城市轨道交通跨座式独轨车轨道交通电力牵引系统.docx

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1、跨座式单轨车轨道交通电力牵引系统报 告 名 称：跨座式单轨车轨道交通电力牵引系统学 生 团 队：101110129 黄 彬 101110130 高 伟101110131王耀101110132董其炜101110133陈豪101110134孙启原101110135 张厉智 101110136 俞家凯指导老师：师蔚所在学院：城市轨道交通学院完成时间：2023 年 10 月 9 日1. 概述城市单轨交通系统属于车轮运行模式，但与传统的钢轮钢轨、双轨线路有很大的区分， 它占有的空间比传统的双轨线路要小。就技术上的定义而言，跨座式独轨交通系统是指以单一轨道来支承车厢并供给导向作用而运行的轨道交通系统。19

2、52 年，瑞典人格伦以其设想进展出型的跨座式轨道系统，并以 1:2.5 的比例在德国科隆市四周的Fuhligen 进展模型试验，轨道梁系由钢筋混凝土制成。据记录所载，在 1.9KM 长的试验轨道上，车厢可到达130KM/H 的运行速度。1957 年，格伦再次在原地建筑了一条 1.8KM 长的实体轨道，测试结果与模型试验相近。这种形式的独轨系统就以格伦的全名缩写命名为ALWEG 型独轨系统。ALWEG 型独轨系统很快成为世界独轨的风气，它在进展成型后到 20 世纪 70 年月的 10 多年间， 虽然进展较快，但似乎仅限于游乐园或展览会场区内的游客运输，尚未进入城市轨道交通系统的领域。到了 80年

3、月后期，欧洲的独轨交通开头进入城市轨道交通体系。图 1：重庆地铁 3 号线我国第一条单轨交通于 2023 年在重庆开头修建。东起重庆市区商业中心校场口，西至大 渡口区钢铁基地山村，沿途设置 17 座车站。依据重庆市山城丘陵的地理特点，选择噪声低、爬坡力量强、转弯半径小的跨座式单轨交通系统，在我国尚属首次。由此我们可以看到跨座式单轨交通有其自身的优缺点。它的优势：1占地面积小、空间利用率高。跨座式单轨交通轨道梁一般利用城市道路中心隔离带设置构造墩柱，圆墩柱直径约为1M-1.5M，区间 双线轨道构造宽度一般为 5M。而一般城轨交通区间高架构造宽度为 89M，墩柱直径约为2M，因此跨座式单轨交通具有

4、占地面积少，空间利用率高的优势。2建设周期短，由于跨 座式单轨交通轨道梁一般承受标准轨道梁，可在工厂预制、现场拼装，且牵引电网刚性布置在轨道侧壁，比一般架空接触网以及第三轨受电施工便利，因此施工周期可大大缩短。3舒适度高，噪声小，爬坡力量强，转弯半径小。由于跨座式单轨车转向架承受充气橡胶轮胎作为走行轮，且 转向架与车体间的悬挂装置为空气弹簧，因此车 体震惊小，乘坐舒适性高，跟一般城轨交通相比， 具有噪声小，爬坡力量强，转弯半径小等优势。线路最大坡度可到达6%，最小曲率半径为100M。但是跨座式单轨交通缺乏在于：1能耗较大，由于承受橡胶车轮造成车辆所受阻力较钢轮大， 因此，单轨交通的能耗比一般城

5、轨交通大。2 道岔构造简单，由于道岔构造简单，搬动时较一般城轨交通道岔费时，因此，限制了列车运行时间间隔不能低于 2.5 分钟。图 2：跨座式单轨轨道梁和车辆断面下面以重庆市跨座式单轨交通来了解中国单轨轨道交通的进呈现状。2. 转向架重庆“较-”线跨座式单轨交通车辆转向架为无摇枕特别构造的跨座式2 轴转向架，每辆车有 2 台跨座式转向架，转向架的每根车轴由 1 台沟通牵引电动机驱动。转向架承载面为中心牵引装置和空气弹簧。构架是钢板焊接构造，具有足够的刚度和强度。转向架与车体之间的悬挂装置为空气弹簧，并装有横向减震器，有良好的动力性能，轴重小于11t。走行轮，导向轮，稳定轮均为橡胶轮胎。走行轮系

