動(dòng)車組電氣與控制系統(tǒng)分析

張洪月 蘭宏光 姚凱

【摘要】論文首先介紹了研究動(dòng)車組電力系統(tǒng)及其控制的原因和目的，闡述了CRH2型動(dòng)車組電氣系統(tǒng)組成。對(duì)動(dòng)車組的基本建構(gòu)進(jìn)行了簡要介紹，并分車箱簡明扼要的給出了各自的特點(diǎn)和功能。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)車組； CRH2型動(dòng)車組； 控制；系統(tǒng)

1動(dòng)車組發(fā)展現(xiàn)狀及CRH2型動(dòng)車組簡介

動(dòng)車組是按動(dòng)力分布方式而命名的，即動(dòng)力分散式列車。 在動(dòng)力集中式列車編組中的牽引力是機(jī)頭提供的，動(dòng)力僅僅集中于一側(cè)。這樣具有牽引力的動(dòng)車與無動(dòng)力的拖車再加上機(jī)頭，三者的組合稱為動(dòng)車的組合，簡稱動(dòng)車組。而把動(dòng)力裝置分散安裝在每節(jié)車廂上，使其既具有牽引動(dòng)力，又可以載客，這樣的客車車輛便叫做動(dòng)車。而動(dòng)車組就是幾節(jié)自帶動(dòng)力的車輛加幾節(jié)不帶動(dòng)力的車輛編成一組，就是動(dòng)車組。帶動(dòng)力的車輛叫動(dòng)車，不帶動(dòng)力的車輛叫拖車。

CRH2，全稱：China Railway Highspeed 2，（國內(nèi)命名和諧號(hào)）動(dòng)車組為4動(dòng)4拖8輛編組（其中2、3、6、7號(hào)車為動(dòng)車，1、4、5、8號(hào)車為拖車），采用電力牽引交流傳動(dòng)方式（交——直——交），由2個(gè)牽引單元組成（1、2、3、4為一個(gè)動(dòng)力單元，5、6、7、8為一個(gè)動(dòng)力單元），每個(gè)牽引單元按兩動(dòng)一拖構(gòu)成。動(dòng)車組具有良好的氣動(dòng)外形，其載客速度為250km＼h。兩端為司機(jī)室，列車正常運(yùn)行時(shí)由前端司機(jī)室操縱。如圖1-1

T3車（5號(hào)車） M3車（6號(hào)車） M4車（7號(hào)車） T4車（8號(hào)車）

圖1-1 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)布局（T表示拖車，M表示動(dòng)車）

2 CRH2型動(dòng)車組電氣牽引系統(tǒng)分析

2.1 牽引單元的電氣設(shè)備簡介

每l列動(dòng)車組的電氣牽引單元有兩個(gè)（1號(hào)車至4號(hào)車和 5號(hào)車至 8號(hào)車），他們通過一根車頂線相連。

每列動(dòng)車組都是由兩組互相對(duì)稱的牽引單元組成，它們之間用車頂電纜連接起來。每列動(dòng)車組的牽引功率為8800kW，再生制動(dòng)時(shí)為8000kW。

一個(gè)牽引單元的牽引主電氣設(shè)備主要由1個(gè)受電弓、1個(gè)牽引變壓器、2個(gè)牽引變流器、8個(gè)牽引電機(jī)組成（每個(gè)牽引電機(jī)帶有一套機(jī)械傳動(dòng)裝置包括齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)）。

2.2 列車高壓電器概述

高壓電器主要是由受電弓、高壓變壓器、接地開關(guān)、防雷擊裝置（避雷器）、網(wǎng)段檢測裝置、高壓線纜組成。

受電弓是受流器的一種，屬于上部受流器，與其他受流器相比有較好的受流質(zhì)量。受電弓在接觸網(wǎng)與車輛之間起電氣接觸作用的高壓設(shè)備。受電弓與接觸網(wǎng)之間不允許出現(xiàn)較強(qiáng)的接觸力，受電弓采用的是空氣傳動(dòng)方式（氣壓傳動(dòng)）。受電弓按其結(jié)構(gòu)分可分為單臂、雙臂兩種（雙臂受電弓結(jié)構(gòu)對(duì)稱、側(cè)未定型好，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整復(fù)雜。單臂受電弓結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，容易調(diào)整，因而廣泛應(yīng)用）。

2.3 牽引變壓器及其冷卻系統(tǒng)

變壓器位于動(dòng)車組4號(hào)車和6號(hào)車的地板下的單相牽引變壓器，變壓器冷卻裝置在每個(gè)變壓器的旁邊。變壓器油箱為鋼結(jié)構(gòu)。冷卻介質(zhì)是礦物油，冷卻是借助一個(gè)循環(huán)泵實(shí)現(xiàn)的。

