動車組牽引傳動與控制緒論

緒

論牽引傳動與控制動車組1.4動車組的技術特點1.2交流傳動機車發(fā)展概況1.3動車組牽引傳動系統(tǒng)組成1.1列車牽引傳動發(fā)展歷史目錄列車牽引傳動發(fā)展歷史1.1

電力機車與電動車組的主傳動控制系統(tǒng)統(tǒng)稱為電力牽引傳動控制系統(tǒng)的發(fā)展階段：自世界上第一條鐵路誕生以來，作為載運工具的牽引動力機車的3個發(fā)展階段：電力牽引傳動摸索

交流傳動控制蒸汽機車

電力機車1.1

列車牽引傳動發(fā)展歷史交直傳動控制內燃機車1.1

列車牽引傳動發(fā)展歷史1879年出現(xiàn)的第一臺電力機車和1881年出現(xiàn)的第一臺城市電車均嘗試采用直流供電

牽引方式。1891年德國西門子公司試驗了三相交流直接供電、繞線式轉子異步電動機牽引的機車，1917年德國試制了采用“劈相機”將單相交流供電進行旋轉、變換為三相交流電的試驗車。這些技術終因系統(tǒng)龐大、能量轉換效率低、電能轉化為機械能的轉換能量小等因素，未能成為牽引動力的適用技術。1955年，水銀整流器機車問世，標志著牽引動力電傳動技術實用化的開始。1957年，晶閘管(舊稱可控硅)整流器的發(fā)明，標志著電力牽引進入了電力電子時代。1965年，晶閘管整流器機車問世，使牽引電傳動系統(tǒng)發(fā)生了根本性的技術變革，全球掀起了單相工

頻交流電網電氣化的高潮。牽引供電主要采用4種電流制式：第1種直流；第2種15kV，16.67Hz；第3種25000V、50Hz；第4種25000V、60Hz。1.1

列車牽引傳動發(fā)展歷史1958年底，我國試制出第一臺干線電力機車，即6Y1型電力機車，該電力機車是以蘇聯(lián)H60型干線交直傳動電力機車為樣車，采用的整流器件是引燃管。隨著我國電力電子工業(yè)的發(fā)展，大功率整流二極管開始進入工程實用階段，我國第1代有級調壓、交直傳動電力機車——SS1型電力機車于1968年試制成功，1969年開始批量生產。晶閘管的問世，使機車電傳動技術跨上了一個新的臺階，1978年底，由株洲電力機車廠和株洲電力機車研究所共同研制成功的SS3型電力機車是我國首次采用相控無級調壓的第2代交直傳動客貨運電力機車。隨著大功率晶閘管性能不斷提高，相控整流技術的成功應用，性能更優(yōu)的SS4型電力機車研制成功。它與隨后研發(fā)出的SS5、SS6、SS7、SS8及SS9型系列相控整流貨運與客

運電力機車，形成了我國以晶閘管相控整流術為核心的交-直傳動電力機車系列產品。1.1

列車牽引傳動發(fā)展歷史交流傳動技術用于牽引傳動是從20世紀70年代開始。自20世紀80年代末90年代至今制造廠家有德國西門子公司、法國阿爾斯通公司、加拿大龐巴迪公司、美國公司、日本日立公司和川崎重工、中國的南車集團和北車集團等大型企業(yè)。1983年聯(lián)邦德國聯(lián)邦鐵路公司又將第1批BR120型交流傳動干線電力機車投入運行，該機車奠定了當代交流機車設計和運行的基本模式。1971年聯(lián)邦德國研制了第1批DE2500型交流傳動內燃機車，如牽引力大、黏著利用好、制動性能優(yōu)越以及維修量小等優(yōu)點。從20世紀90年代開始鐵路發(fā)達國家全部采用交流傳動控制技術。2電網功率因數高、

諧波干擾小3牽引系統(tǒng)功率大、體積小、重量輕、運行可靠4動態(tài)性能和黏著利用好1良好的牽引性能1.1

列車牽引傳動發(fā)展歷史交流傳動電力機車的優(yōu)勢20世紀70年代，我國許多科研單位已開始進行電力半導體交流技術和三相交流傳動的研究，容量從幾千瓦逐漸擴大，到1989年交流傳動系統(tǒng)的容量已達到300kW以上。與此同時，鐵道科學研究院與株洲電力機車研究所等也在進行交流傳動機車的研制，到1992年已經完成了單機功率為1000kW級的地面試驗系統(tǒng)。根據地面試驗系統(tǒng)研制取得的成果和經驗，1996年研制成功單軸功率1000

kW的AC4000型交流傳動

原型機車，這是我國牽引傳動由交直傳動轉變?yōu)榻涣鱾鲃拥囊粋€重要里程碑。迄今我國已研制出DJ1、DJ2型等交流傳動大功率電力機車、“中華之星”等交流傳動高速動車組以及交流傳動內燃機車。為加快實現(xiàn)我國鐵路機車車輛現(xiàn)代化的步伐，原鐵道部遵照2004年4月國務院下發(fā)的《研究鐵路機車車輛裝備有關問題的會議紀要》精神，貫徹“引進先進技術、聯(lián)合設計生產、打造中國品牌”的總體要求和“先進、成熟、經濟、適用、可靠”的基本方針，以關鍵技術的引進為“龍頭”，以國內企業(yè)為主導，通過“市場換技術”，以國內外公開招標方式，先后引進200km/h及以上的多種鐵路客車動車組和大功率電力機車制造技術，并在此基礎上研發(fā)具有我國自主知識產權的高速動車組和大功率交流傳動電力機車。1.1

列車牽引傳動發(fā)展歷史CRH1型動車組由青島四方-龐巴迪-鮑爾鐵路運輸設備有限公司(簡稱BSP)生產的動力配置為5M3T的動力分散型高速列車CRH2型高速動車組由中車青島四方機車車輛股份有限公司生產的動力配置為4M4T動力分散型高速列車CRH2-300型高速動車由中車青島四方機車車輛股份有限公司生產的動力配置為6M2T動力分散型高速列車由長春軌道客車股份有限公司生產的動力配置為5M3T的動力分散型高速列車由唐山軌道客車股份有限公司生產的動力配置為4M4T的動力分散型高速列車目前，我國具有自主知識產權的高速列車有CRH1、CRH2、CRH2-300、CRH3以及CRH5型高速動車組。CRH3型動車組CRH5型高速動車組1.1

列車牽引傳動發(fā)展歷史HXD

1型電力機車由株洲電力機車有限公司生產的8軸9600kW、120km/h的貨運高速電力機車由大同電力機車有限公司生產的8軸10MW、120km/h的貨運高速電力機車HXD3型電力機車由大連機車車輛有限公司生產的6軸7500kW、120km/h的貨運高速電力機車我國具有自主知識產權的大功率交流傳動電力機車有HXD

1、

HXD2以及HXD

3型電力機車。這些高速動車組和大功率電力機車融合了世界各國最先進的交流傳動技術，成為我國高速動車組和大功率機車的系列品牌列車。1.1

列車牽引傳動發(fā)展歷史HXD2型電力機車交流傳動機車發(fā)展概況1.2

西門子公司進一步在一臺兩軸

車上安裝了變壓器，并由三根架空

線提供10kV、50Hz的三相交流電。繞線轉子異步電動機的轉子串接電

阻，通過變阻器實現(xiàn)轉差調節(jié)。

1891/1892年德國西門子公司制造的試驗車是

三相交流電源直接供電的繞線轉子

異步牽引電動機系統(tǒng)。由于接觸網的建造及維修費用很高，而且采用變阻、變極和級聯(lián)調速的方法，仍無法獲得理想的牽引特性。這種三相交流電氣化方案最終被放棄。20世紀50年代初

整流器機車的問世，使電力牽引交流傳動技術的早期發(fā)展階段宣告結束。德國試制裝有異步劈相機的系統(tǒng)，

由11kV、25Hz的接觸網供電。開始考慮采用改變定子頻率的控制方法。1.2.1

早期發(fā)展階段(19世紀90年代至20世紀50年代初)

