第二章 电力牵引传动系统设计基础

目标
系统
接口
标注
速度目标
牵引供电
牵引变压器容 随速度目标以及行车密度提 量 升 速度提升造成的牵引电流会 供电臂末端网 拉低网压，需合理设置变电 压 所间距，保证供电臂网压 载流极限 供电质量 弓网接触力 离线率 受电弓硬点 接触线抬升量 过分相方式 电压波动：19 kV~31.5 kV 等效干扰小于2.5A
仿真、试验
7
接口指不同子系统之间工作界面上的对接关系和配合关系。
子系统A
子系统B
接口
边界指子系统工作界面上各接口属性的集合，是子系统接口间连接的界 面，是量化参数。
子系统A 边界
8
高速列车关键技术接口及设计规范
1 、高速列车顶层技术 指标及边界设计技术研 究 1 、高速列车车体与 转向架接口技术研究 2. 高 速列 车各 系统 间接 口技 术研 究 2 、高速列车车体与 安装设备的接口技术 研究 1 、高速列车通用设 计规范与标准研究 3. 高 速列 车设 计规 范与 标准 研究 2 、基于速度的设计 规范与标准研究 3 、基于安全性设计 规范与标准研究 4 、基于舒适性的设 计规范与标准研究
24
高速列车系统设计软件
车型：CRH2A 线路：平直道 仿真内容：列车运行过程中瞬态电气量仿真
25
高速列车系统设计软件
车型：CRH2A 线路：京沪线 仿真内容：温升校核
26
内容提要
• 设计流程概述
• 牵引特性曲线初步设计
• 牵引计算基础
27
• 牵引特性曲线
用列车轮缘牵引力/制动力与轮缘线速度的关系曲线表示 ，是计算列车牵引与制动性能最重要的原始数据 恒牵引力起动，恒功率运行 牵引力与功率的关系 Fk Pk 3.6 （kN）
现代轨道交通 牵引传动技术
北京交通大学电气工程学院 林 飞 王琛琛
1
第二章 电力牵引传动系统 设计基础
2
内容提要
• 设计流程概述
• 牵引特性曲线初步设计
• 牵引计算基础
3
设计流程概述
• 基于顶层指标的设计方法
• 系统接口匹配
• 数字化设计平台 • 仿真软件验算：牵引计算、动态仿 真、温升校核等
简单仿真
是否加载 动态模型
动态耦合 仿真
18
牵引供电模块
高速列车系统设计软件
单相电压、电流
弓网关系模块
牵引变压器模块
单相电压、电流
网侧电 压、电流
速度、 制动 级位 变 压 器 电 流 再生制动 电空 力，向变流 器请求 复合 制动 模块 不足的 空气制 动力部 分，计 算出夹 紧力 电机三 相电流 Ansys 闸片、闸 盘、电机、 变压器温度
1. 国家标准 设计输入 2. 行业标准 3. 限界 4. 工务工程 （线路、桥梁 高速列车 内部 站台、隧道）外部 5. 牵引供电 接口 接口 设计 6. 列控系统 7. 地面设施 8. 运输组织 9. 自然环境 设计输出 10.气候条件 1. 总体设计 总体方案(平断面、设备、重量等) 总体参数 2. 子系统设计方案（软接口、安装接口） 3. 图纸设计、施工设计、试验调试
反力矩（用于 确定牵引力和 制动力）、动 力学性能参数
各点流场 加速度、 压力值 流固耦合Star-CCM+
接口部分
19
高速列车系统设计软件
设计接口与边界条件 （牵引传动系统为例）
外部接口
国际、国内标准
车-线 （半径、坡度）、轮-轨（黏着、轮轨动力）
弓网耦合（线路阻抗、线路压降）、流固耦合 （运行 阻力、气场分布）
Vk
恒牵引力区 准恒牵引力区
28
• 牵引特性曲线设计：
是在列车性能要求的基础上，得到一条满足列 车各项运行指标的列车牵引力-运行速度曲线
29
• 设计目标和已知条件
列车编组形式：列车动车和拖车辆数，每辆车整备质量以 及每辆车的定员，单位乘客体重。每辆车的轴数、轴上电 机数也为知条件。 例：CRH2列车编组情况
17
高速列车系统设计软件
软件整体框架
通用数据
顶层目标
牵引传动系统
制动系统设计
综合仿真
结果分析
基本数据 列车 速度 安全性 线路 舒适性 牵引供电 节能环保 牵引特性 设计 传动系统控 制模型 部件容量 配置 相关标准 查询
