 數 。 根 據 繞 組 的 不同 安 排 ， 可 產 生 兩 對 、 三 對 或 更 多 對 數 的 旋 轉 磁 場 。0t 60t合 成 磁 場 方 向 向 下 合 成 磁 場 旋 轉 600n 60 90t合 成 磁 場 旋 轉 90S N S N三 相 異 步 電 機 工 作 原 理 74 定 子 三 相 繞 組 通 入 三 相 交 流 電 分 ）轉 /( 60 10 pfn 方 向 :順 時

40、針 切 割 轉 子 導 體 Blv右 手 定 則 感 應 電 動 勢 E20旋 轉 磁 場感 應 電 流 I2旋 轉 磁 場 Bli左 手 定 則 電 磁 力 F電 磁 轉 矩 T n AXYC BZv 0nNS FF三 相 異 步 電 機 工 作 原 理 75 由 前 面 分 析 可 知 ， 電 動 機 轉 子 轉 動 方 向 與 磁 場旋 轉 的 方 向 一 致 ， 但 轉 子 轉 速 n 不 可 能 達 到 與 旋 轉磁 場 的 轉 速 相 等 ， 即 0nn 異 步 電 動 機如 果 : 0nn 無 轉 子 電 動 勢 和 轉 子 電 流 轉 子 與 旋 轉 磁 場 間 沒 有 相 對

41、 運 動 ， 磁 通 不 切 割 轉 子 導 條無 轉 矩 三 相 異 步 電 機 工 作 原 理 76 旋 轉 磁 場 的 同 步 轉 速 和 電 動 機 轉 子 轉 速 之 差 與旋 轉 磁 場 的 同 步 轉 速 之 比 稱 為 轉 差 率 。因 此 ， 轉 子 轉 速 與 旋 轉 磁 場 轉 速 間 必 須 要 有 差 別 。%100 00 n nns 三 相 異 步 電 機 工 作 原 理 77 maxT mSNSO T S曲 線)(sfT stT 1NT 三 相 異 步 電 機 工 作 原 理 轉 子 轉 速 越 接 近 定子 的 磁 場 轉 速 ， 則 轉 差率 越 小 ， 由

42、于 三 相 異 步電 動 機 的 額 定 轉 速 與 同步 轉 速 相 近 ， 所 以 它 的轉 差 率 很 小 ， 通 常 在 額定 負 載 時 的 轉 差 率 約 為1% 9%。 78 maxT mSNSO T S曲 線)(sfT 曲 線)(TfnstT 1NT Nn maxTstTO n TNT0n 三 相 異 步 電 機 工 作 原 理 79 三 、 交 流 電 機 調 速 系 統(tǒng) 直 流 電 機 的 速 度 控 制 主 要 基 于 電 壓 和 磁 場 控制 。 交 流 電 機 的 速 度 控 制 ， 需 要 控 制 更 多 參 數 ，電 壓 、 電 流 、 電 源 頻 率 及 轉 差

43、 率 。 80 關 鍵 問 題 ： ?maxT mSNSO T S曲 線)(sfT stT 1NT 81 基本公式： 82 基本公式： 83 84 速 度 -扭 矩 特 性 （ 只 有 頻 率 發(fā) 生 變 化 ） ： 85 速 度 -扭 矩 特 性 （ 只 有 電 壓 發(fā) 生 變 化 ） ： 86 87 速 度 -牽 引 力 特 性 ： A B C A-恒 扭 矩 區(qū) ； B-恒 功 率 區(qū) ； C-特 性 區(qū) 88 恒 扭 矩 區(qū) ：A B C 89 恒 扭 矩 區(qū) ：A B C 90 恒 功 率 區(qū) ：A B C 91 恒 功 率 區(qū) ：A B C 92 特 性 區(qū) ：A B C 93 特