1898年1917年

1903年

早期發(fā)展

階段電力電子技術的發(fā)展對交流傳動機車發(fā)展起關鍵作用1957年發(fā)明了可控硅整流器[SCR

，后改稱為晶閘管(Thyristor，開始跨入電

力電子技術時代。在20世紀80年代中期

，大功率門極關斷(GTO)晶閘管。在電力機車上裝車使用，20世紀90年代絕緣柵雙

極型晶體管(IGBT)在機車上投入使用。交流傳動機車發(fā)展的過程中1964年提出分諧波控制的逆變器、1973年提出四象限脈沖整流器、1971年

提出的磁場定向矢量控制和1985年提出的直接轉矩自控制方法。世界上首批5臺BR120型大功率干線

交流傳動電力機車，奠定了當代交流傳動

機車設計和運行的基本模式，推動了鐵路

牽引動力的新一輪革命性的變化。20世紀60年代中期把單線接觸網送到機車上的

能量，變換為三相的適合牽引用的新的能量形式變?yōu)榭赡?。的DE-2500型內燃機車在萊茵

河畔試驗成功。1.2.2

近代發(fā)展階段(20世紀60年代以來)

進入20世紀70年代近代發(fā)展

階段1983年底因采用異步交流傳動系統(tǒng)這時期研制了4臺DE-2500型交流傳動內燃機車(德國)，改裝了12001型交流傳動電力機車(瑞士)，對不同供電方式下的脈寬調制(PWM)逆變器——異步牽引電動機系統(tǒng)在轉差-電流控制下的機車性能進行了多方面的試驗，結果向世人確認了交流傳動系統(tǒng)意想不到的優(yōu)越性。而由一臺DE-2500型機車

和一節(jié)裝有變壓器、四象限脈沖整流器的控制車組成的試驗電力機車，證實了這種類型的系統(tǒng)對電網沒有任何不良反應，從而更加堅定了人們推廣這種新一代技術的決心和信心。1975年，BBC公司對1400

kW機組的地面系統(tǒng)進行了試驗，為選擇未來機車的參數、電路和控制方法提供了充分的依據。1980年，BBC公司的BR120型試驗機車投入運行。1987年，BBC公司供應了首批60臺這種機車。隨

后應用該技術的有丹麥國家鐵路(DSB)的EA3000型電力機車和德國聯(lián)邦鐵路的部分ICE1系列電動車組。當時自換相的變流器需使用快速或高頻晶閘管。起初可供使用的快速晶閘管反向電壓只有1400V。為了控制當時采用的2800V中間直流環(huán)節(jié)電壓(避免用并聯(lián)電路)，必須串聯(lián)4只器件，以致變流器結構較復雜。

1.

用高頻晶閘管的交流傳動技術

1.2.2

近代發(fā)展階段(20世紀60年代以來)20世紀80年代，日本首先開發(fā)了GTO，它大大簡化了變流器結構，在首次使用的2500V

GTO的基礎上，(瑞士)BBC公司開發(fā)了首臺1400V中間直流環(huán)節(jié)電壓的機車傳動變流器[1987年起向BT/SZU鐵路提供了8臺使用這種GTO變流器的機車，1989年起向瑞士聯(lián)邦鐵路(SBB)、蘇黎世城市高速鐵路提供了115臺用這種GTO變流器的Re450型電力機車]。20世紀80年代末，有了可供使用的4500

V/3000

A

GTO，可以實現(xiàn)2800V中間直流環(huán)節(jié)電壓或更高電壓的大功率應用。6.1MW功率的Re460型機車采用了三電平變流器(每臺逆變器用12只GTO)。投入首批應用的部分ICE1電動車組(1989—1990)、挪威國家鐵路(NSB)的IC70型電動車組 (1992年)和CL7000型歐洲穿梭式電力機車(1992年)，使用了西門子和龐巴迪公司開發(fā)的兩電平GTO

變流器

(4.5kVGTO，中間直流環(huán)節(jié)電壓為2800V，無串聯(lián)連接，每臺逆變器用6只GTO)。后來用4.5kV器件、2800V中間直流環(huán)節(jié)電壓的兩電平變流器成了西門子和龐巴迪公司的標準產品，直到2001年所有批量生產的電力機車和動車組用的變流器都采用了這種電路。

2.

用GTO的交流傳動技術

1.2.2

近代發(fā)展階段(20世紀60年代以來)采用具有更好的冷卻效果，并利于環(huán)境保護的變流器水冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前有用去離子水和用普通水的兩種結構。采用具有高動態(tài)性能的磁場定向矢量控制和直接轉矩自控制方法替代轉差-電流控制方法。用微處理器替代模擬控制裝置。除了16位芯片外，目前批量生產的交流傳動電力機車上，已成功地應用了32位高速數字信號處理器(DSP)，如TMS320等。1.2.2

近代發(fā)展階段(20世紀60年代以來)在控制方面早在GTO變流器投入使用的初期，就發(fā)現(xiàn)其可靠性水平受到變流裝置復雜性的極大限制。GTO的控制電路對系統(tǒng)影響特別大。與GTO不同的是，IGBT由電壓控制，而器件

輸入電容的充放電控制電流很小，因此，其柵極控制電路大為簡化。由于IGBT能通過改變電壓實現(xiàn)控制，變流器系統(tǒng)有很多優(yōu)點。變流器系統(tǒng)有效地限制內部或外部損壞情況下IGBT柵極可能產生的過電壓，從而可保護變流器免受較大短路電流的影響。在這些器件中，可以考慮采取很多種短路保護。由于控制單元體積小和無需吸收電路，變流器結構簡單而輕巧。由于簡化了變流器電路，系統(tǒng)的可靠性較高。優(yōu)點1.2.3

用IGBT的三相交流傳動技術1.2.3

用IGBT的三相交流傳動技術電力牽引交流傳動系統(tǒng)主要由受電弓、主斷路器、牽引變壓器、牽引變流器、三相交流

牽引電動機和齒輪箱等組成，主電路如下圖所示。電力牽引交流傳動系統(tǒng)主電路圖1.2.3

用IGBT的三相交流傳動技術牽引變流器可分為3個主要環(huán)節(jié)：網側四象限脈沖整流器實現(xiàn)功率調節(jié)，電動機側逆

變器實現(xiàn)頻率變換，交流牽引電動機和機械傳動部分實現(xiàn)機電能量轉換。?

牽引變壓器二次牽引繞組將單相交流電供給牽引變流器，在變流器內部，單相交流電通過四象限脈沖整流器進行交-直變換，輸出直流電壓；?中間直流環(huán)節(jié)起穩(wěn)定中間直流電壓的作用；?

逆變器進行直-交變換，將中間直流電壓逆變成三相變頻變壓的交流電壓，驅動三相交流牽引電動機。逆變器將三相交流牽引電動機再生的交流電能進行交-直變換，輸出直流電能至中間直流環(huán)節(jié)，四象限脈沖整流器進行直-交變換，將電能回送電網。牽引變流器再生制動工況時牽引工況時除了SCR(晶閘管，SiliconControlledRectifier)、RCT(逆導晶閘管，Reverse-ConductingThyristor)、ASCR(非對稱晶閘管，Asymmetrical

Silicon

ControlledRectifier)和TRIAC(三端雙向交流開關，TRIodeACsemiconductorswitch)等器件之外，GTO、IGBT/IPM、IGCT等均為全控型器件。電力電子器件是列車牽引變流器的基礎與核心，其性能直接決定了牽引變流器的性能指標。電力電子器件

的發(fā)展階段

全控型自關斷現(xiàn)代電力電子

器件時代傳統(tǒng)半控型電力電子器件時代以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為代表

1.

