有轨电车电力牵引现状

有轨电车电力牵引现状

学 院：城市轨道交通学院 系（教研室）： 车辆工程系 指 导 老 师： 师蔚

组 长： 101112215潘汪洋

组 员：101112113 庄雪儿 101112127 林立

101112129 黎萱 101112216 康炯杰 101112217 张志豪 101112218 管晓杰 101112219 钟国浩 101112220 陈凯豪 101112221 孙大吉 101112272 张飞翔

上海工程技术大学

城市轨道交通学院

2015年10月

一、有轨电车发展历程

1.1早期发展阶段

有轨电车即由电力驱动的，在轨道上行驶的轻型小编组轨道交通车辆，最多不超过3节。1879年德国工程师西门子首次在柏林工业博览会上尝试使用电力带动轨道车辆。此后，1880-1890年之间，德国柏林、意大利罗马、美国里士满都相继进行了有轨电车的商业化探索，建立了有轨电车系统。距今为止，有轨电车的发展主要经历了3个阶段：

第一阶段：有轨电车的快速发展（1890-1930）。代表工业文明的有轨电车一出现，就摧枯拉朽地打败了马车、人力车等交通方式，成为了当时城市的主要交通出行方式。20世纪初包括欧洲、北美、日本、印度在内，几乎世界上每一个大城市里都拥有有轨电车系统，到1920年，英国拥有5000公里线路，1.4万辆有轨电车，美国拥有2.5万公里线路，而我国的天津、上海、北京、大连等诸多城市也相继引入了有轨电车

第二阶段：衰退阶段（1930-1960）-汽车产业高速发展及技术变革的冲击。全世界范围内的有轨电车线路大量被拆除，在北美、法国、英国、西班牙、我国等地几乎完全消失。有轨电车作为“落后”的交通工具退出了历史舞台。有轨电车惨遭淘汰主要因为汽车冲击和技术落后。

第三阶段：现代有轨电车在全球迎来复兴（70年代至今）。到了70年代，随着汽车行业的迅速发展，带来了越来越严重的交通拥堵、环境污染、能源危机等问题，迫使欧美发达国家重新选择有轨电车作为发展城市公共交通的重点。根据欧洲交通行业协会的统计，2005年有125个城市开通运营现代有轨电车，到2010年已有137个城市开通有轨电车，车辆需要以每年5%的速度增长。 现代有轨电车在传统有轨电车基础上发展而来的。1968年法兰克福和汉诺威2座城市为了解决城市交通问题，计划修建地铁系统，由于工程规模大、实施时间长、资金迟迟不能到位，因此有人提出把有轨电车线路及车型进行技术改造与部分新建地铁线路结合起来的建设方案，研制出新一代有轨电车系统。

经过全面技术改造后，现代有轨电车性能有了较大的提高。经过了全面的技

术改造，不仅在车体外观设计上更加美观，车辆性能也较传统有轨电车有了进一步的改善。与传统有轨电车相比，现代有轨电车具有运量大、换乘方便、运行速度快、低噪音等优点。

1.2现代有轨电车的发展趋势：

低地板VS高地板。传统有轨电车以及初始的现代有轨电车属于高地板车辆，其地板面距轨面一般在800-1000mm之间，而地板高度为300-350mm之间为低地板。高地板车辆由于需要建造高站台，不仅建设投资耗费较高，而且也影响了市容和交通，不便于乘客上下车。因此当1984年首辆Duewag公司为日内瓦制造的低地板车面世后，很快低地板有轨电车就占据了主流趋势，按技术复杂程度低地板有轨电车主要有三个发展阶段：

1.第一代低地板轻轨车低地板大约占车长的10％～50％，车辆中间部分有一个低地板进口．低地板大约占车长的10％～15％；随后该车经过改进可得到占车长50％左右的低地板。 2.第二代低地板轻轨车辆低地板部分约占整车的60％～70％，但车内还需要台阶向高地板区过渡。

