第2章 电力牵引传动系统设计基础 主讲人：冯晓云 教授 Email: fengxy@swjtu.edu.cn 西南交通大学电气工程学院 列车控制与牵引传动研究室
国家科技支撑计划 -中国高速列车关键技术研究及装备研制 涵盖了包括高速列车共性基础技术、车体技术、牵引传动与制动、网络控制、牵引供电技术、运输组织方案等铁路系统所有技术领域；应用对象明确，将建立具有自主知识产权、国际竞争力强、时速达350公里及以上、世界最先进的高速列车及配套系统，为京沪高速铁路建设提供强有力的技术和装备保障，使我国高速铁路技术体系达到世界领先水平。该项目经费总预算30亿元，支撑计划专项经费10亿元，是目前为止科技部支撑计划支持的最大项目
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国家科技支撑计划 -- 综合仿真平台
主要内容 2.1列车牵引计算基础 2.2牵引供电系统简介 2.3电力牵引交流传动系统组成与分类 2.4牵引传动系统容量设计与参数计算
2.1 列车牵引控制基础 列车运行过程的数学描述 列车牵引力与制动力 列车阻力 列车牵引特性 粘着控制
1、列车运行过程的数学描述 控制相关因素：牵引供电、行车信号、线路断面、限速、列车编组、列车牵引/制动性能及司机的驾驶经验等 控制目标：安全、正点、高速高密度运行、舒适性、停车精度、能量消耗 控制核心问题：针对不同的运行环境实时的控制列车的牵引力/制动力，达到控制目标 长期以来，在调速传动的生产领域内，大多采用直流电动机传动系统，因为直流电动机的磁场电流和电枢电流可以独立控制，其起动、调速性能和转矩控制特性都比较理想，并容易获得良好的动态响应。但是，直流电动机在结构上存在接触式的机械换向器，它不仅工艺复杂、价格昂贵，而且在运行中很容易产生换向火花和发生环火故障。另外，由于换向问题的存在，要求电动机各换向片之间的电压不能过高，这样，使得直流的设计容量和高速时的利用功率都受到限制。远远不能适应现代生产向高转速、大容量化方向发展的要求。 三相交流电动机，特别是鼠笼型异步电动机，由于其转子上没有机械换向器和没有带绝缘的绕组，不存在换向火花和环火现象等问题，因此，它的结构简单、惯量小、运行可靠，可以以更高的转速运转。但交流电动机调速比较困难，至今绝大部分都是应用在恒速运转的场合。异步电动机调速方法基本上可分为变极调速、变转差调速和变频调速三类。变极调速是有级的，变转差调速不能改变电动机的同步速度，其调速范围有限，同时还存在损耗大、效率低的缺点。变频调速是通过改变电源的供电频率来改变转速以达到调速的目的，在调速范围内无论是低速区还是高速区，都能保持很小转差率，因而具有效率高、调速范围广、调节精度高等优点。
1、列车运行过程的数学描述 以时间为独立变量的运动方程 c v s t 作用于列车上的单位合力（N/kN） 加速度系数 回转质量系数（一般取0.06） 列车能耗(J) 列车单位时间的能耗(kW) 整个行程所用的时间(s) v 列车运行速度(m/s) s 列车行走距离(m) t 列车运行时间(s)
1、列车运行过程的数学描述 推出以距离为变量的运行方程 列车运动方程的一般描述形式
粘着的概念 列车牵引力 2、列车牵引力与制动力 动轮轮轴牵引力fi 列车轮轴牵引力F 动轮与钢轨接触处，由于正压力而出现的保持轮轨接触处相对静止、而不相对滑动的现象 列车牵引力 动轮轮轴牵引力fi 列车轮轴牵引力F 在20世纪30年代，人们已经认识到变频调速是交流电动机一种最理想的调速方法。但是改变供电频率需要一套变频电源。过去采用的旋转变频机组或离子变流器，由于设备笨重庞大，可靠性差，变频调速技术的发展很缓慢，真正投入实际运行的装置很少。
