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原文传递弓网滑动接触的电磁暂态与热特性及控制研究

论文题名：	弓网滑动接触的电磁暂态与热特性及控制研究
关键词：	动车组;弓网滑动接触;车网耦合;电磁暂态;电流分布
摘要：	自耦变压器(Auto Transformer，简称AT)牵引网和动车组的建模是解决车网关系问题的重要基础，现有技术没有全面解决车和网联合仿真中的简易性和真实性问题;接触电阻和弓网温升建模是弓网关系电接触特性的核心问题，现有的研究更依赖于实测和实测数据的拟合;主动式受电弓可以有效降低弓网离线电弧离线率，有效改善弓网受流质量，但由电机驱动的受电弓主动控制装置尚不多见。本文综合运用理论建模、仿真分析、实验研究的方法，主要解决车网耦合、热电耦合、主动式受电弓的基础性建模问题，主要结论如下: 　　1.为研究弓网滑动接触的过电压与电流分布问题，本文建立了将接触线与承力索分开的单线AT牵引网电气模型，可以计算承力索和吊弦的电流;建立含牵引计算的CRH2动车组牵引传动系统的综合等值模型，对整流器详细建模，将逆变器及其负载进行等值，考虑了起动和运行工况，该模型在真实模拟牵引工况的同时，简化了计算。通过车网耦合模型证明了考虑牵引特性时，在网侧列车可视为非线性负荷，其稳态具有弱容性特点。　　2.基于上述车网耦合模型，分析单线AT牵引网距离牵引变电所10km范围内的电压电流分布以及车载过分相过电压全过程电磁暂态，研究表明:靠近牵引变电所的第一根吊弦、列车所在处的吊弦以及与AT所最近的吊弦上的电流不能忽略，这三处吊弦的发热问题以及机械性能应加强计算;AT所的钢轨电流对轨道电路的影响应高度重视;CRH2工作在单线AT上时，不用加装限制过分相过电压的措施。　　3.为研究弓网滑动接触性能，本文推导了弓网静态接触电阻理论最小值的计算公式，用于弓网静态接触性能的理论估算;提出摩擦系数为常数时的弓网动态接触电阻理论计算公式，该公式考虑了动态接触力变化，不需要实测的拟合参数。通过上述模型的对比分析表明:弓网动态接触电阻远大于弓网静态接触电阻;在额定工况附近，动态接触电阻为毫欧级;在升降弓时，动态接触电阻较大，为欧姆级。　　4.为提供一套完整的用于弓网滑动接触温度场计算的系统化理论分析方法，本文建立了弓网电流温升、接触温升和电弧温升的暂、稳态热传导方程，考虑对流换热和热辐射的作用，得到相应条件下的解析解，分析对流换热系数、电流、接触面积等因素对温升分布的影响;通过有限元仿真模型，验证了理论模型的正确性。基于该模型得到:在正常工况下，弓网系统的电流温升都在热稳定范围之内，但特殊工况使吊弦过流时，吊弦容易发生软化、断线;建议弓网离线电弧的判据从严考虑，单次离线的时间应该在10ms之内，尽量避免出现持续100ms以上的大离线，对于出现大离线较频繁的区域，应加装受电弓主动控制装置。本套模型作为一种通用方法，可以为现场弓网温度检测提供理论指导。　　5.为研究弓网离线电弧物理性质与弓网滑动接触规律，本文研制刚性和柔性两套弓网离线电弧发生装置，进行电气、光学、力学、热传导等不同物理量的测量。结果表明:弓网运动电弧比静止电弧的谐波多且以三次谐波为主，其直流成分已不能忽视;弓网运动电弧比静止电弧更容易发生电弧重燃，重燃过电压数值也较大。　　6.为改善弓网滑动接触性能、提高弓网受流质量，本文建立二阶弓网耦合状态方程，利用李雅普诺夫稳定性理论设计了模型参考自适应控制策略，仿真结果表明:与不加控制相比，弓头位移和接触力的波动范围都明显减少，其稳态和暂态运行指标得到了明显的改善。研制主动式受电弓的模拟实验装置，测试结果表明了该装置的有效性。　　本文建立的车网耦合、热电耦合分析方法将有助于解决车网匹配等实际问题，将使目前弓网系统温度检测偏重实测研究转向定量的理论分析，二者的有机结合将更好地服务于铁路供电6C系统的建设。本文设计的主动式受电弓模拟试验平台，用电机控制取代实际液压传动气缸控制，具有明显的速度优势。相信随着相关技术的发展与完善，该方法必将成为改善弓网关系的重要手段。
作者：	李华伟
专业：	电力系统及其自动化
导师：	范瑜
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文