2 CRH3型动车组牵引与控制特性分析

2 CRH3型动车组牵引与控制特性分析

2.1 CRH3动车组牵引系统组成部分

在CRH3动车组上装有四个完全相同且互相独立的动力单元。每一个动力单元有一个牵引变流器和一个控制单元，四个并联的牵引电动机以及一个制动电阻器单元。牵引零部件辅助设备所需的3相 AC 440V60Hz 电流由动车组的辅助变流器单元提供。每个基本的动力单元主要包含以下关键器件：

1. 主变压器。主变压器设计成单制式的变压器，额定电压为单相AC 25kV 50Hz。变压器被布置在动车组没有驱动的变压器车车底，并且每一个变压器的附近都布置有一套冷却系统。主变压器箱体是由钢板焊接的，主变压器箱安装在车下，主变压器采用强迫导向油循环风冷方式。主变压器的次级绕组为牵引变流器提供电能。它使用一个电气差动保护、冷却液流量计和电子温度计对主变压器进行监控和保护。

2. 牵引变流器。牵引变流器采用结构紧凑，易于运用和检修的模块化结构。在运用现场通过更换模块可方便更换和维修。牵引变流器由多重四象限变流器、直流电压中间环节和逆变器组成，牵引变流器的模块具有互换性。

3. 牵引电机。动车组总共由16个牵引电机驱动，位于动力转向架上。牵引电机按高速列车的特殊要求而设计。具有坚固的结构，优化重量，低噪音排放，高效率和紧凑设计的特征。四极三相异步牵引电机按绝缘等级200 制造。牵引电机是强迫风冷式。牵引电机使用的是牵引变流器的电压源逆变器供电，变频变压( VVVF) 调速运行方式。

4. 其他部件。动车组其他牵引系统部件还包括牵引电机通风机、过压限制电阻等。某些零部件被设计成即使出现故障也能在小幅度减少或不减少性能的情况下运行。

CRH3型动车组采用交-直-交传动方式。以交流异步感应电动机作为牵引电机的高速动车组适宜采用再生制动方式。制动时它将交流电动机做为发电机使用，从而产生制动力矩，并将其所发出的电能反馈回电网。在所有的制动方式中，再生制动是唯一向电网反馈能量的制动方式，同电阻制动相比，减少了庞大而笨重的制动电阻，同时免去了一整套通风冷却装置。目前国外大多数动车均采用了

该种制动方式，且日益成为交流传动动车组的首选方式。由于再生制动具有清洁、无磨耗和能量利用率高的优点，在常用制动工况，优先使用电制动力

2.2 列车的牵引特性分析

列车以牵引电动机为动力源，经齿轮传动装置驱动机车运行，实现电能到机械能的转换。机车轮周牵引力F与运行速度v之间的关系，用F = f (v)函数式或坐标图上的曲线来表示，称为机车的牵引特性曲线。动车组的牵引特性曲线反映了动车组牵引力随速度变化的曲线，是动车组最重要的性能曲线，也是进行牵引计算和控制的重要依据。

高速列车牵引特性一般由两部分组成，一部分是当牵引系统起动运行至额定频率前，此时，供电电压应随频率增加而增加，牵引系统的输出功率也相应增加，电磁转矩输出最大值固定不变，牵引系统在恒力矩的状态下运行。另一部分是当要求进一步提高牵引电机的转速时，由于电机定子端电压不允许超出额定值，因此电机的主磁通必须相应减小，电磁转矩也随之减小，但由于角频率升高了，可近似认为输出的功率恒定不变，此时牵引系统在恒功率的状态下运行。根据牵引特性曲线和当前速度，可以计算出当前牵引电机的牵引力数值。

(1)恒力矩区，牵引电动机的转矩T不变，要求逆变器的输出Usfs不变，则保证了电动机调速时所希望的每极磁通量?m为常数，且最大转矩在不同的电源频率fs下数字不变，此时若能保证转差频率s为恒定值，启动时适当提高Us,即可得到恒定的转矩以满足动车组恒力矩运行特性。

(2)恒功率区，牵引电机工作在磁场削弱状态。为了使电动机有恒定的输出功率，电压和频率的调节可以有两种不同的方式:

