城市 軌道交通跨座式獨軌車軌道交通電力牽引系統(tǒng)

1、跨座式單軌車軌道交通電力牽引系統(tǒng)報告名 稱：跨座式單軌車軌道交通電力牽引系統(tǒng) 學(xué)生 團(tuán)隊：101110129黃 彬101110130高 偉101110131 王 耀 101110132 董其煒101110133 陳 豪 101110134 孫啟原101110135張厲智101110136俞家凱指導(dǎo)老師：師蔚所在學(xué)院：城市軌道交通學(xué)院完成時間：2013年10月9日圖1：重慶地鐵3號線1 x 1 雙支柱圖2：跨座式單軌軌道梁和車輛斷面.概述城市單軌交通系統(tǒng)屬于車輪運行模式，但與傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌、雙軌線路有很大的區(qū)別， 它占有的空間比傳統(tǒng)的雙軌線路要小。就技術(shù)上的定義 而言，跨座式獨軌交通系統(tǒng)是指以單

2、一軌道來支承車廂 并提供導(dǎo)向作用而運行的軌道交通系統(tǒng)。1952年，瑞典人格倫以其構(gòu)想發(fā)展出新型的跨座式軌道系統(tǒng)，并以1:2.5的比例在德國科隆市附近的Fuhligen進(jìn)行模型試驗，軌道梁系由鋼筋混凝土制成。據(jù)記錄所載，在1.9KM長的試驗軌道上，車廂可達(dá)到 130KM/H的運行速度。1957年，格倫再次在原地建造了 一條1.8KM長的實體軌道，測試結(jié)果與模型試驗相近。 這種形式的獨軌系統(tǒng)就以格倫的全名縮寫命名為ALWEG 型獨軌系統(tǒng)。ALWEG型獨軌系統(tǒng)很快成為世界獨軌的風(fēng) 尚，它在發(fā)展成型后到20世紀(jì)70年代的10多年間， 雖然進(jìn)展較快，但似乎僅限于游樂園或展覽會場區(qū)內(nèi)的 游客運輸，尚未進(jìn)入

3、城市軌道交通系統(tǒng)的領(lǐng)域。到了 80 年代后期，歐洲的獨軌交通開始進(jìn)入城市軌道交通體系。我國第一條單軌交通于2000年在重慶開始修建。東起重慶市區(qū)商業(yè)中心校場口，西至大 渡口區(qū)鋼鐵基地新山村，沿途設(shè)置17座車站。根據(jù)重慶市山城丘陵的地理特點，選擇噪聲 低、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小的跨座式單軌交通系統(tǒng)，在我國尚屬首次。由此我們可以看到 跨座式單軌交通有其自身的優(yōu)缺點。它的優(yōu)勢：（1）占地面積小、空間利用率高?？缱絾?軌交通軌道梁一般利用城市道路中央隔離帶設(shè)置結(jié)構(gòu)墩柱，圓墩柱直徑約為1M-1.5M，區(qū)間 雙線軌道結(jié)構(gòu)寬度一般為5M。而普通城軌交通區(qū)間高架結(jié)構(gòu)寬度為89M，墩柱直徑約為 2M，因此跨座

4、式單軌交通具有占地面積少，空間利用率高的優(yōu)勢。（2）建設(shè)周期短，由于跨 座式單軌交通軌道梁一般采用標(biāo)準(zhǔn)軌道梁，可在 工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝，且牽引電網(wǎng)剛性布置在軌 道側(cè)壁，比普通架空接觸網(wǎng)以及第三軌受電施工 方便，因此施工周期可大大縮短。（3）舒適度高， 噪聲小，爬坡能力強，轉(zhuǎn)彎半徑小。由于跨座式 單軌車轉(zhuǎn)向架采用充氣橡膠輪胎作為走行輪，且 轉(zhuǎn)向架與車體間的懸掛裝置為空氣彈簧，因此車 體震動小，乘坐舒適性高，跟普通城軌交通相比， 具有噪聲小，爬坡能力強，轉(zhuǎn)彎半徑小等優(yōu)勢。 線路最大坡度可達(dá)到6%，最小曲率半徑為100M。 但是跨座式單軌交通不足在于：（1）能耗較大， 由于采用橡膠車輪造成車輛所受阻

