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1、（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！）动车组牵引传动系统设计摘要本文简述了我国动车组牵引传动系统的特点及发展现状，阐述了动车传 动系统的设计思路， 并讲解了动车组牵引传动系统分析仿真模型理论知识。 论 述了动车组牵引传动系统设计中包括传动系统功率的分析，牵引功率、黏着牵 引力、启动加速度、平均加速度、列车运行最高速度等进行列 车牵引特性的设计。通过动车组牵引传动系统的设计过程分析得到了设计过程中的规律讨 论了在设计过程中遇到的问题，总结了设计时应注意的问题。关键词：牵引传动系统、分析仿真模 型，牵引功率，黏着牵引力，启动加 速度第一章CRH3型动车组的牵引传动系统的简介1.1 CR
2、H3型动车组的牵引传动系统的简介CRH3型动车组为8辆编组的动力分散交流传动电动车组，4动4拖，其中相邻 的两辆动车为一个基本动力单元，每个动力单元具有独立的牵引传动系统，如图 l所示，主要由1台主变压器、2台牵引变流器和8台牵引电机等组成。牵引变压器 原边额定电压为单相交流25 kV/50 Hz,副边为l 550 V/50 Hz。牵引变流器输 入侧为四象限脉冲整流器(4QC), 2个4QC并联为一个共同的DC连接供电，中间 电容区部分存储能量，输出平滑的直流电压。输出端为一个PWM逆变器，将DC连 接电压转换成牵引系统所要求的变压变频i相电源驱动4个并联的异步牵引电机。 本研究采用DTC系统
3、来控制逆变和电机驱动部分，并对整个牵引传动系统进行建 模研究。-对 kV 50 Hz图1 CRH3动车组-个动力单元的基本结构1.2 CRH3型动车组的牵引传动系统的特点CRH3型动车组在不同的速度时刻根据牵引/制动曲线输出所需的牵引力，使 动车组顺利完成牵引或制动过程。 牵引工况时，牵引力和速度的数学关系为：rF= -O.285t + 3OO 応 119 km/hi F = 31 500/t; 幻Ml 19 km/h再生制动时，制动力和速度的数学关系为：式中Fl个编组（16台电机）轮轨牵引力/制动力, kN厝一动车组速度,Who上式所对应的CRH3型动车组的牵引和再生制动 特性曲线如图2、图
4、？所示。1 交-直传动技术的发展1958年底，我国试制出第1台干线电力机车，即6Y1型电力机车。6Y1型 电力机车是以前苏联 H60 型干线交直流传动电力机车为样板，按照中国铁路规 范进行研制的。由于当时大功率电力电子器件尚未成熟，可用的整流器件是引燃 管。 6Y1 型电力机车经铁科院环形铁道运行试验后，于1 9 62 年前后共试制了5 台样车投入宝凤线试运行。但是，由于一些重要设备 （调压开关、牵引电机等） 一直存在技术和质量问题，尤其是引燃管整流器难以达到实际运用要求，因此 6Y1 型电力机车未能投人批量生产。随着我国电力电子工业的发展，大功率整流 二极管开始进入到工程实用阶段，为机车电传
5、动技术的发展提供了必要条件。正 是在这样的技术背景下，在6Y1型电力机车基础上，我国第1代有级调压、交- 直传动电力机车SS1型电力机车于1968年试制成功，1969年开始批量生产， 到1988年止，共生产826台，使我国机车电传动技术进入到交-直传动时期。可控型器件晶闸管的出现，使机车电传动技术跨上了一个新台阶。 SS3 型电力机车正是作为我国机车电传动技术由二极管整流有级调压到相控无级调 压的第2代交-直传动客货用电力机车。 1978年底，由株洲电力机车厂和株洲电 力机车研究所共同研制成功。 SS3 型电力机车主电路采用牵引变压器低压侧调压 开关分级与晶闸管级间相控调压相结合的平滑调压调速
