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动车组牵引传动系统设计
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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
1.1CRH3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25kV／50Hz，副边为l550V／50Hz。
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。
1.2CRH3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：
再生制动时，制动力和速度的数学关系为：
1.3.我国机车电传动技术的发展与现状
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1962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——SSl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1Mw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。
1.4CRH3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
2.1CRH3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cRH3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1550V，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。
（1）仿真结果及分析
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CRH3型动车组牵引电机的具体参数如表l所示。
（2）仿真的速度和转矩跟踪响应
给定速度由0km／h一300km／h～50km／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。
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。
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。
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。
2.3变压器二次侧电压、电流相位差分析
牵引工况时变压器二次侧电压、电流波形如图14所示，从图中可以看到两者相位差基本为0。
，保持同相，表明机车在吸收功率运行在牵引工况下。
再生制动工况时，变压器二次侧电压、电流波形如图15所示，可以看到两者相位差基本为180。
，保持反相，机车运行在制动工况下将能量反馈给电网，实现能量再生。
2.4功率因数分析
12s仿真时间内的功率因数曲线如图16所示，在DTC系统控制下，牵引传动系统的功率因数在牵引工况时基本接近l，在再生制动工况时接近一1，且曲线变化平滑，系统性能良好。
2.5网压波动时动车组恒速仿真
在仿真时间为5s时，变压器一次侧电压由25kV变到19kv，变压器二次侧电压、电流波形如图17所示。
模拟动车组在网压波动下的速度变化曲线如图18所示，由图可以看到在网压波动时，DTC系统控制
下的CRH3型动车组速度能恒定在300kln／h，没有出现大的速度波动。
第三章牵引传动系统的设计
3.1牵引传动系统的设计
1牵引传动系统的设计思路
对于高速列车的牵引传动系统的设计，首先对列车牵引功率进行设计；其次根据牵引功率、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设计；最后根据列车的动拖比计算牵引电动机的容量、牵引变流器的容量及牵引变压器的容量。
3.2列车牵引功率设计
列车牵引功率设计列车牵引功率主要与列车最高运行速度、列车质量、最高速度时的列车运行阻力和剩余加速度有关，其运算公式如式3-9所示
Pk=
3-9
式中------列车牵引功率（）
------列车运行最高时速时的单位基本阻力）
-----剩余加速度（m/）
-----逆风速度（Km/h）
------列车最高运行速度
根据列车牵引功率、齿轮传动效率、牵引电动机效率、可以计算出牵引电动机的总功率，如式3-10所示
PM=3-10
式中PM------牵引电动机的总功率
------齿轮传动效率
牵引电动机效率
根据牵引电动机总功率设计列车的动拖比，计算出动轴数或电动机台数N，每台电动机的功率为：
PMN=PM/N
式中PMN-----每台电动机的功率；
为保证列车安全运行必须满足上述条件的要求。
在确定牵引功率时还必须考虑传动效率、最大坡道上的最低运行速度、故障运行时的要求等多种因素的综合影响，在确定牵引功率时一般要略高于上述技术条件的规定。
3.3，牵引特性设计
