CRH2型200km动车组牵引传动系统的研究牵引电机课程设计.docx

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CRH2型200km动车组牵引传动系统的研究牵引电机课程设计

课程名称：

牵引电机课程设计

设计题目：

CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的研究

学号：

20170145

姓名：

朱培樟

指导教师：

李宗防

西南交通大学峨眉校区

2017年4月30日

摘要

随着经济发展和社会进步，高速铁路越来越受到世界发达国家及新兴工业国家的重视，成为解决客运交通拥堵的一种选择，从而推动了CRH2型200km/h动车组研究、应用和进步。

本文在分析国内高速铁路及动车组发展现状并结合电力电子、高电压技术、电机学、继电保护和轨道交通牵引供变电技术的相关知识，完成对CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的研究。

本文分为三部分：

（1）CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的框图及其组成

（2）对CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的高压电器、牵引变压器、牵引电机的技术参数及技术特点进行分析。

（3）对CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的集成性及可靠性进行分析。

关键词：

CRH2型动车组、高压电器、牵引变压器、牵引电机、集成性、可靠性

目录

第一章绪论2

1.1我国CRH2型200km/h动车组的发展现状2

1.2CRH2型200km/h动车组基本组成4

第二章CRH2动车组牵引传动系统组成5

2.1CRH2动车组牵引传动系统的框图及其组成原理5

2.2CRH2牵引传动系统主电路6

第三章CRH2高压电器、牵引变压器、牵引电机的技术参数及技术特点6

3.1高压电器的技术参数及技术特点6

3.1.1技术参数7

3.2牵引变压器的技术参数及技术特点8

3.2.1技术参数8

3.2.2技术特点9

3.3牵引电机的技术参数及技术特点9

3.3.1技术参数9

3.3.2技术特点10

第四章CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的集成性及可靠性分析11

4.1CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的集成性分析11

4.2CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的可靠性分析12

4.2.1动车组安全可靠性12

4.2.2动车组部分可靠性模型及分析13

第五章总结15

第1章绪论

1.1我国CRH2型200km/h动车组的发展现状

CRH2型200km/h动车组由四方机车车辆股份有限公司为主机厂牵头为中国铁道部生产的时速200公里动力分散型电力动车组（动力分散是与动力集中相对应的两种动车组的动力布置方式，动力集中方式指整个动车组的动力只集中在头尾两节机车如中华之星或一节机车上如蓝箭动车组采用推挽是的牵引方式，前拉后推；动力分散方式是指将动车组的动力布置在动车组的所有或若干节车辆上，这样做的好处在于动车组的黏着性能好，起动、制动速度快，可靠性好-某节车故障只损失小部分动力，缺点是动力装置总重量较重，检修维护量大、噪音较大），是以日本新干线E2-1000番为原形车，引进日本川崎重工、三菱电机、日立公司（日立公司和北车永济厂生产10列车的牵引变流器）等公司的技术生产的。

新干线E2-1000番

川崎—四方时速200公里电力动车组共计要生产3包（当时中国铁道部按包为单位招标，每包20列，共计60列480节）。

其中3列为原装进口车，6列为进口成套设备的组装车，51列为关键零部件进口，在中国生产和总装的国产车。

之所以日方以日本新干线E2-1000系“疾风号”动车组为原型车参与中国铁道部的时速200公里动车组招标，是因为该动车组的基本情况在现有的新干线动车组中最接近中国铁道部的招标要求。

E2-1000番是50Hz区间专用车。

在技术上，采用了IGBT（绝缘栅双极型场效应管）等先进元器件和动力分散结构的E2-1000也是比较符合中国的实际情况。

1.2CRH2型200km/h动车组基本组成

该动车组为动力分散型电力动车组，4动4拖编组，定员610人，运营时速200公里，最高时速250公里。

时代集团和时菱公司作为三菱公司的技术受让方，负责51列国产车的牵引变流器（CI）、列车信息控制装置（MON）和辅助电源装置（APU和ARF）的大部分生产，其中时代集团制造中心负责CI和MON的生产。

两列8辆的编组也可以通过重联的形式组成16辆的大编组合并运行。

该动车组的编组配制如下图：

如图所示，该动车组的动力分布在2、3、6、7号四节车上，两端1、8号车为不带动力的控制拖车，并配备有辅助电源装置APU，受电弓在4、6号车上，各车之间有高压母线连接。