6、技术，使机车获得良好的 调速性能。随着大功率晶闸管性能的提高，相控技术成熟应用到机车电传动领域，其代 表车型为SS4型电力机车。SS4型机车是1985年开发的相控无级调压、交-直传 动8 轴重载货运电力机车，是我国相控机车的“代表作”，与后续开发的 SS5、 SS6、SS7、SS8及SS9型电力机车一起，构成我国晶闸管相控调压、交-直传动 的系列产品。该型机车由2节完全相同的 4轴电力机车通过内重联环节连接组成， 每节车为一个完整系统，经过实际应用和吸收消化国外 8K、 6K、 8G 型等机车 的先进技术，做过几次重大改进，使机车性能和质量得到显著提高，成为我国干 线货运主型机车。2 交流传动
7、技术的发展为追踪世界新型“交-直-交”电力机车新技术，更为了满足社会经济发展的 要求, 推动轨道交通装备技术进步, 我国研究、应用交流传动技术, 经历了技术 探索（ 理论认识与基础开发）、引进应用（ X2000 动车组）、合作研制（“蓝箭” 动车组和 NJ1 内燃调车等）、自主开发几个阶段。上世纪 70 年代,我国开始研究 交流电传动系统的基础技术；80 年代完成了中等功率交流电传动系统的试验研 究;90年代初研制了 lMw大功率变流系统并促进AC4000原型机车的研制与组装； 90年代中期相继启动高性能交流传动控制技术、大功率GTO牵引变流器工程化、 中大功率IGBT牵引变流器、大功率异步牵
8、引电机等一系列核心技术的攻关工程， 取得了丰硕成果, 并于本世纪初开始装车应用。2001年9月我国自行研制成功200km/h “奥星”交流传动电力机车，同年 10月时速200km/h的“蓝箭”号在广深线投入使用；2001年又研制成功采用交 流传动技术的200km/h的“先锋”号及160km/h的“中原之星”动力分散型电动 车组。从2006年开始，我国分别从日本、德国、法国等国引进先进技术，并 消化吸收及国产化， 成为“具有我国自主知识产权” 的动车组产品系列 -CRH 系列动车组，它们均属于强动力分散系动车组，这些均预示着机车性能的深 刻变革，因而成为今后我国电力机车的发展方向。我国自主研发的
9、交流传动产品还有：国防科技大学磁浮列车、DF8BJ型“西 部之光”内燃机车、DJJ2型“中华之星”高速动车组、DJ7CJ型内燃机车、“天 梭”电力机车、KZ4A型哈萨克斯坦电力机车、国产化地铁列车、自主知识产权 北京地铁客车等， 共计50多台套。1.4 CRH3 型动车组的牵引传动系统的现状牵引技术的现状可从以下五个方面来看：（1）牵引传动制式。牵引传动制式分为直流传动制式和交流传动制式。目 前我国干线铁路使用的电力机车仍以直流传动制式为主，交流传动机车虽然已经 有了运用，但在电力牵引动力中所占的比重很小。由于交流传动机车性能的优越 性，国外的主要机车生产商早已停止了直流传动机车的生产，基本上
10、都是采用交 流传动方式的牵引技术。我国铁路牵引的交流传动技术应用才刚刚开始，技术上 远未达到成熟的程度。（2）动力配置方式。按牵引动力配置方式可以分为动力集中方式和动力分 散方式。动力集中方式就是传统的机车牵引方式，这是我国目前电力牵引的主要 模式，也是我国铁路运用比较成熟的牵引模式。动力分散型动车组是日本首创的， 动力分散方式是城市地铁牵引模式的进化和发展，是一种发展迅速的牵引模式。 欧洲国家近年来也纷纷采用动力分散型动车组的模式。目前我国也已经有了这种 牵引模式的动车组，如“中原之星”动车组,“先锋”号动车组以及 CRH 系列动 车组，但无论在技术上还是在运用管理上都只是刚刚起步。（3）运