3、列车阻力 分为基本阻力和附加阻力 基本阻力是零部件之间、列车表面与空气之间、车轮与钢轨之间的摩擦和冲击产生的 附加阻力由线路坡道、曲线半径、桥梁隧道等线路条件决定 60年代，随着电力电子技术的发展和变频调速装置的研制成功，交流调速技术重新受到人们的重视，成为电动机调速的发展方向。 70年代中期，在世界范围内出现能源危机，节约能源成为人们关注的问题。许多过去一般不调速的传动装置，如风机、水泵等，为了减少无谓的电能损失，也都采用了调速传动。由此，对交流电动机调速技术的发展起了很大的推动作用。
3、列车阻力 列车阻力通常以单位阻力表示 式中:W0—列车运行基本阻力（N） M—牵引质量（t） v—列车运行速度（km/h） g—重力加速度(m/s2) a、b、c—与机械阻力相关的系数
4、列车牵引特性 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 90年代以来，随着大功率电力电子器件和微电子技术的飞速发展，以及现代控制理论和控制技术的应用，交流传动调速技术取得了突破性的进展，逐步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快以及可作四象限运行等优良的技术性能。 目前，交流传动已经作为一种完全被肯定的系统，正大举进入电气传动调速控制的各个领域。容量从数百瓦的伺服系统到万千瓦级的大功率系统，从工业传动到电力牵引，从单机传动到多机协调运转，调速范围达到1：10万以上，调速精度可达10-4级。许多国家已实现了产品的系列化，而逐步取代直流调速系统。
4、列车牵引特性 牵引功率的计算：与列车运行最高速度、牵引质量、最高速度时的列车运行阻力和剩余加速度等有关 牵引电机的功率为总功率除以列车电机的总台数N
P=F×V F-牛顿 V-米/秒 铁路运输对列车牵引性能的需求 货运列车要求重载，需要较大的牵引力 客运列车要求高速，需要较大的速度 根据功率 因此无论货运重载还是客运高速，都需要较大的牵引功率，才能满足运输要求
列车牵引特性的计算 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 恒牵引力区 准恒牵引力区 90年代以来，随着大功率电力电子器件和微电子技术的飞速发展，以及现代控制理论和控制技术的应用，交流传动调速技术取得了突破性的进展，逐步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快以及可作四象限运行等优良的技术性能。 目前，交流传动已经作为一种完全被肯定的系统，正大举进入电气传动调速控制的各个领域。容量从数百瓦的伺服系统到万千瓦级的大功率系统，从工业传动到电力牵引，从单机传动到多机协调运转，调速范围达到1：10万以上，调速精度可达10-4级。许多国家已实现了产品的系列化，而逐步取代直流调速系统。
列车牵引特性曲线设计步骤 最高速度 牵引力 功率 阻力 1.根据列车起动最大加速度和起动平均加速度的要求确定起动牵引力 2.根据起动牵引力与恒功率曲线，求出其相交点即为恒牵引力、恒功率运行的转折点 3.将机车牵引功率、最大运行速度代入式 求出最高速度时的牵引力。
4、 列车牵引特性 牵引特性的计算： 牵引特性仿真计算 针对相应的线路根据列车运行方程式进行列车运行模拟仿真，得到运行区段的列车速度—距离曲线、运行时分、加速度/减速度—时分曲线、能耗曲线、牵引力曲线、坡道最低运行速度、不同线路坡度的加速距离和制动距离、故障模拟运行结果等牵引计算要求的所有参数与曲线。 牵引特性校验 将牵引特性仿真计算的计算结果与列车牵引运行的技术要求进行对比分析，并进行必要的修正直至完全满足牵引需求，最终设计出列车的牵引/制动特性曲线