5、力較鋼輪大， 因此，單軌交通的能耗比普通城軌交通大。（2） 道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，搬動時較普 通城軌交通道岔費時，因此，限制了列車運行時 間間隔不能低于2.5分鐘。下面以重慶市跨座式單軌交通來了解中國單軌軌道交通的發(fā)展現(xiàn)狀。.轉(zhuǎn)向架重慶“較-新”線跨座式單軌交通車輛轉(zhuǎn)向架為無搖枕特殊結(jié)構(gòu)的跨座式2軸轉(zhuǎn)向架，每 輛車有2臺跨座式轉(zhuǎn)向架，轉(zhuǎn)向架的每根車軸由1臺交流牽引電動機驅(qū)動。轉(zhuǎn)向架承載面為 中心牽引裝置和空氣彈簧。構(gòu)架是鋼板焊接結(jié)構(gòu)，具有足夠的剛度和強度。轉(zhuǎn)向架與車體之 間的懸掛裝置為空氣彈簧，并裝有橫向減震器，有良好的動力性能，軸重小于11t。走行輪，導(dǎo)向輪，穩(wěn)定輪均為橡膠輪胎。走

6、行輪系無內(nèi)胎鋼絲橡膠輪胎，內(nèi)充氮氣，每臺 轉(zhuǎn)向架有4個走行輪胎；導(dǎo)向輪、穩(wěn)定輪內(nèi)充壓縮空氣。走行輪泄氣時由安裝在轉(zhuǎn)向架兩端 梁上的實心輪胎做為輔助車輪。水平車輪中，有位于上方的4個導(dǎo)向輪和位于下方的2個穩(wěn) 定輪，都是帶尼龍絲的橡膠車輪。轉(zhuǎn)向架構(gòu)架由側(cè)梁、橫梁、端梁及導(dǎo)向、穩(wěn)定車輪的支承 架構(gòu)成，構(gòu)架內(nèi)部作空氣彈簧輔助空氣室。走行輪軸和水平輪軸均為單懸臂式。采用2級減速直角齒輪傳動方式，電機到齒輪箱的連 軸節(jié)為彈性連軸節(jié)，齒輪采用飛濺潤滑方式。基礎(chǔ)制動機構(gòu)采用盤形制動。在傳動軸端部設(shè)走行輪的內(nèi)壓檢測裝置。當(dāng)輪胎壓力低于規(guī)定壓力時，開關(guān)關(guān)閉，設(shè)有駕 駛臺上的監(jiān)視器將顯示輪胎內(nèi)壓警報。在齒輪軸箱體上

7、的安裝感應(yīng)式速度傳感器。車體支承裝置中有空氣彈簧、高度自動調(diào)節(jié)閥、壓差動作閥、油壓減震器、橫向止檔、防 震橡膠等組成。圖3：動力轉(zhuǎn)向架組裝圖.受電裝置3.1車輛受電跨座式單軌車輛受電裝置分正極和負(fù)極2種，2種受電裝置安裝在轉(zhuǎn)向架上，采用側(cè)面 滑動受電。在司機室車輛上，每輛車安裝2臺負(fù)極受電弓；在無司機室的車上，每輛車安裝 2臺正極受電弓。（1）正極受電裝置。開弓采用彈簧裝置，收弓時采用壓縮空氣，這時使下降風(fēng)缸動 作，折疊式受電裝置在折疊位置，由鎖鉤裝置將受電弓鎖住，使其與接觸網(wǎng)脫 離。當(dāng)需要受電裝置升弓，可使電磁線圈得電，解開鎖鉤裝置，彈簧裝置將受 電裝置撐開與接觸導(dǎo)軌接觸受電。（2）負(fù)極受電

