电力牵引系统
牵引供电系统的组成
牵引供电系统的组成
牵引供电系统的组成
牵引供电系统是由若干主要部件组成的，其主要部件包括：
①轨道电源：轨道电源是牵引供电系统的核心，主要包括牵引变压器、小阳极、大阴极和电缆等。
牵引变压器是根据轨道电源的所需电压自动调节牵引电流的装置。
小阳极和大阴极是牵引电源的重要组成部分，它们用于将原有的低压电源转换成高压电源。
电缆则用于将牵引电源供应给牵引设备。
②牵引控制系统：牵引控制系统是指控制牵引电源提供的电力供应的装置，主要包括控制器和变频器等。
控制器是控制牵引电源供电的装置，控制电源的输入和输出，并对牵引电源提供的电压进行反馈。
变频器是将电源的输入频率调节为适合牵引设备运行的频率的装置。
③牵引电动机：牵引电动机是牵引设备的核心部件，可以将电能转换为机械能，从而实现牵引设备的运动。
④供电分系统：供电分系统是由多个电源器组成的，用于将牵引电源供应给牵引电动机，它可以分散牵引电源的输出，有效地分配电力，使牵引设备的安全运行。
⑤控制设备：控制设备是指控制牵引电源的供电、控制牵引电动机的转速和牵引设备的运行方向等装置，主要包括变压器、控制器和变频器等。
⑥其他配件：牵引供电系统的其他主要部件还包括避雷器、轨道
线路保护器、接地装置、红外探测器、安全保护装置等。
牵引供电系统SCADA系统
根据分析结果，追踪和定位问题所在，为后 续的修复和优化提供依据。
测试结果评估与讨论
测试结果评估
根据设计要求和测试标准，对测试结果 进行评估，判断系统是否满足预期目标
。
改进措施提出
针对发现的问题，提出相应的改进措 施和建议，优化系统的设计和实现。
问题总结与分类
对发现的问题进行总结和分类，分析 问题的性质、严重程度和影响范围。
监控与控制
通过监控软件对现场设备进行实时监控，并 根据需要远程控制设备的运行。
04
牵引供电系统SCADA 系统设计
设计目标与原则
实时性
可靠性
确保系统能够实时监测牵引供电系统的状 态，及时响应和处理各种事件。
保证系统在各种恶劣环境下都能稳定运行 ，减少故障发生的概率。
可扩展性
安全性
考虑到未来发展的需要，系统应具有良好 的可扩展性，方便后续升级和改造。
数据处理
对采集的数据进行处理，如滤波、计算、转换等 。
数据传输
将处理后的数据通过通信网络传输到服务器或人 机界面。
控制策略实现
故障定位与隔离
通过实时监测和分析数据，定位故障点并自动或手动隔离故障区 域。
越区供电
在故障情况下，实现越区供电以保证列车的正常运行。
负荷分配与优化
根据实时数据和历史数据，对牵引供电系统的负荷进行分配和优 化，提高系统的运行效率和稳定性。
06
牵引供电系统SCADA 系统测试与验证
测试方案制定
测试目的明确
确保牵引供电系统SCADA系统的功能、性 能和安全性满足设计要求。
测试范围确定
涵盖系统的各个模块和组件，包括硬件、软 件和网络通信等。
牵引供电系统名词解释
牵引供电系统名词解释
牵引供电系统是指为城市轨道交通、铁路、有轨电车等交通运输工具提供动力能源的电气系统。
它的主要功能是向行驶中的车辆提供电力，使其具有牵引和制动能力，同时也为车辆提供辅助电源。
在牵引供电系统中，电源为交流或直流电源，通过接触网、第三轨等设备向车辆传输电能。
牵引供电系统通常包括以下主要组成部分：
1.接触网：接触网是铁路牵引供电系统的主要组成部分，它用于提供电力给行驶中的列车。
接触网一般由钢轨、导线和支架组成，通过支架固定在正常的高度和位置。
