CRH1A動車組牽引系統參數計算與分析

盧衍偉

CRH1A動車組牽引系統參數計算與分析

盧衍偉

（中車四方車輛有限公司產品開發部，266111，青島//工程師）

介紹了CRH1A動車組牽引系統的基本結構，根據整車性能的基本指標對牽引系統的參數匹配進行分析和計算；通過對整車進行牽引計算確定牽引電機的輪周牽引功率，進而對牽引變流器、牽引變壓器、網側變流器的參數進行計算。驗證了CRH1A型動車組牽引系統滿足總體技術指標。關鍵詞 CRH1A動車組；牽引系統；參數計算

Calculation and Analysis of the Traction System Parameters of CRH1A EMU

LU Yanwei

AbstractThe fundamental structure of CRH1A EMU traction system is introduced.According to the main performances of EMU，parameters of the traction system are analyzed and calculated.Then,through traction calculation of the whole train，the traction power at the wheel rim is confirmed，parameters of the motor converter，traction transformer and grid-side converter are expounded.Finally，the traction system of CRH1A EMU is proved in terms of the general technical indicators.

Key wordsCRH1A EMU； traction system； parameter calculation

Author′s addressProduct Development Department，CRRC SIFANG Co.，Ltd.，266111，Qingdao，China

CRH1A動車組以在丹麥及瑞典已運營五年的Regina動車組為原型，其設計冗余較大。本文根據動車組頂層技術指標從牽引功率、牽引力、起動牽引力、牽引電機轉速與車速、牽引系統部件參數等對牽引系統的參數匹配進行分析和計算。

1 CRH1A動車組概況

1.1 整車性能指標

CRH1A是鐵道部為進行中國鐵路第六次大提速向青島四方龐巴迪鐵路運輸設備有限公司訂購的電力動車組車款之一。按照技術要求和系統分析，整車基本性能指標如表1所示［1］。

表1 CRH1A動車組性能指標

1.2 CRH1A牽引系統組成

CRH1A動車組為5動3拖（5M3T）編組的交－直－交動力分散型交流傳動電動車組，其運營速度為200 km/h，試驗速度為250 km/h。動車組編組包含圖1所示4種類型的車輛［1］：

圖1 CRH1A動車組編組

CRH1A動車組牽引系統通過3個主變壓器從高壓母線上取電，供給3個基本動力單元（TBU）。TBU1和TBU2各由2個網側變流器模塊（LCM）、4個牽引變流器模塊（MCM）和2個輔助變流器模塊（ACM）組成。TBU1和TBU2的主要傳動框圖如2所示。TBU3由1個LCM、2個MCM和1個ACM組成。TBU3主傳動框圖如3所示。3個TBU的部件參數一致。

由圖2、圖3可見，1個LCM、2個MCM和1個ACM可組成1個變流器模塊。每個動車轉向架有2個軸，且每軸1個牽引電動機。1個MCM給1個轉向架上的2臺牽引電機并聯供電；當1個變流器模塊發生故障時，可自動切斷，而動車組仍繼續運行。

圖2 TBU1和TBU2的主傳動框圖

圖3 TBU3的主傳動框圖

首先，受電弓從接觸網授流單相25 kV/50 Hz高壓交流電，并通過牽引變壓器變壓為單相900 V/50 Hz交流電；然后，兩重四象限LCM將降壓后的交流電整流為DC 1 650 V直流環節中間電壓；最后，MCM將中間直流電壓變流為頻率可變、電壓可調的三相交流電以對牽引電機進行調速。

再生制動時，牽引變流器通過控制牽引電機轉差頻率的變化，將牽引電機變為發電機運行。此時，牽引變流器先將再生發電電能整流為中間直流環節電壓，再通過兩重四象限LCM將直流再生電能逆變為25 kV/50 Hz交流電回饋至接觸網，從而實現再生制動。

