城轨车辆电力牵引系统优化设计

1、城轨车辆电力牵引系统优化设计摘要城市轨道交通车辆牵引传动系统是车身和车辆的核心，是车辆国产化的重点和难点。本文分析了城市轨道车辆独特的轮轨粘着特性和牵引电机负载特性，全面、准确地建立了城市轨道车辆的牵引传动系统模型，深入研究了牵引电机的再粘着优化控制和并联控制策略，旨在为城市轨道车辆的设计提供理论依据。牵引电力传动系统设计中的核心问题，如车辆牵引制动特性曲线的设计、变频器和牵引电机的合理性等。提出了牵引电机的匹配和额定转差率设计，并提出了相应的优化设计方法。设计了一种节能型城市轨道交通列车，总结了城市轨道交通车辆牵引制动特性曲线的设计方法。在不降低列车动态性能的前提下，牵引控制充分利用车辆电制

2、动的再生电能，减少闸瓦磨损和二次能耗。技术经济分析结果表明，车辆制动特性曲线的优化可以达到节能降噪的目的。关键词：城轨；牵引系统；优化设计 第1章绪论1.1设计背景自本世纪初以来，随着我国现代化和社会经济的快速发展，现代城市人口大幅增加，面积不断扩大。城市交通拥堵问题日益突出。交通事故、噪声和空气污染已经影响到人们的工作和生活。轨道交通在优化城市空间结构、缓解城市交通拥堵、保护环境等方面发挥着积极作用。走新型城镇化道路日益成为我国的重要战略举措。随着我国城市化进程的加快，城市交通需求急剧增长，城市轨道交通进入了快速发展的时期。城市轨道交通作为城市快速轨道交通的一种工具，以其容量大、速度快安全、

3、舒适、乘坐方便、环境污染小、占地面积小等优点受到越来越多城市的青睐车辆是城市轨道交通的主要载体。随着科学技术的飞速发展，高性能交流传动系统牵引传动系统在城市轨道交通车辆中得到了广泛的应用。据统计，欧洲、美国日本等地铁技术强国，20世纪以来，城市轨道交通车辆的设计均采用交流传动装置或交流传动装置，大大提高了城市轨道交通车辆在牵引和制动方面的动态性能。城市轨道车辆对牵引传动系统的安全性、可靠性和稳定性要求很高。由于各种历史原因，我国城市轨道交通交流输电系统的研究起步较晚。我国最早的交流输电城市轨道列车是从整车上进口的。但是，大量引进国外的转炉产品，不仅对我国轨道交通产业的发展有很大的危害。城市轨道

4、交通车辆的一般城市轨道电气设备的使用寿命因年度运营、维护和维护费用而增加。此外，城市轨道交通车辆的运行条件与干线上的高速动车组有很大的不同。城市轨道交通车辆以移动和拖车的固定编组方式运行，车站间距短，停车站数量多，区间运行时间短。它要求列车具有优越的动力性能、较强的短时过载能力和间歇工作能力，而大型铁路的动力配置则注重城市间长距离恒速、恒功率的稳定运行。因此，城市轨道交通不能作为大型铁路的牵引力配置，有利于城市轨道交通的建设。建设投资、列车使用寿命和降低运营成本具有重要影响。无论是城市轨道列车还是干线铁路，其动态性能都取决于牵引传动系统。然而，城市轨道交通车辆独特的运行特性决定了其牵引传动系统

5、的设计，可供干线高速动车组参考，但不能完全复制。设计目的及意义城市轨道交通车辆牵引传动系统是车身和车辆的关键技术之一，是车辆国产化的关键和难点。此次的优化设计目的就是为了能够给我过城市轨道交通的发展带来新的思路。长期依赖进口不是一个长期计划。必须吸收引进、消化、吸收的宝贵经验，掌握自主设计的城市轨道交通牵引传动系统的核心技术，拥有完整的自主知识产权。设计内容与方法此次的设计主要是通过对城轨电力系统的结构、组成进行了介绍，并从其运行方式出发，发现其主要存在的问题和运行中不合理的地方。通过自己的专业知识和文献总结，并结合自己的实习经历提出自己的优化建议。第2章城轨车辆电力牵引系统概述城轨车辆电力牵