第2章CRH2动车组牵引传动系统组成

2.1CRH2动车组牵引传动系统的框图及其组成原理

CRH2型200km/h动车组牵引传动系统组成原理图

CRH2动车组牵引传动系统主要由受电弓（包括高压电器设备）、牵引变压器、四象限变流器、牵引逆变器和牵引电机组成。

CRH2动车组采用交流传动系统，主要由受电弓（包括高压电器设备）、牵引变压器、四象限变流器、中间环节、牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动系统等组成。

动车组受电弓从接触网获得AC25000V/50Hz电源，为了满足动车组牵引特性的要求，牵引电机需要电压频率均可调节的三相交流电源。

受电弓将接触网的AC25kV单相工频交流电输送给牵引变压器，经变压器降压输出1500V单相交流电供给脉冲整流器，脉冲整流器将单相交流变换成直流电经中间直流电路将DC2600~3000V的直流电输出给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压0~2300V，频率0～220Hz可控的三相交流电供给异步牵引电动机。

2.2CRH2牵引传动系统主电路

受电弓从接触网25kV、50Hz单相交流电网受电，通过主断路器VCB连接到牵引变压器原边绕组。

主电路开闭由VCB控制。

牵引变压器牵引绕组设两组，原边绕组电压为25kV时，牵引绕组电压为1500V。

牵引变流器在M1、M2车上，由一台四象限脉冲整流器和逆变器及中间直流回路构成，运行时除实施牵引电动机电力供应和制动时的再生制动外，还具备相应的保护功能。

主电路简图如图下：

CRH2牵引传动系统主电路简图

第3章CRH2高压电器、牵引变压器、牵引电机的技术参数及技术特点

3.1高压电器的技术参数及技术特点

高压电器主要作用是完成从接触网到牵引变压器的供电。

主要包括：

受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接地保护开关等。

3.1.1技术参数

CRH2动车组采用DSA250型受电弓。

该受电弓为单臂型结构，额定电压/电流为25kV/1000A，接触压力70±5N,弓头宽度约1950mm，具有自动降弓功能，适应接触网高度为5300～6500mm，列车运行速度250km/h。

