牵引与制动曲线设计

牵引与制动曲线设计方法2008年11月17日2008-11-141主要内容1.牵引传动系统的组成2.列车运行性能3.为什么要学习性能曲线设计4.牵引性能曲线设计实例

2008-11-142接负载DC/AC25kV，50HzAC/DC交流牵引电机电力电子变流器基于DSP的控制系统1、电机和变压器变压器2、交流传动控制1.列车牵引电传动系统的构成2008-11-143电力牵引交流传动系统2008-11-144接触网高压电器中间直流环节脉冲整流器牵引变压器牵引逆变器齿轮传动牵引电机轮对能量变换与传递途径示意图

2008-11-1452.列车运行性能2.1 牵引性能速度与牵引力动轮周牵引力与输出功率的关系2008-11-1462008-11-147牵引性能曲线2008-11-148高速列车牵引性能曲线牵引力的速度特性运行阻力10‰坡道平坦線速度牵引力2008-11-1492.2列车阻力

（1）起动阻力3kgf/t或29N/t

（2）运行阻力：车轴与轴承的摩擦阻力、轮轨之间的摩擦阻力、与速度的平方成正比的运行空气阻力（3）坡道阻力（4）曲线阻力（5）隧道阻力:现象复杂，定量把握难，日本隧道单线：19.6N/t；复线：9.8N/t。2008-11-14102.3制动性能00,20,40,60,811,2050100150200250300[km/h][m/s2]1A123456781B电制动特性曲线23456781ACRH3的制动性能曲线2008-11-1411500系新干线列车制动性能曲线2008-11-14123.为什么要学习车辆性能设计？它和电机设计、变流器设计密切相关也和电机特性、变流器特性密切相关是车辆电传动系统讨论的基础终端用户最好能设计车辆性能，至少应十分熟悉车辆性能曲线2008-11-1413电传动系统设计顺序用户要求设计车辆性能曲线仿真验证设计车辆性能能否满足要求（加速度，旅行速度，列车能否实施救援等等）具体设计电动机、变流器，并根据需要调整车辆性能曲线制造、联调试验、列车运行试验接受验收2008-11-1414车辆牵引性能计算的主要制约因素牵引电机的最大转矩黏着限制逆变器容量的限制2008-11-14152008-11-14164.车辆性能设计简单实例一般先由用户提出要求：车辆种类、运行线路条件、坡道条件、加速度、最高速度本例从已经确定车辆MT比开始2008-11-1417车辆形式：都市近郊列车MT比：1M2T(Mc-T-Tc）牵引性能曲线设计实例最高速度130km/h起动加速度2.5km/h/s最大坡道3.5%2008-11-1418车辆质量和定员McTTc空车质量41t28t32t定员140人150人140人最大乘车率200%200%200%2008-11-1419McTTc合计空车质量41t28t32t101t定员140人150人140人430人最大乘车率200％200％200％200％乘客质量15.4t16.5t15.4t47.3t载客车辆质量56.4t44.5t47.4t148.3t惯性质量4.1t1.4t1.6t7.1t等效质量60.5t45.9t49.0t155.4t2008-11-1420起动牵引力和黏着系数惯性质量乘客质量起动牵引力的计算式的推导期待黏着系数2008-11-14214.1起动牵引力与粘着系数的计算一般，各动车下面有4台牵引电机关注每台牵引电机承担的轮周牵引力2008-11-14221.起动牵引力与粘着系数的计算其中，动车质量(t)乘客质量(t)起动阻力(kgf/t)拖车质量(t)起动加速度(km/h/s)坡道值2008-11-14231.起动牵引力与粘着系数的计算每台牵引电机需要输出的牵引力：期待粘着系数：动力分散方式期待粘着：牵引20%~21%以下，制动16%~17%轴重：14.1t2008-11-14242.部分动力损失时的性能验算假定该列车采用轴控，当1台MM（MainMotor）Cutout时，在最大坡道3.5%上能以加速度0.3km/h/s起动？（轴控：1C1M）2008-11-14254.2部分动力损失时的性能验算所以单台电机需要的牵引力在故障条件下，假设用正常运行时的牵引力来牵引，则起动加速度为：2008-11-14264.3特性区间的设定车辆高速性能设计的基本考虑方法列车在最高速运行时必须保证足够的加速余力，三种基本设定方法是：在平直道上列车以最高速度运行时有加速度a(km/h/s)的加速余力列车的最高速度在θ‰的坡道上运行时，列车牵引力与运行阴力平衡列车在平直道上运行，牵引力与列车运行阻力在高于最高速度的某一速度点平衡1.2.3.2008-11-1427本例以最高速度130km/h运行，在3‰的坡道上，有0.2km/h/s的加速余力来计算：其中，R为列车运行阻力：2008-11-1428日本JIS的运行阻力公式隧道外：R=(1.65+0.0247V)·WM+(0.78+0.0028V)·WT+(0.028+0.0078(n-1))V2(kgf)隧道内：R=(1.65+0.0247V)·WM+(0.78+0.0028V)·WT+(0.0777+0.0134n)V2(kgf)n:编组车辆数2008-11-14294.4恒功区间的设定恒功区间的设定依据牵引电机的温升逆变器的容量和既有车辆的牵引传动系统比较2008-11-1430恒功区间的计算A.假定选用现有的220kW的电机，则容许的车轮踏面输出功率Pt：经验总结此值为1.4~1.5B.逆变器输出电流的限制值230A/MM，同时电机的功率因数为0.86,效率为0.92,齿轮效率为0.975,则2008-11-1431C.综合A、B的讨论结果，暂定恒功区间的功率为310kW解方程组，得：2008-11-14324.5牵引电传动系统各装置容量的计算2008-11-14335.牵引电传动系统各装置容量的计算功率因数效率接触网VVVF逆变器ηinv=0.99牵引电机Cosφ＝0.86ηMM=0.92ηGearl=0.975路面输出功率关系式接触网输入功率Ppan=Epan*Ipan=Pinv*cosPhi/ηinv逆变器输出功率Pinv=sqrt(3)Um*Im*电机台数＝Pm-in*电机台数/cosPhi电机输入功率Pmin=Pinv*cosPhi电机输出功率Pmout=Pmin*ηmm踏面输出功率Pt=Pmout*ηgearlPt=TE*V/367.1(kW)装置容量Ppan=1609*0.86/0.99=1398(kW)Ipan=932(A)Pinv=346*4/0.86=1609KVAPmout=318(kW)Pmin=346(kW)Im=211(A)310kW逆变器输出的最大电压=0.78*Upan=0.78*1500V=1170V≈1100V2008-11-14344.6车辆制动性能曲线设计最大电制动力BE1最大电制动力必须得考虑轮轨之间的最大粘着系数的限制，一般城轨交通要求制动时的最大粘着系数应≤17%。2008-11-1435最高速度对应的电制动力可以约设计为最高速度对应的牵引力的2倍：6.车辆制动性能曲线设计高速区域的电制动力由M车产生的电制动力让列车制动减速时，列车的减速度为：2008-11-14364.7车辆性能曲线设计要点与实例性能曲线设计要点V/f一定的终端速度运行最高速度对应的加速余量要全面考虑各种可能出现的故障运行情况最大限制地发挥电制动力注意考察牵引和制动时的期待粘着系数2008-11-14374.8列车运行仿真仿真过程（方法）输入车辆性能曲线、线路条件、列车阻力、接触网电压etc.Simulation启动运行得到距离-速度、距离-时间、电机RMS电流、列车运行能耗、电机温升、旅行速度etc.2008-11-1438用Simulation验证性能曲线是否可行的两种基本方法