6、引系统7KCD2疣呎变沆器牟肿机VWF受电弓HSCR牵引控制慕统I图1城轨动车牵引传动系统基本组成框图城市轨道机动车辆牵引电力传动系统的基本框图由三部分组成：牵引变流器、牵引电机和牵引控制系统。在电路原理和组成上，城市轨道车辆牵引传动系统并不复杂，但在工作原理、控制技术和整体匹配方面，设计非常困难，特别是综合性能较好、综合成本较高的系统。总结牵引系统的难点与核心技术有三个、“牵引电传动系统模型”、“牵引变流器控制”、“牵引系统设计与优化”。牵引电传动城市轨道车辆牵引传动系统是一个复杂的非线性多输入多输出参数耦合系统。对于城市轨道交通牵引系统，需要建立一个完善的系统模型，对牵引控制策略和牵引传动

7、的动态特性进行仿真研究，这必然是国外变频器制造商的核心技术之一。长期以来，城市轨道交通设备一直依赖进口。为了摆脱城市轨道牵引传动系统国产化的制约，掌握城市轨道牵引传动系统国产化的核心技术，必须对牵引传动系统进行精确建模，深入研究牵引电机的控制策略和牵引控制特性。图2牵引模型及程序系统框图牵引变流器城市轨道交通列车牵引控制系统为分级控制，如图3所示。主要分为两级列车车辆级和变速器控制级。前者主要完成列车牵引控制指令和状态的发布和传输、车辆级故障诊断和网络通信，后者主要完成逆变器和牵引电机的实时控制、粘着控制和制动斩波控制。mt3举引变流滞控制系统(DCIF)/转向架牯着拧制I.列车尺年辆级控制电

8、机转速m电机转矩TII.传渤级控制列车网络控制U诊断肛兄(vcu或cin同机控制器及各指令开关奄引电机控制图3粘着控制在机车牵引控制系统中的位置其主要功能是通过采集、分析和处理线路不确定情况下的电机转速、电机转矩等信息，结合司机给出的电机转矩指令，给牵引电机控制系统提供合适的电机转矩，使机车能与当前线路的最大粘着系数，从而获得最大粘着利用率。牵引控制的另一个难点是牵引电机在框架控制模式下的并联控制策略。由于动轴轮径差和牵引电机参数差的必然性，必然导致同一转向架下由同一台变频器驱动的两台并联电机之间的转矩不平衡。考虑到车辆维修的工作量和维修费用，由于轮对轮径的差异，城市轨道交通运营维护部门无法定

9、期对轮。在这种情况下，如果并联电机控制不当，电机之间的不平衡力矩将长期存在，不仅会降低电机的寿命，加速老化，还会影响整车的粘着利用，导致大电机的轴轮空转或打滑。定位输出扭矩从而降低车辆的动态性能。轮轨车辆在城市轨道等牵引控制领域中，粘着利用、防滑、防空转一直是不可避免的问题。附着系数随轨道表面条件变化很大，如湿度、树叶、油污染、轴荷变化等。所有这些都会导致车轮和轨道之间可用附着力的急剧下降。目前，国内部分城市轨道交通和城市轨道交通线路，如北京、广州等都是露天建设，这是不可避免的。受雨雪等自然条件的影响，造成城市轨道列车空转、打滑，影响乘客的舒适度容易造成轮轨磨损。城市轨道交通车站之间的距离较短

