上海工程技术大学城市轨道交通学院 电力牵引报告 高速列车牵引系统.docx

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上海工程技术大学城市轨道交通学院电力牵引报告高速列车牵引系统

城市轨道交通

车辆电力牵引与控制报告

课题名称：

CRH2-300型动车组交流牵引系统

院系：

城市轨道交通学院

专业：

车辆工程

组别:

高速列车交流牵引系统

小组成员：

授课教师：

完成时间：

2016年11月1日

绪论2

0CRH2-300型动车组简介3

1CRH2-300型动车组牵引传动系统组成4

2CRH2-300型动车组牵引系统分析6

2.1牵引变流器的工作原理6

（1）脉冲整流器7

（2）三电平逆变器7

2.2牵引系统能量传递8

3CRH2-300型动车组制动系统分析8

3.1CRH2-300动车组制动系统概述8

3.2再生制动系统的能量传递9

4CRH2-300型动车组牵引性能计算10

4.1CRH2-300型动车组主要参数10

4.2CRH2-300型动车组的粘着10

4.3CRH2-300型动车组牵引性能计算11

5总结11

参考文献12

CRH2-300型动车组交流牵引系统

绪论

铁路运输具有速度快、运量大、能耗低、污染轻、安全性好等诸多优点，一直都是世界各国现代化交通运输体系中最为重要的运输手段，在国民经济的发展中发挥着不可替代的作用。

随着社会经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高，人们对运输服务质量的要求也愈来愈高，铁路旅客列车原来的运行速度已远不能满足人们出行的要求。

为了促进社会经济的持续发展，世界上许多发达国家一直在推动本国及相邻区域的轨道交通技术装备现代化进程，不断地提高机车车辆的运行速度。

我国也注重交一直一交电传动技术的研究与应用，“中原之星”号动力分散型电动车组，设计速度为160km/h，总功率为3200kw，总定员为548人。

“蓝箭”号动力集中型电动车组于2000年12月试验完成，总功率4800kw，设计时速200km/h，最高试验速度达235.6km/h，总定员421人。

动力分散型“先锋”号电动车组也于同期试制完成，总功率4800kw，设计时速200km/h，最高试验速度达240km/h，总定员424人。

应当指出的是设计时速270km/h的动力集中型“中华之星”号，是我国高速动车组最高速度值接近国外高速动车组的水平。

该车设计总功率为9600kw，总定员为774人，最高试验速度达321.5km/h。

以上电动车组均采用了交直交传动技术、计算机网络控制技术等众多国际先进技术，体现了我国机车车辆制造技术的最高水平。

由于我国与国外先进水平存在较大差距，消化吸收国外先进技术以及再创新的任务还很艰巨。

列车的牵引特性和制动特性是列车最重要的特性，是设计列车牵引传动系统的重要依据，对高速列车牵引传动这一多变量、非线性和强藕合的系统综合评估。

因此报告对CRH2-300型动车组牵引/制动性能的进行阐述，对高速列车事业有着重要的意义。

在研究高速列车交流牵引系统的时候，我们此次主要对CRH2-300型动车组牵引传动系统进行介绍分析。

0CRH2-300型动车组简介

CRH2-300型动车组电动车组是铁道部为了进行第六次提速向日本川崎重工引进的高速列车后，由我国专家将之国产化的产物。

它以日本新干线的E2-1000系电动车组为基础。

CRH2-300型动车组时速300公里速度级动车组（简称300km/hEMU）为动力分散交流传动动车组，可在中国新建300km/h速度级客运专线（300线）上运营，并能在新建200km/h速度级客运专线上以200km/h速度正常运行。

