城市轨道交通供电与牵引系统教学ppt.ppt
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1、第六章 城市轨道交通供电与牵引系统,要点:,2.城市轨道交通供电系统;,1.城市轨道交通电力牵引系统;,3.城市轨道交通牵引供电行业标准;,4.城市轨道交通牵引供电产业发展概况。,第六章 城市轨道交通供电与牵引系统,课程基础:,2.电机与电力拖动;,1.工厂供电原理;,3.电力拖动自动控制系统;,4.电力电子技术。,第六章 城市轨道交通供电与牵引系统,推荐相关教材:,2.郑瞳炽,张明锐.城市轨道交通牵引供电系统M.北京:中国铁道出版社,2000.,1.徐安.城市轨道交通电力牵引M.北京:中国铁道出版社,2000.,3.于松伟,杨兴山,韩连祥,等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用M.成都:西南
2、交通大学出版社,2008.,6.1.2 直流电力牵引系统,6.1.3 交流电力牵引系统,6.1 城市轨道交通电力牵引系统,6.1.4 城市轨道车辆用直流感应电机,6.1.1 概述,1.电力牵引系统工作原理及能量传递过程,6.1.1 概述,牵引传动装置,接触网(第三轨)受流器 变流装置 牵引电机 齿轮传动箱 轮对 列车运行,2.轨道交通电力牵引系统主要类型,根据供电电压制式可分为:直流:600,750,1500,3000V(标称值)交流:6250,15000,25000V(标称值),根据牵引电机可分为:直流电力牵引系统 交流电力牵引系统,直流传动框图,交流传动框图,3.轨道交通车辆的结构与特性,
3、有轨电车,电动车组,特种电动车 独轨电动车 轻轨车 磁浮列车,4.电动车组牵引特性,6.1.2 直流电力牵引系统,1.直流电动机 2.直流牵引调速系统 3.牵引电动机的电气制动 4.牵引主回路及其控制,1.直流电动机,直流电动机由定子转子两部分构成。,直流电动机各部分的作用:,定子的作用是用来产生磁场,提供磁路和作为电机的机械支撑,转子部分是用来产生感应电势和电磁转矩从而实现机电能量转换的主要部件,转子通过轴承与定子保持相对位置,使两者之间有一个空气隙,直流电动机工作原理:,直流电动机分类:,根据励磁绕组与电枢绕组的联接方式主要分为他励、并励、串励和复励四种。,直流电动机机械特性:,电动机是用
4、来拖动车辆运行的,而车辆运行对电动机提出的主要要求是转速和转矩。,串励电动机机械特性,他励电动机机械特性,2.直流牵引调速系统,直流电机的基本调速方法 直流牵引电动机调速的基本形式,直流牵引调速系统-基本调速方法:,这里,CE是常数Id是由负载决定的方法:调节电枢供电电压U 改变励磁磁通 改变电枢回路电阻R。,直流牵引调速系统-基本形式(调节端电压),(1)变阻控制 调节电阻的方法又可分为两类,即采用有触点组合式凸轮开关调阻和无触点斩波调阻。,有触点开关调阻,斩波调阻,直流牵引调速系统-基本形式(调压法),(2)斩波调压,直流斩波电路原理,直流斩波电压波形,(1)定频调宽控制(脉宽调制):保持
5、斩波周期T 不变,改变斩波器导通时间,从而改变负载平均电压。,(2)定频调宽控制(频率调制)保持斩波周期T 不变,改变斩波器导通时间,从而改变负载平均电压。,(3)调频调宽混合控制:不但改变斩波器的工作频率,而且改变斩波器的导通时间。,特点比较:(1)定频调宽控制:频率固定,易于设计消除高次谐波的滤波器(2)定宽调频控制:控制方便,易发生共振及干扰通信信号(3)调频调宽混合控制:常用在需要大幅度改变输入电压,同样带来滤波器设计困难等问题,直流牵引调速系统-基本形式(调节主极磁通),3.电动机的电气制动,电阻制动 他励式电阻制动 串励式电阻制动再生制动,电动机的电气制动(电阻制动),电机牵引工况
6、,他励电阻制动工况,电动机的电气制动(再生制动),4.牵引主回路及其控制,主电路,辅助电路,控制电路,机车电路,主电路功能:牵引和制动时,完成能量传递和转换;特点:大功率、高电压、大电流;主要包括:牵引变压器、整流器、牵引电机,1 受电弓2 主断路器(牵引断路器)3 电压检测环节4 接地开关5 负载接触器6 滤波电抗器7 滤波电容器8 凸轮调速变阻器9 牵引电动机10 信号发生器11 控制电子装置12 司机控制器,辅助电路(有两类)(1)交流辅助电路功能:给主电路的通风、冷却辅助电机等;特点:三相380V交流供电,功率较小;包括:单三相变换器、通风电机、压缩电机等(2)直流辅助电路功能:给电器