3.第三代低地板轻轨车辆为100%低地板。如果动力转向架电采用独立车轮，取消车轴，则动力转向架上方的中间通道也可以做成低地板，两侧车轮突起部分可设置座椅，从而实现100％低地板，地板面距轨面通常仅为350mm。100%低地板最大的优势是其便利性。1）其无须设置站台、方便乘客上下车,特别是便于残疾人和儿童上下车。2）由于其是100%的低地板，乘客可以方便地在车内移动，因此可以有效地缩短车辆站停时间，缓解高峰时段的客流压力。100%低地板成为现代有轨电车的主流。1990年2月，世界上第一辆100%低地板轻轨车辆在德国的不莱梅正式投入使用。由于其显著的便利性及综合性能，100%低地板车辆住家能成为了现代有轨电车的主流，2000年之后大部分有轨电车都是100%低地板形式。经过20多年的发展,目前世界上共有约30种型号的6000多列100%低地板轻轨车在近20个国家的60多个城市运行。100%低地板技术复杂，造价较高。100%低地板有轨电车是现代有轨电车技术发展的巅峰水平，应用了独立车轮动力转向架、模块化结构、铰接式连接，弹性车轮等复杂技术，技术难度较高，因此价格一般较非100%低地板有轨电车更为昂贵。

1.3现代有轨电车与旧式有轨电车的不同之点

主要是它不但具有鲜明的现代化外貌色彩，而且车辆重量轻、速度快（轴重仅9t左右），车厢内设有空调。现代有轨电车系统一般包括普通电车、铰接电车、双铰接电车。有轨电车的车辆宽度通常受城市道路可容纳性的限制。

德国的有轨电车在世界是最先进的列车和技术。世界上第一辆有轨电车是西门子于1881年在德国柏林制造的。西门子制定了有轨电车发展的标准。车体的静态缓冲载荷已提高至400kN，符合最新的国际标准。德国西门子公司有轨电车为八节车厢，是全世界最长的有轨电车,加拿大庞巴迪公司为七节车厢。车厢最短为1节，最长为8节。最高时速为；80KM/H2节；18米长 3节；27米长 4节；36米长 5节；45米长 6节；54米长 7节；63米长 8节；72米长有三种列车宽度；第一种；宽2。3米 第二种；宽2。4米 第三种；宽2。65米列车宽度越大，载客量就越大，最载客量;540人。 1.4有轨电车优缺点 缺点：

效率比地下铁路低：

路面电车的速度一般较地下铁慢，除非路面电车行驶的大部分路段是专用的 (主要行驶专用路段的路面电车一般称为轻便铁路)；

路面电车每小时可载客约7000人，但地下铁路每小时载客可达12,000人。 路面电车路轨占用路面，路面交通要为路面电车改道，并让出行车线；采用槽型轨，汽车和有轨电车可以共用一条马路。

需要设置架空电缆。超级电容供电和地下轨供电还处于试验阶段。 优点

对于中型城市来说，路面电车是实用廉宜的选择。一公里路面路面电车线所需的投资只是一公里地下铁路的三分之一到二十分之一；以长春为例，每公里造价（包含车辆采购、轨道铺设、线网架设、整流站修建等全部设备）2000余万元人民币，堪称多快好省建设有轨电车的典范。无需在地下挖掘隧道；相较其他路面交通工具，路面电车更有效减少交通意外的比率；路面电车因为以电力推动关系，车辆不会排放废气，是一种无污染的环保交通工具。

二、有轨电车电力牵引的现状与发展

2.1 有轨电车电力牵引总体框图

如图所示，传统的有轨电车供电方案为：从接触网/第三轨传来的直交流电通过受电弓/受电靴进入车体，经过变流器变流之后给牵引电机供电，最后通过车轮返回给钢轨，形成回路

2.2供电解决方案综述

有轨电车是一种历史悠久的公共交通工具，其线路一般为地面线路，其传统牵引供电方式一般采用架空接触网供电、钢轨回流的方式。虽然架空接触网供电方式结构简单、技术成熟，且具非常成功的工程应用业绩，但是对城市景观有一定的影响。为解决有轨电车可靠供电与城市景观之间的矛盾，近年来经过各方共同努力，有轨电车接触网美化和无接触网系统技术有了长足进展。针对传统架空接触网对城市景观的负面影响，目前主要有三种解决方案：方案一，对架空接触网本身进行景观设计，弱化其负面影响，降低其对周围环境的冲击；方案二，将有轨电车沿线的供电设施设置于地面，采用沿地面敷设供电设施，并分段供电等方案，解决安全问题；方案三，采用车载储能装置提供电能，代替实时受流，取消沿线架设的供电设施。

