CRH2型200km動車組牽引傳動系統(tǒng)的研究.doc

課程名稱：牽引電機課程設計設計題目：CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的研究 學 號：20170145 姓 名：朱培樟 指導教師：李宗防 西南交通大學峨眉校區(qū)2017 年 4月 30日 摘要 隨著經濟發(fā)展和社會進步，高速鐵路越來越受到世界發(fā)達國家及新興工業(yè)國家的重視，成為解決客運交通擁堵的一種選擇，從而推動了CRH2型200km/h動車組研究、應用和進步。本文在分析國內高速鐵路及動車組發(fā)展現狀并結合電力電子、高電壓技術、電機學、繼電保護和軌道交通牽引供變電技術的相關知識，完成對CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的研究。本文分為三部分：（1） CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的框圖及其組成（2） 對CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的高壓電器、牽引變壓器、牽引電機的技術參數及技術特點進行分析。（3） 對CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的集成性及可靠性進行分析。關鍵詞：CRH2型動車組、高壓電器、牽引變壓器、牽引電機、集成性、可靠性目錄第一章 緒論21.1我國CRH2型200km/h動車組的發(fā)展現狀21.2 CRH2型200km/h動車組基本組成4第二章 CRH2動車組牽引傳動系統(tǒng)組成52.1 CRH2動車組牽引傳動系統(tǒng)的框圖及其組成原理52.2 CRH2 牽引傳動系統(tǒng)主電路6第三章 CRH2高壓電器、牽引變壓器、牽引電機的技術參數及技術特點63.1 高壓電器的技術參數及技術特點63.1.1技術參數73.2 牽引變壓器的技術參數及技術特點83.2.1 技術參數83.2.2技術特點93.3 牽引電機的技術參數及技術特點93.3.1技術參數93.3.2技術特點10第四章 CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的集成性及可靠性分析114.1 CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的集成性分析114.2 CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的可靠性分析124.2.1動車組安全可靠性124.2.2動車組部分可靠性模型及分析13第五章 總結15第1章 緒論1.1我國CRH2型200km/h動車組的發(fā)展現狀CRH2型200km/h動車組由四方機車車輛股份有限公司為主機廠牽頭為中國鐵道部生產的時速200公里動力分散型電力動車組（動力分散是與動力集中相對應的兩種動車組的動力布置方式，動力集中方式指整個動車組的動力只集中在頭尾兩節(jié)機車如中華之星或一節(jié)機車上如藍箭動車組采用推挽是的牽引方式，前拉后推；動力分散方式是指將動車組的動力布置在動車組的所有或若干節(jié)車輛上，這樣做的好處在于動車組的黏著性能好，起動、制動速度快，可靠性好-某節(jié)車故障只損失小部分動力，缺點是動力裝置總重量較重，檢修維護量大、噪音較大），是以日本新干線E2-1000番為原形車，引進日本川崎重工、三菱電機、日立公司（日立公司和北車永濟廠生產10列車的牽引變流器）等公司的技術生產的。新干線E2-1000番川崎四方時速200公里電力動車組共計要生產3包（當時中國鐵道部按包為單位招標，每包20列，共計60列480節(jié)）。其中3列為原裝進口車，6列為進口成套設備的組裝車，51列為關鍵零部件進口，在中國生產和總裝的國產車。