CRH1A动车组牵引系统参数计算与分析

卢衍伟

【摘 要】介绍了CRH1A动车组牵引系统的基本结构,根据整车性能的基本指标对牵引系统的参数匹配进行分析和计算;通过对整车进行牵引计算确定牵引电机的轮周牵引功率,进而对牵引变流器、牵引变压器、网侧变流器的参数进行计算.验证了CRH1A型动车组牵引系统满足总体技术指标.%The 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.

【期刊名称】《城市轨道交通研究》

【年(卷),期】2017(020)009

【总页数】5页(P102-106)

【关键词】CRH1A动车组;牵引系统;参数计算

【作 者】卢衍伟

【作者单位】中车四方车辆有限公司产品开发部,266111,青岛

【正文语种】中 文

【中图分类】TM922.3;U266.2

Calculation and Analysis of the Traction System Parameters of CRH1A EMU

LU Yanwei

Abstract The 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 words CRH1A EMU； traction system； parameter calculation

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

CRH1A动车组以在丹麦及瑞典已运营五年的Regina动车组为原型，其设计冗余较大。本文根据动车组顶层技术指标从牵引功率、牵引力、起动牵引力、牵引电机转速与车速、牵引系统部件参数等对牵引系统的参数匹配进行分析和计算。

1.1 整车性能指标

CRH1A是铁道部为进行中国铁路第六次大提速向青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司订购的电力动车组车款之一。按照技术要求和系统分析，整车基本性能指标如表1所示［1］。

1.2 CRH1A牵引系统组成

CRH1A动车组为5动3拖（5M3T）编组的交－直－交动力分散型交流传动电动车组，其运营速度为200 km/h，试验速度为250 km/h。动车组编组包含图1所示4种类型的车辆［1］：

CRH1A动车组牵引系统通过3个主变压器从高压母线上取电，供给3个基本动力单元（TBU）。TBU1和TBU2各由2个网侧变流器模块（LCM）、4个牵引变流器模块（MCM）和2个辅助变流器模块（ACM）组成。TBU1和TBU2的主要传动框图如2所示。TBU3由1个LCM、2个MCM和1个ACM组成。TBU3主传动框图如3所示。3个TBU的部件参数一致。

由图2、图3可见，1个LCM、2个MCM和1个ACM可组成1个变流器模块。每个动车转向架有2个轴，且每轴1个牵引电动机。1个MCM给1个转向架上的2台牵引电机并联供电；当1个变流器模块发生故障时，可自动切断，而动车组仍继续运行。

首先，受电弓从接触网授流单相25 kV/50 Hz高压交流电，并通过牵引变压器变压为单相900 V/50 Hz交流电；然后，两重四象限LCM将降压后的交流电整流为DC 1 650 V直流环节中间电压；最后，MCM将中间直流电压变流为频率可变、电压可调的三相交流电以对牵引电机进行调速。

再生制动时，牵引变流器通过控制牵引电机转差频率的变化，将牵引电机变为发电机运行。此时，牵引变流器先将再生发电电能整流为中间直流环节电压，再通过两重四象限LCM将直流再生电能逆变为25 kV/50 Hz交流电回馈至接触网，从而实现再生制动。

根据总体技术指标对整车性能的要求，首先，可根据动车组以最高速度运行时的剩余加速度来确定动车组的牵引总功率；之后，根据动车组起动阻力和起动牵引力来确定动车组的起动加速度；然后，根据列车速度为0～50 km/h时对应的最大加速度来确定牵引力；最后，将牵引电机功率逐渐增大到额定功率后，使动车组恒功率运行。

2.1 牵引功率计算

根据文献［1］，当1台LCM发生故障（20%动力损失）时，满载的动车组应仍能按最大运行速度（200 km/h）运行。

动车组牵引功率P主要与动车组运行最高速度、动车组质量，以及最高速度时的动车组运行阻力和剩余加速度、齿轮传动效率、牵引电机效率、逆风速度等有关［2］。考虑20%动力损失，P计算式为：

式中：

M——动车组质量，取5 t；

Δa——剩余加速度，取0.1 m/s2；

Δv——逆风速度，取15 km/h；

vmax——动车组最大运行速度，取200 km/h；

ηG——齿轮传动效率，取0.975；

ηi——牵引电机效率，取0.94；

w0——单位基本阻力，N/t；

经计算P=5 312.144 kW。

2.2 牵引电机额定功率

动车组有5辆动车，共配置20台牵引电机。每台牵引电机功率PM=P/20=265 kW。

牵引功率还与最大坡道上的最低运行速度、故障运行动力损失、超员等因素有关。经计算，系统最大牵引功率为5 500 kW，每台牵引电机最大输出功率为275 kW。

2.3 阻力计算

动车组起动过程（一般起动速度小于2.5 km/h）中基本阻力的变化规律比较复杂，应单独予以考虑。起动过程可视为阻力不变的过程，则根据试验，单位起动阻力 wq为［6］：

