電力牽引論文

電力電子技術(shù)應用調(diào)研論文——電力牽引一、概述電力機車或動車的牽引電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能，驅(qū)動鐵路列車、電動車組和城市軌道交通電動車輛組運行。主要由電源、牽引變電所、接觸網(wǎng)（接觸軌）、軌道回路和電力機車、動車組等環(huán)節(jié)構(gòu)成的系統(tǒng)以實現(xiàn)電力牽引。電力牽引的核心部分是電力電子與電力傳動，其主要特點為：蓄電池供電，四象限運行，恒力矩控制，高溫、強振動環(huán)境等。這些特點對電力電子設備要求較高，目前我國用在電力牽引的電力電子變換器仍以進口產(chǎn)品為主，國產(chǎn)產(chǎn)品也正在快速成長之中。但主要問題仍然是適應性差，動態(tài)性能不夠，可靠性差。二、分類電力牽引正成為世界各國交通發(fā)展重點。電力牽引主要包括高鐵、地鐵、城市輕軌、電動汽車等。1、高鐵技術(shù)由于電力機車本身不帶原動機，需要靠外部電力系統(tǒng)經(jīng)過牽引供電裝置供給其電能，故電氣化鐵路是由電力機車和牽引供電系統(tǒng)組成的。電力機車由機械部分（包括車體和轉(zhuǎn)向架）、電氣部分和空氣管路系統(tǒng)構(gòu)成。車體是電力機車的骨架，是由鋼板和壓型梁組焊成的復雜的空間結(jié)構(gòu)，電力機車大部分機械及電氣設備都安裝在車體內(nèi)，它也是機車乘務員的工作場所。轉(zhuǎn)向架是由牽引電機把電能轉(zhuǎn)變成機械能，便電力機車沿軌道走行的機械裝置。它的上部支持著車體，它的下部輪對與鐵路軌道接觸。電氣部分包括機車主電路、輔助電路和控制電路形成的全部電氣設備，在機車上占的比重最大，除安裝在轉(zhuǎn)向架中的牽引電機之外，其余均安裝在車頂、車內(nèi)、車下和司機室內(nèi)?？諝夤苈废到y(tǒng)主要執(zhí)行機車空氣制動功能，由空氣壓縮機、氣閥柜、制動機和管路等組成干線電力牽引中，按照供電電流制分為：直流制電力機車和交流制電力機車和多流制電力機車。交流機車又分為單相低頻電力機車（25Hz或162/3Hz）和單相工頻（50Hz）電力機車。單相工頻電力機車，又可分為交--直傳動電力機車和交—直—交傳動電力機車。牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所和接觸網(wǎng)兩部分組成，所以人們又稱電力機車、牽引變電所和接觸網(wǎng)為電氣化鐵道的三大元件。其工作原理為電力機車靠其頂部升起的受電弓和接觸網(wǎng)接觸獲取電能。受電弓升起時，緊貼接觸網(wǎng)線摩擦滑行，將電能引入機車，經(jīng)機車主斷路器到機車主變壓器，主變壓器降壓后，經(jīng)供電裝置供給牽引電動機，牽引電動機通過傳動機構(gòu)使電力機車運行。電牽引變電所的主要任務是將電力系統(tǒng)輸送來的110kV三相交流電變換為27.5（或55）kV單相電，然后以單相供電方式經(jīng)饋電線送至接觸網(wǎng)上，電壓變化由牽引變壓器完成。牽引網(wǎng)是由饋線、鋼軌回流線、接觸網(wǎng)組成的雙導線供電系統(tǒng)，完成對電力機車的送電任務。電力牽引供變電系統(tǒng)是指從電力系統(tǒng)接受電能，通過變壓，變相后，向電力機車供電的系統(tǒng)。牽引供電回路是由牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、電力機車、鋼軌、地或回流線構(gòu)成。另外還有分區(qū)亭、開閉所、自耦變壓器站等。其工作原理圖如下：電氣化鐵路的供電方式在目前220kV及更高系統(tǒng)逐步形成之情況下，當采用110kV系統(tǒng)給鐵道牽引供電時，就較少采用環(huán)形方式，雙邊供電等方式，而多用單邊供電或帶有備用開關(guān)的雙邊側(cè)供電及環(huán)形供電等方式。