之所以日方以日本新干線E2-1000系“疾風號”動車組為原型車參與中國鐵道部的時速200公里動車組招標，是因為該動車組的基本情況在現有的新干線動車組中最接近中國鐵道部的招標要求。E2-1000番是50Hz區(qū)間專用車。在技術上，采用了IGBT（絕緣柵雙極型場效應管）等先進元器件和動力分散結構的E2-1000也是比較符合中國的實際情況。1.2 CRH2型200km/h動車組基本組成該動車組為動力分散型電力動車組，4動4拖編組，定員610人，運營時速200公里，最高時速250公里。時代集團和時菱公司作為三菱公司的技術受讓方，負責51列國產車的牽引變流器（CI）、列車信息控制裝置（MON）和輔助電源裝置（APU和ARF）的大部分生產，其中時代集團制造中心負責CI和MON的生產。 兩列8輛的編組也可以通過重聯的形式組成16輛的大編組合并運行。該動車組的編組配制如下圖：如圖所示，該動車組的動力分布在2、3、6、7號四節(jié)車上，兩端1、8號車為不帶動力的控制拖車，并配備有輔助電源裝置APU，受電弓在4、6號車上，各車之間有高壓母線連接。第2章 CRH2動車組牽引傳動系統(tǒng)組成2.1 CRH2動車組牽引傳動系統(tǒng)的框圖及其組成原理CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)組成原理圖CRH2 動車組牽引傳動系統(tǒng)主要由受電弓（包括高壓電器設備）、牽引變壓器、四象限變流器、牽引逆變器和牽引電機組成。CRH2 動車組采用交流傳動系統(tǒng)，主要由受電弓（包括高壓電器設備）、牽引變壓器、四象限變流器、中間環(huán)節(jié)、牽引逆變器、牽引電機、齒輪傳動系統(tǒng)等組成。動車組受電弓從接觸網獲得AC25000V/50Hz 電源，為了滿足動車組牽引特性的要求，牽引電機需要電壓頻率均可調節(jié)的三相交流電源。受電弓將接觸網的AC25kV 單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，經變壓器降壓輸出1500V 單相交流電供給脈沖整流器，脈沖整流器將單相交流變換成直流電經中間直流電路將DC26003000V 的直流電輸出給牽引逆變器，牽引逆變器輸出電壓02300V，頻率0220Hz 可控的三相交流電供給異步牽引電動機。2.2 CRH2 牽引傳動系統(tǒng)主電路受電弓從接觸網25kV、50Hz 單相交流電網受電，通過主斷路器VCB 連接到牽引變壓器原邊繞組。主電路開閉由VCB 控制。牽引變壓器牽引繞組設兩組，原邊繞組電壓為25kV 時，牽引繞組電壓為1500V。牽引變流器在M1、M2 車上，由一臺四象限脈沖整流器和逆變器及中間直流回路構成，運行時除實施牽引電動機電力供應和制動時的再生制動外，還具備相應的保護功能。主電路簡圖如圖下：CRH2 牽引傳動系統(tǒng)主電路簡圖第3章 CRH2高壓電器、牽引變壓器、牽引電機的技術參數及技術特點3.1 高壓電器的技術參數及技術特點 高壓電器主要作用是完成從接觸網到牽引變壓器的供電。主要包括：受電弓、主斷路器、避雷器、電流互感器、接地保護開關等。3.1.1技術參數CRH2 動車組采用DSA250 型受電弓。該受電弓為單臂型結構，額定電壓/電流為25kV/1000A，接觸壓力705N,弓頭寬度約1950mm，具有自動降弓功能，適應接觸網高度為53006500mm，列車運行速度250km/h。CRH2 動車組采用CB201C-G3 型主斷路器。主斷路器為真空型，額定開斷容量為100MVA，額定電流AC200A，額定斷路電流3400A，額定開斷時間小于0.06s，采用電磁控制空氣操作。真空斷路器主要技術參數： 額定電壓 AC30kV（瞬間最大電壓AC31kV） 額定電流 AC200A 額定頻率 50Hz 額定開斷容量 100MVA 額定閉合電流 10000A 額定瞬間電流 4000A（2s） 額定斷路電流 3400A 額定開斷時間 0.06s CRH2 動車組采用LA204 或LA205 型避雷器。