牵引特性的技算是设计列车牵引制动性能的基础，是进行列车设计必须进行的最基础的工作，是进行列车运输组织、确定列车运输时间间隔和运输时刻表的重要基础数据，也是列车运用部门和列车乘务员操作列车的指导依据。
计算牵引特性一般分为以下几个步骤：
1,确定最高速度时的列车牵引力
将确定后的列车牵引功率、最高运行速度代入式3-9，即可求出最高运行速度时的牵引力
FK=（KN）
2,确定列车启动牵引力
根据列车启动最大加速度和启动平均加速度的要求确定启动牵引力。
3,确定恒牵引力、恒功率运行的转折点
根据启动牵引力与恒功率曲线，求出其相交点即为恒牵引力、恒功率运行的转折点。
4,牵引特性仿真计算
根据初步计算出的牵引特性，针对相应的线路，根据列车运行方程式进行列车运行模拟仿真，得到运行区段的列车速度—距离曲线，运行时间，减速度/加速度—时间曲线，能耗曲线，牵引力曲线，坡道最低运行速度，不同线路坡度的加速距离和制动距离，故障模拟运行结果等牵引计算要求的所有参数与曲线。
5,牵引特性校验
将其计算结果与列车牵引运行的技术要求进行对比分析，并进行必要的修正直至完全满足牵引需求，最终设计出列车的牵引/制动特性曲线。
需要验证的主要技术参数包括：
（1）满功率平直轨道最高速度运行时的剩余加速度验算；
（2）启动时的加速度和平均加速验算
（3）故障运行时的牵引能力验算
（4）不同坡道上的爬坡能力验算
（5）最大坡度运行满功率运行时的最低速度验算
（6）加速距离和制动距离的验算
列车动力制动特性的计算与牵引特性的相仿。
综上所述，高速列车牵引特性的特点可归纳为以下几点：
（1）低速区牵引力恒定或随速度升高而略有下降，应与高速列车的黏着特性随速度的变化趋势相适应。
（2）由于高速列车大都采用轻量化技术，牵引力比大功率机车的牵引力明显减小。
（3）高速区为恒功率曲线，牵引力随速度升高而呈双曲线关系下降。
这一点与普通热燃，电力机车的恒功牵引特性曲线是相似的，但恒功范围小，一般是恒功范围起始点速度的2~3倍，且向高速区移动；对于最高运行速度350km/h的动车组，恒功范围起始点多在100km/h以上；
（4）因采用动力分散牵引模式，在正常轨面状态下，启动时及低速范围的牵引力低于黏着限制曲线较多，因此，在动车组的牵引特性曲线图中，黏着特性曲线通常是不画出来的。
（5）在动车组的牵引特性曲线上通常不标注最低持续温度，因为在全功率下，即便在20‰以上甚至接近30‰的坡道上，列车的速度仍能在恒功区范围内，牵引电动机的散热能力在允许的范围内，换言之，在正线运行时（坡道12‰）不会出现全功率低速持续运行的情况。
3.4，列车牵引传动系统容量设计
牵引系统中牵引变压器、牵引变流器、牵引电动机的容量计算是非常重要的设计依据。
首先应根据列车的牵引特性、再生制动特性的最大值求解出列车轮缘的输出功率Pk，根据牵引传动系统中各部件的效率，功率因数等，按牵引电动机----牵引变流器-----牵引变压器的顺序求得每个部件的最大功率。
功率因数和效率与列车所处的运行工况密切相关，随速度的变化而变化，特别是低速运行时效率比较低。
由于效率特性很难用精确地数学模型描述，因此在通常的运行条件下，在容量的计算中功率因数与效率假定为常数，常采用额定值进行近似计算。
在特殊的运行条件或线路条件下，需要另外进行运行试验加以验证和确定。
3.5，新一代高速动车组设计计算算例
根据上述设计思路，按照京沪高速对高速动车组实施方案的要求，采用CHR2--300高速列车组的主要参数，可以设计计算出其牵引功率，牵引功率与阻力的优化匹配、牵引系统与机械传动比的匹配以及牵引系统的配置。
1,以CHR2—300型动车组参数为例进行设计
CHR2—300型动车组设计计算基本运行阻力曲线公式如下：
Wj=0.88+0.00744+0.0001242（N/KN）
根据CHR2—300型动车组8编组的已知参数、基本运行阻力等可以计算出满足380Km/h运行速度要求的最小牵引功率为10400Kw,380Km/Hs时的剩余加速度为0.0163m/、350Km/h时的剩余加速度为0.05736m/。
平均加速度与传动比密切相关，选择合理的传动比即可达到0~200Km/h大于0.4m/的要求。
若为16编组，满足380Km/h运行时速要求的最小牵引功率为20500kw，80km/h时的剩余加速度为0.0158m/350Km/h时的剩余加速度为0.05621m/。
3.6，新一代高速动车组牵引传动系统设计
根据新一代高速列车技术性能要求，以下结合CHR2—300型动车组牵引系统设计计算、实验结果以及运行情况，研究新一代高速列车牵引系统的提升侧略和实施方案。
（1）牵引功率与阻力的优化匹配
如新一代高速列车以16辆编组计算阻力公式校核，以CHR2—300牵引电动机功率342kw为基础，即使使用14动2托的动力配置方案，速度350Km/h时剩余加速度要求，牵引功率与阻力配比值如下：
1、牵引电动机功率由342kw提升至365kw
2、各部件减小阻力分配值
新一代高速列车阻力目标值wx=0.53+0.0039+0.0001142（N/KN）
（2）牵引系统与机械传动的匹配
牵引系统与机械传动系统的接口主要是牵引电动机与齿轮箱的接口关系，关系到齿轮传动比与电动机转速以及电动机扭矩发挥的匹配
的关系。
表3-1新一代高速列车齿轮传动比匹配与平均加速度的关系
序号
齿轮传动比