電力電子器件簡介1.2.4

電力電子器件以晶閘管(SCR)為代表混合型單極型雙極型注：1)

可關斷晶閘管

(GTO)?GTO是高電壓、大電流雙極型全控型器件，與SCR相比，GTO的工作頻率較高且具有

自關斷能力，省去了強迫換流電路，所以在組成變流器時整機體積減小、質量減小、

效率提高、可靠性增加。在大容量變流設備中，GTO發(fā)揮了其高電壓、大電流的優(yōu)勢，

在機車牽引傳動、交流電機調速、不停電電源和直流斬波調速等領域被廣泛應用。?GTO的缺點：①關斷增益較小，所需門極驅動電流較大；②為限制du/dt及關斷損耗需設備專門的緩沖電路，這部分電路消耗一定能量，而且需要快速恢復二極管、無感電阻、無感電容等器件。1.2.4

電力電子器件

1.2.4

電力電子器件2)

絕緣柵雙極型晶體管

(IGBT)?IGBT是一種增強型場控(電壓)復合器件，?優(yōu)點：集大功率晶體管GTR通態(tài)壓降小、載流密度大、耐壓高和功率MOSFET(金屬-氧化層半導體場效應晶體管)驅動功率小、開關速度快、輸入阻抗高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點于一身。?智能型功率模塊IPM是以IGBT技術為基礎的電力電子開關，由高速低功耗的管芯和優(yōu)化的門極驅動電路以及快速保護電路構成。?與IGBT器件相比，IPM的特點：①快速的過電流保護；②過熱保護；③橋臂對管互鎖保護；④器件布局合理，無外部驅動線，抗干擾能力強，工作可靠性高；⑤驅動電源欠電壓保護。

1.2.4

電力電子器件3)

集成門極換流晶閘管

(IGCT)?IGCT的特點：①采用了“穿通型”結構，硅片厚度約減少30%，有利于減少工作損耗；②采用了“陽極透明發(fā)射極”結構，使器件關斷更均勻、快速；③在結構上將半導體元件與門極電路合成一體，簡化了應用，提高了性能；④封裝為低電感，實現(xiàn)了硬關斷，縮短了下降時間，降低了關斷損耗。?IGCT器件適用于大功率高壓變流器，特別是電力補償器、有源濾波器、電機驅動裝置、可再生資源發(fā)電系統(tǒng)、電力牽引裝置等，在工業(yè)傳動和地面設備中已有不俗的業(yè)績。電力電子器件的發(fā)展要求器件的特點：大電流、高電壓、低損耗、高頻率、功能集成化、高可靠性等。電力電子器件的發(fā)展趨勢：緊湊化、薄型化、智能化、集成化，為了使電力電子系統(tǒng)具有高可靠性、高功率密度、高效率以及低成本，電力電子系統(tǒng)集成被認為是最有效的方法。

2.

電力電子器件的發(fā)展趨勢

1.2.4

電力電子器件對交流傳動電力機車控制，集成化

的模塊更為有利，因為它不僅減小了系

統(tǒng)的體積以及開發(fā)時間，也大大增強了系統(tǒng)的可靠性。電力電子器件比較理想的材料是臨界雪崩擊穿電場強度、載流子飽和漂移速度和熱導率都比較高的寬禁帶半導體材料，有砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)等。目的是進一步降低開關器件的通態(tài)損耗和提高器件的耐壓值與耐流值。電力電子器件

為了實現(xiàn)大電流、高電壓1.2.4

電力電子器件為了提高可靠性集成化技術新工藝新材料和簡單化矢量控制系統(tǒng)是采用參數重構和狀態(tài)重構的現(xiàn)代控制概念，實現(xiàn)電機定子電流的勵磁分量與轉矩分量之間的解耦，從而使交流電機能像直流電機一樣分別對其勵磁分量和轉矩分量進行獨立控制，這一控制思想給高性能的交流電機調速技術奠定了理論基礎。為了克服模型運算的誤差，系統(tǒng)低速用電流模型而高速用電壓模型控制為了克服由電機內部壓降造成的耦合，系統(tǒng)加入前饋控制器為了克服運行中電機轉子電阻變化，采用對系統(tǒng)參數辨識修正的方法提高矢量控制性能

的方法1.2.5

控制理論直接轉矩控制系統(tǒng)直接在定子坐標系上計算電機磁鏈和轉矩的實際值，并與磁鏈和轉矩的給定值相比較，通過Bang-Bang調節(jié)器進行轉矩的直接調節(jié)?；Ｗ兘Y構控制系統(tǒng)使系統(tǒng)結構在動態(tài)過程中根據系統(tǒng)當時的偏差及其導數以躍變的方式作預先設定的改變，使系統(tǒng)達到最佳性能指標，并使系統(tǒng)具有對參數的不敏感性和抗干擾的魯棒性。自適應控制系統(tǒng)對于一個較復雜的交流傳動系統(tǒng)，在運行中參數發(fā)生變化時，采用模型參考自適應控制能夠實時地在線確定系統(tǒng)的模型或參數，并及時調速高精度控制。非線性解耦控制系統(tǒng)通過非線性坐標變換和非線性狀態(tài)反饋量，使非線性控制對象完全線性化，同時實現(xiàn)解耦，然后將線性解耦控制的多變量系統(tǒng)轉化成單變量系統(tǒng)。1.2.5

控制理論1.2.6

交流傳動系統(tǒng)的控制技術異步牽引電動機的控制方法經歷了轉差-電流控制、磁場定向控制和直接轉矩控制

3個發(fā)展過程。直接轉矩控制基于定子磁場定向理論，其數學模型簡單、具有更優(yōu)良的動、靜態(tài)性能，其優(yōu)勢越來越明顯基于異步電動機的穩(wěn)態(tài)數學模型，其動態(tài)性能遠不能與直流調速系統(tǒng)相媲美20世紀70年代推出，基于直流調速系統(tǒng)的控制思想對異步電動機進行矢量解耦，實現(xiàn)鏈接、轉矩獨立調節(jié)，達到了與直流調速系統(tǒng)同樣的動態(tài)響應性能轉差-電流控制磁場定向控制脈寬調制(PWM)是變流系統(tǒng)中不可缺少的一個環(huán)節(jié)，它能優(yōu)化變流器的輸出特性。基于不同的目的，產生了許多調制方法。在牽引領域，先后研發(fā)、應用了正弦脈寬調制

(SPWM)技術、電壓空間矢量脈寬調制(SVPWM)

技術、消除諧波法脈寬調制

(SHEPWM)技術。異步牽引電動機具有很陡的機械特性，對機車、動車動輪的空轉、滑行具有一定的防護能力。但為了保證現(xiàn)代機車、動車能在各種軌道狀態(tài)下發(fā)揮盡可能大的牽引/制動力，還需要專門的控制裝置對輪軌黏著進行調節(jié)。牽引電動機發(fā)出的轉矩經傳動機構、車輪到輪軌的過程極其復雜，軌面條件變化多樣，難以描述輪軌黏著的物理模型，得到確切的規(guī)律性。因此在研究黏著控制時，基于理解方式不同可得到各種各樣的控制方法。1.2.6

交流傳動系統(tǒng)的控制技術由于矢量控制、直接轉矩控制、無速度傳感器控制和基于智能化的系統(tǒng)控制等新理論的應用，交流傳動中的控制算法越來越復雜。早期交流電機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一而且系統(tǒng)控制非常不靈活，調試困難，因此阻礙了交流電機控制的發(fā)展和應用范圍的推廣。微電子、信息技術等為交流傳動技術的進步提供了現(xiàn)代控制手段，微計算機和微處理器品質不斷提升，由8位發(fā)展到32位、64位，由定點運算發(fā)展到浮點運算，處理能力大幅提升，構筑了以高速數字信號處理器DSP為核心的實時控制器，使很多功能和算法可以采用軟件技術來完成，為交流電機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能夠達到更高的性能，交流電機的數字控制系統(tǒng)因而得以推廣。1.2.6