8、裝置。與正極受電裝置相比，不設(shè)自動折疊裝置，使負(fù)線受電裝置經(jīng) 常與負(fù)線接觸導(dǎo)軌接觸。在需要時可用手壓到折疊位置，由鎖鉤裝置鎖住，解 鎖時用手動壓縮解鎖。（3）滑板。受電裝置滑板為銅系粉末冶金制成。車輛接地裝置考慮到跨座式單軌車輛采用橡膠輪胎，每輛車有一接地裝置，當(dāng)車輛到達(dá) 車站和車輛段時，與安裝在軌道梁上的接地板接觸，以保證乘客在車站和車輛段檢修作業(yè)人 員的生命安全。3.2接觸網(wǎng)受流跨座式單軌接觸網(wǎng)受流模式不同于傳統(tǒng)輪軌交通所采用的第三軌或架空接觸網(wǎng)模式，是 一種全新的城市軌道交通接觸網(wǎng)受流模式，除了正極受流接觸網(wǎng)外，設(shè)置專門的負(fù)極回流接 觸網(wǎng)（回流軌）。電流經(jīng)車輛負(fù)極受電弓再經(jīng)回流軌回流，負(fù)

9、極接觸網(wǎng)和正極相同。接觸網(wǎng) 位于軌道側(cè)面中部并被車體包絡(luò)，平行軌道梁中心線方向呈“之”字形布置，接觸受流面相 對軌道梁側(cè)面向外，受電弓相對軌道側(cè)面向內(nèi)與接觸網(wǎng)接觸線摩擦受流。功能要求（1）滿足傳輸電能的功能要求。接觸網(wǎng)除完成不間斷給列車供電的功能，還承擔(dān)著傳輸電能的功能。作為跨座式單 軌接觸網(wǎng)傳輸電能的主要部件匯流排，要具有良好的電氣性能，達(dá)到減少電能損耗 和接觸網(wǎng)網(wǎng)壓降的要求。但受到建筑和車輛限界的限制，匯流排截面不可能做到很大， 這就對匯流排材料和截面的選擇、制造誤差提出了很大的要求。（2）滿足良好的弓網(wǎng)關(guān)系要求。控制受電弓離線率以及實現(xiàn)受電弓滑板與接觸線的均勻磨耗，是滿足良好的弓網(wǎng)關(guān) 系

10、要求的關(guān)鍵因素。在跨座式單軌軌道交通中，由于受電弓和接觸網(wǎng)完全被車體包絡(luò)， 空間狹小，受電弓行程短，跟隨性差，這就對影響接觸網(wǎng)離線率的因素提出了更高的要求；另外，跨座式單軌受電弓滑板與接觸線的接觸范圍小，只有120MM，這就對接觸 網(wǎng)采用相應(yīng)布置方法以解決弓網(wǎng)磨耗，延長受電弓滑板和接觸線壽命提出更好要求。（3）適合氣候的功能。接觸網(wǎng)是無備用的室外供電設(shè)施，必須適應(yīng)溫度變化以及通過電流時引起的匯排流、 接觸線伸縮。（4）電氣分段的功能。跨座式單軌觸網(wǎng)在電氣分段上與傳統(tǒng)鋼輪鋼軌模式有2個截然不同：一是設(shè)置專 門的負(fù)極回流接觸網(wǎng)，二是道岔接觸網(wǎng)隨道岔一起雙向轉(zhuǎn)動。這就要求在牽引變電所 附近饋線上網(wǎng)處

11、同時設(shè)置電分段，道岔開口處利用分段絕緣器實現(xiàn)局部無電區(qū)。結(jié)構(gòu)組成跨座式單軌接觸網(wǎng)主要功能性組成包括伸縮單元、典型支持結(jié)構(gòu)、錨段關(guān)節(jié)、中心 錨節(jié)、供電分道、道岔等。（1） 伸縮單元根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c及載流量的要求，結(jié)合跨座 式單軌接觸網(wǎng)特點，設(shè)置現(xiàn)實接觸網(wǎng)溫度補償?shù)纳?縮單元，包括伸縮單元的布置、最大允許長度和最 小允許長度，錨段關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)、中心錨結(jié)和關(guān)節(jié)電 連接的設(shè)置方法以及使匯流排在每個支持點處可 自由滑動的措施。伸縮單元平行軌道梁中心線方向 呈“之”字形布置，伸縮單元長度一般為70150M， 接觸網(wǎng)拉出值距離中心位置距離為60MM。伸縮單元兩端設(shè)置溫度補償單元錨段關(guān)節(jié)， 實現(xiàn)對匯排流由溫度變