10、，需要列车频繁的牵引和制动，停车精度要求较高。如果列车在运行过程中处于空转或滑行状态，不能得到有效的保护，不仅会对车辆本身造成很大的伤害，如车轮摩擦，而且不可避免地会影响列车的停车精度，并可能造成列车运行的延误，对城市轨道运行产生较大的影响。从上述控制过程中不难看出，传统的防滑防滑方法通过在发生打滑后迅速减小牵引力来防止情况恶化，并在长时间内逐步装配牵引力矩，难以实现。优化的再粘着利用，直接影响列车的加减速性能，甚至造成列车运行的延误。转矩不平衡的影响因素及危害异步牵引电机转矩-转差特性曲线。同一转向架上两台电机的轮径分别为和，电机转速为和。那么假设。从电机特性曲线可以看出，在牵引条件下，电机

11、的转差率小于电机的转差率。同时，电机的稳定工作点留有，制动时电机的电磁转矩小于电机的电磁转矩。机车在空转或牵引制动轻载运行时，转子频率接近定子频率，电机转速接近同步速度。电动机的稳定工作点在图1中中心轴和横轴的交点附近。由于电机轮直径偏差，可能出现高速电机已进入再生状态，低速电机仍处于牵引状态，出现正、负载状态下工作，特别是在制动状态下，处于恒功率运行和高速制动运行阶段。根据大量城市轨道交通列车牵引和制动特性曲线的统计计算，牵引条件下的实际恒功率为牵引电机额定功率的1.2八-1.5倍,制动条件下的短期功率为电机额定功率的1.7-2.4倍。如果不平衡力矩引起的功率过载更严重。此外,城市轨道交通“

12、架设”并联电机的不平衡转矩很容易造成输出转矩大的电机轴空转/打滑。虽然再附着优化控制算法可以保证最容易空转/打滑的车轴最大限度地提高电流附着,但由于扭矩不平衡,另一台电机的实际输出扭矩很小,导致转向架整体平均附着利用率较低,影响动态性能。车辆的安全性。城市轨道同一转向架上的两台牵引电机通常是人工选择的,以保证基本参数的一致性。因此,本文的并联电机控制只考虑了轮径差的影响。由于异步电动机的硬转矩特性,滑差对同一逆变器供电的并联牵引电动机的负荷分配也有很大的影响。第3章城轨车辆电力系统存在问题车辆制动安全裕量小问题牵引传动系统是1台逆变器拖动4台牵引电机，逆变器每个桥臂上IGBT的容量为1200A

13、/3300V,1124A的峰值电流数值相比于1200A的工GBT来说，基本无电流裕量”可言。从城轨公司车辆运营中心现场维护人员那里了解到,城轨号线牵引变流器在实际运营过程中,多次出现散热器过热保护、损坏等故障,影响城轨牵引传动系统的正常工作,原因是号线牵引变流器的设计容量与实际使用容量之间的安全裕量太小。城轨牵引变流器与牵引电机匹配问题城轨牵引变流器与牵引电机的容量匹配与优化却是一个全新的课题,这是因为目前国内城轨车辆大多为进口,真正完全国产化、具有自主知识产权的城轨列车屈指可数,很少有文献能够系统、深入地研究城轨等城市轨道交通牵引传动系统匹配问题。虽然在大铁路领域,已有研发国产交流传动电力机

14、车的成功经验,但城轨毕竟不同于大铁路,其灵活、便捷以及独特的负载特性,决定了它具有独特的变流器与牵引电机匹配设计方法。城市轨道车辆牵引/制动特性曲线的设计方法不同于干线/高速电力机车。城市轨道交通车辆的运行特点是车站间距短、行驶速度快。城市轨道交通车站之间的距离约为0.8-1.8公里，需要经常启动、制动和停车。每个车站也需要大约30秒的停车时间。因此，牵引参数的选择非常重要，需要制定合理、优化的车辆牵引/制动特性曲线。但是，在城市轨道交通车辆的牵引参数中，起动加速度的选择直接影响轴功率和行驶速度。结果表明，当启动加速度大于0.9m/sz时，随着启动加速度的增大，运行时间缩短，影响越来越大，而轴