2 牽引特性分析計算

根據總體技術指標對整車性能的要求，首先，可根據動車組以最高速度運行時的剩余加速度來確定動車組的牽引總功率；之后，根據動車組起動阻力和起動牽引力來確定動車組的起動加速度；然后，根據列車速度為0～50 km/h時對應的最大加速度來確定牽引力；最后，將牽引電機功率逐漸增大到額定功率后，使動車組恒功率運行。

2.1 牽引功率計算

根據文獻［1］，當1臺LCM發生故障（20%動力損失）時，滿載的動車組應仍能按最大運行速度（200 km/h）運行。

動車組牽引功率P主要與動車組運行最高速度、動車組質量，以及最高速度時的動車組運行阻力和剩余加速度、齒輪傳動效率、牽引電機效率、逆風速度等有關［2］。考慮20%動力損失，P計算式為：

式中：

M——動車組質量，取895 t；

Δa——剩余加速度，取0.1 m/s2；

Δv——逆風速度，取15 km/h；

vmax——動車組最大運行速度，取200 km/h；

ηG——齒輪傳動效率，取0.975；

ηi——牽引電機效率，取0.94；

w0——單位基本阻力，N/t；

經計算P=5 312.144 kW。

2.2 牽引電機額定功率

動車組有5輛動車，共配置20臺牽引電機。每臺牽引電機功率PM=P/20=265 kW。

牽引功率還與最大坡道上的最低運行速度、故障運行動力損失、超員等因素有關。經計算，系統最大牽引功率為5 500 kW，每臺牽引電機最大輸出功率為275 kW。

2.3 阻力計算

動車組起動過程（一般起動速度小于2.5 km/h）中基本阻力的變化規律比較復雜，應單獨予以考慮。起動過程可視為阻力不變的過程，則根據試驗，單位起動阻力 wq為［6］：

其中，e為自然底數。

起動過程結束后，動車組w0=5.2+0.025 2 v+0.000 677 v2（N/t）。

根據wq及 w0， 坡道坡度i為0‰、10‰和20‰時的動車組阻力特性曲線如圖4所示。其中，單位坡道附加阻力wi=1 000 i（N/kN）。

2.4 起動牽引力計算

根據要求，滿員動車組在水平軌道上起動并運行至50 km/h時的最大加速度為0.6 m/s2。按照動車組速度為50 km/h時對應的加速度為0.6 m/s2，計算恒力矩起動牽引力。則動車組輪周牽引力F輪為［3］：

式中：

a——最大加速度；

γ——動車組慣性系數。

圖4 CRH1A動車組阻力特性曲線

圖5 CRH1A動車組黏著特性曲線

經計算，F輪=320 kN。動車組黏著牽引力大于最大起動牽引力，故動車組黏著特性如圖5所示。

2.5 起動加速度計算

動車組起動時要克服起動阻力，從而獲得起動加速度。起動加速度為：

2.6 牽引及制動特性曲線

圖6 牽引和制動特性曲線

繪制牽引及制動特性曲線如圖6所示。當動車組以320 kN恒定牽引力加速至50 km/h時，牽引總功率P50=4 445 kW；按50 km/h車速時的牽引力（320 kN）為基點，當車速下降到110 km/h時，對應的牽引力降至180 kN，其間牽引功率不斷上升，直至動車組進入5 500 kW恒功功率運行區。當動車組再生制動時，電機在制動工況下的總功率為5 500 kW；當動車組制動減速至60 km/h時，電機進入320 kN恒力矩制動階段。此時，制動功率比牽引功率高。當牽引電機制動，動車組減速至10 km/h時，電機再生制動的能量消耗在牽引系統中，不能有效地回饋電網。此時，制動模式自動切換到空氣制動。

3 牽引系統主要部件參數

3.1 牽引電機參數

動車組起動牽引力為320 kN，則每臺牽引電機的輪周牽引力FM=F輪/20=16 kN。牽引電機最大起動力矩為：

式中：

D——車輪輪徑，半磨耗時取875 mm；

i——齒輪傳動比，取3.71。

計算可得TM=1 986 Nm。假設車輪均為新輪，則當動車組以最高速度Vmax=250 km/h運行時，對應的牽引電機轉速n=i=5 380 r/min，取5 390 r/min。