12、化引起的伸縮的補償。伸縮單元中部設(shè)置中心錨結(jié)，防止接觸網(wǎng)向一 側(cè)滑動，并使匯流排在每個支持點處自由滑動。預(yù)理艷龍絕緩護(hù)會圖7：接觸網(wǎng)典型支持結(jié)構(gòu)圖9：接觸線斷面(2)接觸網(wǎng)典型支持結(jié)構(gòu)接觸網(wǎng)典型支持結(jié)構(gòu)包括支持絕緣子、T型匯流排、接觸線固定線夾和接觸線等。 圖7為跨座式單軌接觸網(wǎng)的基本安裝模式。匯流排截面形狀為T型，材料為鋁合金， 匯流排具備良好的電氣性能，并滿足建筑和車輛限界和載流量的要求。圖8為匯流 排典型截面。接觸網(wǎng)采用梯形截面的硬銅接觸線， 有效延長受電弓滑板和接觸線的壽命，接觸線表 面鍍錫，有效解決金屬之間電腐蝕的問題，圖9 為接觸線斷面。支持絕緣子是跨座式單軌接觸網(wǎng) 專用絕緣子，除

13、了實現(xiàn)絕緣和支持功能外，接觸 網(wǎng)拉出值也是通過絕緣子軸向轉(zhuǎn)動使用絕緣子下 金具有不同孔位安裝在軌道梁上實現(xiàn)的，是接觸 網(wǎng)控制誤差、實現(xiàn)接觸網(wǎng)呈“之”字形布置，使 受電弓滑板均勻摩擦，保持良好弓網(wǎng)關(guān)系的重要 部件。這是不同于其他形式接觸網(wǎng)的極為特殊的 地方。圖8：匯排流斷面圖10：支持絕緣子圖11：絕緣子直接固定在軌道梁上.驅(qū)動裝置跨座式轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動裝置與鐵路轉(zhuǎn)向架一樣，由牽引電機、聯(lián)軸器和齒輪減速箱等部件圖12：單軌交通機械傳動部分等成，所不同的是鐵路轉(zhuǎn)向架的驅(qū)動裝 置全部放在輪對的兩個車輪之間，而跨 座式則全部放在構(gòu)架外側(cè)。重慶“較一 一新”線單軌車輛的牽引電機為三相鼠 籠式異步電機。電機輸

14、出功率105KW， 線電壓1100V，額定轉(zhuǎn)速3439R/MIN， 電機絕緣等級為H級，自然通風(fēng)冷卻， 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用鑄鋁材料。電動機固定在 跨座式轉(zhuǎn)向架上，電機通過彈性聯(lián)軸結(jié) 與齒輪箱連接，齒輪箱傳動比6.55:1， 有利于提高牽引電機轉(zhuǎn)速，減小牽引電 機體積，為解決牽引電機安裝控件不足 創(chuàng)造條件。定子、轉(zhuǎn)子之間是間隙。轉(zhuǎn)，圖13：鼠籠式電動機三相鼠籠式異步電動機，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩個部分組成， 子繞組是用作產(chǎn)生感應(yīng)電勢、并產(chǎn)生電 磁轉(zhuǎn)矩的，它的轉(zhuǎn)子繞組是自己短路的 繞組，在轉(zhuǎn)子的每個槽中放有一根導(dǎo)體 導(dǎo)體比鐵芯長，在鐵芯兩端用兩個端環(huán) 將導(dǎo)體短接，形成短路繞組。若將鐵芯 去掉，剩下的繞組形狀

