動車組電氣與控制系統分析

張洪月 蘭宏光 姚凱

【摘要】論文首先介紹了研究動車組電力系統及其控制的原因和目的，闡述了CRH2型動車組電氣系統組成。對動車組的基本建構進行了簡要介紹，并分車箱簡明扼要的給出了各自的特點和功能。

【關鍵詞】動車組； CRH2型動車組； 控制；系統

1動車組發展現狀及CRH2型動車組簡介

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

CRH2，全稱：China Railway Highspeed 2，（國內命名和諧號）動車組為4動4拖8輛編組（其中2、3、6、7號車為動車，1、4、5、8號車為拖車），采用電力牽引交流傳動方式（交——直——交），由2個牽引單元組成（1、2、3、4為一個動力單元，5、6、7、8為一個動力單元），每個牽引單元按兩動一拖構成。動車組具有良好的氣動外形，其載客速度為250km＼h。兩端為司機室，列車正常運行時由前端司機室操縱。如圖1-1

T3車（5號車） M3車（6號車） M4車（7號車） T4車（8號車）

圖1-1 牽引傳動系統布局（T表示拖車，M表示動車）

2 CRH2型動車組電氣牽引系統分析

2.1 牽引單元的電氣設備簡介

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

每列動車組都是由兩組互相對稱的牽引單元組成，它們之間用車頂電纜連接起來。每列動車組的牽引功率為8800kW，再生制動時為8000kW。

一個牽引單元的牽引主電氣設備主要由1個受電弓、1個牽引變壓器、2個牽引變流器、8個牽引電機組成（每個牽引電機帶有一套機械傳動裝置包括齒輪箱、聯軸節）。

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、防雷擊裝置（避雷器）、網段檢測裝置、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量。受電弓在接觸網與車輛之間起電氣接觸作用的高壓設備。受電弓與接觸網之間不允許出現較強的接觸力，受電弓采用的是空氣傳動方式（氣壓傳動）。受電弓按其結構分可分為單臂、雙臂兩種（雙臂受電弓結構對稱、側未定型好，但是結構復雜，調整復雜。單臂受電弓結構簡單，尺寸小，重量輕，容易調整，因而廣泛應用）。

2.3 牽引變壓器及其冷卻系統

變壓器位于動車組4號車和6號車的地板下的單相牽引變壓器，變壓器冷卻裝置在每個變壓器的旁邊。變壓器油箱為鋼結構。冷卻介質是礦物油，冷卻是借助一個循環泵實現的。

變壓器設計在25kV50Hz交流電源電壓下使用，它將一次繞組上的接觸線電壓轉換為四個二次繞組【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測（通過比較外向電流和返回電流，進行差動保護）。

3 列車牽引電機運行及控制系統分析

對列車牽引電機的控制，存在著不同的途徑。概括的說，主要是通過對定子、轉子的磁鏈（電壓）、磁動勢（電流）或者磁場位置（轉矩角）的控制來實現的。

如果對于調速系統的暫態性能沒有特殊的要求，而且電動機長期在穩定轉速下運行，開環控制可以提供滿意的結果。但是對于牽引傳動一類的系統，要求在負載電壓或者供電電壓波動時具有快速響應的動態性能和保持精確地運行能力，必須采用閉環控制的反饋信號。

牽引傳動要求在寬廣的速度范圍中，每個速度點都能提供合適的轉矩值，所以，速度和轉矩是這種系統的被調量，并作為閉環控制的反饋信號。

3.1 列車牽引電機策略分析

交流異步電動機是一個高階、強耦合、非線性的多變量系統。該系統數學模型比較復雜，將其簡化成單變量線性系統進行控制，動態性能不夠理想，調節器參數很難準確設 。為了實現高動態性能，20世紀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子磁場定向，用矢量變換的方法，實現對交流電動機轉速和磁鏈控制的完全解耦，達到與直流電動機一樣的調速性能 。異步電機矢量控制調速系統經過30年的發展，其控制方法已趨于成熟。在實現異步電機矢量控制調速的要求時，往往需借助仿真，通過仿真可使調速系統調試更方便，并能更快的實現控制。

對于傳動系統的性能來說，重要的是選擇合適的控制方法。對于鐵路牽引用的變頻傳動系統，制定控制策略的出發點可以概括為3點：

第一，通過對變流器輸出的適當控制，使電動機在零速度達到基速的這個范圍內，接近恒定磁通工作狀態，而在基速以上的范圍內，以一個固定的端電壓工作。

無論控制結構如何復雜，或采取什么樣的反饋環和反饋量，功率變流器只有兩個控制變量，即電壓和頻率。

3.2 牽引變流器與牽引電機的參數匹配

要使高速列車交流傳動系統的優越性得到最大限度的發揮必須合理的匹配變流器和牽引電機，在進行牽引傳動系統設計時不僅要考慮啟動力矩、最大功率，還必須考慮變流器和電機的質量、外形尺寸。在滿足一定的運行條件的前提下，列車的牽引特性應盡可能與牽引變流器、牽引電機一起考慮，以便選擇合適的容量匹配，使系統整體性能參數最佳、費用最低。

列車牽引特性一般分為兩個區段：即從 的恒牽引力（恒力矩）區，以及 的恒功率區。在恒力矩區，要求逆變器的輸出保持 ， ，啟動時適當提高 和 ， 兩種不同的控制策略。因此，不同的運行工況、不同的控制策略對牽引變流器和牽引電機的要求均有差異，變流器與電機的容量有許多不同的組合。根據應用要求，使系統整體性能最佳、費用最低是選擇變流器與電機容量的優化目標。

綜上所述，對于CRH2型動車組而言，由于大功率電力電子器件價格昂貴、變流器的費用較高。所以采用了第一種方案進行系統的匹配優化設計。

參考文獻：

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