上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院電力牽引報告高速列車牽引系統(tǒng)

1、上海工程技術(shù)大學(xué) CRH2-300型動車組交流牽引系統(tǒng) 城 市 軌 道 交 通 車輛電力牽引與控制報告課題名稱： CRH2-300型動車組交流牽引系統(tǒng) 院 系： 城市軌道交通學(xué)院 專 業(yè)： 車輛工程 組 別: 高速列車交流牽引系統(tǒng) 小組成員： 授課教師： 完成時間： 2016年11月1日 緒論20 CRH2-300型動車組簡介31 CRH2-300型動車組牽引傳動系統(tǒng)組成42 CRH2-300型動車組牽引系統(tǒng)分析62.1牽引變流器的工作原理6（1）脈沖整流器7（2）三電平逆變器72.2牽引系統(tǒng)能量傳遞83 CRH2-300型動車組制動系統(tǒng)分析83.1 CRH2-300動車組制動系統(tǒng)概述83.2

2、 再生制動系統(tǒng)的能量傳遞94 CRH2-300型動車組牽引性能計(jì)算104.1 CRH2-300型動車組主要參數(shù)104.2 CRH2-300型動車組的粘著104.3 CRH2-300型動車組牽引性能計(jì)算115 總結(jié)11參考文獻(xiàn)12CRH2-300型動車組交流牽引系統(tǒng)緒論鐵路運(yùn)輸具有速度快、運(yùn)量大、能耗低、污染輕、安全性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，一直都是世界各國現(xiàn)代化交通運(yùn)輸體系中最為重要的運(yùn)輸手段，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的要求也愈來愈高，鐵路旅客列車原來的運(yùn)行速度已遠(yuǎn)不能滿足人們出行的要求。為了促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，世界上

3、許多發(fā)達(dá)國家一直在推動本國及相鄰區(qū)域的軌道交通技術(shù)裝備現(xiàn)代化進(jìn)程，不斷地提高機(jī)車車輛的運(yùn)行速度。我國也注重交一直一交電傳動技術(shù)的研究與應(yīng)用，“中原之星”號動力分散型電動車組，設(shè)計(jì)速度為160km/h，總功率為3200kw，總定員為548人。“藍(lán)箭”號動力集中型電動車組于2000年12月試驗(yàn)完成，總功率4800kw，設(shè)計(jì)時速200km/h，最高試驗(yàn)速度達(dá)235. 6km/h，總定員421人。動力分散型“先鋒”號電動車組也于同期試制完成，總功率4800kw，設(shè)計(jì)時速200km/h，最高試驗(yàn)速度達(dá)240km/h，總定員424人。應(yīng)當(dāng)指出的是設(shè)計(jì)時速270km/h的動力集中型“中華之星”號，是我國高速

4、動車組最高速度值接近國外高速動車組的水平。該車設(shè)計(jì)總功率為9600kw，總定員為774人，最高試驗(yàn)速度達(dá)321. 5km/h。以上電動車組均采用了交直交傳動技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)等眾多國際先進(jìn)技術(shù)，體現(xiàn)了我國機(jī)車車輛制造技術(shù)的最高水平。由于我國與國外先進(jìn)水平存在較大差距，消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)以及再創(chuàng)新的任務(wù)還很艱巨。列車的牽引特性和制動特性是列車最重要的特性，是設(shè)計(jì)列車牽引傳動系統(tǒng)的重要依據(jù)，對高速列車牽引傳動這一多變量、非線性和強(qiáng)藕合的系統(tǒng)綜合評估。因此報告對CRH2-300型動車組牽引/制動性能的進(jìn)行闡述，對高速列車事業(yè)有著重要的意義。在研究高速列車交流牽引系統(tǒng)的時候，我們此次主要對CR

5、H2-300型動車組牽引傳動系統(tǒng)進(jìn)行介紹分析。0 CRH2-300型動車組簡介CRH2-300型動車組電動車組是鐵道部為了進(jìn)行第六次提速向日本川崎重工引進(jìn)的高速列車后，由我國專家將之國產(chǎn)化的產(chǎn)物。它以日本新干線的E2-1000系電動車組為基礎(chǔ)。CRH2-300型動車組時速300公里速度級動車組(簡稱300km/h EMU)為動力分散交流傳動動車組，可在中國新建300km/h速度級客運(yùn)專線(300線)上運(yùn)營，并能在新建200km/h速度級客運(yùn)專線上以200km/h速度正常運(yùn)行。采用八輛編組，六動兩拖，定員610人，最高運(yùn)營速度300km/h,最高試驗(yàn)速度350km/h，最大牽引功率7342kW，