15、似松鼠籠子，故 稱鼠籠式繞組。鼠籠式電動機結(jié)構(gòu)簡單、 制造成本低、運行維護(hù)方便，被廣泛地 應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，也作為電力拖動 的原動機。但是它的缺點是調(diào)速能力差， 啟動力矩小，因此在一些要求平滑調(diào)速 和啟動力矩大的工況下，常采用多種方 式進(jìn)行運作。.變流裝置重慶單軌車主電路由受電裝置、熔斷器、避雷器/浪涌吸收器、高速斷路器、輸入濾波器、 VVVF逆變器、線路接觸器等部件組成。在受電裝置附近裝有一臺避雷/浪涌吸收器，每個動 力單元主逆變器受高速斷路器(HSCB)保護(hù)，高速斷路器可高效地保護(hù)由于短路、接地造成 的過流，其保護(hù)特性與相對應(yīng)牽引變電站64D保護(hù)系統(tǒng)相匹配和協(xié)調(diào)。輸入濾波器有電抗器 和電

16、容器組成，故障情況下濾波器儲存的能量當(dāng)即被釋放不會對車輛任何系統(tǒng)部件導(dǎo)致二次 性損壞。所有接觸器均使用DC1500V等級。VVVF逆變器通過輸入過流、輸出過流、低輸入網(wǎng)壓、過壓、過熱、相電流電壓不平衡 和牽引電機的過流保護(hù)等實施保護(hù)。VVVF逆變器包括輸入濾波器、三相逆變器模塊，VVVF 逆變器采用自然冷卻。每臺逆變器裝一臺DC1500V HSCB。使用雙微機系統(tǒng)對VVVF逆變器 進(jìn)行控制。交流電源圖1交流變.頻調(diào)速器接法示意圖變鎖輸出控制單元（一）VVVF技術(shù)即 為：將直流電變成交流 電的過程叫做逆變，完 成逆變功能的電路稱為 逆變電路，實現(xiàn)逆變過 程的裝置叫做逆變設(shè)備 或逆變器.變頻器由主

17、 電路和控制電路兩部分 組成.其中，主電路通 常采用交直交方式，即 先將交流電轉(zhuǎn)變成直流 電（整流、濾波）.再將直流電轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的矩形波交流電（逆變器過程）.（二）SPWM波在VVVF技術(shù)中的使用:（1）（2）（3）同步控制方式.即在調(diào)整調(diào)制波頻率的同時相應(yīng)調(diào)整載波頻率使兩者的 比值等于常數(shù).這使得在逆變器輸出電壓的每個周期內(nèi)，所使用的三角波數(shù) 目保持不變，因此所產(chǎn)生的SPWM波脈沖數(shù)是一定的.這種控制方式的優(yōu)點 是，在調(diào)制波頻率變化的范圍內(nèi)，逆變器輸出波形的正、負(fù)半波完全對稱，輸 出三相波形之間具有120b相差的對稱關(guān)系.但是，在低頻時會使每個周期 SPWM脈沖個數(shù)過少，使諧波分量加大。

18、異步控制方式，即使載波頻率固定不變，只調(diào)整調(diào)制波頻率進(jìn)行調(diào)速。它 不存在同步控制方式所產(chǎn)生的低頻諧波分量大的缺點。但是，它可能會造成 逆變器輸出的正半波和負(fù)半波之間出現(xiàn)不嚴(yán)格對稱的現(xiàn)象，這將造成電動機 運行不穩(wěn)定。分段同步控制方式.采用同步控制和異步控制各自的優(yōu)點，就構(gòu)成了分 段同步控制方式.即在低頻段使用異步控制方式，在其他頻率段使用同步 控制方式.這種控制方式在實際中應(yīng)用較多.變頻后的機械特性及其補償， U/ f轉(zhuǎn)矩補償法的原理是：頻率f降低時，電源電壓U成比例地降低，進(jìn) 而引起U下降過低.采用適當(dāng)提高電壓U的方法來保持磁通量恒定，使 電動機轉(zhuǎn)速 回升.適當(dāng) 提高電壓U 會使調(diào)壓比K u