44、 性 區(qū) ：A B C 94 速 度 -牽 引 力 特 性 ： A B C A-恒 扭 矩 區(qū) ； B-恒 功 率 區(qū) ； C-特 性 區(qū) 隨 著 電 子 技 術 及 控 制 技 術 的 發(fā) 展 ， 出現 了 矢 量 控 制 、 直 接 力 矩 控 制 技 術 。 模 仿 直 流 電 機 的 控 制 方 法 ， 采 用 矢 量 坐 標 變換 來 實 現 對 異 步 電 機 定 子 勵 磁 電 流 分 量 和 轉 矩 電流 分 量 的 解 耦 控 制 ， 保 持 電 機 磁 通 的 恒 定 ， 進 而達 到 良 好 的 轉 矩 控 制 性 能 ， 實 現 高 性 能 控 制 。 性能 優(yōu) 良 ，

45、 控 制 相 同 復 雜 ， 直 到 90代 計 算 機 技 術 迅速 發(fā) 展 才 真 正 大 范 圍 使 用 。 95 四 、 交 流 傳 動 的 脈 寬 調 制 控 制 技 術 圖 5.29 PWM方 式 框 圖 用 于 交 流 電 傳 動 的 變 頻 器 實 際 上 是 變 壓(Variable Voltage， 簡 稱 VV)、 變 頻 (Variable Frequency， 簡 稱 VF)器 ， 即 所 謂 VVVF裝 置 。 96 逆 變 器 的 基 本 情 況 介 紹 1、 逆 變 的 概 念 ： 逆 變 與 整 流 相 對 應 ， 直 流 電 變 成 交 流 電 。 97 2

46、、 逆 變 電 路 的 基 本 工 作 原 理以 單 相 橋 式 逆 變 電 路 為 例負 載a) b) tS1S 2 S3S4io uoUd uo iot1 t2S1S4是 橋 式 電 路 的 4個 臂 ， 由 電 力 電 子器 件 及 輔 助 電 路 組 成 。 輸 出 電 壓 輸 出 電 流98 S1、 S4閉 合 ， S2、 S3斷 開 時 ， 負 載 電 壓 uo為 正 。 99 直 流 電交 流 電S2、 S3閉 合 ， S1、 S4斷 開 時 ， 負 載 電 壓 uo為 負 。100 逆 變 電 路 最 基 本 的 工作 原 理 改 變 兩組 開 關 切 換 頻 率 ， 可改 變

47、 輸 出 交 流 電 頻 率。 a)b) tuo iot 1 t2電 阻 負 載 時 ， 負 載 電流 io和 uo的 波 形 相 同， 相 位 也 相 同 。阻 感 負 載 時 ， io相 位 滯 后于 uo， 波 形 也 不 同 。 101 根 據 直 流 側 電 源 性 質 的 不 同電 壓 型 逆 變 電 路 又 稱 為 電 壓 源型 逆 變 電 路Voltage Source Type Inverter-VSTI直 流 側 是 電 壓 源 電 流 型 逆 變 電 路 又 稱 為 電 流 源型 逆 變 電 路Current Source Type Inverter-VSTI直 流 側

48、是 電 流 源3、 逆 變 電 路 的 分 類 102 電 壓 型 全 橋 逆 變 電 路 (1)直 流 側 為 電 壓 源 或并 聯 大 電 容 ， 直 流 側 電 壓基 本 無 脈 動 。 (2)輸 出 電 壓 為 矩 形 波， 輸 出 電 流 因 負 載 阻 抗 不同 而 不 同 。 (3)阻 感 負 載 時 需 提 供無 功 功 率 。 為 了 給 交 流 側向 直 流 側 反 饋 的 無 功 能 量提 供 通 道 ， 逆 變 橋 各 臂 并聯 反 饋 二 極 管 。電 壓 型 逆 變 電 路 的 特 點103 U V W 圖 5-11 i d U d VT 1 VT 2 VT3 VT

49、 4 VT5 VT 6圖 5-11 電 流 型 三 相 橋 式 逆 變 電 路 一 般 在 直 流 側 串 聯 大 電 感 ， 電 流 脈 動 很 小 ， 可 近 似 看 成 直 流 電 流 源 吸 收 換 流 時 負 載電 感 中 存 貯 的 能量電 流 型 逆 變 電 路 104 (1) 直 流 側 串 大 電 感 ， 相 當 于 電 流 源 (2)交 流 輸 出 電 流 為 矩 形 波 ， 輸 出 電 壓 波 形和 相 位 因 負 載 不 同 而 不 同 電 流 型 逆 變 電 路 中 ， 采 用 半 控 型 器 件 的 電路 仍 應 用 較 多電 流 型 逆 變 電 路 主 要 特 點

