CRH2型动车组牵引制动特性.docx

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CRH2型动车组牵引制动特性

CRH2型动车组牵引/制动特性

CRH2型动车组采用动力分散交流传动模式，适应在铁路既有线上以160km/h速度正常运行，在新建的客运专线以及既有指定区段上以200～250km/h速度级正常运行。

7.2.1牵引特性计算的依据

牵引特性（含动力制动特性）是列车最重要的特性，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。

列车要求恒牵

引力起动、恒功率运行，牵引特性如图7.5所示。

列车的牵引/制动功率决定列车的牵引特性，列车的牵引力与功率的关系如式（7.1）所示。

式中F——牵引力（kN）；

P——列车牵引功率（kw）；

v——列车运行速度（km/h）。

（1）牵引功率的计算

列车牵引功率主要与列车运行最高速度、列车质量、最高速度时的列车运行阻力和剩余加速度、齿轮传动效率、牵引电动机效率有关。

其计算公式如式（7.2）所示。

式中M——列车质量（t）；

w0——运行阻力（N/t）；

1.06——惯性系数；

△a——剩余加速度（m/s2）；

△v——逆风速度（km/h）；

vmax——列车运行最大速度（km/h）；

ηGear——齿轮传动效率；

ηmm——牵引电动机效率。

牵引电动机的功率为总功率除以列车电动机的总台数N，即Pm=Pk/N。

《欧洲高速铁路联网高速列车技术条件》对剩余加速度、起动加速度等有如下规定：

①平直道最高速度运行时，应有剩余加速度O.05m/s2。

②起动过程平均加速度：

0～40km/hO.48m/s2；

O～120km/hO.32m/s2；

O～160km/hO.17m/s2。

③考虑15km/h的逆风。

为保障列车安全运行必须满足上述技术条件的要求。

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。

（2）牵引特性的计算

牵引特性的计算是设计列车牵引/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纵列车的指导依据。

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

将确定后的机车牵引功率、最大运行速度代入式（7.1）即可求出最高速度时的牵引力

②确定列车起动牵引力

根据列车起动最大加速度和起动平均加速度的要求确定起动牵引力。

③确定恒牵引力、恒功率运行的转折点

根据起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一距离曲线、运行时分、加速度/减速度、运行时分曲线、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所要求的参数与曲线。

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，并进行必要的修正值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：

a.满功率平直轨道最大速度运行时的剩余加速度验算；

b.起动时的加速度和平均加速验算；

c.不同坡道上的爬坡能力验算；

d.故障运行时的牵引能力验算；

e.最大坡度运行满功率运行时的最低速度验算；

f.加速距离和制动距离的验算。

7.2.2动车组牵引特性分析

（1）黏着牵引力

黏着牵引力是受轮轨间黏着能力限制的轮周牵引力，当轮周上的切线力大于黏着力时就要发生空转或滑行，在不发生空转的前提下所能实现的最大轮周牵引力就是黏着牵引力，这是动车组牵引运行一个非常重要的参数。

一般来说，轨道的清洁状态（污迹、生锈、水、油、雪等）是影响黏着性能的主要方面，另一方面，黏着性能随着列车速度增高而呈下降趋势，干燥和湿滑轨面的黏着系数是不相同的，但二者都随速度增加而减小。

（2）运行基本阻力

动车组运行基本阻力取决于许多因素，它与零部件之间、车表面与空气之间以及车轮与钢轨之间的摩擦和冲击密切相关，而且还与动车拖车车辆的结构、技术状态、线路情况、气候条件、列车运行速度等都有关系。

这些因素极为复杂，甚至相互矛盾，实际运用中很难用理论公式进行精确计算，常常使用大量试验得出的经验公式来计算列车运行单位基本阻力。

试验时只对阻力影响较大的因素作必要的控制（车辆类型和列车运行速度），其他因素则由公式中的系数予以考虑。

动车组运行过程的单位基本阻力公式一般为运行速度的牵引绕组三项式，即

（3）牵引特性曲线

CRH2型动车组的牵引特性曲线如图7.6所示。

①牵引力曲线

牵引力为动车组所要求的全功率对应的最大牵引力。

牵引力在从O～125km/h的速度范围内，以速度Okm/h的牵引力175kN为基点按一定斜率下降，在速度125km/h以上范围内，牵引力与速度呈双曲线下降即恒功率运行。

②牵引力与速度的关系

一般来说，所需牵引力按照下列公式计算：

在动车组加速时，不仅对车体加速，也要克服车轮、车轴、制动盘片、驱动用电动机、齿轮装置等旋转部分的惯性转矩，因此动车组质量要考虑转动惯量（惯性系数y）。

惯性系数y的值因动车组的M车与T车的比例不同而不同，一般参照动车组的技术规格。

车辆的等价质量按照G（1+γ）来计算。

③电动机电压、电流曲线

电动机电压、电流曲线如图7.6所示。

电动机电压在速度175km/h前，按照U/f，（电压/频率）为常数控制，速度在175km/h以上时电动机电压保持恒定。

假设功率因数、空转滑行均为恒值的前提下，电动机电流在速度125km/h前与牵引力呈比例下降，从125～175km/h基本上与速度成反比例减少，速度在175km/h以上时电动机电流保持恒定。

