牽引與制動曲線設(shè)計

牽引與制動曲線設(shè)計方法2008年11月17日2008-11-141主要內(nèi)容1.牽引傳動系統(tǒng)的組成2.列車運(yùn)行性能3.為什么要學(xué)習(xí)性能曲線設(shè)計4.牽引性能曲線設(shè)計實例

2008-11-142接負(fù)載DC/AC25kV，50HzAC/DC交流牽引電機(jī)電力電子變流器基于DSP的控制系統(tǒng)1、電機(jī)和變壓器變壓器2、交流傳動控制1.列車牽引電傳動系統(tǒng)的構(gòu)成2008-11-143電力牽引交流傳動系統(tǒng)2008-11-144接觸網(wǎng)高壓電器中間直流環(huán)節(jié)脈沖整流器牽引變壓器牽引逆變器齒輪傳動牽引電機(jī)輪對能量變換與傳遞途徑示意圖

2008-11-1452.列車運(yùn)行性能2.1 牽引性能速度與牽引力動輪周牽引力與輸出功率的關(guān)系2008-11-1462008-11-147牽引性能曲線2008-11-148高速列車牽引性能曲線牽引力的速度特性運(yùn)行阻力10‰坡道平坦線速度牽引力2008-11-1492.2列車阻力

（1）起動阻力3kgf/t或29N/t

（2）運(yùn)行阻力：車軸與軸承的摩擦阻力、輪軌之間的摩擦阻力、與速度的平方成正比的運(yùn)行空氣阻力（3）坡道阻力（4）曲線阻力（5）隧道阻力:現(xiàn)象復(fù)雜，定量把握難，日本隧道單線：19.6N/t；復(fù)線：9.8N/t。2008-11-14102.3制動性能00,20,40,60,811,2050100150200250300[km/h][m/s2]1A123456781B電制動特性曲線23456781ACRH3的制動性能曲線2008-11-1411500系新干線列車制動性能曲線2008-11-14123.為什么要學(xué)習(xí)車輛性能設(shè)計？它和電機(jī)設(shè)計、變流器設(shè)計密切相關(guān)也和電機(jī)特性、變流器特性密切相關(guān)是車輛電傳動系統(tǒng)討論的基礎(chǔ)終端用戶最好能設(shè)計車輛性能，至少應(yīng)十分熟悉車輛性能曲線2008-11-1413電傳動系統(tǒng)設(shè)計順序用戶要求設(shè)計車輛性能曲線仿真驗證設(shè)計車輛性能能否滿足要求（加速度，旅行速度，列車能否實施救援等等）具體設(shè)計電動機(jī)、變流器，并根據(jù)需要調(diào)整車輛性能曲線制造、聯(lián)調(diào)試驗、列車運(yùn)行試驗接受驗收2008-11-1414車輛牽引性能計算的主要制約因素牽引電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩黏著限制逆變器容量的限制2008-11-14152008-11-14164.車輛性能設(shè)計簡單實例一般先由用戶提出要求：車輛種類、運(yùn)行線路條件、坡道條件、加速度、最高速度本例從已經(jīng)確定車輛MT比開始2008-11-1417車輛形式：都市近郊列車MT比：1M2T(Mc-T-Tc）牽引性能曲線設(shè)計實例最高速度130km/h起動加速度2.5km/h/s最大坡道3.5%2008-11-1418車輛質(zhì)量和定員McTTc空車質(zhì)量41t28t32t定員140人150人140人最大乘車率200%200%200%2008-11-1419McTTc合計空車質(zhì)量41t28t32t101t定員140人150人140人430人最大乘車率200％200％200％200％乘客質(zhì)量15.4t16.5t15.4t47.3t載客車輛質(zhì)量56.4t44.5t47.4t148.3t慣性質(zhì)量4.1t1.4t1.6t7.1t等效質(zhì)量60.5t45.9t49.0t155.4t2008-11-1420起動牽引力和黏著系數(shù)慣性質(zhì)量乘客質(zhì)量起動牽引力的計算式的推導(dǎo)期待黏著系數(shù)2008-11-14214.1起動牽引力與粘著系數(shù)的計算一般，各動車下面有4臺牽引電機(jī)關(guān)注每臺牽引電機(jī)承擔(dān)的輪周牽引力2008-11-14221.起動牽引力與粘著系數(shù)的計算其中，動車質(zhì)量(t)乘客質(zhì)量(t)起動阻力(kgf/t)拖車質(zhì)量(t)起動加速度(km/h/s)坡道值2008-11-14231.起動牽引力與粘著系數(shù)的計算每臺牽引電機(jī)需要輸出的牽引力：期待粘著系數(shù)：動力分散方式期待粘著：牽引20%~21%以下，制動16%~17%軸重：14.1t2008-11-14242.