地铁车辆牵引电机选型研究Word下载.docx
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地铁;
牵引电机;
选型分析
中图分类号:
U231文献标识码:
A 文章编号:
一、牵引电机类型选择
牵引电机取代蒸汽机用于城市轨道交通车辆己有100多年历史,但就其类型而言,不外乎两个大类,即直流牵引电机和交流牵引电机(包括直线牵引电机)。
由于直流牵引电机的端电压和励磁可以方便的调节转速,所以直流牵引电机是应用最广泛的牵引电机之一。
尤其是直流串励牵引电机,因为具有适合牵引需要的“牛马”特性、起动性能好、调速范围宽、过载能力强、功率利用充分以及控制简单等优点,所以多年来一直作为各种车辆的主要牵引动力之一。
引用大功率可关断晶闸管(GT0)等元件构成斩波调速系统,近一半改善了直流传动城市轨道交通车辆的运行性能。
虽然直流电机具有良好的牵引和制动性能(调节电压和励磁就可以方便地进行调速),但是直流牵引电机的换向器结构尚且存在一系列缺点:
电机换向困难、点位条件恶化、结构复杂、工作可靠性较差、制造成本高以及维修麻烦。
尤其是在高电压大功率时,换向变得困难,点位条件的恶化,使得电机工作可靠性大大降低⑴。
交流传动牵引电机经历了早期的同步电动机到异步电动机的探索,以异步交流电动机作为交流传动驱动的最终选择。
早期,虽然异步牵引电机有结合简单、功率大、体积小、重量轻、可靠性高、少维护等优点,但仍然存在技术上的难点。
首先要考虑变流器产生的高次谐波,异步电动机产生的高附加铜耗和铁耗,高的绝缘介质损耗和电晕,高的附加脉动转矩,高的电磁噪声等因素。
随着大功率晶闸管,特别是近年来全控型电力电子器件的迅速发展,可调压调频的装置已经成功解决了交流电机调速等方面的技术难题。
交流电机没有换向问题,而且优点很多,所以是一种较理想的牵引电机,在城市轨道交通领域正在迅速取代直流牵引电机。
城市轨道交通车辆目前普遍采用的是交流异步牵引电机,这是因为同步电机需要集电环和电刷或者在转子上安装整流器、不适用于频繁的起动和停止工作需要;
也不能在轮径不同或牵引电机转速有差别时,由一台逆变驱动多台电机并联工作。
同时异步电机在空间利用和重量上都优于同步电机,所以被广泛采用。
异步电机采用WVF控制,即直流电通过逆变器变为三相交流电,用电压和频率的变化来控制异步电机,获得最佳的调速性能,并实现再生制动。
国际上交流异步牵引电机单台功率最大巳达到1840kW(德国12K型机车),而采用12kW~1600kW的居多;
单位功率重量指标已从3kg降到1.7kg/kW;
在高速动车组上采用的异步牵引电机最先进的己实现了Ikg/kWo
近年来,作为最有实用价值的非粘着驱动方式,直线牵引电机在城市轨道交通车辆中的应用也越来越受到各国的重视。
直线电机无旋转部件,呈扁平形,可降低车辆高度,从而所缩小地铁隧道直径降低工程成本。
直线电机运行不受粘着限制,可得到较高的加速度和制动减速度;
而且噪音小,这些都是很适合城市轨道交通车辆应用的优点。
直线电机的发展经历了漫长的历史。
早在十九世纪末与二十世纪初就有人从事直线电机的研究,但是未获得成功⑵。
目前,世界上己经开通的直线电机轨道交通线路共9条,其中日本开通了4条直线电机地铁(3)可见该技术目前还不够成熟。
随着现代化科学技术的高速发展,现代交流传动控制技术也取得了突破性进展,目前己进人实用阶段并形成了一种高科技新产业(4)。
因此,对交流电机的控制也以及达到较高水平。
综上所述,为了最好的实现牵引和制动性能,可以选用交流异步牵引电机。
二、牵引电机功率选择
牵引电机所需功率与起动加速度、平均加速度、剩余加速度、最大运行速度以及最大坡度密切相关,同时与列车编组方案和列车载客后总重等相关参数有关。
电机牵引特性曲线。
电机牵引特性曲线包含三个区段,即恒转矩区、恒功率区以及自然特性去(有些估算可以将自然特性区近似为恒功率区考虑)。
牵引电机工作时,首先进入恒转矩区,这是牵引电机起动阶段,此时牵引电机扭矩保持恒定,对于120km/h的城轨车辆而言该区段的终止速度Va为60km/h左右;
然后,牵引电机进入恒功率区,即牵引电机发挥最大效能的工作区,改区段内列车牵引力随着运行速度的不断提高而成比例降低,此区段的终止速度为Vb;
最后,牵引电机进入自然特性区,此时牵引电机的扭矩和转速之间的关系由其自然特性决定,并且与所采用的是直流电机还是交流电机有关,对于交流电机而言,自然特性区应属于转差频率恒定区。
东莞2号线首期工程(东莞火车站〜虎门火车站)线路总长37.8公里。
线路设计最高时速120公里,采用6节编组B型车。
其他相关参数如下表:
型号
长度
6节编组
122.1-122.3m
加速度
值
加速度(0-50km/h)
≥l.00m/s2
加速度(0-120km/h)
≥O.50m/s2
最大常用制动减速度
1.0m/s2
紧急制动减速度
1.2m/s2
速度
最大运行速度
≥120km/h
最大测试速度
≥135km/h
重量
满载6-carset(AW3load)
400.68to≥
空载6-carset(AWOload)
218.0to≥
另外,列车故障运行能力需满足:
在损失1/4动力时,在AW3状态下,列车可以正常运行至终点站;
在损失1/2动力时,在AW3的状态下,列车可在正线最大35%。
坡道上起动和运行到下一车站;
一列空载列车牵引一列超员载荷AW3(无动力)故障列车,能在正线最大35%。
坡道上起动和运行到下一车站。
地铁车辆牵引电机的负载特性属于断续式,工作方式是短时重复。
这样的于地铁车辆的运行特点有关。
根据牵引电机工作的这一特点,可以按起动加速过程、平均加速工程以及能量守恒过程这三种方法对牵引电机额定功率进行估算,并且可以根据剩余加速度对牵引电机额定功率进行校验。
结合列车4动2拖的编组特点及故障运行能力,通过计算:
单台牵引电机功率200kW时,可满足使用需求。
三、牵引电机选定
综上所述,建议选用三相异步牵引电机,功率200kW为宜。
结语:
牵引电机作为牵引系统最后执行者,为车辆提供最直接的动力,其选型参数的有效选取,有利于提高列车的稳定性、可靠性。
为广大乘客提供安全、舒适的乘车体验。
参考文献:
[1] 徐安.城市轨道交通电力牵引.北京:
中国铁道出版社,2000,33-34
[2] 宋书中,胡业发,周祖德.直线电机的发展及应用概况.控制工程.2006,第13(3):
200~201
[3] 杨中平.日本直线电机的发展.都市快轨交通.2006,19
(1):
11-15
[4] 高云,林淑英,高安邦.现代交流传动控制系统的计算机仿真.电脑学习.1997.⑷:
1-4
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