6、无内胎钢丝橡胶轮胎，内充氮气，每台转向架有 4 个走行轮胎；导向轮、稳定轮内充压缩空气。走行轮泄气时由安装在转向架两端梁上的实心轮胎做为关心车轮。水平车轮中，有位于上方的 4 个导向轮和位于下方的 2 个稳定轮，都是带尼龙丝的橡胶车轮。转向架构架由侧梁、横梁、端梁及导向、稳定车轮的支承架构成，构架内部作空气弹簧关心空气室。走行轮轴和水平轮轴均为单悬臂式。承受 2 级减速直角齿轮传动方式，电机到齿轮箱的连轴节为弹性连轴节，齿轮承受飞溅润滑方式。根底制动机构承受盘形制动。在传动轴端部设走行轮的内压检测装置。当轮胎压力低于规定压力时，开关关闭，设有驾驶台上的监视器将显示轮胎内压警报。在齿轮轴箱体上的

7、安装感应式速度传感器。图 3：动力转向架组装图车体支承装置中有空气弹簧、高度自动调整阀、压差动作阀、油压减震器、横向止档、防震橡胶等组成。3. 受电装置3.1 车辆受电跨座式单轨车辆受电装置分正极和负极2 种，2 种受电装置安装在转向架上，承受侧面滑动受电。在司机室车辆上，每辆车安装2 台负极受电弓；在无司机室的车上，每辆车安装2 台正极受电弓。（1） 正极受电装置。开弓承受弹簧装置，收弓时承受压缩空气，这时使下降风缸动作，折叠式受电装置在折叠位置，由锁钩装置将受电弓锁住，使其与接触网脱离。当需要受电装置升弓，可使电磁线圈得电，解开锁钩装置，弹簧装置将受电装置撑开与接触导轨接触受电。（2） 负

8、极受电装置。与正极受电装置相比，不设自动折叠装置，使负线受电装置常常与负线接触导轨接触。在需要时可用手压到折叠位置，由锁钩装置锁住，解锁时用手动压缩解锁。（3） 滑板。受电装置滑板为铜系粉末冶金制成。车辆接地装置考虑到跨座式单轨车辆承受橡胶轮胎，每辆车有一接地装置，当车辆到达车站和车辆段时，与安装在轨道梁上的接地板接触，以保证乘客在车站和车辆段检修作业人员的生命安全。3.2 接触网受流跨座式单轨接触网受流模式不同于传统轮轨交通所承受的第三轨或架空接触网模式，是一种全的城市轨道交通接触网受流模式，除了正极受流接触网外，设置特地的负极回流接触网回流轨。电流经车辆负极受电弓再经回流轨回流，负极接触网

9、和正极一样。接触网位于轨道侧面中部并被车体包络，平行轨道梁中心线方向呈“之”字形布置，接触受流面相对轨道梁侧面对外，受电弓相对轨道侧面对内与接触网接触线摩擦受流。3.2.1 功能要求（1） 满足传输电能的功能要求。接触网除完成不连续给列车供电的功能，还担当着传输电能的功能。作为跨座式单 轨接触网传输电能的主要部件汇流排，要具有良好的电气性能，到达削减电能损耗 和接触网网压降的要求。但受到建筑和车辆限界的限制，汇流排截面不行能做到很大， 这就对汇流排材料和截面的选择、制造误差提出了很大的要求。（2） 满足良好的弓网关系要求。掌握受电弓离线率以及实现受电弓滑板与接触线的均匀磨耗，是满足良好的弓网关