7、控制、电子控制及照明、空调设备供电;特点:直流110V供电,有蓄电池作后备电源;包括:DC110V交直流变换电源、蓄电池、车灯、空调等。此外,用于客车牵引的机车上有DC600V直流电源供客车车厢内空调、采暖、照明及旅客信息服务系统供电。,控制电路(有两类)(1)电器控制功能:完成电路和气路的开关及逻辑互锁;特点:电动或气动的逻辑开关包括:继电器、电控阀、气动开关等。近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制单元(LCU)完成。(2)电子控制功能:配合主辅助电路完成机车的控制;特点:弱电控制、控制复杂;包括:给定积分器、特性控制、防空转防滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等控制单元。,6.1.3 交
8、流电力牵引系统,1.交流牵引系统特点及发展概况 2.三相异步电机 3.交流电机调速系统 4.交流传动的脉宽调制技术,1.交流牵引系统特点及发展概况,直流电力传动优点:具有良好的调速性能 直流电力传动缺点:防空转性能较差;换向器与电刷,因而带来了较大的体积与重量,容易产生环火以及繁杂的维护问题交流电力传动特点:电机结构简单,成本较低;正作可靠,寿命长,维修、运行费用低;防空转能力好,第一阶段:交流电动机数学模型复杂,初期,人们对其调速特点没有很好的掌握;第二阶段:充分掌握其调速理论,受变流器本身限制,调速装置无法实现;第三阶段:电力电子器件的发展促进了交流电机的应用。交流牵引系统已被世界各国公认
9、为近代最优越的牵引调速系统,交流牵引也是今后世界各国轨道交通发展的总趋势。,国外部分城市使用交流牵引车辆概况,2.三相异步电动机,1 轴承2 前端盖3 转轴4 接线盒5 吊环6 定子铁心7 转子8 定子绕组9 机座10 后端盖11 风罩12 风扇,封闭式三相笼型异步电动机结构,3.三相异步电机工作原理,定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接),旋转磁场的产生,()电流出,()电流入,三相电流合成磁场的分布情况,合成磁场方向向下,合成磁场旋转60,合成磁场旋转90,t,o,转动原理,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,A,X,Y,C,B,Z,由前面分析可知,电动机转子转动方
10、向与磁场 旋转的方向一致,但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等,即,如果:,转差率,因此,转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。,机械特性,4.交流电动机调速系统,三相交流异步电机调速方法可分为改变极对数、调节供电频率、调节转差三大类。变频调速是最为理想的调速方法。变频调速是把交、直流电变换为可调电压、可调频率的交流电,向交流电机供电。,脉宽调制控制技术,用于交流电传动的变频器实际上是变压(Variable Voltage,简称VV)、变频(Variable Frequency,简称VF)器,即所谓VVVF装置
11、。,6.1.4 城市轨道车辆用直线感应电机,1.直线电机特点及发展概况2.直线感应电机的基本工作原理 3.直线感应电机控制及在地铁动车上的应用,优点:LTM车辆有着断面小、爬坡能力强、转弯半径小、良好的牵引和制动性能、噪声小、寿命长等优点。缺点:与普通的旋转电机相比,它的效率和功率因数低。直线电机系统一次侧和二次侧的气隙对LIM的性能影响较大,所以对轨道、反作用板、轨枕的尺寸精度及安装精度,LIM的安装精度及支撑结构都相应有较高的要求。,加拿大的多伦多、温哥华,LIM驱动的轻轨车辆已运营多年 马来西亚也计划建设同样的交通系统 在日本,LIM驱动方式也被用于地铁车辆牵引,如大阪地铁的鹤见绿地线电
12、动车辆、东京地铁的都营12号线电动车辆,都采用了LIM驱动方式,,1.直线电机特点及发展概况,2.直线感应电机的基本工作原理,车辆用直线感应电机的牵引控制原理与旋转式异步电机的控制方法是一样的,都采用变频变压控制,由VVVF逆变器完成牵引控制功能。控制方法既可采用较为简单的转差频率控制,亦可采用高级的动态控制方法,如矢量控制、直接转矩控制等。但车辆用直线电机的控制还必须考虑当电机气隙变化时的频率问题和反应板材料变化的相应控制。,3.直线感应电机控制及在地铁动车上的应用,1.为了满足车辆运行需要,城市轨道动车组必须具备哪三种基本的牵引特性?2.直流电动机有哪些励磁方式?3.直流电动机调速有哪些基