采用八辆编组，六动两拖，定员610人，最高运营速度300km/h,

最高试验速度350km/h，最大牵引功率7342kW，具有车体强度高、防火性能好、安全可靠性高、起动加速度大、噪音低、维护量小、寿命长、寿命周期成本低等优点。

列车的2号、3号、4号、5号、6号、7号车为动车，1号、8号车为拖车。

列车有2台受电弓，分别设于4号车和6号车上正常运行时列车单弓受流，另一台受电弓处于折叠备用状态。

受电弓将25kV的交流电通过高压电缆传给牵引变压器。

列车共有两台牵引变压器给六台牵引变流器供电。

牵引变压器为ATM9型单相无压密封壳式结构，用螺栓固定的吊挂方式安装在车体之下。

牵引变压器具有坚固的机械结构能够而机械振动和冲击;具有体积小、质量轻铁耗小的优点。

牵引变流器采用免维修半导体模块结构，其构成在下文中有详细说明在此不做论述。

牵引变流器通过整流逆变将1500V的交流电变换为电压和频率均可调的交流电供给牵引电机。

牵引电机为MT205型三相鼠笼异步电动机，每台牵引变流器带动4台牵引电动机，即每个动车设有4台牵引电动机，全车共有24台牵引电动机。

电动机额定功率为300KW,额定转速为4140rad/min。

电动机具有功率大、体积小、质量轻、结构简单构造牢固的优点，具有良好的牵引特性。

1CRH2-300型动车组牵引传动系统组成

CRH2-300型动车组动力组编组形式为8辆编，动力配置为6动2拖C6M+2T）。

全列共计2个受电弓、3个牵引变压器、6个牵引变流器、24台牵引电动机，列车正常时升单弓运行，另一个受电弓备用。

其中相邻的两辆动车为一个基本动力单元，共3个基本动力单元，每个动力单元具有独立的牵引传动系统。

其牵引传动的组成原理如图1所示，主要由受电弓、牵引变压器、脉冲整流器、中间环节、牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动等组成。

CRH2-300型动车组采用交流传动系统，动车组由受电弓从接触网获得AC25kV/50Hz电源，通过牵引变流器向牵引电机提供电压频率均可调节的三相交流电源。

图1CRH2-300型动车组动牵引传动系统组成原理图

其中高压设备完成从接触网到牵引变压器的接通与断开;牵引变压器用来把接触网上的25kV的高压变换成可供给牵引变流器工作所适合的电压，其工作原理与普通电力变压器相同;脉冲整流器是牵引传动系统的电源侧变流器，列车牵引运行时作为整流器，列车再生制动时作为逆变器，可以实现牵引与再生工况间的快速平滑转换;牵引逆变器是牵引传动系统的电机驱动侧变流器，列车牵引运行时作为逆变器，列车再生制动时作为整流器，可以实现牵引与再生工况间的快速平滑转换;牵引电机是实现电能和机械能转换的最核心部件。

列车牵引工况时作为电动机运行将电能转化成机械能，列车再生制动工况时作为发电机运行将机械能转化为电能。

CRH2-300型动车组的主电路如图2所示。

图2CRH2-300型动车组的主电路原理图

2CRH2-300型动车组牵引系统分析

2.1牵引变流器的工作原理

CRH2-300型动车组牵引变流器（Converter&Inverter，简称CI）由三点式脉冲整流器、中间直流电路、三点式逆变器、真空交流接触器等主电路设备以及无触点控制装置、控制电源等控制设备组成，采用的功率开关器件为工GBT肛PM，上述设备安装在一个箱体内，箱框采用铝合金结构，减小牵引变流器重量。

取消了变流器中间直流回路的二次吸收回路，牵引变压器不需设置二次滤波电抗器，牵引变压器和牵引变流器的重量均得到大幅度降低。

每个动车设置一台牵引变流器，每个牵引变流器驱动4台并联牵引电机。

脉冲整流器和逆变器主电路图参见图3。

三点式脉冲整流器以PWM斩波方式进行整流，控制中间直流电压牵引时在2600V-v3000V内，再生制动时稳定在3000V，三点式逆变器采用异步调制、5脉冲、3脉冲和单脉冲相结合进行控制。