由氧化鋅（ZnO）為主的金屬氧化物組成,是非線性高電阻體的無間隙避雷器。避雷器主要技術參數：額定電壓為AC42kV（RMS）動作電壓為AC57kV以下（V1mA，DC）限制電壓為107kVCRH2 動車組采用TH-2 型高壓電流互感器。變流比為200/5A，用于檢測牽引變壓器原邊電流值。CRH2 動車組采用SH2052C 型接地保護開關。額定瞬時電流為6000A（15 周），電磁控制空氣操作，具有安全連鎖。3.2 牽引變壓器的技術參數及技術特點 該變壓器采用單相、 殼式、無壓密封方式，一個基本動力單元配置 1 臺，全列共計 2 臺。ATM9型牽引變壓器，一個基本動力單元 1 個，全列共計 2 個。 采用殼式結構、車體下吊掛、油循環(huán)強迫風冷方式。具有 1 個原邊繞組（25kV,3060kVA）、 2 個牽引繞組（1500V，21285kVA），一個輔助繞組（400V，490kVA）。3.2.1 技術參數主要技術參數如下： （1） 通用規(guī)格 環(huán)境溫度 25 至 40 原邊電壓 標稱接觸網電壓 25kV 電壓變動范圍 17.531kV (2) 性能 單相、殼式、無壓密封方式 油循環(huán)風冷方式（） 絕緣類別： 特殊A類絕緣（使用聚酰胺絕緣紙） 絕緣油：硅油 輔助設備電源規(guī)格 電動鼓風機 三相,50Hz,400V,風速115m/min 電動油泵 三相、50Hz、400V、油速700L/min、7m油柱 (3) 外形尺寸與質量 外型尺寸為（LWH）25702300835mm(4) 總重2910kg（包括電動鼓風機）。3.2.2技術特點 原邊繞組采用兩組并聯結構的繞組，增加了每相牽引繞組的容量；牽引繞組為兩個獨立線圈，確保牽引繞組的高電抗、弱耦合性，使牽引變流器穩(wěn)定運行。3.3 牽引電機的技術參數及技術特點 CRH2 動車組采用三相交流鼠籠式異步電機，具有良好的牽引性能，可以實現寬范圍的平滑調速，另外調節(jié)調頻特性能使機車起動時發(fā)出較大的起動轉矩。3.3.1技術參數型號 MT205 方式 三相鼠籠異步電機極數 4極 相數 相 額定值 輸出功率 300kW 電壓 2000V 電流 106A 頻率 140Hz 轉差率 1.4% 轉速 4140r/min 效率 94.0% 功率因數 87.0% 絕緣類別 等級200 溫度上升極限 200（定子繞組；電阻法） 冷卻方式 強制風冷方式（20m3/min） 動力傳送方式 平行齒輪彎曲軸萬向接頭方式 最高使用轉速 6120r/min 最高試驗轉速 7040r/min 軸承潤滑脂 unimaxR NO.2 質量 440Kg 額定參數說明：由于干線動車組載荷變化范圍小，僅為整車自重的 10%，所以電機額定點的考核一般是在動車組最苛刻條件下電機的穩(wěn)定運行點。3.3.2技術特點 異步電機結構簡單，可靠性高，無換向引起的電氣損耗和機械損耗，無環(huán)火引起的故障，牽引主電路系統(tǒng)省去許多有觸點電器，運行可靠性進一步提高；耐振動，耐風雪、多塵、潮濕等惡劣環(huán)境；過載能力強（僅受定子繞組熱時間常數的影響）；轉速高，功率/重量比高，有利于電機懸掛；轉矩速度特性較陡，可抑制空轉，提高粘著利用率，在幾臺電機并聯時，不會發(fā)生單臺電機空轉現象。異步電機采用按轉子磁場定向的矢量控制策略，把定子電流分解成轉子磁場定向坐標系下的勵磁電流分量和轉矩電流分量，實現了定子電流的完全解耦，控制方式簡單，使整個牽引傳動系統(tǒng)具有良好動態(tài)性能和控制精度。CRH2采用的牽引電機除具有傳統(tǒng)異步電機的優(yōu)點外，還有以下特點： 電機整體機械強度很高，高速運行時能承受很大的輪軌沖擊力；采用耐電暈、低介質損耗的絕緣系統(tǒng)以適應變頻電源供電；為了防止電機軸承的電蝕，電機前后端采用絕緣軸承； 電機轉子導條采用低電阻、溫度系數高的銅合金材料，保證傳動系統(tǒng)的控制精度；為了減輕電機自重，電機采用輕質高強度材料；采用經過驗證的軸承和軸承潤滑結構，從而減少電機的維護，保證電機軸承更可靠工作；在輸出一定功率的情況下，為減少體積，采用強迫通風和優(yōu)化的通風結構，充分散熱，以降低電機的溫升，提高材料的利用率；電機的非傳動軸端安裝了 2 個速度傳感器，用以給傳動控制系統(tǒng)提供速度信號，便于逆變器控制和制動控制。 