13、本形式?4.交流异步电机的工作原理?5.直线感应电机在城市轨道电力牵引应用中具有哪些优点?,思考题,第六章 城市轨道交通供电与牵引系统,要点:,2.城市轨道交通供电系统;,1.城市轨道交通电力牵引系统;,3.城市轨道交通牵引供电行业标准;,4.城市轨道交通牵引供电产业发展概况。,6.2.2 中压网络,6.2.3 牵引供电计算的条件及需用参数,6.2 城市轨道交通供电系统,6.2.4 牵引变电所,6.2.5 降压变电所,6.2.6 供电系统的保护,6.2.7 接触网,6.2.8 城轨供电SCADA系统,6.2.9 地下杂散电流及其防护,6.2.1 概述,1.城市轨道供电系统的构成,6.2.1 概
14、述,牵引供电系统,电能从牵引变电所经馈电线、接触网输送给电动列车,再从电动列车经钢轨、回流线流回牵引变电所。牵引负荷为一级负荷,规定有两路独立的电源双边供电,当任何一路电源发生故障中断供电时,另一路应能保证一级负荷的全部用电。,动力照明系统,动力照明供电系统由降压变电所及动力照明组成。每个车站应设降压变电所,若地下车站负荷较大,一般设于站台两端,其中一端可以和牵引变电所合建成混合变电所;若地面车站负荷较小,可设一个降压变电所。,2.城市电网对轨道交通的供电方式及负荷等级,城市轨道交通系统的外部电源方案,根据城市电网构成的不同特点,可采用集中式、分散式、混合式等不同形式。究竟采用何种方式,应通过
15、计算确定需要负荷之后,根据城市轨道交通路网规划、城市电网构成特点、工程实际情况综合分析确定。(1)集中式供电:在城市轨道交通沿线,根据用电容量和线路长短,建设专用的主变电所,这种由主变电所构成的供电方案,称为集中式供电。上海、广州、南京、香港、德黑兰(2)分散式供电:不设主变电所,而直接由城市电网区域变电所的35(33)kV或10kV中压输电线直接向城市轨道交通沿线设置的牵引变电所、降压变电所供电并形成环网。沈阳地铁、长春轻轨、大连轻轨、北京城铁、北京八通线、北京地铁5号线(3)混合式供电:将前两种供电方式结合起来,一般以集中式供电为主,个别地段引入城市电网电源作为集中式供电的补充,使供电系统
16、更加完善和可靠。北京地铁一线和环线,城市轨道交通供电系统的负荷等级共分为三个:(1)地下铁道重要的电力用户如车站站厅和站台层的事故救援及照明、电动车辆、通信、信号、防灾装置为一级负荷;一级负荷规定有两路独立的电源双边供电,当任何一路电源发生故障中断供电时,另一路应能保证一级负荷的全部用电;(2)车站站厅和站台层的一般照明、设备及管理用房照明、出入口照明、一般风机、直升电梯、自动扶梯为二级负荷;(3)车站内广告照明、冷水机组及配套设备、电热设备、清洁机械设备等为三级负荷。,3.城市轨道供电系统的功能和作用,城市轨道交通的用电负荷按其功能不同可分为两大用电群体。一是电动客车运行所需要的牵引负荷;二
17、是车站、区间、车辆段、控制中心等其他建筑物所需要的动力照明用电,诸如:通风机、空调、自动扶梯、电梯、水泵、照明、AFC系统、FAS、BAS、通信系统、信号系统等。在上述用电群体中,有不同电压等级直流负荷、不同电压等级交流负荷;有固定负荷、有时刻在变化的运动负荷。每种用电设备都有自己的用电要求和技术标准,而且这种要求和标准又相差甚远。城市轨道供电系统就是要满足这些不同用户对电能的不同需求,以使其发挥各自的功能与作用。,4.城市轨道供电原理,城市轨道交通的供电电源一般取自城市电网,通过城市电网一次电力系统和轨道交通供电系统实现输送或变换,最后以适当的电流形成(直流或交流电)和电压等级供给用电设备。
18、,城市电网一次电力系统,轨道交通供电系统,城市电网一次电力系统由国家电力部门建造与管理,包括发电厂(站)、传输线路及区域变电所。发电厂(站):分为火力、水力、核动力等各种能源发电厂(站)。传输线路:需升压为超高电压(110kV或220kV),通过三相传输线输送到区域变电所。区域变电所:将超高压电能降压为所需电压等级(如10kV或35kV),再经过三相输送电线输送到本区域内的牵引变电所和降压变电所,并再降压为所需的电压等级(如1500V或380V等)。城市轨道交通是一个重要的用电部门,按规定须由两路独立的电源供电,当其中任何一路电源发生故障时,另一路应能保证一级负荷的全部用电的需要。因此,城市轨
