动车和地铁的动力来源_什么叫动车,什么叫高铁

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作者:翰心
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谈谈 CRH动车组是怎么跑起来的?

首先CRH动车组并不是烧煤的——蒸汽机车,它不长这样。

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蒸汽机车-pic fr. Internet

CRH动车组也并不是烧柴油的——内燃机车,它也不长这样。

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内燃机车-pic fr. Internet

CRH动车组是用电的,相信大家都见过,它长这样。

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CRH动车组-pic fr. Internet

 


 

我们现在已经知道CRH动车组的动力来源是电了具体来说,其实是交流电。(至于为什么是交流电?下文会说)

小时候,老师说过,电这玩意要形成回路(一去一回),电流才会通过。

那么,CRH动车组的电回路(一去一回)是怎么形成的呢?

 

我们先看“去的那条线”。

相信你平时也注意到了,铁轨的上面有一些架着的供电线,这就是“去的那条线”,它叫「接触网」,长这样。

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接触网-pic fr. Internet

你可别小看它,它可是高压线,有25kV,远远高于我们家用的220V。

 

知道了“去的那条线”,你一定很奇怪,“回的那条线”在哪呢?

平时可没看见地上有线呀。

其实,那是假象,“回的那条线”你也能看见,它就是铁轨。这玩意是1840年英国pincus搞的专利。

 

到这里,CRH动车组的整个供电大致就清楚了,示意如下。

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供电示意-pic fr. Ref. 1

“去的那条线”是接触网,“回的那条线”是钢轨+回流线。整个“送电”和“回电”过程靠牵引变电所控制的。

 


 

知道了动车组的两条供电线路,我们再来看看「车」是怎么与「接触网」以及「钢轨」相连接的呢?

 

先说“去的那条线”,动车组是靠什么实现受流的?

答案是靠「受电弓」与「接触网」相接触以实现受流的

那,受电弓又是个啥?其实,你一定也见过,就是车顶上的那个“铁辫子”,它长这样。

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受电弓-pic fr. Internet

它具体的结构长这样。

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DSA250受电弓-pic fr. Ref. 2

受电弓是从接触网获得电能的部件,列车运行时压缩空气通过车的各阀进入受电弓升弓装置气囊,升起受电弓,使受电弓滑板与接触网接触;降弓时,排出升弓装置气囊内压缩空气,使受电弓落下。

——Ref. 2

那,它是怎么动起来的呢?

其实它是机械设计上非常经典的四连杆机构,不过它是两套四连杆嵌套着玩。把受电弓的弓头“推”起来,让碳滑板与接触网接触,这样它就受流了。

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四连杆机构-pic fr. Internet

 

 

再说“回的那条线”,动车组是靠什么实现回流的?

答案是靠「轮对」与「钢轨」相接触以实现回流的。

那,轮对又是个啥?轮对就是我们通常所说的“火车的车轮子+车轴”。

 

那么,你可能会想?

从「受电弓」获得的这么大的电流,它又是怎么通过「轮对」传到「钢轨」上的?这肯定得有条线吧?

对,其实这条线确实还挺讲究的。

目前主要有两种方式:

  • 轴端接碳刷(动车组常用方式)

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轴端接碳刷-pic fr. Ref. 1

  • 轴身接碳刷(CRH2A采用的方式)

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轴身接碳刷-pic fr. Ref. 1


 

通过上面的讲解,相信我们已经大致明白动车组的供电线路、受流以及回流装置了。

下面,我们再谈谈动车组的牵引传动方式以及具体的牵引传动设备。

先放一张总图。

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牵引传递系统-pic fr. Me

这张图里有两个重要的信息:

  • 动车组的牵引传动方式是“交-直-交”,也就是从“交流电”到“直流电”,再到“交流电”。
  • 动车组的牵引传动设备主要有:「受电弓」→「变压器」→「牵引变流器」→「牵引电机」→「联轴节」→「齿轮箱」→「车抽」→车轮」。

 


 

先谈谈牵引传动方式。

我国CRH动车组的牵引传动方式是”交-直-交”。

那么你可能会问,为什么是“交-直-交”?,而不是“直-直”,“直-交”,“交-直”,亦或“交-交”呢?

下面简单回答下。

 

Q1:为什么输入端是交流?而不是直流?