2.集电装置：集电装置是车辆与接触网之间传递电能的设备，它通过对接触网的接触，将电能传输到车辆上。
3.变电所：变电所是牵引供电系统的电源设备，它将电网输送的高压电流转换为适合运输工具使用的低压电流，并将其输送到接触网上。
4.牵引变流器：牵引变流器是一种用于控制电力输出的电气设备，它将接收到的电能转换为适合电动车辆使用的电流和电压。
5.辅助电源：辅助电源是为车辆提供照明、空调、信号等设备供电的电源，也可以为车辆的启动和停车提供电能。
在牵引供电系统中，各个组成部分之间的协调和运行非常重要，它们共同保证了交通运输工具的牵引和制动能力，保障了交通运输的安全和稳定。
城市轨道交通车辆基础电子课件第六章电力牵引系统
城市轨道交通车辆电力牵引系统框图 14
城市轨道交通车辆电力牵引系统主电路
ห้องสมุดไป่ตู้15
五、 电力牵引系统的发展
随着电力电子器件和计算机技术的发展，城市轨道交通车辆的电力牵引传动 技术由最初的变阻调速发展到斩波器调速，并不断进一步发展，在采用三相异步 牵引电动机的动车中应用了变压变频技术。目前，逆变器技术已在城市轨道交通 动车组上得到了非常广泛的应用。
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转子结构如图所示， 由电气绝缘钢片叠装而成的铁芯组件被冷缩装配到由高强 度热处理钢制成的转子轴上，同时配以分别布置于其左右的转子止推环。转子配有 通风用的轴向风道。铜制转子线排位于铁芯组件的槽中。
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（2）牵引电动机的工作原理 受流装置从接触网上获得直流电流，经过列车牵引逆变器转换成三相交流电，输 送给交流牵引电动机（三相异步电动机）定子上空间位置相差120°的三相绕组，使 定子三相绕组中有对称的三相电流流过，从而在气隙中产生旋转磁场。转子绕组在这 个旋转磁场中感应出电动势，使转子绕组中产生电流。转子电流与旋转磁场相互作用， 产生电磁力，形成使转子旋转的电磁转矩，转轴通过联轴器和齿轮箱把转矩传送给车 辆转向架的车轴，带动车轮滚动，驱动列车运行。
因此，城市轨道交通车辆的电力牵引系统大致经历了20世纪80年代前的凸轮 变阻调压直流传动系统、20世纪80年代的斩波调压直流传动系统和20世纪90年代 的变压变频交流传动系统三个阶段。
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在城市轨道交通车辆电力牵引传动系统中，牵引变流器（包括斩波器、逆变器 等）广泛采用了门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）模块或智能 功率（IPM）模块作为主开关器件，尤其是IGBT模块或IPM模块对于较高频率工作具 有良好的适应能力。微电子技术在城市轨道交通车辆的牵引、制动、辅助控制、信 息显示与储存、防滑与防空转控制及行车安全等方面也得到了广泛应用。城市轨道 交通车辆除了采用摩擦制动外，还采用了电气制动技术，如再生制动、电阻制动及 磁轨制动等，提高了车辆运行过程中的节能效果与安全性。
牵引供电系统简介
牵引供电系统简介一、系统功能牵引供电系统的主要功能是：将地方电力系统的电源（交流电气化铁路：AC110 kV或AC220kV，城市轨道交通：中心变电所AC220kV或AC110kV→AC35 kV环网）引入牵引供电系统的牵引变电所，通过牵引变压器变压为适合电力机车运行的电压制式（交流电气化铁路：AC25kV或AC2×25kV，城市轨道交通：DC750V、DC1500V或DC3000V），向电力机车提供连续电能。
