機(jī)車車輛傳動與控制

1、機(jī)車車輛傳動與控制課程復(fù)習(xí)資料一、名詞解釋：1.電阻制動2.(相控電力機(jī)車)恒壓控制3.(相控電力機(jī)車)速度控制4.(相控電力機(jī)車)中央控制單元5.(相控電力機(jī)車)傳動控制單元6.(相控電力機(jī)車)邏輯控制單元7.電壓型牽引變流器8.電流型牽引變流器9.兩電平式逆變器10.(異步牽引電動機(jī))恒磁通調(diào)速11.(異步牽引電動機(jī))恒功率調(diào)速12.間接矢量控制二、簡答題：1.試分析并聯(lián)運(yùn)行時(shí)串勵(lì)牽引電動機(jī)、并勵(lì)牽引電動機(jī)的負(fù)載分配情況。2.簡述直流牽引電動機(jī)的調(diào)速方式。3.分析相控電力機(jī)車傳動系統(tǒng)電氣線路的類型及作用。4.電力機(jī)車的相控調(diào)壓方式選擇原則是什么？5.電阻制動受哪些因素影響？6.什么是加饋制

2、動？簡述加饋電阻制動的作用與過程。7.簡述影響相控電力機(jī)車牽引特性的主要因素及牽引特性的工作范圍。8.簡述我國干線相控電力機(jī)車主電路的基本技術(shù)特征。9.簡述相控電力機(jī)車輔助電路的組成及其功能。10.簡述電力牽引交流傳動技術(shù)組成。11.簡述交流傳動列車牽引特性及控制策略。12.簡述牽引變流器的類型及特點(diǎn)。13.簡述四象限脈沖整流器的基本工作原理。14.簡述電壓型四象限脈沖整流器的特征。15.簡述三電平式脈沖整流器PWM控制原理。16.簡述牽引變流器中間直流儲能環(huán)節(jié)的的作用和組成。17.分析矢量控制的基本思想。18.分析轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型的基本工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。19.分析直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想及控制

3、方法。20.直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)與矢量控制(VC)在控制方法上有何異同？三、綜合分析題：1.試分析SS8型電力機(jī)車整流調(diào)壓電路工作方式、調(diào)壓過程及其磁場削弱電路的工作過程。2.試分析電動車組(EMU)的牽引特性與控制策略。第16頁共16頁機(jī)車車輛傳動與控制課程復(fù)習(xí)資料參考答案一、名詞解釋：1.電阻制動：電阻制動屬動力制動，是利用電機(jī)的可逆原理，將牽引電動機(jī)改為他勵(lì)發(fā)動機(jī)運(yùn)行，將列車的慣性能量轉(zhuǎn)化為電能的一種非摩擦制動方式，在動力軸上產(chǎn)生與列車運(yùn)行方向相反的阻力性轉(zhuǎn)矩，阻礙列車運(yùn)行，對列車實(shí)施制動。電阻制動將發(fā)電機(jī)輸出的電能消耗在制動電阻上，以熱能的形式散失掉。2.(相控電力機(jī)車)恒壓控制：所

4、謂恒電壓控制是指機(jī)車運(yùn)行中，維持牽引電動機(jī)的端電壓不變，也就是整流電壓按某一指令值維持不變的控制，其控制原理如圖所示。恒壓控制的實(shí)質(zhì)是用自動調(diào)節(jié)的辦法，補(bǔ)償了整流器內(nèi)阻的電壓降。恒電壓控制方式在日本的機(jī)車上運(yùn)用得比較廣泛，因?yàn)楹汶妷嚎刂朴休^硬的牽引特 性，所以有較好的再黏著性能。恒電壓控制原理圖3.(相控電力機(jī)車)速度控制：速度控制是采用速度反饋，使機(jī)車速度按一定規(guī)律變化的控制。通常使用的是準(zhǔn)恒速控制。恒速控制原理如圖1所示，恒速控制可通過電動機(jī)電壓的控制和磁場削弱(僅當(dāng)采用無級磁削時(shí))來達(dá)到。恒速控制的牽引特性如圖2中的虛線所示，它是一組平行于縱軸的直線，其值隨速度指令值變化。從牽引特性可知

5、，只要速度有微小的變化，牽引力就會產(chǎn)生很大的波動，這是不希望的。因而往往采用圖中實(shí)線的形式，即準(zhǔn)恒速控制。圖1恒速控制原理圖 圖2恒速與準(zhǔn)恒速控制的牽引特性4.(相控電力機(jī)車)中央控制單元：中央控制單元（CCU）負(fù)責(zé)機(jī)車重聯(lián)控制、MVB管理、WTB控制和故障診斷。CCU根據(jù)司機(jī)的指令以及機(jī)車的狀態(tài)信息，經(jīng)過邏輯處理后，形成控制命令并發(fā)布到各機(jī)車有關(guān)的控制單元；把機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)以及故障信息通過司機(jī)臺指示燈和顯示屏反饋給司機(jī)或維護(hù)人員。5.(相控電力機(jī)車)傳動控制單元：傳動控制單元（DCU）實(shí)現(xiàn)牽引控制、電制動控制（加饋制動）、防空轉(zhuǎn)防滑行保護(hù)等功能。6.(相控電力機(jī)車)邏輯控制單元：邏輯控制單元（

