型動車組牽引與控制特性分析

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2 CRH3型動車組牽引與控制特性分析2.1 CRH3動車組牽引系統(tǒng)組成部分在CRH3動車組上裝有四個完全相同且互相獨立的動力單元。每一個動力單元有一個牽引變流器和一個控制單元，四個并聯(lián)的牽引電動機以及一個制動電阻器單元。牽引零部件輔助設備所需的3相 AC 440V60Hz 電流由動車組的輔助變流器單元提供。每個基本的動力單元主要包含以下關鍵器件：1. 主變壓器。主變壓器設計成單制式的變壓器，額定電壓為單相AC 25kV 50Hz。變壓器被布置在動車組沒有驅(qū)動的變壓器車車底，并且每一個變壓器的附近都布置有一套冷卻系統(tǒng)。主變壓器箱體是由鋼板焊接的，主變壓器箱安裝在車下，

2、主變壓器采用強迫導向油循環(huán)風冷方式。主變壓器的次級繞組為牽引變流器提供電能。它使用一個電氣差動保護、冷卻液流量計和電子溫度計對主變壓器進行監(jiān)控和保護。2. 牽引變流器。牽引變流器采用結構緊湊，易于運用和檢修的模塊化結構。在運用現(xiàn)場通過更換模塊可方便更換和維修。牽引變流器由多重四象限變流器、直流電壓中間環(huán)節(jié)和逆變器組成，牽引變流器的模塊具有互換性。3. 牽引電機。動車組總共由16個牽引電機驅(qū)動，位于動力轉(zhuǎn)向架上。牽引電機按高速列車的特殊要求而設計。具有堅固的結構，優(yōu)化重量，低噪音排放，高效率和緊湊設計的特征。四極三相異步牽引電機按絕緣等級200 制造。牽引電機是強迫風冷式。牽引電機使用的是牽引變

3、流器的電壓源逆變器供電，變頻變壓( VVVF) 調(diào)速運行方式。4. 其他部件。動車組其他牽引系統(tǒng)部件還包括牽引電機通風機、過壓限制電阻等。某些零部件被設計成即使出現(xiàn)故障也能在小幅度減少或不減少性能的情況下運行。CRH3型動車組采用交-直-交傳動方式。以交流異步感應電動機作為牽引電機的高速動車組適宜采用再生制動方式。制動時它將交流電動機做為發(fā)電機使用，從而產(chǎn)生制動力矩，并將其所發(fā)出的電能反饋回電網(wǎng)。在所有的制動方式中，再生制動是唯一向電網(wǎng)反饋能量的制動方式，同電阻制動相比，減少了龐大而笨重的制動電阻，同時免去了一整套通風冷卻裝置。目前國外大多數(shù)動車均采用了該種制動方式，且日益成為交流傳動動車組的

4、首選方式。由于再生制動具有清潔、無磨耗和能量利用率高的優(yōu)點，在常用制動工況，優(yōu)先使用電制動力2.2 列車的牽引特性分析列車以牽引電動機為動力源，經(jīng)齒輪傳動裝置驅(qū)動機車運行，實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)換。機車輪周牽引力F與運行速度v之間的關系，用F = f (v)函數(shù)式或坐標圖上的曲線來表示，稱為機車的牽引特性曲線。動車組的牽引特性曲線反映了動車組牽引力隨速度變化的曲線，是動車組最重要的性能曲線，也是進行牽引計算和控制的重要依據(jù)。 高速列車牽引特性一般由兩部分組成，一部分是當牽引系統(tǒng)起動運行至額定頻率前，此時，供電電壓應隨頻率增加而增加，牽引系統(tǒng)的輸出功率也相應增加，電磁轉(zhuǎn)矩輸出最大值固定不變，牽引系

5、統(tǒng)在恒力矩的狀態(tài)下運行。另一部分是當要求進一步提高牽引電機的轉(zhuǎn)速時，由于電機定子端電壓不允許超出額定值，因此電機的主磁通必須相應減小，電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，但由于角頻率升高了，可近似認為輸出的功率恒定不變，此時牽引系統(tǒng)在恒功率的狀態(tài)下運行。根據(jù)牽引特性曲線和當前速度，可以計算出當前牽引電機的牽引力數(shù)值。 (1)恒力矩區(qū)，牽引電動機的轉(zhuǎn)矩T不變，要求逆變器的輸出不變，則保證了電動機調(diào)速時所希望的每極磁通量為常數(shù)，且最大轉(zhuǎn)矩在不同的電源頻率下數(shù)字不變，此時若能保證轉(zhuǎn)差頻率為恒定值，啟動時適當提高,即可得到恒定的轉(zhuǎn)矩以滿足動車組恒力矩運行特性。(2)恒功率區(qū)，牽引電機工作在磁場削弱狀態(tài)。為了使電動機有

