CRH2时速200KM动车组概述分析.docx

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CRH2时速200KM动车组概述分析

一、CRH2型200KM动车组概要

1．概述

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。

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。

中国日系200公里动车组

CRH2动车组在北京环环行铁道

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。

该动车组的车内配制如下表：

二、主要技术参数：

2.1该动车组采用了交流驱动方式，前后两端设有驾驶舱。

在列车正常运行时，由前端的驾驶舱负责驾驶。

·电源方式为交流25kV,50Hz（超高压母线连接、单弓受流）。

·最高电压31kV最低电压17.5kV，其他供电特性按照GB1402规格。

·加速控制为VVVF逆变器控制方式。

·带有原边电流限幅器控制功能。

·电气制动是电力再生制动方式。

·进行空转滑行控制、以提高粘着力。

·有通过加速/再生制动控制的定速行驶功能。

定速范围为30-200km/h。

·定员：

610人。

·客室布置：

一等车2+2、二等车2+3。

·最高运营速度（km/h）：

200（具备提速到300km/h的条件）。

·最高试验速度（km/h）：

250。

·适应轨距（mm）：

1435。

·适应站台高度（mm）：

1200。

·传动方式：

交直交。

·牵引功率（kW）：

4800。

·编组重量及长度：

345t，204.9m。

·车体型式：

大型中空型材铝合金车体。

·气密性：

车内压力从4kPa降到1kPa时间大于50s。

·头车车辆长度（mm）：

25700。

·中间车辆长度（mm）：

25000。

·车辆宽度（mm）：

3380。

·车辆高度（mm）：

3700。

·空调系统：

准集中式空调系统。

·转向架类型：

DT206/TR7004B无摇枕转向架。

·转向架一系悬挂：

单组钢弹簧单侧拉板定位+液压减振器。

·转向架二系悬挂：

空气弹簧+橡胶堆。

·转向架轴重（t）：

≤14。

·转向架轮径（mm）：

860/790。

·转向架固定轴距（mm）：

2500。

·牵引变流器：

IGBT水冷VVVF。

·牵引电动机：

300kW。

·启动加速度（m/s2）：

0.406。

·辅助供电制式：

DC100V，单相AC100V、AC220V、三相AC400V。

2.2轴重：

各车的轴重配制如下：

2.3制动：

2.3.1制动距离：

制动初速度200km/h时：

≦2,000ｍ

制动初速度160km/h时：

≦1,400ｍ

紧急制动初速度200km/h时：

≤1800m。

2.3.2制动控制方式如下所示。

·使用ATP的自动及手动

·ATP制动时的滑行时间在3.5秒以下（空气的响应延迟考虑为1.5秒、控制延迟考虑为2秒）

2.3.3制动方式为直通式电气指令式空气制动方式，采用适应速度－粘着模式的制动力控制，设置有滑行检测及感应负载功能。

2.3.4制动种类如下所示。

·常用制动

·快速制动

·紧急制动

·辅助制动

·耐雪制动

2.3.5制动性能（减速度模式）

·常用制动7N

70km/h：

0.747m/s2

118km/h：

0.619m/s2

200km/h：

0.492m/s2

·快速制动

70km/h：

1.12m/s2

118km/h：

0.931m/s2

200km/h：

0.758m/s2

2.4最小曲线半径通过

连接运行时：

180m

单车调车时：

130m

S曲线时：

180m曲线＋最小10ｍ直线＋180ｍ曲线

2.5车体主要尺寸

车体最大长度

车头车：

25,700mm

中间车：

25,000mm

车体最大宽度：

3,380mm

车体最大高度：

3,700mm

登车口地面高度：

1,300mm

客舱天花板高度：

22,770mm

转向架间距：

17,500mm

固定轴距：

2,500mm

车轮径：

860mm

连接器高度：

1,000mm

三、CRH2牵引传动系统的组成

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。

CRH2动车组采用LA204或LA205型避雷器。

额定电压为AC42kV（RMS），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。

（2）牵引变压器

CRH2动词组采用的是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）牵引变流器

CRH2动词组采用的是CI11型牵引变流器，一个基本动力单元2个，全列共计4个。

采用车下吊挂、液体沸腾冷却方式。

主电路结构为电压型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2600V～3000V（随起牵引电机输出功率进行调整）。

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动词组采用的是MT205型牵引电机，每节动力车4个（并联），一个基本动力单元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。

