第六章CRH2型动车组牵引传动系统.docx

1、第六章CRH2型动车组牵引传动系统第六章 CRH2 型动车组牵引传动系统 第一节 概 述 一、CRH2 牵引传动系统根本组成 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。 1高压电器设备 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。 CRH2 动车组采用 DSA250 型受电弓。该受电弓为单臂型构造，额定电压/电流为 25kV/1000A，接触压力 705N,弓头宽度约 1950mm，具有自动降弓功能，适应接触网高度 为 53006500mm，列车运行速度

2、 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。 CRH2 动车组采用 LA204 或 LA205 型避雷器。额定电压为 AC42kVRMS，动作电压 为 AC57kV 以下V1mA，DC，限制电压为 107kV。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。 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 SH205

3、2C 型接地保护开关。额定瞬时电流为 6000A15 周，电磁控制空 气操作，具有平安连锁。 2牵引变压器 CRH2 动车组采用的是 TM210 型牵引变压器，一个根本动力单元 1 个，全列共计 2 个。 采用壳式构造、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，21285kVA，一个辅助绕组400V，490kVA。 3牵引变流器 CRH2 动车组采用的是 CI11 型牵引变流器，一个根本动力单元 2 个，全列共计 4 个。采 用车下吊挂、液体沸腾冷却方式。主电路构造为电压型 3 电平式，由脉冲整流器、中间直流 电路、逆变器构成，不

4、设 2 次谐振滤波装置和网侧谐波滤波器，采用 PWM 方式控制。中间 直流电压为 2600V3000V随起牵引电机输出功率进展调整。1 个牵引变流器采用矢量控 制原理控制 4 台并联的牵引电机。 4牵引电机 CRH2 动车组采用的是 MT205 型牵引电机，每节动力车 4 个并联，一个根本动力单 元 8 个，全列共计 16 个。牵引电机为 4 极三相鼠笼式异步电机，采用架悬、强迫风冷方式， 通过弹性齿型联轴节连接传动齿轮。、CRH2 牵引传动系统工作原理 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

5、成。动车组受电弓从接 触网获得 AC25000/50Hz 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。 CRH2 动车组牵引传动系统组成原理如图 61 所示。受电弓将接触网的 AC25kV 单相工并 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 DC26003000V 的直流电输出给牵引逆变器， 牵引逆变器输出电压 02300V，频率 0220Hz 可控的三相交流电供给异步牵引电动机。 图 61 CRH2 传动系统组成原理图 三、CRH2 牵引传动系统主电路 受电弓从接

6、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给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 62 组成。 牵引电动机采用三相鼠笼式感应电机，其轴端设置速度传感器，用于检测转速转子频 率，对牵引和制动特性进展实时控制；当出现故障时，M1 车和 M2 车可分别使用，另外，整 个根本单元可使用 VCB 切除，而不

7、会影响其它单元工作。 制动系统有两套。一套是电制动，将牵引电机转换成发电机形式工作，即再生制动；一 套是空气制动，将电指令转换成空气指令送入制动缸起制动作用。当列车速度较高时，实施 电制动，在低速时实施空气制动，制动方式转换均由微机控制系统控制完成。当司机通过司 机台上的制动控制器实施制动指令时，制动电信号首先到达车辆计算机系统，再传入制动控 制系统。制动控制系统根据列车速度，自动实行空气制动与电制动。电气制动系统的组成与 牵引系统一致。动车组牵引系统主电路原理图如图 6四、CRH2 牵引传动系统控制电路及其控制策略 CRH2 牵引传动系统控制电路如图 8.1-5 所示。其控制策略分为脉冲整流

8、器控制、逆变器 控制和牵引电机控制三个局部。 - 162 - 脉冲整流器控制策略：牵引变压器牵引绕组输出的 AC1500V、50Hz 电源输入脉冲整流 器。脉冲整流器由单相三点式 PWM 变流器、交流接触器 K 组成。采用无接点控制装置，从 而实现了输出直流电压 2600V3000V 定压控制、牵引变压器原边单位功率因数的控制以及 无接点控制装置保护。再生制动时接收支撑电容器输出的直流 3000V 电压，向牵引变压器供 应 AC1500V、50Hz。 逆变器控制策略：逆变侧采用了 VVVF 的控制方式，整流器输入给支撑电容器的直流电 压，依据无接点控制装置控制信号，输出变频变压的三相交流电对