6、恒定的輸出功率，電壓和頻率的調(diào)節(jié)可以有兩種不同的方式:任何頻率關下，保持不變，而與關按比例變化，即: 為常數(shù)。任何頻率下，保持、，而與按比例變化，即。 因此，不同的運行工況對逆變器和電機的要求均有差異，變流器與電動機的容量有多種組合，故就出現(xiàn)了兩者匹配問題。變流器與牽引電機容量有許多不同的組合方式，也就是逆變器與異步牽引容量的匹配方式。一般來說，電力的牽引運行可分為三個運行調(diào)節(jié)區(qū):起動加速區(qū)、恒功率輸出區(qū)、提高速度區(qū)或自然特性區(qū)。這三個運行調(diào)節(jié)區(qū)可用如下的圖2.1來說明。逆變器與牽引電機容量合理匹配，就是在列車運行過程中各自的得到較好發(fā)揮。2.2.1 CRH3型動車組的特性分析(1) CRH3

7、型動車組牽引動力系統(tǒng)配置CRH3動車組由8 節(jié)車輛編組，由兩個對稱布置基本動力單元組成（即01至04號車和05至08號車），每個動力單元由一個頭車（動力車）、一個變壓器車和兩個中間車組成。在每一個牽引單元中有兩個分動力單元。每一個動力單元有一個牽引變流器和一個控制單元（TCU），四個牽引電動機并聯(lián)提供牽引，如圖3-1所示。每個牽引變流器主要由兩個四象限斬波器，一個帶有串聯(lián)諧振電路的中間電壓電路，一個制動斬波器和一個寬脈沖調(diào)制的逆變器構成。中間電源回路給列車供電模塊提供電源，列車供電模塊位于牽引逆變器箱外部，它給列車輔助供電系統(tǒng)和車載設備包括牽引系統(tǒng)的輔助設備如泵、風扇等供電。甚至當受電弓降弓后

8、，當列車的運行速度高于牽引電機能量再生所需的某一最低速轉(zhuǎn)速，列車供電模塊也能給上述系統(tǒng)供電。故為動力分散型動車組，故有50%的軸為驅(qū)動軸。動車組運行時輪軸的最大牽引功率為8.8kW，在再生制動時為8kW。正常運行時（全部牽引變流器運行），每臺牽引變流器最多有2個輔助變流器單元(2×160kVA)運行。每臺牽引變流器對輪周的最大牽引功率為2200 kW。 在故障狀態(tài)下（至少一臺牽引變流器不工作），在每臺牽引變流器上可以運行3個輔助變流器單元(3×160kVA)。每臺牽引變流器對輪周的最大牽引功率因此降為2000 kW。如果一個以上的牽引變流器故障時，剩余牽引變流器的最大輪軸牽

9、引力限制為2000kW。(2) CRH3型動車組牽引、制動特性曲線牽引工況下，牽引力和速度的數(shù)學關系為: （2-1）再生制動工況下，制動力和速度的的數(shù)學關系為: （2-2）式中，F(xiàn)為一個編組(16臺電機)的牽引/制動力，單位kN; 為動車組速度，單位km/h由上式可得高速列車牽引/制動特性曲線，分別如圖2.2、圖2.3所示。 分析CRH3列車牽引特性曲線可知，牽引過程中可分為2個調(diào)節(jié)區(qū)。起動加速區(qū)和恒功率輸出區(qū)。在列車運行速度低于119km/h時處于起動加速區(qū)，采用準恒轉(zhuǎn)矩控制，使牽引電機在低速時輸出較大轉(zhuǎn)矩;當運行速度高于119km/h時，采用恒功率控制，牽引力隨速度升高而呈雙曲線關系下降，