6、LCU）采用無觸點(diǎn)控制方式，具備完成電力機(jī)車傳統(tǒng)繼電器有觸點(diǎn)控制電路的控制及機(jī)車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信功能，同時(shí)具有自診斷功能，可自檢裝置的輸入輸出通道，亦可檢測輸出回路的短路狀態(tài)。具備與機(jī)車網(wǎng)絡(luò)通信的接口，在正常情況下通過智能顯示單元IDU顯示主斷路器、受電弓和主、輔助系統(tǒng)等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控。7.電壓型牽引變流器：交-直-交流傳動系統(tǒng)中，牽引變流器由網(wǎng)側(cè)整流器、直流中間環(huán)節(jié)、電動機(jī)側(cè)逆變器及控制裝置組成。整流器的作用是把來自接觸網(wǎng)的單相交流電壓變換為直流。直流中間環(huán)節(jié)由濾波電容器或電感組成，其作用是儲能和濾波，獲得平直的直流電。逆變器的作用是將中間環(huán)節(jié)平直的直流電，通過一定的

7、控制策略，變換為頻率、電壓可調(diào)的三相脈沖交流電，供給交流牽引電動機(jī)，通過能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動列車。根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)濾波元件的不同，牽引變流器可分為電壓型和電流型兩種。電壓型變流器直流中間環(huán)節(jié)的儲能器采用電容器，向逆變器輸出的是恒定的直流電壓，相當(dāng)于電壓源。8.電流型牽引變流器：交-直-交流傳動系統(tǒng)中，牽引變流器由網(wǎng)側(cè)整流器、直流中間環(huán)節(jié)、電動機(jī)側(cè)逆變器及控制裝置組成。整流器的作用是把來自接觸網(wǎng)的單相交流電壓變換為直流。直流中間環(huán)節(jié)由濾波電容器或電感組成，其作用是儲能和濾波，獲得平直的直流電。逆變器的作用是將中間環(huán)節(jié)平直的直流電，通過一定的控制策略，變換為頻率、電壓可調(diào)的三相脈沖交流電，供給交流牽引電動

8、機(jī)，通過能量轉(zhuǎn)換驅(qū)動列車。根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)濾波元件的不同，牽引變流器可分為電壓型和電流型兩種。電流型牽引變流器直流中間環(huán)節(jié)的儲能器采用電感，相當(dāng)于恒流源，向逆變器輸出的是恒定的直流電流。9.兩電平式逆變器：逆變器將直流轉(zhuǎn)換為交流。兩電平式逆變器，把直流中間環(huán)節(jié)的正極電位或負(fù)極電位接到電動機(jī)上，即逆變器的輸出相電壓為兩種電平。10.（異步牽引電動機(jī)）恒磁通調(diào)速：根據(jù)交流電動機(jī)定子繞組感應(yīng)電勢公式當(dāng)電源電壓一定時(shí)，如果降低頻率，則主磁通要增大，基頻（額定頻率）以下主磁通增加勢必使主磁路過飽和，勵(lì)磁電流增加，鐵心損耗也相應(yīng)增加，這是不允許的。為此調(diào)頻時(shí)一定要調(diào)節(jié)電勢，保持感應(yīng)電勢與頻率的比值不變，即

9、可保持主磁通不變。11.（異步牽引電動機(jī)）恒功率調(diào)速：在恒磁通控制中，隨著頻率和轉(zhuǎn)速的上升，電壓U1也相應(yīng)提高，牽引電動機(jī)的輸出功率增大，但電壓的提高受到電動機(jī)功率或逆變器最大電壓的限制。通常調(diào)節(jié)頻率大于基準(zhǔn)頻率f1>f1N時(shí)，即當(dāng)電壓提高到一定數(shù)值后維持不變或?qū)⒉辉僬扔趂1上升，此后電動機(jī)磁通開始減小，將進(jìn)入恒功率控制方式。由于由此可見，電動機(jī)按恒功率運(yùn)行，電壓與頻率的調(diào)節(jié)可采用兩種不同的方式，即U1=C，s=C的調(diào)節(jié)方式和f2=C，U12/f 1=C的調(diào)節(jié)方式。12.間接矢量控制：根據(jù)有無磁鏈的閉環(huán)控制，矢量控制系統(tǒng)可分為直接矢量控制系統(tǒng)和間接矢量控制系統(tǒng)。間接矢量控制，也稱轉(zhuǎn)差頻

10、率矢量控制或磁場前饋控制，系統(tǒng)中無磁鏈閉環(huán)，屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)矩和磁鏈的幅值、相位角通過控制系統(tǒng)給定值計(jì)算出來，由矢量控制方程保證。它既保持了穩(wěn)態(tài)模型轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，又利用基于動態(tài)模型的矢量控制規(guī)律，克服了其大部分不足。目前，高速列車一般采用間接矢量控制策略。二、簡答題：1.試分析并聯(lián)運(yùn)行時(shí)串勵(lì)牽引電動機(jī)、并勵(lì)牽引電動機(jī)的負(fù)載分配情況。答：牽引電動機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，為了能充分利用機(jī)車功率，要求各牽引電動機(jī)的負(fù)載分配要均勻。但是，由于各牽引電動機(jī)的特性有差異，以及機(jī)車動輪直徑不完全相同等原因，實(shí)際上各牽引電動機(jī)負(fù)載分配是不均勻的。圖1所示為牽引電動機(jī)特性有差異時(shí)的負(fù)載分配情況。從圖中可以看

