CRH2型200km動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的研究.doc

課程名稱：牽引電機(jī)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的研究 學(xué) 號(hào)：20170145 姓 名：朱培樟 指導(dǎo)教師：李宗防 西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)2017 年 4月 30日 摘要 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，高速鐵路越來越受到世界發(fā)達(dá)國(guó)家及新興工業(yè)國(guó)家的重視，成為解決客運(yùn)交通擁堵的一種選擇，從而推動(dòng)了CRH2型200km/h動(dòng)車組研究、應(yīng)用和進(jìn)步。本文在分析國(guó)內(nèi)高速鐵路及動(dòng)車組發(fā)展現(xiàn)狀并結(jié)合電力電子、高電壓技術(shù)、電機(jī)學(xué)、繼電保護(hù)和軌道交通牽引供變電技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，完成對(duì)CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的研究。本文分為三部分：（1） CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的框圖及其組成（2） 對(duì)CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的高壓電器、牽引變壓器、牽引電機(jī)的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析。（3） 對(duì)CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的集成性及可靠性進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：CRH2型動(dòng)車組、高壓電器、牽引變壓器、牽引電機(jī)、集成性、可靠性目錄第一章 緒論21.1我國(guó)CRH2型200km/h動(dòng)車組的發(fā)展現(xiàn)狀21.2 CRH2型200km/h動(dòng)車組基本組成4第二章 CRH2動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)組成52.1 CRH2動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的框圖及其組成原理52.2 CRH2 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路6第三章 CRH2高壓電器、牽引變壓器、牽引電機(jī)的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)63.1 高壓電器的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)63.1.1技術(shù)參數(shù)73.2 牽引變壓器的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)83.2.1 技術(shù)參數(shù)83.2.2技術(shù)特點(diǎn)93.3 牽引電機(jī)的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)93.3.1技術(shù)參數(shù)93.3.2技術(shù)特點(diǎn)10第四章 CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的集成性及可靠性分析114.1 CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的集成性分析114.2 CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性分析124.2.1動(dòng)車組安全可靠性124.2.2動(dòng)車組部分可靠性模型及分析13第五章 總結(jié)15第1章 緒論1.1我國(guó)CRH2型200km/h動(dòng)車組的發(fā)展現(xiàn)狀CRH2型200km/h動(dòng)車組由四方機(jī)車車輛股份有限公司為主機(jī)廠牽頭為中國(guó)鐵道部生產(chǎn)的時(shí)速200公里動(dòng)力分散型電力動(dòng)車組（動(dòng)力分散是與動(dòng)力集中相對(duì)應(yīng)的兩種動(dòng)車組的動(dòng)力布置方式，動(dòng)力集中方式指整個(gè)動(dòng)車組的動(dòng)力只集中在頭尾兩節(jié)機(jī)車如中華之星或一節(jié)機(jī)車上如藍(lán)箭動(dòng)車組采用推挽是的牽引方式，前拉后推；動(dòng)力分散方式是指將動(dòng)車組的動(dòng)力布置在動(dòng)車組的所有或若干節(jié)車輛上，這樣做的好處在于動(dòng)車組的黏著性能好，起動(dòng)、制動(dòng)速度快，可靠性好-某節(jié)車故障只損失小部分動(dòng)力，缺點(diǎn)是動(dòng)力裝置總重量較重，檢修維護(hù)量大、噪音較大），是以日本新干線E2-1000番為原形車，引進(jìn)日本川崎重工、三菱電機(jī)、日立公司（日立公司和北車永濟(jì)廠生產(chǎn)10列車的牽引變流器）等公司的技術(shù)生產(chǎn)的。