城市 轨道交通跨座式独轨车轨道交通电力牵引系统 - 图文

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： 2013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别，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提供导向作用而运行的轨道交通系统。

1952年，瑞典人格伦以其构想发展出新型的跨座式轨道系统，并以1:2.5的比例在德国科隆市附近的

Fuhligen进行模型试验，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，车厢可达到130KM/H的运行速度。1957年，格伦再次在原地建造了一条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尚，它在发展成型后到20世纪70年代的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年代后期，欧洲的独轨交通开始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2000年在重庆开始修建。东起重庆市区商业中心校场口，西至大渡口区钢铁基地新山村，沿途设置17座车站。根据重庆市山城丘陵的地理特点，选择噪声低、爬坡能力强、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央隔离带设置结构墩柱，圆墩柱直径约为1M-1.5M，区间双线轨道结构宽度一般为5M。而普通城轨交通区间高架结构宽度为8—9M，墩柱直径约为2M，因此跨座式单轨交通具有占地面积少，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采用标准轨道梁，可在工厂预制、现场拼装，且牵引电网刚性布置在轨道侧壁，比普通架空接触网以及第三轨受电施工方便，因此施工周期可大大缩短。（3）舒适度高，噪声小，爬坡能力强，转弯半径小。由于跨座式单轨车转向架采用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，因此车体震动小，乘坐舒适性高，跟普通城轨交通相比，具有噪声小，爬坡能力强，转弯半径小等优势。线路最大坡度可达到6%，最小曲率半径为100M。但是跨座式单轨交通不足在于：（1）能耗较大，由于采用橡胶车轮造成车辆所受阻力较钢轮大，因此，单轨交通的能耗比普通城轨交通大。（2）道岔结构复杂，由于道岔结构复杂，搬动时较普通城轨交通道岔费时，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发展现状。

2．转向架

重庆“较-新”线跨座式单轨交通车辆转向架为无摇枕特殊结构的跨座式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台交流牵引电动机驱动。转向架承载面为中心牵引装置和空气弹簧。构架是钢板焊接结构，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辅助车轮。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辅助空气室。 走行轮轴和水平轮轴均为单悬臂式。采用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，齿轮采用飞溅润滑方式。基础制动机构采用盘形制动。

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。在齿轮轴箱体上的安装感应式速度传感器。

车体支承装置中有空气弹簧、高度自动调节阀、压差动作阀、油压减震器、横向止档、防震橡胶等组成。

图3：动力转向架组装图

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，采用侧面滑动受电。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。开弓采用弹簧装置，收弓时采用压缩空气，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，使负线受电装置经

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采用橡胶轮胎，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采用的第三轨或架空接触网模式，是

一种全新的城市轨道交通接触网受流模式，除了正极受流接触网外，设置专门的负极回流接触网（回流轨）。电流经车辆负极受电弓再经回流轨回流，负极接触网和正极相同。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向外，受电弓相对轨道侧面向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。

接触网除完成不间断给列车供电的功能，还承担着传输电能的功能。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，达到减少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，汇流排截面不可能做到很大，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。

控制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

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,这就对接触网采用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，必须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：一是设置专

门的负极回流接触网，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附近馈线上网处同时设置电分段，道岔开口处利用分段绝缘器实现局部无电区。

3.2.2结构组成

跨座式单轨接触网主要功能性组成包括伸缩单元、典型支持结构、锚段关节、中心

锚节、供电分道、道岔等。 （1） 伸缩单元

根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，锚段关节的结构、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70—150M，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 侧滑动，并使汇流排在每个支持点处自由滑动。

图5：锚段关节截面 图6：中心锚结正视图

（2） 接触网典型支持结构

接触网典型支持结构包括支持绝缘子、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基本安装模式。汇流排截面形状为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。接触网采用梯形截面的硬铜接触线，有效延长受电弓滑板和接触线的寿命，接触线表面镀锡，有效解决金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，是接触网控制误差、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殊的地方。 图7：接触网典型支持结构

图8：汇排流断面 图9：接触线断面

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——新”线单轨车辆的牵引电机为三相鼠笼式异步电机。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，转子导条采用铸铝材料。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不足

图12：单轨交通机械传动部分 创造条件。

三相鼠笼式异步电动机，主要由定子和转子两个部分组成，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。若将铁芯去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。鼠笼式电动机结构简单、制造成本低、运行维护方便，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能力差，启动力矩小，因此在一些要求平滑调速

图13：鼠笼式电动机 和启动力矩大的工况下，常采用多种方式进行运作。

5．变流装置

重庆单轨车主电路由受电装置、熔断器、避雷器/浪涌吸收器、高速断路器、输入滤波器、VVVF逆变器、线路接触器等部件组成。在受电装置附近装有一台避雷/浪涌吸收器，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，故障情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。所有接触器均使用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逆变器采用自然冷却。每台逆变器装一台DC1500V HSCB。使用双微机系统对VVVF逆变器进行控制。

（一）VVVF技术即为：将直流电变成交流电的过程叫做逆变, 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. 变频器由主电路和控制电路两部分组成. 其中, 主电路通常采用交直交方式, 即先将交流电转变成直流

电( 整流、滤波) . 再将直流电转换成频率可调的矩形波交流电( 逆变器过程) .