11、出兩臺特性稍有差異的串勵(lì)（或并勵(lì)）牽引電動機(jī)，裝在一臺機(jī)車上并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，即使動輪直徑相同，電機(jī)轉(zhuǎn)速相同，電動機(jī)的負(fù)載電流和轉(zhuǎn)矩均有差別。由圖1（a）中可以看出，串勵(lì)牽引電動機(jī)具有較軟的特性，在同一運(yùn)行速度下的負(fù)載電流Il和I2差值比較小。并勵(lì)牽引電動機(jī)特性較硬，如圖1（b）所示，負(fù)載電流I1和I2差值要比串勵(lì)牽引電動機(jī)大得多。如果兩臺牽引電動機(jī)的特性完全相同，而各自驅(qū)動的動輪直徑稍有不同，機(jī)車運(yùn)行時(shí)兩臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將產(chǎn)生差異，如圖2所示。設(shè)一臺電動機(jī)轉(zhuǎn)速為n1，另一臺電動機(jī)轉(zhuǎn)速為n2，由相同轉(zhuǎn)速差異引起的負(fù)載電流Il和I2的差值，串勵(lì)牽引電動機(jī)比并勵(lì)牽引電動機(jī)小。圖1 牽引電動機(jī)特性有差異時(shí)的

12、負(fù)載分配(a)串勵(lì)；(b)并勵(lì)圖2 動輪直徑有差異時(shí)牽引電動機(jī)的負(fù)載分配(a)串勵(lì)；(b)并勵(lì)。2.簡述直流牽引電動機(jī)的調(diào)速方式。答：根據(jù)直流牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式：可知，直流牽引電動機(jī)的調(diào)速可通過改變電樞兩端電壓和減小磁通來實(shí)現(xiàn)，即改變電樞電壓調(diào)速和弱磁調(diào)速。（1）改變電樞電壓調(diào)速由上式可知：當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，若忽略電樞回路的電阻壓降，可以認(rèn)為電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞端電壓成正比，提高電樞端電壓將提高轉(zhuǎn)速。電樞端電壓的提高是以額定電壓為限值的，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為調(diào)節(jié)電壓所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，即改變電樞端電壓調(diào)速是以額定電壓對應(yīng)轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。改變電壓調(diào)速時(shí)的速率特性如圖1所示。圖1牽引電動機(jī)調(diào)電壓時(shí)的

13、速率特性（2）弱磁調(diào)速當(dāng)調(diào)壓資源用盡后才能開始實(shí)施磁削（磁場削弱）調(diào)速，即進(jìn)行磁削調(diào)速時(shí)，電源電壓已達(dá)到最大值且保持不變。若不考慮電樞回路的電阻壓降，則有即磁削后電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)速與磁通基本成反比關(guān)系。磁削后的轉(zhuǎn)速都高于額定磁場時(shí)的轉(zhuǎn)速，磁削后的人為特性總是處于固有特性(額定磁通之特性)的上方。弱磁調(diào)速就是以額定電壓、額定磁通對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為最低轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方法，磁通越小，轉(zhuǎn)速越高。磁削時(shí)的速率特性如圖2所示。圖2 牽引電動機(jī)磁削時(shí)的速率特性3.分析相控電力機(jī)車傳動系統(tǒng)電氣線路的類型及作用。答：相控電力機(jī)車傳動系統(tǒng)電氣線路按其功能作用可分為主電路、輔助電路和控制電路三大部分。電力機(jī)車主電路是高

14、電壓、大電流的大功率動力回路，是產(chǎn)生牽引力和制動力的主體電路，具有功率大、控制復(fù)雜、工作條件惡劣及空間受限制等特點(diǎn)。主電路的結(jié)構(gòu)、性能在很大程度上決定著電力機(jī)車的性能、成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。主電路由受電弓、主斷路器、避雷器、高壓電流互感器、牽引變壓器、牽引變流裝置、牽引電動機(jī)、平波電抗器、制動電阻及其相連接的電氣開關(guān)元件等組成，它應(yīng)滿足機(jī)車啟動、調(diào)速及制動三個(gè)基本工作狀態(tài)的要求。輔助電路主要由提供三相交流電的劈相裝置和各種輔助機(jī)械拖動電動機(jī)等組成。劈相裝置就是一個(gè)單-三相交流電源變換裝置，一般有旋轉(zhuǎn)機(jī)組劈相機(jī)和靜止變流劈相機(jī)兩種形式，國產(chǎn)SS系列電力機(jī)車主要采用旋轉(zhuǎn)機(jī)組劈相機(jī)。輔助電路依靠劈相機(jī)

15、將單相交流電變換為三相交流電，供給各輔助機(jī)械拖動電動機(jī)，驅(qū)動通風(fēng)機(jī)、油泵、空壓機(jī)等裝置工作，為保障主電路的正常工作提供冷卻條件以及控制動力。它是保證主電路發(fā)揮功率和實(shí)現(xiàn)牽引性能所必需的電路?？刂齐娐肪褪菆?zhí)行司機(jī)的控制命令或意圖，完成對主電路、輔助電路間接控制的低壓電路，它由各種主令電器及控制模塊組成，承擔(dān)著列車傳動系統(tǒng)的控制以及與外部行車指揮系統(tǒng)的信息傳輸、儲存任務(wù)。4.電力機(jī)車的相控調(diào)壓方式選擇原則是什么？答：在交-直流傳動電力機(jī)車中，相控調(diào)壓方式不同，將使變壓器二次繞組結(jié)構(gòu)和整流電路方式都有很大的差別，這些直接影響機(jī)車性能和機(jī)車制造成本。采用何種調(diào)壓方式，要將機(jī)車的用途、使用范圍、使用條件

