弓网系统滑动电接触特性

弓网系统接触电阻不仅是表征其电接触性能的重要指标,而且对弓网系统的受流质量和使用寿命有着重要影响。因此开展了不同牵引电流、运行速度和接触压力条件下的动态接触电阻试验,分析了上述3个因素对接触电阻的影响机理。研究表明:当接触压力小于100 N时,弓网系统接触电阻随着接触压力的增大而减小,当接触压力大于100 N时,接触电阻的变化趋于平缓;弓网系统接触电阻随着运行速度和牵引电流的增大而增大,且上升趋势较陡峭;在运行速度和牵引电流一定时,当接触压力大于80 N时,受电弓滑板的磨损量随着接触压力的增大而增大。     

弓网系统动态接触电阻数学模型的研究

弓网接触电阻是衡量弓网接触性能的重要指标,而接触压力、牵引电流和滑动速度是影响弓网接触电阻的重要因素。通过测试不同接触压力、牵引电流、滑动速度条件下的弓网动态接触电阻试验,阐明了弓网动态接触电阻随这3因素变化的趋势,并分析了它们的作用机制。研究表明:弓网动态接触电阻随滑动速度的增大而增大,且上升趋势逐渐加快;弓网动态接触电阻随牵引电流的增大而减小,且下降趋势逐渐趋于平缓;弓网动态接触电阻随接触压力的增大而减小,且下降趋势逐渐趋于平缓。根据试验结果和理论分析建立了弓网动态接触电阻关于接触压力、牵引电流和滑动速度的数学模型。经实验验证,该模型是有效的。     

波动载荷下弓网滑动电接触载流特性研究

为获取波动载荷下弓网滑动电接触载流特性,利用FCH-03型销盘式滑动电接触摩擦磨损试验机模拟弓网接触状态,进行强电流密度、不同速度与波动接触压力条件下的浸金属碳/铜对磨实验。根据实验数据获得载流效率、载流稳定性在不同条件下的特性规律,并针对影响受流的运行速度、接触电流、波动接触压力等因素作出深入的机理分析及电弧能量干扰相关性分析。研究表明:载流效率随接触压力振幅的增大而减小,随接触压力频率的增大呈较小的增大趋势。载流稳定性随接触压力振幅的增大而减小。低速时基本不随接触压力频率变化;高速时随接触压力频率增大呈先增大后减小。弓网离线及离线电弧是导致高速弓网系统载流质量下降的主要原因。     

弓网系统中滑动电接触受流效率的研究

利用自行设计的滑动电接触摩擦磨损实验机,在不同速度、电流、压力的条件下,对铜锡合金导线/浸铜碳滑板做摩擦磨损实验,结合实验数据绘出受流效率在不同条件下的曲线,并对影响受流效率的滑动速度、电流以及接触压力做出了理论分析。受流效率随着速度的增加逐渐降低,且在速度较小时,受流效率随接触压力增大的幅度较大。接触力在30~80N之间时,受流效率随电流增大而增大,而接触力在80~120N之间时,受流效率随电流增大而下降,总体趋势上受流效率随接触压力增大而增大。接触压力越大、给定电流越大,受流效率越高,而且当速度增大时,受流效率受电流的影响减小,此时速度为主要影响因素。     

波动载荷下弓网接触电阻特性及建模研究

接触电阻是衡量弓网系统受流稳定性、可靠性的重要指标。接触载荷是弓网的调优参数,其波动特性是影响接触电阻的关键因素。基于滑动电接触实验机,开展波动载荷条件下弓网接触电阻的特性研究。首先分析了接触电阻随滑动速度、接触电流、波动频率、波动幅值的变化关系,随后采用ε不敏感支持向量机建立波动载荷、接触电流、滑动速度与接触电阻之间的预测模型,并采用假设检验的方法验证了该模型的有效性。最后,依据所建立的接触电阻模型,在以假定接触电阻上界作为受流约束的算例中,采用可视化的方法分析了速度、电流工况的可行域分布,该方法对弓网的设计与优化具有指导意义。     

