牵引与制动曲线设计

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5.牵引电传动系统各装置容量的计算
功率因数 效率 接触网 VVVF逆变器 ηinv=0.99 牵引电机 Cosφ＝0.86 ηMM=0.92 ηGearl=0.975 电机输入功率 Pmin=Pinv*cosPhi 电机输出功率 Pmout=Pmin*ηmm 踏面输出功率 Pt=Pmout*ηgearl 路面输出功 率
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3.为什么要学习车辆性能设计？
• • • • 它和电机设计、变流器设计密切相关 也和电机特性、变流器特性密切相关 是车辆电传动系统讨论的基础 终端用户最好能设计车辆性能，至少应十 分熟悉车辆性能曲线
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电传动系统设计顺序
• 用户要求 • 设计车辆性能曲线 • 仿真验证设计车辆性能能否满足要求 （加 速度，旅行速度，列车能否实施救援等等） • 具体设计电动机、变流器，并根据需要调 整车辆性能曲线 • 制造、联调试验、列车运行试验 • 接受验收
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牵引性能曲线设计实例
• 车辆形式：都市近郊列车 • MT比：1M2T (Mc-T-Tc） • 最高速度 130km/h • 起动加速度 2.5km/h/s • 最大坡道 3.5%
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车辆质量和定员
Mc 空车质量 定员 最大乘车率 41t 140人 200% T 28t 150人 200% Tc 32t 140人 200%
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车辆牵引性能计算的主要制约因素
• 牵引电机的最大转矩 • 黏着限制 • 逆变器容量的限制
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4. 车辆性能设计简单实例
• 一般先由用户提出要求：车辆种类、运行 线路条件、坡道条件、加速度、最高速度 • 本例从已经确定车辆 MT比开始
仿真过程（方法） A. 输入车辆性能曲线、线路条件、列车阻力、接触网 电压 etc. B. Simulation启动运行 C. 得到距离-速度、距离-时间、电机RMS电流、列车 运行能耗、电机温升、旅行速度 etc.
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用Simulation验证性能曲线是否可行的两种基本方法
a. off-brake 运行法
牵 引 逆 变 器
牵 引 电 机
齿 轮 传 动
轮 对
能量变换与传递途径示意图
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2. 列车运行性能
2.1 牵引性能 • 速度与牵引力 • 动轮周牵引力与输出功率的关系
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牵引性能曲线
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高速列车牵引性能曲线
牵引力的速度特性 牵 引 力
C
M
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4.2 部分动力损失时的性能验算
TE （35 3） 148.3 =0.3 28.33 155.4
TE 6956(kgf )
所以单台电机需要的牵引力
6956 TE 'MM 2319(kgf / MM ) 3 在故障条件下，假设用正常运行时的牵引力来牵引，则 起动加速度为： 2863 3 (35 3) 1483 a 0.67(km / h / s) 28.33 155.4
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• 2.3 制动性能
1,2 1
8
7 0,8 6 1A 1 2 3 5 0,6 [m/s2] 4 5
电制动特性曲线
4 0,4 3
6 7 8
2 0,2 1B
1A
0 0 50 100 150 [km/h] 200 250 300
CRH3的制动性能曲线
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500系新干线列车制动性能曲线
• 日本JIS的运行阻力公式 隧道外： R=(1.65+0.0247V) · WM+(0.78+0.0028V) · WT +(0.028+0.0078(n1))V2 (kgf) 隧道内： R=(1.65+0.0247V) · WM+(0.78+0.0028V) · WT +(0.0777+0.0134n)V2 (kgf) n: 编组车辆数
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4.3 特性区间的设定
• 车辆高速性能设计的基本考虑方法 列车在最高速运行时必须保证足够的加速 余力，三种基本设定方法是：
1. 在平直道上列车以最高速度运行时有加速度 a(km/h/s)的加速余力 2. 列车的最高速度在θ‰的坡道上运行时，列车牵 引力与运行阴力平衡 3. 列车在平直道上运行，牵引力与列车运行阻力 在高于最高速度的某一速度点平衡
关系式
接触网输入功率 Ppan=Epan*Ipan =Pinv*cosPhi/ηinv
逆变器输出功率 Pinv=sqrt(3)Um *Im*电机台数 ＝Pm-in*电机台数 /cosPhi
Pt=TE*V /367.1(kW)
装置容量
Ppan=1609*0.86 /0.99=1398(kW) Ipan=932(A)
Pinv=346*4/0.86 =1609KVA
Pmout=318(kW) Pmin=346(kW) Im=211(A)
310kW
逆变器输出的最大电压 = 0.78 * Upan = 0.78 * 1500V = 1170V ≈1100V
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4.6 车辆制动性能曲线设计
• 最大电制动力BE1
1、电机和变压器 2、交流传动控制
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电力牵引交流传动系统
AC 25kV 受电弓 PWM整流器
交流
逆变器
直流
交流异步电动机
~
FC
直流
-
-
~ ~
3相 交流
IM
(1) 接地装置
(2)
(3)
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接 触 网
高 压 电 器
牵 引 变 压 器
脉 冲 整 流 器
中 间 直 流 环 节
11451(kgf )
其中，
WM 动车质量(t) WM 乘客质量(t) WM 起动阻力(kgf/t)
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WT 拖车质量(t)
WM 起动加速度(km/h/s)
WM
坡道值
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1. 起动牵引力与粘着系数的计算
• 每台牵引电机需要输出的牵引力：
1 TEMM 11451 2863(kgf / MM ) 4 • 期待粘着系数：
经验总结此值为1.4~1.5
B. 逆变器输出电流的限制值230A/MM，同时电机 的功率因数为0.86,效率为0.92,齿轮效率为0.975,则
Pt 3 1100V 230 A 0.86 0.92 0.975/1000 338kW
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C. 综合A、B的讨论结果，暂定恒功区间的功率为 310kW