2、CRH2牵引传动系统组成原理

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。

3、CRH2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：

图1-1动车组主电路简图

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行实时控制；当出现故障时，M1车和M2车可分别使用，另外，整个基本单元可使用VCB切除，而不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1-2。

4、CRH2牵引传动系统控制电路及其控制策略

CRH2牵引传动系统控制策略分为脉冲整流器控制、逆变器控制和牵引电机控制三个部分。

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2600V～3000V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，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、反应高速化，提高电流控制性能。

动车组牵引系统主电路原理图如图1-2。

5、CRH2牵引传动系统的保护

牵引传动系统是高压系统，为保证系统的安全和可靠的工作，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行再粘着控制的功能；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行显示。

高压设备箱在考虑防止危险和绝缘距离的基础上，力求小型、轻型化，为防止触电事故发生，采用连锁方式，在通电时不能打开箱门。

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160A×2个/齿轮箱，拖车转向架的接地装置安装在轴箱上。

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，不同的组成部分可能会产生各种各样的故障，影响动车组的安全可靠运行，当出现如表所示的情况时，系统将出现故障，并将相应的故障显示在司机室内的监控器上。

6、CRH2牵引传动系统的布置

（1）CRH2动车组编组简介

CRH2动车组为4M4T编组，首尾车辆设有司机室，可双向驾驶，两辆动车组成一个动力单元。

正常情况下，两个牵引系统均工作，当一个牵引系统发生故障时，可以自动切断故障源，继续运行。

动车组头车长度25.7m，中间长度25m，总长201.4m，车体宽度3.38m，车体高度3.7m。

在4、6号车设受电弓及附属装置，安装高度4m时，受电弓工作高度最低4888mm，最高6800mm，最大升弓高度7000mm。

动车组正常运行时，采用单弓受流，另一台备用，处于折叠状态。

2、3、6、7号车为动车，车下有牵引变流器和牵引电动机。

在2、6号车下装有牵引变流器。

1、4、5、8号车为拖车。

编组示意图如图1－3所示。

图1－3CRH2动车组编组示意图

（2）动车组车底电气设备布置

CRH2动车组以2动2拖为一个基本动力单元。

一个基本动力单元的牵引传动系统主要由网侧高压电气设备、1个牵引变压器、2个牵引变流器、8台三相交流异步牵引电机等组成。

全列共计2个受电弓、2个牵引变压器、4个牵引变流器、16台牵引电动机。

动车组正常时升单弓运行，另一个受电弓备用。

牵引传动系统的供电设备布置在4、6号车车顶，电传动设备布置在2、6、3、7号车的车底。

图1－4为动车组车底电气设备布置示意图。

图1-4车底电气设备布局图

7、CRH2牵引传动系统的特点

CRH2动车组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的特点。

⑴CRH2动车组牵引变压器采用壳式结构、车体下吊挂、油循环强迫风冷方式，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，使牵引变流器稳定运行。

⑵CRH2动车组变流器主电路均采用两主管串联与中点带箝位二极管的方案，功率开关采用IPM智能功率模块，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。

⑶整流部分采用单相三点式PWM脉冲整流器，可以实现变流器单位功率因数运行，能量双向传递可以四象限运行。

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，在相同的情况下，直流母线电压可以提高一倍，容量也可以提高一倍；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二点式变流器，因此它的总的谐波失真THD也远小于二点式变流器；三点式变流器输入侧的电流波形即使在开关频率很低时也能保证一定的正弦度。

这在减小对通讯信号的谐波干扰和充分利用电网的传输功率方面都有很大意义。

⑷中间直流环节不设二次谐振滤波装置，从而减轻了牵引变流器何牵引变压器的重量。

⑸逆变器部分采用三点式拓扑结构，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。

因此有利于减小相邻两种电路状态间转换时引起的电压和电流波动。

从而有利于降低损耗，提高电动机和系统效率，减少转矩脉动。

⑹CRH2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；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。

⑺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。

四、CRH2动车组牵引/制动特性

1、CRH2动车组运用条件及主要技术参数

CRH2动车组采用动力分散交流传动牵引模式，适应在铁路既有线上以160km/h速度级正常运行，在新建的客运专线并能在既有线指定区段上以200km/h速度级正常运行。