50、 105 4、 三 相 電 壓 型 逆 變 電 路l 三 個 單 相 逆 變 電 路 可 組 合 成 一 個 三 相 逆 變 電 路l 應 用 最 廣 的 是 三 相 橋 式 逆 變 電 路l 可 看 成 由 三 個 半 橋 逆 變 電 路 組 成N N+ - U V WV 1 V 2V 3V 4 V 5V6VD 1 VD 2VD 3VD 4 VD 5VD 6U d2U d2 106 四 、 交 流 傳 動 的 脈 寬 調 制 控 制 技 術 逆 變 器 電 路107 利 用 半 導 體 開 關 器 件 的 導 通 和 關 斷 把 直 流 電 壓調 制 成 電 壓 可 變 、 頻 率 可 變

51、的 電 壓 脈 沖 列 。 中 間 部分 較 寬 ， 越 向 兩 側 越 窄 。 PWM（ Pulse Width Moderation） 脈 寬 調 制 技 術U t 等 效 波 形 108 SPWM調 制 ： 采 用 三 角 波 和 正 弦 波 相 交 獲 得 的 PWM波 形直 接 控 制 各 個 開 關 ， 可 以 得 到 脈 沖 寬 度 和 各 脈 沖 間的 占 空 比 可 變 的 、 呈 正 弦 變 化 的 輸 出 脈 沖 電 壓 ， 能獲 得 理 想 的 控 制 效 果 ： 109 SPWM調 制 原 理 圖SPWM調 制載 波 自 然 采 樣110 1、 單 極 性 正 弦 脈

52、 寬 調 制(a)輸 出 電 壓 波(b)兩 種 控 制 電 壓 波 的 相 交 111 2、 雙 極 性 正 弦 脈 寬 調 制(a) 三 角 形 載 波 與 正 弦 調 制 波 的 相 交(b) 輸 出 相 電 壓 波 112 3、 脈 寬 調 制 （ PWM） 控 制 示 意 圖正 常 輸 出調 壓 （ 通 斷 周 期 不 變 ， 調 整 通 斷時 間 的 比 例 ）調 頻 （ 通 斷 時 間 的 比 例 不 變 ， 改變 通 斷 周 期 ） 113 4、 脈 寬 調 制 關 鍵 技 術 電 子 開 關 元 件 （ IGBT、 IPM） 開 關 頻 率 變 頻 控 制 方 法 （ V/F

53、控 制 、 矢 量 控 制 ） 114 絕 緣 門 極 雙 極 型 晶 體 管 （ IGBT） IGBT是一種MOSFET與GTR（大功率雙極型晶體管）的復合器件。CG EIGBT原理示意圖CG E門 極 發(fā) 射 極集 電 極 IGBT是 一 種 既能 控 制 其 導 通 又 能 控制 其 關 斷 的 功 率 半 導體 器 件 ， 當 門 極 加 上一 定 的 正 向 電 壓 時 管子 導 通 ， 而 當 門 極 加反 向 電 壓 時 ， 管 子 則被 關 斷 。 115 ECG門 極 電 壓 UG UG(th), IGBT導 通集 電 極 電 流 IC 由 門 極 電 壓 UG控 制IGBT需 專 用 門 極 驅 動 電 路 ,ui高 電 平時 導 通 ,低 電 平 時 關 斷 .既 可 控 制 導 通又 可 控 制 關 斷 ,全 控 型 器 件 .門 極 電 壓 UG UG(th), IGBT關 斷IGBT的 工 作 特 點116 IGBT 功 率 模 塊 圖IGBT或 IPM內 部 都 集 成 了續(xù) 流 二 極 管 117 交 -直 -交 主 電 路 結 構 每 一 個 動 車 一 臺 逆 變 器 ， 同 時 為 4臺 異 步 電 機 供 電典 型 的 地 鐵 牽 引 變 頻 器 MACMACMACMAC 119直 -交 主 電 路 結 構