电力牵引负荷为一级负荷，引入牵引变电所的外部电源应为两回独力可靠的电源，并互为热备用，能够实现自动切换。
交流电气化铁路及城市轨道交通牵引供电系统简图分别如图1.1和图1.2所示。
图1.1 交流电气化铁路牵引供电系统图1.2 城市轨道交通牵引供电系统二、牵引网供电方式1.交流电气化铁路交流电气化铁路牵引网供电方式大体上可分为三种：直接供电方式（包括带回流线的直接供电方式）、BT供电方式和AT供电方式。
（1）直接供电方式直接供电方式又可分为不带回流线直接供电方式(图 2.1)和带回流线的直接供电方式(图2.2)两种。
图2.1 不带回流线的直接供电方式图2.2 带回流线的直接供电方式不带回流线的直接供电方式在我国早期的电气化铁路中采用，机车电流完全通过钢轨和大地流回牵引变电所，牵引网本身不具备防干扰功能。
在接地方面，每根支柱需单独接地（设接地极或通过火花间隙），或者通过架空地线实现集中接地（架空地线不与信号扼流圈中性点连接）。
带回流线的直接供电方式，机车电流一部分通过钢轨和大地流回牵引变电所（约70%），其余通过回流线流回牵引变电所（约30%）。
由于流经接触网的电流和流经回流线的电流虽然大小不等，单方向相反，且安装高度比较接近，两者对铁路沿线通讯设施的电磁干扰影响趋于抵消，因此牵引网本身具备防干扰功能。
在接地方面，接触网支柱通过回流线实现集中接地，回流线每隔一个闭塞分区通过吸上线（铝芯或铜芯电缆，常用VLV-70和2xVLV-150）与信号扼流圈中性点连接（吸上线间距3～4km）。
电力牵引供电系统
多，继电保护复杂，会使成本增加。
• 双侧供电 电源来自电力系统的两个地区变 电所，给铁路供电的输电线是联络这两个 地区变电所的道路。根据可靠性的要求及 实际情况，双侧供电可分为图3的双路输电 线和单路输电线两种类型。但不论哪种类 型，各路输电线的容量应不小于相关牵引 变电所容量之和。单路输电线方式一次侧 进出开关少，投资也少，供电可靠性不及 双路方式，但一输电线或一电源分别故障 仍不会导致牵引变电所失电。
牵引变电所
接触网
• 接触网是一种悬挂在电气化铁道钢轨上方 并和轨顶保持一定距离的链型或单导线的 输电网。电力机车的受电弓和接触网滑动 接触取得电能。
馈电线
• 馈电线是联接牵引变电所和接触网的导线。 它把牵引变电所变换完备的牵引用电能输 送给接触网。馈电线大都采用大截面的钢 芯铝绞线。
轨道
复线环状供电方式
• 牵引变电所同侧的上、下行牵引网由同相 牵引母线供电，在供电臂末端将上、下行 牵引网联通，可构成环状供电方式
• 复线牵引网环状供电方式
复线全并联供电方式
• 每隔数百米将上、下行接触网进行死连接， 便于充分利用接触网导线截面的供电方式
• 这种方式的网内电压降和电能损失较小， 但上、下行牵引网在电气上无法分开，发 生短路事故时的影响范围较大。
• 习惯上将馈电线、接触网、钢轨、回流线 统称为牵引网。
分区亭（SP）
• 分区亭设于两个牵引变电所的中间，可使相邻的 接触网供电区段(同一供电臂的上、下行或两相邻 变电所的两供电臂)
•
简述电力牵引系统的组成
简述电力牵引系统的组成电力牵引系统是指利用电能驱动车辆行驶的系统，电力牵引系统主要由电源系统、变流器系统、牵引电机系统和控制系统组成。
1. 电源系统：电力牵引系统的电源系统主要是提供电能给牵引电机系统，一般采用锂电池组、混合动力系统或接触网供电。