新干線E2-1000番川崎四方時(shí)速200公里電力動(dòng)車組共計(jì)要生產(chǎn)3包（當(dāng)時(shí)中國(guó)鐵道部按包為單位招標(biāo)，每包20列，共計(jì)60列480節(jié)）。其中3列為原裝進(jìn)口車，6列為進(jìn)口成套設(shè)備的組裝車，51列為關(guān)鍵零部件進(jìn)口，在中國(guó)生產(chǎn)和總裝的國(guó)產(chǎn)車。之所以日方以日本新干線E2-1000系“疾風(fēng)號(hào)”動(dòng)車組為原型車參與中國(guó)鐵道部的時(shí)速200公里動(dòng)車組招標(biāo)，是因?yàn)樵搫?dòng)車組的基本情況在現(xiàn)有的新干線動(dòng)車組中最接近中國(guó)鐵道部的招標(biāo)要求。E2-1000番是50Hz區(qū)間專用車。在技術(shù)上，采用了IGBT（絕緣柵雙極型場(chǎng)效應(yīng)管）等先進(jìn)元器件和動(dòng)力分散結(jié)構(gòu)的E2-1000也是比較符合中國(guó)的實(shí)際情況。1.2 CRH2型200km/h動(dòng)車組基本組成該動(dòng)車組為動(dòng)力分散型電力動(dòng)車組，4動(dòng)4拖編組，定員610人，運(yùn)營(yíng)時(shí)速200公里，最高時(shí)速250公里。時(shí)代集團(tuán)和時(shí)菱公司作為三菱公司的技術(shù)受讓方，負(fù)責(zé)51列國(guó)產(chǎn)車的牽引變流器（CI）、列車信息控制裝置（MON）和輔助電源裝置（APU和ARF）的大部分生產(chǎn)，其中時(shí)代集團(tuán)制造中心負(fù)責(zé)CI和MON的生產(chǎn)。 兩列8輛的編組也可以通過重聯(lián)的形式組成16輛的大編組合并運(yùn)行。該動(dòng)車組的編組配制如下圖：如圖所示，該動(dòng)車組的動(dòng)力分布在2、3、6、7號(hào)四節(jié)車上，兩端1、8號(hào)車為不帶動(dòng)力的控制拖車，并配備有輔助電源裝置APU，受電弓在4、6號(hào)車上，各車之間有高壓母線連接。第2章 CRH2動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)組成2.1 CRH2動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的框圖及其組成原理CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)組成原理圖CRH2 動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要由受電弓（包括高壓電器設(shè)備）、牽引變壓器、四象限變流器、牽引逆變器和牽引電機(jī)組成。CRH2 動(dòng)車組采用交流傳動(dòng)系統(tǒng)，主要由受電弓（包括高壓電器設(shè)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(jī)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。動(dòng)車組受電弓從接觸網(wǎng)獲得AC25000V/50Hz 電源，為了滿足動(dòng)車組牽引特性的要求，牽引電機(jī)需要電壓頻率均可調(diào)節(jié)的三相交流電源。受電弓將接觸網(wǎng)的AC25kV 單相工頻交流電輸送給牽引變壓器，經(jīng)變壓器降壓輸出1500V 單相交流電供給脈沖整流器，脈沖整流器將單相交流變換成直流電經(jīng)中間直流電路將DC26003000V 的直流電輸出給牽引逆變器，牽引逆變器輸出電壓02300V，頻率0220Hz 可控的三相交流電供給異步牽引電動(dòng)機(jī)。2.2 CRH2 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路受電弓從接觸網(wǎng)25kV、50Hz 單相交流電網(wǎng)受電，通過主斷路器VCB 連接到牽引變壓器原邊繞組。主電路開閉由VCB 控制。牽引變壓器牽引繞組設(shè)兩組，原邊繞組電壓為25kV 時(shí)，牽引繞組電壓為1500V。牽引變流器在M1、M2 車上，由一臺(tái)四象限脈沖整流器和逆變器及中間直流回路構(gòu)成，運(yùn)行時(shí)除實(shí)施牽引電動(dòng)機(jī)電力供應(yīng)和制動(dòng)時(shí)的再生制動(dòng)外，還具備相應(yīng)的保護(hù)功能。