交流傳動系統(tǒng)的控制技術調速范圍很寬，從低頻(幾赫以下)啟動到高頻(數百赫)運行

，要求電機在低速范圍內能發(fā)揮最大轉矩和高速范圍內充分利用電機的功率。諧波電流與諧波磁通相互作用產生各種脈動轉矩，使電機在運行中產生振動和噪聲。由逆變器輸出的非正弦電壓供電時，電機的效率、功率因數下降，溫升增高。對于中小型電機來說，即使采用PWM調制，其效率和功率因數也降低1%~2%。運行時，其承受電壓是運行電壓和逆變器換向時產生的尖峰電壓的疊加值，這種峰值電壓數值較高，能使電機層絕緣加速老化及產生電暈。變頻調速用電機與普通電機相比，其運行條件、使用目的以及特性要求都有所不同。變頻調速用

電機1.2.7

變頻電機技術由電壓型逆變器供電的電動機，為了降低諧波電流，電動機漏電抗應設計得較大；對于由電流型逆變器供電的電動機，應減小電動機的漏電抗，以抑制換流時產生的尖峰電壓。變頻異步電動機經常采用低頻啟動，變頻調速電動機調速范圍很寬，要求電動機在最大速度點有一定的過載轉矩。高速運轉的技術問題高速變頻電動機要專門配套設計。高動態(tài)響應的技術問題如果系統(tǒng)要求轉速閉環(huán)控制，則速度檢測需采用磁編碼器和光電編碼器等高精度檢測裝置。1.2.7

變頻電機技術變頻電動機的制造，應考慮以下幾方面的技術問題。根據選用逆變器類型的不同，異步電動機參數有不同的設計方案提高低速轉矩特性和擴大高速恒功率范圍永磁同步電動機的磁極是用新型的永磁材料——鈷、釤制成的，有很高的磁能積，對溫度變化也不敏感。開關磁阻電動機在結構上類似步進電動機，在原理上屬于電流控制的變磁阻連續(xù)運動的電動機，基本

結構和控制技術都很簡單。1.2.7

變頻電機技術永磁同步電動機和開關電路控制的磁阻電動機也開始在變頻調速系統(tǒng)中應用。變頻調速系統(tǒng)永磁同步電動機開關磁阻電動機?對于電力牽引傳動系統(tǒng)而言，無速度傳感器控制技術具有如下優(yōu)點：可以減小牽引電動機的體積，提高電動機輸出功率，提高傳動控制單元(DCU)的系統(tǒng)可靠性，去掉速度傳感器后可以避免因為速度傳感器機械故障導致的系統(tǒng)故障。?目前無速度傳感器控制技術主要有模型參考自適應控制器、全階觀測器、擴展卡爾曼濾波器和高頻諧波注入控制器等。其主要研究熱點是低速時的速度辨識、定子和轉子電阻的參考辨識。由于軌道牽引傳動控制的特殊性，無速度傳感器控制還必須解決諸如過電分相后電動機帶速度重投、零速附近穩(wěn)定發(fā)揮出額定轉矩、低速發(fā)電狀態(tài)時整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性等問題。

1.

無速度傳感器控制技術

1.2.8

牽引傳動新技術?器件的開關性能(兼顧考慮開關損耗和通態(tài)損耗的結果)目前都已經接近于最佳水平了。在無吸收回路的硬開關變流器中，進一步減少損耗的潛力是有限的。對于那些需要最大效率和更高開關頻率的應用場合，必須考慮在交流器中采用軟開關技術，即設法使開關器件在零電流或零電壓的狀態(tài)下實現(xiàn)換流。?軟開關需要兩方面的條件：①重復地使器件上的電壓為零，或強迫流過器件的電流為零，并隨即保持一個足夠長的時間以完成換流；②器件必須在零電壓或零電流期間，盡快完成換流過程。?目前有兩類電路可采用：諧振直流環(huán)節(jié)和諧振吸收回路。

2.

軟開關技術

1.2.8

牽引傳動新技術?直接驅動是將驅動電動機與其負載-車軸直接連接起來，電動機產生的轉矩不經齒輪而直接傳遞到車輛輪對上。隨著鐵路機車車輛技術領域對維修方便、節(jié)約能源、降低噪聲等提出了越來越高的要求，采用直接驅動系統(tǒng)會有很好的改善效果。為了達到機車牽引的要求，永磁同步電動機作為直接驅動的牽引電動機具有體積小、重量輕、控制簡單、可靠性高、

功率因數及效率高的優(yōu)點。?設計永磁同步牽引電動機時要求其體積小、重量輕、輸出功率大，并能在控制中實現(xiàn)機車啟動時的輸出大的啟動轉矩，且在很寬的速度范圍內實現(xiàn)平滑調速，以便達到對機車轉矩控制的目的。現(xiàn)代永磁同步電動機也正向大功率、高轉矩和微型化方向發(fā)展，此發(fā)展趨勢必將推動鐵路直接驅動技術的發(fā)展。

3.

永磁同步電動機直接驅動技術

1.2.8

牽引傳動新技術硅油變壓器硅油比礦物油具有更好的電氣絕緣性能，且硅油還有不易著火、自熄性等性質。超導變壓器采用超導線代替銅導線，具有小型輕量、低耗高效的特點。中頻變壓器采用中頻變壓器也可以實現(xiàn)交流傳動系統(tǒng)的輕量化。車載變壓器小型輕量化方案主要包括硅油變壓器、超導變壓器和中頻變壓器。

4.

變壓器小型化和輕量化技術

1.2.8

牽引傳動新技術由于交流側牽引交流器串聯(lián)連接，各個變流器模塊直流中間回路電壓的點位不同，結果對驅動側則是每個直流中間回路為具有不同電位的獨立驅動電路的一部分，因此需要引入一種新的電動機的概念。由于當前電力電子器件的耐壓等級的限制，可以將多個變流器模塊串聯(lián)連接，并且每個牽引變流器模塊可以采用多電平的拓撲結構，以降低所需電力電子器件的耐壓等級。無牽引變壓器

技術新型電動機設

計與控制技術新型牽引變流器設

計與控制技術

5.

無牽引變壓器技術

1.2.8

牽引傳動新技術動車組牽引傳動系統(tǒng)組成1.3

1.3.1

動車組牽引傳動系統(tǒng)的組成及作用從動車組的發(fā)展過程來看，動車組的傳動方式主要包括交-直傳動方式和交-直-交、交-

交的傳動方式。?交-直傳動系統(tǒng)交-直傳動系統(tǒng)是指機車或動車組采用交流供電而采用直流電動機驅動動車組運行的傳動系統(tǒng)。從下圖可以看出，為了能夠用電網提供的交流電驅動直流電動機工作，系統(tǒng)中采用了變流器，將交流電轉換成直流電，并通過對變流器的控制來調整直流電動機的工作速度。交-直牽引傳動系統(tǒng)構成1.3.1

動車組牽引傳動系統(tǒng)的組成及作用?交-直-交牽引傳動系統(tǒng)交-直-交牽引傳動系統(tǒng)主要由受電弓(包括高壓電氣設備)、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。牽引傳動系統(tǒng)組成如下圖所示。受電弓將接觸網的AC25kV單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，

經變壓器降壓后的單相交流電供給脈沖整流器，脈沖整流器將單相交流電變換成直流電經中間直流電路將直流電輸出給牽引逆變器，牽引逆變器輸出電壓、電流、頻率可控的三相交流電供給三相異步牽引電動機，牽引電機軸端輸出的轉矩與轉速通過齒輪傳動傳遞給輪對

，轉換成輪緣牽引力和線速度。交-直牽引傳動系統(tǒng)構成?交流傳動系統(tǒng)交流傳動系統(tǒng)是指由各種變流器供電的異步或同步電動機作為動力的機車或動車組傳動系統(tǒng)。目前交流器主要有直接式變流器(即交-交變流器)

和帶有中間環(huán)節(jié)的間接式

交流器(即交-直-交變流器)

兩大類?，F(xiàn)有機車或動車組采用的交流傳動系統(tǒng)基本結構為：電壓型交-直-交變流器供電的異步電機系統(tǒng)；交流型交-直-交變流器供電的異步電機系統(tǒng)；電流型交直交變流器供電的異步電機系統(tǒng)和交-交變流器供電的同步電機系統(tǒng)。從發(fā)展趨勢看，未來干線鐵路牽引將主要采用電壓型交-直-交變流器供電的異步電機系統(tǒng)。1.3.1