部分動力損失時的性能驗算假定該列車采用軸控，當(dāng)1臺MM（MainMotor）Cutout時，在最大坡道3.5%上能以加速度0.3km/h/s起動？（軸控：1C1M）2008-11-14254.2部分動力損失時的性能驗算所以單臺電機(jī)需要的牽引力在故障條件下，假設(shè)用正常運(yùn)行時的牽引力來牽引，則起動加速度為：2008-11-14264.3特性區(qū)間的設(shè)定車輛高速性能設(shè)計的基本考慮方法列車在最高速運(yùn)行時必須保證足夠的加速余力，三種基本設(shè)定方法是：在平直道上列車以最高速度運(yùn)行時有加速度a(km/h/s)的加速余力列車的最高速度在θ‰的坡道上運(yùn)行時，列車牽引力與運(yùn)行陰力平衡列車在平直道上運(yùn)行，牽引力與列車運(yùn)行阻力在高于最高速度的某一速度點平衡1.2.3.2008-11-1427本例以最高速度130km/h運(yùn)行，在3‰的坡道上，有0.2km/h/s的加速余力來計算：其中，R為列車運(yùn)行阻力：2008-11-1428日本JIS的運(yùn)行阻力公式隧道外：R=(1.65+0.0247V)·WM+(0.78+0.0028V)·WT+(0.028+0.0078(n-1))V2(kgf)隧道內(nèi)：R=(1.65+0.0247V)·WM+(0.78+0.0028V)·WT+(0.0777+0.0134n)V2(kgf)n:編組車輛數(shù)2008-11-14294.4恒功區(qū)間的設(shè)定恒功區(qū)間的設(shè)定依據(jù)牽引電機(jī)的溫升逆變器的容量和既有車輛的牽引傳動系統(tǒng)比較2008-11-1430恒功區(qū)間的計算A.假定選用現(xiàn)有的220kW的電機(jī)，則容許的車輪踏面輸出功率Pt：經(jīng)驗總結(jié)此值為1.4~1.5B.逆變器輸出電流的限制值230A/MM，同時電機(jī)的功率因數(shù)為0.86,效率為0.92,齒輪效率為0.975,則2008-11-1431C.綜合A、B的討論結(jié)果，暫定恒功區(qū)間的功率為310kW解方程組，得：2008-11-14324.5牽引電傳動系統(tǒng)各裝置容量的計算2008-11-14335.牽引電傳動系統(tǒng)各裝置容量的計算功率因數(shù)效率接觸網(wǎng)VVVF逆變器ηinv=0.99牽引電機(jī)Cosφ＝0.86ηMM=0.92ηGearl=0.975路面輸出功率關(guān)系式接觸網(wǎng)輸入功率Ppan=Epan*Ipan=Pinv*cosPhi/ηinv逆變器輸出功率Pinv=sqrt(3)Um*Im*電機(jī)臺數(shù)＝Pm-in*電機(jī)臺數(shù)/cosPhi電機(jī)輸入功率Pmin=Pinv*cosPhi電機(jī)輸出功率Pmout=Pmin*ηmm踏面輸出功率Pt=Pmout*ηgearlPt=TE*V/367.1(kW)裝置容量Ppan=1609*0.86/0.99=1398(kW)Ipan=932(A)Pinv=346*4/0.86=1609KVAPmout=318(kW)Pmin=346(kW)Im=211(A)310kW逆變器輸出的最大電壓=0.78*Upan=0.78*1500V=1170V≈1100V2008-11-14344.6車輛制動性能曲線設(shè)計最大電制動力BE1最大電制動力必須得考慮輪軌之間的最大粘著系數(shù)的限制，一般城軌交通要求制動時的最大粘著系數(shù)應(yīng)≤17%。2008-11-1435最高速度對應(yīng)的電制動力可以約設(shè)計為最高速度對應(yīng)的牽引力的2倍：6.車輛制動性能曲線設(shè)計高速區(qū)域的電制動力由M車產(chǎn)生的電制動力讓列車制動減速時，列車的減速度為：2008-11-14364.7車輛性能曲線設(shè)計要點與實例性能曲線設(shè)計要點V/f一定的終端速度運(yùn)行最高速度對應(yīng)的加速余量要全面考慮各種可能出現(xiàn)的故障運(yùn)行情況最大限制地發(fā)揮電制動力注意考察牽引和制動時的期待粘著系數(shù)2008-11-14374.8列車運(yùn)行仿真仿真過程（方法）輸入車輛性能曲線、線路條件、列車阻力、接觸網(wǎng)電壓etc.Simulation啟動運(yùn)行得到距離-速度、距離-時間、電機(jī)RMS電流、列車運(yùn)行能耗、電機(jī)溫升、旅行速度etc.2008-11-1438用Simulation驗證性能曲線是否可行的兩種基本方法

