高速动车组牵引系统设计研究

【摘要】高速动车组的原动力来自电力原引第，其功率、可靠性和成本，直接影响着高速动车组运行能力和安全可靠性。本文就高速动车组牵引系统的设计进行浅要的探讨，对高速动车组牵引系统的设计有一定指导意义。

【关键词】高速动车组；牵引系统；设计研究

1、引言

机车牵引系统经历了蒸汽牵引系统、内燃牵引系统、电力牵引系统三个发展阶段，高速动车组使用电力牵引系统，目前主要采用交流传动系统。相较于交直流牵引传动和直流牵引传动，交流牵引系统具有良好的牵引性能，牵引功率大、体积小、重量轻、抗干扰能力强，其较强的机械特性也能很好的防空转，避免了换向器和火花问题，能实现大范围平滑调速，具有极高的经济效益和应用价值。高速动车组牵引系统的设计，涉及电力电子、脉宽调制、电机电器、控制技术、微电子技术等多个领域，具有跨学科的特点，在设计中还有很多问题需要深入研究改进和提高。下面，本文就高速动车组牵引系统设计进行浅要的探讨，供设计实践参考。

2、主要技术要求

高速动车组牵引系统的主要技术要求，包括以下几个方面：

最高试验速度：550km/h；最高运营速度：450km/h；持续运营速度：400Km/h；400km/h剩余加速度：0.05m/s2；0-300平均加速度：0.5m/s2；动车组质量：约900t

3、基本参数计算

3.1牵引功率计算

高速动车组牵引系统的速度指标，主要通过牵引系统的牵引力和功率来计算。牵引力的计算公式为：

其中，F为动车组车重，r为动车受到的阻力，为惯性质量系数，为剩余加速度。根据这一公式，确定相应的参数后进行计算，即可确定牵引系统所需的牵引力。如果车重越小，则所需的牵引力则越小。按照16辆编组的动车组，整车重量约为900t，根据动车组齿轮传动设计经验齿轮传动效率为0.95，利用公式可计算出牵引总功率和牵引力参数如表1。

3.2动拖比确定

在确定动拖比时，考虑高速动车组牵引系统运行时的工况变化和编组运行时的阻力变化，为牵引系统牵引功率增加一定的余裕量，确定为25000kW的牵引功率，以满足实时运行在安全性和稳定性上的需要。在不同牵引动力单元下，对牵引变压器、牵引电机、主变流器输入输出功率需求不同。在本文设计中，根据牵引力和牵引功率计算所确定的25000kw牵引总功率，进行动力单元配置核算，核算结果见表2。

从计算结果可以看出，如果采用7个以下的动力牵引单元，各功能部件的功率要示将会极高，对牵引变压器、牵引电机、主变流器输入输出功率都会带来巨大的负荷，同时增加设备安装空间和轴重。为此，宜采用8个动力单元，每台牵引电机功率在390kw以上。将车组分为8个基本动力单元，每个基本动力单元由1台牵引变压器、2台主变流器、8台牵引电机构成。

3.3启动牵引力及传动比确定

根据本车组0-300平均加速度0.5m/s2的性能要求和单台电机牵引功率390kw的条件，考虑到充分利用牵引系统的启动能力，运用恒力矩启动方式进行整车牵引特性计算，在启动阶段采用0～50Km/h恒力矩，50-200km/h力矩线性下降，200km/h后进入恒功区，通过牵引特引曲线计算，动车组可以满足0-300km/h平均加速度为0.5m/S2的加速性能需要。

由于当速度提升后，牵引电机轴承面将会承受高转速的影响，为了避免超过牵引电机轴承的最高允许转速限制，需要通过齿轮传动比的调节来降低牵引电机轴承承受的最大使用转速，从而降低牵引电机的使用工作转速。根据牵引电机的工作转速，保证动车组试验速度在550km/h的情况下，对齿轮传动比进行核算，动车组齿轮传动比应小于2.385，最终确定动车组齿轮传动比为2.370。

3.4牵引部件主要参数确定

牵引电机转速和车组速度存在对应关系，其公式为：

其中，V为车组速度，D为车轮直径，n为电机转速。通过本公式，可以计算出电机定子最高工作频率为218Hz，即主变流器最大输出频率为218Hz。逆变器最大输出电压为U=Udc0.78。

其中，根据牵引电机功率390Kw，可以计算出在牵引工况下逆变器输出：Pt=4x390/0.95≈1642kw，整流器输出：PC=1642/0.985≈1667kw，脉冲整流器输入：PTR=1667/0.975≈1710kW。变流器中间直流环电压取值3100V。最终确定逆变器最大输出电压为2400V，计算出每台牵引电机额定工作电流为：290KW1000/0.95/1.732/2400V/0.87≈84.4A。

4、试验结论

依据16编组，整车质量900t，传动比2.370，电机功率390kW，对牵引系统的牵引能力进行仿真计算，计算结果显示当运营速度在400Km/h的剩余加速度为0.072m/s2，0-300km/h的平均加速度为0.514m/S2，仿真计算结果完全满足本动车组的总体技术指标要求。在实际应用中，还需要根据实际线路对里程、限速、坡道、弯道、网压等方面的实际情况，按照实时运行工况进行仿真计算，方能完全确定本系统是否符合运营要求。通过研究显示，在高速动车组牵引系统设计时，充分考虑系统的参数匹配和相关部件性能，能有效提升系统安全性和可靠性，同时进行仿真计算，能有效的验证设计的合理性，具有一定可行性价值。

参考文献

[1]徐广伟.高速试验动车组牵引系统设计研究[J].机车电传动，2012（05）.

[2]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（05）.

[3]冯东.高速列车同步牵引系统仿真研究[D].浙江大学，2012.