動車組牽引傳動系統(tǒng)的組成及作用交-交變流器是把電網的交流能量直接轉換為電壓和頻率適合交流電機調節(jié)的能量。先把電網交流能量轉換成直流能量，然后進一步轉換成電壓和頻率可調節(jié)的交流能量。間接式交流器

(即交-直-交變流器)直接式變流器

(即交-交變流器)交流傳動系統(tǒng)1.3.1

動車組牽引傳動系統(tǒng)的組成及作用?下圖給出了交-直-交牽引傳動系統(tǒng)的能量傳遞關系。①黑色箭頭：列車牽引運行是將電能轉換成機械能，能量變換與傳遞的途徑。②白色箭頭：再生制動運行是將機械能轉換成電能，能量變換與傳遞的途徑。1.3.2

能量變換及其技術實現(xiàn)能量變換與傳遞途徑示意圖1.3.2

能量變換及其技術實現(xiàn)高壓電氣設備?高壓電氣設備完成從接觸網到牽引變壓器的接通與斷開，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；具體功能包括：完成供電系統(tǒng)的接入與斷開控制、網側電流檢測、保護等功能，不參與能量的轉換。?其中受電弓最為關鍵，它負責完成列車運行過程中的高速受流、并確保受流質量。?牽引變壓器用來把接觸網上取得的25kV高壓電變換為供給牽引變流器及電動機、電器工作所適合的電壓，其工作原理與普通電力變壓器相同。?針對高速列車交流傳動系統(tǒng)的特點，為了抑制變壓器二次側電流紋渡、控制開關器件的關斷電流以及抑制網側諧波電流，要求牽引變壓器各繞組有很高的電抗；為了使二次側并聯(lián)的脈沖整流器的負荷平衡，各牽引繞組的電抗必須相等。二次側各繞組之間相互干擾很強時，電流波形會產生紊亂，嚴重影響開關器件的關斷電流，因此各繞組之間要采取磁去耦結構。由于變流器負載的諧波電流等會引起牽引變壓器局部發(fā)熱，對冷卻系統(tǒng)

要求很高；同時高速列車要求其體積小、質量小、性能穩(wěn)定。1.3.2

能量變換及其技術實現(xiàn)牽引變壓器?脈沖整流器是牽引傳動系統(tǒng)的電源側變流器，列車牽引時作為整流器，再生制動時作為逆變器，可以實現(xiàn)牽引與再生工況間快速平滑地轉換。?列車牽引運行時，

將牽引變壓器的牽引繞組輸出的單相交流變換成直流電，并要保證中間直流環(huán)節(jié)的電壓恒定，交流電網側功率因數接近1，使電網電流盡量接近正弦，

減少電網對周圍環(huán)境的電磁污染。對直流側，在電網電壓或負載發(fā)生變化時，能夠維持中間直流電壓的穩(wěn)定，給牽引逆變器提供良好的工作條件。?列車再生制動運行時，將中間直流環(huán)節(jié)的直流電壓變換成電壓頻率、相位滿足要求的單相交流電，通過牽引變壓器實現(xiàn)并網。再生制動及其并網技術是最關鍵的技術問題。1.3.2

能量變換及其技術實現(xiàn)脈沖整流器1.3.2

能量變換及其技術實現(xiàn)牽引逆變器?牽引逆變器是牽引傳動系統(tǒng)的電動機驅動側變流器，列車牽引時作為逆變器，再生制動時作為整流器，可以實現(xiàn)牽引與再生工況間快速平滑地轉換。?列車牽引運行時，將中間直流環(huán)節(jié)的直流電壓變換成電壓、電流、頻率按照牽引特性要求控制的三相交流電，并要保證三相電壓對稱、電流盡量接近正弦，減少諧波及電壓不對稱對牽引電機的影響。列車制動運行時，牽引電機工作在發(fā)電狀態(tài)，將牽引電機輸出的電壓、頻率變化的三相交流電變換成直流電，輸出給中間直流環(huán)節(jié)。?高速列車采用轉子磁場定向矢量控制技術和直接轉矩控制技術實現(xiàn)對逆變器的PWM控制。逆變器-牽引電機的驅動控制技術，是牽引傳動控制系統(tǒng)的核心技術。1.3.2

能量變換及其技術實現(xiàn)牽引電機?牽引電機是實現(xiàn)電能和機械能轉換的最核心的部件，列車牽引時作電動機運行將電能轉化成機械能，制動時作發(fā)電機運行將機械能轉化為電能。高速運行的列車要求牽引電機機械強度能承受很大的輪軌沖擊力，故采用耐電壓、低介質損耗的絕緣系統(tǒng)以適應變頻電源供電。?電機前后端采用絕緣軸承，以防止電機軸承的電蝕；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；電機采用輕質量高強度材料，以減輕電

機自重。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。在輸出功率一定的情況下，為減少體積，采用強迫通風和優(yōu)化通風結構，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。?牽引傳動系統(tǒng)是高壓系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)安全可靠工作，系統(tǒng)的保護十分必要。因此，牽引驅動系統(tǒng)應對各種故障具有檢測和保護功能。?為了有效利用黏著力，牽引變流器設有牽引時檢測空轉并實施再黏著控制的功能，在制動控制裝置設有制動時檢測滑行并進行再黏著控制的功能；?為了在故障和并聯(lián)電機載荷分配不均勻等情況時保護牽引電機，設有電機過流檢測、電機電流不平衡檢測、接地檢測等保護功能。1.3.2

能量變換及其技術實現(xiàn)牽引傳動系統(tǒng)

注意：

第一，動力軸的質量必須足夠提供牽引力所需的黏著力，否則動力車輪將產生空轉，喪失牽引力，不但使電機功率不能發(fā)揮反而會損傷車輪和鋼軌。第二，動力軸的質量又不能過大，否則在高速運行時會產生過大的輪軌力，損壞鋼軌和線路。歐洲高速鐵路網在有關的技術規(guī)程中規(guī)定高速列車的最大軸重不能超170kN，在做牽引力計算時輪軌黏著系數值定為：①低速啟動時：0.2；②100km/h時：0.17；③200km/h時：0.13；④300km/h時：0.09。特點：

集中在頭車的動力設備便于檢修和集中通風冷卻，同時使拖車減少負擔動力設備的質量和噪聲干擾。

1.3.3

動車組牽引方式目前世界上高速電動車組有兩種牽引方式：動力分散方式和動力集中方式。前者以日本為代表；后者以歐洲為代表。?動力集中型將這些動力設備全部設置在一輛頭車中，如下圖所示，全列車的牽引力由集中在動力頭車的動力輪對上的電動機提供。動力集中型1.3.3

動車組牽引方式另一種動力系統(tǒng)配置方法，卻將全列車分為若干個動力單元，在每一個動力單元中帶牽引電機的驅動軸 (動力軸)分散布置在單元的每一個或部分車軸上，更重要的是將傳動系統(tǒng)的各個動力設備也分散地設置在各個車輛底下，而不占用任何一節(jié)車廂。下圖是該類動力配置的一個例子，圖示為2輛動力車和l輛無動力拖車(簡稱2動1拖)組成的一個列車單元。列車可以按需要由若干個單元組成，列車兩端必須設有帶駕駛室的頭車。由圖例可見動力系統(tǒng)的主要設備：主變壓器(MTr)、變流器/逆變器(C/I)以及空壓機、空調機等輔助設備都以吊掛的方式置于各車體的底部。為了平衡質量分配，拖車下面也安裝一定的動力設備，圖示為一種典型的配置方式，主變壓器承擔前后2臺動力車的功率供給，即2臺動力車共用一臺主變壓器。動力集中型動力分散型動力分散布置列車的單元一般可由2~4輛車構成。根據列車的牽引、加速、最高速度等特性決定各單元動力車(M)和拖車(T)的組合。如可能的組合有2M，2M＋1T，2M＋2T，3M＋1T，4M，等。特點：