2、城市輕軌技術(shù)城市軌道交通電力牽引（electrictractionofurbanrailwtransit）以電力系統(tǒng)城市電網(wǎng)的電力為動力源，在車輛上將電能轉(zhuǎn)換為機械能，從而牽引列車組在軌道上運行的一種城市交通牽引動力形式。由于它具有準時、快捷、安全、舒適、運量大、編組靈活及節(jié)能、無污染等優(yōu)點，已經(jīng)成為世界許多國家大中城市公共交通的骨干。目前全世界已有40多個國家的130多個城市，共修建了7000km的城市軌道交通（包括地鐵、輕軌）線路。城市軌道交通電力牽引主要由牽引供電系統(tǒng)和電動車組構(gòu)成。引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所和牽引網(wǎng)組成，牽引變電所的作用是將城市電網(wǎng)的交流電壓（一般為110kV、：35kV或10kV）降壓并整流成為直流電壓。牽引網(wǎng)由饋電線、接觸網(wǎng)、軌道和回流線組成。接觸網(wǎng)是牽引網(wǎng)中最主要的組成部分，車上的受電器通過與它可靠地直接滑動接觸，不斷取得電能，以保持電動車組的正常運行。接觸網(wǎng)按其結(jié)構(gòu)可分為接觸軌式和架空式兩種。接觸軌式是沿走行軌道一側(cè)平行鋪設第三軌，電動車組從側(cè)面伸出的受電器——接觸靴與其滑動接觸而取得電能。架空式接觸網(wǎng)是架設在走行軌道上部的接觸導線、承力索系統(tǒng)。電動車組從上都伸出的受電器（受電弓）與接觸導線滑動接觸取得電能。電動車組由牽引供電系統(tǒng)供給電能，驅(qū)動車輛上的電動機，產(chǎn)生牽引力牽引在軌道上行駛的列車組。列車組中的車輛主要分兩類：有動力裝置的動力車和無動力裝置的拖車。動車和拖車又有司機室和無司機室之分。為保證動車組良好的性能和股務，近年來車體大多采用鋁合金或不銹鋼材料；走行部采用動力制動（包括再生制動和電阻制動）輔以空氣制動。在運行方式上，應用了自動駕駛系統(tǒng)。在服務設施上，增加了客室容量，采用空調(diào)、通風等設施。動車組的最高運行速度多數(shù)在80km/h，2min時間間隔，也有少數(shù)城市在100km/h以上。線路的站間距離；市區(qū)一般1km左右，郊區(qū)多為1.5km?2km。城市輕軌存在的問題地下迷流在直流牽引供電中，牽引電流并非全部由鋼軌直接流回牽引變電所，而是有一部分由鋼軌雜散泄漏流入大地，再由大地流回鋼軌和牽引變電所，這種地下雜散電流被稱為地下迷流。牽引電流越大或鋼軌對地絕緣程度越差，地下迷流就越大。地下迷流主要有兩個危害：一是軌道線路附近的各種地下電纜或金屬構(gòu)件將因電解現(xiàn)象被腐蝕損壞：二是在電氣接地裝置上將會引起過高的接地電位，使某些設備無法正常工作。因此必須采取防護措施，盡量減少迷流源的泄漏，限制迷流向線路外部擴散：對線路附近的地下金屬管線應采取有效的防蝕措施。諧波由于牽引變電所大功率整流設備和動車組中其他變流裝置等的非線性負荷特性，使牽引供電系統(tǒng)成了城市電網(wǎng)的一個重要諧波源。為了抑制諧波對軌道交通系統(tǒng)本身和電力系統(tǒng)其他用戶的危害，常常采取增加整流器的整流相數(shù)、設置濾鞋裝著、保持三相負荷平衡、采用電容吸收等方法來解決。3、地鐵技術(shù)地鐵電氣系統(tǒng)是指靜止輔助電源系統(tǒng)和主傳動電路系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,它們在城軌車輛中的應用也在不斷地進步和發(fā)展。車輛上的靜止輔助電源,主要用作空調(diào)機、通風機、空壓機、蓄電池充電器、照明及控制等輔助設備的供電電源。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,輔助電源系統(tǒng)已從早期的旋轉(zhuǎn)式電動-發(fā)電機組模式進步為靜止式變流機組,即所謂的靜止輔助電源裝置。