在1956年,我国铁道电气化刚起步,采用“交流式”还是“直流式”受到人们极大的关注,因为它关系到我国电气化铁路的长远发展方向。

当时,西南交通大学的曹建猷院士通过论证分析,建议电气化铁路采用单相交流25kV的供电制式。随后,1957年经国家正式批准,单相交流25kV的供电制式被定为我国电气化铁道的标准。

通过查阅相关文献,谈谈为什么动车组要采取这一供电制式呢?(非供电专业,不严谨处请指正)

这一供电制式主要有两个特点:一是高压(25kV),二是交流供电(AC)。下面逐点进行分析。

1) 为什么是高压?

a. 因为选择高压输电,将能降低输电线的能耗。

CRH动车组的运营速度一般在200公里及以上,其牵引功率要比地铁等城市轨道交通装备大很多。如CRH2A的牵引功率是4800kW,CRH380A的牵引功率是9600kW,而成都1号线地铁列车的牵引功率是2160kW。

我们知道P=UI。若U都取1500V,CRH2A、CRH380A和成1要达到自己需求的功率,那么CRH2A的、CRH380A、成1的电流分别是3200A、6400A、1440A。

在中学课本里,我们知道P=I²×R,电路中如果电流较大,电能的损失是很大的。很明显,动车组的电能损耗高于地铁。

因此,鉴于CRH动车组的大功率特性,选择高压输电,将能降低输电线的能耗——功率一定,电压变高,则电流变小,则损失的电能变小。

b. 因为选择高压输电,将能减少设备的运营费用。

直流供电与交流供电的供电规律都符合
电压越高,负荷矩越大,
供电距离越远的趋势

——Ref. 3

因此,鉴于CRH动车组运营里程较长的特点,选择高压输电,将能减少牵引变电所的数量,从而降低设备的运营费用。

2) 为什么是交流供电?

由上我们可知,选择高压输电大有益处。

但,你可能会问:为什么一定得选择交流高压供电?直流高压供电不可以吗?

其实,从技术上来说,直流高压输电也是可行的(随着电力电子技术的新突破),其问题的关键主要在于以下两点:

a. 交流变压比直流变压方便,变压效率高[Ref. 4]。


b. 交流电有电流波形的过零点, 因此灭弧比直流容易[Ref. 5]。

 

因此,综上,CRH动车组为了降低输电线的能耗,降低设备的运营费用,选择高压输电;为了保障变压效率和质量,选择交流电压。

两者复合[高压+交流],就形成交流高压供电制式了,即单相交流25kV。

 

目前,国铁(运营普通列车与动车组)与城市轨道交通车辆(地铁等)的供电制式已形成国家标准[Ref. 6]。

  • 国铁:单相交流AC 25kV,50Hz。
  • 城市轨道交通车辆的供电制式为:DC 750/1500 V。

两者具体的技术特点可以参考下表[Ref. 6]。

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Q2: 为什么输出端是交流?而不是直流呢?

答案是想用交流电机。这玩意是1888年特斯拉发明的,它与直流电机相比,具有功率大,体积小,质量轻,便于控制,维修等优点。在这里暂不展开。

 

Q3: 为什么中间端要增加直流?而不直接是”交-交”呢?

这主要是一个技术问题,当前工程技术无法满足“交流-交流”变频变压控制的即时性。(之前没有明确提出,据知友提醒补充,感谢)

怎么办呢? 那就在“交流-交流”之间建立一个“缓冲带”,这就是“中间直流电路”。直流环节可以储存电能,缓冲电压的剧烈变化,而使得变频变压控制较好(“直流-交流”控制)。此外,“交流-交流”之间功率因数也较低,谐波太大,对电气设备有危害。

至此,“交-直-交”就说完了。这种牵引传动方式现已成为干线铁路的主流,被世界各国广泛采用了。

 


 

知道了CRH动车组的牵引传动方式,那我们就具体来看看,动车组是如何通过“交-直-交”让车跑起来的,这里面又有哪些设备呢?

1.“降压”神器——「变压器」

从前面我们已经知道,接触网的网压高达25kV,这么高的电压让电机怎么玩呀。所以,我们需要降压。

那降压靠什么?牵引变压器。

牵引变压器用来把接触网上取得的25 kV高压电变换为供给牵引变流器及电动机、电器工作所适合的电压,其工作原理与普通电力变压器相同。

——Ref. 7

具体关于变压器的知识就不展开了。你只要知道它的主要功能是交流降压就得了。

CRH2A的变压器型号是ATM9。长这样。

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ATM9型变压器-pic fr. Ref. 2

技术参数如下:

  • 输入(from受电弓):交流 25kV; 50Hz; 122A
  • 输出(to整流器):交流1500V; 50Hz; 857×2A(牵引绕组)
  • 外形尺寸(长×宽×高):2.57m×2.3m×0.835m
  • 重量:2910kg

从技术参数可知,这这玩意其实挺重、挺大的。将近6000斤,比快捷酒店的大床还大。

 

2.“交变直,直变交”的神器——「牵引变流器」

从前面我们已经得知,动车组的牵引传动方式是“交-直-交”,那么它是靠什么实现呢?