①包括頭車在內的各車廂都用來布置乘客座席和旅客設施；②每組單元都具有完善的牽引、制動、控制、信息和輔助電源系統(tǒng)這；③每列編組中設2架受電弓，采用高壓線連接以抑制離線和電弧的發(fā)生；④動力設備分散于車底下部，設備的工作環(huán)境和檢修條件較差。1.3.3

動車組牽引方式?動力分散方式列車頭尾各有一臺動力車，中間為拖車，如果動力不夠，靠近動力車的中間車轉向架亦裝有牽引電動機，這種動力布置方式實質上是傳統(tǒng)機車牽引方式的變形。動力分散型動車組軸重小，牽引力大，氣動加速快，驅動動軸多，黏著性能比較穩(wěn)定，容易實現(xiàn)高速運轉；其動力設備均可安裝于地板底下，所有車輛(包括頭車和中間車)均可作為客車使用，這樣可提高列車定員。以新干線300系為例，其額定功率為12000kW，啟動加速牽引力可達到360kN，每噸啟動加速牽引力可達到0.5kN，由啟動加速到250km/h速度的時間僅需215s、走行9.6km。新干線300系每米定員為3.29人，超過TGV-A的2.04人和ICE的1.85人。基于這種特點，動力分散型動車組比較適合鐵路路基較軟、站距較短的日本等國家。40年來，日本始終堅持動力分散電動車組，從0系帶700系，一直不變取得輝煌成績。之所以取得這樣大的成績的原因：①輪軌作用力小，牽引、制動性能良好；②采用交流傳動(300系開始)；③部件輕量化；④采取了減小運行阻力和噪聲的措施。1.3.3

動車組牽引方式?

從輪軌關系來看，理論上每根動軸能傳遞的牽引功率為軸重、黏著系數和速度的乘積，而實際上能實現(xiàn)的功率受輪徑、傳動裝置布置方式和電傳動技術水平等的限制。?由于動力分散方式電動車組的輪徑和車體底下空間位置比動力集中方式的小(實際上也不需要大)，所以就單軸功率而言，動力分散方式的小，目前最大為550kW；動力集中方式的大，目前最大可達1200kW。就車組總功率而言，由于動力分散方式動軸多，可以超過10000kW；動力集中方式目

前尚未超過10000kW。當然也可以在動力車相鄰的中間車轉向架上加牽引電動機的辦法來增加總功率。但總的來說，只要站線長度允許，動力分散方式可以增加動力單元，其總功率比動力集中方式大，從而可牽引更多的旅客，啟動加速度快。1.3.3

動車組牽引方式可從如下幾個方面來分析動力集中與動力分散之間的特點

1.

牽引總功率和軸功率

?

根據日本新干線的運用經驗，在速度和簧下質量一定時，軌道下沉量隨著軸重增加而增加。所以采用動力分散方式的理由之一是可以減少線路建設費用并降低軸重。一般軸重在160kN以下，300系車降到114kN。動力集中方式日本電動車組一般軸重大，規(guī)定不超過170kN，但ICE車高達195kN。所以就最大軸重而言，動力集中方式比動力分散方式大，對線路不利。但對軌道的破壞不只是軸重，簧下質量也起著同樣重要的作用。?日本曾就軸重140kN、100kN計算了簧下質量與運行速度的關系。結果表明，如果簧下質量不變，即使減輕軸重，對軌道的破壞不會有太大的好轉，簧下質量必須與軸重一起減少。

2.

最大軸重和簧下質量

1.3.3

動車組牽引方式動力分散方式一般軸重較輕，單軸黏著力也較小，但由于動軸多，可以發(fā)揮的黏著牽引力大；而動力集中方式雖然軸重大，單軸黏著力大，但由于動軸少，單軸黏著利用接近極限，可以發(fā)揮的總的黏著牽引力小。就啟動加速度而言，經計算表明，在低速區(qū)段，動力分散方式可

以充分利用黏著質量大的特點，

動力集中方式黏著質量小，

低速時采用恒流控制。動力分散方式的一個主要優(yōu)點是動軸多，對每個動軸都可以施加電力制動和盤形制動，制動功率大，甚至可以超過牽引功率，使列車迅速停車。動力集中方式動軸少，制動功率沒有動力分散那么大。

3.

黏著利用

4.

制

動1.3.3

動車組牽引方式?原西德曾把動力分散方式電動車組與一臺BR41型電力機車牽引三輛客車的穿梭列車做過比較，結果表明，如果只分析每千米折舊維修費，則BR430型電動車組約貴50%

，

BR420/421電

動車組約貴20%。

日本也承認動力分散方式維修費用比動力集中方式電動車組高得多。?采用動力分散可增加乘員，并使整列車質量分布更均勻，隨之降低了最大軸重，得到了更好的牽引特性和降低單位座席的質量。還提高了再生制動的利用率，制動功率8.2MW，最大電制動力為300kN，相當于ICE2“短編組”的2倍，減少了盤形制動的磨耗量及維修費用。采用動力分散方式電動車組，電氣設備分散、總重大、造價高。

6.

維修費用

5.

制造成本

1.3.3

動車組牽引方式?早期的電力牽引傳動系統(tǒng)均采用交-直傳動，用直流電動機驅動。采用抽頭切換，

間斷控制或可控硅連續(xù)相位控制技術進行調速。由于直流電動機的單位功率質量較大，直流牽引電動機一般不超過500kW，使高速列車既要大功率驅動又要求減輕軸重，特別是減輕簧下部分質量，形成難以克服的矛盾。?到20世紀80年代末90年代初，高速列車開始采用交流電動機驅動。并存在兩種不同的技術路線，即交流同步電機和交流異步電機。1.3.4

動車組供電牽引系統(tǒng)發(fā)展概況①結構簡單，可靠性高，維護少，價格低，易于制造；②功率大(目前，世界上最大的直流牽引電機功率為1000kW，而交流牽引電機功率，已達到l800kW)，效率高，質量小；③無換向引起的電氣損耗和機械損耗，無環(huán)火引起的故障；④耐振動、沖擊的性能較好；⑤耐風雪，多塵，潮濕等惡劣環(huán)境；⑥具有可持續(xù)的大啟動牽引力；⑦過載能力強(僅受定子繞組熱時間常數的影響)；⑧轉速高，功率/質量比高，有利于電機懸掛；⑨轉矩-速度特性較陡，可抑制空轉，提高黏著利用率；⑩在幾臺電機并聯(lián)時，不會發(fā)生單臺電機空轉現(xiàn)象；1.3.4

動車組供電牽引系統(tǒng)發(fā)展概況交流傳動系統(tǒng)采用三相交流鼠籠式感應電機。三相異步電機與直流電機相比具有很多優(yōu)點：?由于取消了整流子和電刷，大大減少了維修工作量(據統(tǒng)計，不到直流電機的1/3)。?

交流調速傳動系統(tǒng)中的變流器，無論是電源側的整流器還是電機側的逆變器都屬于開關電路，電路中開關器件的周期性通斷，從根本上破壞了交流電壓、電流的連續(xù)性和正弦性。?

電壓、電流中的高次諧波，一方面給交流電網帶來嚴重危害；另一方面交叉使電機運行性能惡化。?諧波電流產生的脈動力矩，會引起運動軸系振動，增大運行噪聲，嚴重時還會使電機不穩(wěn)定運行。減小諧波含量的有效辦法是牽引變流器采用PWM技術。高速列車牽引變流器均采用PWM控制技術。電力電子器件是牽引變流技術的基礎和核心。誕生于20世紀80年代的新型全控制電力電子器件IGBT是一種MOSFET與晶體管復合的器件，由于它既有易于驅動、控制簡單、開關頻率高的優(yōu)點，又有功率晶體管的導通電壓低、通態(tài)電流大、損耗小的顯著優(yōu)點，IGBT的發(fā)展及應用領域的拓展十分迅速。高速動車組牽引變流器的功率電子器件大多采用大功率IGBT/IPM。

1.

新型全控電力電子器件的應用

2.