①任何频率fs关下，保持Us不变，而s与fs关按比例变化，即: sfs为常数。 ②任何频率fs下，保持、，而Us与

fs按比例变化，即Us2fs?常数。

因此，不同的运行工况对逆变器和电机的要求均有差异，变流器与电动机的容量有多种组合，故就出现了两者匹配问题。变流器与牵引电机容量有许多不同的组合方式，也就是逆变器与异步牵引容量的匹配方式。一般来说，电力的牵引运行可分为三个运行调节区:起动加速区、恒功率输出区、提高速度区或自然特性区。这三个运行调节区可用如下的图2.1来说明。逆变器与牵引电机容量合理匹配，就是在列车运行过程中各自的得到较好发挥。

TIsUsIsfs恒力矩区0fb恒功率区fmc自然特性区T图2.1 电力牵引运行特性曲线

2.2.1 CRH3型动车组的特性分析

(1) CRH3型动车组牵引动力系统配置

CRH3动车组由8 节车辆编组，由两个对称布置基本动力单元组成（即01至04号车和05至08号车），每个动力单元由一个头车（动力车）、一个变压器车和两个中间车组成。在每一个牵引单元中有两个分动力单元。每一个动力单元有一个牵引变流器和一个控制单元（TCU），四个牵引电动机并联提供牵引，如图3-1所示。

每个牵引变流器主要由两个四象限斩波器，一个带有串联谐振电路的中间电压电路，一个制动斩波器和一个宽脉冲调制的逆变器构成。中间电源回路给列车供电模块提供电源，列车供电模块位于牵引逆变器箱外部，它给列车辅助供电系统和车载设备包括牵引系统的辅助设备如泵、风扇等供电。甚至当受电弓降弓后，当列车的运行速度高于牵引电机能量再生所需的某一最低速转速，列车供电模块也能给上述系统供电。故为动力分散型动车组，故有50%的轴为驱动轴。动车组运行时轮轴的最大牵引功率为8.8kW，在再生制动时为8kW。

正常运行时（全部牵引变流器运行），每台牵引变流器最多有2个辅助变流器单元(2×160kVA)运行。每台牵引变流器对轮周的最大牵引功率为2200 kW。

在故障状态下（至少一台牵引变流器不工作），在每台牵引变流器上可以运行3个辅助变流器单元(3×160kVA)。每台牵引变流器对轮周的最大牵引功率因此降为2000 kW。如果一个以上的牵引变流器故障时，剩余牵引变流器的最大轮轴牵引力限制为2000kW。

(2) CRH3型动车组牵引、制动特性曲线 牵引工况下，牵引力和速度的数学关系为:

??F??0.285v?300?F?31500?v?（2-1）

v?119kmhv?199kmh

再生制动工况下，制动力和速度的的数学关系为:

?F?59.8v???F??0.285v?300?F?28800?v?（2-2）

v?5kmh5kmh?v?106.7kmhv?106.7kmh

式中，F为一个编组(16台电机)的牵引/制动力，单位kN; v为动车组速度，单位km/h

由上式可得高速列车牵引/制动特性曲线，分别如图2.2、图2.3所示。

300牵引力（kN）25020015010050050100150200250300动车组运行速度（km/h)图2.2 CRH3牵引特性曲线

300

制动力（kN）25020015010050050100150200250300动车组运行速度（km/h)

图2.3 CRH3再生制动特性曲线

分析CRH3列车牵引特性曲线可知，牵引过程中可分为2个调节区。起动加速区和恒功率输出区。在列车运行速度低于119km/h时处于起动加速区，采用准恒转矩控制，使牵引电机在低速时输出较大转矩;当运行速度高于119km/h时，采用恒功率控制，牵引力随速度升高而呈双曲线关系下降，使牵引电机在高速时保持功率恒定。

牵引电机转矩指令可以根据当前列车速度和牵引特性曲线计算得到:

Te=

F?d （2-3）

2?n?i??式中Te—1台牵计电机转矩 F—1个边组列车轮轨牵引力

d—车轮直径

n—1个编组列车牵引电机总数

i—传动比

?—传动效率

牵引电机机械角速度与动车组运行速度换算关系为

Wr=

v?i?np3.6?d （2-4）

式中v—动车组运行速度(km/h)

i—传动比

np—电机极对数

d—车轮直径

(3) CRH3型动车组牵引力、制动力的计算

1牵引力计算： ○

牵引力计算时需要考虑到以下因素：

1列车的总重量M及转动质量J，(每辆拖车3t,每辆动车6t) 2轨道坡度

3空气阻力(启动时计算到50 km/h)，必须考虑到空气阻力，因为它提高了需要的牵引力。表2.1为CRH3，车辆数据，由此可以计算空气阻力。

表2.1 CRH3各车辆的设计重量值

车号 车种 01 02 03 04 05 06 07 08 总数 479.36 536 601 536 36 EC0l TC02 IC03 BC04 FC05 IC06 TC07 EC08 62 60.8 56.56 68.8 87 17.2 6 63.2 50 15.8 3 55.8 60.8 57 15.2 3 60.8 68.8 87 17.2 6 62 69.6 87 17.4 3 60.6 68 73 17.0 6 空车质量/t 60.8 最大重量/t 定员人数 平均轴重/t 转动质量/t 67.2 69.6 73 87 16.8 17.4 6 3

