第二章 电力牵引传动系统设计基础

现代轨道交通牵引传动技术北京交通大学电气工程学院林飞王琛琛1第二章电力牵引传动系统设计基础2内容提要•设计流程概述•牵引特性曲线初步设计•牵引计算基础3设计流程概述•基于顶层指标的设计方法•系统接口匹配•数字化设计平台•仿真软件验算：牵引计算、动态仿真、温升校核等45顶层目标旅行时间与最高运行速度安全与防灾开行原则与开行方案舒适性节能与环保6旅行时间与最高运行速度速度指标试验速度(km/h)最高运行速度(km/h)旅行速度(km/h)牵引能力指标启动加速度(m/s2)平均加速度(m/s2)剩余加速度(m/s2)安全与防灾安全性指标临界失稳速度(km/h)脱轨系数轮重减载率紧急制动距离防灾指标抗雨雪能力抗雷击能力开行原则与开行方案编组与运能指标编组数/辆定员/人最小追踪间隔舒适性振动舒适性舒适性指标运行平稳性指标运行品质纵向冲击综合舒适性及环境指标气密性车内噪声节能与环保节能指标运行阻力平均轴重牵引总效率再生制动能量回收效率直达能耗环保指标振动指标噪声指标电磁兼容指标排放指标7系统实施需求分析顶层目标选取顶层技术指标体系选取顶层技术指标值初设定基于顶层目标的系统划分顶层目标与子系统关联性分析接口分析：顶层目标之间顶层目标与各系统之间高速列车与系统之间高速列车内部子系统之间基于顶层指标的系统优化设计边界设计有效性验证顶层技术指标体系量化顶层技术指标值校正仿真、试验8接口指不同子系统之间工作界面上的对接关系和配合关系。边界指子系统工作界面上各接口属性的集合，是子系统接口间连接的界面，是量化参数。子系统A子系统B接口子系统A边界91.高速列车与外部环境接口技术研究1、高速列车顶层技术指标及边界设计技术研究2、高速列车与线路、限界接口关系研究3、高速列车与运行控制系统接口关系研究4、高速列车与运输组织系统接口关系研究5、高速列车与牵引供电系统接口关系研究6、高速列车与桥梁的边界匹配关系研究7、高速列车与隧道的边界匹配关系研究2.高速列车各系统间接口技术研究1、高速列车车体与转向架接口技术研究2、高速列车车体与安装设备的接口技术研究3、转向架与牵引制动系统接口技术研究4、网络控制系统接口技术研究5、基于减小机械振动的各设备与车体的接口技术研究3.高速列车设计规范与标准研究1、高速列车通用设计规范与标准研究2、基于速度的设计规范与标准研究3、基于安全性设计规范与标准研究4、基于舒适性的设计规范与标准研究5、基于节能环保的设计规范与标准研究6、基于可靠性的设计规范与标准研究高速列车关键技术接口及设计规范目标1目标2预留接口注释速度目标节能与环保全程人均公里耗电量速度目标节能与环保牵引总效率速度目标节能与环保减振指标UIC513、GB/T5599速度目标节能与环保降噪指标GB/T12816速度目标节能与环保电磁兼容指标EN50121、GB/T17626速度目标节能与环保轻量化指标列车轴重速度目标节能与环保再生制动能量回收量速度目标节能与环保排放指标顶层目标之间接口（速度-环保）10目标系统接口标注速度目标牵引供电牵引变压器容量随速度目标以及行车密度提升速度目标牵引供电供电臂末端网压速度提升造成的牵引电流会拉低网压，需合理设置变电所间距，保证供电臂网压速度目标牵引供电载流极限速度目标牵引供电供电质量电压波动：19kV~31.5kV等效干扰小于2.5A速度目标牵引供电弓网接触力速度目标牵引供电离线率速度目标牵引供电受电弓硬点速度目标牵引供电接触线抬升量速度目标牵引供电过分相方式顶层目标与子系统之间接口（速度-牵引供电）12序号系统1系统2主要预留接口1.高速列车与牵引供电的接口1高速列车牵引供电变电所容量、接触网供电方式2高速列车牵引供电接触网悬挂方式（截面、抗拉张力）、适用网高、跨线运行适用性3高速列车牵引供电供电品质4高速列车牵引供电再生制动5高速列车牵引供电波动速度、弓网耦合作用（作用动态行为、接触力等）、双弓受流干扰与影响6高速列车牵引供电摩擦副匹配（磨耗、导电率）2.