它的技術(shù)和原理與城市輕軌相似，而且普通民眾由于對城市軌道交通系統(tǒng)接觸較少，認識時間較晚，概念上有些誤區(qū)。有人認為城市軌道交通中，在地面以下行駛的叫地鐵，在地面或高架上行駛的就是輕軌；還有人認為輕軌的鋼軌重量比地鐵輕，這兩種認識都是錯誤的。城市軌道交通分為地鐵和輕軌兩種制式，地鐵和輕軌都可以建在地下、地面或高架上。按照國際標準，城市軌道交通列車可分為A、B、C三種型號，分別對應3米、2.8米、2.6米的列車寬度。凡是選用A型或B型列車的軌道交通線路稱為地鐵，采用5?8節(jié)編組列車；選用C型列車的軌道交通線路稱為輕軌（上海軌道交通8號線除外），采用2?4節(jié)編組列車，列車的車型和編組決定了車軸重量和站臺長度。在我國的規(guī)范中是指，軸重相對較輕，單方向輸送能力在1萬?3萬人次的軌道交通系統(tǒng)，稱為輕軌；每小時客運量3萬?8萬人次的軌道交通系統(tǒng)，稱為地鐵。4、電動汽車技術(shù)電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。由于對環(huán)境影響相對傳統(tǒng)汽車較小，其前景被廣泛看好，但當前技術(shù)尚不成熟。電動汽車的種類：純電動汽車（BEV）、混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FCEV）。純電動汽車優(yōu)點：技術(shù)相對簡單成熟，只要有電力供應的地方都能夠充電。缺點：目前蓄電池單位重量儲存的能量太少，還因電動車的電池較貴，又沒形成經(jīng)濟規(guī)模，故購買價格較貴，至于使用成本，有些使用價格比汽車貴，有些價格僅為汽車的1/3，這主要取決于電池的壽命及當?shù)氐挠汀㈦妰r格。工作原理：蓄電池——電流——電力調(diào)節(jié)器——電動機——動力傳動系統(tǒng)——驅(qū)動汽車行駛主要結(jié)構(gòu)電源、驅(qū)動電動機、電動機調(diào)速控制裝置、傳動裝置行駛裝置、轉(zhuǎn)向裝置、制動裝置、工作裝置電動機調(diào)速控制裝置是為電動汽車的變速和方向變換等設置的，其作用是控制電動機的電壓或電流，完成電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向的控制。電動汽車傳動裝置的作用是將電動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩傳給汽車的驅(qū)動軸，當采用電動輪驅(qū)動時，傳動裝置的多數(shù)部件常常可以忽略。行駛裝置的作用是將電動機的驅(qū)動力矩通過車輪變成對地面的作用力，驅(qū)動車輪行走。它同其他汽車的構(gòu)成是相同的，由車輪、輪胎和懸架等組成。轉(zhuǎn)向裝置是為實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)彎而設置的，由轉(zhuǎn)向機、方向盤、轉(zhuǎn)向機構(gòu)和轉(zhuǎn)向輪等組成。作用在方向盤上的控制力，通過轉(zhuǎn)向機和轉(zhuǎn)向機構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定的角度，實現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。多數(shù)電動汽車為前輪轉(zhuǎn)向，工業(yè)中用的電動叉車常常采用后輪轉(zhuǎn)向。電動汽車的轉(zhuǎn)向裝置有機械轉(zhuǎn)向、液壓轉(zhuǎn)向和液壓助力轉(zhuǎn)向等類型。電動汽車的制動裝置同其他汽車一樣，是為汽車減速或停車而設置的，通常由制動器及其操縱裝置組成。在電動汽車上，一般還有電磁制動裝置，它可以利用驅(qū)動電動機的控制電路實現(xiàn)電動機的發(fā)電運行，使減速制動時的能量轉(zhuǎn)換成對蓄電池充電的電流，從而得到再生利用。