2.3 无架空接触网牵引供电系统解决方案

2.3.1 阿尔斯通ＡＰＳ系统

ＡＰＳ系统是地面接触式供电的典型代表，采用地面接触轨供电、钢轨回流制式。ＡＰＳ系统主要由接触轨、支架、直流配电单元、直流监控柜等组成。其工作原理为：在地面两条走行轨中间埋设接触轨，接触轨按一定长度分段敷设，两段之间设置绝缘节，电能从接触轨通过受电靴传送至列车；沿接触轨每隔一段设置一个控制箱，当列车进入相应区段时，在接触轨控制箱内的控制单元接收到列车上发来的编码信号后向该段接触轨供电；其余接触轨保持接地，以保证行人安全。ＡＰＳ系统消除了有轨电车沿线铺设带电接触轨的危险。由于其通电轨段仅限于车体下方并被车体包围，因此安全性能够得到保障。

ＡＰＳ系统采用地面实时分段接触式供电，取消了沿线的架空接触网，彻底解决了与城市景观相关的问题。目前ＡＰＳ系统的应用多采用与常规架空接触网相结合的方式，即：在对景观有特殊要求的局部区段采用ＡＰＳ系统，其余区段采用架空接触网供电。采用ＡＰＳ系统，解决了有轨电车牵引供电系统对城市景观的不利影响，但需要在沿线埋设大量分区供电轨旁设备，且对设备的安全性、可靠性、防水性和沿线市政排水系统提出了非常高的要求。该系

统的投资成本约为４ ０００万～５ ０００万元／ｋｍ。因此，ＡＰＳ系统适宜与常规架空接触网相结合使用，在局部对景观要求较高的区段采用ＡＰＳ系统，其余区段采用常规架空接触网。

APS运行中出现的问题是绝缘段磨损较大，每年达1 mm，会逐渐与导电轨产生差异：此外，冰雪天气也带来一些问题，APS可能无法实现制动能量的再生，这也是缺点之一。

2.3.2庞巴迪ＰＲＩＭＯＶＥ系统

ＰＲＩＭＯＶＥ系统采用的是地面感应线圈非接触供电技术，通过在沿线地面敷设供电装置，以非接触方式为列车提供牵引电能。ＰＲＩＭＯＶＥ系统是利用电能与磁场相互转化的原理实现能力传输的：当感应系统检测到有车辆通过时则接通电源，线圈产生的磁场被列车底部安装的受流器感应，并转化为电能供给车辆牵引系统（如图２所示）。线路沿线敷设ＤＣ ７５０Ｖ供电电缆，每隔一段距离在线路侧埋设一套逆变装置；一次侧线圈敷设在地面两条走

行轨中间，二次侧线圈安装在列车上。首先，将ＤＣ７５０Ｖ逆变为高频交流电，输入地面的一次侧线圈；当列车上的二次侧线圈与一次侧线圈位置重合时，在二次侧线圈感应高频交流电，经整流和逆变后为列车的交流电机供电。只有当列车进入相应区段时，地面一次线圈才接通电源，其他时刻地面一次线圈处于断电状态。其供电分区是随车辆运行而改变 的，从而保障沿线人员和车辆的安全。

基于感应式电力传输原理，ＰＲＩＭＯＶＥ系统使电动车辆可以在行驶中或静止时进行充电。

ＰＲＩＭＯＶＥ系统兼容所有路面，因此，不必建设架空接触网系统。采用ＰＲ

ＩＭＯＶＥ系统，在线路的轨道之间和沿线需要埋地敷设和安装供电设施，其投资和后期的维护成本较高。并且由于P rimove系统采用电磁感应原理，不产生设备磨损，雨雪天气也不会产生影响。为防止电缆损坏，在沥青或水泥街道上敷设电缆，要求电缆的敷设深度至少为20 cm。根据相关报告，感应传输的电能损耗较大，比传统架空供电增加约10％：投资和维修费用也较高，约为架空供电的1．5倍；另外，电磁波对乘客身体的影响还不明确。

2.3.3 安萨尔多Ｔｒａｍｗａｖｅ系统

Ｔｒａｍｗａｖｅ系统采用的是自然磁力技术：安装在车辆转向架上的受电靴与地面模块内的柔性导电排都装有永磁材料，当受电靴经过模块供电节表面时，模块内的柔性导电排受磁力吸引上升，导通供电电源正极，模块表面带电，受电靴通过与模块表面接触将电力引入车内。当受电靴离开模块供电节表面后，柔性导电排受重力作用，回落到与安全负极相接