16、等因素綜合考慮，力求機(jī)車具有較高的性價(jià)比。橋式整流電路對變壓器的利用率要比中抽式高，一般都采用橋式整流電路。若需要進(jìn)行再生制動，整流電路必須要采用全控橋式，能夠在四象限運(yùn)行。 90° 時(shí)工作在整流狀態(tài)， >90° 時(shí)工作在逆變（再生）狀態(tài)。若需要電阻制動，整流電路可選用半控橋式，電路結(jié)構(gòu)簡單，功率因數(shù)較高，控制角范圍為0°< 180° 。絕大多數(shù)相控電力機(jī)車整流電路采用多段半控橋順序控制電路，既能夠提高功率因數(shù)，又能夠?qū)嵤╇娮柚苿印?.電阻制動受哪些因素影響？答：電阻制動受以下5個(gè)因素的制約：（1） 最大勵(lì)磁電流的限制，如圖2中曲線OA所示；

17、 （2） 最大制動電流的限制，如圖2中AC線所示； （3） 黏著力的限制，如圖2中曲線FAB所示； （4） 牽引電動機(jī)換向條件的限制，如圖2中曲線CD段所示； （5） 機(jī)車構(gòu)造速度的限制，如圖中曲線DE所示。 電阻制動工作范圍6.什么是加饋制動？簡述加饋電阻制動的作用與過程。答：當(dāng)機(jī)車制動速度較低時(shí)，電阻制動將按照最大恒勵(lì)磁電流特性制動，制動力與機(jī)車速度成正比關(guān)系變化，速度越低，制動電流越小，制動力越小，制動效果越差。 為了改善電阻制動在低速時(shí)的制動特性，只要維持制動電流不隨機(jī)車速度降低而下降，就可以改善低速時(shí)的制動能力。要維持制動電流不變，必須要有外部電源對制動回路補(bǔ)充供電，以使制動電流（電

18、樞電流）不變，實(shí)現(xiàn)低速恒制動力特性，這種方法稱為“加饋電阻制動”。要維持制動電流不變，加饋電壓必須要與發(fā)電機(jī)感應(yīng)電勢同步反向變化，即發(fā)電機(jī)輸出電壓減小多少就由Ud補(bǔ)償多少，直至加饋整流橋輸出電壓達(dá)到最大值為止，加饋制動功率達(dá)到最大值，加饋制動過程結(jié)束。加饋制動過程如下圖中AB段所示，SS3B型電力機(jī)車從A點(diǎn)恒制動力運(yùn)行到B點(diǎn)，機(jī)車速度已降低到20kmh以下，制動范圍明顯擴(kuò)大了。 加饋所需要的電能由接觸網(wǎng)、牽引變壓器提供。 SS3B型電力機(jī)車電阻制動特性曲線7.簡述影響相控電力機(jī)車牽引特性的主要因素及牽引特性的工作范圍。答：機(jī)車牽引特性是指機(jī)車輪周牽引力F與機(jī)車速度v之間的關(guān)系。相控電力機(jī)車的牽

19、引特性受到整流器、牽引電動機(jī)、機(jī)車的結(jié)構(gòu)參數(shù)等諸多因素的限制，這些限制如圖1所示。（1）黏著限制（曲線1）機(jī)車的牽引力應(yīng)該小于動輪與鋼軌之間由黏著條件所決定的極限黏著力，否則動輪將發(fā)生空轉(zhuǎn)。（2）牽引電動機(jī)允許最大電流Iamax限制（曲線2）牽引電動機(jī)在低速、大電流工況運(yùn)行時(shí)，換向過程所能承受的最大電流就是允許最大電流，該電流大于牽引電動機(jī)的額定電流。對干線電力機(jī)車，一般為額定電流的1.21.4倍，個(gè)別可達(dá)到1.6倍。對客運(yùn)電力機(jī)車，由于其傳動裝置的傳動比較小，因此，由牽引電動機(jī)電流限制計(jì)算所得的牽引力也小，曲線2可能如圖1中的虛線2所示，低于黏著限制之下，這時(shí)機(jī)車的牽引特性限制應(yīng)是曲線2，而

20、不是曲線1。（3）牽引電動機(jī)允許的最高電壓Uamax限制（曲線3）直流牽引電動機(jī)因受換向器片間電壓和電位條件的限制，牽引電動機(jī)有一個(gè)最高工作電壓。曲線3為最高端電壓，而且是滿磁場（固定分路）時(shí)，由牽引電動機(jī)特性計(jì)算所得到的牽引特性。（4）整流器輸出特性確定的最大電壓Udmax限制（曲線4）在電力機(jī)車通用技術(shù)條件（GB 331782）中規(guī)定：機(jī)車受電弓電壓額定值為25 kV，在20kV29 kV范圍內(nèi)能正常工作，所以整流器輸出的最高電壓也隨受電弓處電壓的變化而變化。圖1相控電力機(jī)車牽引特性限制曲線（5）牽引電動機(jī)功率PMmax限制（曲線5）當(dāng)牽引電動機(jī)在曲線3工作時(shí)，電壓已達(dá)到最高允許值，電流由

