时速400公里动车组的牵引系统主要顶层技术指标研究

2017-04-10孙剑方

中国铁道科学 2017年5期

孙剑方

(中国铁道科学研究院机车车辆研究所，北京　100081)

铁路技术水平的不断提高使高速铁路向更高速度的方向发展，时速400公里动车组的研制已提上日程，2016年7月15日中国标准动车组通过短时提升功率的方式在郑徐客运专线完成了420 km·h-1的交会试验，但标准动车组的牵引系统技术参数并不满足时速400公里动车组的持续运行要求。本文从时速400公里动车组的持续运行要求出发，基于其牵引性能的要求，采用理论计算和仿真的方法对其牵引系统的主要顶层技术指标进行研究，包括运行总阻力、总轮周功率、牵引变流器主电路拓扑、动力配置、牵引/电气制动特性等方面进行研究分析，为时速400公里动车组牵引系统设计提供理论依据。

1　时速400公里动车组牵引性能要求及质量确定

根据参考文献[1]时速400公里动车组的牵引性能应满足以下要求：动车组从0起动加速到200 km·h-1的平均加速度不小于0.5 m·s-2；在车速达到400 km·h-1时，平直道上的动车组剩余加速度不小于0.05 m·s-2。鉴于中车长客股份公司和中车四方股份公司生产的中国标准动车组的质量分别为489和473 t，并考虑牵引功率提升和结构强化等因素对质量的增加作用，本文将时速400公里动车组质量限定在514 t以内。

2　时速400公里动车组的牵引系统顶层技术指标

2.1　动车组的运行总阻力

列车运行时受到的总阻力包括列车与钢轨之间的机械阻力、大气对运行列车产生的空气阻力。对于列车运行阻力的研究，一直以来人们都沿用1926年发表的Davis公式[2]及后来的修正形式，这些公式统一表达为

FW=FA+(B1+B2)v+Cv2

(1)

式中：FW为列车运行总阻力，kN；FA为滚动机械阻力，kN；B1为其他机械阻力系数，与车辆质量及机械部件间的摩擦系数相关；B2为空气动量阻力系数，与车辆设备冷却、空调工作吸入空气流量有关；v为列车运行速度，km·h-1；C为列车所受的外部空气气动阻力系数，与头车的头型、车体连接方式及表面设备布置位置等相关。

由式(1)可知，空气阻力与列车运行速度的平方成正比，随着列车运行速度的不断提高，空气阻力急剧增大[3]。当列车运行速度为120 km·h-1时，空气阻力约占总阻力的50%；当列车运行速度达到200 km·h-1时，空气阻力约占总阻力的80%；当列车运行速度达到300 km·h-1时，空气阻力占总阻力的95%以上[4]。按照此规律，当列车运行速度到达400 km·h-1时，总阻力主要体现为空气阻力。因为时速400公里动车组是在时速350公里标准动车组基础上改进的，其头型、车体连接方式及表面设备布置位置均基本与时速350公里标准动车组相同，所以时速400公里动车组运行总阻力的计算公式可采用时速350公里标准动车组的阻力计算公式。基于式(1)并结合大西高铁综合试验数据确定时速350公里标准动车组的运行总阻力计算公式[5]，具体为

FW=2.0+0.006 2v+0.000 535v2

(2)

2.2　动车组的轮周功率

轮周功率的大小是动车组牵引系统最关键的参数之一，它直接关系到动车组牵引系统方案的选择。动车组总轮周功率的计算公式[6]为

(3)

式中：P为总轮周功率，kW；F为总轮周牵引力，kN。

在动车组运行过程中，根据牛顿第二定律可知，总轮周牵引力F一是用于克服动车组的运行总阻力，二是为动车组运行提供牵引力，因此其计算式为

=FW+m(1+γ)a

(4)

式中：m为动车组质量，t；γ为旋转惯量系数；a为加速度，m·s-2。

将式(2)和式(4)代入式(3)可得

m(1+γ)a]v

(5)