牽引電機最高工作電壓為變流器模塊中間直流環節經牽引變流器逆變的電壓值。中間直流額定電壓為1 650 V，最高直流電壓UDC為1 800 V。由此確定牽引電機額定工作電壓U=1 287 V。

三相異步牽引電機功率P的計算公式為：

故牽引電機額定電流I的計算公式為：

式中：

cosφ——功率因數，取0.80；

η——電機效率，取0.94。

可求得I=158 A。

3.2 變流器模塊參數

3.2.1 變流器模塊功率

每個變流器模塊包括1臺LCM、2臺MCM和1臺ACM。每臺MCM驅動2臺牽引電機，并通過牽引控制系統控制牽引電機的牽引和再生制動。根據牽引電機額定功率和中間直流電壓，可求得MCM的功率PMCM=570 kW。

每臺ACM的功率PACM=120 kW，功率因數cosφ≥0.83；1個LCM模塊的輸出總功率PMCM=1 311 kW；LCM輸入總功率為PLCM，輸入=1 345 kW。

3.2.2 變流器模塊中間直流電壓

1個理想的LCM需為直流側提供平穩的直流電壓；同時，只從交流電網吸取有功功率。LCM應盡量提高功率因數，降低諧波及電能傳輸中的損耗，減少電磁干擾，為此可在牽引變壓器側配置網側諧波濾波器。LCM在使用中應為直流側提供平直的直流電壓，且使交流網側保持接近于1的功率因數。為使變流器網側電流的等效干擾電流為最小，采用兩重兩電平四象網側變流器，并將2個全控橋并聯以向直流環節供電。功率元器件IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的電壓等級為3 300 V（1 200 A），中間直流環節電壓 UDC應滿足［5］：

3 300 V≥（k1×UDC+ΔV）×k2式中：

k1——過電壓系數，取1.15；

k2——安全系數，取1.2；

ΔV——電壓差，由IGBT尖峰電壓特性決定，取600 V。

經計算，得到UDC≤1 869 V。對于3 300 V的IGBT來說，直流整流電壓值為1 500～2 000 V。最終確定中間直流環節額定電壓為DC 1 650 V（牽引工況），最高為1 800 V（制動工況），額定電流值為795 A。

3.2.3 網側變流器輸入電壓

脈沖整流器的交流輸入電壓UN，max即（牽引變壓器牽引繞組電壓）與中間直流電壓、開關頻率、開通時間、關斷時間、短路阻抗的標幺值等有關。有：

式中：

Ud——中間直流環節電壓，即網壓；

UN，max——網側變流器輸入電壓；

mmax——調制比，取0.81；

k——標幺值，取0.3。

經計算，網壓為 25 kV 時，UN，max=900 V；網壓為22.5 kV 時，UN，max=810 V。

3.3 牽引變壓器參數

牽引變壓器初級繞組為牽引供電接觸網，網壓25 kV，額定頻率為50 Hz；牽引繞組額定電壓為900 V，額定頻率為50 Hz，繞組為4組［1］。牽引變壓器負載為2個變流器模塊。牽引變壓器效率ηTR=0.965，結合變流器的輸出功率，即可得到牽引變壓器的牽引輸入容量PT=2×PLCM輸入×ηTR=2 596 kVA。

牽引變壓器側網側諧波濾波器繞組額定電壓為1 000 V，額定電流為158 A。

4 牽引特性分析與驗證

根據上述分析，CRH1A特性曲線如圖7所示。當動車組在0～50 km/h的速度范圍內行駛時，以恒力320 kN進行牽引；當速度達到50 km/h后，功率逐漸從4 445 kW增加至5 500 kW（額定功率），此后動車組進入恒功率調速運行階段；動車組加速度曲線滿足0～50 km/h車速對應的最大加速度為0.6 m/s2及200 km/h車速（剩余加速度為0.162 m/s2）對應的剩余加速度≥0.1 m/s2的要求。當試驗列車最高速度為250 km/h時的剩余加速度為0.106 m/s2（小于0.05 m/s2），也滿足要求。