21、列車的阻力而定。在曲線3的右側(cè)，牽引電動機(jī)的工作電壓不變，進(jìn)入磁場削弱下工作。曲線5是由牽引電動機(jī)額定電壓和額定電流計(jì)算所得的牽引特性，顯然這是一條恒功率的限制曲線。（6）最深磁場削弱min限制（曲線6、7）牽引電動機(jī)的換向受最深磁場削弱限制，最深磁場削弱系數(shù)由牽引電動機(jī)設(shè)計(jì)確定，磁削是在最高電壓下進(jìn)行的。由于電壓限制有電動機(jī)端電壓和整流器輸出最高電壓之分，圖1中曲線6相當(dāng)于電動機(jī)在最高端電壓、最深磁場削弱時(shí)的牽引特性。曲線7則相當(dāng)于整流器最大輸出電壓、最深磁場削弱時(shí)的牽引特性。（7）機(jī)車構(gòu)造速度Vg的限制（曲線8）機(jī)車的運(yùn)行速度應(yīng)小于由機(jī)車走行部構(gòu)造所決定的最大安全速度（構(gòu)造速度）。由上述限

22、定條件可知，電力機(jī)車牽引特性的工作范圍，應(yīng)在圖1中粗實(shí)線決定的范圍內(nèi)。8.簡述我國干線相控電力機(jī)車主電路的基本技術(shù)特征。答：我國干線相控電力機(jī)車主電路基本技術(shù)特征如下：主電路的調(diào)壓方式均采用多段整流橋串聯(lián)形式，以三段不等分半控整流橋?yàn)橹?；貨運(yùn)機(jī)車幾乎都采用三級磁場削弱方式，客運(yùn)機(jī)車全部采用無級磁場削弱方式；電氣制動主要采用加饋電阻制動方式，唯有SS7SS7BSS7c采用再生制動方式；貨運(yùn)機(jī)車基本都設(shè)置了無功功率補(bǔ)償裝置，客運(yùn)機(jī)車沒有設(shè)置功率補(bǔ)償裝置；牽引電動機(jī)主要采用串勵(lì)方式，只有SS7系列采用復(fù)勵(lì)方式。9.簡述相控電力機(jī)車輔助電路的組成及其功能。答：電力機(jī)車輔助電路分為電源電路、負(fù)載電路和保

23、護(hù)電路三部分。 電源電路為機(jī)車各輔助設(shè)備提供工作電源。輔助設(shè)備的拖動采用異步電動機(jī)，根據(jù)負(fù)載的不同，既需要單相供電，又需要三相供電。國產(chǎn)主型相控電力機(jī)車習(xí)慣于采用旋轉(zhuǎn)機(jī)組式劈相機(jī)，提供三相工頻交流電源。 負(fù)載電路：三相負(fù)載電路是由拖動輔助機(jī)械的輔助電動機(jī)組成的。輔助設(shè)備主要是風(fēng)機(jī)、泵類及電熱設(shè)備，主要為主變壓器、主整流柜、平波電抗器、牽引電動機(jī)及制動電阻等提供通風(fēng)、冷卻，為機(jī)車提供風(fēng)源，為司乘人員提供必要的生活環(huán)境。單相負(fù)載電路主要是加熱元器件，包括司機(jī)室側(cè)墻、后墻暖風(fēng)機(jī)、腳爐、電熱玻璃等。保護(hù)電路：電力機(jī)車輔助電路的保護(hù)系統(tǒng)主要由過電壓、過電流、接地、零電壓和單機(jī)過載保護(hù)等部分組成。（1）過

24、電壓保護(hù) 輔助系統(tǒng)發(fā)生的過電壓是由系統(tǒng)內(nèi)電器的開閉操作引起的，屬于內(nèi)部過電壓，保護(hù)方法與主電路內(nèi)部過電壓保護(hù)相同，通過在輔助繞組兩端并接R-C吸收電路即可。（2）過電流保護(hù) 輔助電路的過電流主要是由于設(shè)備過載、電路短路引起的，一般采用電流繼電器監(jiān)控電流的變化，當(dāng)電流達(dá)到電流繼電器的整定范圍時(shí)，電流繼電器動作，直接使主斷路器跳閘，全車停電對輔助系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。（3）接地保護(hù) 輔助電路在運(yùn)行中也會出現(xiàn)接地故障，需要進(jìn)行保護(hù)。其接地保護(hù)原理、電路均與主電路接地保護(hù)相似，仍采用有源接地保護(hù)系統(tǒng)。設(shè)置接地繼電器，作為監(jiān)測與執(zhí)行元件。（4）零電壓保護(hù) 零電壓保護(hù)為接觸網(wǎng)失電進(jìn)行保護(hù)，以防止供電失壓后再送電時(shí)

25、可能出現(xiàn)的事故。零壓保護(hù)只對失電時(shí)間超過1s的失電現(xiàn)象進(jìn)行保護(hù)，對于失電時(shí)間小于1s，或受電弓高速滑行中出現(xiàn)的短暫離線失電，系統(tǒng)不予保護(hù)。一般零電壓保護(hù)電路還為高壓電器柜門聯(lián)鎖裝置提供一路工作電源，作為門聯(lián)鎖裝置的交流側(cè)保護(hù)。（5）輔機(jī)過載保護(hù)為了防止輔助設(shè)備在運(yùn)行中，因出現(xiàn)缺相、斷路、堵轉(zhuǎn)等引起的過電流，需要對功率比較大、比較重要的輔助設(shè)備進(jìn)行過載保護(hù)，在電路中分別設(shè)置保護(hù)裝置。當(dāng)某一設(shè)備發(fā)生過載，相應(yīng)的過載保護(hù)裝置動作，切斷該設(shè)備電路中接觸器線圈回路，使接觸器斷開，此設(shè)備停止運(yùn)行。10.簡述電力牽引交流傳動技術(shù)組成。答：電力牽引交流傳動技術(shù)由核心層技術(shù)、輔助層技術(shù)和相關(guān)層技術(shù)三部分組成。核