9、4 台并联的电机进展速度、 力矩控制。再生制动时牵引电机发出三相交流电，经整流后向支撑电容器输出直流电压。 牵引电机控制采用矢量控制方式，独立控制力矩电流和励磁电流，以使力矩控制高精度化、反响高速化，提高电流控制性能。 图 64 动车组牵引系统控制电路图 五、CRH2 牵引传动系统的保护 牵引传动系统是高压系统，为保证系统的平安和可靠的工作，系统设置了各种保护装置。电驱动系统的保护主要有：牵引驱动系统对各种故障具有检测和保护功能；为了有效利用粘 着力，牵引变流器设有牵引时检测空转实施再粘着控制的功能，并在制动控制装置设有制动 时检测滑行并进展再粘着控制的功能；为了在故障和并联电机载荷分配不均匀

10、等情况时保护 牵引电机，设有电机过流检测、电机电流不平衡检测、接地检测等保护功能。所有故障信息 均通过车辆信息控制装置网络传递，并在司机台显示装置上进展显示。 高压设备箱在考虑防止危险和绝缘距离的根底上，力求小型、轻型化；为防止触电事故 发生，采用连锁方式，在通电时不能翻开箱门。动车与拖车设有接地装置，动车转向架的接 地装置安装在齿轮箱上，接地容量为 160A2 个/齿轮箱，拖车转向架的接地装置安装在轴箱- 163 - 上。动车组高压回路中没有电压互感器。另外，动车组在高压回路中设置了主断路器，不再 设置隔离开关。 动车组主电路很复杂，不同的组成局部可能会产生各种各样的故障，影响动车组的平安

11、可靠运行，当系统出现故障时，将相应的故障显示在司机室内的监控器上。 六、牵引传动系统主要技术参数 牵引传动系统的主要技术参数包括供电制式、牵引特性、牵引传动设备额定参数、额定 效率及网侧性能指标。 1 电网电压制式：AC25KV/50Hz，最高电压：31kV，最低电压：17.5kV。 网压在 22.529kV 范围内发挥额定功率； 网压在 22.519kV 范围内牵引功率线性下降至额定功率的 84； 网压在 1917.5kV 范围内功率线性下降至零,辅助设备正常工作； 网压在 2931kV 范围内各设备正常工作。 2 车组的牵引特性参数 最高运营速度为200km/h； 最高试验速度为250 k

12、m/h； 定员载荷的动车组平直道上的启动加速度为0.406m/s2； 200 km/h运行时，剩余加速度不小于0.1 m/s2； 损失25的动力时，平直道上的平衡速度可大于200 km/h； 动车组在风速15m/s逆风下可以进展正常的营业运行； 紧急制动距离 (制动初速200km/h) 1800m 3牵引系统主要参数 牵引变压器：一次侧绕组，额定容量3060kVA ，额定电压25 kV、电流122A、频率 50Hz ；牵引绕组2个，1500V，21285kVA；辅助绕组1个400V，490kVA 牵引变流器：中间直流电压为2600V3000V；逆变器输出电压、频率可调三相电源， 电压：0230

13、0V，频率0220Hz； 牵引电机：额定功率：300kW，额定电压2000V，额定电流106A 。 4牵引系统效率 牵引变压器效率不低于0.95； 牵引变流器的效率为0.96以上； 牵引电机的效率为0.94以上。 5网侧性能指标 a) 额定负载，网侧总功率因数0.97不考虑辅助绕组。 b) 牵引变压器原边电流畸变率THD10%条件：不受其他车辆和其他设备状态 影响的良好电源品质状态以及额定负载。 c) 1个根本动力单元发挥额定功率时的等效干扰电流Jp2A。 d) 满足电磁兼容性EMC要求 7牵引传动系统特点 牵引传动系统采用交流传动，在牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、控制策略等方面 有其显著

14、的特点。 - 164 - 牵引变压器采用壳式构造、车体下吊挂安装、油循环强迫风冷，原边采用两组并联结 构的绕组，从而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。 牵引变流器主电路采用两主管串联与中点带箝位二极管的方案，功率开关器件采用 IPM 智能功率模块或 IGBT 模块。其中 IPM 是将芯片、驱动电路、保护电路等封装在一个模块 内的新型电力电子器件,是 IGBT 集成化、智能化的一种应用方式。除具有 IGBT 的优点外，驱 动功率小，吸收回路简单，器件模块本身具有检测和自保护功能，可以采用多个并联以增大 电流容量。 脉冲整流器采用单相三点式 PWM