a.off-brake運(yùn)行法特點：1.列車運(yùn)行時間最短

2.電機(jī)RMS電流最大

b.Schedule-time運(yùn)行法2008-11-1439牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析

動車組各車的重量如表1.1所示，列車定員566人，最大軸重為15.3t，最小軸重13.5t。2008-11-1440牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析牽引特性分析

阻力公式：R(N)=0.000755mg+120.344v+7.837v^2式中，m為整車定員質(zhì)量：469200kg，g為加速度9.8m/s/s。按照350km/h的最高運(yùn)行速度，此時的列車運(yùn)行阻力計算值為R(350km/h)=89.2kN

（不考慮逆風(fēng)）或R(350km/h)＝96.2kN（考慮了15km/h的逆風(fēng)）當(dāng)列車運(yùn)行至380km/h時不考慮逆風(fēng)的運(yùn)行阻力為：R(380km/h)=103.5kN2008-11-1441牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析按照優(yōu)化方案中牽引電機(jī)功率達(dá)到587kW的要求，踏面輸出的牽引功率為Pt=1.4*587=821.8kW≈820kW仍然按照優(yōu)化方案要求，若取齒輪傳動效率0.975，牽引電機(jī)效率0.94，變流器功率提高到2480kW，則Pt=2480*0.95*0.975/4=574.28kW故取恒功區(qū)間踏面功率為574kW。2008-11-1442牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析當(dāng)列車運(yùn)行至350km/h時，輸出的牽引力為F(350)=5.9kN當(dāng)列車運(yùn)行至380km/h時，輸出的牽引力為F(380)=5.4kN按照優(yōu)化方案的要求，在空氣阻力減小20%的情況下，當(dāng)列車運(yùn)行在350km/h時在平直道上的剩余加速余力為0.1m/s/s，完全符合設(shè)計要求。按照相同的要求，當(dāng)列車運(yùn)行速度在380km/h時在平直道上的剩余加速余力為0.05m/s/s。2008-11-1443牽引計算實例——

CRH3動車組6M2T編組牽引特性分析起動牽引力TE=28.33*(1.1Wm+1.05Wt+Wl)*a+(r+sita)(Wm+Wt+Wl)469.2按照起動加速度0.6m/s/s，代入相應(yīng)質(zhì)量，得