19、道牵引变电所的电源进线来自两个区域变电所或来自一个区域变电所的两路独立电源,当一路电源失压时,另一路电源自动切入,使轨道交通系统能获得不间断的电源。,轨道交通供电制式是指供电系统向电动车辆或电力机车供电所采用的电流和电压制式。电压制由低压到高压,有600V、750V、825V、1000V、1200V和1500V等,其发展趋向是国际IEC电压标准,为600V、750V、1500V,而我国国标电压标准为750V和1500V两种。所以,目前国内各城市的地铁和轻轨采用的电压制均为750V和1500V之间进行选择。电流制有直流、交流两类,国际电力牵引设备委员会建议采用下列数值:直流:600,750,15
20、00,3000V(标称值);交流:6250,15000,25000V(标称值)。,1.中压网络的功能及其两大属性,6.2.2 中压网络,通过中压电缆,纵向把上级主变电所和下级牵引变电所、降压变电所连接起来,横向把全线的各个牵引变电所、降压变电所连接起来,便形成了中压网络,其功能类似于电力系统中的输电线路。中压网络不是供电系统中独立的子系统,但它是供电系统设计的核心内容,设计外部电源方案、主变电所的位置和数量、牵引变电所及降压变电所的数量、牵引变电所与降压变电所的主接线等。中压网络的两大属性是电压等级和构成形式。根据中压网络功能的不同,为牵引变电所供电的中压网络称为牵引供电网络(简称牵引网络);
21、为降压变电所供电的中压网络称为动力照明供电网络(简称动力照明网络);目前,国内城市轨道交通工程经常采用的形式有牵引动力照明混合网络与牵引动力照明独立网络。,2.中压网络的电压等级,我国现行中压配电标准电压等级有:35kV、20kV、10kV、6kV和3kV;目前,国内城市轨道交通普遍采用牵引动力照明混合网络,电压为10kV或10kV。牵引动力照明混合网络采用同一电压等级,并通过公用电源电缆同时向牵引变电所、降压变电所提供中压电能,供电系统的整体性较好。牵引动力照明独立网络既可以采用不同的电压等级,也可以采用同一电压等级,牵引网络与动力照明网络相对独立,彼此相互影响较小。对于集中式供电系统,牵引
22、网络和动力照明网络可以采用相对独立的形式,即牵引动力照明网络独立网络,也可以共用混合网络;对于分散式供电系统,则采用牵引动力照明混合网络。中压网络内部结构形式涉及中压网络供电安全准则及其运行方式。,3.中压网络的构成形式,在城轨供电系统中压网络设计中,应根据中压网络优化准则,结合外部电源的实际情况,通过对供电分区的用电性质、负荷密度的分析研究,确定安全可靠、经济实用的中压网络接线方式。中压网络的重要指标是供电可靠性。中压网络的构成原则:(1)满足安全可靠的供电要求;(2)每一个变电所均应有两个独立电源;(3)满足潮流计算要求,即设备容量及电压降满足要求;(4)满足负荷分配平衡的要求;(5)供电
23、分区应就近引入电源,尽量避免反送电;(6)具有良好的经济指标;(7)满足继电保护的要求;(8)系统接线方式尽量简单;(9)全线牵引变电所、降压变电所的主接线尽量一致;(10)满足运行管理、倒闸操作的要求;(11)满足设备选型要求。,1.牵引供电计算的条件,6.2.3 牵引供电计算的条件及需用参数,城市轨道交通列车(车辆)是以变化的速度沿区间运行的,因此牵引负荷是变化的;此外,牵引负荷也随时间而变化,当线路上列车(车辆)密集则负荷大,反之负荷小,甚至为零。线路的技术条件(包括纵断面和限坡要求):(1)线路年输送能力;(2)信号的闭塞方式;(3)电动列车(车辆)类型;(4)电动列车(车辆)载客量;
24、(5)线路行车间隔时间和每天最多开行列车对数。,2.牵引供电计算需用的参数,牵引供电计算需用的参数:(1)电牵引年用电量(应分别计算年总用电量和电力系统所需增加的功率);(2)列车电流的平均值和有效值;(3)供电臂电流的平均值和有效值(与线路的供电方式有关);(4)供电臂瞬时最大电流和短路电流(与主变压器接线方式有关);(5)牵引网阻抗;(6)电牵引供电系统能耗(应包括牵引变电站内主变压器和牵引网的电能损失)。由于电动列车(车辆)的工作电压要求有一定范围,我国直流牵引供电系统巳经规定采用IEC标准。,1.变电所分类,6.2.4 牵引变电所,根据变电所的功能不同,可分为以下三类:(1)高压主变电
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