主電路簡(jiǎn)圖如圖下：CRH2 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主電路簡(jiǎn)圖第3章 CRH2高壓電器、牽引變壓器、牽引電機(jī)的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn)3.1 高壓電器的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn) 高壓電器主要作用是完成從接觸網(wǎng)到牽引變壓器的供電。主要包括：受電弓、主斷路器、避雷器、電流互感器、接地保護(hù)開關(guān)等。3.1.1技術(shù)參數(shù)CRH2 動(dòng)車組采用DSA250 型受電弓。該受電弓為單臂型結(jié)構(gòu)，額定電壓/電流為25kV/1000A，接觸壓力705N,弓頭寬度約1950mm，具有自動(dòng)降弓功能，適應(yīng)接觸網(wǎng)高度為53006500mm，列車運(yùn)行速度250km/h。CRH2 動(dòng)車組采用CB201C-G3 型主斷路器。主斷路器為真空型，額定開斷容量為100MVA，額定電流AC200A，額定斷路電流3400A，額定開斷時(shí)間小于0.06s，采用電磁控制空氣操作。真空斷路器主要技術(shù)參數(shù)： 額定電壓 AC30kV（瞬間最大電壓AC31kV） 額定電流 AC200A 額定頻率 50Hz 額定開斷容量 100MVA 額定閉合電流 10000A 額定瞬間電流 4000A（2s） 額定斷路電流 3400A 額定開斷時(shí)間 0.06s CRH2 動(dòng)車組采用LA204 或LA205 型避雷器。由氧化鋅（ZnO）為主的金屬氧化物組成,是非線性高電阻體的無間隙避雷器。避雷器主要技術(shù)參數(shù)：額定電壓為AC42kV（RMS）動(dòng)作電壓為AC57kV以下（V1mA，DC）限制電壓為107kVCRH2 動(dòng)車組采用TH-2 型高壓電流互感器。變流比為200/5A，用于檢測(cè)牽引變壓器原邊電流值。CRH2 動(dòng)車組采用SH2052C 型接地保護(hù)開關(guān)。額定瞬時(shí)電流為6000A（15 周），電磁控制空氣操作，具有安全連鎖。3.2 牽引變壓器的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn) 該變壓器采用單相、 殼式、無壓密封方式，一個(gè)基本動(dòng)力單元配置 1 臺(tái)，全列共計(jì) 2 臺(tái)。ATM9型牽引變壓器，一個(gè)基本動(dòng)力單元 1 個(gè)，全列共計(jì) 2 個(gè)。 采用殼式結(jié)構(gòu)、車體下吊掛、油循環(huán)強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。具有 1 個(gè)原邊繞組（25kV,3060kVA）、 2 個(gè)牽引繞組（1500V，21285kVA），一個(gè)輔助繞組（400V，490kVA）。3.2.1 技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)如下： （1） 通用規(guī)格 環(huán)境溫度 25 至 40 原邊電壓 標(biāo)稱接觸網(wǎng)電壓 25kV 電壓變動(dòng)范圍 17.531kV (2) 性能 單相、殼式、無壓密封方式 油循環(huán)風(fēng)冷方式（） 絕緣類別： 特殊A類絕緣（使用聚酰胺絕緣紙） 絕緣油：硅油 輔助設(shè)備電源規(guī)格 電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī) 三相,50Hz,400V,風(fēng)速115m/min 電動(dòng)油泵 三相、50Hz、400V、油速700L/min、7m油柱 (3) 外形尺寸與質(zhì)量 外型尺寸為（LWH）25702300835mm(4) 總重2910kg（包括電動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)）。3.2.2技術(shù)特點(diǎn) 原邊繞組采用兩組并聯(lián)結(jié)構(gòu)的繞組，增加了每相牽引繞組的容量；牽引繞組為兩個(gè)獨(dú)立線圈，確保牽引繞組的高電抗、弱耦合性，使?fàn)恳兞髌鞣€(wěn)定運(yùn)行。3.3 牽引電機(jī)的技術(shù)參數(shù)及技術(shù)特點(diǎn) CRH2 動(dòng)車組采用三相交流鼠籠式異步電機(jī)，具有良好的牽引性能，可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的平滑調(diào)速，另外調(diào)節(jié)調(diào)頻特性能使機(jī)車起動(dòng)時(shí)發(fā)出較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。