CRH2型动车组过分相牵引电动机暂态特性研究

张楷翼 盛义发 李永胜

（南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001）

CRH2型动车组过分相牵引电动机暂态特性研究

张楷翼 盛义发 李永胜

（南华大学电气工程学院，湖南 衡阳 421001）

为了研究牵引电动机在过分相时的暂态特性，以CRH2型动车组YQ-365型牵引电动机为研究对象，针对地面开关自动过分相开关的合闸与分闸所产生的过电压，利用 Matlab/Similink搭建了地面开关式自动过分相牵引电动机暂态特性仿真实验平台，研究了过分相工况下牵引电动机电气特性变化情况。

电气化铁路；过分相；牵引电动机；暂态特性

随着列车提速及高速电气化铁路的发展，电气化铁路每 20～30km就设一个电分相，在高速线路上，每小时要通过十几个分相区，电力机车通过分相区时，接触网和电力机车构成的电路拓扑结构发生改变，引发电力机车过分相暂态过程。牵引电动机作为电力机车的核心部件之一，电力机车频繁的过分相引发牵引电动机的暂态过程，牵引电动机的暂态特性关系到整个列车的运行安全。因此，对牵引电动机的暂态特性研究具有重要的意义。目前，针对机车过分相的暂态过程［1-3］和牵引电动机的暂态过程［5-7］已经有了大量的研究，然而，将两者结合起来利用过分相来分析牵引电动机暂态过程的研究较少。本文通过在过分相工况下的暂态过程来分析其对牵引电动机的影响。

1 地面开关式自动过分相原理图

假设电力机车从α相驶向β相，当机车到达CG1时，开关K1闭合，中心线由α供电臂供电，等待机车到达CG3时，开关K1断开，K2迅速闭合，此时，中性段由β供电臂供电，完成了中性段的换相供电，等待机车驶出CG4时，开关K2断开，即完成了自动过分相，装置又恢复到机车未计入分相区的原始状态。其原理图如图1所示。

图1 地面开关式自动过分相原理图

2 基于Matlab/Simulink过分相牵引电动机仿真平台

CRH2型高速动车组通过受电弓滑板与接触网导线滑动接触，保持电气连接，从接触网上获得电能，然后将将获取的电能传递给车载牵引变压器，车载牵引变压器将27.5kV的电压降压、整流，变换成直流电；变流器再将整流后的直流电变换为驱动牵引电动机所需的三相交流电，牵引电动机在三相交流电的驱动下转动，带动动车组高速运行。基于Matlab/Simulink的地面开关式自动过分相牵引电动机暂态仿真平台如图2所示。

图2 过分相牵引电动机暂态仿真模型

在图2中，α供电臂与β供电臂均采用AT供电方式，自耦变压器的参数为S=8.5MV· A ，R=0.2Ω，X=j0.9Ω，k=1。其中，T为接触网，PF为正馈线，R为铁轨。仿真框图模拟电力机车从α供电臂供电驶入β供电臂，用断路器的开闭来模拟开关K1、K2的闭合与断开。中性段线路等效电路由等效阻抗（Z1、Z2、Z3、Z4）和等效电容（C1、C2、C3、C4、C5、C6）组成，电力机车通过中性段无电区之后，进入β相供电臂，在某个时刻合主断路器，完成整个过分相过程。CRH2型动车组三相鼠笼型异步牵引电动机模型如图3所示，型号为YQ-365，其中，额定功率 300kW，额定电压，额定频率140Hz，定子电阻R=0.114Ω，定子漏感LSσ=到1.4174mH，转子电阻Rr=0.146Ω，转子漏感Lrσ= 1.294mH，互感 Lm=32.848mH ，转动惯量，阻尼系数，极对数P=2，异步牵引电动机模块参数设置见表1。