4.5 牵引电传动系统各装置容量的计 算
DC 1500V
1398kW
FL
INV 0.99
Inventor
1609kVA
346 kW
cos 0.86
M
318kW
310kW
MM 0.92 Gearl 0.975
Gear Wheel
I 932 A
FC
M M M
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4.7 车辆性能曲线设计要点与实例
•
A. B. C. D. E.
性能曲线设计要点
V/f一定的终端速度 运行最高速度对应的加速余量 要全面考虑各种可能出现的故障运行情况 最大限制地发挥电制动力 注意考察牵引和制动时的期待粘着系数
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4.8 列车运行仿真
• 一般，各动车下面有4台牵引电机 • 关注每台牵引电机承担的轮周牵引力
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1. 起动牵引力与粘着系数的计算
TE1 28.33 (1.1WM 1.05WT WL )a ( )(WM WT WL ) 28.33 155.4 2.5 (3 0) 148.3
牵引与制动曲线设计方法
2008年11月17日
主要内容
1. 牵引传动系统的组成 2. 列车运行性能 3. 为什么要学习性能曲线设计 4. 牵引性能曲线设计实例
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1. 列车牵引电传动系统的构成
25kV，50Hz
电力电子变流器
DC/AC AC/DC
基于DSP的控制系统
接负载
变压器 交流牵引电机
由M车产生的电制动力让列车制动减速时，列车的减速度 为： 2571 4 2.33(km / h / s) 28.33 155.4
• 高速区域的电制动力
最高速度对应的电制动力可以约设计为最高速度对应的牵 引力的2倍：
BE2 TE3 2 611 2 1222(kgf / MM )
特点：1.列车运行时间最短
பைடு நூலகம்
2. 电机RMS电流最大
I RMS
1 2 in tn T
b. Schedule-time 运行法
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牵引计算实例—— CRH3动车组6M2T编组牵引特性分析
动车组各车的重量如表1.1所示，列车定员566人，最大轴重为15.3t，最小 轴重13.5t。
运行阻力
10‰坡道 平坦線
速度
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• 2.2 列车阻力 （1）起动阻力 3kgf/t或29N/t （2）运行阻力：车轴与轴承的摩擦阻力、 轮轨之间的摩擦阻力、与速度的平方成 正比的运行空气阻力 （3）坡道阻力 （4）曲线阻力 （5）隧道阻力: 现象复杂，定量把握难，日 本隧道单线：19.6N/t；复线：9.8N/t。
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M c
空车质量 定员 最大乘车率 乘客质量 载客车辆质量 惯性质量 41 t 140人 200％ 15.4 t 56.4 t 4.1 t
T
28 t 150人 200％ 16.5 t 44.5 t 1.4 t
T c
32 t 140人 200％ 15.4 t 47.4 t 1.6 t
TE1 V1 Pt V1 40(km / h) 367.1 V1 TE2 V2 TE1 2 2 TE V TE V 3 3 2 2
解方程组，得：
V2 90(km / h) TE2 1272.4(kgf )
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最大电制动力必须得考虑轮轨之间的最大粘着系数的限制， 一般城轨交通要求制动时的最大粘着系数应≤17%。
BE1 W轴M BE1 WM 56.4 1000 0.17 4 2571(kgf / MM )
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BE
2571
BE1
机械制动力
BE2
V
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6.车辆制动性能曲线设计
(1.65 0.0247 130) 56.4 (0.78 0.0028 130) (44.5 47.4) [0.028 0.0078 (3 1)] 1302 1116.1(kgf ) 2008-11-14
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TE3 611(kgf / MM )
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• 本例以最高速度130km/h运行，在3‰的坡道上， 有0.2km/h/s的加速余力来计算： 4 TE3 R 3 148.3 0.2 28.33 155.4 其中，R为列车运行阻力：
R （1.65+0.0247v）WM +(0.78+0.0028v)WT +[0.028+0.0078(n-1)]v2
Fmax TEMM 期待 100% 20.3% W轴 WM 1000 轴重：14.1t 4
动力分散方式期待粘着： 牵引 20%~21%以下，制动 16%~17%
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2. 部分动力损失时的性能验算
• 假定该列车采用轴控，当1台MM（Main Motor） Cut out 时，在最大坡道3.5%上能以加速度 0.3km/h/s起动？（轴控：1C1M）
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4.4 恒功区间的设定
• A. B. C. 恒功区间的设定依据 牵引电机的温升 逆变器的容量 和既有车辆的牵引传动系统比较
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• 恒功区间的计算
A. 假定选用现有的220kW的电机，则容许的车轮 踏面输出功率Pt：
Pt 1.4 220kW 308kW 310kW
合计
101 t 430人 200％ 47.3 t 148.3 t 7.1 t
等效质量
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60.5 t
45.9 t
49.0 t
155.4 t
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起动牵引力和黏着系数
– 惯性质量 – 乘客质量 – 起动牵引力的计算式的推导 – 期待黏着系数
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4.1 起动牵引力与粘着系数的计算