CRH2动车组采用CB201C-G3型主断路器。

主断路器为真空型，额定开断容量为100MVA，额定电流AC200A，额定断路电流3400A，额定开断时间小于0.06s，采用电磁控制空气操作。

真空断路器主要技术参数：

额定电压AC30kV（瞬间最大电压AC31kV）

额定电流AC200A

额定频率50Hz

额定开断容量100MVA

额定闭合电流10000A

额定瞬间电流4000A（2s）

额定断路电流3400A

额定开断时间≤0.06s

CRH2动车组采用LA204或LA205型避雷器。

由氧化锌（ZnO）为主的金属氧化物组成,是非线性高电阻体的无间隙避雷器。

避雷器主要技术参数：

额定电压为AC42kV（RMS）

动作电压为AC57kV以下（V1mA，DC）

限制电压为107kV

CRH2动车组采用TH-2型高压电流互感器。

变流比为200/5A，用于检测牵引变压器原边电流值。

CRH2动车组采用SH2052C型接地保护开关。

额定瞬时电流为6000A（15周），电磁控制空气操作，具有安全连锁。

3.2牵引变压器的技术参数及技术特点

该变压器采用单相、壳式、无压密封方式，一个基本动力单元配置1台，全列共计2台。

ATM9型牵引变压器，一个基本动力单元1个，全列共计2个。

采用壳式结构、车体下吊挂、油循环强迫风冷方式。

具有1个原边绕组（25kV,3060kVA）、2个牵引绕组（1500V，2×1285kVA），一个辅助绕组（400V，490kVA）。

3.2.1技术参数

主要技术参数如下：

（1）通用规格

①环境温度－25至＋40℃

②原边电压标称接触网电压25kV

电压变动范围17.5～31kV

（2）性能

①单相、壳式、无压密封方式

②油循环风冷方式（ＫＤＡＦ）

③绝缘类别：

特殊A类绝缘（使用聚酰胺绝缘纸）

④绝缘油：

硅油

⑤辅助设备电源规格电动鼓风机三相,50Hz,400V,风速115m/min

⑥电动油泵三相、50Hz、400V、油速700L/min、7m油柱

（3）外形尺寸与质量外型尺寸为（L×W×H）2570×2300×835mm

（4）总重2910kg（包括电动鼓风机）。

3.2.2技术特点

原边绕组采用两组并联结构的绕组，增加了每相牵引绕组的容量；牵引绕组为两个独立线圈，确保牵引绕组的高电抗、弱耦合性，使牵引变流器稳定运行。

3.3牵引电机的技术参数及技术特点

CRH2动车组采用三相交流鼠笼式异步电机，具有良好的牵引性能，可以实现宽范围的平滑调速，另外调节调频特性能使机车起动时发出较大的起动转矩。

3.3.1技术参数

型号MT205

方式三相鼠笼异步电机

极数4极

相数３相

额定值输出功率300kW电压2000V电流106A

频率140Hz

转差率1.4%

转速4140r/min

效率94.0%

功率因数87.0%

绝缘类别等级200

温度上升极限200Ｋ（定子绕组；电阻法）

冷却方式强制风冷方式（20m3/min）

动力传送方式平行齿轮弯曲轴万向接头方式

最高使用转速6120r/min最高试验转速7040r/min

轴承润滑脂unimaxRNO.2

质量440Kg

额定参数说明：

由于干线动车组载荷变化范围小，仅为整车自重的10%，所以电机额定点的考核一般是在动车组最苛刻条件下电机的稳定运行点。

3.3.2技术特点

异步电机结构简单，可靠性高，无换向引起的电气损耗和机械损耗，无环火引起的故障，牵引主电路系统省去许多有触点电器，运行可靠性进一步提高；耐振动，耐风雪、多尘、潮湿等恶劣环境；过载能力强（仅受定子绕组热时间常数的影响）；转速高，功率/重量比高，有利于电机悬挂；转矩－速度特性较陡，可抑制空转，提高粘着利用率，在几台电机并联时，不会发生单台电机空转现象。

异步电机采用按转子磁场定向的矢量控制策略，把定子电流分解成转子磁场定向坐标系下的励磁电流分量和转矩电流分量，实现了定子电流的完全解耦，控制方式简单，使整个牵引传动系统具有良好动态性能和控制精度。

CRH2采用的牵引电机除具有传统异步电机的优点外，还有以下特点：

电机整体机械强度很高，高速运行时能承受很大的轮轨冲击力；采用耐电晕、低介质损耗的绝缘系统以适应变频电源供电；为了防止电机轴承的电蚀，电机前后端采用绝缘轴承；电机转子导条采用低电阻、温度系数高的铜合金材料，保证传动系统的控制精度；为了减轻电机自重，电机采用轻质高强度材料；采用经过验证的轴承和轴承润滑结构，从而减少电机的维护，保证电机轴承更可靠工作；在输出一定功率的情况下，为减少体积，采用强迫通风和优化的通风结构，充分散热，以降低电机的温升，提高材料的利用率；电机的非传动轴端安装了2个速度传感器，用以给传动控制系统提供速度信号，便于逆变器控制和制动控制。

第4章CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的集成性及可靠性分析

4.1CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的集成性分析

高速列车是高速铁路系统中最重要的设备，是直观反映铁路现代化的载体。

高速列车设计制造是一个复杂的系统化工程，必须具有一套完整的技术管理规程、基础理论指导、相关规范标准予以支撑。

高速列车系统一般包含9大关键技术。

9大关键技术包括:

整车系统集成、轻量化车体、转向架、牵引变压器、牵引电机、牵引变流器、牵引控制系统、制动系统、列车网络通信。

国内外车辆生产厂家都是通过关键技术和关键部件的系统集成，来实现整车设计方案规划和确定生产目标。

列车牵引电传动系统是列车运行的动力保证，由受电弓接受电网电能经过断路器到主变压器.经主变流系统到牵引电机实现电网能量到轮对机械能量的转换。

牵引电传动系统涵盖了几个子系统多项关键技术的内容，包括受流技术、变流技术、牵引控制技术、电机传动技术和监控检测技术。

4.2CRH2型200km/h动车组牵引传动系统的可靠性分析

4.2.1动车组安全可靠性

高速列车服役期间，因某些参数改变会引起可靠性变化或动力学性恶化。

确定可靠服役目标值，可为设计公差设置和维修许用范围设置提供依据。

高速列车服役期间可靠性能受开行方案和开行原则的影响，要保证高速列车运营既能体现铁路管理与运营水平的先进性，又要满足不同运量客运需求，提高资源利用率，降低维护成本。

