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1、1 北京交通大学电气工程学院：刘建强 联系电话：13581918975 Email： 科研技能训练科研技能训练 2 第一部分第一部分 科学道德与规范科学道德与规范 第二部分第二部分高速列车牵引变流器热容量研究高速列车牵引变流器热容量研究 Topic7 科研实例科研实例 第二部分第二部分从事科学研究应具备的能力从事科学研究应具备的能力 3 第一部分 科学道德与规范第一部分 科学道德与规范 一研究者的基本品格 1对科学的热爱 对科学的热爱，使得研究者能够不屈不挠，百折不 回。对科学美的追求，对科学的执著追求和献身精 神，也是研究者特别是科学家从事科学研究的高尚 品格。 (1) 开普勒:：发现行星运
2、动三定律； (2) 查德威克：证明了中子的存在； (3) 而居里夫人：在上千吨矿石中提纯1克镭。 4 2强烈的好奇心 热爱科学研究的人，往往具有超乎寻常的好奇心，这种强烈 的愿望会使其忘掉研究工作之外的一切事情，进而达到痴迷 的程度。 3对目标的执著 科学研究并非一帆风顺，对目标的执著使某些科学家虽身受 科学磨难，但依然能够做出惊人的科学发现或重大的技术创 新业绩。 5 4高度的社会责任感 高度的责任感是一个科学工作者从事科研工作的必备条件。大 凡取得成功并有所成就的科学家，他们在从事科学研究时，都 会从社会责任感的角度评估科其研成果的利弊和社会价值。 二研究者的道德观念 1实事求是，尊重客观
3、规律和科学事实 哥本哈根学派的核心人物玻尔。 2尊重他人工作，客观、公正地对待自己的成果 哈代与李特尔伍德在学术上的默契合作。 3积极参与学术争鸣，善待他人批评，有错必纠 奥斯特瓦尔德勇于承认并改正错误。 6 4正确对待研究中的保守秘密 爱尔希特善于沟通，与人合写高质量论文约1500篇。 5努力工作，为国争光 (1) 居里夫人：发现放射性元素“钋”。 (2) 钱学森：“两弹一星”元勋。 7 三科学界的不良记录 1月球新景物假科学之谎言 2辟尔唐古化石世纪大骗局 3118元素事件虚假科技突破 4系列论文造假明日之星陨落 5耶鲁医学院事件师徒联合剽窃 6艾滋病发现权法美八年争夺战 7萨默林老鼠免疫
4、移花接木造假 8聚合水事件无中生有的“发现” 9克隆干细胞从辉煌走向深渊 10“汉芯一号”造假急功近利的恶果 8 第二部分 高速列车牵引变流器热容量研究第二部分 高速列车牵引变流器热容量研究 项目名称：CRH3型动车组牵引传动系统热容量研究 研究目标：对CRH3型动车组牵引传动系统关键部件的热 容量进行测试分析，研究遂道及滤网的清洁度对进风量的 影响，研究列车运行速度与进风量之间的关系，验证牵引 系统的冷却系统是否能满足动车组持续350km/h运行的需 求，并为新一代高速动车组牵引系统关键部件的冷却系统 的选型设计提供技术参数依据。 9 图1 世界高速铁路的发展 10 图2 我国十二五铁路的发
5、展规划 11 2008年8月1日中国第一条时速300km的客运专线 京津城际铁路正式投入运营，掀起了我国高速铁路建设的 又一高潮。截止到2010年底，我国高速铁路运营里程达到 8358公里，已经成为全世界高铁运营里程最长的国家。根 据国务院批准的中长期铁路网发展规划，到2020年， 我国铁路营业里程将达到12万公里以上，其中高速铁路达 1.6万公里以上，最终将形成世界上规模最大的高速铁路 网，其建设规模将超过世界高速铁路的总和。 目前，我国时速200公里以上的动车组分别由有四方 股份、长客股份、唐车公司及BSP公司制造生产，其总体 技术条件基本一致，但在个别之处仍存在一定差异。 12 CRH1
6、 CRH2 CRH3 CRH5 13 原型车Regina 庞巴迪Regina 庞巴迪 最高运营时速200公里,1998年投入运营； 在北欧地区使用广泛，运营数量大，技术成熟； 理想的中短途客运和城际交通用车。 14 原型车E2-1000 川崎重工E2-1000 川崎重工 设计时速315公里，运营时速275公里，2002年投入运营； 代表日本新干线最先进的动车组技术； 可满足中国铁路高速客运需要。 15 原型车Velaro-E 西门子Velaro-E 西门子 设计时速350公里，运营时速350公里，2005年投入运营； 代表西门子最先进的动车组技术； 可满足中国铁路高速客运需要。 16 原型车S
7、M3 阿尔斯通SM3 阿尔斯通 设计时速220公里，1995年投 入运营； 技术成熟、是欧洲广泛使用 的Pendolino系列列车之一； 适合高寒地区使用。 17 1 2 3 4 567 8 9 10 1受电弓；2主断路器；3牵引变压器；4四象限变流器（网侧）； 5中间回路；6逆变器（电机侧）；7牵引电动机；8传动装置； 9牵引控制单元（TCU）；10列车控制与管理系统（TCMS） 图3 列车牵引传动系统结构 18 牵 引 高压设备高压设备牵引变流牵引变流牵引驱动牵引驱动 高压电器高压电器 主变压器主变压器 四象限四象限 中间电压中间电压 过压保护过压保护 牵引逆变器牵引逆变器 牵引电机牵引电
8、机 齿轮箱齿轮箱 车轮车轮 网侧变流控制器网侧变流控制器电机侧变流控制器电机侧变流控制器 车辆控制车辆控制 接触网 受电弓 主变压器 变流器 牵引电机 钢轨 牵引系统关系链 再 生 19 图4 能量变换与传递途径示意图 需要注意的是在整个能量转换的过程中，在各个转换 点都存在损耗，而这些损耗造成温升的影响，因此在整个 交流牵引传动系统中散热装置是必不可少的装置，例如主 变压器的冷却单元，主变流器的冷却单元，牵引电机的通 风机单元等等。 20 1 1 3 AC 25kV / 50Hz TW1 TW2 Trafo/ Transformer RMUB Traktionscontainer/ Trac
