CRH3型动车组牵引与控制特性分析.docx

2 CRH3型动车组牵引与控制特性分析2.1 CRH3动车组牵引系统组成部分在CRH动车组上装有四个完全相同且互相独立的动力单元每一个动力单 3元有一个牵引变流器和一个控制单元，四个并联的牵引电动机以及一个制动电阻 器单元牵引零部件辅助设备所需的3相 AC 440V60Hz 电流由动车组的辅助 变流器单元提供每个基本的动力单元主要包含以下关键器件：1. 主变压器主变压器设计成单制式的变压器，额定电压为单相AC 25kV 50Hz变压器被布置在动车组没有驱动的变压器车车底，并且每一个变压器的 附近都布置有一套冷却系统主变压器箱体是由钢板焊接的，主变压器箱安装在 车下，主变压器采用强迫导向油循环风冷方式主变压器的次级绕组为牵引变流 器提供电能它使用一个电气差动保护、冷却液流量计和电子温度计对主变压器 进行监控和保护2. 牵引变流器牵引变流器采用结构紧凑，易于运用和检修的模块化结构 在运用现场通过更换模块可方便更换和维修牵引变流器由多重四象限变流器、 直流电压中间环节和逆变器组成，牵引变流器的模块具有互换性3. 牵引电机动车组总共由16个牵引电机驱动，位于动力转向架上牵引 电机按高速列车的特殊要求而设计。

具有坚固的结构，优化重量，低噪音排放， 高效率和紧凑设计的特征四极三相异步牵引电机按绝缘等级 200 制造牵引 电机是强迫风冷式牵引电机使用的是牵引变流器的电压源逆变器供电，变频变 压( VVVF) 调速运行方式4. 其他部件动车组其他牵引系统部件还包括牵引电机通风机、过压限制 电阻等某些零部件被设计成即使出现故障也能在小幅度减少或不减少性能的情 况下运行CRH 型动车组采用交-直-交传动方式以交流异步感应电动机作为牵引电3 机的高速动车组适宜采用再生制动方式制动时它将交流电动机做为发电机使 用，从而产生制动力矩，并将其所发出的电能反馈回电网在所有的制动方式中， 再生制动是唯一向电网反馈能量的制动方式，同电阻制动相比，减少了庞大而笨 重的制动电阻，同时免去了一整套通风冷却装置目前国外大多数动车均采用了 该种制动方式，且日益成为交流传动动车组的首选方式由于再生制动具有清洁、 无磨耗和能量利用率高的优点，在常用制动工况，优先使用电制动力2.2 列车的牵引特性分析列车以牵引电动机为动力源，经齿轮传动装置驱动机车运行，实现电能到机 械能的转换机车轮周牵引力F与运行速度v之间的关系，用F二f (v)函数式或 坐标图上的曲线来表示，称为机车的牵引特性曲线。

动车组的牵引特性曲线反映 了动车组牵引力随速度变化的曲线，是动车组最重要的性能曲线，也是进行牵引 计算和控制的重要依据高速列车牵引特性一般由两部分组成，一部分是当牵引系统起动运行至额定 频率前，此时，供电电压应随频率增加而增加，牵引系统的输出功率也相应增加， 电磁转矩输出最大值固定不变，牵引系统在恒力矩的状态下运行另一部分是当 要求进一步提高牵引电机的转速时，由于电机定子端电压不允许超出额定值，因 此电机的主磁通必须相应减小，电磁转矩也随之减小，但由于角频率升高了，可 近似认为输出的功率恒定不变，此时牵引系统在恒功率的状态下运行根据牵引 特性曲线和当前速度，可以计算出当前牵引电机的牵引力数值1) 恒力矩区，牵引电动机的转矩T不变，要求逆变器的输出U ff不变，s s则保证了电动机调速时所希望的每极磁通量①为常数，且最大转矩在不同的电m源频率f下数字不变，此时若能保证转差频率s为恒定值，启动时适当提高U ,ss即可得到恒定的转矩以满足动车组恒力矩运行特性2) 恒功率区，牵引电机工作在磁场削弱状态为了使电动机有恒定的输出 功率，电压和频率的调节可以有两种不同的方式:① 任何频率f关下，保持U不变，而s与f关按比例变化，即：sf为常数。

s s s s② 任何频率f下，保持、，而U与打按比例变化，即U2；f =常数s s ' s s s因此，不同的运行工况对逆变器和电机的要求均有差异，变流器与电动机 的容量有多种组合，故就出现了两者匹配问题变流器与牵引电机容量有许多不 同的组合方式，也就是逆变器与异步牵引容量的匹配方式一般来说，电力的牵 引运行可分为三个运行调节区：起动加速区、恒功率输出区、提高速度区或自然 特性区这三个运行调节区可用如下的图 2.1 来说明逆变器与牵引电机容量合 理匹配，就是在列车运行过程中各自的得到较好发挥221 CRH3型动车组的特性分析（1） CRH 型动车组牵引动力系统配置3CRH 动车组由 8 节车辆编组，由两个对称布置基本动力单元组成（即 013 至04号车和05至08号车），每个动力单元由一个头车（动力车）、一个变压 器车和两个中间车组成在每一个牵引单元中有两个分动力单元每一个动力单 元有一个牵引变流器和一个控制单元（TCU）,四个牵引电动机并联提供牵引， 如图3-1所示每个牵引变流器主要由两个四象限斩波器，一个带有串联谐振电路的中间电 压电路，一个制动斩波器和一个宽脉冲调制的逆变器构成。