15、功率仍呈指数级增加。1999年，中国颁布了城市快速轨道交通工程建设标准（试行）。规定最大运行速度大于或等于80km/h的城市轨道车辆的起动平均加速度应大于或等于0.9m/s2。其目的是保证城市快速轨道交通车辆具有较大的启动能力，同时保证在较短的时间内最大运行速度能够得到加速。因此，广州城轨车辆要求启动加速度为1.0m/s2，由此计算B点对应的牵引力为404.8kN。由于在电机功率足够大的情况下，车辆启动加速度的大小受启动粘着牵引力限制，因此必须进行可用粘着系数的校核。牵引电机额定参数存在问题城轨牵引电机的电气性能包括功率指标（比如额定功率、牵引峰值功率、制动峰值功率等）、额定电压、额定转速、颠

16、覆转矩等。机械性能一般有外形和安装尺寸限制（如转向架结构及尺寸限制）、转动惯量、材质等。其它性能一般有噪声、振动、绝缘、可靠性、性价比等。牵引电机的额定功率，首先要清楚电机的发热过程。城轨牵引电机通常采用自通风方式，在牵引工况下转速较高，通风量大，散热条件好;而在停站期间，转速和通风量均为零，由于电机与外部热交换条件较差，温升下降较少，考虑设计裕量，应该将电机停站时间的温升下降忽略。对于干线机车或者长距离运行的电动车组的牵引电机，强调的是恒功率调速范围，通常选取牵引特性曲线恒功率区间（如图8中AB段）的某一点对应的工作能力（转矩、转速）定义为电机的额定工作点。而城轨车辆用牵引电机，强调的是电机

17、的过载能力，这是因为城轨站间距短，车辆频繁的起动一制动（加速一减速），牵引传动系统一直工作在瞬变过程中，牵引电机经常运行在过载状态，负载变化强烈，并且是断续工作制。因此，城轨等城市轨道交通车辆用牵引电机的额定工作点及额定参数的选定仅用于电机的功率考核。第4章优化设计交流传动系统是铁路实现高速重载的唯一选择和发展方向。与国外相比，我国传统的城市轨道交通系统由于起步晚、基础工业技术落后、知识产权保护等因素限制的关键部件的市场化采购等原因，尚未形成一个标准化、系列化、完整的产品平台。系统的稳定性和可靠性评估还存在一些不足，难以满足实现技术跨越和现代化战略的迫切需要。因此，为了振兴国家产业，充分掌握自

18、主知识产权，真正实现城市轨道交通车辆牵引传动系统的国产化，优化城市轨道交通牵引传动系统的工程设计尤为重要。车辆制动特性曲线优化设计从车辆运营和维护的角度出发,增加了变流器设计容量,实际上会降低牵引传动系统的故障率,进而提高系统稳定运行的可靠性。本文优化设计的城轨动车牵引变流器同样使用1200A/3300V的工GBT，但是采用架控模式，即1台逆变器拖动同一转向架上的2台牵引电机，在牵引控制上实现高速段的全电气制动（恒转矩拐点速度为80kmlh），尽管制动峰值功率提高了，但是按照上述公式计算制动峰值电流为：1peek=948A,逆变器设计的电流裕量比较大。可带来的好处：将电制动曲线上恒转矩的速度拐

19、点提高至最高速度点,实现城轨列车牵引控制高速段全电气制动,可大大减少整车踏面闸瓦制动施加的频率和时间,显著降低闸瓦和车轮踏面的磨耗,延长闸瓦与车轮的使用寿命,减轻维修维护部门的工作量减少隧道内的粉尘污染,防止高压电器短路降低环控系统因将闸瓦制动产生的热能排出隧道带来的“二次能耗”有效地节约运营成本和维护费用,其经济效益是无法精确计算的。优化的本质实际上是一种“妥协”,通过以上分析,综合考虑牵引变流器成本的增加和城轨运行的节能、环保、降噪、低碳以及系统故障率的下降等因素。城轨牵引变流器与牵引电机匹配优化设计牵引变流器与牵引电机的优化匹配设计是城轨牵引传动领域的核心问题,也是国产化城轨动车牵引传动