目前國內(nèi)電動汽車在大功率載客汽車，給提供空氣制動設備有耐力NAILI滑片式空氣壓縮機，主要是壓縮空氣的制動方式。電動汽車的種類：純電動汽車（BEV）、混合動力汽車（HEV）、燃料電池汽車（FCEV）。純電動汽車（BEV）由電動機驅(qū)動的汽車。電動機的驅(qū)動電能來源于車載可充電蓄電池或其他能量儲存裝置。優(yōu)點：技術(shù)相對簡單成熟，只要有電力供應的地方都能夠充電。缺點：目前蓄電池單位重量儲存的能量太少，還因電動車的電池較貴，又沒形成經(jīng)濟規(guī)模，故購買價格較貴，至于使用成本，有些使用價格比汽車貴，有些價格僅為汽車的1/3，這主要取決于電池的壽命及當?shù)氐挠?、電價格?；旌蟿恿ζ嚫鶕?jù)動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式可分為以下三類：串聯(lián)式混合動力汽車（SHEV）,并聯(lián)式混合動力汽車（PHEV）,混聯(lián)式混合動力汽車（CHEV）。優(yōu)點：采用混合動力后可按平均需用的功率來確定內(nèi)燃機的最大功率，此時處于油耗低、污染少的最優(yōu)工況下工作。缺點：長距離高速行駛基本不能省油。燃料電池汽車：以燃料電池作為動力電源的汽車。燃料電池的化學反應過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物，因此燃料電池車輛是無污染汽車，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機要高2~3倍，因此從能源的利用和環(huán)境保護方面，燃料電池汽車是一種理想的車輛。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車具有以下優(yōu)點：零排放或近似零排放，減少了機油泄露帶來的水污染，降低了溫室氣體的排放，提高了燃油經(jīng)濟性，提高了發(fā)動機燃燒效率，運行平穩(wěn)、無噪聲。電動汽車的優(yōu)缺點無污染，噪聲低；能源效率高，多樣化；結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便;動力電源使用成本高，續(xù)駛里程短。三、電力牽引技術(shù)的結(jié)論與展望在高速鐵路、運煤專線、繁忙干線及長大坡道、長隧道、高海拔地區(qū)等線路上應采用電力機車牽引；積極發(fā)展交流傳動技術(shù)，逐步完成直流傳動向交流傳動的轉(zhuǎn)換。據(jù)1996年有關(guān)資料統(tǒng)計，全世界已有電氣化鐵路22.2萬km，在經(jīng)濟發(fā)達國家，電氣化鐵路占鐵路營業(yè)里程的比重一般都已達到35%60%以上，承擔的鐵路運量所占比重已超過60%90%以上，所以鐵道電氣化為許多國家作為發(fā)展方向。電氣化鐵路較長的國家有俄羅斯、日本、德國、法國、波蘭、意大利；有些國家?guī)缀跞侩姎饣?，例如瑞士；電氣化鐵路占該國鐵路總長50%以上的國家有瑞典、挪威、荷蘭等國。目前電氣化鐵路還在持續(xù)增加，由內(nèi)燃機車牽引或蒸氣機車牽引轉(zhuǎn)向電力機車牽引。國家十分重視電氣化鐵路的發(fā)展。國務院批準的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》明確指出，到2020年，我國鐵路總里程將達到100000km，其中電氣化50000km。今后鐵路主要干線大都實現(xiàn)電氣化，電力牽引將承擔鐵路的主要運輸任務，在中國鐵路運輸中處于主導地位。鐵路運輸在國民經(jīng)濟中占有重要的地位，是國民經(jīng)濟的大動脈，是國民經(jīng)濟三大支柱產(chǎn)業(yè)之一。它擔負著城鄉(xiāng)、工礦各種物資和人員交流的主要運輸任務鐵路主要技術(shù)政策還明確指出要：大力發(fā)展