城市轨道交通车辆牵引系统的分类和组成

为了能够获得较好的牵引和电制动性能，城市轨道交通车辆都是分散配置在列车上。牵引系统选型时要考虑多种因素，包括：线路纵断面（坡度/曲线）、城市轨道交通线路站间距、线路设计的运行速度。牵引系统具体分类如下：

（1）按牵引电机的种类分类

牵引电机是城市轨道交通车辆得以实现牵引及电制动的动力机械设备。车辆牵引系统可划分为直流电气牵引系统和交流电气牵引系统。

直流电气牵引系统采用直流牵引电机。牵引控制方式从凸轮变阻调速发展到斩波调阻变速，控制简单方便，但也存在着质量大、体积大、维修量大和能耗大等缺点。随着电子技术的发展，直流电气牵引系统的控制方式发展为斩波调压变速方式。

交流电力牵引系统采用异步电动机和直线电动机两种。在牵引系统中，交流电动机相对于直流电动机有许多优点：结构简单可靠、无电刷和换向器、体积小、质量小、维修方便、转速高、功率大、能自动防滑等，在城市轨道交通中广泛应用。城市轨道交通车辆交流牵引一般采用交流三相异步电机作为牵引动力。

  三相异步电机结构

（2）按列车动力装置数量分类

常见的6节编组A型车一般采用四动两拖的编组方式，而4节编组的城市轨道交通车辆既可采用全动力的编组方式，也可采用两动两拖的编组方式，可根据线路的实际客流量等因素进行选择。牵引系统可划分为1C4M（1个逆变器向4个电机供电）和1C2M（1个逆变器向2个电机供电）两种形式。

（3）按控制单元的控制类型分类

牵引系统可分为直接转矩控制和矢量控制。2种控制方式各有优缺点，设计人员趋向于融合两种控制方式的特点，对控制系统进行不断优化。

城市轨道交通车辆的运行速度并不高，所以通常采用直流供电，我国采用DC750V和DC1500V两种电压制式。

我国常用的供电方式有接触网供电和接触轨供电两种方式，根据其供电方式的不同，列车的受流方式分为接触网受流和第三轨受流。接触网是沿轨道线路架设的特殊输电线，为列车不间断地提供电能，列车通过车顶的受电弓与接触网滑动摩擦而获得电能，电网电压为1500V时多采用接触网供电。接触轨是除了列车行走的两条路轨以外的带电钢轨，列车受流器在带电钢轨上接触滑行受流，电网电压为750V及以下时多采用第三轨供电。

  接触网供电

  第三轨供电

根据牵引电传动系统的主电路，牵引系统主要包括以下设备：受流装置、高速断路器、接触器、线路滤波器、牵引逆变单元、牵引电机、制动电阻器、浪涌吸收器、接地装置等。牵引逆变器（VVF）是牵引系统的主要组成部分，是最关键、最复杂的部分，是牵引系统的核心技术所在，它采用正弦脉宽调制技术（SPWM）。

牵引时，电网DC1500V电压通过受流装置、主熔断器、隔离开关、高速断路器、接触器、线路滤波器后，形成稳定且干净的直流电送入牵引逆变器，牵引逆变器将直流电逆变为频率和幅值可调的三相交流电，送入牵引电机，牵引电机将电能转化为动能。再生制动时以相反的路径使电网吸收电机反馈的能量，电阻制动时，牵引电机反馈的能量经过牵引逆变器输出给制动电阻，制动电阻通过发热将电能以热能的形式耗散到空气中。

（1）受流装置

受流装置的主要功能是从电网获取直流电源供列车牵引系统和辅助系统使用。城市轨道交通车辆受流装置有车顶受电弓从接触网受流和集电靴从第三轨受流两种方式，较多的是采用受电弓从接触网受流的方式。

  受电弓

（2）高速断路器

高速断路器主要是对牵引逆变器与高压电路进行隔离，同时对牵引系统进行保护。在列车牵引系统的电路出现异常的情况下（如过电流、逆变器或线路电路故障），高速断路器（HSCB）能够将各牵引设备从受电弓线路上安全断开。VVF逆变器通过高速断路器（HSCB）连接到接触网上。有些牵引系统在高速断路器（HSCB）和受电弓之间还设置了隔离开关（KS），必要时（如检修）可以把高速断路器（HSCB）和受电弓的高压线路断开，并用隔离开关（KS）设置为接地。

（3）接触器

接触器是城市轨道交通车辆主电路上用来频繁地接通和切断主电路的自动切换电器，它具有远距离自动控制、操作频率较高和通断电流大的特点。

（4）线路滤波器

线路滤波器包括线路滤波电抗器和线路滤波电容器，具有稳压和滤波的作用，为牵引逆变单元提供稳定且干净的直流电压。线路滤波器形成的谐振频率与信号系统的调制频率有一定的差值，防止对信号系统的干扰，同时线路滤波器为牵引电传动系统提供无功功率。

（5）牵引逆变单元

牵引逆变器作为整个交流传动系统的重要组成部分，它的基本功能是把从直流电源获得的直流电压变换成频率和幅值都可调的三相交流电，供给牵引电机。根据中间储能元件的不同来分类，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。目前，交流牵引多采用电压型逆变器，中小功率的牵引逆变器中开关器件以IGBT为主，大功率逆变器以GTO为主。随着IGBT元件和应用技术的不断更新和发展，以IGBT为主电路开关的牵引逆变器的容量和性能进一步提高。

  牵引逆变器

（6）牵引电机

城市轨道交通车辆交流牵引电机有旋转电机和直线电机两种，其功能都是将电能转化为动能。旋转牵引电机用于驱动每个动车转向架的动车轮对，而直线电机用于驱动安装电机的转向架。使用旋转牵引电机的列车上，牵引电机为鼠笼式感应电机；直线电机牵引系统的电机一般是长次级结构。

（7）制动电阻器

制动电阻器用于在电阻制动时，制动电阻吸收牵引电机反馈的能量，将电能转换为热能耗散到大气中去。

（8）浪涌吸收器（避雷器）

浪涌吸收器安装于车顶的受电弓侧，用于保护设备不受大气过电压（雷击过电压）的损害。当出现大气过电压并达到浪涌吸收器的动作电压时，其立即动作，切断过电压负荷，将过电压限制在一定水平，保护设备绝缘。过电压终止后，恢复正常工作。

（9）接地装置

接地装置安装于转向架的轮对轴端，主要用于为主电路提供回流通路，使电流通过轮对到达钢轨，形成完整的回路。同时，防止电流通过轴承而造成轴承的损伤。

  接地装置外形及内部结构