动车组牵引传动系统设计

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1.1 CRH3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25 kV／50 Hz，副边为l 550 V／50 Hz。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。

1.2 CRH3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A C4000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。

1.4 CRH3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