19、K f ,也 就是說，電 壓U不再隨 頻率f等比 例變化， 而 是按圖14的 曲線關(guān)系變 化.采用U/ f轉(zhuǎn)矩補償。.發(fā)展到目前電力牽引新技術(shù)異步牽引電動機異步電動機正在向大功率、高效率、高精度動態(tài)化控制方向發(fā)展。異步電動 機單位質(zhì)量功率密度向大于1 kW/kg方向發(fā)展。驅(qū)動系統(tǒng)向采用新型驅(qū)動系統(tǒng)方向發(fā)展，即 帶齒式聯(lián)軸節(jié)無抱軸箱結(jié)構(gòu)、帶齒式聯(lián)軸節(jié)有抱軸箱結(jié)構(gòu)、帶抱軸箱無齒式聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)。目 前的CHR3高速動車電機驅(qū)動系統(tǒng)就是采用弧形齒聯(lián)軸節(jié)無抱軸箱的結(jié)構(gòu)。HXD1B、HXD3B采用 帶齒式聯(lián)軸節(jié)有抱軸箱結(jié)構(gòu)。圖3為帶齒式聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)。這樣的新型驅(qū)動結(jié)構(gòu)牽引電機僅承 受扭矩和自重，不再承受齒輪嚙

20、合作用形成的彎矩。電機軸承受力明顯減小，使軸承壽命延 長。同時將軸承移至齒輪箱內(nèi)，不需要輸出端端蓋，使得牽引電機結(jié)構(gòu)緊湊，重量減輕，體 積減小。動車驅(qū)動系統(tǒng)采用此結(jié)構(gòu)較多，機車驅(qū)動系統(tǒng)也正在向帶聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。電 機非傳動端蓋采用高強度的鑄鋁件以減輕電機重量。同時電機向采用輪對空心軸的全懸掛方 式和帶聯(lián)軸節(jié)的體懸式方向發(fā)展，使電機重量變?yōu)榛缮现亓?，減少對電機的振動沖擊，減少 電機的故障率。電機冷卻方式目前有自冷和強迫通風(fēng)方式。為加強電機散熱能力，提高電機 功率密度，牽引電機也采用全封閉水冷的方式，其已在日本異步牽引電動機RMT8型上實施。 異步牽引電機冷卻方式可向水冷卻方向發(fā)展。電機材料方

21、面目前國際上研究采用非晶體金屬 鋼片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硅鋼片，這種材料就是金屬原子排列無序而磁有序，是一種具有不規(guī)則原子 結(jié)構(gòu)的合金。它使用特殊方法制成，加工方法和傳統(tǒng)的硅鋼片不同，具有導(dǎo)磁率高，損耗低 的特點，是一種用于電動機和發(fā)電機的整體式非晶體金屬磁性部件。目前美國、日本已在研 究之中，而且早已在變壓器上使用 這種材料。據(jù)資料介紹采用非晶體 金屬鋼片可以降低電機損耗60%，這 也是牽引電機磁性材料研究發(fā)展的 方向。電機控制技術(shù)正在向無速度 傳感器方向發(fā)展，這樣可減少電機 的體積和傳感器的故障率，降低購 買昂貴傳感器的費用，節(jié)約電機成 本，大大提高電機控制精度和控制 單元的可靠性。目前無速度傳感器 異步電機控制已成為交流控制的熱 點，國際上和我國南車株洲電力機 車研究所有限公司已攻克技術(shù)上難 題，正在進(jìn)行工程化應(yīng)用研究。高壓異步牽引電動機2000年瑞士學(xué)者M(jìn).STEINER等提出采用高壓電動機的無變壓器交流傳動系統(tǒng)，該方案對牽 引電機設(shè)計發(fā)展和控制提出了新的思路，變流器將直接與高壓接觸網(wǎng)直接相連；對變流器的 電子器件耐壓等級和牽引電機提出了新的挑戰(zhàn)，變流器模塊通過串聯(lián)采用多電平