張楷翼 盛義發(fā) 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(tài)特性研究

張楷翼 盛義發(fā) 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(tài)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(guān)自動過分相開關(guān)的合閘與分閘所產(chǎn)生的過電壓，利用 Matlab/Similink搭建了地面開關(guān)式自動過分相牽引電動機暫態(tài)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(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)一個電分相，在高速線路上，每小時要通過十幾個分相區(qū)，電力機車通過分相區(qū)時，接觸網(wǎng)和電力機車構(gòu)成的電路拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引發(fā)電力機車過分相暫態(tài)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(fā)牽引電動機的暫態(tài)過程，牽引電動機的暫態(tài)特性關(guān)系到整個列車的運行安全。因此，對牽引電動機的暫態(tài)特性研究具有重要的意義。目前，針對機車過分相的暫態(tài)過程［1-3］和牽引電動機的暫態(tài)過程［5-7］已經(jīng)有了大量的研究，然而，將兩者結(jié)合起來利用過分相來分析牽引電動機暫態(tài)過程的研究較少。本文通過在過分相工況下的暫態(tài)過程來分析其對牽引電動機的影響。

1 地面開關(guān)式自動過分相原理圖

假設(shè)電力機車從α相駛向β相，當機車到達CG1時，開關(guān)K1閉合，中心線由α供電臂供電，等待機車到達CG3時，開關(guān)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(guān)K2斷開，即完成了自動過分相，裝置又恢復(fù)到機車未計入分相區(qū)的原始狀態(tài)。其原理圖如圖1所示。

圖1 地面開關(guān)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(wǎng)導(dǎo)線滑動接觸，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(qū)動下轉(zhuǎn)動，帶動動車組高速運行?；贛atlab/Simulink的地面開關(guān)式自動過分相牽引電動機暫態(tài)仿真平臺如圖2所示。

圖2 過分相牽引電動機暫態(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車從α供電臂供電駛?cè)毽鹿╇姳?，用斷路器的開閉來模擬開關(guān)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(qū)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(zhuǎn)子電阻Rr=0.146Ω，轉(zhuǎn)子漏感Lrσ= 1.294mH，互感 Lm=32.848mH ，轉(zhuǎn)動慣量，阻尼系數(shù)，極對數(shù)P=2，異步牽引電動機模塊參數(shù)設(shè)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(guān) 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(tài)，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(jīng)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(jīng)歷短暫的電壓暫降階段，當電壓減小時，磁通相應(yīng)的減少，電磁轉(zhuǎn)矩減小，也就意味著電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jīng)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(dǎo)致牽引電動機端電壓的暫降，從而影響牽引電動機的轉(zhuǎn)速，在t=0.4s時，開關(guān)K1斷開的瞬間，牽引電動機轉(zhuǎn)速如圖5所示。

圖5 牽引電動機轉(zhuǎn)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(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 過電壓暫升階段

在開關(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，中性線上產(chǎn)生過電壓，強烈的暫態(tài)過電壓將對牽引電動機的轉(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車在過分相工況下暫態(tài)電壓上升階段對牽引電動機的轉(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

過電壓經(jīng)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(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，牽引電動機轉(zhuǎn)速仿真波形如圖10所示。

圖10 暫態(tài)電壓上升對牽引電動機轉(zhuǎn)速的影響

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

圖11為電磁轉(zhuǎn)矩波形，從圖中看出，t在0～0.15s為牽引電動機起動階段，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，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)致牽引電動機的端電壓略有下降。當電壓減小時，電磁轉(zhuǎn)矩減小，這時候電動機將會減速，轉(zhuǎn)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(tài)過電壓上升階段，中性線上的電壓經(jīng)車載牽引變壓器的傳遞，導(dǎo)致牽引電動機的端電壓略有上升。當電壓增大時，電磁轉(zhuǎn)矩增大，電動機轉(zhuǎn)速變快，轉(zhuǎn)差率減小，轉(zhuǎn)子電流將減小，磁通增大。

3）在過分相過程中，由于開關(guān)的分閘與合閘，將導(dǎo)致大量的諧波，對電網(wǎng)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(tǒng)運行分析與控制。