制动曲线验 证 风源系统能 力校核 复合制动能 力校验 制动副温升 计算 运行仿真 温升计算 其他接口 结果记录 实时显示
3 、转向架与牵引制 动系统接口技术研究
4 、网络控制系统接 口技术研究 5 、基于减小机械振 动的各设备与车体的 接口技术研究
5 、基于节能环保的 设计规范与标准研究
6 、基于可靠性的设 计规范与标准研究
9
目标1 速度目标
目标2 节能与环保
预留接口 全程人均公里耗电量
注释
速度目标
速度目标 速度目标 速度目标 速度目标 速度目标 速度目标
节能与环保
节能与环保 节能与环保 节能与环保 节能与环保 节能与环保 节能与环保
牵引总效率
减振指标 降噪指标 电磁兼容指标 轻量化指标 再生制动能量回收量 排放指标
10
UIC 513、GB/T 5599 GB/T 12816 EN 50121 、 GB/T 17626 列车轴重
顶层目标之间接口 （速度-环保）
网络
转向架 车体 其它设备 电气 网络
控制及诊断
安装强度、模态 安装强度、模态 作业和检修空间验证 接线方式 接线方式
14
2. 结构接口
高速列车内部接口 （牵引传动-转向架）
1. 速度等级 2. 编组 3. 车型及车种
4. 动力配置 5. 轴重 …… 1. 转向架 2. 车体 3. 牵引传动 4. 制动 5. 空调系统 6. 列车网络 7. 辅助供电 8. 车内装饰 9. 给水卫生 10. 车间连接 ……
1. 高 速列 车与 外部 环境 接口 技术 研 究
2 、高速列车与线路、 限界接口关系研究 3 、高速列车与运行控 制系统接口关系研究 4 、高速列车与运输组 织系统接口关系研究 5 、高速列车与牵引供 电系统接口关系研究 6 、高速列车与桥梁的 边界匹配关系研究 7 、高速列车与隧道的 边界匹配关系研究
系统2 牵引供电 牵引供电 牵引供电 牵引供电 牵引供电 牵引供电 过分相 过分相 过分相
主要预留接口 变电所容量、接触网供电方式 接触网悬挂方式（截面、抗拉张力）、适用网 高、跨线运行适用性 供电品质 再生制动 波动速度、弓网耦合作用（作用动态行为、接 触力等）、双弓受流干扰与影响 摩擦副匹配（磨耗、导电率） 过分相方式（车载和地面） 操作过电压、车网阻抗匹配、滤波吸收 控制动作匹配协调（列控）
例：日本高速列车公式
/ ( v)
干轨： 27.2 / (85 v) 湿轨： 13.6 / (85 v)
31
• 设计目标和已知条件
列车基本阻力 轮对轴承摩擦阻力； 轮轨滚动摩擦阻力； 轮轨滑动摩擦阻力； 冲击和振动； 空气阻力。
另：列车附加阻力 坡道附加阻力； 曲线附加阻力； 隧道空气附加阻力； 其他附加阻力； 起动阻力。
12
1.高速列车与牵引供电的接口
2.高速列车与过分相的接口
子系统之间接口 （高速列车-牵引供电）
序号 1
系统1 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车
系统2 线路 线路 线路 线路 线路 线路 线路 线路 振动模态匹配 轮轨踏面匹配
主要预留接口
1.高速列车与线路接口
内部接口
牵引-基础制动系统等（再生制动）
20
高速列车系统设计软件
设计接口与边界条件 （牵引传动系统为例）
PAN
VCB
辅助绕组 520kVA
脉冲整流器
逆变器
牵引电机
×4
×4
21
牵引变压器
高速列车系统设计软件
基于速度顶层技术指标的牵引传动系统设计
线路、车辆、供电条件输入 速度技术指标（最高速度、加减速度）初始设定 牵引/制动特性曲线设计 运行仿真
15
高速列车系统设计软件
软件定位
高速列车设计平台
整车性能设计 （速度、能耗等顶层技术指标的确定） 列车子系统设计 （牵引与制动系统为主）
高速列车技术研究平台
牵引控制、节能优化算法等
高速列车技术展示平台
设计成果展示 三维运行仿真
16
国家科技支撑计划 -- 综合仿真平台
6
系统实施需求分析 接口分析： 顶层目标之间 顶层目标与各系统之间 高速列车与系统之间 高速列车内部子系统之间
顶层目标选取