波动载荷下弓网滑动电接触失效研究

电力机车高速运行时,接触电流、压力波动和机车的运行速度均会影响弓网间的可靠接触。通过浸金属碳滑板与铜导线的对磨实验,得到接触电阻随接触电流、滑动速度、压力波动幅度和压力波动频率变化的特性规律。采用极限学习机(ELM)建立接触电阻与接触电流、滑动速度、压力波动幅度、压力波动频率的预测模型;综合考虑接触电阻和电流稳定系数,提出弓网滑动电接触失效判据。分析得出弓网接触失效机理:接触压力波动幅度和滑动速度增大使得弓网间摩擦振动加剧,接触电阻增大超过临界值,接触失效。在此基础上根据接触电阻概率分布建立失效概率模型,最后分析给出一定工况条件下弓网滑动电接触的失效概率。     

高速铁路弓网接触电动力特性

弓网接触压力是弓网系统动态性能的核心参数,弓网电动力是弓网接触压力的一部分,而国内外缺乏关于弓网电动力的研究。因此分析了由弓网电接触引起的弓网接触电动力的机理,考虑了弓网结构及受电弓运动的影响,然后结合滑板–接触线的电气机械材料及几何特性,利用有限元方法分析了拉出值、牵引电流和接触线往复运动等因素对弓网接触电动力的影响,并论证了模型的有效性。结果表明:牵引电流是弓网接触电动力的主导因素,接触线拉出值和接触线往复运动对弓网接触电动力的影响很小;牵引电流I=4kA时,弓网接触电动力可达10.3 N,为弓网接触压力的10%以上;弓网接触电动力随着弓网接触压力提升而减小。     

波动载荷下弓网动态接触电阻特性研究

在实际的列车运行过程中压力载荷是以正弦形式波动变化,波动载荷对弓网系统中的接触电阻特性有重要影响。文中利用销盘式高速载流摩擦磨损实验机模拟弓网系统中的压力波动状态,研究了波动载荷、滑动速度和接触电流对动态接触电阻特性的影响,结合表面形貌对其变化规律产生的原因进行了分析。结果表明:载流滑动接触且压力波动频率一定时,动态接触电阻随压力波动幅度的增大先减小后增大;压力波动幅度一定时,动态接触电阻随压力波动频率的增大而缓慢增大;波动载荷条件下,动态接触电阻随滑动速度的增大而逐渐增大,随接触电流的增大而逐渐减小。高温电弧和接触温升是导致动态接触电阻变化的主要原因。     

弓网滑动电接触电磁热力耦合效应研究进展

为电力机车提供牵引动力的受电弓滑板与接触网导线是典型的滑动电接触摩擦副，二者在工作中存在电、磁、热、力多场耦合效应，复杂的多场耦合作用将影响弓网的受流质量和摩擦磨损性能，开展电气化铁路弓网接触多物理场耦合效应研究，对降低弓网运行维护成本，提高受电弓滑板和接触网导线使用寿命等具有重要意义。该文重点归纳总结了近些年来弓网系统在电、磁、热、力多场效应下的相关研究进展。结合列车实际运行工况，综述了弓网接触电阻、电弧、接触温度、电磁力和压力载荷等因素对弓网载流摩擦磨损性能的影响规律，针对多物理场作用下研究中存在的问题与不足，提出进一步研究和完善的意见。在此基础上，从提高弓网滑动电接触性能、保障列车安全稳定运行角度，采用弓网接触电阻、燃弧率及接触温度对电接触性能的评价进行阐述和探讨，以期对弓网电接触行为进行合理预测与评估，为进一步研究弓网滑动电接触多场耦合效应提供参考。     

弓网系统滑动电接触区域温度场仿真

弓网系统滑动电接触区域的高温会使摩擦副材料的磨损加剧并影响系统的受流质量,严重时甚至发生接触线断线事故。针对弓网系统受流摩擦下接触区域温度,研究弓网系统的温度场,进一步发现影响温度变化的因素。利用COMSOL仿真软件对弓网系统进行仿真,建立三维立体有限元模型,通过实验测得的数据验证了仿真模型的准确性,得出电流、压力、速度和滑板材料对接触区域的温度影响,接触区域温度随电流与速度的增加而升高,随压力的增大呈现U型变化,为弓网系统温度分析提供理论支持。     