根据时速400公里动车组在平直道以400 km·h-1运行时仍具有0.05 m·s-2剩余加速度的要求，a取0.05 m·s-2；另外，γ取0.06，m取514 t，v取400 km·h-1；将这4个参数代入式(5)，计算可得总轮周功率P=13 036 kW。考虑到实际中空气阻力有一定的误差、牵引系统部件恶劣工况下的可靠性等因素, 在确定动车组的设计总轮周功率时应在计算值的基础上增加一定裕量，因此对于时速400公里动车组的设计总轮周功率P总本文取14 000 kW。

2.3　牵引变流器的主电路拓扑

中国高速动车组的牵引变流器主电路拓扑均采用三电平结构或二电平结构，见表1。牵引变流器主要由四象限整流器、中间直流环节和逆变器组成。在中间直流环节电压等级相同的情况下，采用三电平结构时，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)耐压等级低，开关频率高，可降低单重四象限整流器谐波含量，但在动车组整车谐波抑制性能上三电平结构较二电平结构差，例如某三电平动车组型式试验时整车等效干扰电流为7.39 A，而同等功率下的二电平动车组型式试验时整车等效干扰电流仅为1.13 A[7-8]。另外，二电平结构的牵引变流器具有控制简单、技术成熟、运用经验丰富的特点，被广泛用于各种车型(见表1)。因此，时速400公里动车组牵引变流器的主电路拓扑选用二电平结构。单台逆变器可以给1台转向架上的电机供电，也可以给2台转向架上的电机供电，分别称为架控方式和车控方式。其中架控方式具有冗余程度高，空转抑制性能好，轮径差影响小等优点[9-10]。因此，时速400公里动车组牵引变流器采用二电平架控方式，主电路拓扑如图1所示。

表1　既有动车组牵引变流器主电路拓扑

2.4　动车组的动力配置

2.4.1单辆动车的最大轮周功率推算

图1　时速400公里动车组的牵引变流器主电路拓扑

高速动车组具有速度快、功率大的特点，每辆动车由单台牵引变流器提供功率。在牵引变流器的器件选型上，倾向于选择电压等级较高的开关器件，以在满足容量的基础上，可以尽量降低线缆的电流。6 500 V/750 A型绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为目前动车组牵引变流器中使用的6 500 V等级器件中额定电流最大的开关器件，是当前主流的开关器件，并且被用于时速350公里标准动车组中，因此时速400公里动车组牵引变流器也选用该器件。根据铁总科技〔2014〕50号文的规定[11]，轮周发挥的功率与网压的关系需符合图2所示的曲线。在牵引变流器满功率发挥时，四象限整流器的输入电压、输入电流与网压的关系如图3所示，其中“标幺值”为当前值与额定参数(基准值)的比值。从图3可以看出：四象限整流器输入电压与网压成正比，输入电流与网压成反比；牵引变流器在网压22.5 kV下满功率运行时，四象限整流器的输入电流最大，为了保证IGBT处于安全的工作范围，该最大输入电流瞬时值应小于IGBT的额定电流。因此，根据IGBT的额定电流可以反推出单辆动车的最大轮周功率(牵引变流器输出的最大轮周功率)。以下就以6 500 V/750 A型IGBT双管并联方式推算单辆动车的最大轮周功率，推算流程如图4所示。

图2　轮周发挥的功率与网压的关系曲线

图3满功率运行时四象限整流器输入电压、输入电流与网压的关系曲线

图4　单辆动车最大功率推算流程图

牵引变流器采用6 500 V/750 A的IGBT双管并联方式，按照双管并联使用的规定，其使用系数取0.9，由此可计算在22.5 kV网压下四象限整流器允许的最大电流有效值I最大为

将22.5 kV网压下四象限整流器允许的最大电流有效值I最大换算至25.0 kV网压下，得到四象限整流器的额定输入电流有效值I额定为

牵引变流器采用的IGBT额定电压为6 500 V，根据器件使用说明手册[12]，中间直流环节的电压取3 600 V。根据四象限整流器升压原理，中间直流环节电压须大于四象限整流器输入侧电压峰值。而图2中四象限整流器的最大工作网压为31.0 kV，则四象限整流器的额定输入电压U额应该满足：

(6)

由式(6)计算可得U额<2 053 V。为留有一定的安全裕量，取U额=1 900 V。

取四象限整流器的功率因数λ=0.99，则图1所示的电路拓扑中两重四象限整流器的输入功率P四象限为

=3 235 (kW)