那就是动车组的关键部件——牵引变流器。

牵引变流器主要由整流器,逆变器以及中间直流电路组成。它长这样。

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牵引变流器-pic fr. Internet

下面主要说说整流器与逆变器这两个部件。

1) 交流变直流——整流器

整流器是牵引传动系统的电源侧变流器,列车牵引运行时,将牵引变压器的牵引绕组输出的单相交流变换成直流电。

——Ref. 7

具体关于整流器的知识也不展开了。你只要知道它的主要部件是IGBT,在列车牵引运行时,通过开关的切换,以PWM斩波方式把交流电变成了直流电。

CRH2A车的整流器具体长这样。

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整流器-pic fr. Ref. 2

技术参数如下:

  • 输入(from牵引变压器):交流1500V、50Hz
  • 输出(to中间直流):600V~3000V内(按速度范围变化可调) 432A
  • 外形尺寸(长×宽×高):0.55m×1.015m×0.61m
  • 重量:190kg

 

2) 直流变交流——逆变器

逆变器是牵引传动系统的电动机驱动侧变流器,列车牵引运行时,将中间直流环节的直流电压变换成电压、电流、频率按照牵引特性要求控制的三相交流电,并保证三相电压对称、电流尽量接近正弦,减少谐波及电压不对称对牵引电机的影响。

——Ref. 7

具体关于逆变器的知识也不展开了。你只要知道它的主要部件是IGBT, 在列车牵引运行时,通过开关的切换,以PWM斩波方式把直流电变成了交流电。

 

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逆变器-pic fr. Ref. 2

技术参数如下:

  • 输入(from中间直流电路):直流3000V,432A
  • 输出:三相交流2300V;424A;0~220Hz
  • 尺寸(长×宽×高):0.55m×0.66m×0.61m
  • 重量:130kg

 

到这里,你是否发现,整流器与逆变器长得好像,就像双胞胎一样?

对,其实它俩身份是可以互换的。

在牵引时,整流器把“交流”→“直流”;逆变器把“直流”→“交流”。

在制动时(再生制动),整流器、逆变器身份互换。

为什么呢?这里牵涉到动车组的制动问题(电空复合制动)。

本题主要关注动车组牵引过程,也就是列车怎么跑起来的,所以就不对此展开了。

 

3.“电能转化为机械能”的神器——「牵引电机」

牵引电机是实现电能和机械能转化的最核心部件,列车牵引时作电动机运行,将电能转化为机械能。

——Ref. 7

CRH2A采用MT205型三相鼠笼异步电机。具体关于牵引电机的知识也不展开了。它长这样。

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牵引电机-pic fr. Ref. 2

技术参数如下:

  • 功率:300kW
  • 电压:2000V
  • 电流:106A
  • 频率:140Hz
  • 转速: 4140r/min
  • 质量: 440Kg

牵引电机的动态示意图如下。

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牵引电机动态图-pic fr. Internet

 

4.“牵引力产生”的神器——「联轴节」「齿轮箱」「车轴」「车轮」

好,电机已经旋转起来了,那动车组是怎么跑起来的呢?

其实它与我们小时候玩的四驱车是类似的。(好像暴露年龄了)

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四驱车底盘-pic fr. Internet

只不过动车组没有传动轴,每个动车转向架(类似于汽车的底盘和车轮)有两个电机,每个电机驱动两个轮子。转向架具体长这样。

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转向架-pic fr. Me

好,下面我们来一步一步来分析。

看看从牵引电机输出的扭矩是如何使车轮“跑”起来的。

 

1) 牵引电机→联轴节

联轴节是将牵引电机输出轴与齿轮箱的输入轴(小齿轮轴)联结起来的装置,在传递扭矩的同时,允许两者间的相对运动。它长这样。

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联轴节-pic fr. Ref. 2

联轴节一端连接牵引电机输出轴,一端连接齿轮箱的输入抽(小齿轮轴),然后将电机的扭矩传递给齿轮箱。

 

2) 牵引电机→联轴节→齿轮箱

齿轮箱是将牵引电机的扭转力矩有效地传递到车轴而使车轮“跑”起来的装置。它长这样。

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齿轮箱-pic fr. Internet

齿轮箱的小齿轮与联轴节相连接,大齿轮与车轴相连接。大齿轮与小齿轮之比为传动比。

CRH2A齿轮箱的传动比为85/28=3.036。

齿轮箱的动态示意图如下。

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齿轮箱动态图-pic fr. Internet

 

 

3) 牵引电机→联轴节→齿轮箱→轮对(车轮&车轴)

好,终于到最后一步了,通过齿轮箱的大齿与车轴配合,使得电机的扭矩传递到轮对上,最终轮对滚动使车辆前进运行。轮对(车轴&车轮)长这样。

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轮对-pic fr. Internet

最后,车轮摩擦、摩擦,在铁轨上摩擦,前进!前进!前进进!

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