触的位置，模块表面失电，并保证模块供电节表面与安全负极相连，以确保乘客人身安全。

Ｔｒａｍｗａｖ系统可与传统架空接触网结合使用，实现混合供电。从目前国外应用实例可以推断，Ｔｒａｍｗａｖｅ供电技术是安全、可靠的，但是尚有一些技术问题需要进一步研究。目前Ｔｒａｍｗａｖｅ系统的投资成本约为１ ５００万～２ ０００万元／ｋｍ。

采用T ramWave供电的有轨电车可通过车载蓄能装置实现再生制动，回收制动电能。T ramWave的主要特色还表现在：可实现连续电力供应，与传统架空电线供电达成同样的效果；无需再装载辅助的系统，能自主运作；可实现直接安装在各

种轨道车辆上，也可与传统架空网实现混合供电的应用方式。

2.3.4车载储能式牵引供电系统

现代储能式有轨电车是现代电动汽车理念在有轨电车系统中的延伸与发展。现代储能技术如超级电容、锂电池以及现代电力电子技术及其控制技术的发展，使储能式牵引供电技术有了跨越式发展。现代有轨电车基本采用交流传动系统，车辆的常用应用技术。制动为再生电制动，可将车辆制动动能转换为电能并存储到车载储能装置中。采用车载储能装置进行列车的动力牵引，可应对局部区段不适合架空接触网形式的问题。储能式有轨电车与传统有轨电车相比，是在主电路结构中增加了储能装置的充电和放电回路及其相应的控制系统。

储能式牵引供电系统利用车载储能代替地面与车辆的实时供电，是现代电动汽车技术在现代有轨电车系统的延伸与发展，充分利用了储能技术和现代电力电子控制技术的发展成果。采用储能式牵引供电系统，彻底消除了架空接触网对城市景观的不利影响。该系统适合城市内对景观要求比较高的场合的现代有轨电车系统。鉴于目前储能介质 ———储能容量的限制，现代储能式有轨电车需要根据线路特点在沿线设置充电站，以便对有轨电车及时快速充电。针对目前半专有路权的现代有轨电车系统，在交叉路口采用储能式牵引供电系统供电存在风险，因此需要合理设置车站及其充电站的位置，合理配置车载储能装置的容量。

超级电容作为储能装置的优点是充电快，可在很短时间内完成充电：缺点是能量密度低，质量、体积较大，占用车辆设备空间较大，如车辆设备空间受限，则不能安装大容量的超级电容。

3 有轨电车独立车轮动力转向架结构

独立车轮轮对是指左右两个可以各自绕其车轴自由传动并相互保持平行车轮组成的轮辐。独立车轮轮对的左右两个车轮之间不存在刚性连接，可以绕各自车轴自由转动。在理论上讲独立车轮没有纵向蠕化率，因为也没有纵向蠕化力，仅有回旋蠕滑产生的回转力矩也很小。系统由于没有自激振动源，独立轮对运动不以蛇形运动的形态振动，稳定的车辆系统在直道上运行不会随着车辆行进速度的提高而失稳。更重要的一点是车轮与钢轨之间的横向接触力和磨损比刚性连接轮对要小得多。大量研究表明，传统刚性轮对这种结构形式是所有车辆可能组成结构中轮轨磨损最严重的一种。采用独立车轮可以使轮轨之间的磨损和噪声大幅降低，这对于车辆和轨道的维护及环境的保护都是很重要的。同时，独立车轮转向架可缩短转向架轴距，减小转向架尺寸和重量，有利于设计在既有曲线区段高速运行的转向架和轻轨动车转向架。由于独立车轮没有回转蠕滑力矩的作用，轮对不具备复位和自动导向的能力。

参考文献

[1]北京前门超级电容有轨电车交流传动控制系统_尚敬 [2]现代有轨电车牵引供电方式选择_何志新 [3]现代有轨电车无接触网牵引供电方式研究_蔡波 [4]新型有轨电车供电方式分析_苏国强、郑磊黄、坤林 [5]有轨电车到底有什么存在的意义？_知乎日报 [6] 独立车轮转向架的结构和特点_吕绍天

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hcr8.html