10、使牽引電機在高速時保持功率恒定。牽引電機轉(zhuǎn)矩指令可以根據(jù)當前列車速度和牽引特性曲線計算得到:= （2-3）式中1臺牽計電機轉(zhuǎn)矩 1個邊組列車輪軌牽引力車輪直徑1個編組列車牽引電機總數(shù)傳動比傳動效率牽引電機機械角速度與動車組運行速度換算關系為= （2-4）式中動車組運行速度(km/h)傳動比 電機極對數(shù)車輪直徑(3) CRH3型動車組牽引力、制動力的計算牽引力計算：牽引力計算時需要考慮到以下因素：1列車的總重量M及轉(zhuǎn)動質(zhì)量J，(每輛拖車3t,每輛動車6t)2軌道坡度3空氣阻力(啟動時計算到50 km/h)，必須考慮到空氣阻力，因為它提高了需要的牽引力。表2.1為CRH3，車輛數(shù)據(jù)，由此可以計算空

11、氣阻力。表2.1 CRH3各車輛的設計重量值車號0102030405060708總數(shù)車種EC0lTC02IC03BC04FC05IC06TC07EC08空車質(zhì)量/t 60.86260.856.5655.860.86260.6479.36最大重量/t67.2 69.668.863.260.868.869.668536定員人數(shù)738787505787 8773601平均軸重/t 16.8 17.417.215.815.217.217.417.0536轉(zhuǎn)動質(zhì)量/t6 363363636輸出功率/kW2200 02200002200022008800由上表數(shù)據(jù)可計算出列車阻力 （2-5）式中列車運行阻

12、力/N空車質(zhì)量， =479.36t 最大質(zhì)量， =536t 軸數(shù)， =32 列車速度， =50 車輛數(shù)， =8列車正面截面積， =列車動輪的參數(shù)為：車輪直徑：92 cm(半磨耗輪徑為875cm，全磨耗輪徑為83 cm)；齒輪傳動比：=2.788；齒輪傳動效率：=0.97 牽引電機參數(shù)在3.3節(jié)給出。根據(jù)輪周牽引力計算公式： （2-6）式中輪軸牽引力/N 傳動比， =2.788 齒輪傳動效率， =0.97 輪直徑， =0.875電機額定轉(zhuǎn)矩，=3000通過式上式算出每對動輪輪周上產(chǎn)生的牽引力,則1輛動車(4臺牽引電機)牽引力為，4輛動車(16臺電機)總牽引力為：根據(jù)牽引力計算表達式 （2-7）式

13、中列車牽引力, N 列車阻力, N 列車質(zhì)量, t 列車轉(zhuǎn)動質(zhì)量, t重力加速度， =9.81加速度, 坡度在規(guī)定的載客人數(shù)工況下，按正常的無坡度的情況，由前述可知=13.0387kN，=536t，=296.70688kN,則據(jù)式(2)可以計算列車起動加速度：代入數(shù)據(jù) 解得，加速度=0.496計算數(shù)據(jù)與廠方提供的啟動加速度0.50較為接近。常用制動用于列車正常運行期間的列車制動。對于常用制動，制動力的設定值與“司機制動手柄”的偏移成比例，但是設定值也可由列車保護系統(tǒng)設置。為了最大程度減少車輪磨損，電制動主要用于常用制動。氣制動在電制動力不足時使用，或者在電制動出現(xiàn)故障時用作輔助制動。在規(guī)定的載

14、客人數(shù)，按正常的無坡度的情況，速度180km/h實施8檔制動 (減速度=1)可以計算出列車制動力進而可以計算出列車在180km/h下，實施8檔制動時的制動力CRH3型動車組牽引傳動系統(tǒng)動車組具有優(yōu)良的牽引特性，牽引力由牽引控制單元和列車中央控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，牽引控制系統(tǒng)對牽引控制和牽引變流器的運行進行監(jiān)督。牽引控制單元是模塊化，基于微處理器基礎上的設計。牽引傳動系統(tǒng)主要技術參數(shù),如下表2.2。表2.2 CRH3型動車組牽引傳動系統(tǒng)主要技術參數(shù)牽引總功率： 8800起動牽引力約： 300起動加速度： 0.500200的平均加速度約： 0.4300速度下的剩余加速度0.06爬坡能力（牽引動力時）： 3