10、系要求的关键因素。在跨座式单轨轨道交通中，由于受电弓和接触网完全被车体包络， 空间狭小，受电弓行程短，跟随性差，这就对影响接触网离线率的因素提出了更高的要求；另外，跨座式单轨受电弓滑板与接触线的接触范围小，只有120MM,这就对接触网承受相应布置方法以解决弓网磨耗，延长受电弓滑板和接触线寿命提出更好要求。（3） 适合气候的功能。接触网是无备用的室外供电设施，必需适应温度变化以及通过电流时引起的汇排流、接触线伸缩。（4） 电气分段的功能。跨座式单轨触网在电气分段上与传统钢轮钢轨模式有2 个截然不同：一是设置特地的负极回流接触网，二是道岔接触网随道岔一起双向转动。这就要求在牵引变电所四周馈线上网处

11、同时设置电分段，道岔开口处利用分段绝缘器实现局部无电区。3.2.2 构造组成跨座式单轨接触网主要功能性组成包括伸缩单元、典型支持构造、锚段关节、中心锚节、供电分道、道岔等。（1） 伸缩单元依据当地气候特点及载流量的要求，结合跨座式单轨接触网特点，设置现实接触网温度补偿的伸缩单元，包括伸缩单元的布置、最大允许长度和最小允许长度，锚段关节的构造、中心锚结和关节电连接的设置方法以及使汇流排在每个支持点处可 自由滑动的措施。伸缩单元平行轨道梁中心线方向 呈“之”字形布置，伸缩单元长度一般为 70150M，接触网拉出值距离中心位置距离为 60MM。图 4：伸缩单元布置方式示意图伸缩单元两端设置温度补偿单

12、元锚段关节，实现对汇排流由温度变化引起的伸缩的补偿。 伸缩单元中部设置中心锚结，防止接触网向一图 5：锚段关节截面图 6：中心锚结正视图侧滑动，并使汇流排在每个支持点处自由滑动。（2） 接触网典型支持构造图 7：接触网典型支持构造接触网典型支持构造包括支持绝缘子、T 型汇流排、接触线固定线夹和接触线等。图7 为跨座式单轨接触网的根本安装模式。汇流排截面外形为T 型，材料为铝合金， 汇流排具备良好的电气性能，并满足建筑和车辆限界和载流量的要求。图 8 为汇流排典型截面。接触网承受梯形截面的硬铜接触线，图 8：汇排流断面图 9：接触线断面有效延长受电弓滑板和接触线的寿命，接触线外表镀锡，有效解决金

13、属之间电腐蚀的问题，图 9 为接触线断面。支持绝缘子是跨座式单轨接触网专用绝缘子，除了实现绝缘和支持功能外，接触网拉出值也是通过绝缘子轴向转动使用绝缘子下金具有不同孔位安装在轨道梁上实现的，是接触网掌握误差、实现接触网呈“之”字形布置，使受电弓滑板均匀摩擦，保持良好弓网关系的重要部件。这是不同于其他形式接触网的极为特别的地方。图 10：支持绝缘子图 11：绝缘子直接固定在轨道梁上4. 驱动装置跨座式转向架的驱动装置与铁路转向架一样，由牵引电机、联轴器和齿轮减速箱等部件等成，所不同的是铁路转向架的驱动装置全部放在轮对的两个车轮之间，而跨座式则全部放在构架外侧。重庆“较”线单轨车辆的牵引电机为三相

14、鼠笼式异步电机。电机输出功率 105KW， 线电压 1100V，额定转速 3439R/MIN， 电机绝缘等级为 H 级，自然通风冷却， 转子导条承受铸铝材料。电动机固定在跨座式转向架上，电机通过弹性联轴结与齿轮箱连接，齿轮箱传动比 6.55:1， 有利于提高牵引电机转速，减小牵引电机体积，为解决牵引电机安装控件缺乏制造条件。图 12：单轨交通机械传动局部三相鼠笼式异步电动机，主要由定子和转子两个局部组成，定子、转子之间是间隙。转子绕组是用作产生感应电势、并产生电磁转矩的，它的转子绕组是自己短路的 绕组，在转子的每个槽中放有一根导体， 导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环 将导体短接，形成短路绕组

