牽引與制動曲線設計

牽引與制動曲線設計方法2008年11月17日2008-11-141主要內容1.牽引傳動系統(tǒng)的組成2.列車運行性能3.為什么要學習性能曲線設計4.牽引性能曲線設計實例

2008-11-142接負載DC/AC25kV，50HzAC/DC交流牽引電機電力電子變流器基于DSP的控制系統(tǒng)1、電機和變壓器變壓器2、交流傳動控制1.列車牽引電傳動系統(tǒng)的構成2008-11-143電力牽引交流傳動系統(tǒng)2008-11-144接觸網高壓電器中間直流環(huán)節(jié)脈沖整流器牽引變壓器牽引逆變器齒輪傳動牽引電機輪對能量變換與傳遞途徑示意圖

2008-11-1452.列車運行性能2.1 牽引性能速度與牽引力動輪周牽引力與輸出功率的關系2008-11-1462008-11-147牽引性能曲線2008-11-148高速列車牽引性能曲線牽引力的速度特性運行阻力10‰坡道平坦線速度牽引力2008-11-1492.2列車阻力

（1）起動阻力3kgf/t或29N/t

（2）運行阻力：車軸與軸承的摩擦阻力、輪軌之間的摩擦阻力、與速度的平方成正比的運行空氣阻力（3）坡道阻力（4）曲線阻力（5）隧道阻力:現(xiàn)象復雜，定量把握難，日本隧道單線：19.6N/t；復線：9.8N/t。2008-11-14102.3制動性能00,20,40,60,811,2050100150200250300[km/h][m/s2]1A123456781B電制動特性曲線23456781ACRH3的制動性能曲線2008-11-1411500系新干線列車制動性能曲線2008-11-14123.為什么要學習車輛性能設計？它和電機設計、變流器設計密切相關也和電機特性、變流器特性密切相關是車輛電傳動系統(tǒng)討論的基礎終端用戶最好能設計車輛性能，至少應十分熟悉車輛性能曲線2008-11-1413電傳動系統(tǒng)設計順序用戶要求設計車輛性能曲線仿真驗證設計車輛性能能否滿足要求（加速度，旅行速度，列車能否實施救援等等）具體設計電動機、變流器，并根據(jù)需要調整車輛性能曲線制造、聯(lián)調試驗、列車運行試驗接受驗收2008-11-1414車輛牽引性能計算的主要制約因素牽引電機的最大轉矩黏著限制逆變器容量的限制2008-11-14152008-11-14164.車輛性能設計簡單實例一般先由用戶提出要求：車輛種類、運行線路條件、坡道條件、加速度、最高速度本例從已經確定車輛MT比開始2008-11-1417車輛形式：都市近郊列車MT比：1M2T(Mc-T-Tc）牽引性能曲線設計實例最高速度130km/h起動加速度2.5km/h/s最大坡道3.5%2008-11-1418車輛質量和定員McTTc空車質量41t28t32t定員140人150人140人最大乘車率200%200%200%2008-11-1419McTTc合計空車質量41t28t32t101t定員140人150人140人430人最大乘車率200％200％200％200％乘客質量15.4t16.5t15.4t47.3t載客車輛質量56.4t44.5t47.4t148.3t慣性質量4.1t1.4t1.6t7.1t等效質量60.5t45.9t49.0t155.4t2008-11-1420起動牽引力和黏著系數(shù)慣性質量乘客質量起動牽引力的計算式的推導期待黏著系數(shù)2008-11-14214.1起動牽引力與粘著系數(shù)的計算一般，各動車下面有4臺牽引電機關注每臺牽引電機承擔的輪周牽引力2008-11-14221.起動牽引力與粘著系數(shù)的計算其中，動車質量(t)乘客質量(t)起動阻力(kgf/t)拖車質量(t)起動加速度(km/h/s)坡道值2008-11-14231.起動牽引力與粘著系數(shù)的計算每臺牽引電機需要輸出的牽引力：期待粘著系數(shù)：動力分散方式期待粘著：牽引20%~21%以下，制動16%~17%軸重：14.1t2008-11-14242.部分動力損失時的性能驗算假定該列車采用軸控，當1臺MM（MainMotor）Cutout時，在最大坡道3.5%上能以加速度0.3km/h/s起動？（軸控：1C1M）2008-11-14254.2部分動力損失時的性能驗算所以單臺電機需要的牽引力在故障條件下，假設用正常運行時的牽引力來牽引，則起動加速度為：2008-11-14264.3特性區(qū)間的設定車輛高速性能設計的基本考慮方法列車在最高速運行時必須保證足夠的加速余力，三種基本設定方法是：在平直道上列車以最高速度運行時有加速度a(km/h/s)的加速余力列車的最高速度在θ‰的坡道上運行時，列車牽引力與運行陰力平衡列車在平直道上運行，牽引力與列車運行阻力在高于最高速度的某一速度點平衡1.2.3.2008-11-1427本例以最高速度130km/h運行，在3‰的坡道上，有0.2km/h/s的加速余力來計算：其中，R為列車運行阻力：2008-11-1428日本JIS的運行阻力公式隧道外：R=(1.65+0.0247V)·WM+(0.78+0.0028V)·WT+(0.028+0.0078(n-1))V2(kgf)隧道內：R=(1.65+0.0247V)·WM+(0.78+0.0028V)·WT+(0.0777+0.0134n)V2(kgf)n:編組車輛數(shù)2008-11-14294.4恒功區(qū)間的設定恒功區(qū)間的設定依據(jù)牽引電機的溫升逆變器的容量和既有車輛的牽引傳動系統(tǒng)比較2008-11-1430恒功區(qū)間的計算A.假定選用現(xiàn)有的220kW的電機，則容許的車輪踏面輸出功率Pt：經驗總結此值為1.4~1.5B.逆變器輸出電流的限制值230A/MM，同時電機的功率因數(shù)為0.86,效率為0.92,齒輪效率為0.975,則2008-11-1431C.綜合A、B的討論結果，暫定恒功區(qū)間的功率為310kW解方程組，得：2008-11-14324.5牽引電傳動系統(tǒng)各裝置容量的計算2008-11-14335.牽引電傳動系統(tǒng)各裝置容量的計算功率因數(shù)效率接觸網VVVF逆變器ηinv=0.99牽引電機Cosφ＝0.86ηMM=0.92ηGearl=0.975路面輸出功率關系式接觸網輸入功率Ppan=Epan*Ipan=Pinv*cosPhi/ηinv逆變器輸出功率Pinv=sqrt(3)Um*Im*電機臺數(shù)＝Pm-in*電機臺數(shù)/cosPhi電機輸入功率Pmin=Pinv*cosPhi電機輸出功率Pmout=Pmin*ηmm踏面輸出功率Pt=Pmout*ηgearlPt=TE*V/367.1(kW)裝置容量Ppan=1609*0.86/0.99=1398(kW)Ipan=932(A)Pinv=346*4/0.86=1609KVAPmout=318(kW)Pmin=346(kW)Im=211(A)310kW逆變器輸出的最大電壓=0.78*Upan=0.78*1500V=1170V≈1100V2008-11-14344.6車輛制動性能曲線設計最大電制動力BE1最大電制動力必須得考慮輪軌之間的最大粘著系數(shù)的限制，一般城軌交通要求制動時的最大粘著系數(shù)應≤17%。2008-11-1435最高速度對應的電制動力可以約設計為最高速度對應的牽引力的2倍：6.車輛制動性能曲線設計高速區(qū)域的電制動力由M車產生的電制動力讓列車制動減速時，列車的減速度為：2008-11-14364.7車輛性能曲線設計要點與實例性能曲線設計要點V/f一定的終端速度運行最高速度對應的加速余量要全面考慮各種可能出現(xiàn)的故障運行情況最大限制地發(fā)揮電制動力注意考察牽引和制動時的期待粘著系數(shù)2008-11-14374.8列車運行仿真仿真過程（方法）輸入車輛性能曲線、線路條件、列車阻力、接觸網電壓etc.Simulation啟動運行得到距離-速度、距離-時間、電機RMS電流、列車運行能耗、電機溫升、旅行速度etc.2008-11-1438用Simulation驗證性能曲線是否可行的兩種基本方法