这里对于动车组牵引制动相关的环境、线路等运行条件以及动车组的主要技术参数予以简单介绍。

1、CRH2动车组运用条件

（1）动车组运用的自然环境

①气温条件：

－25～40°C；

②相对湿度：

95%（月平均最低温度25°C时）；

③海拔高度：

≦1500m；

④最大风速：

一般年份15m/s；偶遇30m/s；

⑤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：

①间最大坡度：

12‰（困难条件下20‰）；

②站段联络线坡度：

≦30‰；最小曲线半径：

2200m；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：

7/10Vmax（新建和改建地段）；困难条件下1/2Vmax；既

有线保留地段困难条件下为2/5Vmax，取整为10m的整数倍；

③线间距：

4.2m；

④到发线有效长度：

650m，困难条件下520m；

⑤轨距：

1435mm；

⑥最大超高：

150mm；

⑦最大超过允许值：

110mm；

⑧道岔限速：

区间道岔直向通过速度：

200km/h；进出站为18号可动心轨道岔（导曲线半径为1200m，15侧向

通过限速80km/h）和12号可动心轨提速道岔（侧向通过速度50km/h）；

⑨竖曲线半径：

15000m；

⑩车站站台高度：

≥1100mm；

□车站站台边缘距轨道中心线的距离：

1750mm；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；

（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。

①两列联挂时间：

≦3min。

②列车立即折返时间：

<16min。

③运行特点：

客货混运、适合于既有线列车混运，动车组不通过驼峰，不与货车混编。

④救援列车（救援机车）：

采用自动空气制动机和15号自动车钩。

（4）动车组供电系统

⑤额定电压：

单相交流25kV、50Hz。

⑥最高电压：

31kV。

⑦最低电压：

17.5kV。

符合我国铁路干线电力牵引交流电压标准；线路设点式信号设备为列车提供过分相位置信号。

（5）限界

符合电力机车限界和客运专线机车车辆限界暂行规定。

（6）信号

闭塞分区长度一般为1000～1200m。

2、CRH2动车组的牵引特性

动车组的牵引特性曲线是指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。

在计算动车组的牵引与制动性能的时候，牵引特性曲线是最重要的原始数据。

1、CRH2动车组的粘着牵引力

粘着牵引力是受轮轨间粘着能力限制的轮周牵引力，当轮周上的切线力大于粘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粘着牵引力，这是动车组牵引运行一个非常重要的参数。

日本高速动车组使用的粘着系数随速度的变化曲线如图2-1所示。

CRH2动车组的粘着牵引力及其动车组的实际牵引制动力参数如表2-1所示。

图2-1高速动车组粘着特性

表2-1CRH2动车组粘着参数

速度

粘着系数

粘着牵引力

实际牵引力

粘着制动力

0km/h

0.16

338.7kN

176kN

639.7kN

100km/h

0.074

156.8kN

139.6kN

295.9kN

200km/h

0.048

101.7kN

82.2kN

191.9kN

250km/h

0.041

86.88kN

65.6kN

163.9kN

一般来说，粘着受轨道的状态（污迹、生锈、水、油、雪等）的影响很大，但在同等条件下，有随着车辆速度增高而下降。

图2-2表示的是新干线对轨面作干燥和泼水试验得到的粘着系数随速度变化的曲线。

由变化趋势可知，干燥和湿滑轨面的粘着系数不同，但都随速度增加而下降，计算采用的粘着系数公式的趋势和数值都是合理的，由此也可以看出牵引力--速度曲线和制动—速度曲线的变化规律都是与粘着系数的变化相符的。

2、CRH2动车组运行基本阻力

动车组运行的基本阻力决定于许多因素，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。

实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二次三项式，即

w0=a+b.⋅V+c.V²（2-2）

EMU的运行阻力依照下列公式。

w0=8.63+0.07295∙V+0.00112⋅V²（N/t）（2-3）

计算运行阻力的公式还有相近的公式，一般在动车组的技术规格中作规定。

此处所列公式为的CRH2动车组原型车的实测值。

3、CRH2动车组的牵引特性曲线

CRH2动车组的牵引特性曲线如图如图2-3所示，其数学表达式为8.2-4式所示。

F＝175－0.36V0≤V≤125km/h

F＝16250/VV>125km/h（2-4）

图2-3牵引性能曲线

（1）牵引力曲线

牵引力为CRH2动车组所要求的全功率对应得最大牵引力。

牵引力在从0～125km/h的速度范围内，以速度0km/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：

F=G（1+γ）·a+G∙w（N）（2-5）

式中α──加速度，m/s2；

G──编组整体重量，t；

w──运行阻力，N/t；w为速度的函数，见2-3式；

γ