4、列车牵引特性 列车牵引特性的特点 低速区牵引力恒定或随速度升高而略有下降，要与高速列车的粘着特性随速度的变化趋势相适应； 高速区为恒功率曲线，牵引力随速度升高而呈双曲线关系下降；这一点与普通内燃、电力机车的恒功牵引特性曲线是相似的；对于最高运行速度300km/h的动车组，恒功范围起始点多在100km/h以上；
4、列车牵引特性 如采用动力分散牵引模式，在正常轨面状态下，起动时及低速范围的牵引力低于粘着限制曲线较多。因此，在动车组的牵引特性曲线图中粘着特性曲线通常是不画出来的； 在动车组的牵引特性曲线上通常不标注最低持续速度，因为在全功率下，即便在20‰以上甚至接近30‰的坡道上，列车的运行速度仍然在恒功区范围内，牵引电机的散热能力在允许范围，换句话说，在正线运行时（坡道12‰）不会出现全功率低速持续运行的工况
4、列车牵引特性 五种动车组的牵引特性曲线
4、列车牵引特性 三种大功率机车的牵引特性曲线
5、粘着控制 粘着系数 与动轮踏面和钢轨表面状态 线路质量 运行速度的高低 列车有关部件的状态 计算公式
5、粘着控制 空转 滑行 牵引时，牵引力大于轮轨间的粘着力，轮轨间发生相对滑动的现象。 制动时，制动力大于轮轨间的粘着力，轮轨间发生相对滑动的现象
5、粘着控制
5、粘着控制 粘着控制的方法 传统方法：在空转和滑行发生后，通过消减电机转矩来实现粘着的利用 现代方法：自动搜索粘着峰值点，并使粘着工作点保持在粘着峰值点，从而能够获得较高的粘着利用率
2.2 牵引供电系统简介 高速铁路牵引供电的特点 满足高速运行的弓网关系； 满足可靠稳定的供电要求； 满足免维护、少检修、抵御自然环境侵害的要求； 动车组自动过分相； 供电能力适应高速度、高密度； 具有综合一体化远程监控能力。
牵引供电、电力、SCADA系统结构示意图 2.2 牵引供电系统简介 牵引供电、电力、SCADA系统结构示意图 AT所 牵引变电所 A 分区所 牵引供电 开闭所 电 力 供 电 地方电源 变配电所 车站 箱变 区间负荷 … 贯通线 ＳＣＡＤＡ 铁路通讯网络 通讯设备 通讯设备 调度中心 调度中心局域网
2.2 牵引供电系统简介 （一）供电系统 牵引变电所优先采用电力系统两回独立可靠的220kV电源，互为热备用。 高速正线采用2X25kV（AT）供电方式。 牵引变压器和自耦变压器均采用固定备用方式，牵引变电所按远期布点，按近期选择容量。
2.2 牵引供电系统简介 （二）变电系统 牵引变压器优先采用单相接线形式。 高压侧开关采用SF6断路器或GIS。 2X25kV侧采用户内GIS、AIS或户外分散布置断路器。 变电所实行无人值班。
2.2 牵引供电系统简介 （三）接触网系统 接触网采用简单链形悬挂，H形钢柱，绝缘爬距1400mm。 接触导线：150mm2铜合金，张力不小于25kN。 承力索： 120mm2铜合金，张力不小于20kN。 最高运行速度：低于70％的接触悬挂波动传播速度。 接触线 承力索 钢轨 25kV -25kV 50kV 保护线 正馈线
2.2 牵引供电系统简介 ※无列车状态 （四）自动过分相 「断开」 「闭合」 开关断路器（Ａ） 开关断路器（Ｂ） 在线检测电路 （Ａ）电源 架线 中间断电区 （Ｂ）电源 轮轨 在线检测电路 ※无列车状态
2.2 牵引供电系统简介 ※列车靠近 （四）自动过分相 「断开」 「闭合」 开关断路器（Ａ） 开关断路器（Ｂ） 在线检测电路 （Ａ）电源 架线 中间断电区 （Ｂ）电源 轮轨 在线检测电路 ※列车靠近
2.2 牵引供电系统简介 ※进入中间断电区、在线检测 （四）自动过分相 「断开」 「闭合」 开关断路器（Ａ） 开关断路器（Ｂ） ※ 在线检测 （Ａ）电源 架线 中间断电区 （Ｂ）电源 轮轨 ※ 在线检测 ※进入中间断电区、在线检测