6、具有車體強(qiáng)度高、防火性能好、安全可靠性高、起動加速度大、噪音低、維護(hù)量小、壽命長、壽命周期成本低等優(yōu)點(diǎn)。列車的2號、3號、4號、5號、6號、7號車為動車，1號、8號車為拖車。列車有2臺受電弓，分別設(shè)于4號車和6號車上正常運(yùn)行時列車單弓受流，另一臺受電弓處于折疊備用狀態(tài)。受電弓將25kV的交流電通過高壓電纜傳給牽引變壓器。列車共有兩臺牽引變壓器給六臺牽引變流器供電。牽引變壓器為ATM9型單相無壓密封殼式結(jié)構(gòu)，用螺栓固定的吊掛方式安裝在車體之下。牽引變壓器具有堅(jiān)固的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠而機(jī)械振動和沖擊;具有體積小、質(zhì)量輕鐵耗小的優(yōu)點(diǎn)。牽引變流器采用免維修半導(dǎo)體模塊結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成在下文中有詳細(xì)說明在此不做論述

7、。牽引變流器通過整流逆變將1500V的交流電變換為電壓和頻率均可調(diào)的交流電供給牽引電機(jī)。牽引電機(jī)為MT205型三相鼠籠異步電動機(jī)，每臺牽引變流器帶動4臺牽引電動機(jī)，即每個動車設(shè)有4臺牽引電動機(jī)，全車共有24臺牽引電動機(jī)。電動機(jī)額定功率為300KW ,額定轉(zhuǎn)速為4140rad/min。電動機(jī)具有功率大、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單構(gòu)造牢固的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的牽引特性。1 CRH2-300型動車組牽引傳動系統(tǒng)組成CRH2-300型動車組動力組編組形式為8輛編，動力配置為6動2拖C6M+2T)。全列共計(jì)2個受電弓、3個牽引變壓器、6個牽引變流器、24臺牽引電動機(jī)，列車正常時升單弓運(yùn)行，另一個受電弓備用。其

8、中相鄰的兩輛動車為一個基本動力單元，共3個基本動力單元，每個動力單元具有獨(dú)立的牽引傳動系統(tǒng)。其牽引傳動的組成原理如圖1所示，主要由受電弓、牽引變壓器、脈沖整流器、中間環(huán)節(jié)、牽引逆變器、牽引電機(jī)、齒輪傳動等組成。CRH2 -300型動車組采用交流傳動系統(tǒng)，動車組由受電弓從接觸網(wǎng)獲得AC25kV/50Hz電源，通過牽引變流器向牽引電機(jī)提供電壓頻率均可調(diào)節(jié)的三相交流電源。圖 1 CRH2-300型動車組動牽引傳動系統(tǒng)組成原理圖其中高壓設(shè)備完成從接觸網(wǎng)到牽引變壓器的接通與斷開;牽引變壓器用來把接觸網(wǎng)上的25kV的高壓變換成可供給牽引變流器工作所適合的電壓，其工作原理與普通電力變壓器相同;脈沖整流器是牽

9、引傳動系統(tǒng)的電源側(cè)變流器，列車牽引運(yùn)行時作為整流器，列車再生制動時作為逆變器，可以實(shí)現(xiàn)牽引與再生工況間的快速平滑轉(zhuǎn)換;牽引逆變器是牽引傳動系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動側(cè)變流器，列車牽引運(yùn)行時作為逆變器，列車再生制動時作為整流器，可以實(shí)現(xiàn)牽引與再生工況間的快速平滑轉(zhuǎn)換;牽引電機(jī)是實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的最核心部件。列車牽引工況時作為電動機(jī)運(yùn)行將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，列車再生制動工況時作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。CRH2-300型動車組的主電路如圖2所示。圖 2 CRH2-300型動車組的主電路原理圖2 CRH2-300型動車組牽引系統(tǒng)分析2. 1牽引變流器的工作原理CRH2-300型動車組牽引變流器(Conv