这就需要在运行当中依靠不同的运量需求，设计不同的开行方案。

牵引传动系统安全可靠是保证高速列车可靠行驶，安全运转的重点内容。

包含商速列车的行车安全、车内外人员安全和配套设备的安全。

列车高速运行，给列车带来频繁的冲击.车轴、紧固件、制动闸片等关键零部件。

容易导致结构及材料疲劳，需要紧密关注与监测。

列车牵引功率增大会引起受电弓电流增大，引起接触网电气和机械磨损增加。

由于高速列车多编组、多到发还有长达区段运行，会碰到不同的人流变化与天气变化.这些因素也是安全可靠优化的范围。

牵引传动安全可靠体现在高速列车的综合维修上。

以列车安全可靠为中心，依据列车运行状况、故障规律及故障后果，合理确定有效的维修方式、维修类型、维修周期和维修级别，以最少的维修资源消耗确保高速列车运行安全。

高速列车安全可靠性优化必须考虑紧急制动。

CRH2型高速列车基础制动装置优化了制动参数，减少制动盘面的热负荷;优化了轮装制动盘的通风辅板结构和连接螺栓强度，以满足更高热应力要求。

4.2.2动车组部分可靠性模型及分析

《铁路动车组运用维修规程》[3]规定,CRH2型动车组的最高运行速度为200km/h;当动车组牵引系统发生故障致使去除20%～25%牵引力时,仍可保持200km/h速度运行;去除40%～50%牵引力时,可限速160km/h运行;当动车组制动系统故障致使去除25%制动力时,可限速160km/h运行。

可见,CRH2型动车组在牵引、制动功能上都具有一定冗余性。

动车组可靠性是指在规定运用条件下和规定时间内动车组达到预定功能的能力。

旅客运输是动车组的基本功能,安全正点是铁路运输的追求目标,非正常停车不仅可能造成动车组晚点,而且会打乱正常的运输秩序,带来经济损失和安全隐患。

因此,把动车组非正常停车故障作为可靠性考核指标,并依据该指标对CRH2型动车组进行可靠性建模和分配。

直接导致动车组非正常停车的故障可能发生在车体走行系统、牵引传动系统、空气制动系统、高压电器系统、辅助供电系统、网络控制系统。

上述各系统对于保证动车组正常运行缺一不可,图各系统串联模型。

CRH2动车组整车可靠性分析

牵引传动系统由变压变流分系统和牵引传动分系统串联组成。

变压变流分系统由2套变压变流子系统并联组成,每套变压变流子系统由1台变压器和2台并联的变流器串联构成。

牵引传动分系统由16台牵引电机及其齿轮传动装置构成,由于牵引电机及其齿轮传动装置可能发生轴承固死、电机扫膛等严重故障,任何一台装置发生上述故障都必须停车处理,因此,16台牵引电机及其齿轮传动装置在功能上属串联关系。

牵引传动系统的混联模型可靠性框图

高压电器是指主电路中的电器设备,主要包括受电弓、高压电缆及其连接器、真空断路器、避雷器、保护接地开关、高压隔离开关等[4]。

CRH2型动车组分别在4、6号车顶设置了2套受电弓;在2、6号车底架下设置了装有真空断路器、避雷器等设备的高压设备箱;在车顶设置了高压电缆及其连接器,用于高压电的输送。

下图为高压电器系统可靠性框图。

高压电器系统可靠性框图

第五章总结

本课程设计既是对我在西南交通大学学习成果的总结，也是展示。

老师认真细致，严谨治学的态度，令我深深敬仰，使我在以后的道路中养成良好的习惯；在西南交通大学的生活即将结束，在此特别向李宗防老师致谢，祝老师身体健康、工作顺利！