15、。假设将铁芯 去掉，剩下的绕组外形似松鼠笼子，故 称鼠笼式绕组。鼠笼式电动机构造简洁、制造本钱低、运行维护便利，被广泛地 应用于工农业生产中，也作为电力拖动 的原动机。但是它的缺点是调速力量差，启动力矩小，因此在一些要求平滑调速和启动力矩大的工况下，常承受多种方式进展运作。5. 变流装置图 13：鼠笼式电动机重庆单轨车主电路由受电装置、熔断器、避雷器/浪涌吸取器、高速断路器、输入滤波器、VVVF 逆变器、线路接触器等部件组成。在受电装置四周装有一台避雷/浪涌吸取器，每个动力单元主逆变器受高速断路器HSCB保护，高速断路器可高效地保护由于短路、接地造成的过流，其保护特性与相对应牵引变电站64D

16、保护系统相匹配和协调。输入滤波器有电抗器和电容器组成，故障状况下滤波器储存的能量当即被释放不会对车辆任何系统部件导致二次 性损坏。全部接触器均使用DC1500V 等级。VVVF 逆变器通过输入过流、输出过流、低输入网压、过压、过热、相电流电压不平衡和牵引电机的过流保护等实施保护。VVVF 逆变器包括输入滤波器、三相逆变器模块，VVVF 逆变器承受自然冷却。每台逆变器装一台 DC1500V HSCB。使用双微机系统对 VVVF 逆变器进展掌握。一VVVF技术即为：将直流电变成沟通电的过程叫做逆变, 完成逆变功能的电路称为逆变电路, 实现逆变过程的装置叫做逆变设备或逆变器. 变频器由主电路和掌握电

17、路两局部组成. 其中, 主电路通常承受交直交方式, 即先将沟通电转变成直流电( 整流、滤波) . 再将直流电转换成频率可调的矩形波沟通电( 逆变器过程) .二SPWM 波在VVVF 技术中的使用：（1） 同步掌握方式. 即在调整调制波频率的同时相应调整载波频率,使两者的比值等于常数. 这使得在逆变器输出电压的每个周期内, 所使用的三角波数目保持不变, 因此所产生的SPWM 波脉冲数是肯定的. 这种掌握方式的优点是, 在调制波频率变化的范围内, 逆变器输出波形的正、负半波完全对称, 输出三相波形之间具有120b相差的对称关系. 但是,在低频时会使每个周期SPWM 脉冲个数过少, 使谐波重量加大。

18、（2） 异步掌握方式，即使载波频率固定不变，只调整调制波频率进展调速。它不存在同步掌握方式所产生的低频谐波重量大的缺点。但是，它可能会造成逆变器输出的正半波和负半波之间消灭不严格对称的现象，这将造成电动机 运行不稳定。图 14：三相逆变器输出双极性 SPWM 波形图（3） 分段同步掌握方式. 承受同步掌握和异步掌握各自的优点, 就构成了分段同步掌握方式. 即在低频段使用异步掌握方式, 在其他频率段使用同步掌握方式. 这种掌握方式在实际中应用较多.变频后的机械特性及其补偿, U/ f 转矩补偿法的原理是: 频率f 降低时, 电源电压U 成比例地降低,进而引起U 下降过低. 承受适当提高电压U 的

19、方法来保持磁通量 恒定, 使电动机转速上升. 适当提高电压U 会使调压比K u K f , 也就是说, 电压U 不再随频率f 等比例变化, 而是按图14 的曲线关系变化. 承受U/f 转矩补偿。6. 进展到目前电力牵引技术（1） 异步牵引电动机异步电动机正在向大功率、高效率、高精度动态化掌握方向进展。异步电动图 15：带齿式联轴节构造机单位质量功率密度向大于1 kW/kg方向进展。驱动系统向承受型驱动系统方向进展，即带齿式联轴节无抱轴箱构造、带齿式联轴节有抱轴箱构造、带抱轴箱无齿式联轴节构造。目 前的CHR3高速动车电机驱动系统就是承受弧形齿联轴节无抱轴箱的构造。HXD1B、HXD3B承受 带

