2-CRH3型動車組牽引與控制特性分析

2CRH3型動車組牽引與控制特性分析

2.1CRH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AC440V60HZ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AC25kV

50Hzo變壓器被布置在動車組沒有驅動的變壓器車車底，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，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個牽引電機驅動，位于動力轉向架上。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流器的電壓源逆變器供電，變頻變

壓（VVVF）調速運行方式。

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)齒輪傳動裝置驅動機車運行，實現(xiàn)電能到機

械能的轉換。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,

電磁轉矩輸出最大值固定不變，牽引系統(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)，牽引電動機的轉矩T不變，要求逆變器的輸出不變，

則保證了電動機調速時所希望的每極磁通量①，“為常數(shù)，且最大轉矩在不同的電

源頻率。下數(shù)字不變，此時若能保證轉差頻率s為恒定值，啟動時適當提高

即可得到恒定的轉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)。為了使電動機有恒定的輸出

功率，電壓和頻率的調節(jié)可以有兩種不同的方式：

①任何頻率/，關下，保持上不變，而s與工關按比例變化，即：s/f為常數(shù)。

②任何頻率。下，保持、，而U,與比按比例變化，即常數(shù)。

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。

2.2.1CRH3型動車組的特性分析

(DCRH3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，

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8kWo

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(2X160kVA)運行。每臺牽引變流器對輪周的最大牽引功率為2200kW。

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(3X160kVA)。每臺牽引變流器對輪周的最大牽引功率因

此降為2000kW。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：

尸=—0.285n+300v<l\9km/h

F-3150^/v>\99km/h

(2-1)

再生制動工況下，制動力和速度的的數(shù)學關系為:

F=59.8vv<5km/h

<F=-0.285v+3005km/h<v<\06.7ktnjh

F=28800/v>106.7km/h

L/v

(2-2)

式中，F(xiàn)為一個編組(16臺電機)的牽引/制動力，單位kN;

v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。

300

250

(200

N150

X1

)

K50

而

<

50|(X)150200250300

動車組運行速度(km/h)

圖2.2CRH3牽引特性曲線

(

N

a3(?

)250

2(X>

*1JO

IOO

標50

基

50100)50200250300

動車組運行速度(km/h)

圖2.3CRH3再生制動特性曲線

分析CRH3列車牽引特性曲線可知，牽引過程中可分為2個調節(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

恒轉矩控制，使牽引電機在低速時輸出較大轉矩;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，使牽引電機在高速時

保持功率恒定。

牽引電機轉矩指令可以根據(jù)當前列車速度和牽引特性曲線計算得到:

TF-d

Te=------(2-3)

2?n?I?rj

式中1一1臺牽計電機轉矩

F—1個邊組列車輪軌牽引力

〃一車輪直徑

n-1個編組列車牽引電機總數(shù)

i—傳動比

7—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v—動車組運行速度（km/h）

i—傳動比

一電機極對數(shù)

d一車輪直徑

（3）CRH3型動車組牽引力、制動力的計算

①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及轉動質量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50km/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)，由此可以計算空氣阻力。

表2.1CRH3各車輛的設計重量值

車號0102030405060708總數(shù)

車種EC01TC02IC03BC04FC05IC06TC07EC08

空車質量/t60.86260.856.5655.860.86260.6479.36

最大重量/t67.269.668.863.260.868.869.668536

定員人數(shù)7387875057878773601

平均軸重/t16.817.417.215.815.217.217.417.0536

轉動質量/t6363363636

輸出功率/kW220002200002200022008800

由上表數(shù)據(jù)可計算出列車阻力

2

Ff=6AM+130/1+0.14W+[0.046+0.0065(N-1)]AV

=6.4x479.36+130x32+0.14x536x50+[0.046+0.0065(8-1)]X9X502

=13038.654N=13.0387ZN

(2-5)

式中F/一列車運行阻力/N

M’一空車質量，M=479.36t

M—最大質量，M=536t

n一軸數(shù)，n=32

u一列車速度，v=50kM/h

N一車輛數(shù)，TV=8

A一列車正面截面積，A=9m2

列車動輪的參數(shù)為：車輪直徑：92cm（半磨耗輪徑為87.5cm,全磨耗輪徑為83

cm）；齒輪傳動比：1=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：

右2xzxz;..2x2.788x0.97..,

F=-------=-------------x3000=118O54C4.118ONA

DD0.875

（2-6）

式中b一輪軸牽引力/N

i—傳動比，i=2.788

〃一齒輪傳動效率，77=0.97

。一輪直徑，D=0.875m

M。一電機額定轉矩，MD=3000N?6

通過式上式算出每對動輪輪周上產(chǎn)生的牽引力E=18.5441WN,則1輛動車（4臺

牽引電機）牽引力為工=18.54418*4=74.17672ZN,4輛動車（16臺電機）總牽引

力為：66=18.54418x16=296.70688ZN

根據(jù)牽引力計算表達式

F-Ff+Mxgxsin?+(M+J)xa

(2-7)

式中F一列車牽引力，N

F,一列車阻力，N

M—列車質量，t

J—列車轉動質量，t

g一重力加速度，g=9.81m/s2

a—加速度，mis1

sin?一坡度

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F/=13.0387kN,

M=536t,F=296.70688kN,則據(jù)式(2)可以計算列車起動加速度：

代入數(shù)據(jù)F=296.70688=13.0387+0+(536+36)xa解得，加速度

a=0.496m//

計算數(shù)據(jù)與廠方提供的啟動加速度0.50m/.1較為接近。

②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a=1機/s2)可以計算出列車制動力

2

Ff=6.4M,+130/?+0.14MV+[0.046+0.0065(A^-1)]AV

=6.4x479.36+130x32+0.14x536x180+[0.046+0.0065(8-1)]X9X1802

=47416.504N=47.416504AN

進而可以計算出列車在180km/h下，實施8檔制動時的制動力

F=Ff+Mxgxsin?+(M+J)xa

=47.416504+0+(536+36)x(-1)

=-524.583496^77

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2.2o

表2.2CRH3型動車組牽引傳動系統(tǒng)主要技術參數(shù)

牽引總功率：88002W

起動牽引力約：300KV

起動加速度：0.50m/s2

0-200km/h的平均加速度約：0.4m/52

300km〃速度下的剩余加速度>0.06m/52

爬坡能力（100%牽引動力時）：>30%。

爬坡能力（50%牽引動力時）：>12%。

電制動總功率：8000%W

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、制動轉矩計算，控制模式的確定

和運行保護，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2.4

圖2.4CRH.3牽引控制策略的結構原理

CRH3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

列車內部總線得到牽引力指令后計算相應的轉矩，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矩突變，將此時牽引手柄設定值

對應的轉矩作為恒速模式下的最大牽引轉矩，也作為恒速模式的初始轉矩值，此

后牽引手柄可用來限制最大牽引轉矩值。

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、費用最低。

2.4.1牽引變流器與牽引電動機的參數(shù)匹配