每辆动车由单台牵引变流器提供功率，功率流向如图5所示，图中P损耗1—P损耗4为功率传递过程中各部件的损耗。辅助电源是从中间直流环节取电的，其有功功率P辅助参考时速350公里标准动车组取180 kW。根据试验报告，四象限整流器的效率φ四象限取0.985[13]，逆变器的效率φ逆变器取0.985[13]，牵引电机的效率φ电机取0.940[5]，齿轮箱的效率φ齿轮箱取0.975[5]。则单辆动车的最大轮周功率P单动车为

P单动车=(P四象限φ四象限-P辅助)φ逆变器φ电机φ齿轮箱

=(3 235×0.985-180)×0.985×

0.940×0.975=2 714 (kW)

图5　单辆动车的功率流向图

2.4.2动车组的动力配置确定

2.5　动车组的牵引特性

动车组的牵引和电气制动特性设计应充分考虑黏着系数限制曲线、起动加速指标和牵引系统部件能力。借鉴时速350公里标准动车组暂行技术条件规定的不利条件下黏着系数不大于0.12和轴重不超过17 t[11]，考虑动车组从0起动加速至200 km·h-1的加速指标并留有一定的设计裕量，时速401公里动车组起动时的黏着系数μ取0.09，轴重m轴取16 t，重力加速度g取9.81 m·s-2，整列动车组的动轴数n取24根，则时速400公里动车组的总起动牵引力F起为

F起=m轴ngμ=16×24×9.81×0.09

=339.0 (kN)

动车组的牵引特性曲线分为恒力矩区和恒功率区。在恒力矩区时，牵引力线性下降，在恒功率区时，总轮周功率保持不变，牵引力与速度成反比。根据恒力矩区曲线和恒功率区曲线求出牵引力相交点，该相交点即为恒功率运行的转折点。此转折点对应的列车运行速度v牵转折应满足：

(7)

图6　时速400公里动车组牵引特性曲线

2.6　动车组的电气制动特性

在电气制动特性设计中应考虑动车组制动时充分发挥电气制动的能力，以减小对闸片的磨耗。动车组电气制动时发挥的总轮周功率应不小于牵引轮周功率的1.2倍[11]。与牵引特性恒功率运行转折点计算类似，电气制动特性恒功率运行转折点对应的动车组运行速度v制转折应满足：

(8)

转折点速度v制转折取178.4 km·h-1。参考铁总科技〔2014〕50号文中的电气制动力退出方式[11]，当动车组运行速度低于10 km·h-1时，电气制动力开始线性下降，动车组运行速度降到2 km·h-1时，电气制动力降为0。在恒功率区，电气制动力的计算公式为

(9)

当动车组在运行速度为178.4和400.0 km·h-1时，根据式(9)计算可得电气制动力分别为339.0和151.2 kN。由此设计的时速400公里动车组电气制动特性曲线如图7所示。

图7　时速400公里动车组电气制动特性曲线

3　动车组的牵引性能校核

根据上述设计的牵引特性，验证时速400公里动车组的起动加速能力。加速能力计算结果见表2。由表2可知：时速400公里动车组从0加速到200 km·h-1的平均加速度为0.56 m·s-2；以400 km·h-1的速度在平直道上运行时的剩余加速度为0.066 m·s-2，满足参考文献[1]规定的动车组加速性能要求。

表2　时速400公里动车组起动加速能力

时速400公里动车组与时速350公里标准动车组利用的黏着系数对比如图8所示。由图8可知：时速400公里动车组利用的黏着系数小于时速350公里标准动车组。这是因为，与时速350公里标准动车组4M4T的动力配置相比，时速400公里动车组采用6M2T的动力配置，增加了动轴数量，降低了利用的黏着系数，减小了牵引空转和电气制动滑行的概率。