2.2 牵引供电系统简介 ※开关断路器（Ｂ）「断开」 （四）自动过分相 「断开」 「断开」 开关断路器（Ａ） 开关断路器（Ｂ） 在线 （Ａ）电源 架线 中间断电区 （Ｂ）电源 轮轨 在线 ※开关断路器（Ｂ）「断开」
2.2 牵引供电系统简介 ※开关断路器（Ａ）「闭合」 （四）自动过分相 「闭合」 「断开」 开关断路器（Ａ） 开关断路器（Ｂ） 在线 （Ａ）电源 架线 中间断电区 （Ｂ）电源 轮轨 在线 ※开关断路器（Ａ）「闭合」
2.2 牵引供电系统简介 ※开关断路器（Ａ）「断开」 （四）自动过分相 「断开」 「断开」 开关断路器（Ａ） 开关断路器（Ｂ） 无列车 （Ａ）电源 架线 中间断电区 （Ｂ）电源 轮轨 无列车 ※开关断路器（Ａ）「断开」
… 2.2 牵引供电系统简介 （五）电力系统 电力供电网络：由沿线设置的变配电所及全线铺设的两回10kV电力贯通线（单芯电缆）构成。 变配电所：按照免维护、无人值班设计，依靠SCADA 系统远动操作、监视。 电力贯通线：单芯电缆沿电缆槽敷设或直埋敷设。 … 贯通线
2.2 牵引供电系统简介 （六）远程监控系统（SCADA） 远程监控系统集通信、信号、牵引供电、电力远程监控一体化设计。 系统结构：采用分层分布式系统结构。控制中心采用独立的监控网络及设备，通过网络安全隔离措施与其他系统进行接口。 系统监控范围：220V～220kV的通信、信号、牵引供电、电力供电设备在线实时监控。
2.2 牵引供电系统简介 （七）牵引供电系统技术创新 采用国内外先进的牵引供电技术，进行系统集成，全面实现设计速度350km/h牵引供电系统的国产化。 形成统一的客专技术标准体系，构建具有自主知识产权的客专牵引供电系统技术平台。
2.3 列车牵引传动系统分类与组成 电力传动类型及牵引交流传动类型 牵引传动系统组成 牵引传动系统的能量变换
1、电力传动系统的分类 直-直传动系统 交-直传动系统 直-交传动系统 交-交传动系统 交直交传动系统
1、电力传动系统的分类 直-直传动系统 工作原理：直流斩波实现直流电压调节 斩波电路：降压和升压两种 在地铁机车、工矿机车等传动系统中采用 可调节直流电压 直 流 电 网 斩 波 器 恒定电压
1、电力传动系统的分类 单相直流斩波器 直流电压分量 直流电流分量
1、电力传动系统的分类 交-直传动系统 工作原理：整流器实现AC-DC变换并调节电压 整流电路：相控整流 在干线电力机车及内燃机车中采用 交 可调节直流电压 交 流 电 网 整 器 恒定交 流电压
1、电力传动系统的分类 单相半控整流电路 单相半控整流器 电流直流分量 电压直流分量
1、电力传动系统的分类 单相全控整流器 单相全控整流器 输出波形
1、电力传动系统的分类 直-交传动系统 工作原理：逆变器实现DC-AC变换并调节电压 逆变电路：PWM电路 在城市轨道交通中采用 直 逆 流 网 逆 变 器 恒定直 流电源 频率电压可调的三相交流电
1、电力传动系统的分类 电流型逆变器(同步电机)
1、电力传动系统的分类 交-交传动系统 工作原理：整流器实现AC-DC变换并调节电压 整流电路：相控整流 应用：要求低频率交流传动系统中 交 频率电压可调的三相交流电 交 流 电 网 变 器 频率电压恒定的三相交流电
1、电力传动系统的分类 交-交传动系统 工作原理：变流器将频率电压恒定的三相交流电变换成频率电压可调的三相交流电 交流变换器：调频调压电路 应 用：要求低频率交流传动系统中如轧钢等 频率电压可调的三相交流电 交 流 电 网 频率电压恒定的三相交流电 交流 变换 器
1、电力传动系统的分类 交-直-交传动系统 工作原理：将频率电压恒定的三相交流电变换成直流电，再将直流电变换成频率电压可调的三相交流电 变 流 器：整流器、中间直流环节、逆变器 应 用：广泛（交通、工业、能源） 频率电压可调的三相交流电 交 流 电 网 频率电压恒定的三相交流电 整 器 逆 变 直流电压或电流