牽引變流器PWM控制技術1.3.4

動車組供電牽引系統(tǒng)發(fā)展概況?高速列車牽引傳動系統(tǒng)是一個多變量、非線性和強耦合的系統(tǒng)。通常電壓(或電流)和頻率是可控的輸入量，輸出量則是轉速、位置和力矩，它們彼此之間以及和氣隙磁鏈、轉子磁鏈、轉子電流等內部量之間都是非線性耦合關系。?矢量控制系統(tǒng)是采用參數重構和狀態(tài)重構的現(xiàn)代控制概念，實現(xiàn)電機定子電流的勵磁分量與力

矩分量之間的解耦，從而使交流電機能像直流電機一樣分別對其勵磁分量和力矩分量進行獨立控制，是交流驅動控制最有效的方法之一。?直接力矩控制方法與矢量解耦控制的方法不同，它無須進行兩次坐標變換及求矢量的模與相角

的復雜計算，而是直接在定子坐標系上計算電機磁鏈和力矩的實際值，并與磁鏈和力矩的給定值相比較，通過二點式調節(jié)器進行力矩的直接調節(jié)，加快了力矩的響應速度，使響應時間控制在一拍之內，能使系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能得到很大的提高。

3.

列車驅動控制技術

1.3.4

動車組供電牽引系統(tǒng)發(fā)展概況動車組的技術特點1.4

CRH1型動車組是一種全面采用先進技術、現(xiàn)代化的動力分散型電動車組。該列車為8輛車編組，其中5輛車為動車，3輛車為拖車，設計運營速度為200km/h，最高試驗速度為250km/h。CRH1型動車組轉向架采用成熟的設計概念，懸掛系統(tǒng)的設計能最大限度地降低軌道作用力，減少車輪磨耗和噪聲；電動機變流器由微處理器控制，具有自檢、自診斷和保護功能，模塊化程度高，冷卻系統(tǒng)的效率高，控制系統(tǒng)協(xié)調性好；列車網絡系統(tǒng)的軟硬件設計模塊化程度高、智能化程度高，為列車高速、安全運行提供了可靠的保證，同時也為旅客提供了健康和舒適的旅行環(huán)境。1.4.1

CRH1型動車組1)

牽引電動機與牽引變流器優(yōu)化匹配牽引電動機能在牽引工況下，將列車獲得的電能轉換成機械能，并牽引列車前進，在制動工況下，又能將車輪的機械能轉換成電能而產生制動力。一個動車轉向架上有2個牽引電動機，并聯(lián)連接到一個電動機變流器上，牽引電動機的運行工況受電動機變流器微機控制系統(tǒng)監(jiān)控。牽引電動機與牽引變流器統(tǒng)一進行優(yōu)化匹配設計，減小波形畸變和轉矩波動，噪聲小，

損耗小。這種設計還能夠最大限度地減少牽引電動機的零部件磨損，減少設備維修時間，

提高系統(tǒng)可靠性。

1.

主要技術特點

1.4.1

CRH1型動車組

1.4.1

CRH1型動車組2)微機控制的牽引電動機變流器電動機變流器模塊將直流環(huán)節(jié)電壓轉變成可變電壓、可變頻率的對稱的三相電壓，一臺電動機變流器向兩臺并聯(lián)的牽引電動機供電。電動機變流器的功率器件是IGBT模塊，IGBT為電壓驅動方式，開關頻率高，模塊的抗干擾及短路保護能力強，損耗小，性能好，工作可靠。此外，大功率IGBT模塊本身絕緣，外殼不帶電，冷卻方便，系統(tǒng)結構簡單。電動機變流器由微機控制，具有自檢、自診斷和保護功能，模塊化程度高，冷卻系統(tǒng)的效率高，控制系統(tǒng)協(xié)調性好。

1.4.1

CRH1型動車組3)高度自動化的牽引控制系統(tǒng)CRH1型動車組8輛車分為3個基本列車單元，每個基本單元有相對獨立的高壓系統(tǒng)、

牽引系統(tǒng)和輔助動力供給系統(tǒng)。列車兩端的帶司機室的動車、帶弓拖車和普通動車各為一個單元，列車中部的普通動車和二等車餐車合造車為一個單元。每個單元的高壓、牽引和輔助動力供給系統(tǒng)基本相同，各單元控制設備包括列車控制設備(VCU)、牽引設備(PCU)、驅動控制設備(DCU/X)、蓄電池充電控制設

備(BCC/I)和輸入/輸出(I/O)設備等。牽引控制系統(tǒng)是一個基于現(xiàn)場總線的分布式控制系統(tǒng)，牽引控制的總線型式為MVB，各列車基本單元獨立運行，受列車主控制器的協(xié)調與監(jiān)控。

1.4.1

CRH1型動車組4)模塊化、智能化的列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)CRH1型動車組通過列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)

實現(xiàn)對全列車的控制和管理。TCMS是分布式計算機系統(tǒng)，全車需要控制的裝置都在TCMS的監(jiān)控之下，如牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、壓縮空氣供給系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、輔助電氣系統(tǒng)、車鉤系統(tǒng)、列車安全和自動保護系統(tǒng)、旅客信息系統(tǒng)、車內環(huán)境調節(jié)系統(tǒng)、內外門系統(tǒng)、供水和衛(wèi)生間系統(tǒng)、餐飲系統(tǒng)、火災檢測系統(tǒng)、軸溫警報系統(tǒng)、后視鏡系統(tǒng)等。TCMS是通過列車通信網絡對這些系統(tǒng)進行宏觀監(jiān)控的，每個系統(tǒng)都自帶有安裝在其附近的、可獨立運行的、完備的微機控制裝置，即控制的執(zhí)行是分散的；司乘人員通過TCMS給這些控制裝置發(fā)送命令、接收其狀態(tài)和故障信息，實現(xiàn)集中監(jiān)控。CRH1型動車組的列車網絡系統(tǒng)的軟硬件設計模塊化程度高、智能化程度高，為列車高速、安全運行提供了可靠的保證，同時也為旅客提供了健康和舒適的旅行環(huán)境。

1.4.1

CRH1型動車組5)電空及再生制動系統(tǒng)CRH1型動車組采用動力制動和空氣制動相結合的制動方式，動力制動采用再生制動方式，空氣制動用盤形制動。在拖車轉向架上，制動盤放置在車軸上(每根軸上3個制動盤)，在動車轉向架上，制動盤安裝在車輪輻板上，這樣就保證了全列車所有的轉向架都可實施盤形制動，不但使制動力得到保證，而且提高了制動的平穩(wěn)性。CRH1型動車組的制動系統(tǒng)由微機控制，不但可以根據列車速度、制動方式(常規(guī)制動還是緊急制動)等情況自動在動力制動與空氣制動之間分配制動力，而且空氣制動本身也采用了電空制動(制動指令由電信號傳遞，制動力由壓縮空氣產生)

，保證了良好的制動性能。420.4t，213.5m≤160kN915mm2700mmAC25kV，50HzIGBT水冷VVVF265kW分體式空調系統(tǒng)0.6m/s2直通式電空制動≤2000m三相AC380V，50Hz，DC100V8輛編組，可兩列編組連掛運行2(2M＋1T)＋(1M＋1T)

670人200km/h250km/h1435mm交-直-交型變頻5500kW26950mm26600mm3328mm4040mm編組質量及長度軸重輪徑轉向架固定軸距受流電壓牽引變流器牽引電動機空調系統(tǒng)啟動加速度制動方式緊急制動距離(制動初速度為200km/h)輔助供電制式編組型式動力配置定員最高運營速度最高試驗速度適應軌距傳動方式牽引功率頭車車輛長度中間車輛長度車輛寬度車輛高度

2.