3.3.1技術(shù)參數(shù)型號(hào) MT205 方式 三相鼠籠異步電機(jī)極數(shù) 4極 相數(shù) 相 額定值 輸出功率 300kW 電壓 2000V 電流 106A 頻率 140Hz 轉(zhuǎn)差率 1.4% 轉(zhuǎn)速 4140r/min 效率 94.0% 功率因數(shù) 87.0% 絕緣類別 等級(jí)200 溫度上升極限 200（定子繞組；電阻法） 冷卻方式 強(qiáng)制風(fēng)冷方式（20m3/min） 動(dòng)力傳送方式 平行齒輪彎曲軸萬向接頭方式 最高使用轉(zhuǎn)速 6120r/min 最高試驗(yàn)轉(zhuǎn)速 7040r/min 軸承潤(rùn)滑脂 unimaxR NO.2 質(zhì)量 440Kg 額定參數(shù)說明：由于干線動(dòng)車組載荷變化范圍小，僅為整車自重的 10%，所以電機(jī)額定點(diǎn)的考核一般是在動(dòng)車組最苛刻條件下電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。3.3.2技術(shù)特點(diǎn) 異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，無換向引起的電氣損耗和機(jī)械損耗，無環(huán)火引起的故障，牽引主電路系統(tǒng)省去許多有觸點(diǎn)電器，運(yùn)行可靠性進(jìn)一步提高；耐振動(dòng)，耐風(fēng)雪、多塵、潮濕等惡劣環(huán)境；過載能力強(qiáng)（僅受定子繞組熱時(shí)間常數(shù)的影響）；轉(zhuǎn)速高，功率/重量比高，有利于電機(jī)懸掛；轉(zhuǎn)矩速度特性較陡，可抑制空轉(zhuǎn)，提高粘著利用率，在幾臺(tái)電機(jī)并聯(lián)時(shí)，不會(huì)發(fā)生單臺(tái)電機(jī)空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。異步電機(jī)采用按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略，把定子電流分解成轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向坐標(biāo)系下的勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，實(shí)現(xiàn)了定子電流的完全解耦，控制方式簡(jiǎn)單，使整個(gè)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好動(dòng)態(tài)性能和控制精度。CRH2采用的牽引電機(jī)除具有傳統(tǒng)異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外，還有以下特點(diǎn)： 電機(jī)整體機(jī)械強(qiáng)度很高，高速運(yùn)行時(shí)能承受很大的輪軌沖擊力；采用耐電暈、低介質(zhì)損耗的絕緣系統(tǒng)以適應(yīng)變頻電源供電；為了防止電機(jī)軸承的電蝕，電機(jī)前后端采用絕緣軸承； 電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用低電阻、溫度系數(shù)高的銅合金材料，保證傳動(dòng)系統(tǒng)的控制精度；為了減輕電機(jī)自重，電機(jī)采用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料；采用經(jīng)過驗(yàn)證的軸承和軸承潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，從而減少電機(jī)的維護(hù)，保證電機(jī)軸承更可靠工作；在輸出一定功率的情況下，為減少體積，采用強(qiáng)迫通風(fēng)和優(yōu)化的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，充分散熱，以降低電機(jī)的溫升，提高材料的利用率；電機(jī)的非傳動(dòng)軸端安裝了 2 個(gè)速度傳感器，用以給傳動(dòng)控制系統(tǒng)提供速度信號(hào)，便于逆變器控制和制動(dòng)控制。 第4章 CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的集成性及可靠性分析4.1 CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的集成性分析高速列車是高速鐵路系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，是直觀反映鐵路現(xiàn)代化的載體。高速列車設(shè)計(jì)制造是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)化工程，必須具有一套完整的技術(shù)管理規(guī)程、基礎(chǔ)理論指導(dǎo)、相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)予以支撐。高速列車系統(tǒng)一般包含9大關(guān)鍵技術(shù)。9大關(guān)鍵技術(shù)包括:整車系統(tǒng)集成、輕量化車體、轉(zhuǎn)向架、牽引變壓器、牽引電機(jī)、牽引變流器、牽引控制系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、列車網(wǎng)絡(luò)通信。