高速列车与过分相的接口1高速列车过分相过分相方式（车载和地面）2高速列车过分相操作过电压、车网阻抗匹配、滤波吸收3高速列车过分相控制动作匹配协调（列控）子系统之间接口（高速列车-牵引供电）13高速列车与外部系统接口（高速列车–线路）序号系统1系统2主要预留接口1.高速列车与线路接口1高速列车线路振动模态匹配2高速列车线路轮轨踏面匹配3高速列车线路轮轨材料及强度、硬度、刚度匹配4高速列车线路内侧距匹配、轮轨游隙5高速列车线路道岔6高速列车线路上下坡道7高速列车线路车辆定距和轴距、曲线超高及缓和曲线、曲线半径8高速列车线路限界、安全距离9高速列车线路轴重、轮轨作用力、振动、噪声10高速列车线路线路不平顺14序号子系统1子系统2主要预留接口1.系统接口1牵引传动转向架轮径、轮轨粘着、动态位移、冲击振动2牵引传动车体启动加速度、加速度3牵引传动车体振动、冲击、强度、模态、减振降噪4牵引传动制动再生制动、紧急制动、控制匹配5牵引传动电气电源及控制线路配线、电磁干扰6牵引传动网络控制及诊断2.结构接口1牵引传动转向架安装强度、模态2牵引传动车体安装强度、模态3牵引传动其它设备作业和检修空间验证4牵引传动电气接线方式5牵引传动网络接线方式高速列车内部接口（牵引传动-转向架）外部接口设计输出高速列车设计内部接口1.速度等级4.动力配置2.编组5.轴重3.车型及车种……1.总体设计总体方案(平断面、设备、重量等)总体参数2.子系统设计方案（软接口、安装接口）3.图纸设计、施工设计、试验调试1.国家标准2.行业标准3.限界4.工务工程（线路、桥梁站台、隧道）5.牵引供电6.列控系统7.地面设施8.运输组织9.自然环境10.气候条件1.转向架2.车体3.牵引传动4.制动5.空调系统6.列车网络7.辅助供电8.车内装饰9.给水卫生10.车间连接……设计输入1516软件定位高速列车系统设计软件高速列车设计平台整车性能设计（速度、能耗等顶层技术指标的确定）列车子系统设计（牵引与制动系统为主）高速列车技术研究平台牵引控制、节能优化算法等高速列车技术展示平台设计成果展示三维运行仿真17国家科技支撑计划--综合仿真平台18高速列车系统设计软件软件整体框架牵引传动系统通用数据顶层目标制动系统设计列车线路牵引供电速度安全性舒适性节能环保基本数据牵引特性设计传动系统控制模型部件容量配置相关标准查询运行仿真温升计算其他接口制动曲线验证风源系统能力校核复合制动能力校验制动副温升计算实时显示结果记录结果分析简单仿真动态耦合仿真综合仿真是否加载动态模型19高速列车系统设计软件牵引供电模块弓网关系模块牵引变压器模块脉冲整流器模块直流环节模块逆变器模块牵引电机模块变流器模块单相电压、电流单相电压、电流三相电压、电流动力学Simpack列车速度、每台电机转矩列车运行仿真系统反力矩（用于确定牵引力和制动力）、动力学性能参数整流器控制策略模块逆变器控制策略模块变流器控制策略模块流固耦合Star-CCM+各点流场加速度、压力值Ansys闸片、闸盘、电机、变压器温度与其他特定功能仿真平台接口IGBT触发脉冲IGBT触发脉冲直流电压网侧电压、电流三相电流、转速电空复合制动模块速度、制动级位再生制动力，向变流器请求不足的空气制动力部分，计算出夹紧力变压器电流电机三相电流接口部分20设计接口与边界条件（牵引传动系统为例）高速列车系统设计软件外部接口国际、国内标准车-线（半径、坡度）、轮-轨（黏着、轮轨动力）弓网耦合（线路阻抗、线路压降）、流固耦合（运行阻力、气场分布）内部接口牵引-基础制动系统等（再生制动）21设计接口与边界条件（牵引传动系统为例）高速列车系统设计软件PANVCB辅助绕组520kVA牵引变压器脉冲整流器逆变器牵引电机×4×422基于速度顶层技术指标的牵引传动系统设计高速列车系统设计软件线路、车