26、心層技術(shù)主要包括牽引變流器技術(shù)、牽引控制及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、交流牽引電動機(jī)技術(shù)和牽引變壓器技術(shù)；輔助層技術(shù)主要包括冷卻與通風(fēng)技術(shù)、輔助變流器技術(shù)、控制電源技術(shù)、保護(hù)技術(shù)和電磁兼容與布線技術(shù)；相關(guān)層技術(shù)主要包括司機(jī)操縱技術(shù)、車體輕量化技術(shù)、轉(zhuǎn)向架技術(shù)、空氣制動技術(shù)和高壓側(cè)檢測技術(shù)。11.簡述交流傳動列車牽引特性及控制策略。答：列車牽引特性是指列車牽引力隨速度變化的關(guān)系曲線。交流傳動列車電力牽引運(yùn)行可分為三個(gè)運(yùn)行區(qū)，即啟動加速區(qū)、恒功率運(yùn)行區(qū)和提高速度區(qū)或自然特性區(qū)，這三個(gè)運(yùn)行調(diào)節(jié)區(qū)如圖所示。（1）啟動加速區(qū)（恒轉(zhuǎn)矩特性區(qū)）啟動加速（恒轉(zhuǎn)矩）區(qū)通過控制變流器的輸出，使其輸出電壓與頻率按正比例關(guān)系變化

27、，即牽引電動機(jī)的氣隙磁通保持不變。由下式可知，只要保持轉(zhuǎn)差頻率恒定，即可得到恒定的轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)差頻率值越接近臨界轉(zhuǎn)差頻率，在整個(gè)速度范圍內(nèi)可獲得的轉(zhuǎn)矩越大，這就是所謂的恒轉(zhuǎn)矩特性。Tem與f1無關(guān)，僅取決于f2的大小。因?yàn)榇磐ê愣?，顯然E1與f1是線性比例關(guān)系。定子電壓U1與f1近似呈線性關(guān)系。在頻率較低時(shí)，r1的影響不能忽略，此時(shí)電壓應(yīng)相對有所提高。隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，電壓提高，牽引電動機(jī)的輸出功率增大。但是電壓的提高受到電動機(jī)功率或逆變器最大電壓的限制，于是電壓提高到一定的值后將維持不變，或者電壓不再正比于f1上升。此后，電動機(jī)將以恒功率輸出為條件進(jìn)行電壓和頻率的控制。 列車牽引控制特性（2

28、）恒功率特性區(qū)牽引電動機(jī)的輸出功率可近似認(rèn)為是電磁轉(zhuǎn)矩Tem與頻率f1的乘積，即 要使P2=C，可以看出有兩種不同的選擇。按照U1=C，f2/f1=C控制時(shí)，可獲得最大電動機(jī)與最小逆變器的匹配；按照U12/f 1=C，f2=C控制時(shí)，可獲得最小電動機(jī)與最大逆變器的匹配。 目前，所有電力傳動系統(tǒng)均采用大電動機(jī)與小逆變器的匹配方式，即按照U1=C，f2/f1=C控制，可使系統(tǒng)獲得更高的性價(jià)比。（3）自然特性區(qū) 當(dāng)逆變器輸出頻率超過最高控制頻率以后，若牽引電動機(jī)定子端電壓U1和轉(zhuǎn)差頻率f2均維持不變時(shí)，列車將運(yùn)行于自然特性區(qū)，可進(jìn)一步提高運(yùn)行速度。此時(shí)Tem與f1的平方成反比例關(guān)系變化。12.簡述牽

29、引變流器的類型及特點(diǎn)。答：牽引變流器是交流傳動系統(tǒng)的核心部件，交-直-交流傳動系統(tǒng)中，牽引變流器由網(wǎng)側(cè)整流器、直流中間環(huán)節(jié)、電動機(jī)側(cè)逆變器及控制裝置組成。牽引變流器根據(jù)中間直流環(huán)節(jié)濾波元件的不同，可分為電壓型和電流型兩種。電壓型變流器直流中間環(huán)節(jié)的儲能器采用電容器，向逆變器輸出的是恒定的直流電壓，相當(dāng)于電壓源；電流型變流器直流中間環(huán)節(jié)的儲能器采用電感，相當(dāng)于恒流源，向逆變器輸出的是恒定的直流電流?，F(xiàn)代軌道列車交流傳動領(lǐng)域大多都采用電壓型變流器。 根據(jù)逆變器輸出交流側(cè)相電壓的可能取值情況，將電壓型逆變器分為兩電平式和三電平式。兩電平式逆變器，可以把直流中間環(huán)節(jié)的正極電位或負(fù)極電位接到電動機(jī)上去；

30、三電平式逆變器，除了把直流中間環(huán)節(jié)的正極或負(fù)極電位送到電動機(jī)上去以外，還可以把直流中間環(huán)節(jié)的中點(diǎn)電位送到電動機(jī)上去，含有較少的諧波，其輸出波形得到了改善，但需要更多的器件。在交流傳動領(lǐng)域，當(dāng)中間電路直流電壓U>2.72.8 KV時(shí)，主電路中變流器通常采用兩電平式電路；當(dāng)U>3KV時(shí)，宜采用三電平式電路結(jié)構(gòu)。13.簡述四象限脈沖整流器的基本工作原理。答：圖1為忽略變壓器牽引繞組電阻RN的脈沖整流器簡化的等效電路。變壓器牽引繞組的輸出電壓為uN 、漏電感為LN 圖1 脈沖整流器的簡化等效電路脈沖整流器的電壓矢量平衡方程為：式中，UN為二次側(cè)牽引繞組電壓相量；IN為二次側(cè)牽引繞組電流的基

