CRH2型動(dòng)車組過(guò)分相牽引電動(dòng)機(jī)暫態(tài)特性研究

張楷翼 盛義發(fā) 李永勝

（南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

CRH2型動(dòng)車組過(guò)分相牽引電動(dòng)機(jī)暫態(tài)特性研究

張楷翼 盛義發(fā) 李永勝

（南華大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421001）

為了研究牽引電動(dòng)機(jī)在過(guò)分相時(shí)的暫態(tài)特性，以CRH2型動(dòng)車組YQ-365型牽引電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)地面開(kāi)關(guān)自動(dòng)過(guò)分相開(kāi)關(guān)的合閘與分閘所產(chǎn)生的過(guò)電壓，利用 Matlab/Similink搭建了地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相牽引電動(dòng)機(jī)暫態(tài)特性仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了過(guò)分相工況下?tīng)恳妱?dòng)機(jī)電氣特性變化情況。

電氣化鐵路；過(guò)分相；牽引電動(dòng)機(jī)；暫態(tài)特性

隨著列車提速及高速電氣化鐵路的發(fā)展，電氣化鐵路每 20～30km就設(shè)一個(gè)電分相，在高速線路上，每小時(shí)要通過(guò)十幾個(gè)分相區(qū)，電力機(jī)車通過(guò)分相區(qū)時(shí)，接觸網(wǎng)和電力機(jī)車構(gòu)成的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引發(fā)電力機(jī)車過(guò)分相暫態(tài)過(guò)程。牽引電動(dòng)機(jī)作為電力機(jī)車的核心部件之一，電力機(jī)車頻繁的過(guò)分相引發(fā)牽引電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)過(guò)程，牽引電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)特性關(guān)系到整個(gè)列車的運(yùn)行安全。因此，對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)特性研究具有重要的意義。目前，針對(duì)機(jī)車過(guò)分相的暫態(tài)過(guò)程［1-3］和牽引電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)過(guò)程［5-7］已經(jīng)有了大量的研究，然而，將兩者結(jié)合起來(lái)利用過(guò)分相來(lái)分析牽引電動(dòng)機(jī)暫態(tài)過(guò)程的研究較少。本文通過(guò)在過(guò)分相工況下的暫態(tài)過(guò)程來(lái)分析其對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的影響。

1 地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相原理圖

假設(shè)電力機(jī)車從α相駛向β相，當(dāng)機(jī)車到達(dá)CG1時(shí)，開(kāi)關(guān)K1閉合，中心線由α供電臂供電，等待機(jī)車到達(dá)CG3時(shí)，開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)，K2迅速閉合，此時(shí)，中性段由β供電臂供電，完成了中性段的換相供電，等待機(jī)車駛出CG4時(shí)，開(kāi)關(guān)K2斷開(kāi)，即完成了自動(dòng)過(guò)分相，裝置又恢復(fù)到機(jī)車未計(jì)入分相區(qū)的原始狀態(tài)。其原理圖如圖1所示。

圖1 地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相原理圖

2 基于Matlab/Simulink過(guò)分相牽引電動(dòng)機(jī)仿真平臺(tái)

CRH2型高速動(dòng)車組通過(guò)受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線滑動(dòng)接觸，保持電氣連接，從接觸網(wǎng)上獲得電能，然后將將獲取的電能傳遞給車載牽引變壓器，車載牽引變壓器將27.5kV的電壓降壓、整流，變換成直流電；變流器再將整流后的直流電變換為驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)所需的三相交流電，牽引電動(dòng)機(jī)在三相交流電的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)車組高速運(yùn)行?；贛atlab/Simulink的地面開(kāi)關(guān)式自動(dòng)過(guò)分相牽引電動(dòng)機(jī)暫態(tài)仿真平臺(tái)如圖2所示。

圖2 過(guò)分相牽引電動(dòng)機(jī)暫態(tài)仿真模型

在圖2中，α供電臂與β供電臂均采用AT供電方式，自耦變壓器的參數(shù)為S=8.5MV· A ，R=0.2Ω，X=j0.9Ω，k=1。其中，T為接觸網(wǎng)，PF為正饋線，R為鐵軌。仿真框圖模擬電力機(jī)車從α供電臂供電駛?cè)毽鹿╇姳?，用斷路器的開(kāi)閉來(lái)模擬開(kāi)關(guān)K1、K2的閉合與斷開(kāi)。中性段線路等效電路由等效阻抗（Z1、Z2、Z3、Z4）和等效電容（C1、C2、C3、C4、C5、C6）組成，電力機(jī)車通過(guò)中性段無(wú)電區(qū)之后，進(jìn)入β相供電臂，在某個(gè)時(shí)刻合主斷路器，完成整個(gè)過(guò)分相過(guò)程。CRH2型動(dòng)車組三相鼠籠型異步牽引電動(dòng)機(jī)模型如圖3所示，型號(hào)為YQ-365，其中，額定功率 300kW，額定電壓，額定頻率140Hz，定子電阻R=0.114Ω，定子漏感LSσ=到1.4174mH，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.146Ω，轉(zhuǎn)子漏感Lrσ= 1.294mH，互感 Lm=32.848mH ，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，阻尼系數(shù)，極對(duì)數(shù)P=2，異步牽引電動(dòng)機(jī)模塊參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖3 三相鼠籠型異步牽引電動(dòng)機(jī)