辆、供电条件输入速度技术指标（最高速度、加减速度）初始设定牵引/制动特性曲线设计运行仿真电机动态控制结果电机/变流器温升、基础制动装置温升弓网受流、车辆动力学、流固耦合运行时分、加减速结果、能耗技术指标、牵引/制动特性的重新设定确定：主电路形式、装置容量、控制方法、效果23仿真目标车型：CRH2A高速列车系统设计软件24运行策略：最小时分车型：CRH2A线路：京沪高速_下行运行时间：361.7min运行能耗：20192kWh高速列车系统设计软件25车型：CRH2A线路：平直道仿真内容：列车运行过程中瞬态电气量仿真高速列车系统设计软件26车型：CRH2A线路：京沪线仿真内容：温升校核高速列车系统设计软件内容提要•设计流程概述•牵引特性曲线初步设计•牵引计算基础2728用列车轮缘牵引力/制动力与轮缘线速度的关系曲线表示，是计算列车牵引与制动性能最重要的原始数据恒牵引力起动，恒功率运行牵引力与功率的关系3.6kNkkkPFV（）恒牵引力区准恒牵引力区•牵引特性曲线•牵引特性曲线设计：是在列车性能要求的基础上，得到一条满足列车各项运行指标的列车牵引力-运行速度曲线2930列车编组形式：列车动车和拖车辆数，每辆车整备质量以及每辆车的定员，单位乘客体重。每辆车的轴数、轴上电机数也为知条件。•设计目标和已知条件车号12345678备注形式代号T1cM2M1T2T1kM2M1sT2c整备重量/t42.84846.54244.14846.841.5定员/人5510085100551005164合计610人乘客重量/t4.48.06.88.04.48.04.15.180kg/人定员重量/t47.256.053.350.048.556.050.946.6编组整体重量408.5平均轴重(t)11.814.013.312.512.114.012.711.7例：CRH2列车编组情况31列车最高运行速度•设计目标和已知条件例：京沪高铁380km/h列车轮轨黏着关系例：日本高速列车公式/()v干轨：27.2/(85)v湿轨：13.6/(85)v32列车基本阻力•设计目标和已知条件轮对轴承摩擦阻力；轮轨滚动摩擦阻力；轮轨滑动摩擦阻力；冲击和振动；空气阻力。另：列车附加阻力坡道附加阻力；曲线附加阻力；隧道空气附加阻力；其他附加阻力；起动阻力。33列车基本阻力公式•设计目标和已知条件通常以单位阻力表示：例：CRH2单位阻力20()WabvcvMg式中:W0—列车运行基本阻力（N）M—牵引质量（t）g—重力加速度(m/s2)a、b、c—与机械阻力相关的系数00W()N/tMv（）2wabvcv208.630.072950.00112(/)vvNt34列车在一定坡道上的启动加速度•设计目标和已知条件列车起动阻力列车惯性系数：在动车组加速时，不仅对车体加速，也要克服车轮、车轴、制动盘片、驱动用电动机、齿轮装置等旋转部分的惯性转矩，因此动车组质量要考虑转动惯量(惯性系数)。惯性系数的值因动车组的M车与T车的比例不同而不同，一般参照动车组的技术规格所规定，取0.06——0.07。列车最高运行速度时的剩余加速度和需要考虑的附加阻力：现一般按《欧洲高速铁路联网高速列车技术条件》，高速列车而在平直道上达到最高运行速度时需留有0.05的剩余加速度，并考虑15km/h的逆风。其他性能要求35•设计目标和已知条件36牵引力功率阻力最高速度•牵引特性曲线设计：关键点：起动牵引力、最高速度、转折点、最大功率37整理已知条件：计算列车整车质量，并找出动车最小轴重，选定惯性系数，启动阻力。•设计步骤求解列车最高运行速度时的牵引力：先计算出最大运行速度的牵引功率，再由牵引力、列车运行速度及牵引功率的关系求解出此时列车牵引力。计算起动牵引力，并分配到每根动车轴上330max[(1)10]()103.6kMMavvpmaxmax3.6/vkFpv03300((1)10)10vqFaMMMg