（二）SPWM波在VVVF技术中的使用：

（1） 同步控制方式. 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 波脉冲数是一定的. 这种控制方式的优点是, 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, 使谐波分量加大。

（2） 异步控制方式，即使载波频率固定不变，只调整调制波频率进行调速。它

不存在同步控制方式所产生的低频谐波分量大的缺点。但是，它可能会造成逆变器输出的正半波和负半波之间出现不严格对称的现象，这将造成电动机运行不稳定。

（3） 分段同步控制方式. 采用同步控制和异步控制各自的优点, 就构成了分

段同步控制方式. 即在低频段使用异步控制方式, 在其他频率段使用同步控制方式. 这种控制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. 采用适当提高电压U 的方法来保持磁通量??恒定, 使电动机转速回升. 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. 采用U/ f 转矩补偿。

图14：三相逆变器输出双极性SPWM波形图 6．发展到目前电力牵引新技术

（1）异步牵引电动机

异步电动机正在向大功率、高效率、高精度动态化控制方向发展。异步电动

机单位质量功率密度向大于1 kW/kg方向发展。驱动系统向采用新型驱动系统方向发展，即带齿式联轴节无抱轴箱结构、带齿式联轴节有抱轴箱结构、带抱轴箱无齿式联轴节结构。目前的CHR3高速动车电机驱动系统就是采用弧形齿联轴节无抱轴箱的结构。HXD1B、HXD3B采用带齿式联轴节有抱轴箱结构。图3为带齿式联轴节结构。这样的新型驱动结构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，使得牵引电机结构紧凑，重量减轻，体积减小。动车驱动系统采用此结构较多，机车驱动系统也正在向带联轴节结构方向发展。电机非传动端盖采用高强度的铸铝件以减轻电机重量。同时电机向采用轮对空心轴的全悬挂方式和带联轴节的体悬式方向发展，使电机重量变为簧上重量，减少对电机的振动冲击，减少电机的故障率。电机冷却方式目前有自冷和强迫通风方式。为加强电机散热能力，提高电机功率密度，牵引电机也采用全封闭水冷的方式，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发展。电机材料方面目前国际上研究采用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，是一种具有不规则原子结构的合金。它使用特殊方法制成，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。据资料介绍采用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研究发展的方向。电机控制技术正在向无速度传感器方向发展，这样可减少电机的体积和传感器的故障率，降低购买昂贵传感器的费用，节约电机成本，大大提高电机控制精度和控制单元的可靠性。目前无速度传感器异步电机控制已成为交流控制的热点，国际上和我国南车株洲电力机车研究所有限公司已攻克技术上难题，正在进行工程化应用研究。 图15：带齿式联轴节结构

（2）高压异步牵引电动机

2000年瑞士学者M.STEINER等提出采用高压电动机的无变压器交流传动系统，该方案对牵

引电机设计发展和控制提出了新的思路，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新的挑战，变流器模块通过串联采用多电平的拓扑结构，可解决高压问题，但高压电机要引入新的概念。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路的一部分。有些学者提出采用带有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采用高压三相异步电动机提出了严格挑战，高压情况下电机的绝缘结构要耐高压、

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控制系统需要我们去研究，这也是未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年代发展起来的一种新型驱动装置。开关磁阻电机（SRM）又称为电流调节步进电机，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，坚固耐用，定子上只有几个集中绕组，电磁转矩由定转子磁阻产生，可控参数多，效率高，可方便实现四象限运行，启动电流小，启动转矩大，结构简单，制造容易，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。这些优点决定了开关磁阻电机（SRM）非常适用于轨道交通领域，显示出越来越广阔的应用前景。

参考文献

1. 鼠笼式三相异步电动机制动控制新方法_左运发 2. 跨座式单轨车辆特点及国内外应用情况_宫文平 3. 重庆跨座式单轨交通_仲建华 4. 跨座式单轨接触网结构设计_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. 单轨交通现状和发展

8. 重庆较新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

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