顶层技术指标体系选取 基于顶层指标 的系统优化设 计 边界设计
顶层技术指标值初设定
基于顶层目标的系统划分
顶层技 术指标 值校正
有效性验证
顶层目标与子系统关联性分析
顶层技术指标体系量化
子系统1 牵引传动 牵引传动 牵引传动 牵引传动 牵引传动
子系统2 转向架 车体 车体 制动 电气
主要预留接口 轮径、轮轨粘着、动态位移、冲击振动 启动加速度、加速度 振动、冲击、强度、模态、减振降噪 再生制动、紧急制动、控制匹配 电源及控制线路配线、电磁干扰
6
1 2 3 4 5
牵引传动
牵引传动 牵引传动 牵引传动 牵引传动 牵引传动
脉冲整流器模块
IGBT 触发 脉冲
直流环节模块
变 流 器 模 块 直流电压
IGBT 触发 脉冲
整流器 控制策 略模块
逆变器模块
逆变器 控制策 略模块
变 流 器 控 制 策 略 模 块
三相电压、电流
牵引电机模块
三相电流、 转速
列车运行仿真系统
与其他特定功能仿真平台接口 列车速 度、每台 电机转矩 动力学Simpack
2
3 4 5 6 7
轮轨材料及强度、硬度、刚度匹配 内侧距匹配、轮轨游隙 道岔 上下坡道 车辆定距和轴距、曲线超高及缓和曲线、曲线 半径 限界、安全距离
8 9
10
高速列车
高速列车
线路
线路
轴重、轮轨作用力、振动、噪声
线路不平顺
Βιβλιοθήκη Baidu13
高速列车与外部系统接口 （高速列车 –线路）
序号 1.系统接口 1 2 3 4 5
电机动态控制结果
电机/变流器温升、基础制动装置温升 弓网受流、车辆动力学、流固耦合 运行时分、加减速结果、能耗 技术指标、牵引/制动特性的重新设定 确定：主电路形式、装置容量、控制方法、效果
22
高速列车系统设计软件
仿真目标车型：CRH2A
23
高速列车系统设计软件
运行策略：最小时分 车 型：CRH2A 线 路：京沪高速_下行 运行时间：361.7min 运行能耗：20192kWh
速度目标
速度目标 速度目标 速度目标 速度目标 速度目标 速度目标 速度目标
牵引供电
牵引供电 牵引供电 牵引供电 牵引供电 牵引供电 牵引供电 牵引供电
顶层目标与子系统之间接口 （速度-牵引供电）
序号 1 2 3 4 5 6 1 2 3
系统1 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车 高速列车
合计610人 80kg/人 编组整体重量 定员重量/t 47.2 56.0 53.3 50.0 48.5 56.0 50.9 46.6 408.5 64 5.1
平均轴重(t) 11.8 14.0 13.3 12.5 12.1 14.0 12.7 11.7
30
• 设计目标和已知条件
列车最高运行速度 例：京沪高铁380km/h 列车轮轨黏着关系
车 号 形式代号 1 2 3 4 5 6 7 8 T1c M2 M1 T2 T1k M2 M1s T2c 备 注
整备重量/t 42.8 48 46.5 42 44.1 48 46.8 41.5
定员/人 55 100 85 100 55 100 51 乘客重量/t 4.4 8.0 6.8 8.0 4.4 8.0 4.1
4
顶层目标
旅行时间与最高运行速度 安全与防灾
开行原则与开行方案
舒适性 节能与环保
5
旅行 时间 与 最高 运行 速度
试验速度(km/h) 运行阻力 临界失稳速度(km/h) 最高运行速度(km/h) 速度指标 平均轴重 脱轨系数 舒适性指标 安全性指标 旅行速度(km/h) 牵引总效率 节能指标 编组数 /辆 安全 轮重减载率 运行平稳性指标 2 与 开行原则 再生制动能量回收效率 编组 启动加速度 (m/s ) 振动舒适性 与 定员/人 节能 防灾 紧急制动距离 与运能指标 开行方案 直达能耗 运行品质 牵引能力指 与 平均加速度(m/s2) 最小追踪间隔 标 舒适性 环保 抗雨雪能力 振动指标 纵向冲击 防灾指标 剩余加速度(m/s2) 抗雷击能力 噪声指标 气密性 环保指标 综合舒适性 电磁兼容指标 及环境指标 车内噪声 排放指标