图8时速400公里动车组和时速350公里标准动车组利用的黏着系数对比

当时速400公里动车组动力出现一定的故障时，其在不同坡道上能维持的最高速度如图9所示。从图9可以看出：无故障时，动车组在12‰，20‰，30‰坡道上能维持的最高速度分别为368，317，263 km·h-1；当有1台逆变器故障时，动车组在12‰，20‰，30‰坡道上能维持的最高速度分别为352，301，247 km·h-1；当有1台牵引变流器故障时，动车组在12‰，20‰，30‰坡道上能维持的最高速度分别为336，284，230 km·h-1。当1台牵引变流器或1台逆变器故障时，动车组在平直线路上能维持的最高速度仍大于400 km·h-1，不影响动车组达到设计速度。可见时速400公里动车组采用6M2T动力配置和架控方式，提高了动车组动力故障冗余能力。

图9　时速400公里动车组故障情况下的平衡速度

4　仿真计算结果及其对比验证

根据上文确定的时速400公里动车组牵引系统顶层技术指标建立时速400公里动车组的牵引计算模型；为了对比分析，同时以CR400BF型动车组牵引系统顶层技术指标建立时速350公里标准动车组的牵引计算模型。仿真线路选取做标准动车组交会试验的郑徐客运专线，线路全长359.464 km。设置在商丘和开封北2个车站停车。驾驶模式采取模拟司机驾驶方式：满级牵引起动加速至规定速度后定速运行，停车及减速时采用B4级及以下调速，以充分发挥电气制动力作用。采用建立的2个牵引计算模型分别进行牵引计算仿真。

图10为时速400公里动车组和时速350公里标准动车组仿真运行速度对比曲线；表3为仿真运行时间对比。仿真结果表明：时速400公里动车组的牵引系统顶层技术指标设计合理，其中，从商丘出发，由0加速至350 km·h-1时比时速350公里标准动车组所用里程缩短约38.2%，所用时间缩短约35.5%，提速效果明显。

图10　时速400公里动车组与时速350公里标准动车组仿真运行速度曲线对比

表3时速400公里动车组与时速350公里标准动车组仿真运行时分对比

序号运行区间运行距离/km运行时间/(h：min：s)时速350公里标准动车组时速400公里动车组1徐州东—商丘　169 26035：2932：182商丘—开封北　137 98828：5326：083开封北—郑州东52 21714：4613：554合计　　　　　359 4641：23：081：16：21

为了进一步验证设计的时速400公里动车组牵引系统顶层技术指标的合理性，将时速400公里动车组仿真运行速度曲线与实测的时速350公里标准动车组提升功率现场试验的运行速度曲线进行对比，如图11所示。从图11可以看出：时速400公里动车组运行优势明显；在起动加速阶段，时速400公里动车组牵引力大，加速快；在恒速运行阶段，时速400公里动车组总轮周功率大，在坡道运行速度波动较小；在制动停车阶段，时速400公里动车组电气制动功率大，降速快，制动距离短。

图11　　　　时速400公里动车组仿真运行速度曲线与实测的时速350公里标准动车组提升功率的现场试验运行速度曲线对比

5　结　论

(1)按照时速400公里动车组的持续运行及其牵引性能的要求，采用理论计算方法研究时速400公里动车组的牵引系统顶层技术指标。从动车组的阻力水平和剩余加速度指标分析总轮周功率需求，得出动车组的总轮周功率为14 000 kW；牵引变流器主电路拓扑建议采用二电平架控方式；从功率器件对单个动车轮周功率的限制研究动力配置，推荐采用6M2T的方式，具体分配为T+M+M+M+M+M+M+T；确定了牵引特性的起动牵引力为339.0 kN，恒功率运行的转折点为(160.0 km·h-1,315.0 kN)，电气制动特性恒转矩区的电气制动力为339.0 kN，恒功率运行的转折点为(178.4 km·h-1,339.0 kN)。

(2)将时速400 公里动车组牵引计算仿真结果，分别与时速350公里标准动车组的牵引计算仿真结果和实测的短时提升功率的现场试验结果进行对比。结果表明：时速400公里动车组的牵引系统顶层技术指标设计合理，其中，从商丘出发，由0加速至350 km·h-1时比标准动车组所用里程缩短约38.2%，所用时间缩短约35.5%，提速效果显著；400 km·h-1动车组运行优势明显，在起动加速阶段加速快、恒速运行阶段速度波动小、制动停车阶段减速快。

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