牽引電機調速控制采用矢量控制策略，從零頻一直到基頻，電機的電壓頻率比為常數；當定子頻率超過基頻時，牽引電機電壓提高到最大值（1 680 V）后，電機電壓保持基本不變。制動時，優先使用再生制動；以空氣制動對再生制動力不足的部分進行補償；當速度低于某一定值時，全部使用空氣制動。

牽引系統裝車后必須在實際線路上進行運行試驗，以檢驗牽引系統性能及與整車的匹配特性。2006年9月，第1列CRH1A動車組出廠后由鐵道部產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站對整車進行型式試驗。2006年9月至12月間先后在北京環型鐵路試驗場、遂渝鐵路、京滬鐵路、膠濟鐵路、隴海鐵路和廣深鐵路等地進行試驗。在此期間主要完成了起動加速性能試驗、速度控制試驗、牽引能力試驗、電制動特性試驗、運行阻力試驗、防滑防空轉試驗、動力損失試驗、剩余加速度測試、牽引功率測試、動車組過分相試驗、網壓波動試驗、速度控制試驗。試驗測試結果滿足設計要求。

5 結論

圖7 CRH1A特性曲線

為適應我國國情，CRH1A在原型車Regina基礎上做了改進設計，根據動車組的運行環境和系統的部件參數，充分考慮了動車組設計的安全性和可靠性。通過計算和分析，牽引系統設計時充分考慮了冗余，能滿足動車組頂層技術指標。

在實際運用中，CRH1A型動車組的最大運行速度通過微機控制系統軟件進行鎖定限速；初期最高運行速度為205 km/h，后期大部分動車組的運行限速放寬至220 km/h。線路的長時間運營驗證了牽引系統良好的牽引性能和系統部件工作的穩定性。

［1］張曙光. CRH1型動車組［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［2］宋雷鳴，楊中平.動車組傳動與控制［M］.北京：中國鐵道出版社，2009：34-36.

［3］王鳳臣，任良杼，丁菊霞.電力機車牽引計算［M］.成都：西南交通大學出版社，2010.

［4］沈本蔭，姬惠剛.牽引電機［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［5］江靖.新一代高速動車組牽引系統參數匹配設計與研究［J］.機車電傳動，2011（3）：9-12.

［6］彭俊彬. 動車組牽引與制動［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

十天4起，印度火車為何總脫軌

據《今日印度》網站29日報道，印度一列從那格浦爾開往孟買的火車當日早晨在行至印度西部時脫軌，截至目前尚無傷亡報告。這是印度近10天發生的第4起火車脫軌事故。19日，一輛從印度東部奧里薩邦普瑞市開往北部圣城哈里多瓦的14節編組火車脫軌，造成23人死亡，156人受傷。23日和25日，該國也相繼發生兩起列車脫軌事故，多人因此受傷。因頻繁發生的脫軌事故，印度鐵道部部長普拉布以及印度鐵路委員會主席米塔爾已經辭職。

據了解，印度鐵路網是世界上最大的鐵路網絡之一，從北向南穿越整個國家，日均載客超過2 300萬人次。但與此同時，印度也是世界上火車事故最嚴重的國家之一。為何印度火車總脫軌？

《印度斯坦時報》援引印度鐵路技術部門負責人維亞斯的話報道稱，印度鐵路狀況很糟糕，信號燈指示系統已經過時，鐵路技術遠遠跟不上時代需求。該報稱，每年印度鐵路需要維修的軌道約為4 500 km，但實際上完成的只有2 000 km。印度鐵路理事會前理事賈魯哈爾認為，“近年來印度一直增加列車數量，忽略了維修的重要性，印度鐵路必須回歸根本，嚴格遵守操作指南。此外，為確保安全，還需要投入資金，采用新技術，更新淘汰老舊設備。”

（摘自2017年8月30日環球網，記者 易簡 甄翔報道）

TM922.3：U266.2

10.16037/j.1007-869x.2017.09.021

2015-11-20）