主要技術參數

1.4.1

CRH1型動車組成熟動車組的原型車為日本新干線動車組，其主要系統(tǒng)和部件均有長時間的運營業(yè)績?？煽縿榆嚱M采用了先進的防滑、防空轉控制系統(tǒng)和自動列車保護系統(tǒng)，為列車在各種運行環(huán)境下的準時性提供了可靠的保障。先進動車組采用鋁合金型材車體，采用了先進的IGBT功率器件及變壓變頻調速(VVVF，Variable

Voltage

and

Variable

Frequency)控制牽引方式。適用動車組具有速度提升能力，通過調整動車、拖車比例，能夠靈活適應200~300km/h各種速度等級運行。另外，動車組還可通過兩列自動聯(lián)掛滿足大運量需求。經濟動車組采用流線型頭形，各車輛的最大軸重僅140kN，牽引和制動能耗低。另外，

列車采用再生制動方式，在節(jié)能、環(huán)保以及減少機械損耗等方面具有獨特的優(yōu)越性。1.4.2

CRH2型動車組CRH2型動車組為動力分散、交流傳動電動車組。動車組具有以下技術特點。1)高速轉向架高速轉向架采用無搖枕式轉向架、

H形構架；二系采用具有高度自動調節(jié)裝置的空氣彈簧懸掛，且其輔助風缸由橫梁內腔承擔；采用單拉桿式中央牽引裝置傳遞縱向力，采用抗蛇行減振器兼顧高速穩(wěn)定性和曲線通過性能；一系采用轉臂式定位，軸箱彈簧采用雙圈鋼圓簧；采用小輪徑(860mm)車輪減少簧下重量，采用內孔為60mm的空心車軸；全部車輪設有制動輪盤，所有拖車轉向架車軸上還裝有制動軸盤。基礎制動裝置采用特殊的液壓油缸卡鉗式盤型制動，制動裝置體積??；裝有踏面清掃裝置，以改善輪軌間運行噪聲和黏著狀態(tài)；動車轉向架上裝用輕型交流異步牽引電動機，

通過撓性浮動齒式聯(lián)軸器與齒輪箱連接，驅動列車運行。

1.

主要技術特點

1.4.2

CRH2型動車組

1.4.2

CRH2型動車組2)輕型牽引系統(tǒng)CRH2型動車組采用VVVF控制牽引方式，牽引變流器采用IGBT，工作頻率

為1500Hz，牽引電動機采用三相籠型異步電動機，功率為300kW。動車組牽引系統(tǒng)各部件體積小、質量更小、集成化程度高，使得動車組牽引變壓器和牽引變流器可以整合到同一輛車上，即兩個動力車可組成一個基本動力單元。

1.4.2

CRH2型動車組3)復合制動系統(tǒng)制動系統(tǒng)為復合制動模式，動車采用再生制動＋電氣指令式空氣制動，拖車采用電氣指令式空氣制動。制動系統(tǒng)由制動信號發(fā)生裝置、信號傳輸裝置、控制裝置、基礎制動裝置以及空氣供給系統(tǒng)組成?；A制動均采用空壓-油壓變換的增壓氣缸和油壓盤式制動裝置。制動控制裝置分常用制動、快速制動、緊急制動、防雪制動。其主要特點為：①具有適應黏著變化規(guī)律的速度-黏著控制模式；②具有根據載荷自動調整制動力的能力；③具有防滑保護控制；④以1M＋1T為單元進行制動力的協(xié)調配合，充分利用動車再生制動力，減少拖車空氣制動力使用，僅在再生制動力不足時才由空氣制動力補充；⑤具有與車載ATP/LKJ2000的接口，施行安全制動；⑥具有故障診斷和相關信息保存功能。為了克服列車在高速運行下，特別是在會車和進入隧道時造成的客室內外空氣的壓力差傳到客室內，CRH2型動車組采用供排氣一體的換氣裝置。換氣裝置采用變頻器控制送風機的運行轉速，動車組運行速度高于160km/h時，送風

機高速運行，動車組運行速度低于160km/h時，風機低速運行。通過提高換氣裝置送風機的靜壓力性能，能夠很好地抑制客室內的壓力變動，同時確?？褪覂刃嘛L量的要求。

1.4.2

CRH2型動車組4)保持車內壓力穩(wěn)定的換氣裝置氣溫條件編組形式定員最大軸重動車組全長動車組高動車組寬軌距供電制式牽引功率起動加速度剩余加速度(200km/h)動車組運行速度動車組試驗速度車鉤形式動車組車鉤高兩端過渡車鉤高通過最小曲線半徑聯(lián)掛運行時單車調車時車門地板距軌面高度轉向架中心距轉向架固定軸距輪徑制動距離初速度為200km/h時初速度為160km/h時－25~＋40C4動4拖610人140kN201.4m3700mm3380mm1435mm單相AC25kV，50Hz4800kW≥0.406m/s2

≥0.1m/s2200km/h250km/h密接車鉤1000mm880mm180m130m1300mm17500mm2500mm860mm≤2000m

≤1400m

2.

主要技術參數

1.4.2

CRH2型動車組CRH3動車組是在德國西門子ICE3/VelaroE成功開發(fā)的基礎上，適應中國的客運需求進行適應性優(yōu)化設計而來的。它繼承了ICE3/VelaroE高速電動車組的高新技術，并根據技術的發(fā)展趨勢進行了改進。CRH3動車組為4M＋4T8輛編組，采用電力牽引交流傳動方式，

由兩個牽引單元組成，每個牽引單元按2M＋lT構成。動車組具有良好的氣動外形，兩端為司機室，列車正常運行時由前端司機室操縱。兩列動車組可以聯(lián)掛運行，自動解編。CRH3動車組設置一等座車一輛、二等座車6輛和一輛帶廚房的二等座車。一等車廂座席采取2＋2布置，二等車車廂座席采取2＋3布置，除帶廚房的二等座車采用固定座椅外，其余車型均采用了可旋轉座椅，全車定員557人。1.4.3

CRH3型動車組①車體：

采用大型擠壓中空鋁型材焊接而成，司機室采用彎曲鋁型材梁和板狀鋁型材作蒙皮的焊接結構。車體的強度按ENl2663進行設計。②防火安全性：

可滿足火災發(fā)生后，在80km/h的速度下運行10min的要求，車體、電氣柜和重要電纜、外端門、重要電纜和系統(tǒng)的防護、材料選擇等都采用特殊的設計。③轉向架：

采用經過實踐驗證、性能優(yōu)良的SF500轉向架。為適應車體的加寬和速度的要求，僅對枕梁、減振器、彈簧參數、傳動比等進行了適應性的改變和優(yōu)化。④牽引系統(tǒng)：

牽引功率同為8800kW，牽引部件分散配置在6輛車上。主變壓器設計成單制式的變壓器，容量為5.6MV·A，與Velaro

E動車組不同的是它取消了輔助繞組。主變壓器采用強迫導向油循環(huán)風冷方式，當變壓器冷卻系統(tǒng)的送風機故障時，車輛的可用牽引力只減少25%。牽引變流器采用結構緊湊、易于運用和檢修的模塊化結構，相模塊采用的半導體器件是IGBT。

1.

主要技術特點

1.4.3

CRH3型動車組⑤輔助供電系統(tǒng)：

采用列車線供電方式，由分散布置在若干車廂的各個電源設備向干線供電。車輛的車載電源的電力是通過牽引變流器的直流環(huán)節(jié)獲得的。輔助變流器(ACU)把直流電轉換為車輛的車載電源系統(tǒng)的三相交流電。⑥網絡控制系統(tǒng)：

由列車控制微機網絡系統(tǒng)完成信息傳輸功能。列車控制微機網絡

系統(tǒng)由兩級傳輸組成：MVB和WTB。列車通信和控制微機網絡系統(tǒng)應為車載分布式計算

機網絡系統(tǒng)，可由多級網絡構成。通信協(xié)議基本上基于標準VIC556和IEC61375-1:1999。⑦采用獨特的降噪設計，以速度350km/h運行時車內噪聲水平：一等座車不大于65dB，二等座車不大于68dB。

1.

主要技術特點

1.4.3

CRH3型動車組150kN2.950

m3.890

m24.775

m25.675

m2.500

m17.375

m三相440V，80Hz，DC110V車載分布式計算機網絡系統(tǒng)4M4T，可兩列重聯(lián)2(2M＋1T)＋2T380t200.67

m8800kW16550kW21.05kW/t350km/h≤400km/h軸重