變壓器設(shè)計(jì)在25kV50Hz交流電源電壓下使用，它將一次繞組上的接觸線電壓轉(zhuǎn)換為四個(gè)二次繞組【牽引繞組（TW1-TW4）】的電壓（1551V 的二次電壓），并給牽引變流裝置供電。變壓器上采取了多種的保護(hù)措施，以防變壓器過載，其中包括冷卻回路中防熱過載的溫度監(jiān)測、為檢查冷卻劑流量及為檢測一次電路接地故障的一次隔離監(jiān)測（通過比較外向電流和返回電流，進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)）。

3 列車牽引電機(jī)運(yùn)行及控制系統(tǒng)分析

對(duì)列車牽引電機(jī)的控制，存在著不同的途徑。概括的說，主要是通過對(duì)定子、轉(zhuǎn)子的磁鏈（電壓）、磁動(dòng)勢（電流）或者磁場位置（轉(zhuǎn)矩角）的控制來實(shí)現(xiàn)的。

如果對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的暫態(tài)性能沒有特殊的要求，而且電動(dòng)機(jī)長期在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，開環(huán)控制可以提供滿意的結(jié)果。但是對(duì)于牽引傳動(dòng)一類的系統(tǒng)，要求在負(fù)載電壓或者供電電壓波動(dòng)時(shí)具有快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能和保持精確地運(yùn)行能力，必須采用閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。

牽引傳動(dòng)要求在寬廣的速度范圍中，每個(gè)速度點(diǎn)都能提供合適的轉(zhuǎn)矩值，所以，速度和轉(zhuǎn)矩是這種系統(tǒng)的被調(diào)量，并作為閉環(huán)控制的反饋信號(hào)。

3.1 列車牽引電機(jī)策略分析

交流異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)高階、強(qiáng)耦合、非線性的多變量系統(tǒng)。該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，將其簡化成單變量線性系統(tǒng)進(jìn)行控制，動(dòng)態(tài)性能不夠理想，調(diào)節(jié)器參數(shù)很難準(zhǔn)確設(shè) 。為了實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能，20世紀(jì)70年代初德國西門子公司F.Blaschke等提出了矢量控制的方法。所謂矢量控制就是以轉(zhuǎn)子磁場定向，用矢量變換的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和磁鏈控制的完全解耦，達(dá)到與直流電動(dòng)機(jī)一樣的調(diào)速性能 。異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過30年的發(fā)展，其控制方法已趨于成熟。在實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)矢量控制調(diào)速的要求時(shí)，往往需借助仿真，通過仿真可使調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試更方便，并能更快的實(shí)現(xiàn)控制。

對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)的性能來說，重要的是選擇合適的控制方法。對(duì)于鐵路牽引用的變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，制定控制策略的出發(fā)點(diǎn)可以概括為3點(diǎn)：

第一，通過對(duì)變流器輸出的適當(dāng)控制，使電動(dòng)機(jī)在零速度達(dá)到基速的這個(gè)范圍內(nèi)，接近恒定磁通工作狀態(tài)，而在基速以上的范圍內(nèi)，以一個(gè)固定的端電壓工作。

無論控制結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，或采取什么樣的反饋環(huán)和反饋量，功率變流器只有兩個(gè)控制變量，即電壓和頻率。

3.2 牽引變流器與牽引電機(jī)的參數(shù)匹配

要使高速列車交流傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)越性得到最大限度的發(fā)揮必須合理的匹配變流器和牽引電機(jī)，在進(jìn)行牽引傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮啟動(dòng)力矩、最大功率，還必須考慮變流器和電機(jī)的質(zhì)量、外形尺寸。在滿足一定的運(yùn)行條件的前提下，列車的牽引特性應(yīng)盡可能與牽引變流器、牽引電機(jī)一起考慮，以便選擇合適的容量匹配，使系統(tǒng)整體性能參數(shù)最佳、費(fèi)用最低。

列車牽引特性一般分為兩個(gè)區(qū)段：即從 的恒牽引力（恒力矩）區(qū)，以及 的恒功率區(qū)。在恒力矩區(qū)，要求逆變器的輸出保持 ， ，啟動(dòng)時(shí)適當(dāng)提高 和 ， 兩種不同的控制策略。因此，不同的運(yùn)行工況、不同的控制策略對(duì)牽引變流器和牽引電機(jī)的要求均有差異，變流器與電機(jī)的容量有許多不同的組合。根據(jù)應(yīng)用要求，使系統(tǒng)整體性能最佳、費(fèi)用最低是選擇變流器與電機(jī)容量的優(yōu)化目標(biāo)。

綜上所述，對(duì)于CRH2型動(dòng)車組而言，由于大功率電力電子器件價(jià)格昂貴、變流器的費(fèi)用較高。所以采用了第一種方案進(jìn)行系統(tǒng)的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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