0~200km/h的平均加速度/（m*s-2）
1
2.1
0.38
2
2.2
0.405
3
2.3
0.416
4
2.5
0.452
5
2.7
0.488
6
3.03
0.53
表3-2新一代高速列车齿轮传动比与列车最高运行速度匹配关系
牵引电动机持续最高转速6120r/min
传动比
列车速度/k*h-1新轮轮860mm
列车速度/km*h-1
车轮半磨耗820mm
列车速度/k*h-1
车轮全磨耗790mm
2.1
472
450
434
2.2
451
430
414
2.3
431
411
396
2.4
413
394
380
2.5
397
378
364
2.7
367
350
337
3.03
327
312
301
由表3-1可见，为满足新一代高速列车从0加速至200km/h的平均加速度大于0.4m/s2的要求，齿轮传动比应大于2.2来匹配。
由表3-2可见，齿轮传动比越小，列车最高运行速度值越高，为满足新一代高速列车最高运行速度380km/h的要求，需按照全磨耗状态进行校核，这样齿轮传动比须小于2.4。
从齿轮传动比与启动速度段的平均加速度的匹配关系以及与列车最高持续速度的匹配关系可以看出，新一代高速列车齿轮传动比应在2.2----2.4间进行匹配，方能同时满足最高运行速度和启动平均速度的要求。
（3）牵引传动系统设计
影响动车组牵引性能的主要原因是牵引功率和运行阻力，提升牵引能力的关键是在列车运行阻力可预测的条件下提升牵引功率（牵引电动机、牵引变压器及牵引变流器功率相应提升）。
针对速度提升后牵引电动机轴承面临的问题，通过改变齿轮传动比以提高相同电动机转速下轮轴的输出转速，从而降低所需要的牵引电动机轴承转速。
根据新一代高速列车总体技术条件关于平直道350km/h列车剩余加速度不小于0.06m/s2，380km/h时列车剩余加速度不小于0.02m/s2的牵引性能要求，基于CRH2牵引系统的可靠性，CRH2—300平台为基础，列车质量为890t，齿轮传动比为2.37、单位阻力公式为w=0.53+0.0039+0.0001142（N/KN）
通过上述设计计算公式可以计数出新一代高速16辆编组动车组论轴输出总功率不小于19382KW。
在轮轴牵引功率19382kw的条件下，350km/h时列车剩余加速度为0.062m/s2，380km/h时列车剩余加速度为0.023m/s2，0—200km/h平直道列车均启动加速度为0.42m/s2，加速度到350km/h所需时间约为420s，加速度为27.5km；从350km/h加速到380km/h所需时间为210s加速度距离为21.5km。
（4）牵引系统配置
16辆编组动车组牵引电传动系统设7个牵引单元，每个牵引单元设1台牵引变压器、2台牵引变流器8台牵引电动机。
1、牵引电动机容量
列车速度提升到380km/h，牵引电动机功率为365kw，齿轮箱传动比为2.37.牵引电动机的技术参数方案见表3-23
2、牵引变压器
根据对牵引系统牵引能力提升的要求，牵引变压器具体技术参数如表3-4所示
表3-3牵引电动机技术参数
项目
新一代高速列车
项目
新一代高速列车
额定功率/kw
365
额定转速（r·min）
5367
额定电压/V
2200
基波速度
95
额定电流/A
120
最高速度（km·h）
380以上
额定频率/HZ
180
最高转速（r·min）
5560/5829/6050
表3-4牵引变压器技术参数
项目
新一代高速列车
绕组
高压
牵引
辅助
容量kv·A
3710
3234
475
电压V
25000
1650
400
体积
在满足整车安装要求的前提下适当增大
质量Kg
约3700
温升限度
绕组：
125（电阻法）
油：
80（温度计法）
3、牵引变流器
牵变流器设计能力的分析，牵引变流器可在尺寸基本保持不变的情况下进行容量的提升，由于单台牵引电动机的轴输出功率要求提高到365kw，故相应计算牵引变流器整流器容量由1513kV·A提高至约1617kV·A，逆变器容量由1670kV·A提高至约1785kV·A。
第四章我国牵引传动技术的展望
我国机车电传动技术已走过50余年的发展里程，取得了巨大进步，铁路运输从速度和功率已被用到技术极限的交-直传动迈入速度更快、功率更高的交流传动的阶段，但这项技术的创新和开拓是永无止境的，它必将随着相关技术的发展而不断提高到更新的水平上。
通过贯彻“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的总体要求进行技术引进和合作，我国机车车辆制造业的骨干企业开始批量生产交流传动电力、内燃机车和电动车组。
在技术引进的基础上，进行消化吸收和再创新研究，轨道交通装备核心、关键技术的相关平台和体系初步形成，在满足国内铁路运输市场需求的同时，促进铁路机车车辆制造行业走向成熟，实现交流传动机车车辆的国内开发和制造，彻底解决铁路运力不能满足改革开放以来国民经济日益发展要求的矛盾，为我国的社会主义现代化建设做出贡献，进而走向世界，在高速、重载铁路牵引设备领域与世界先进企业同台竞争。
五．总结
通过对动车牵引传动系统的设计思路的分析，牵引传动系统的特点、牵引传动系统的简介、动车组牵引传动系统分析、列车牵引传动系统容量
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