a.off-brake運行法特點：1.列車運行時間最短

2.電機RMS電流最大

b.Schedule-time運行法2008-11-1439牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析

動車組各車的重量如表1.1所示，列車定員566人，最大軸重為15.3t，最小軸重13.5t。2008-11-1440牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析牽引特性分析

阻力公式：R(N)=0.000755mg+120.344v+7.837v^2式中，m為整車定員質量：469200kg，g為加速度9.8m/s/s。按照350km/h的最高運行速度，此時的列車運行阻力計算值為R(350km/h)=89.2kN

（不考慮逆風）或R(350km/h)＝96.2kN（考慮了15km/h的逆風）當列車運行至380km/h時不考慮逆風的運行阻力為：R(380km/h)=103.5kN2008-11-1441牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析按照優(yōu)化方案中牽引電機功率達到587kW的要求，踏面輸出的牽引功率為Pt=1.4*587=821.8kW≈820kW仍然按照優(yōu)化方案要求，若取齒輪傳動效率0.975，牽引電機效率0.94，變流器功率提高到2480kW，則Pt=2480*0.95*0.975/4=574.28kW故取恒功區(qū)間踏面功率為574kW。2008-11-1442牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析當列車運行至350km/h時，輸出的牽引力為F(350)=5.9kN當列車運行至380km/h時，輸出的牽引力為F(380)=5.4kN按照優(yōu)化方案的要求，在空氣阻力減小20%的情況下，當列車運行在350km/h時在平直道上的剩余加速余力為0.1m/s/s，完全符合設計要求。按照相同的要求，當列車運行速度在380km/h時在平直道上的剩余加速余力為0.05m/s/s。2008-11-1443牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析起動牽引力TE=28.33*(1.1Wm+1.05Wt+Wl)*a+(r+sita)(Wm+Wt+Wl)469.2按照起動加速度0.6m/s/s，代入相應質量，得