31、波相量；Uab為調(diào)制電壓的基波相量。當(dāng)UN一定時(shí)，IN的幅值和相位僅由Uab的幅值及其與UN的相位差來決定。改變基波相量Uab的幅值和相位，就可以使IN與UN同相位或反相位。在牽引工況下，IN與UN的相位差為0°，該工況下的相量圖如圖2（a）所示，此時(shí)Uab滯后UN；而對于再生制動工況， IN與UN的相位差為180°，該工況下的相量圖如圖2（b）所示，此時(shí)Uab超前UN，電機(jī)通過脈沖整流器向接觸網(wǎng)反饋能量。圖2 脈沖整流器簡化基波相量圖由四象限脈沖整流器等效電路及相量圖,有：式中 k變壓器短路阻抗電壓的標(biāo)幺值，牽引變壓器一般取0.30.35；M整流器的調(diào)制度，一般取M=0.

32、80.9；Ud直流側(cè)輸出電壓。由上式計(jì)算可得到 由此可見，Ud與UN成正比關(guān)系，與整流器的調(diào)制度M成反比關(guān)系。14.簡述電壓型四象限脈沖整流器的特征。答：脈沖整流器是利用電抗器的儲能，達(dá)到整流、升壓、穩(wěn)壓的目的，四象限脈沖整流器能夠達(dá)到網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，并能實(shí)現(xiàn)電能的反饋。 四象限脈沖整流器能夠執(zhí)行脈寬調(diào)制和能量變換，即整流或反饋兩方面的功能。這種整流器能夠在輸入電壓和電流平面所在的四個(gè)象限中工作。作為電力牽引用的變流器，相應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)牽引、制動狀態(tài)下前進(jìn)、后退四種工況。四象限脈沖整流器的突出優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高，可達(dá)到1，等效諧波干擾電流小。15.簡述三電平式脈沖整流器PWM控制原理。答：四

33、象限整流器各橋臂元件的開關(guān)狀態(tài)采用正弦調(diào)制波us與三角波相交的方法，在A、B端獲得正弦脈寬調(diào)制的電壓波形us。為了減小諧波，A端與B端的調(diào)制波和載波在相位上均分別相差180º，載波的正向和負(fù)向也相差180º，調(diào)制方式如圖所示。三電平脈沖整流器PWM信號調(diào)制方式三電平式脈沖整流器等效電子開關(guān)的狀態(tài)由對應(yīng)的載波信號與調(diào)制信號的相互位置而定，其狀態(tài)值按下式給定條件確定。16.簡述牽引變流器中間直流儲能環(huán)節(jié)的作用和組成。答：在交直交流變流器中，中間直流儲能環(huán)節(jié)是連接四象限脈沖整流器和負(fù)載端逆變器之間的紐帶。它不僅起到穩(wěn)定中間環(huán)節(jié)直流電壓的作用，而且還承擔(dān)著與前后兩級變流器進(jìn)行無功功

34、率交換和諧波功率交換的作用。電壓型脈沖四象限變流器中間直流環(huán)節(jié)由兩個(gè)部分組成：一個(gè)是相應(yīng)于2倍電網(wǎng)頻率的串聯(lián)諧振電路(也可以取消)，另一個(gè)是濾波電容器(支撐電容器)和過電壓限制電路。17.分析矢量控制的基本思想。答：將三相異步電動機(jī)經(jīng)3/2變換、2s/2r變換，變換到以轉(zhuǎn)子磁場定向的M、T同步坐標(biāo)系，并使M軸定向在轉(zhuǎn)子磁鏈2方向，就可實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流iM和電流iT的獨(dú)立控制，使非線性耦合系統(tǒng)解耦，將其等效成直流電動機(jī)模型。然后仿照直流電動機(jī)的控制方法，求得直流電動機(jī)的控制量，再經(jīng)過相應(yīng)的反變換，即可以控制異步電動機(jī)。這就是矢量定向控制的基本思想。18.分析轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型的基本工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)。答

35、：轉(zhuǎn)子磁鏈電壓模型是根據(jù)電壓方程中電動勢等于磁鏈變化率的關(guān)系，對電動機(jī)的電動勢進(jìn)行積分即可得到磁鏈。經(jīng)推導(dǎo)可以得出：式中 Lm-坐標(biāo)系定子與轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間的互感； L1-坐標(biāo)系定子等效兩繞組的自感； L2-坐標(biāo)系轉(zhuǎn)子等效兩繞組的自感；漏磁系數(shù)，。 由上式可知，磁鏈計(jì)算只需要實(shí)測的電壓、電流信號，不需要轉(zhuǎn)速信號，計(jì)算過程只與定子電阻r1有關(guān)，與轉(zhuǎn)子電阻r2無關(guān)，定子電阻r1容易測取。u1、u1、i1、i1很容易由測量得到的電動機(jī)定子三相電壓、電流經(jīng)過32變換得到。電壓模型受電動機(jī)參數(shù)變化的影響較小，算法簡單便于應(yīng)用。但由于含有積分運(yùn)算，積分的初始值和累計(jì)誤差會對結(jié)果產(chǎn)生影響。在低速時(shí)，定子電