10、erter&Inverter，簡稱CI)由三點(diǎn)式脈沖整流器、中間直流電路、三點(diǎn)式逆變器、真空交流接觸器等主電路設(shè)備以及無觸點(diǎn)控制裝置、控制電源等控制設(shè)備組成，采用的功率開關(guān)器件為工GBT肛PM，上述設(shè)備安裝在一個箱體內(nèi)，箱框采用鋁合金結(jié)構(gòu)，減小牽引變流器重量。取消了變流器中間直流回路的二次吸收回路，牽引變壓器不需設(shè)置二次濾波電抗器，牽引變壓器和牽引變流器的重量均得到大幅度降低。每個動車設(shè)置一臺牽引變流器，每個牽引變流器驅(qū)動4臺并聯(lián)牽引電機(jī)。脈沖整流器和逆變器主電路圖參見圖3。三點(diǎn)式脈沖整流器以PWM斬波方式進(jìn)行整流，控制中間直流電壓牽引時在2600V-v 3000V內(nèi)，再生制動時穩(wěn)定在

11、3000V，三點(diǎn)式逆變器采用異步調(diào)制、5脈沖、3脈沖和單脈沖相結(jié)合進(jìn)行控制。牽引變流器輸出電壓、頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動4臺并聯(lián)連的牽引電機(jī)。圖 3 脈沖整流器和逆變器主電路圖（1）脈沖整流器CRH2-300型動車組采用的單相三電平四象限變流器主電路圖如圖4所示。L為整流器流側(cè)電感，R為網(wǎng)側(cè)漏電阻。C,和C:為直流側(cè)兩個支撐電容。通過脈寬調(diào)制技術(shù)，可以使得能量由電網(wǎng)向直流中間環(huán)節(jié)傳遞(牽引工況)，也可將直流中間環(huán)節(jié)能量向電網(wǎng)傳遞(再生工況)，在能量的傳遞過程中要維持直流中間環(huán)節(jié)電壓穩(wěn)定，且使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。圖 4 單相三電平四象限整流器主電路圖與開關(guān)等效圖（2）三電平逆變器CRH2-30

12、0型動車組采用的三電平逆變器的主電路如圖5所示，可知是二極管箱位式的三電平逆變器。圖 5 二極管三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.2牽引系統(tǒng)能量傳遞列車牽引運(yùn)行時是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，能量傳遞的途徑如圖6所示。圖 6 CRH2-300型動車組牽引傳動系統(tǒng)能量傳遞圖CRH2-300型動車組列車牽引運(yùn)行時:受電弓將接觸網(wǎng)AC25kV單相工頻交流電，經(jīng)過相關(guān)的高壓電氣設(shè)備傳輸給牽引變壓器，牽引變壓器降壓輸出1500v單相交流電供給牽引變流器，通過脈沖整流器將單相交流電變換成直流電，經(jīng)過中間直流電路將DC2600一一3000V的直流電輸出，再經(jīng)過牽引逆變器，牽引逆變器輸出電壓/頻率可調(diào)的三相交流電源(電壓:0

13、-2300V;頻率:0-220Hz);此電源驅(qū)動牽引電動機(jī)，牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速通過齒輪變速箱傳遞給輪對驅(qū)動列車運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。3 CRH2-300型動車組制動系統(tǒng)分析3.1 CRH2-300動車組制動系統(tǒng)概述CRH2-300動車組采用8輛編組，6輛動車(即M車)2輛拖車(即T車)，其中列車的2號、3號、4號、5號、6號、7號車為動車，1號、8號車為拖車。CRH2-300型動車組的總體結(jié)構(gòu)如圖7。圖 7 CRH2-300型動車組總體結(jié)構(gòu)CRH2-300型動車組制動系統(tǒng)主要由電制動系統(tǒng)、空氣制動系統(tǒng)、防滑裝置和制動控制系統(tǒng)組成。動車組由6輛動車和2輛拖車組成，動車的每根軸上有電制

14、動和空氣制動裝置，空氣制動裝置包括2套輪盤式盤形制動裝置;拖車的每根軸上只有空氣制動裝置，包括2套輪盤式制動裝置和2套軸盤式盤形制動裝置。CRH2-300型動車組制動系統(tǒng)采用再生制動和空氣制動聯(lián)合作用的復(fù)合制動模式。在單元內(nèi)再生制動優(yōu)先，空氣制動實(shí)行延遲控制，以減少機(jī)械制動零部件的磨損;當(dāng)列車速度較高時實(shí)施電制動，當(dāng)?shù)退賲^(qū)域電制動不足或故障時由空氣制動來補(bǔ)充。制動方式的轉(zhuǎn)換由微機(jī)系統(tǒng)控制完成。3. 2再生制動系統(tǒng)的能量傳遞CRH2-300型動車組再生制動系統(tǒng)組與牽引傳動系統(tǒng)組成相同弓、牽引變壓器、脈沖整流器、中間環(huán)節(jié)、牽引逆變器、牽引電機(jī)等組成，其組成原理如圖1所示。主要由受電、齒輪傳動。再生