a.off-brake运行法特点：1.列车运行时间最短

2.电机RMS电流最大

b.Schedule-time运行法2008-11-1439牵引计算实例——

CRH3动车组6M2T编组牵引特性分析

动车组各车的重量如表1.1所示，列车定员566人，最大轴重为15.3t，最小轴重13.5t。2008-11-1440牵引计算实例——

CRH3动车组6M2T编组牵引特性分析牵引特性分析

阻力公式：R(N)=0.000755mg+120.344v+7.837v^2式中，m为整车定员质量：469200kg，g为加速度9.8m/s/s。按照350km/h的最高运行速度，此时的列车运行阻力计算值为R(350km/h)=89.2kN

（不考虑逆风）或R(350km/h)＝96.2kN（考虑了15km/h的逆风）当列车运行至380km/h时不考虑逆风的运行阻力为：R(380km/h)=103.5kN2008-11-1441牵引计算实例——

CRH3动车组6M2T编组牵引特性分析按照优化方案中牵引电机功率达到587kW的要求，踏面输出的牵引功率为Pt=1.4*587=821.8kW≈820kW仍然按照优化方案要求，若取齿轮传动效率0.975，牵引电机效率0.94，变流器功率提高到2480kW，则Pt=2480*0.95*0.975/4=574.28kW故取恒功区间踏面功率为574kW。2008-11-1442牵引计算实例——

CRH3动车组6M2T编组牵引特性分析当列车运行至350km/h时，输出的牵引力为F(350)=5.9kN当列车运行至380km/h时，输出的牵引力为F(380)=5.4kN按照优化方案的要求，在空气阻力减小20%的情况下，当列车运行在350km/h时在平直道上的剩余加速余力为0.1m/s/s，完全符合设计要求。按照相同的要求，当列车运行速度在380km/h时在平直道上的剩余加速余力为0.05m/s/s。2008-11-1443牵引计算实例——

CRH3动车组6M2T编组牵引特性分析起动牵引力TE=28.33*(1.1Wm+1.05Wt+Wl)*a+(r+sita)(Wm+Wt+Wl)469.2按照起动加速度0.6m/s/s，代入相应质量，得