15、 脉冲整流器，具有以下优点：每一个功率器件所承受 的关断电压仅为直流侧母线电压的一半，在一样的情况下，直流母线电压可以提高一倍，容 量也提高一倍；在同样的开关频率及控制方式下，输出电压或电流的谐波大大小于两点式变 流器，其总的谐波失真 THD 也远小于两点式变流器；即使在开关频率很低时, 其输入侧的电 流波形也能保证一定的正弦度。从而减小对通信系统的谐波干扰。 牵引变流器中间直流环节不设二次谐波滤波装置，减轻了牵引变流器重量。 逆变器采用三点式拓扑构造，与二点式逆变器相比，端电压波形包含较少的谐波分量。 在一个周期内，两点式逆变器电路只有 7 种状态，而三点式有 19 种，有利于减小相邻电路状

16、 态转换时引起的电压和电流波动，从而有利于降低损耗，提高电动机效率，减少脉动转矩。 牵引电机具有良好的牵引特性，可以实现宽范围的平滑调速，使机车起动时发出较大 的起动转矩；异步电机构造简单，可靠性高，同直流电机比拟，没有因换向引起的电气损耗 和机械损耗，没有环火，运行可靠性进一步提高；耐振动、耐风雪，可以在多尘、潮湿等恶 劣环境下正常运行；电机过载能力强；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。 牵引电机采用矢量控制策略，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

17、具有 良好动态性能和控制精度。 第二节 牵引制动特性 1CRH2运用条件及主要技术参数 CRH2采用动力分散交流传动模式，适应在铁路既有线上以160 km/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 km/h速度级正常运行。 运用条件： (1) 自然环境 气温条件：2540C； 相对湿度：95%月平均最低温度25C时； 海拔高度：1500 m； 最大风速：一般年份15 m/s；偶遇30 m/s； 气候特点：有风、沙、雨、雪天气；偶有盐雾、酸雨、沙尘暴等现象。 (2) 线路参数： - 165 - 最大坡度：12困难条件下20； 站段联络线坡度：30；最小曲线半径：2200 m；

18、缓和曲线：三次抛物线型， 缓和曲线超高顺坡率1/10Vmax，困难条件下1/8Vmax；夹直线及圆曲线最小长 度：7/10 Vmax新建和改建地段；困难条件下1/2 Vmax；既有线保存地段困 难条件下为2/5 Vmax，取整为10 m的整数倍； 线间距：； 到发线有效长度：650m，困难条件下520m； 轨距：1435mm； 最大超高：150 mm； 最大超过允许值：110 mm； 道岔限速：区间道岔直向通过速度：200 km/h；进出站为18号可动心轨道岔导 曲线半径为1200 m，15侧向通过限速80 km/h和12号可动心轨提速道岔侧向 通过速度50 km/h； 竖曲线半径：15000

19、 m； 车站站台高度：1100mm； 车站站台边缘距轨道中心线的距离：1750 mm； 正线数目：双线； 轨底坡：1/40； 既有线线路其他有关参数如下： 坡道：30； 轨底坡：1/40；辙叉心作用 面至护轮轨头部外侧的距离：1394 mm；辙叉翼轨作用面至护轮轨头部外侧 的距离：1348 mm； 0 3 + 3 0 + (3) 列车运用特点 列车为两端均可操纵控制的动车组，可单列运行，也可两列联挂运行。 两列联挂时间：3 min。 列车立即折返时间：125 km/h 5-1 - 166 - 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0125 km/h的速度范围 内，以速度0 k

20、m/h的牵引力175kN为基点按一定斜率下降；在速度125 km/h以上范围内，牵引 力与速度呈双曲线下降即恒功率运行。 3CRH2的制动特性 CRH2的制动分为空气制动和再生制动，优先采用再生制动。由制动控制装置进展总制动 力的计算和分配。第三节 牵引变流器 一、牵引变流器的组成 CRH2 牵引变流器由三点式脉冲整流器、中间直流电路、三点式逆变器、真空交流接触 器等主电路设备以及无触点控制装置、控制电源等控制设备组成，上述设备安装在个箱体 内，箱框采用铝合金构造，减小牵引变流器重量。取消了变流器中间直流回路的二次滤波回 路，牵引变压器不需设置二次滤波电抗器，牵引变压器和牵引变流器的重量均得到