图3 三相鼠笼型异步牵引电动机

3 过电压暂降阶段

在开关 K1断开，K2还没来得及闭合的瞬间，中性线处于短暂的失电状态，中性线的电压从27.5kV逐渐降低，并接近于 0，电力机车未能从中性线上获取电能，中性线电压的变化经车载牵引变压器传递到牵引电动机端，中性线电压的暂降会引起牵引电动机端电压经历短暂的电压暂降阶段，当电压减小时，磁通相应的减少，电磁转矩减小，也就意味着电动机的转矩减小，而负载的阻力矩是不变的，这时候电动机将会减速，转差率 s增大，中性线上的电压如图4所示。

图4 中性线过电压暂降波形

由于中性线电压的暂降，经过车载牵引变压器的传递，势必会影响牵引电动机的端电压，导致牵引电动机端电压的暂降，从而影响牵引电动机的转速，在t=0.4s时，开关K1断开的瞬间，牵引电动机转速如图5所示。

图5 牵引电动机转速波形

如图5所示，在t=0.4s时，由于牵引电动机端电压的暂降，电动机的转速随之下降。

图6 电磁转矩波形

图7 定子三相电流

图8 转子三相电流

4 过电压暂升阶段

在开关K2闭合的瞬间，中性区由α供电臂供电换相到β供电臂供电时，中性线上产生过电压，强烈的暂态过电压将对牵引电动机的转速产生影响，根据图2和图3搭建的仿真模型模拟电力机车在过分相工况下暂态电压上升阶段对牵引电动机的转速及其他相关电气特性的影响变化情况。接触网上的过电压经车载牵引变压器的传递，车载牵引变压器一次侧电压波形如图9所示。

图9 车载变压器一次侧电压波形

过电压经车载牵引变压器传递必将造成牵引电动机端电压的变化，从而对牵引电动机的转速产生影响，牵引电动机转速仿真波形如图10所示。

图10 暂态电压上升对牵引电动机转速的影响

由图10可知，电力机车未进入分相区的正常行驶阶段，牵引电动机的转速大约为 4000r/min，在t=0.5s由于开关K2的闭合动作，在暂态电压的上升阶段，随着电压骤然增大，电磁转矩势必增大，电动机转速也会在原有的基础上增大。随着电压的上升，转速达到了4300r/min。

图11为电磁转矩波形，从图中看出，t在0～0.15s为牵引电动机起动阶段，随着转速的不断增大，电磁转矩也不端增大，一直到t=0.2s时，随着转速趋于稳定，电磁转矩逐渐降低，直至接近于0。

图11 电磁转矩波形

图12 定子三相电流波形

图13 转子三相电流

5 结论

1）在中性线上的暂态过电压下降阶段，中性线上的电压经车载牵引变压器的传递，导致牵引电动机的端电压略有下降。当电压减小时，电磁转矩减小，这时候电动机将会减速，转差率 s增大，电动机的散热效率下降，严重时可烧毁电动机。

2）在中性线上的暂态过电压上升阶段，中性线上的电压经车载牵引变压器的传递，导致牵引电动机的端电压略有上升。当电压增大时，电磁转矩增大，电动机转速变快，转差率减小，转子电流将减小，磁通增大。

3）在过分相过程中，由于开关的分闸与合闸，将导致大量的谐波，对电网造成影响。

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Research on Transient Characteristics of Passing Neutral Section in CRH2 EMU Trains Traction Motor

Zhang Kaiyi Sheng Yifa Li Yongsheng
（College of Electrical Engineering，University of South China，Hengyang，Hu'nan 421001）

In order to study the transient characteristics of traction motor in Passing Neutral Section，regarding YQ-365 traction motor of CRH2 EMU trains as the research subject，based on over-voltage of switch closing and opening of ground's auto-passing neutral section at switching time，experimental model of transient characteristics of traction motor of ground's auto-passing neutral section at switching time in simulation platform is set up based on Matlab/Simulink，and the change of electrical characteristics of traction motor under the condition of passing neutral section is studied.

electrified railway；passing neutral section；traction motor；transient characteristics

张楷翼（1988-），男，硕士研究生，研究方向为轨道交通电气化与自动化，电力系统运行分析与控制。