15、制動運(yùn)行時是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，能量傳遞的途徑如圖8所示。圖 8 CRH2-300型動車組牽引傳動系統(tǒng)能量傳遞圖CRH2-300型動車組再生制動時:控制牽引逆變器使得牽引電動機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，牽引逆變器工作在整流狀態(tài)，牽引電動機(jī)發(fā)出的三相交流電被整流為直流電并對中間直流環(huán)節(jié)進(jìn)行充電，是中間直流環(huán)節(jié)的電壓上升。脈沖整流器工作于逆變狀態(tài)，中間直流回路直流電被逆變?yōu)閱蜗嘟涣麟姡摻涣麟娡ㄟ^牽引變壓器、真空斷路器、受電弓等高壓設(shè)備反饋給接觸網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。4 CRH2-300型動車組牽引性能計(jì)算4.1 CRH2-300型動車組主要參數(shù)CRH2-300型動車組，列車定員多、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高，

16、軸重及簧下重量低，定員時最大軸重不大于14t，列車編組自由、靈活，運(yùn)用方便，滿足我國在速度、密度及運(yùn)量等的的運(yùn)營要求。CRH2-300型動車組為動力分散、交流傳動、電力牽引的電動車組，具有“先進(jìn)、成熟、經(jīng)濟(jì)、適用、可靠”的技術(shù)特點(diǎn)。先進(jìn)性:動車組采用鋁合金空心型材車體、采用了先進(jìn)的工GBT功率元件以及VVUF牽引控制方式。成熟性:動車組的原型為日本新干線動車組，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)豐富，具有長時間的運(yùn)營業(yè)績。適用性:動車組具有速度提升能力，通過調(diào)整動車、拖車的比例，動車組能夠靈活適應(yīng)200km/h300km/h各速度等級的運(yùn)行。此外，動車組還可兩列聯(lián)掛，能滿足大運(yùn)量的需求。經(jīng)濟(jì)性:動車組采用了流線型設(shè)計(jì)，

17、單個車輛的最大軸重14t，牽引和制動能耗低，在節(jié)能、環(huán)保等方面具有獨(dú)特的優(yōu)越性。可靠性:動車組采用了先進(jìn)防滑、防空轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)和自動列車保護(hù)系統(tǒng)，為列車在各種環(huán)境下運(yùn)行時其準(zhǔn)時性提供了可靠保障。4.2 CRH2-300型動車組的粘著動車組所能實(shí)現(xiàn)的最大牽引力受粘著條件的限制。由于正壓力而出現(xiàn)的保持輪軌接觸處相對靜止而不相對滑動的現(xiàn)象稱為粘著。粘著狀態(tài)下的靜摩擦力稱為粘著牽引力。輪周上的切線力大于輪軌間的粘著牽引力時動輪就要發(fā)生空轉(zhuǎn)。在不發(fā)生空轉(zhuǎn)的前提條件下所能實(shí)現(xiàn)的最大輪周牽引力稱為粘著牽引力。CRH2-300型動車組編組型式是6動2拖，所以軸不全是動軸，那么粘著質(zhì)量肯定小于機(jī)車整備質(zhì)量。現(xiàn)假如

18、全動軸，以機(jī)車為例則應(yīng)按照最糟糕情況考慮，就是空車的情況來看，因此質(zhì)量就會變小了，那么計(jì)算所得粘著牽引力的極限值也變小。實(shí)際的粘著牽引力要大于最糟糕情況考慮，因此保證列車不發(fā)生空轉(zhuǎn)。在此機(jī)車粘著重量按最糟糕情況考慮，取CRH2-300型動車組整備質(zhì)量，由CRH2-300型動車組各車輛的設(shè)計(jì)重量值表4-1，查的CRHZ-300型動車組整備質(zhì)量為370.8t。一般來說，粘著受軌道的狀態(tài)(污跡、生銹、水、油、雪等)的影響很大，在干燥軌面與潮濕軌面比較，動車組干燥軌面上的粘著系數(shù)和粘著牽引力，都比潮濕軌面上的大，因此，干燥軌面粘著性能較好。但在同等條件下，有隨著車輛速度增高而下降的傾向。所以，輪周牽引力的上限也隨著車輛速度的增加而下降。4.3 CRH2-300型動車組