锂电池组是目前广泛应用于电动车的一种电源系统，其具有体积小、重量轻、能量密度高、无记忆效应等优点。
混合动力系统综合了高效的内燃机和清洁的电力系统，通过内燃机和发电机来供电。
接触网供电是指通过高压电缆连接到铁路接触网，将电能供给给牵引电机系统。
2. 变流器系统：变流器系统是将电源提供的直流电转换为交流电，并且能够调节电流和电压的系统。
变流器通常由电源逆变器、牵引逆变器和充电机组成。
电源逆变器将电源提供的直流电转换成交流电供给牵引逆变器和充电机。
牵引逆变器将交流电转换为牵引电机所需要的电能，同时可以根据需要调节电流和电压，以实现对牵引电机的驱动控制。
充电机则负责对电池组进行充电。
3. 牵引电机系统：牵引电机系统是电力牵引系统的核心部分，负责将电能转换为机械能，驱动车辆行驶。
牵引电机通常采用交流异步电机或永磁同步电机。
交流异步电机具有结构简单、可靠性高等特点，适用于牵引车辆的起步和低速行驶；永磁同步电机具有高效、体积小等特点，适用于高速行驶和大功率需求的车辆。
另外，牵引电机系统还包括传动装置，将电机输出的转矩传递给车轮，通常采用传统的机械传动装置，如齿轮传动、链传动等。
4. 控制系统：控制系统是对电力牵引系统的各个部分协调、控制和保护的核心部分。
控制系统主要包括控制器、传感器、控制算法和通信系统。
控制器是对整个牵引系统的控制中心，利用传感器采集到的电流、电压、转速等参数信息，通过控制算法完成对牵引电机的驱动控制，并实现对整个系统的保护功能。
传感器主要用于采集牵引电机和其他关键部件的运行状态，如电流传感器、温度传感器等。
控制算法主要是对电机的控制策略进行优化，使得系统能够更加稳定、高效地工作。
牵引供电系统外部电源与供电方式
高速铁路牵引供电系统的实际应用中，需要关注供电能力、电能质量和环 境保护等方面的问题。
磁悬浮列车牵引供电系统
磁悬浮列车牵引供电系统通常采用直流供电方式，通过磁悬浮变电所将来自电网的高压交流电转换为 直流电，为磁悬浮列车提供动力。
牵引供电系统外部电 源与供电方式
目录
• 牵引供电系统概述 • 牵引供电系统外部电源 • 牵引供电系统供电方式 • 牵引供电系统外部电源与供电方式的
优化 • 牵引供电系统外部电源与供电方式的
实际应用案例
01
牵引供电系统概述
牵引供电系统的定义与功能
定义
牵引供电系统是为电气化铁路或 城市轨道交通提供电能的系统， 通过接触网向电力机车或电动汽 车提供所需直流或交流电能。
容量
牵引供电系统外部电源的容量应根据 牵引负荷的大小和运行方式进行选择 ，以确保供电的可靠性和稳定性。
稳定性
外部电源的稳定性对牵引供电系统的 正常运行至关重要，应采取措施确保 电源的电压、频率和波形等参数的稳 定。
03
牵引供电系统供电方式
直接供电方式
01
直接供电方式是一种简单的牵引 供电方式，通过牵引网直接向电 力机车供电。
02
该方式结构简单，投资少，但会 对沿线通信线路产生干扰。
串联电容补偿供电方式
串联电容补偿供电方式是在牵引网中 串联电容，补偿感性负载的无功功率， 提高功率因数。
该方式可以减少对通信线路的干扰， 但需要增加补偿装置和滤波装置。
吸流变压器供电方式
吸流变压器供电方式是通过吸流变压 器将牵引电流从接触网引至回流线， 减少对通信线路的干扰。
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牵引系统主电路
接触网 AC25KV DC1500V/750V
受电弓
变压器
牵引变流器
牵引电动机