國(guó)內(nèi)外車輛生產(chǎn)廠家都是通過關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵部件的系統(tǒng)集成，來實(shí)現(xiàn)整車設(shè)計(jì)方案規(guī)劃和確定生產(chǎn)目標(biāo)。列車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)是列車運(yùn)行的動(dòng)力保證，由受電弓接受電網(wǎng)電能經(jīng)過斷路器到主變壓器.經(jīng)主變流系統(tǒng)到牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能量到輪對(duì)機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換。牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)涵蓋了幾個(gè)子系統(tǒng)多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的內(nèi)容，包括受流技術(shù)、變流技術(shù)、牽引控制技術(shù)、電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)和監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)。4.2 CRH2型200km/h動(dòng)車組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性分析4.2.1動(dòng)車組安全可靠性高速列車服役期間，因某些參數(shù)改變會(huì)引起可靠性變化或動(dòng)力學(xué)性惡化。確定可靠服役目標(biāo)值，可為設(shè)計(jì)公差設(shè)置和維修許用范圍設(shè)置提供依據(jù)。高速列車服役期間可靠性能受開行方案和開行原則的影響，要保證高速列車運(yùn)營(yíng)既能體現(xiàn)鐵路管理與運(yùn)營(yíng)水平的先進(jìn)性，又要滿足不同運(yùn)量客運(yùn)需求，提高資源利用率，降低維護(hù)成本。這就需要在運(yùn)行當(dāng)中依靠不同的運(yùn)量需求，設(shè)計(jì)不同的開行方案。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)安全可靠是保證高速列車可靠行駛，安全運(yùn)轉(zhuǎn)的重點(diǎn)內(nèi)容。包含商速列車的行車安全、車內(nèi)外人員安全和配套設(shè)備的安全。列車高速運(yùn)行，給列車帶來頻繁的沖擊.車軸、緊固件、制動(dòng)閘片等關(guān)鍵零部件。容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)及材料疲勞，需要緊密關(guān)注與監(jiān)測(cè)。列車牽引功率增大會(huì)引起受電弓電流增大，引起接觸網(wǎng)電氣和機(jī)械磨損增加。由于高速列車多編組、多到發(fā)還有長(zhǎng)達(dá)區(qū)段運(yùn)行，會(huì)碰到不同的人流變化與天氣變化.這些因素也是安全可靠?jī)?yōu)化的范圍。牽引傳動(dòng)安全可靠體現(xiàn)在高速列車的綜合維修上。以列車安全可靠為中心，依據(jù)列車運(yùn)行狀況、故障規(guī)律及故障后果，合理確定有效的維修方式、維修類型、維修周期和維修級(jí)別，以最少的維修資源消耗確保高速列車運(yùn)行安全。 高速列車安全可靠性優(yōu)化必須考慮緊急制動(dòng)。CRH2型高速列車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置優(yōu)化了制動(dòng)參數(shù)，減少制動(dòng)盤面的熱負(fù)荷;優(yōu)化了輪裝制動(dòng)盤的通風(fēng)輔板結(jié)構(gòu)和連接螺栓強(qiáng)度，以滿足更高熱應(yīng)力要求。4.2.2動(dòng)車組部分可靠性模型及分析鐵路動(dòng)車組運(yùn)用維修規(guī)程3規(guī)定,CRH2型動(dòng)車組的最高運(yùn)行速度為200 km/h;當(dāng)動(dòng)車組牽引系統(tǒng)發(fā)生故障致使去除20%25%牽引力時(shí),仍可保持200 km/h速度運(yùn)行;去除40%50%牽引力時(shí),可限速160 km/h運(yùn)行;當(dāng)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)故障致使去除25%制動(dòng)力時(shí),可限速160 km/h運(yùn)行。可見,CRH2型動(dòng)車組在牽引、制動(dòng)功能上都具有一定冗余性。動(dòng)車組可靠性是指在規(guī)定運(yùn)用條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)動(dòng)車組達(dá)到預(yù)定功能的能力。旅客運(yùn)輸是動(dòng)車組的基本功能,安全正點(diǎn)是鐵路運(yùn)輸?shù)淖非竽繕?biāo),非正常停車不僅可能造成動(dòng)車組晚點(diǎn),而且會(huì)打