牵引变流器应用举例
由AC25000V供电、直流电机驱动的机车称为交直传动电力机车 2、牵引传动系统组成及工作原理 交直机车牵引传动系统组成及工作原理 变速箱 直流 电机 整流器 牵引变压器 25000V 滤波电抗器 励磁绕组 由AC25000V供电、直流电机驱动的机车称为交直传动电力机车
2、牵引传动系统组成及工作原理 工作原理： 受电弓将接触网的AC 25 kV单相工频交流电输送给牵引变压器； 交直机车牵引传动系统组成及工作原理 工作原理： 受电弓将接触网的AC 25 kV单相工频交流电输送给牵引变压器； 经变压器降压后的单相交流电供给整流器； 整流器输出电压可控的直流电供给牵引电动机； 牵引电机轴端输出的转矩与转速通过齿轮传动传递给轮对，转换成轮缘牵引力和线速度。
由AC25000V供电、交流电机驱动的机车称为交流传动电力机车 2、牵引传动系统组成及工作原理 交流机车牵引传动系统组成及工作原理 变速箱 0,98 异步电机 0,95 逆变器 0,99 整流器 牵引变压器 0,94 1020kW 1074kW 1085kW 1107kW 25000V 1000kW 由AC25000V供电、交流电机驱动的机车称为交流传动电力机车
2、牵引传动系统组成及工作原理 交流机车牵引传动系统组成及工作原理 受电弓将接触网的AC 25 kV单相工频交流电输送给牵引变压器; 经变压器降压后的单相交流电供给脉冲整流器，脉冲整流器将单相交流变换成直流电; 经中间直流电路将直流电输出给牵引逆变器; 牵引逆变器输出电压、电流，频率可控的三相交流电供给三相异步牵引电动机; 牵引电机轴端输出的转矩与转速通过齿轮传动传递给轮对，转换成轮缘牵引力和线速度。
交流传动电机（异步）的矩速特性 T Tm 强耦合系统 Tst
图例 CRH动车组特性曲线
三、交流传动系统的能量变换 电力牵引传动系统的构成 25000V 整流器 1074kW 逆变器 1020kW 异步电机 1107kW 变速箱 0,98 异步电机 0,95 逆变器 0,99 整流器 牵引变压器 0,94 1020kW 1074kW 1085kW 1107kW 25000V 电力牵引传动系统的构成
交流传动系统的能量变换
牵引传动系统容量计算参数
牵引传动系统容量计算
牵引传动系统容量计算参数 参数 符号（取值或计算公式） 动车轮对输出功率 由牵引特性计算 APU辅助装置容量 490kVA 牵引变压器功率因数 牵引变压器空载时牵引绕组电压有效值 脉冲整流器效率 逆变器效率 齿轮箱效率 牵引电动机功率因数 牵引电动机效率
CRH2 300km/h Traction characteristics 牵引传动系统容量计算 Constant power point 135km/h 195.8kN CRH2 300km/h Traction characteristics
容量计算公式 牵引电机输出功率 牵引电机输入功率 牵引电机输入视在功率 牵引电机电压 牵引电机电流 逆变器输出容量 脉冲整流器输出容量 牵引变压器牵引输出容量 牵引绕组输出电流
计算结果
总结 1.重点掌握列车牵引特性的概念及其设计的要求； 2.重点掌握电力牵引交流传动系统容量计算与设计方法； 3.对列车运行过程的受力情况有一定的了解； 4.对牵引供电系统有一定的认识
？ ? 如何由电机的矩速特性得到牵引特性 无论采用什么类型的电机作牵引电机都必须满足机车牵引的要求。 动车牵引特性 动车牵引特性 直流电机矩速特性 动车牵引特性 ? 异步电机矩速特性 动车牵引特性 ？ 无论采用什么类型的电机作牵引电机都必须满足机车牵引的要求。