主电路的结构
车控方式（集中供电）
车控方式下机车或动车的所有牵引电动机并联起来由一 个电源（整流器或逆变器）供电；
架控方式（混合供电）
架控方式是一个转向架上的2台或3台牵引电动机并联后 由一个整流器或逆变器供电；
二、 电力牵引系统
牵引系统的功能
实现能量的转换，即实现电能到机械能的转换
能量转换—牵引主电路 牵引系统 转换控制—控制电路
3.1．电力牵引系统的供电制式
直流供电 直流1500v，用于地铁和轻轨列车； 直流 750v，用于地铁和轻轨列车； 直流 600v，用于城市电车； 交流供电 单相、工频、25KV，用于干线铁路；
轴控方式（独立供电）
轴控方式则是每一个牵引电动机均由一个独立的整流器 或逆变器供电；
车控方式的电路结构相对比较简单，但由于多台 牵引电动机并联运用，牵引电动机的特性、电路 参数以及车轮的轮径均不相同，所以控制模式上 需要考虑多方面的因素，而显得比较复杂，特别 是在粘着控制方面难以获得理想的控制效果。 轴控方式下，一个整流器或逆变器只对一个牵引 电动机，其控制模式直接且简单，但显然电路结 构复杂、使用的逆变器或整流器数量成倍增加， 经济性差。 架控方式的性能则介于车控方式和轴控方式两者 之间，可以说是一个比较好的兼顾方式。
1．控制逻辑电路 顺序逻辑控制、控制连锁和互锁； 电路用以实现“与”、“或”等逻辑控制，从而确 保正确形成牵引、制动等运行工况； 继电器、接触器 电子器件 逻辑控制单元
2．信息传送电路
传送控制命令即牵引、制动指令； 传送各个电气设备的工作状态； 信息传送电路采用DC110v电源 三种方式： 直通线方式 串行通信方式 计算机网络通信方式
架控模式
轴控模式
主电路保护
1．主电路短路保护
主电路短路故障是指电网侧短路或接地、变压器 的副边绕组或其中的一段短路、硅整流器击穿短 路、中间直流环节短路、牵引逆变器可控硅（ GTOI或GBT）击穿短路和牵引电动机短路。 交-直-交牵引系统中的中间直流环节短路也是一 种严重的短路故障 主断路器是主电路也是整台机车和动车的主要保 护装置和最后的保护屏障。主断路器可以切断整 个车辆的供电，所以是列车保护的最后屏障。
4．主电路过电压保护 雷击过电压 操作过电压 中间直流回路过电压保护
辅助电路
辅助电路将牵引系统中的各种辅助电气设备和 辅助电源连成一个电系统，成为保证牵引系统 正常运转不可缺少的电气装置 辅助电路还可以包括列车照明、旅客信息系统 的供电、通信设备、空调、自动门以及取用来 改善乘务人员和旅客的工作和生活条件的设备
交直系统
内燃机车的交-直流牵引系统
直流—直流方式 直流供电—斩波器—直流牵引电动机；
直直系统
交流牵引系统—牵引电动机为交流牵引电动机
直流—交流方式 直流供电—逆变器—交流牵引电动机；
交直交方式 交流供电—整流—逆变器—交流牵引电动机；
电力牵引系统归为二大类，一类是采用直流牵 引电动机的牵引系统我们称为直流传动系统； 另一类采用交流异步牵引电动机的牵引系统我 们称为交流传动系统。 这二类系统在使用的电子电气装置、控制的策 略和方法以及实现的技术手段方面都有很大的 不同，在系统的性能方面也有很大的差别。
2．主电路过载保护
过载保护本质上也是电 流保护，与短路保护只 是保护电流整定值的大 小和程度上的差别。 过载保护主要是指牵引 电动机的负载电流过大 ，因此在每一个牵引电 动机的回路中都设置过 载保护继电器。另外在 交流牵引系统中还要设 置交流牵引电动机的三 相不平衡保护。
3．主电路接地保护