输出功率/kW 2200 0 2200 0 0 2200 0 2200 8800 由上表数据可计算出列车阻力

Ff?6.4M'?130n?0.14MV?[0.046?0.0065(N?1)]AV2?6.4?479.36?130?32?0.14?536?50?[0.046?0.0065(8?1)]?9?502?13038.654N?13.0387kN（2-5）

式中Ff—列车运行阻力/N

M'—空车质量， M=479.36t

M—最大质量， M=536t n—轴数， n=32

v—列车速度， v=50kM/h

N—车辆数， N=8

A—列车正面截面积， A=9m2

列车动轮的参数为：车轮直径：92 cm(半磨耗轮径为87．5cm，全磨耗轮径为83 cm)；齿轮传动比：i=2.788；齿轮传动效率：?=0.97 牵引电机参数在3.3节给出。

根据轮周牵引力计算公式：

2?i??2?2.788?0.97F?MD??3000?18544.18ND0.875（2-6）

式中F—轮轴牵引力/N i—传动比， i=2.788

?—齿轮传动效率， ?=0.97

D—轮直径， D=0.875m

MD—电机额定转矩，MD=3000N?m

通过式上式算出每对动轮轮周上产生的牵引力F?18.54418kN,则1辆动车(4台牵引电机)牵引力为F4?18.54418?4?74.17672kN，4辆动车(16台电机)总牵引力为：F16?18.54418?16?296.70688kN

根据牵引力计算表达式

F?Ff?M?g?sin??(M?J)?a（2-7）

式中F—列车牵引力, N Ff—列车阻力, N M—列车质量, t

J—列车转动质量, t

g—重力加速度， g=9.81m/s2

a—加速度, m/s2

sin?—坡度

在规定的载客人数工况下，按正常的无坡度的情况，由前述可知Ff=13.0387kN，

M=536t，F=296.70688kN,则据式(2)可以计算列车起动加速度：

代入数据 F?296.70688?13.0387?0?(536?36)?a 解得，加速度

a=0.496m/s2

计算数据与厂方提供的启动加速度0.50m/s2较为接近。

2常用制动用于列车正常运行期间的列车制动。○对于常用制动，制动力的设

定值与“司机制动手柄”的偏移成比例，但是设定值也可由列车保护系统设置。为了最大程度减少车轮磨损，电制动主要用于常用制动。气制动在电制动力不足时使用，或者在电制动出现故障时用作辅助制动。

在规定的载客人数，按正常的无坡度的情况，速度180km/h实施8档制动 (减速度a=1m/s2)可以计算出列车制动力

Ff?6.4M'?130n?0.14MV?[0.046?0.0065(N?1)]AV2?6.4?479.36?130?32?0.14?536?180?[0.046?0.0065(8?1)]?9?1802 ?47416.504N?47.416504kN进而可以计算出列车在180km/h下，实施8档制动时的制动力

F?Ff?M?g?sin??(M?J)?a?47.416504?0?(536?36)?(?1)??524.583496kN

CRH3型动车组牵引传动系统动车组具有优良的牵引特性，牵引力由牵引控制单元和列车中央控制系统调节，牵引控制系统对牵引控制和牵引变流器的运行

进行监督。牵引控制单元是模块化，基于微处理器基础上的设计。牵引传动系统主要技术参数,如下表2.2。

表2.2 CRH3型动车组牵引传动系统主要技术参数

牵引总功率： 8800kW 起动牵引力约： 起动加速度： 0~200kmh的平均加速度约： 300kmh速度下的剩余加速度 爬坡能力（100%牵引动力时）： 爬坡能力（50%牵引动力时）： 电制动总功率： 应急供电电源： 辅助供电电源系统： 300kN 0.50ms2 0.4ms2 ?0.06ms2 ?30‰ ?12‰ 8000kW 连续运行2h 采用冗余设计 2. 3 列车牵引控制策略