3 過(guò)電壓暫降階段

在開(kāi)關(guān) K1斷開(kāi)，K2還沒(méi)來(lái)得及閉合的瞬間，中性線處于短暫的失電狀態(tài)，中性線的電壓從27.5kV逐漸降低，并接近于 0，電力機(jī)車未能從中性線上獲取電能，中性線電壓的變化經(jīng)車載牽引變壓器傳遞到牽引電動(dòng)機(jī)端，中性線電壓的暫降會(huì)引起牽引電動(dòng)機(jī)端電壓經(jīng)歷短暫的電壓暫降階段，當(dāng)電壓減小時(shí)，磁通相應(yīng)的減少，電磁轉(zhuǎn)矩減小，也就意味著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩減小，而負(fù)載的阻力矩是不變的，這時(shí)候電動(dòng)機(jī)將會(huì)減速，轉(zhuǎn)差率 s增大，中性線上的電壓如圖4所示。

圖4 中性線過(guò)電壓暫降波形

由于中性線電壓的暫降，經(jīng)過(guò)車載牽引變壓器的傳遞，勢(shì)必會(huì)影響牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓，導(dǎo)致?tīng)恳妱?dòng)機(jī)端電壓的暫降，從而影響牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在t=0.4s時(shí)，開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)的瞬間，牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速如圖5所示。

圖5 牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波形

如圖5所示，在t=0.4s時(shí)，由于牽引電動(dòng)機(jī)端電壓的暫降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之下降。

圖6 電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖7 定子三相電流

圖8 轉(zhuǎn)子三相電流

4 過(guò)電壓暫升階段

在開(kāi)關(guān)K2閉合的瞬間，中性區(qū)由α供電臂供電換相到β供電臂供電時(shí)，中性線上產(chǎn)生過(guò)電壓，強(qiáng)烈的暫態(tài)過(guò)電壓將對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，根據(jù)圖2和圖3搭建的仿真模型模擬電力機(jī)車在過(guò)分相工況下暫態(tài)電壓上升階段對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及其他相關(guān)電氣特性的影響變化情況。接觸網(wǎng)上的過(guò)電壓經(jīng)車載牽引變壓器的傳遞，車載牽引變壓器一次側(cè)電壓波形如圖9所示。

圖9 車載變壓器一次側(cè)電壓波形

過(guò)電壓經(jīng)車載牽引變壓器傳遞必將造成牽引電動(dòng)機(jī)端電壓的變化，從而對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形如圖10所示。

圖10 暫態(tài)電壓上升對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

由圖10可知，電力機(jī)車未進(jìn)入分相區(qū)的正常行駛階段，牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大約為 4000r/min，在t=0.5s由于開(kāi)關(guān)K2的閉合動(dòng)作，在暫態(tài)電壓的上升階段，隨著電壓驟然增大，電磁轉(zhuǎn)矩勢(shì)必增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也會(huì)在原有的基礎(chǔ)上增大。隨著電壓的上升，轉(zhuǎn)速達(dá)到了4300r/min。

圖11為電磁轉(zhuǎn)矩波形，從圖中看出，t在0～0.15s為牽引電動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增大，電磁轉(zhuǎn)矩也不端增大，一直到t=0.2s時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸降低，直至接近于0。

圖11 電磁轉(zhuǎn)矩波形

圖12 定子三相電流波形

圖13 轉(zhuǎn)子三相電流

5 結(jié)論

1）在中性線上的暫態(tài)過(guò)電壓下降階段，中性線上的電壓經(jīng)車載牽引變壓器的傳遞，導(dǎo)致?tīng)恳妱?dòng)機(jī)的端電壓略有下降。當(dāng)電壓減小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩減小，這時(shí)候電動(dòng)機(jī)將會(huì)減速，轉(zhuǎn)差率 s增大，電動(dòng)機(jī)的散熱效率下降，嚴(yán)重時(shí)可燒毀電動(dòng)機(jī)。

2）在中性線上的暫態(tài)過(guò)電壓上升階段，中性線上的電壓經(jīng)車載牽引變壓器的傳遞，導(dǎo)致?tīng)恳妱?dòng)機(jī)的端電壓略有上升。當(dāng)電壓增大時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變快，轉(zhuǎn)差率減小，轉(zhuǎn)子電流將減小，磁通增大。

3）在過(guò)分相過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)的分閘與合閘，將導(dǎo)致大量的諧波，對(duì)電網(wǎng)造成影響。

［1］冉旺，李雄，劉冰，等.地面自動(dòng)過(guò)分相中開(kāi)關(guān)切換的瞬態(tài)過(guò)程研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（11）：150-154，167.

［2］王雨，李鵬，顏罡，等.HXD1C電力機(jī)車自動(dòng)過(guò)分相控制［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2015（4）：42-44.

［3］李宗壘，劉明光，屈志堅(jiān)，等.電力機(jī)車過(guò)分相過(guò)電壓抑制新方法［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2013（5）：41-44，61.

［4］張楊，劉志剛.基于電磁暫態(tài)分析的高速鐵路牽引網(wǎng)諧波模型及諧波特性分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（5）：70-75.

［5］趙云，劉世琦，李曉明，等.考慮電磁暫態(tài)過(guò)程的大功率異步電機(jī)全壓起動(dòng)方法［J］.高電壓技術(shù)，2013，39（2）：464-473.

［6］張廣東，李欣然，李培強(qiáng).電力機(jī)車牽引電機(jī)負(fù)荷特性仿真研究［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2009（1）：21-24.

［7］朱熙，范瑜，呂剛，等.單邊盤式感應(yīng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型與轉(zhuǎn)矩分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（24）：69-74.

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

張楷翼（1988-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檐壍澜煌姎饣c自動(dòng)化，電力系統(tǒng)運(yùn)行分析與控制。