主电路接地故障是由于主电路中的电气设备或导 线的绝缘破坏，造成主电路与车体钢结构接触或 者与钢结构之间发生放电。保护的手段主要是设 置接地继电器 交流牵引系统的中间直流回路是接地保护的一个 主要对象
辅助电源装置——辅助逆变器
CVCF（恒压恒频）和VVVF（变压变频）两种 工作模式； 扩展供电；
多个辅助逆变器以实现分散供电和互为冗余的目的
辅助电源母线
K1-2
辅助电源母线
K2-2 K1-1 1 K2-1 2
蓄电池组和充电装置
蓄电池组； 充电装置——直-直变流器；
控制电路
控制电路将主电路和辅助电路中的各电气设备的控 制装置﹑信号装置和控制电源连成一个电系统，实 现对列车的操纵和控制； 控制电路普遍采用的是间接控制，司机通过控制器 操纵各种低电压的控制电器，再通过这些电器的动 作去改变主电路或辅助电路的工作状态，实现对机 车运行的控制； 控制逻辑电路 信息（命令和状态）传送电路 信息显示（仪表）电路。
3．信息显示电路
信息显示电路就是习惯上所谓的仪表电路 列车信息显示已经采用智能化的显示终端来补充 和替代常规的仪表显示和显示电路
显示终端基本采用10英吋或12英吋的LCD屏构成， 其主要功能为显示列车正常运行的状态信息。
3.4．电力牵引系统的特点
牵引功率大； 传动效率高； 能源利用率高； 无污染； 容易实现自动化控制；
直通线方式
以DC110v电平为信号电平来传送信息，信号传送 简单、直接、快速，单信号传送可靠性较好。
需要大量的直通线来传送各种命令和设备状态，随 着直通线数量的增加，其可靠性随之大幅度下降。 PWM调制的方法在一根直通线上传送多个信息，从 而部分解决了信号量的问题， PWM调制的方法需要增加调制、解调器；
TO NEXT
供电方式
接触网供电；
25 kV
正馈线 保护线 承力索 接触线
-25kV 50kV 2上臂 上导杆 阀板 下臂 升弓装置 下导杆 底架 阻尼器 ADD系统
第3轨供电
供电轨
第三轨供电形式
3.2．电力牵引系统的类型
直流牵引系统 牵引电动机为直流牵引电动机 交流－直流方式 交流供电—整流—直流牵引电动机；
3.3．牵引电路
列车（机车、动车、车辆）上的各种电气设 备，通过电气线路互相连接起来，构成一个整 体，实现列车的各项功能； 列车电路的设计对于列车牵引、控制等各方面 的性能有很大的影响，是列车电气系统中一个 非常重要的组成部分；
主电路
列车电路
辅助电路 控制电路 励磁电路
主电路
牵引系统电路称为主电路。 主电路将产生列车牵引力和制动力的各种电气设 备连成一个电系统，实现牵引功率的传输。 主电路是牵引系统最重要的组成部分。它的结构 不但决定牵引系统的类型，而且即使同一类型的 机车或动车，如主电路的结构不同，也会在很大 程度上决定该型机车或动车的基本特性。
串行通信方式 彻底解决通信量的问题；几根（2根或4根）串行通 信线就可以传送所有的信息； 可靠性也有较大的提高； 常用的串行通信方式有RS-232和RS-485两种串行通 信总线； 串行通信方式的主要问题在于没有保证通信数据完整 无缺的机制，即串行通信缺少数据安全的保障机制 。
计算机网络通信方式 传输速度高、可靠性强、 数据传输安全性好、 传输距离长， 比较普遍应用的网络有：TCN（IEC61375-1）、 WORLDFIP（EN50170-3）和LONGWORKS（ IEEE1473） 三种方式可以是在同一列车或机车上同时运用。传 送的方式应该根据控制电路设计的需要而采用不 同的方式。 现场总线实际上是一种计算机网络通信的低级形式