其中，e为自然底数。

起动过程结束后，动车组w0=5.2+0.025 2 v+0.000 677 v2（N/t）。

根据wq及 w0， 坡道坡度i为0‰、10‰和20‰时的动车组阻力特性曲线如图4所示。其中，单位坡道附加阻力wi=1 000 i（N/kN）。

2.4 起动牵引力计算

根据要求，满员动车组在水平轨道上起动并运行至50 km/h时的最大加速度为0.6 m/s2。按照动车组速度为50 km/h时对应的加速度为0.6 m/s2，计算恒力矩起动牵引力。则动车组轮周牵引力F轮为［3］：

式中：

a——最大加速度；

γ——动车组惯性系数。

经计算，F轮=320 kN。动车组黏着牵引力大于最大起动牵引力，故动车组黏着特性如图5所示。

2.5 起动加速度计算

动车组起动时要克服起动阻力，从而获得起动加速度。起动加速度为：

2.6 牵引及制动特性曲线

绘制牵引及制动特性曲线如图6所示。当动车组以320 kN恒定牵引力加速至50 km/h时，牵引总功率P50=4 445 kW；按50 km/h车速时的牵引力（320 kN）为基点，当车速下降到110 km/h时，对应的牵引力降至180 kN，其间牵引功率不断上升，直至动车组进入5 500 kW恒功功率运行区。当动车组再生制动时，电机在制动工况下的总功率为5 500 kW；当动车组制动减速至60 km/h时，电机进入320 kN恒力矩制动阶段。此时，制动功率比牵引功率高。当牵引电机制动，动车组减速至10 km/h时，电机再生制动的能量消耗在牵引系统中，不能有效地回馈电网。此时，制动模式自动切换到空气制动。

3.1 牵引电机参数

动车组起动牵引力为320 kN，则每台牵引电机的轮周牵引力FM=F轮/20=16 kN。牵引电机最大起动力矩为：

式中：

D——车轮轮径，半磨耗时取875 mm；

i——齿轮传动比，取3.71。

计算可得TM=1 986 Nm。假设车轮均为新轮，则当动车组以最高速度Vmax=250 km/h运行时，对应的牵引电机转速n=i=5 380 r/min，取5 390 r/min。

牵引电机最高工作电压为变流器模块中间直流环节经牵引变流器逆变的电压值。中间直流额定电压为1 650 V，最高直流电压UDC为1 800 V。由此确定牵引电机额定工作电压U=1 287 V。

三相异步牵引电机功率P的计算公式为：

故牵引电机额定电流I的计算公式为：

式中：

cosφ——功率因数，取0.80；

η——电机效率，取0.94。

可求得I=158 A。

3.2 变流器模块参数

3.2.1 变流器模块功率

每个变流器模块包括1台LCM、2台MCM和1台ACM。每台MCM驱动2台牵引电机，并通过牵引控制系统控制牵引电机的牵引和再生制动。根据牵引电机额定功率和中间直流电压，可求得MCM的功率PMCM=570 kW。

每台ACM的功率PACM=120 kW，功率因数cosφ≥0.83；1个LCM模块的输出总功率PMCM=1 311 kW；LCM输入总功率为PLCM，输入=1 345 kW。

3.2.2 变流器模块中间直流电压

1个理想的LCM需为直流侧提供平稳的直流电压；同时，只从交流电网吸取有功功率。LCM应尽量提高功率因数，降低谐波及电能传输中的损耗，减少电磁干扰，为此可在牵引变压器侧配置网侧谐波滤波器。LCM在使用中应为直流侧提供平直的直流电压，且使交流网侧保持接近于1的功率因数。为使变流器网侧电流的等效干扰电流为最小，采用两重两电平四象网侧变流器，并将2个全控桥并联以向直流环节供电。功率元器件IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的电压等级为3 300 V（1 200 A），中间直流环节电压 UDC应满足［5］：

3 300 V≥（k1×UDC+ΔV）×k2式中：

k1——过电压系数，取1.15；

k2——安全系数，取1.2；

ΔV——电压差，由IGBT尖峰电压特性决定，取600 V。

经计算，得到UDC≤1 869 V。对于3 300 V的IGBT来说，直流整流电压值为1 500～2 000 V。最终确定中间直流环节额定电压为DC 1 650 V（牵引工况），最高为1 800 V（制动工况），额定电流值为795 A。

3.2.3 网侧变流器输入电压

脉冲整流器的交流输入电压UN，max即（牵引变压器牵引绕组电压）与中间直流电压、开关频率、开通时间、关断时间、短路阻抗的标幺值等有关。有：

式中：

Ud——中间直流环节电压，即网压；

UN，max——网侧变流器输入电压；

mmax——调制比，取0.81；

k——标幺值，取0.3。

经计算，网压为 25 kV 时，UN，max=900 V；网压为22.5 kV 时，UN，max=810 V。

3.3 牵引变压器参数

牵引变压器初级绕组为牵引供电接触网，网压25 kV，额定频率为50 Hz；牵引绕组额定电压为900 V，额定频率为50 Hz，绕组为4组［1］。牵引变压器负载为2个变流器模块。牵引变压器效率ηTR=0.965，结合变流器的输出功率，即可得到牵引变压器的牵引输入容量PT=2×PLCM输入×ηTR=2 596 kVA。