牵引变流器输出电压、频率可调的三相交流电，驱动4台并联连的牵引电机。

图3脉冲整流器和逆变器主电路图

（1）脉冲整流器

CRH2-300型动车组采用的单相三电平四象限变流器主电路图如图4所示。

L为整流器流侧电感，R为网侧漏电阻。

C,和C:

为直流侧两个支撑电容。

通过脉宽调制技术，可以使得能量由电网向直流中间环节传递（牵引工况），也可将直流中间环节能量向电网传递（再生工况），在能量的传递过程中要维持直流中间环节电压稳定，且使网侧功率因数接近1。

图4单相三电平四象限整流器主电路图与开关等效图

（2）三电平逆变器

CRH2-300型动车组采用的三电平逆变器的主电路如图5所示，可知是二极管箱位式的三电平逆变器。

图5二极管三电平逆变器拓扑结构图

2.2牵引系统能量传递

列车牵引运行时是将电能转换成机械能，能量传递的途径如图6所示。

图6CRH2-300型动车组牵引传动系统能量传递图

CRH2-300型动车组列车牵引运行时:

受电弓将接触网AC25kV单相工频交流电，经过相关的高压电气设备传输给牵引变压器，牵引变压器降压输出1500v单相交流电供给牵引变流器，通过脉冲整流器将单相交流电变换成直流电，经过中间直流电路将DC2600一一3000V的直流电输出，再经过牵引逆变器，牵引逆变器输出电压/频率可调的三相交流电源（电压:

0---2300V;频率:

0---220Hz）;此电源驱动牵引电动机，牵引电动机的转矩和转速通过齿轮变速箱传递给轮对驱动列车运行。

实现电能到机械能的转换。

3CRH2-300型动车组制动系统分析

3.1CRH2-300动车组制动系统概述

CRH2-300动车组采用8辆编组，6辆动车（即M车）2辆拖车（即T车），其中列车的2号、3号、4号、5号、6号、7号车为动车，1号、8号车为拖车。

CRH2-300型动车组的总体结构如图7。

图7CRH2-300型动车组总体结构

CRH2-300型动车组制动系统主要由电制动系统、空气制动系统、防滑装置和制动控制系统组成。

动车组由6辆动车和2辆拖车组成，动车的每根轴上有电制动和空气制动装置，空气制动装置包括2套轮盘式盘形制动装置;拖车的每根轴上只有空气制动装置，包括2套轮盘式制动装置和2套轴盘式盘形制动装置。

CRH2-300型动车组制动系统采用再生制动和空气制动联合作用的复合制动模式。

在单元内再生制动优先，空气制动实行延迟控制，以减少机械制动零部件的磨损;当列车速度较高时实施电制动，当低速区域电制动不足或故障时由空气制动来补充。

制动方式的转换由微机系统控制完成。

3.2再生制动系统的能量传递

CRH2-300型动车组再生制动系统组与牵引传动系统组成相同弓、牵引变压器、脉冲整流器、中间环节、牵引逆变器、牵引电机等组成，其组成原理如图1所示。

主要由受电、齿轮传动。

再生制动运行时是将机械能转换成电能，能量传递的途径如图8所示。

图8CRH2-300型动车组牵引传动系统能量传递图

CRH2-300型动车组再生制动时:

控制牵引逆变器使得牵引电动机处于发电状态，牵引逆变器工作在整流状态，牵引电动机发出的三相交流电被整流为直流电并对中间直流环节进行充电，是中间直流环节的电压上升。

脉冲整流器工作于逆变状态，中间直流回路直流电被逆变为单相交流电，该交流电通过牵引变压器、真空断路器、受电弓等高压设备反馈给接触网，从而实现机械能到电能的转换。

4CRH2-300型动车组牵引性能计算

4.1CRH2-300型动车组主要参数

CRH2-300型动车组，列车定员多、技术经济指标高，轴重及簧下重量低，定员时最大轴重不大于14t，列车编组自由、灵活，运用方便，满足我国在速度、密度及运量等的的运营要求。