波动载荷和电流作用下的弓网摩擦力模型研究

电气化铁路中接触网与受电弓良好的接触是列车安全可靠运行的前提条件,而弓网的接触是载流条件下的摩擦接触,因此有必要对其摩擦接触进行深入研究。文中通过滑动电接触实验机,开展不同工况(压力波动幅度、压力波动频率、接触电流、滑动速度)条件下的弓网滑动电接触摩擦力研究。研究表明:作用于滑板上的接触电流增大时,弓网间的滑动摩擦力随之减小;压力波动幅度和滑动速度增大时,弓网间的摩擦力也随之增大;压力波动频率对弓网摩擦力的影响极小。利用曲线估计的基本思想,优选出最能表达压力波动幅度、接触电流、滑动速度各参量对弓网间滑动摩擦力影响的单一因素数学模型;在此基础上,通过多元回归方法建立压力波动载荷和电流作用下的弓网摩擦力模型并验证模型的有效性。     

高速铁路受电弓概况

通过对国内外现有受电弓性能的分析，提出了应开发主动受电弓。为改善弓网动态特性，使受电弓对于接触网具有良好的跟随性，减少离线和拉弧，必须减少弓网间接触力的波动，使之在一定的范围内变化。提出在受电弓集电头和底座上安装执行机构，通过传感器返回弓网接触力，与估计力的差值作为控制的输入去控制受电子的位移。同时也介绍了受电弓主动控制的思想，模型及弓网接触力的受力方案。弓网间受车一般设定为力作用在受电弓集电头上，与执行机构配合作用去按制受电弓，达到主动控制的目的。     

基于伺服模型的受电弓LQR控制

受电弓滑板与接触网导线间的接触力是衡量弓网系统受流质量的重要指标,为减小弓网接触力波动,针对弓网归算质量模型,建立弓网接触力的伺服控制模型,基于此,设计弓网接触力的线性二次型调节器。固定控制量加权矩阵,通过分析误差加权矩阵与接触力波动方差的关系得到合适的误差惩罚矩阵。为减小在线计算量,基于线性矩阵不等式采用增益规划法在多个操作时间点上得到定常的反馈增益矩阵并存储用于实时调用。仿真对比结果表明,基于伺服模型的受电弓线性二次型最优调节器能有效减小弓网接触力波动,改善弓网受流质量。     

基于 SOA-SVM 的弓网电弧识别方法

受电弓-接触网作为牵引供电系统的重要组成部分关系着高速列车的安全与稳定,及早的对弓网电弧进行识别对于保 障列车稳定运行具有十分重要的意义。 通过计算更符合列运实际的“Z”字摩擦速率并对列车的运行时速、接触压力及接触电 流依次进行单变量调整,模拟了 4 种不同工况的弓网受流实验。 基于实验数据,从特征供给和参数优化两方面出发:首先,利用 D-score 评估准则对电流特征进行对比,筛选出电弧识别特征及其显著区间;其次,设计样本定容环节考察特征信息的完备性; 最后,利用海鸥算法( seagull optimization algorithm,SOA)优化支持向量机( support vector machine,SVM)对弓网电弧建模识别。 经测试结果与对比分析得出,SOA-SVM 能够快速、有效的对弓网电弧建模识别,平均识别水平达 98. 5%、总体识别水平在 97% 以上。     

弓网电弧电气特性试验研究

利用自行研制的弓网电弧试验系统,测试了弓网电弧的电气参量。通过对弓网电弧的电气特征试验分析发现,弓网系统燃弧时,电弧电压、电流存在着较大的直流分量,谐波成分丰富;起弧瞬间电流具有较大的过冲,弓网两端电压迅速下降;在电弧稳定燃烧时,电弧电压值相对较稳定,电流呈正弦规律变化。     