由于实际运行过程中功率因数、转差率均为变化值，所以在高速区域的电流要比上述说明有所增加。

④制动特性

CRH2型动车组的制动分为空气制动和再生制动，优先采用再生制动。

由制动控制装置进行总制动力的计算和分配。

动车组再生制动的特性曲线见图7.7。

再生制动减速度特性如图7.8所示。

7.2.3牵引传动系统的优化匹配与容量选定

1.牵引变流器与牵引电动机的参数匹配

使高速列车交流传动系统的优越性得到最大限度的发挥必需合理地匹配牵引变流器和牵引电动机，在进行牵引传动系统设计时不仅要考虑起动力矩、最大功率，还必须考虑变流器和电动机的质量、外形尺寸。

在满足一定的运行条件的前提下，列车的牵引特性应尽可能与牵引变流器、牵引电动机一起考虑，以便选择合理的容量匹配，使系统的整体性能参数最佳、费用最低。

在第1节中对列车牵引特性及异步电动机的特性控制进行了较为详细的理论描述，列车牵引特性一般分为两个区段：

即从0～vN的恒牵引力（恒力矩）区，以及vN～vmax的恒功率区。

在恒力矩区，要求逆变器的输出保持Us/fs=const，fs=const，起动时适当提高Us的恒磁通控制方式；在恒功率区，牵引电动机工作在弱磁工况，有Us=const，s=fsl/fs=const和U2f/fs=const，fsl=const两种不同的控制策略。

因此，不同的运行工况、不同的控制策略对牵引变流器和牵引电动机的要求均有差异，变流器与电动机的容量有许多种不同的组合。

根据应用要求，使系统整体性能最佳、费用最低是选择变流器与电动机容量的优化目标。

对于列车牵引系统而言比较典型的有3种匹配方案。

（1）最大电动机最小逆变器匹配方案

采用Us=const，s=fsl/fs=cosnt恒功率控制策略，由于速度增加时电动机的输入电压、电流保持恒定，逆变器的容量可以根据额定速度下的电压、电流值进行计算，逆变器的容量得到了充分的利用；而由于电动机的最大转矩与速度的平方成反比，电动机的过载系数随速度的增加而减小，为了保证最高速度下满足电动机转矩的需求，电动机的额定过载系数要设计的大一些，电动机的容量没有得到充分利用。

因此这种控制方案也称为最大电动机最小逆变器方案。

（2）最小电动机最大逆变器匹配方案

采用u2s/fs=const，fsl=const恒功率控制策略，由于速度增加时电动机的最大转矩、电动机的过载系数恒定不变，牵引电动机在额定速度点发出的力矩近似于它的最大转矩，牵引电动机的容量得到了充分的利用；而逆变器输出电压的平方与速度成正比，电流的平方与速度成反比，恒功率范围越大电压提高地越多，这种情况下逆变器必须按启动时的最大电流和最高速度下的最大电压进行容量计算，逆变器的容量没有充分发挥。

因此这种控制方案也称为最小电动机最大逆变器方案。

（3）介于两者之间的折中方案

这种匹配方式介于上面的两者之间，即变流器和牵引电动机所发挥的功率与设计容量比都不是最佳，然而在进行系统设计时既充分考虑两者之间的关系，又兼顾了动车组的牵引特性，从整体角度看是一个比较经济的系统。

但是此方案的实现非常困难，更何况许多列车无法同时兼顾变流器和牵引电动机。

由于目前大功率电力电子器件价格昂贵，变流器的费用较高，目前高速列车的恒功率控制多采用第一种方案进行系统的优化匹配设计。

2.牵引传动系统容量的计算

牵引传动系统中牵引变压器、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的数学模型描述，因此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。

在通常的运行条件下是没有问题的。

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。

CRH2型动车组牵引传动系统容量推算图如图7.9所示，一台牵引变压器的二次侧有两个牵引绕组和一个辅助绕组，为两套牵引变流器和一套辅助变流器供电，一套变流器为4台牵引电动机供电。

设额定状态时齿轮传动效率为ηGear=o.94，牵引电动机的效率为ηmm=O.95、功率因数为pm=O.87，逆变器的效率为ηINV＝O.985，脉冲整流器的效率为ηCONV=O.975、效率为珩ηTR=O.94，牵引变压器的功率因数为1。

每台电动机的牵引特性如图7.10所示，再生制动特性如图7.11所示。

牵引传动系统容量计算过程如下：

根据牵引特性求得电动机的输出功率为：

由于采用恒电压恒功率控制策略，逆变器的最大功率可以按照额定点设计，每台逆变器为4台电动机供电。

逆变器的容量为：

牵引变压器的二次侧每个牵引绕组的输出容量为：

变压器的总容量要考虑二次侧所有绕组容量之和。

同理，可以进行再生制动时的容量计算。