第4章 CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的集成性及可靠性分析4.1 CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的集成性分析高速列車是高速鐵路系統(tǒng)中最重要的設備，是直觀反映鐵路現代化的載體。高速列車設計制造是一個復雜的系統(tǒng)化工程，必須具有一套完整的技術管理規(guī)程、基礎理論指導、相關規(guī)范標準予以支撐。高速列車系統(tǒng)一般包含9大關鍵技術。9大關鍵技術包括:整車系統(tǒng)集成、輕量化車體、轉向架、牽引變壓器、牽引電機、牽引變流器、牽引控制系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、列車網絡通信。國內外車輛生產廠家都是通過關鍵技術和關鍵部件的系統(tǒng)集成，來實現整車設計方案規(guī)劃和確定生產目標。列車牽引電傳動系統(tǒng)是列車運行的動力保證，由受電弓接受電網電能經過斷路器到主變壓器.經主變流系統(tǒng)到牽引電機實現電網能量到輪對機械能量的轉換。牽引電傳動系統(tǒng)涵蓋了幾個子系統(tǒng)多項關鍵技術的內容，包括受流技術、變流技術、牽引控制技術、電機傳動技術和監(jiān)控檢測技術。4.2 CRH2型200km/h動車組牽引傳動系統(tǒng)的可靠性分析4.2.1動車組安全可靠性高速列車服役期間，因某些參數改變會引起可靠性變化或動力學性惡化。確定可靠服役目標值，可為設計公差設置和維修許用范圍設置提供依據。高速列車服役期間可靠性能受開行方案和開行原則的影響，要保證高速列車運營既能體現鐵路管理與運營水平的先進性，又要滿足不同運量客運需求，提高資源利用率，降低維護成本。這就需要在運行當中依靠不同的運量需求，設計不同的開行方案。牽引傳動系統(tǒng)安全可靠是保證高速列車可靠行駛，安全運轉的重點內容。包含商速列車的行車安全、車內外人員安全和配套設備的安全。列車高速運行，給列車帶來頻繁的沖擊.車軸、緊固件、制動閘片等關鍵零部件。容易導致結構及材料疲勞，需要緊密關注與監(jiān)測。列車牽引功率增大會引起受電弓電流增大，引起接觸網電氣和機械磨損增加。由于高速列車多編組、多到發(fā)還有長達區(qū)段運行，會碰到不同的人流變化與天氣變化.這些因素也是安全可靠優(yōu)化的范圍。牽引傳動安全可靠體現在高速列車的綜合維修上。以列車安全可靠為中心，依據列車運行狀況、故障規(guī)律及故障后果，合理確定有效的維修方式、維修類型、維修周期和維修級別，以最少的維修資源消耗確保高速列車運行安全。 高速列車安全可靠性優(yōu)化必須考慮緊急制動。CRH2型高速列車基礎制動裝置優(yōu)化了制動參數，減少制動盤面的熱負荷;優(yōu)化了輪裝制動盤的通風輔板結構和連接螺栓強度，以滿足更高熱應力要求。4.2.2動車組部分可靠性模型及分析鐵路動車組運用維修規(guī)程3規(guī)定,CRH2型動車組的最高運行速度為200 km/h;當動車組牽引系統(tǒng)發(fā)生故障致使去除20%25%牽引力時,仍可保持200 km/h速度運行;去除40%50%牽引力時,可限速160 km/h運行;當動車組制動系統(tǒng)故障致使去除25%制動力時,可限速160 km/h運行?？梢?CRH2型動車組在牽引、制動功能上都具有一定冗余性。動車組可靠性是指在規(guī)定運用條件下和規(guī)定時間內動車組達到預定功能的能力。旅客運輸是動車組的基本功能,安全正點是鐵路運輸的追求目標,非正常停車不僅可能造成動車組晚點,而且會打