20、系统优化设计的重点与难点。为使性能优越的交流传动城轨列车的牵引制动性能得以发挥,必须合理的匹配牵引变流器与牵引电机。通常在设计城市轨道列车时，必须考虑列车的快速启动和制动能力，以及变换器和牵引电机的形状、尺寸和质量，这对城市轨道列车尤为重要。因此，在一定的负荷条件下，列车的牵引和制动特性曲线应尽可能与“变矩器牵引电机”系统相结合，以选择合理的变矩器与牵引电机容量匹配，从而优化车辆的总体性能参数。减少和降低系统成本。城市轨道交通车辆的速度-距离曲线如图6所示。图中OC段为车辆的牵引阶段。OA段对应牵引电机恒转矩启动阶段，AB段对应牵引电机恒功率运行阶段，BE段对应电机自然特性阶段。CD段为车辆空

21、转阶段，DE段为车辆制动阶段。在此基础上,绘制了城市轨道车辆在AW2额定载荷条件下的牵引/制动特性曲线的一般形式，如图7所示。可以看出，确定车辆牵引/制动特性曲线的关键是如何选择四个转弯点（B.C.E.F点）。图6中BC段为牵引特性曲线的恒功率区间段，随着恒功率区间的增大，或者是逆变器、或者是牵引电机的不充分利用的程度都会随之增加【103，电机体积、尺寸、容量也会相应的加大。由于城轨车辆频繁的加减速，牵引电机长期工作在短时过载、重复、断续的状态，不象干线铁路机车那样，有一个长时间恒速运行的速度区间，因此城轨或城轨车辆的牵引特性曲线恒功率阶段一般不会太长（在某些城轨列车牵引特性曲线上甚至看不出来

22、）。对于城轨列车这种特殊应用场合，变流器的极限容量很少得以充分发挥，即变流器很少同时输出最大电流和最高电压。因为城轨列车一般按照VVVF模式恒压频比启动，此时变流器的输出电流最大，而这时的输出电压最低，随着速度的提高，变流器的输出电压也升至最高，即恒力矩启动，保证列车的最大启动加速度。进入恒功率运行阶段，电动机的输出功率达到最大，输出力矩却反而下降，逆变器的输出电压。在考虑牵引电机容量时，如果忽略了牵引电机不同供电电压对绕组绝缘的不同要求，则牵引电机的容量主要取决于电磁场的最大允许转矩和最大速度相同时热场的最大允许损耗。后者主要受供电质量、逆变器的冷却效果以及牵引电机本身选择的绝缘材料的影响。

23、目前一般采用200台牵引电机。因此，牵引电机的发热主要从供电质量和逆变器的冷却两个方面考虑。牵引变流器与牵引电机有三种容量匹配方式:“小逆变器匹配”、“小电机匹配”和“系统匹配”。城轨车辆的牵引电机的牵引/制动特性曲线，表明了牵引电机和传动系统应该具有的工作能力，因此必须满足车辆运行的基本技术参数，比如轴重、最大启动加速度、剩余加速度等。最大启动加速度限定了牵引电机在车辆启动时的最大转矩倍数，而为了保证车辆在高速段仍然具备相当的加速能力，即具有足够的剩余加速度，牵引电机也必须在高速段满足足够的转矩裕量。异步牵引电机的最大功率、额定功率与额定转速取决于车辆的技术参数与牵引制动特性。在设计城轨车辆

24、异步电机时，只考虑满足额定功率是不够的，还必须满足额定点的最大转矩倍数，即转矩裕量。“系统匹配”是介于上述“小逆变器匹配”和“小电机匹配”两种匹配方式之间的折中方案，这种情况下，牵引电机和变流器的设计都不是最佳的，但是却在满足车辆牵引/制动性能的基本前提下，达到整车性能参数的最优。整车性能参数不仅包含了列车的动力性能，而且包含了列车的能耗指标。从之前分析可以看出，牵引变流器和牵引电机之间的匹配是建立在车辆牵引/制动特性曲线的基础上，而车辆牵引/制动特性曲线的设计与列车动力性能和节能降耗紧密相关，如果没有车辆特性曲线的制订，变流器与牵引电机的“系统匹配”根本无从谈起。因此，城轨牵引传动系统应该从

