地铁动车牵引传动系统分析、建模及优化

摘要

地铁动车牵引传动系统是车体和车辆的核心，是车辆国产化的重点和难点。论文分析了地铁动车独特的轮轨粘着特性和牵引电机负载特性，完整而准确的建立了地铁动车牵引传动系统模型，深入研究了再粘着优化控制和牵引电机并联控制策略，并针对牵引电传动系统设计中的核心问题：“车辆牵引/制动特性曲线设计”、“变流器与牵引电机合理匹配”、“牵引电机额定转差率设计”等，提出了与之相应的优化设计方法，获得了以下成果。
　　 地铁动车一般采用的架控模式，论文建立了“双轴模型”进行粘着控制研究，在分析传统防滑/防空转策略不足的基础上，提出一种基于全维状态观测器的再粘着优化控制方法。通过恰当的极点配置，使得观测器具有良好的稳定性和收敛性，在此基础上针对机械参数变化和负载扰动对控制系统性能进行研究，结果表明所提出的再粘着优化控制满足地铁实际应用需求。为深入地研究牵引特性和车体动力性能，借助MATLAB工具，建立了地铁动车牵引传动系统模型，并进行了各种工况仿真，结果表明再粘着优化控制方法达到了理想的控制效果。
　　 地铁架控模式下并联运行的牵引电机存在转矩不平衡，牵引转矩大的动轴常因超出粘着极限而发生空转/打滑，论文分析了产生不平衡的原因，推导出转矩不平衡度与动轮轮径差、电机转差率三者之间的数学关系，基于再粘着优化控制，提出一种带励磁补偿的电机并联优化控制方法：根据轮径差值大小及网压、车速等适当降低电机控制的励磁给定，从而增大转差频率(转差率)，降低电机间的转矩不平衡，最后进行了仿真研究和试验。
　　 为设计节能型地铁列车，总结出一种地铁车辆牵引/制动特性曲线的设计方法，在满足列车可用粘着校核以及不降低列车动力性能的前提下，通过牵引控制充分利用车辆电气制动再生回馈电能，减少闸瓦磨损和“二次能耗”。技术经济分析的结果表明，车辆制动特性曲线优化可达到节能降噪的目的。
　　 与干线铁路机车不同，地铁列车具有负载断续及短时过载的特点，论文总结出一种适用于地铁牵引变流器与牵引电机“系统匹配”的方法：在动车牵引传动系统设计之初，以车辆特性曲线为依据，变流器的容量参考电机制动峰值功率来设计，而牵引电机则按照“小电机匹配”方式来选择额定点的最大转矩倍数(颠覆转矩)，更加强调变流器的安全裕度及电机容量的充分利用。综合考虑地铁动车牵引传动系统设计、电机并联优化控制和易于维护等因素，提出了牵引电机额定转差率的设计方法，并进行的牵引电机特性试验。
　　 研制了一套适用于地铁B型车的牵引变流器，对主电路、控制系统、监控界面和牵引计算软件等进行了详细的设计，对牵引特性、电机矢量控制和变流器温升等进行了试验，并对试验结果进行了分析。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 引言

1.1 研究的背景和意义

1.2 研究的方法和现状

1.2.1牵引电传动系统模型

1.2.2牵引变流器控制

1.2.3 牵引系统设计与优化

1.3 论文的主要工作

2 基于再粘着优化控制的地铁动车牵引传动系统分析与建模

2.1 再粘着优化控制(Re-adhesion Optimization Control)

2.1.1 轮轨粘着机理和“双轴模型”

2.1.2 基于全维状态观测器的再粘着优化控制

2.2“架控”牵引电机的负载

2.3 牵引传动主电路

2.4 基于再粘着优化控制的地铁牵引传动系统建模

2.5 仿真研究与试验

2.6 本章小结

3 地铁“架控”牵引电机并联控制

3.1 转矩不平衡的影响因素及危害

3.1.1 轮径差异

3.1.2 特性差异

3.1.3 车速大小

3.1.4 架控电机间转矩平衡的危害

3.2 转差率、轮径差与转矩不平衡度

3.3 基于再粘着优化控制和带励磁补偿的电机并联控制方法

3.3.1 再粘着优化控制模块

3.3.2 励磁补偿环节

3.3.3 电机控制模块

3.3.4 参考转子角速度发生器模块

3.4 仿真与试验

3.5 本章小结

4 地铁牵引传动系统设计优化

4.1 车辆制动特性曲线优化设计

4.1.1 问题的提出

4.1.2 牵引变流器安全裕量分析

4.1.3 节能效果的技术经济分析

4.2 地铁牵引变流器与牵引电机匹配

4.2.1 地铁车辆牵引/制动特性曲线的设计方法

4.2.2 变流器与牵引电机的匹配方式

4.2.3 地铁牵引变流器-牵引电机的“系统匹配”

4.3 牵引电机额定参数的设计

4.3.1 额定转差率

4.3.2 额定功率、转速、电压和颠覆转矩

4.3.3 电机参数对比及特性试验

4.4 本章小结

5 地铁B型车牵引变流器研制及试验结果分析

5.1 地铁B型车牵引变流器研制

5.2 牵引计算及曲线模拟

5.2.1 软件编制

5.2.2 曲线模拟

5.3 试验结果分析

5.3.1 牵引特性试验

5.3.2 矢量控制试验

5.3.3 温升试验

5.4 本章小结

6 结论与展望

参考文献

附录A 牵引变流器CNAS认证附图

附录B 公式符号表

作者简历

学位论文数据集