20、齿式联轴节有抱轴箱构造。图3为带齿式联轴节构造。这样的型驱动构造牵引电机仅承 受扭矩和自重，不再承受齿轮啮合作用形成的弯矩。电机轴承受力明显减小，使轴承寿命延 长。同时将轴承移至齿轮箱内，不需要输出端端盖，使得牵引电机构造紧凑，重量减轻，体积减小。动车驱动系统承受此构造较多，机车驱动系统也正在向带联轴节构造方向进展。电 机非传动端盖承受高强度的铸铝件以减轻电机重量。同时电机向承受轮对空心轴的全悬挂方 式和带联轴节的体悬式方向进展，使电机重量变为簧上重量，削减对电机的振动冲击，削减 电机的故障率。电机冷却方式目前有自冷和强迫通风方式。为加强电机散热力量，提高电机 功率密度，牵引电机也承受全封闭水

21、冷的方式，其已在日本异步牵引电动机RMT8 型上实施。异步牵引电机冷却方式可向水冷却方向进展。电机材料方面目前国际上争论承受非晶体金属 钢片代替传统的硅钢片，这种材料就是金属原子排列无序而磁有序，是一种具有不规章原子 构造的合金。它使用特别方法制成，加工方法和传统的硅钢片不同，具有导磁率高，损耗低 的特点，是一种用于电动机和发电机的整体式非晶体金属磁性部件。目前美国、日本已在研 究之中，而且早已在变压器上使用这种材料。据资料介绍承受非晶体金属钢片可以降低电机损耗60%，这也是牵引电机磁性材料争论进展的方向。电机掌握技术正在向无速度传感器方向进展，这样可削减电机的体积和传感器的故障率，降低购置昂

22、贵传感器的费用，节约电机本钱，大大提高电机掌握精度和掌握单元的牢靠性。目前无速度传感器异步电机掌握已成为沟通掌握的热点，国际上和我国南车株洲电力机车争论全部限公司已攻克技术上难题，正在进展工程化应用争论。（2） 高压异步牵引电动机2023年瑞士学者M.STEINER等提出承受高压电动机的无变压器沟通传动系统，该方案对牵 引电机设计进展和掌握提出了的思路，变流器将直接与高压接触网直接相连；对变流器的 电子器件耐压等级和牵引电机提出了的挑战，变流器模块通过串联承受多电平的拓扑构造， 可解决高压问题，但高压电机要引入的概念。由于各个变流器模块直流中间电路电位不同， 它们将成为具有不同电位的独立驱动电

23、路的一局部。有些学者提出承受带有3个独立三相绕 组的星形连接异步电动机，其三相绕组由接在不同电位的3个逆变器供电。但这种思路也在 牵引领域承受高压三相异步电动机提出了严格挑战，高压状况下电机的绝缘构造要耐高压、耐电晕、耐振动、满足逆变器供电要求。这种星形连接异步电动机相应的掌握系统需要我们去争论，这也是将来牵引电机研发的一个方向。（3） 开关磁阻电机开关磁阻电机SRM是上世纪70年月进展起来的一种型驱动装置。开关磁阻电机SRM又称为电流调整步进电机，定子极数和转子极数不相等，且定转子有多种不同的搭配，转子 上没有绕组，完全由硅钢片叠成，结实耐用，定子上只有几个集中绕组，电磁转矩由定转子 磁阻产

24、生，可控参数多，效率高，可便利实现四象限运行，启动电流小，启动转矩大，构造简洁，制造简洁，转动惯量比高，可实现高速驱动，功率可从10 W到5 MW，转速从50 r/min 到10 000 r/min，调速范围宽，电机各相独立工作，可缺相运行，并具有再生制动功能，适合于频繁启停及正反转运动。这些优点打算了开关磁阻电机SRM格外适用于轨道交通领 域，显示出越来越宽阔的应用前景。参考文献1. 鼠笼式三相异步电动机制动掌握方法_左运发2. 跨座式单轨车辆特点及国内外应用状况_宫文平3. 重庆跨座式单轨交通_仲建华4. 跨座式单轨接触网构造设计_谢风华5. 跨座式单轨特点及应用前景_王省茜6. 跨座式单轨铁路的特点及其应用前景_王省茜7. 单轨交通现状和进展8. 重庆较线跨座式单轨车辆技术特征_仲建华9. 跨座式单轨列车国产化探析_赵菊静