CRH2-300型动车组为动力分散、交流传动、电力牵引的电动车组，具有“先进、成熟、经济、适用、可靠”的技术特点。

先进性:

动车组采用铝合金空心型材车体、采用了先进的工GBT功率元件以及VVUF牵引控制方式。

成熟性:

动车组的原型为日本新干线动车组，运用经验丰富，具有长时间的运营业绩。

适用性:

动车组具有速度提升能力，通过调整动车、拖车的比例，动车组能够灵活适应200km/h}300km/h各速度等级的运行。

此外，动车组还可两列联挂，能满足大运量的需求。

经济性:

动车组采用了流线型设计，单个车辆的最大轴重14t，牵引和制动能耗低，在节能、环保等方面具有独特的优越性。

可靠性:

动车组采用了先进防滑、防空转控制系统和自动列车保护系统，为列车在各种环境下运行时其准时性提供了可靠保障。

4.2CRH2-300型动车组的粘着

动车组所能实现的最大牵引力受粘着条件的限制。

由于正压力而出现的保持轮轨接触处相对静止而不相对滑动的现象称为粘着。

粘着状态下的静摩擦力称为粘着牵引力。

轮周上的切线力大于轮轨间的粘着牵引力时动轮就要发生空转。

在不发生空转的前提条件下所能实现的最大轮周牵引力称为粘着牵引力。

CRH2-300型动车组编组型式是6动2拖，所以轴不全是动轴，那么粘着质量肯定小于机车整备质量。

现假如全动轴，以机车为例则应按照最糟糕情况考虑，就是空车的情况来看，因此质量就会变小了，那么计算所得粘着牵引力的极限值也变小。

实际的粘着牵引力要大于最糟糕情况考虑，因此保证列车不发生空转。

在此机车粘着重量按最糟糕情况考虑，取CRH2-300型动车组整备质量，由CRH2-300型动车组各车辆的设计重量值表4-1，查的CRHZ-300型动车组整备质量为370.8t。

一般来说，粘着受轨道的状态（污迹、生锈、水、油、雪等）的影响很大，在干燥轨面与潮湿轨面比较，动车组干燥轨面上的粘着系数和粘着牵引力，都比潮湿轨面上的大，因此，干燥轨面粘着性能较好。

但在同等条件下，有随着车辆速度增高而下降的倾向。

所以，轮周牵引力的上限也随着车辆速度的增加而下降。

4.3CRH2-300型动车组牵引性能计算

牵引特性对高速列车牵引传动这个多变量、非线性、强藕合的系统做出综合评估，不仅直接检验牵引控制系统的有效性和准确性，而且验证了高压设备，牵引变压器，牵引变流器，牵引电机，齿轮传动等关键环节的工作状态和综合作用结果。

牵引性能计算应考虑粘着的限制和运行阻力，计算牵引特性一般的步骤如下:

第一步:

确定牵引功率;

第二步:

确定最高速度的列车牵引力;

第三步:

确定列车起动牵引力;

第四步:

确定恒力矩、恒功率运行的转折点。

5总结

本文主要介绍了CRH2-300型动车组牵引传动系统的组成原理和动车组在牵引运行时的能量传递，并分析了CRH2-300型动车组牵引变流器的工作原理。

同时对CRH2-300型动车组制动系统进行简要论述，分析了再生制动时能量的传递。

这对我们研究高速列车交流牵引系统提供了更多的知识。

参考文献

[1]王书林，赵茜.电力牵引控制系统.北京:

中国电力版社，2005年

[2]孙中央，列车牵引计算实用教程（第二版）.北京:

中国铁道出版社，2005年

[3]冯晓云，电力牵引交流传动及其控制系统.北京:

高等教育出版社，2009年

[4]丁荣军，交流传动机车牵引特性曲线与变流器一牵引电机系统的匹配.机车电传动，

1999（6）14一16

[5]陈慧民，高速动车组牵引特性分析.城市轨道交通研究，2008（7）21-24

[6]窦新.和谐号CRH2-300动车组.铁道知识，2008（4）12-1.3