11、行速度等级。我国已经有了 120km / h及以下等级、160km / h等级、 200km / h等级250km / h等级以及300km / h的电力机车或动力分散型动车组。 160km / h及其以下等级的机车在技术上已经比较成熟，也有了较为成熟的运用 和管理经验；但对于250km / h及其以上等级机车的应用才刚刚开始，技术上也 还不够成熟。（4）车载牵引功率。车载功率可以从总功率和单轴功率两个方面来看：我 国直流传动机车的车载总功率最大为 6400kW（SS4 型机车），单轴功率最大为 900kW（SS8型机车）；交流传动机车的车载总功率最大为7200kw（SSJ3型机车）, 单轴功
12、率最大为1200kW（ “中华之星”动车组）。作为单轴1200kW的交流传动 机车来说，已经达到了较高的水平，只是在技术上还不够成熟。（5）牵引控制系统。我国铁路机车已经普遍采用微机作为牵引控制系统， 但在直流传动机车上仍有相当数量的模拟电子控制系统。动车组上已经开始使用 列车和车厢的通信网络实现控制和信息交换，初步形成了分布式控制的雏形。但 目前还没有我们自己的、成熟可靠的微机控制系统产品，控制网络的应用尚待完 善。以上诸方面的关系是相互交叉和相容的。根据上述分析，可以说我国铁路在 牵引的技术方面已经基本达到或接近国际先进水平，只是在技术的成熟度和产品 的可靠性方面需要进一步提高。总的来说目
13、前在牵引系统方面，“中华之星”和“先锋”号动车组的技术含量相当高，已经试验运行了 50多万km,有很多经验可以借鉴，而作为中国铁路第六次大提速上线运行的动车组和谐号动车组的技术，可以作为我国牵引动力技术最高水平的代表。第二章 CRH3 动车组牵引传动系统分析仿真模型2.1 CRH3动车组牵引传动系统仿真分析根据各部分的工作原理搭建了 cRH 3型动车组牵引传动系统的Manab/imulink 仿真模型，主电路如图8所示。变压器由25kV变到两个1 550 V，接两个4QC进行 整流，经中间直流环节和逆变器输出三相电压驱动电机运转。a Stator amentJ Rotor speed(1)仿真
14、结果及分析本研究对采用DTC控制方式的CRH3型动车组牵引传动系统进行仿真,得到了 在不同运行工况下机车的电压、电流等波形，并对得到的波形进行了分析。本研 究采用的CRH 3型动车组牵引电机的具体参数如表l所示。1 CRH3动车组牵引电机養数额逹功聿562 kW宦子电阻o. 15 n额定线电压2 700 V定子漏感1.42 mH额定频率135 Hz转子电阻0.16 n额定转矩692 (N m)转子漏感0.60 mH额定转速4 100 (r * min !)互感25.4 mH最大转速5 900辕动惯虜5极对数P2中间应流电压3 000 V(2)仿真的速度和转矩跟踪响应给定速度由0 km / h一
15、300 km / h50 km / h变化模拟动车组的牵引一再生制动 工况。速度和转矩跟踪曲线如图9和图10所示。广-c图K）叽模型的转矩跟踪曲线从图中可以看出，在DTC控制方式下，系统表现了良好的速度和转矩跟踪响应, 其中在转矩跟踪方面，因为D代通过二点式调节器（band如and控制）产生PwM信 号，在加快了力矩响应的同时也必然增加了转矩的脉动。（3）电机定子电流系统仿真的牵引电机定子电流波形如图11所示，由图可以看出机车在DTc系统控 制下运行在不同工况时，牵引电机电流没有出现大的波动，运行正常。图11牵引电桩定子电流波形2.2各种典型工况时的谐波分析牵引工况和再生制动工况时，变压器一次侧电流的谐波频谱图如图12、图13所示。Hannonic order图12牵引工况时变压器一次侧电流谐波频谱图24680121436 浮 20Hannonjc orderFundamental(如 Hz)=79 43(A),THD=1.91%(尽 USUIEPUn* 常)晋5图13制动工况时变压器一次侧电流谐波频谱图从牵引和制动这两种典型工况的谐波分析中可以看出，在DTC系统下，CRH3型 动车组运行时电流畸变率较小，奇次谐波百分比比较大，符合实际情况。 2