牵引控制策略是牵引控制单元的核心控制算法，也是高速动车组牵引系统的关键控制策略，它可以实现动车组在各个速度范围内的稳定运行，通过恒速控制可以保证列车正点运行，有利于铁路系统的最优调度。牵引控制策略需要实现列车的自动运行，使列车稳定运行在给定速度，并且在列车运行工况发生改变，控制方式随之切换时，避免较大的转矩、电流波动，减少列车运行状况变化带来的影响，使列车在不同工况之间平滑过渡。

列车在不同运行工况和限速条件下的牵引、制动转矩计算，控制模式的确定和运行保护，以及整流器和牵引电机控制等，都属于在牵引控制单元中实现的。列车牵引控制策略，如果只考虑与牵引制动有关的功能设计，则列车牵引控制策略的结构原理，如图2.4

司机室模式切换DCT*e+Ψ*s+-Ψsuαuβiαiβ-ΔT控制指令牵引力给定牵引模式转矩计算TeΔΨ开关电压矢量选择表逆变器θuaC3s2siaubibucic速度给定+-速度差恒速模式转矩计算再生制动转矩计算定子磁链估计转矩转速估计制动力给定ωr定子磁链速度及位置检测PMSM图2.4 CRH3牵引控制策略的结构原理CRH3型动车组主要由司机室的牵引手柄、速度手柄和制动手柄来控制列车运行。在列车启动阶段，司机根据列车运行速度给定合适的牵引力，牵引控制单元通过列车内部总线得到牵引力指令后计算相应的转矩，来控制牵引变流器，从而控制牵引电机较快加速运行。

当速度达到给值后，司机可以进行切换操作，使列车进入自动控制模式，牵引控制单元根据速度手柄设定值及当前列车运行速度计算转矩大小，实现速度闭环控制，保持恒速运行。为避免模式切换时转矩突变，将此时牵引手柄设定值对应的转矩作为恒速模式下的最大牵引转矩，也作为恒速模式的初始转矩值，此后牵引手柄可用来限制最大牵引转矩值。

列车运行过程中不同区域有不同的限速要求，列车速度超过限速值时，自动进入再生制动模式，最后在限速值下稳定运行。当司机用制动手柄实施制动时，只要制动手柄放到制动位，速度自动控制就会失效，列车根据制动手柄给定值进行制动。

2.4 牵引变流器与牵引电动机的匹配关系

为使动车组的交流传动系统整体优越性能得以发挥，进行牵引传动系统设计时不仅要考虑起动力矩、最大功率，逆变器与电机的匹配，在满足一定负载运行的条件下，还应将列车的牵引特性与变流器、牵引电动机一起考虑。便于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。

2.4.1 牵引变流器与牵引电动机的参数匹配

列车的牵引特性一般分为两个区段：恒力矩区和恒功率区，在恒力矩区，要求逆变器输出保持Usfs=常数，启动时适当提高Us的恒磁通控制方式；s=常数，在恒功率区，牵引电动机工作在弱磁工况，有Us=常数、sfs=常数和

Us2fs?常数、s=常数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，变流器与电机的容量有许多组合。根据应用要求，是系统整体性能最佳、费用最低是选择变流器与电机容量的优化目标。对于列车牵引传动系统而言，比较典型的有3种匹配方案。

（1）最大电机、最小逆变器匹配方案

采用有Us=常数、sfs=常数恒功率控制策略。由于速度增加时电机的输入电压、电流保持恒定，逆变器的容量得到了充分的利用；由于电机的最大转矩与速度的平房成反比，电机的过载系数随速度的增加而减少，为了保证最高速度下满足电机转矩的需求，电机的额定过载系数要设计的大一些，电机的容量没有得到充分利用。

（2）最小电机、最大逆变器匹配方案

采用Us2fs?常数、s=常数恒功率控制策略。由于速度增加时电机的最大转矩、电机的过载系数恒定不变，牵引电机在额定速度点发出的力矩近似与它的最大力矩，牵引电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，电流的平房与速度成反比，恒功率范围越大，电压提高的越多，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，逆变器的最大容量没有充分发挥。

（3）折中匹配方案

这种匹配方式介于上面两者之间，即逆变器和牵引电动机所发挥的功率与设计容量比都不是最佳，然而进行系统设计时既充分考虑两者之间的关系，又兼顾了机车的牵引特性，从整体角度来看是一个比较经济的系统，但此方案的实现有一定难度。

由于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工作控制多采用第一种方案进行系统的优化匹配设计。CRH3型动车组也是采用了最大电机最小逆变器的匹配方式。

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