9、tion container Netzspannungswandler/ Line voltage transformer Netzstromwandler/ Line current transformer Trafostromwandler/ Transformer current transformer Erdstromwandler/ Earth current transformer MUBPWR/PWMICD4QS/4QCCSKNTS; VLE VLW 4 Fahr- motoren / 4 Traction motors Spw TW3 TW4 ESE Energieversor
10、gungsblock/ Auxiliary converter unit ASG/TCU KS Dachleitung/ High voltage roof line LSK 图5 CRH3型动车组牵引系统主电路示意图 21 图6 CRH3型动车组牵引变流器原理示意图 22 图7 牵引变流器冷却系统原理示意图 23图8 牵引变流器冷却系统实物图24 为什么要研究高速动车组牵引变流器的热容量？ CRH 380AL CRH 380BL 25 如何开展研究？如何开展研究？ 确定研究目标； 查阅文献，确定研究方法； 仿真研究（利用仿真工具进行仿真研究）； 试验研究（研制相关试验设备，开展试验测试研究）
11、； 研究成果的归纳总结；（论文、专利、软件著作权等） 26 确定研究目标：确定研究目标： 对CRH3型动车组牵引传动系统关键部件的热容量进行 测试分析 热容量进行 测试分析，研究遂道及滤网的清洁度对进风量的影响，研究 列车运行速度与进风量之间的关系 研究遂道及滤网的清洁度对进风量的影响，研究 列车运行速度与进风量之间的关系，验证牵引系统的冷却系 统是否能满足动车组持续350km/h运行的需求，并为新一代 高速动车组牵引系统关键部件的冷却系统的选型设计提供技 术参数依据。 27 图9 热交换器实物示意图 28 查阅文献：查阅文献： （1）查阅牵引变流器冷却系统相关文献； （2）查阅通风量、风速测
12、试方法相关文献； （3）查阅温度场研究相关文献； 确定研究方法确定研究方法： （1）采用ANSYS有限元分析软件对牵引变流器的温度场及空 气流场进行分析； （2）采用皮托管实时测量变流器冷却系统风机流量； 29 仿真研究仿真研究 图10 剖分后的散热管模型 30 图11 部分流场矢量图 31 图12 散热管路温度分布示意图 32 图13 散热管冷却液进口处温度分布示意图 33 空气流速（ m/s） 进风口空气温度（）散热管进入端冷 却液温度（） 散热功率（W） 4.73748577.975 4.642945.7830.413 11.437482148.28 7.624482815.439 7.
13、637481304.796 表1 不同风速和温度条件下单根散热管散热功率分析 34 试验研究试验研究 图14 牵引变流器冷却系统热容量测试平台系统框图 35 图15 皮托管安装支架 36图16 传感器变送器安装支架 37 电源单元 5V15V CPLD 扩展 RAM DSP 2407 模拟量采集 处理单元 数字I/O单元 通信单元 CAN/RS232 D/A输出单元 上位机终端 图17 数字采集系统结构框图 38 图18 测试平台初始化界面 39 图19 测试采样软件示波器界面 40 图20 测试现场装置布置图 41 21:26:4021:35:0021:43:2021:51:4022:00:
14、0022:08:2022:16:4022:25:0022:33:20 0 100 200 300 400 时间 列车速度（km/h） 21:26:4021:35:0021:43:2021:51:4022:00:0022:08:2022:16:4022:25:0022:33:20 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 时间 牵引单元交流功率（kW） 图21 EC01列车速度、牵引单元交流功率与时间的关系曲线 42 图22 EC01牵引箱冷却液进出口压力差、牵引单元交流功率与时间的关系曲线 21:26:4021:35:0021:43:2021:51:4022:00:0022:0
15、8:2022:16:4022:25:0022:33:20 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 时间 进出口压力差（bar） 21:26:4021:35:0021:43:2021:51:4022:00:0022:08:2022:16:4022:25:0022:33:20 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 时间 牵引单元交流功率（kW） 43 21:26:4021:35:0021:43:2021:51:4022:00:0022:08:2022:16:4022:25:0022:33:00 32 34 36 38 40 时间 冷却液入口温度（） 21:26:4021:
16、35:0021:43:2021:51:4022:00:0022:08:2022:16:4022:25:0022:33:20 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 时间 牵引单元交流功率（kW） 图23 EC01车牵引箱冷却液进口温度、牵引单元交流功率与时间的关系曲线 44 21:26:4021:35:0021:43:2021:51:4022:00:0022:08:2022:16:4022:25:0022:33:20 32 34 36 38 40 42 时间 冷却液出口温度（） 21:26:4021:35:0021:43:2021:51:4022:00:0022:08:2022:16:4022:25:0022:33:20 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 时间 牵引单元交流功率（kW） 图