21、大幅度降 低。每个动车设置一台牵引变流器，每个牵引变流器驱动 4 台并联牵引电机。脉冲整流器和 逆变器主电路图参见图 615。主电路功率元器件导通状态和输出电压的关系参照表 55牵引变压器牵引绕组输出的 AC1500V、50Hz 单相交流电源，三点式脉冲整流器以 PWM 斩 波方式进展整流，控制中间直流电压牵引时在 2600V3000V 内，再生制动时稳定在 3000V， 三点式逆变器采用异步调制、5脉冲、3 脉冲和单脉冲相结合进展控制。牵引变流器输出电压、 频率可调的三相交流电驱动 4 台并联连的牵引电机。 CRH2 牵引变流器外形如图 616，箱体构造图如图 617 所示，主要组成部件如表

22、 56， 箱体中央位置配置脉冲整流器功率模块台和逆变器功率模块台。牵引变流器靠列 车侧面配置两台电动鼓风机主鼓风机，向功率模块冷却器送风。箱体内部集中设置真空接 触器、继电器单元和无触点控制装置等，便于集中检查。二、牵引变流器的工作原理 脉冲整流器是交流传动动车组的电源侧变流器，在牵引时作为整流器，在再生制动时作 为逆变器。它要保证中间直流环节的电压恒定，交流电网侧功率因数接近1，还要消除谐波， 使电网电流尽量接近正弦，最大程度地提高电网的经济效益减少电网对周围环境的电磁污 染；对于直流侧，在电网电压或负载发生变化时，能够维持中间直流电压的稳定，给电机侧 逆变器提供良好的工作条件。而且，脉冲整

23、流器可以实现牵引与再生工况间快速平滑地转换。 所以脉冲整流器是交流传动动车组上的一个重要电气部件。 - 170 - CRH2 动车组的脉冲整流器局部由单相电压型三点式 PWM 脉冲整流器和交流接触器 K 构 成，以牵引变压器牵引绕组输出电压 AC1500V、50Hz 为输入。通过无触点控制装置的控制， 实现输出直流电压为 26003000V按速度范围变化可调的定电压控制以及牵引变压器原 边侧电压电流单位功率因数的控制。此外，还可通过无触点控制装置实现保护功能。再生制 动时脉冲整流器工作在逆变状态，以中间回路支撑电容器输出电压 DC3000V 为输入，向牵引 变压器侧输出 AC1500V、50H

24、z 电压。交流接触器控制输入侧主电路接通、断开。 CRH2动车组的牵引逆变器为三点式PWM逆变器。其控制方法如下：输入支撑电容器电压， 依据无触点控制装置IGBT元件控制信号，输出变频变压的三相交流电对4台并联的电机进 行速度、力矩控制。再生制动时牵引电机发出三相交流电，向支撑电容器输出直流电压。牵 引电机控制采用矢量控制方式，独立控制力矩电流和励磁电流，以使力矩控制高精度化、反 应高速化，提高电流控制性能。 牵引变流器功率单元集中布置，脉冲整流器功率单元2台、逆变功率单元3台。 牵引变流器配置有两排气口的电动轴流式通风机，向功率单元冷凝器送风。真空接触器、继 电器单元和无触点控制装置等集中布

25、置，便于检修。另外，考虑密封性和检查方便，采用板 簧式手动型夹紧装置。 牵引变流器的零部件，考虑到其操作、维修方便，采用模块化设计。例如半导体冷却装 置分成脉冲整流器用两台，逆变器用三台的单元，分别具有互换性。控制装置分为无触点控 制装置控制逻辑部、继电器单元、电源单元等。 半导体冷却装置和电动通风机等大型装置采用下部拆装的构造。小型控制单元内的各零 部件可以采用不同厂家的产品，维修和检查时需要更换的控制单元，其构造和功能必须 具有互换性。 三、CRH2变流器的技术参数 1脉冲整流器技术参数 控制方式： 单相电压三点式 PWM 整流器 额定参数： 输入 1285kVA (单相交流 1500V，

