动车组电气与控制系统分析

张洪月 兰宏光 姚凯

【摘要】论文首先介绍了研究动车组电力系统及其控制的原因和目的，阐述了CRH2型动车组电气系统组成。对动车组的基本建构进行了简要介绍，并分车箱简明扼要的给出了各自的特点和功能。

【关键词】动车组； CRH2型动车组； 控制；系统

1动车组发展现状及CRH2型动车组简介

动车组是按动力分布方式而命名的，即动力分散式列车。 在动力集中式列车编组中的牵引力是机头提供的，动力仅仅集中于一侧。这样具有牵引力的动车与无动力的拖车再加上机头，三者的组合称为动车的组合，简称动车组。而把动力装置分散安装在每节车厢上，使其既具有牵引动力，又可以载客，这样的客车车辆便叫做动车。而动车组就是几节自带动力的车辆加几节不带动力的车辆编成一组，就是动车组。带动力的车辆叫动车，不带动力的车辆叫拖车。

CRH2，全称：China Railway Highspeed 2，（国内命名和谐号）动车组为4动4拖8辆编组（其中2、3、6、7号车为动车，1、4、5、8号车为拖车），采用电力牵引交流传动方式（交——直——交），由2个牵引单元组成（1、2、3、4为一个动力单元，5、6、7、8为一个动力单元），每个牵引单元按两动一拖构成。动车组具有良好的气动外形，其载客速度为250km＼h。两端为司机室，列车正常运行时由前端司机室操纵。如图1-1

T3车（5号车） M3车（6号车） M4车（7号车） T4车（8号车）

图1-1 牵引传动系统布局（T表示拖车，M表示动车）

2 CRH2型动车组电气牵引系统分析

2.1 牵引单元的电气设备简介

每l列动车组的电气牵引单元有两个（1号车至4号车和 5号车至 8号车），他们通过一根车顶线相连。

每列动车组都是由两组互相对称的牵引单元组成，它们之间用车顶电缆连接起来。每列动车组的牵引功率为8800kW，再生制动时为8000kW。

一个牵引单元的牵引主电气设备主要由1个受电弓、1个牵引变压器、2个牵引变流器、8个牵引电机组成（每个牵引电机带有一套機械传动装置包括齿轮箱、联轴节）。

2.2 列车高压电器概述

高压电器主要是由受电弓、高压变压器、接地开关、防雷击装置（避雷器）、网段检测装置、高压线缆组成。

受电弓是受流器的一种，属于上部受流器，与其他受流器相比有较好的受流质量。受电弓在接触网与车辆之间起电气接触作用的高压设备。受电弓与接触网之间不允许出现较强的接触力，受电弓采用的是空气传动方式（气压传动）。受电弓按其结构分可分为单臂、双臂两种（双臂受电弓结构对称、侧未定型好，但是结构复杂，调整复杂。单臂受电弓结构简单，尺寸小，重量轻，容易调整，因而广泛应用）。

2.3 牵引变压器及其冷却系统

变压器位于动车组4号车和6号车的地板下的单相牵引变压器，变压器冷却装置在每个变压器的旁边。变压器油箱为钢结构。冷却介质是矿物油，冷却是借助一个循环泵实现的。

变压器设计在25kV50Hz交流电源电压下使用，它将一次绕组上的接触线电压转换为四个二次绕组【牵引绕组（TW1-TW4）】的电压（1551V 的二次电压），并给牵引变流装置供电。变压器上采取了多种的保护措施，以防变压器过载，其中包括冷却回路中防热过载的温度监测、为检查冷却剂流量及为检测一次电路接地故障的一次隔离监测（通过比较外向电流和返回电流，进行差动保护）。

3 列车牵引电机运行及控制系统分析

对列车牵引电机的控制，存在着不同的途径。概括的说，主要是通过对定子、转子的磁链（电压）、磁动势（电流）或者磁场位置（转矩角）的控制来实现的。

如果对于调速系统的暂态性能没有特殊的要求，而且电动机长期在稳定转速下运行，开环控制可以提供满意的结果。但是对于牵引传动一类的系统，要求在负载电压或者供电电压波动时具有快速响应的动态性能和保持精确地运行能力，必须采用闭环控制的反馈信号。

牵引传动要求在宽广的速度范围中，每个速度点都能提供合适的转矩值，所以，速度和转矩是这种系统的被调量，并作为闭环控制的反馈信号。

3.1 列车牵引电机策略分析

交流异步电动机是一个高阶、强耦合、非线性的多变量系统。该系统数学模型比较复杂，将其简化成单变量线性系统进行控制，动态性能不够理想，调节器参数很难准确设 。为了实现高动态性能，20世纪70年代初德国西门子公司F.Blaschke等提出了矢量控制的方法。所谓矢量控制就是以转子磁场定向，用矢量变换的方法，实现对交流电动机转速和磁链控制的完全解耦，达到与直流电动机一样的调速性能 。异步电机矢量控制调速系统经过30年的发展，其控制方法已趋于成熟。在实现异步电机矢量控制调速的要求时，往往需借助仿真，通过仿真可使调速系统调试更方便，并能更快的实现控制。

对于传动系统的性能来说，重要的是选择合适的控制方法。对于铁路牵引用的变频传动系统，制定控制策略的出发点可以概括为3点：

第一，通过对变流器输出的适当控制，使电动机在零速度达到基速的这个范围内，接近恒定磁通工作状态，而在基速以上的范围内，以一个固定的端电压工作。

无论控制结构如何复杂，或采取什么样的反馈环和反馈量，功率变流器只有两个控制变量，即电压和频率。

3.2 牵引变流器与牵引电机的参数匹配

要使高速列车交流传动系统的优越性得到最大限度的发挥必须合理的匹配变流器和牵引电机，在进行牵引传动系统设计时不仅要考虑启动力矩、最大功率，还必须考虑变流器和电机的质量、外形尺寸。在满足一定的运行条件的前提下，列车的牵引特性应尽可能与牵引变流器、牵引电机一起考虑，以便选择合适的容量匹配，使系统整体性能参数最佳、费用最低。

列车牵引特性一般分为两个区段：即从 的恒牵引力（恒力矩）区，以及 的恒功率区。在恒力矩区，要求逆变器的输出保持 ， ，启动时适当提高 和 ， 两种不同的控制策略。因此，不同的运行工况、不同的控制策略对牵引变流器和牵引电机的要求均有差异，变流器与电机的容量有许多不同的组合。根据应用要求，使系统整体性能最佳、费用最低是选择变流器与电机容量的优化目标。

综上所述，对于CRH2型动车组而言，由于大功率电力电子器件价格昂贵、变流器的费用较高。所以采用了第一种方案进行系统的匹配优化设计。

参考文献：

[1] 邓学寿.CRH2型200km/h动车组牵引传动系统[J].机车电传动.2008年4期

[2] 王华胜.王忆岩.谢川川.胡晓依.CRH2型动车组可靠性建模与分配[J].铁道学报.2009年5期