25、整车动力性能最佳、耗能最低的角度出发，制订列车的牵引/制动特性曲线，进而进行牵引变流器与牵引电机“系统匹配”。牵引电机额定参数的优化设计城轨牵引电机的设计是一项系统的、复杂的工程,不同的城轨车辆,其运行参数、结构参数、电机的外形尺寸及电气指标都不尽相同,由于我国城市轨道交通行业的发展还处于起步阶段,与国外同行相比,能够完全自主地进行城轨牵引传动系统设计和系统集成的企业或科研单位寥寥无几,甚至可以说是绝无仅有。这也使得国内牵引电机生产厂家处于十分尴尬的境地,一方面只能完全按照国外同类电机图纸进行加工制造,设计上的稍微改动都要经过外方批准另一方面由于企业自身优势在于电机设计,而非牵引传动及牵引控制

26、,导致优秀的电机产品难以与整个牵引传动系统进行匹配,无法达到整体最优。通常意义上讲，“额定转差率”指的是电机在额定负载、额定功率条件下的转差率，但是，对于城轨牵引电机而言，“额定功率”并无实际意义，它是一个“持续等效定额数值”，只作电机的功率考核用。因此，结合城轨牵引的实际应用，本文所提出的“额定转差率”的概念，即指列车AW2额定载荷、额定电压下，电机在额定速度点处发挥的转差率”，这样更加具有实际应用意义。从牵引电机生产厂家的角度讲，希望电机的额定转差率小些，以提高效率，减少电机损耗发热，同时能够减少电机尺寸，易于通风散热设计。而从牵引控制的角度讲，希望电机的转矩特性“软”些，即额定转差率大些

27、，以减小轮径偏差对并联电机负载转矩不平衡的影响，有利于变流器控制和系统稳定。因此，在城轨牵弓!电机设计时不可过分追求高效能，而必须从系统总体优化的角度考虑电机设计中的各项重要参数。城轨牵引电机一般采用自通风风扇冷却。额定转速作为考核电机的一个重要条件，直接影响电机的温升指标。对于同一风扇，风量与电机转速基本呈线性关系。因此，当计及电机在车辆停站期间的冷却过程时，电机的额定转速基本与车辆的平均旅行速度对应。而由于在停站期间电机和冷却风扇停止运行，散热效果并不明显，因此，当不计及电机在车辆停站期间的冷却过程时，电机的额定转速基本与车辆的技术速度对应。图8车辆速度、转矩随时间变化的曲线城轨车辆的运行

28、特点决定了牵引电机间歇工作、短时过载的状态，因而城轨牵引电机的设计更加注重其过载能力，必须根据城轨列车运行特点、牵引变流器与牵引电机的合理匹配等特殊需要，提出额定点的最大转矩倍数，即颠覆转矩。公司牵引额定参数牵引工况电制动工况功率电流电压峰值功率过载倍数峰值功率过载倍数东芝18011511002881.63331.85ALstom18511611002401.33661.98庞巴迪22013011702651.23831.74西门子19013210502271.24772.4国产20013410602461.235382.69表1牵引电机功率参数对比表从表中可以看出，所设计的牵引电机基本参数，如额定功率、额定电流、额定电压等与国外同类电机的差别不大，但仍有差别，这是因为不同的城轨线路，其线路数据、牵引/制动特性以及车辆性能要求有所不同。国产电机电制动工况下的峰值功率过载倍数高达2.69，这与所设计的车辆制动特性曲线相对应，为保证列车制动减速度恒定，特性曲线要求在列车运行的最高速度点处施加100%电气制动，能量回馈将产生非常高的瞬时制动峰值功率。国产牵引电机各项参数与西门子电机参数接近，这是因为线路数据、车辆动力性能基本相同，这从另一个侧面也证明了所提出的电机额定参数设计方法是正确