中间电源回路给列车 供电模块提供电源，列车供电模块位于牵引逆变器箱外部，它给列车辅助供电系 统和车载设备包括牵引系统的辅助设备如泵、风扇等供电甚至当受电弓降弓后， 当列车的运行速度高于牵引电机能量再生所需的某一最低速转速，列车供电模块 也能给上述系统供电故为动力分散型动车组，故有 50%的轴为驱动轴动车 组运行时轮轴的最大牵引功率为8.8kW，在再生制动时为8kW正常运行时（全部牵引变流器运行） ，每台牵引变流器最多有2个辅助变流 器单元（2x160kVA）运行每台牵引变流器对轮周的最大牵引功率为2200 kW在故障状态下（至少一台牵引变流器不工作），在每台牵引变流器上可以运 行3个辅助变流器单元（3xl60kVA）每台牵引变流器对轮周的最大牵引功率因 此降为2000 kW如果一个以上的牵引变流器故障时，剩余牵引变流器的最大 轮轴牵引力限制为2000kW2） CRH 型动车组牵引、制动特性曲线牵引工况下，牵引力和速度的数学关系为:F 二—0.285v + 300 v < 119km/h< F 二 3150% v > 199 km/h（2-1）再生制动工况下，制动力和速度的的数学关系为:v < 5 km h5 km. h < v < 106.7 km hv > 106.7 km； hF = 59.8v< F = —0.285v + 300 F = 28800/、 /v2-2）式中，F为一个编组（16台电机）的牵引/制动力，单位kN;v 为动车组速度，单位 km/h图 2.3 所示。

由上式可得高速列车牵引/制动特性曲线，分别如图 2.2、50 100 150 200 250 300动车组运行速度（km/h）3002502TO1501TO50)力引牵图2.2 CRH 3牵引特性曲线50 100 150 200 250 300动车组运行速度（km/h）图2.3 CRH 3再生制动特性曲线300 25 200 150 100 50> NW力动制分析CRH列车牵引特性曲线可知，牵引过程中可分为2个调节区起动加3速区和恒功率输出区在列车运行速度低于119km/h时处于起动加速区，采用 准恒转矩控制，使牵引电机在低速时输出较大转矩 ;当运行速度高于 119km/h 时，采用恒功率控制，牵引力随速度升高而呈双曲线关系下降，使牵引电机在高 速时保持功率恒定T=e牵引电机转矩指令可以根据当前列车速度和牵引特性曲线计算得到:式中 T —eF—1 台牵计电机转矩1 个边组列车轮轨牵引力F - d2 - n - i •耳d —车轮直径n —1 个编组列车牵引电机总数i —传动比耳一传动效率牵引电机机械角速度与动车组运行速度换算关系为v • i • n W = Pr 3.6 • d2-3)2-4)式中v —动车组运行速度(km/h)i 一传动比n —电机极对数pd —车轮直径(3) CRH 型动车组牵引力、制动力的计算3①牵引力计算：牵引力计算时需要考虑到以下因素：1列车的总重量M及转动质量J,侮辆拖车3t,每辆动车6t)2 轨道坡度3空气阻力(启动时计算到50 km/h),必须考虑到空气阻力，因为它提高了需要 的牵引力。

表2.1为CRH3，车辆数据，由此可以计算空气阻力表2.1 CRH3各车辆的设计重量值车号0102030405060708总数车种EC0ITC02IC03BC04FC05IC06TC07EC08空车质量/t60.86260.856.5655.860.86260.6479.36最大重量/t67.269.668.863.260.868.869.668536定员人数7387875057878773601平均轴重/t16.817.417.215.815.217.217.417.0536转动质量/t6363363636输出功率/kW220002200002200022008800由上表数据可计算出列车阻力F = 6.4 M' + 130n + 0.14 MV + [0.046 + 0.0065( N -1)] AV 2 f=6.4 x 479.36 +130 x 32 + 0.14 x 536 x 50 + [0.046 + 0.0065(8 -1)] x 9 x 502=13038.654N = 13.0387kN2-5)式中Ff—列车运行阻力/NM ' —空车质量， M =479.36t M —最大质量， M =536tn —轴数， n =32v —列车速度， v =50 kM / hN —车辆数， N =8 A —列车正面截面积， A=9m2列车动轮的参数为：车轮直径：92 cm（半磨耗轮径为87. 5cm，全磨耗轮径为83 cm）;齿轮传动比：i =2.788;齿轮传动效率：耳=0.97牵引电机参数在3.3 节给出。

根据轮周牵引力计算公式：2 x i xq F =—D2 x 2.788 x 0.970.875x 3000 二 18544.18N2-6)式中F一轮轴牵引力/Ni 一传动比，i =2.788n 一齿轮传动效率，n =0.97D —轮直径， D =0.875 mM 一电机额定转矩，M =3000 N - mDD通过式上式算出每对动轮轮周上产生的牵引力F = 18.54418kN，则1辆动车（4台牵引电机）牵引力为F — 18,54418 x4二74-17672kN， 4辆动车（16台电机）总牵引4力为： F — 18.54418 x 16 — 296.70688kN16根据牵引力计算表达式F — F + M x g x sin a + （M + J） x af（2-7）式中F一列车牵引力， NF 一列车阻力, NM 一列车质量, tJ 一列车转动质量, tg 一重力加速度， g =9.81 m/ s2a 一加速度, m / s 2sin a 一坡度在规定的载客人数工况下，按正常的。