26、857A，50Hz) 输出 1296kW (直流 3000V，432A) 效率 98.5%以上 牵引电机额定 功率因数 97%以上 在额定负载条件下，除辅助电路和控制电路外 载波频率： 1250Hz 整流器构成设备 尺寸： 1015550610mm3 (WLH) 重量： 190kg 装备零部件： 主控制元件 高耐压 IPM/IGBT 3300V 1200A 1S2P4A 钳位二极管 高耐压二极管 3300V 1200A 1S2P2A 支撑电容器 2125F10% 辅助电路 一套包括：缓冲电路，接线盘等 2逆变器技术参数 - 171 - 1逆变器性能参数 控制方式： 三相电压三点式 PWM 逆变

27、器 额定参数： 输入 1296kW(直流 3000V，432A) 输出 1475kVA(三相交流 2300V，424A，0220Hz) 效率 98.5%以上牵引电机额定 功率因数 97%以上在额定载荷条件下，除辅助电路和控制电路外 载波频率： 1250Hz 载波相位差设定： 单元间载波相位控制 2 逆变器构成设备 尺寸： 660W550L610H 重量： 130kg 装备零部件: 主控制元件 高耐压 IPM/IGBT 3300V 1200A 1S1P4A 钳位二极管 高耐压二极管 3300V 1200A 1S1P2A 支撑电容器 1250F10% 其他 缓冲电路 一套 闸控接口电路 一套 主电

28、路接线盘 一套 冷却器温度继电器 1 个 冷却器 沸腾冷却式 一套 密封部位温度继电器 1 个 3中间电路的特点和技术参数 中间直流电路如图 6.5-29 所示 支撑电容器与预备充电电路图 6.5-30相连，起动时通过内置充电电阻的充电变压器 从辅助电路进展初期充电，以防止 K 接通时产生过大的冲击电流。 换向开关接通方法：接通 CHK 充电(约 1 秒)，然后断开 CHK，接通 K。 此外，在中间直流电路上设置由电阻和半导体开关构成的过电压保护电路。为防止牵引 变流器 1 次侧电源投入用接触器(K)投入时的过大冲击电流,在 K 投入前对支撑电容器进展充 电。开场充电的时机是从终端装置输入换向

29、器(reverser)投入信号的时候。以下表示从充电 开场到 K 投入为止的流程。 换向器(reverser)投入 输出充电用接触器(CHK)投入 支撑电容器充电 充电用接触器(CHK)断开 K 投入 局部器件的功能简介如下： GCT：检测牵引变压器 2 次侧接地电流。根据设定值,OVTh on、脉冲整流器逆变器 gate-off 及牵引变流器 1 次侧电源接触器(K)断开。 过电压抑制可控硅单元(OVTh 单元)： OVTh 单元由可控硅、缓冲器(snubber)阻抗器、缓冲器(snubber)电容、栅级驱动基板、 直流电压检测器等构成。当检测到支撑电容器的过电压，且控制电源为 Off 时,

30、可控硅为 ON， 让支撑电容器具有放电的功能。 DCPT：组装在 OVTh 单元内，对直流电压进展检测。当检测到 OVTh false firing误点 弧、直流过电压、直流低电压、电压异常等时,根据条件，脉冲整流器逆变器 gate-off、 牵引变流器 1 次侧电源接触器(K)等断开。 电路中各个常数应满足表 6.5-10 的规定。 表 6.5-10 中间直流电路器件参数 No 设备记号 数量No 设备记号 数量 1 支撑电容器变流器 CFC1,2 2 11 CSCH 1 2 支撑电容器逆变器 ICF1,2 3 12 接地电流互感器GCT 1 - 173 - 3 接地阻抗器GRRe 1 13 接地容抗器(GRC) 1 4 抑制过电压电阻器 OVRe1,2 2 14 支撑电容放电用的可控硅 OVTh1,2 2 5 支撑电容器放电用电阻器 DRe1,2 2 15 RSO1，2 2 6 交流接触器K 1 16 CSO1，2 1 7 交流接触器CHK 1 17 直流电压互感器DCPT1,2 2 8 变压器CHT 1 18 交流电压互感器ACCT 1 9 不控整流器CHDd 1 19 三相输出电流互感器 CTU,V,W 3 10 RSCH 1 第四节 牵引电机 一、CRH2 动车组牵引电机的特点 CRH2采用MT205 型三相鼠笼异步电机，每辆动车配置 4 台牵引电机并