牵引变压器侧网侧谐波滤波器绕组额定电压为1 000 V，额定电流为158 A。

根据上述分析，CRH1A特性曲线如图7所示。当动车组在0～50 km/h的速度范围内行驶时，以恒力320 kN进行牵引；当速度达到50 km/h后，功率逐渐从4 445 kW增加至5 500 kW（额定功率），此后动车组进入恒功率调速运行阶段；动车组加速度曲线满足0～50 km/h车速对应的最大加速度为0.6 m/s2及200 km/h车速（剩余加速度为0.162 m/s2）对应的剩余加速度≥0.1 m/s2的要求。当试验列车最高速度为250 km/h时的剩余加速度为0.106 m/s2（小于0.05 m/s2），也满足要求。

牵引电机调速控制采用矢量控制策略，从零频一直到基频，电机的电压频率比为常数；当定子频率超过基频时，牵引电机电压提高到最大值（1 680 V）后，电机电压保持基本不变。制动时，优先使用再生制动；以空气制动对再生制动力不足的部分进行补偿；当速度低于某一定值时，全部使用空气制动。

牵引系统装车后必须在实际线路上进行运行试验，以检验牵引系统性能及与整车的匹配特性。2006年9月，第1列CRH1A动车组出厂后由铁道部产品质量监督检验中心机车车辆检验站对整车进行型式试验。2006年9月至12月间先后在北京环型铁路试验场、遂渝铁路、京沪铁路、胶济铁路、陇海铁路和广深铁路等地进行试验。在此期间主要完成了起动加速性能试验、速度控制试验、牵引能力试验、电制动特性试验、运行阻力试验、防滑防空转试验、动力损失试验、剩余加速度测试、牵引功率测试、动车组过分相试验、网压波动试验、速度控制试验。试验测试结果满足设计要求。

为适应我国国情，CRH1A在原型车Regina基础上做了改进设计，根据动车组的运行环境和系统的部件参数，充分考虑了动车组设计的安全性和可靠性。通过计算和分析，牵引系统设计时充分考虑了冗余，能满足动车组顶层技术指标。

在实际运用中，CRH1A型动车组的最大运行速度通过微机控制系统软件进行锁定限速；初期最高运行速度为205 km/h，后期大部分动车组的运行限速放宽至220 km/h。线路的长时间运营验证了牵引系统良好的牵引性能和系统部件工作的稳定性。

据《今日印度》网站29日报道，印度一列从那格浦尔开往孟买的火车当日早晨在行至印度西部时脱轨，截至目前尚无伤亡报告。这是印度近10天发生的第4起火车脱轨事故。19日，一辆从印度东部奥里萨邦普瑞市开往北部圣城哈里多瓦的14节编组火车脱轨，造成23人死亡，156人受伤。23日和25日，该国也相继发生两起列车脱轨事故，多人因此受伤。因频繁发生的脱轨事故，印度铁道部普拉布以及印度铁路委员会米塔尔已经辞职。

据了解，印度铁路网是世界上最大的铁路网络之一，从北向南穿越整个国家，日均载客超过2 300万人次。但与此同时，印度也是世界上火车事故最严重的国家之一。为何印度火车总脱轨？

《印度斯坦时报》援引印度铁路技术部门负责人维亚斯的话报道称，印度铁路状况很糟糕，信号灯指示系统已经过时，铁路技术远远跟不上时代需求。该报称，每年印度铁路需要维修的轨道约为4 500 km，但实际上完成的只有2 000 km。印度铁路理事会前理事贾鲁哈尔认为，“近年来印度一直增加列车数量，忽略了维修的重要性，印度铁路必须回归根本，严格遵守操作指南。此外，为确保安全，还需要投入资金，采用新技术，更新淘汰老旧设备。”

【相关文献】

［1］张曙光. CRH1型动车组［M］.北京：中国铁道出版社，2008.

［2］宋雷鸣，杨中平.动车组传动与控制［M］.北京：中国铁道出版社，2009：34-36.

［3］王凤臣，任良杼，丁菊霞.电力机车牵引计算［M］.成都：西南交通大学出版社，2010.

［4］沈本荫，姬惠刚.牵引电机［M］.北京：中国铁道出版社，2010.

［5］江靖.新一代高速动车组牵引系统参数匹配设计与研究［J］.机车电传动，2011（3）：9-12.

［6］彭俊彬. 动车组牵引与制动［M］.北京：中国铁道出版社，2009.