第六章 CRH2 型动车组牵引传动系统.docx

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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牵引传动系统基本组成

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动车组采用的是TM210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动车组采用的是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动车组采用的是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。

、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6－1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。

图6—1CRH2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6—2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，自动实行空气制动和电制动。

电气制动系统的组成和牵引系统一致。

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器控制、逆变器控制和牵引电机控制三个部分。

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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。

图6—4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。

动车和拖车设有接地装置，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

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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。

①网压在22.5～29kV范围内发挥额定功率；②网压在22.5～19kV范围内牵引功率线性下降至额定功率的84％；③网压在19～17.5kV范围内功率线性下降至零,辅助设备正常工作；④网压在29～31kV范围内各设备正常工作。

2．车组的牵引特性参数①最高运营速度为200km/h；②最高试验速度为250km/h；③定员载荷的动车组平直道上的启动加速度为0.406m/s2；④200km/h运行时，剩余加速度不小于0.1m/s2；⑤损失25％的动力时，平直道上的平衡速度可大于200km/h；⑥动车组在风速15m/s逆风下可以进行正常的营业运行；⑦紧急制动距离（制动初速200km/h）≤1800m3．牵引系统主要参数①牵引变压器：

一次侧绕组，额定容量3060kVA，额定电压25kV、电流122A、频率50Hz；牵引绕组2个，1500V，2×1285kVA；辅助绕组1个400V，490kVA②牵引变流器：

中间直流电压为2600V～3000V；逆变器输出电压、频率可调三相电源，电压：

0~2300V，频率0～220Hz；③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①牵引变压器效率不低于0.95；②牵引变流器的效率为0.96以上；③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（THD）＜10%（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个基本动力单元发挥额定功率时的等效干扰电流（Jp）<2A。

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的特点。

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⑴牵引变压器采用壳式结构、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。

⑵牵引变流器主电路采用两主管串联和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、智能化的一种使用方式。

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脉冲整流器采用单相三点式PWM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，在相同的情况下，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。

⑷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。

⑸逆变器采用三点式拓扑结构，和二点式逆变器相比，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。

⑹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；异步电机结构简单，可靠性高，同直流电机比较，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。

⑺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具有良好动态性能和控制精度。

第二节牵引／制动特性

1．CRH2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200km/h速度级正常运行。

运用条件：

（1）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：

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①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；⑪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；⑫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：

1394mm；辙叉翼轨作用面至护轮轨头部外侧的距离：

1348mm；03+−30+−（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，不和货车混编。

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。

2．牵引特性曲线CRH2的牵引特性曲线如图6-5所示，其数学表达式为5-1式所示。

F＝175－0.36V0≤V≤125km/hF＝16250/VV>125km/h（5-1）

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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，牵引力和速度呈双曲线下降即恒功率运行。

3．CRH2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。

由制动控制装置进行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１个箱体内，箱框采用铝合金结构，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6－15。

主电路功率元器件导通状态和输出电压的关系参照表5－5

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斩波方式进行整流，控制中间直流电压牵引时在2600V～3000V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行控制。

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6－16，箱体结构图如图6－17所示，主要组成部件如表5－6，箱体中央位置配置脉冲整流器功率模块（２台）和逆变器功率模块（３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，脉冲整流器可以实现牵引和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。

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CRH2动车组的脉冲整流器部分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2600～3000V（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、50Hz电压。

交流接触器Ｋ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结构。

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，其结构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，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：

1015×550×610mm3（W×L×H）重量：

190kg装备零部件：

主控制元件高耐压IPM/IGBT3300V1200A1S2P4A钳位二极管高耐压二极管3300V1200A1S2P2A支撑电容器2125μF±10%辅助电路一套（包括：

缓冲电路，接线盘等）2．逆变器技术参数

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（1）逆变器性能参数控制方式：

三相电压三点式PWM逆变器额定参数：

输入1296kW（直流3000V，432A）输出1475kVA（三相交流2300V，424A，0～220Hz）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：

660W×550L×610H重量：

130kg装备零部件:

主控制元件高耐压IPM/IGBT3300V1200A1S1P4A钳位二极管高耐压二极管3300V1200A1S1P2A支撑电容器1250μF±10%其他缓冲电路一套闸控接口电路一套主电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

支撑电容器和预备充电电路（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行初期充电，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行充电。

开始充电的时机是从终端装置输入换向器（reverser）投入信号的时候。

以下表示从充电开始到K投入为止的流程。

①换向器（reverser）投入②输出充电用接触器（CHK）投入③支撑电容器充电④充电用接触器（CHK）断开⑤K投入部分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,OVThon、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,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，对直流电压进行检测。

当检测到OVThfalsefiring（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）CFC1,2211CSCH12支撑电容器（逆变器）ICF1,2312接地电流互感器（GCT）1

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3接地阻抗器（GRRe）113接地容抗器（GRC）14抑制过电压电阻器（OVRe1,2）214支撑电容放电用的可控硅（OVTh1,2）25支撑电容器放电用电阻器（DRe1,2）215RSO1，226交流接触器（K）116CSO1，217交流接触器（CHK）117直流电压互感器（DCPT1,2）28变压器（CHT）118交流电压互感器（ACCT）19不控整流器（CHDd）119三相输出电流互感器（CTU,V,W）310RSCH1

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