36、阻壓降的變化較大，因此電壓模型計(jì)算法在低速時(shí)測量精度可能不高，更適合于中、高速范圍。19.分析直接轉(zhuǎn)矩控制的基本思想及控制方法。答：直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)分別控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和磁鏈。采用轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電磁轉(zhuǎn)矩的給定信號Tem*，在Tem*的后面設(shè)置了轉(zhuǎn)矩控制內(nèi)環(huán)，它可以抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，從而使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了近似解耦。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成如下圖所示。按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈采用了兩個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)比較系統(tǒng)，直接控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩增加率，使轉(zhuǎn)矩的瞬態(tài)跟蹤能力很強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)給定的轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩能夠很快

37、跟隨，而磁鏈基本不受影響，仍按照原來規(guī)律變化。實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與磁鏈的動態(tài)解耦控制。DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制器采用Band-Band控制。20.直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）與矢量控制（VC）在控制方法上有何異同？答：相同點(diǎn)：DTC系統(tǒng)與VC系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型本質(zhì)相同，都是轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)矩）和磁鏈閉環(huán)控制，都能獲得較高的靜、動態(tài)性能。不同點(diǎn)： DTC系統(tǒng)采用定子磁鏈控制，受電機(jī)參數(shù)變化的影響??；轉(zhuǎn)矩采用Band-Band控制，但有轉(zhuǎn)矩脈動；采用靜止坐標(biāo)變換，較簡單。磁鏈閉環(huán)控制的VC系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子磁鏈控制，受電機(jī)轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；轉(zhuǎn)矩連續(xù)控制，比較平滑；采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，較復(fù)雜。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都采用對

38、輸出轉(zhuǎn)速、磁鏈分別控制，都需要解耦。矢量控制采用兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，使定子電流的轉(zhuǎn)矩分量與勵(lì)磁分量解耦；直接轉(zhuǎn)矩控制為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)矩控制環(huán)作為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速控制環(huán)作為外環(huán)，這可抑制磁鏈變化對轉(zhuǎn)速子系統(tǒng)的影響，使轉(zhuǎn)速和磁鏈子系統(tǒng)近似解耦。三、綜合分析題：1.試分析SS8型電力機(jī)車整流調(diào)壓電路工作方式、調(diào)壓過程及其磁場削弱電路的工作過程。分析：SS8型電力機(jī)車整流調(diào)壓電路的工作方式：不等分三段半控橋順序控制。SS8型電力機(jī)車主電路原理圖如下：根據(jù)牽引需求，順序?qū)╒10和V11、V3和V4、V5和V6可以使?fàn)恳姍C(jī)獲得0.5Ud0、0.75Ud0和Ud0。而在各個(gè)電壓等級內(nèi)，可以通過調(diào)

39、節(jié)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)無級調(diào)壓。調(diào)壓過程如下：（1）第一段橋繞組a2x2工作，逐漸開放V10，V11 正半周：a2、V7、V2、V1、牽引電機(jī)、V12、V11、x2； 負(fù)半周： x2 、V10、V2、V1、牽引電機(jī)、V9、V8、 a2 ； Ud=（00.5）Ud0（2）第二段橋 V10、V11滿開放后，投入繞組a1-b1段，逐漸開放V3、V4。 正半周：電流通過a1、V1、牽引電機(jī)、 V12、V11、 x2 、 a2、 V7、V4、 b1 、 a1形成回路 ； 負(fù)半周：電流通過b1、V3、牽引電機(jī)、V9、V8、a2、x2、V10、V2、a1、b1形成回路。 Ud=（0.50.75）Ud0（3

40、）第三段橋 V3、V4滿開放后，投入繞組b1-x1段，逐漸開放V5、V6。 正半周：電流通過a1、V1、牽引電機(jī)、 V12、V11、 x2 、 a2、 V7、V6、 x1 、 a1形成回路 ； 負(fù)半周：電流通過x1、V5、牽引電機(jī)、V9、V8、a2、x2、V10、V2、a1、x1形成回路。 Ud=0.75Ud0 Ud0SS8型電力機(jī)車采用晶閘管分路無級磁場削弱電路，最深削弱磁場min43。其的工作過程如下：整流電路輸出Ud0時(shí)，整流電路中的晶閘管都已滿開放，當(dāng)分路晶閘管V13、V14沒有導(dǎo)通之前，流過電樞的電流全部流經(jīng)勵(lì)磁繞組，此時(shí)磁場最強(qiáng)（如圖中(a)、(b)工況）；在某一時(shí)刻（正半周）觸發(fā)

41、V13，由于勵(lì)磁繞組和續(xù)流二極管V12的壓降，V13承受正壓導(dǎo)通，V12承受反壓截止，此時(shí)流經(jīng)勵(lì)磁繞組的電流被分流， 電樞電流由V13進(jìn)入整流橋，原勵(lì)磁繞組中的電流經(jīng)固定分路電阻續(xù)流，按指數(shù)曲線下降，磁場被削弱（如圖中(c)工況）。當(dāng)電源電壓過零時(shí)，由于V8、V10的導(dǎo)通，V11受反壓截止，V13電流通路被截?cái)喽刂?，此時(shí)電樞電流又全部流經(jīng)勵(lì)磁繞組。電源負(fù)半周的工作情況如圖(d)所示，過程同正半周類似，只是此時(shí)是由V14進(jìn)行分流。V13、V14導(dǎo)通時(shí)間越長，則勵(lì)磁繞組被分流時(shí)間越長，磁場削弱程度越深。 SS8型電力機(jī)車磁場削弱電路原理圖2.試分析電動車組（EMU）的牽引特性與控制策略。分析：EMU與高速客運(yùn)電力機(jī)車的牽引特性相似。在低