15、0爬坡能力（牽引動力時）： 12電制動總功率： 8000應急供電電源： 連續(xù)運行2輔助供電電源系統(tǒng)： 采用冗余設計2. 3 列車牽引控制策略牽引控制策略是牽引控制單元的核心控制算法，也是高速動車組牽引系統(tǒng)的關鍵控制策略，它可以實現(xiàn)動車組在各個速度范圍內(nèi)的穩(wěn)定運行，通過恒速控制可以保證列車正點運行，有利于鐵路系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度。牽引控制策略需要實現(xiàn)列車的自動運行，使列車穩(wěn)定運行在給定速度，并且在列車運行工況發(fā)生改變，控制方式隨之切換時，避免較大的轉(zhuǎn)矩、電流波動，減少列車運行狀況變化帶來的影響，使列車在不同工況之間平滑過渡。列車在不同運行工況和限速條件下的牽引、制動轉(zhuǎn)矩計算，控制模式的確定和運行保護，

16、以及整流器和牽引電機控制等，都屬于在牽引控制單元中實現(xiàn)的。列車牽引控制策略，如果只考慮與牽引制動有關的功能設計，則列車牽引控制策略的結構原理，如圖2.4CRH3型動車組主要由司機室的牽引手柄、速度手柄和制動手柄來控制列車運行。在列車啟動階段，司機根據(jù)列車運行速度給定合適的牽引力，牽引控制單元通過列車內(nèi)部總線得到牽引力指令后計算相應的轉(zhuǎn)矩，來控制牽引變流器，從而控制牽引電機較快加速運行。 當速度達到給值后，司機可以進行切換操作，使列車進入自動控制模式，牽引控制單元根據(jù)速度手柄設定值及當前列車運行速度計算轉(zhuǎn)矩大小，實現(xiàn)速度閉環(huán)控制，保持恒速運行。為避免模式切換時轉(zhuǎn)矩突變，將此時牽引手柄設定值對應的

17、轉(zhuǎn)矩作為恒速模式下的最大牽引轉(zhuǎn)矩，也作為恒速模式的初始轉(zhuǎn)矩值，此后牽引手柄可用來限制最大牽引轉(zhuǎn)矩值。 列車運行過程中不同區(qū)域有不同的限速要求，列車速度超過限速值時，自動進入再生制動模式，最后在限速值下穩(wěn)定運行。當司機用制動手柄實施制動時，只要制動手柄放到制動位，速度自動控制就會失效，列車根據(jù)制動手柄給定值進行制動。2.4 牽引變流器與牽引電動機的匹配關系為使動車組的交流傳動系統(tǒng)整體優(yōu)越性能得以發(fā)揮，進行牽引傳動系統(tǒng)設計時不僅要考慮起動力矩、最大功率，逆變器與電機的匹配，在滿足一定負載運行的條件下，還應將列車的牽引特性與變流器、牽引電動機一起考慮。便于選擇合理的容量匹配，使系統(tǒng)的整體性能參數(shù)最佳

18、、費用最低。2.4.1 牽引變流器與牽引電動機的參數(shù)匹配列車的牽引特性一般分為兩個區(qū)段：恒力矩區(qū)和恒功率區(qū)，在恒力矩區(qū)，要求逆變器輸出保持=常數(shù)，=常數(shù)，啟動時適當提高的恒磁通控制方式；在恒功率區(qū)，牽引電動機工作在弱磁工況，有=常數(shù)、=常數(shù)和、=常數(shù)兩種不同的控制策略。因此，不同的運行工況、不同的控制策略對牽引變流器和牽引電動機的要求均有差異，變流器與電機的容量有許多組合。根據(jù)應用要求，是系統(tǒng)整體性能最佳、費用最低是選擇變流器與電機容量的優(yōu)化目標。對于列車牽引傳動系統(tǒng)而言，比較典型的有3種匹配方案。（1）最大電機、最小逆變器匹配方案采用有=常數(shù)、=常數(shù)恒功率控制策略。由于速度增加時電機的輸入電壓、電流保持恒定，逆變器的容量得到了充分的利用；由于電機的最大轉(zhuǎn)矩與速度的平房成反比，電機的過載系數(shù)隨速度的增加而減少，為了保證最高速度下滿足電機轉(zhuǎn)矩的需求，電機的額定過載系數(shù)要設計的大一些，電機的容量沒有得到充分利用。（2）最小電機、最大逆變器匹配方案采用、=常數(shù)恒功率控制策略。由于速度增加時電機的最大轉(zhuǎn)矩、電機的過載系數(shù)恒定不變，牽引電機在額定速度點發(fā)出的力矩近似與它的最大力矩，牽引電機的容量得到了充分的利用；而逆變器輸出電壓的平方與速度成