Computer Evaluation of Overhead Equipment for Electric Railroad Traction

The mathematical models and associated computer programs for analyzing a number of designs of overhead equipment such as simple catenary, compound catenary, stitched catenary, tunel equipment, and single-wire system, together with many possible variations are described. The programs are able to deal with up to four pantographs, and the initial conditions assumed are that the wires have their static equilibrium configurations and that the front pantograph is at the beginning of the first span touching the contact wire (or trolley wire) and moving tangentially to it. Any subsequent pantographs reach the beginning of the equipment after the start of the run and are then dealt with appropriately. The output of the programs list the input data, the total percentage contact loss between the panhead and contact wire in each span and the pantograph heights and contact forces at appropriate intervals of time. Graph plots of the pantograph heights and contact forces are also produced. The results of these programs are shown to give satisfactory agreement with previously published results obtained on a scaled model.     

降雨环境下弓网电弧动态特性研究

弓网电弧的危害严重阻碍了高速铁路的发展,恶劣的环境条件会促使弓网离线电弧频发,造成滑板和接触网导线磨耗加剧,受流质量下降。为提高高速铁路运行的安全性和稳定性,研究了降雨条件下弓网电弧运行动态特性。基于自制的弓网电弧实验系统,分别采集正常运行、小雨(降雨量30 g)及大雨(降雨量150 g)环境下电流电压波形,并利用高速摄像机拍摄弓网电弧图像。研究结果表明,工况条件一定时,降雨环境下弓网电弧被拉伸,呈现不规则状态,电弧面积和周长增大,且小雨环境下电弧周长和面积最大;降雨环境使电流纹波加重,零休时间变长,电弧尖峰电压增大,缩短了弓网电弧燃弧时间,提高了电弧发生率,其中小雨环境变化最为明显;降雨环境下电弧功率增大,电弧最小电阻值出现在电流峰值附近,且较无雨环境电弧最小电阻值增大。     

Localization of the current of commutator traction motors in constant operation modes of electric stock

A problem of evaluating the possibility of a proposed devise to limit motor current when supply voltage is restored after a short period of separation of a pantograph from a contact wire is formulated. An analysis of the transient processes in the circuits of the traction commutator motors under transient operation modes of the electric stocks and the current limiter in the course of voltage recovery on the pantograph after its separation from the contact wire, the assessment of the variants of feeding the excitation winding; calculation of the parameters of the proposed current limiters; development of variants of computer models; and investigation of the transient processes in the traction motor chain at the supply voltage recovery are carried out in the present article. The effect of excitation winding feeding on the additional power source, as well as the area of possible limitation and exclusion of the motor current inrushes I the course of voltage source recovery, are estimated. The variants of the discharge of the storage element on the excitation winding and the relationships between the capacitor parameters depending on the required value of the winding voltage are considered. A method of controlling excitation winding current from an independent source is implemented. The use of the method and the protection device allows one to increase the commutation resistance of the traction motors at the inrushes or the voltage recovery after loss of the contact of the pantograph with the contact wire, to decrease the possible commutation violation, and to reduce the number of failures.     

高速电气化铁路中的弓网电弧现象研究综述

高速电气化铁路弓网系统中的电弧已经成为制约我国高速铁路发展的技术瓶颈。笔者论述了电弧对接触导线、受电弓滑板、通讯信号、无线电信号和供电质量等的危害,从电弧产生的机理和特征、电弧模型、电弧能量、电弧侵蚀和载流摩擦磨损方面综述了相关电弧问题的研究现状,为深入开展弓网电弧现象、机理及抑制措施的研究打下了基础。     

一种应用于动车组牵引变流器控制的变压器直流偏磁抑制方法

动车组(EMU)牵引供电系统采用25 kV单相牵引变压器从接触网取电,EMU运行过程中的弓网离线、功率器件的非线性特性、硬件电路和控制系统的不对称性等,均会引起直流分量通过电气回路注入车载牵引变压器,引起变压器的直流偏磁。通过将比例-积分-谐振(PIR)控制应用于电流内环控制器,同时实现正弦信号的稳定跟踪和直流分量的抑制。仿真和硬件在环的半实物仿真结果验证了该控制策略的有效性。