CRH2型動車組過分相牽引電動機暫態特性研究

張楷翼 盛義發 李永勝

（南華大學電氣工程學院，湖南 衡陽 421001）

CRH2型動車組過分相牽引電動機暫態特性研究

張楷翼 盛義發 李永勝

（南華大學電氣工程學院，湖南 衡陽 421001）

為了研究牽引電動機在過分相時的暫態特性，以CRH2型動車組YQ-365型牽引電動機為研究對象，針對地面開關自動過分相開關的合閘與分閘所產生的過電壓，利用 Matlab/Similink搭建了地面開關式自動過分相牽引電動機暫態特性仿真實驗平臺，研究了過分相工況下牽引電動機電氣特性變化情況。

電氣化鐵路；過分相；牽引電動機；暫態特性

隨著列車提速及高速電氣化鐵路的發展，電氣化鐵路每 20～30km就設一個電分相，在高速線路上，每小時要通過十幾個分相區，電力機車通過分相區時，接觸網和電力機車構成的電路拓撲結構發生改變，引發電力機車過分相暫態過程。牽引電動機作為電力機車的核心部件之一，電力機車頻繁的過分相引發牽引電動機的暫態過程，牽引電動機的暫態特性關系到整個列車的運行安全。因此，對牽引電動機的暫態特性研究具有重要的意義。目前，針對機車過分相的暫態過程［1-3］和牽引電動機的暫態過程［5-7］已經有了大量的研究，然而，將兩者結合起來利用過分相來分析牽引電動機暫態過程的研究較少。本文通過在過分相工況下的暫態過程來分析其對牽引電動機的影響。

1 地面開關式自動過分相原理圖

假設電力機車從α相駛向β相，當機車到達CG1時，開關K1閉合，中心線由α供電臂供電，等待機車到達CG3時，開關K1斷開，K2迅速閉合，此時，中性段由β供電臂供電，完成了中性段的換相供電，等待機車駛出CG4時，開關K2斷開，即完成了自動過分相，裝置又恢復到機車未計入分相區的原始狀態。其原理圖如圖1所示。

圖1 地面開關式自動過分相原理圖

2 基于Matlab/Simulink過分相牽引電動機仿真平臺

CRH2型高速動車組通過受電弓滑板與接觸網導線滑動接觸，保持電氣連接，從接觸網上獲得電能，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動牽引電動機所需的三相交流電，牽引電動機在三相交流電的驅動下轉動，帶動動車組高速運行。基于Matlab/Simulink的地面開關式自動過分相牽引電動機暫態仿真平臺如圖2所示。

圖2 過分相牽引電動機暫態仿真模型

在圖2中，α供電臂與β供電臂均采用AT供電方式，自耦變壓器的參數為S=8.5MV· A ，R=0.2Ω，X=j0.9Ω，k=1。其中，T為接觸網，PF為正饋線，R為鐵軌。仿真框圖模擬電力機車從α供電臂供電駛入β供電臂，用斷路器的開閉來模擬開關K1、K2的閉合與斷開。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，電力機車通過中性段無電區之后，進入β相供電臂，在某個時刻合主斷路器，完成整個過分相過程。CRH2型動車組三相鼠籠型異步牽引電動機模型如圖3所示，型號為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，轉子電阻Rr=0.146Ω，轉子漏感Lrσ= 1.294mH，互感 Lm=32.848mH ，轉動慣量，阻尼系數，極對數P=2，異步牽引電動機模塊參數設置見表1。

圖3 三相鼠籠型異步牽引電動機

3 過電壓暫降階段

在開關 K1斷開，K2還沒來得及閉合的瞬間，中性線處于短暫的失電狀態，中性線的電壓從27.5kV逐漸降低，并接近于 0，電力機車未能從中性線上獲取電能，中性線電壓的變化經車載牽引變壓器傳遞到牽引電動機端，中性線電壓的暫降會引起牽引電動機端電壓經歷短暫的電壓暫降階段，當電壓減小時，磁通相應的減少，電磁轉矩減小，也就意味著電動機的轉矩減小，而負載的阻力矩是不變的，這時候電動機將會減速，轉差率 s增大，中性線上的電壓如圖4所示。

圖4 中性線過電壓暫降波形

由于中性線電壓的暫降，經過車載牽引變壓器的傳遞，勢必會影響牽引電動機的端電壓，導致牽引電動機端電壓的暫降，從而影響牽引電動機的轉速，在t=0.4s時，開關K1斷開的瞬間，牽引電動機轉速如圖5所示。

圖5 牽引電動機轉速波形

如圖5所示，在t=0.4s時，由于牽引電動機端電壓的暫降，電動機的轉速隨之下降。

圖6 電磁轉矩波形

圖7 定子三相電流

圖8 轉子三相電流

4 過電壓暫升階段

在開關K2閉合的瞬間，中性區由α供電臂供電換相到β供電臂供電時，中性線上產生過電壓，強烈的暫態過電壓將對牽引電動機的轉速產生影響，根據圖2和圖3搭建的仿真模型模擬電力機車在過分相工況下暫態電壓上升階段對牽引電動機的轉速及其他相關電氣特性的影響變化情況。接觸網上的過電壓經車載牽引變壓器的傳遞，車載牽引變壓器一次側電壓波形如圖9所示。

圖9 車載變壓器一次側電壓波形

過電壓經車載牽引變壓器傳遞必將造成牽引電動機端電壓的變化，從而對牽引電動機的轉速產生影響，牽引電動機轉速仿真波形如圖10所示。

圖10 暫態電壓上升對牽引電動機轉速的影響

由圖10可知，電力機車未進入分相區的正常行駛階段，牽引電動機的轉速大約為 4000r/min，在t=0.5s由于開關K2的閉合動作，在暫態電壓的上升階段，隨著電壓驟然增大，電磁轉矩勢必增大，電動機轉速也會在原有的基礎上增大。隨著電壓的上升，轉速達到了4300r/min。

圖11為電磁轉矩波形，從圖中看出，t在0～0.15s為牽引電動機起動階段，隨著轉速的不斷增大，電磁轉矩也不端增大，一直到t=0.2s時，隨著轉速趨于穩定，電磁轉矩逐漸降低，直至接近于0。

圖11 電磁轉矩波形

圖12 定子三相電流波形

圖13 轉子三相電流

5 結論

1）在中性線上的暫態過電壓下降階段，中性線上的電壓經車載牽引變壓器的傳遞，導致牽引電動機的端電壓略有下降。當電壓減小時，電磁轉矩減小，這時候電動機將會減速，轉差率 s增大，電動機的散熱效率下降，嚴重時可燒毀電動機。

2）在中性線上的暫態過電壓上升階段，中性線上的電壓經車載牽引變壓器的傳遞，導致牽引電動機的端電壓略有上升。當電壓增大時，電磁轉矩增大，電動機轉速變快，轉差率減小，轉子電流將減小，磁通增大。

3）在過分相過程中，由于開關的分閘與合閘，將導致大量的諧波，對電網造成影響。

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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

張楷翼（1988-），男，碩士研究生，研究方向為軌道交通電氣化與自動化，電力系統運行分析與控制。