2013届毕业设计
课题名称：城轨车辆电力牵引交流传动控
制系统的分析及故障排除设计
专业系轨道交通系
班级2010 宁波地铁订单班
学生姓名苏海东
指导老师首珩
完成日期2013年06月
2013届毕业设计任务书
一、课题名称：
电力牵引交流传动控制系统的分析及故障排除
二、指导老师：
首珩
三、设计内容与要求：
1、课题概述:
随着电力电子技术的发展，电力牵引交流传动系统逐步替代了早期的直流牵引传动系统，在轨道交通领域得到了广泛应用，成为铁路实现高速和重载运输的唯一选择和主要发展方向。而交流传动控制系统是交传机车和电动车组的核心部件，是列车运行的神经中枢系统。分析该系统的工作原理，掌握常见故障的处理方法有着非常重要的现实意义。
本课题主要分析电力牵引交流传动控制系统的组成结构及各组成部件的主要功能原理，以及常见的交流传动控制技术；分析系统常见的故障现象及应急处理方法。
2、设计内容与要求：
（1）设计内容
本课题下设3个子课题：
①CRH动车组交流传动控制系统的分析及故障排除
②HXD交传机车传动控制系统的分析及故障排除
③城轨车辆交流传动控制系统的分析及故障排除
每个子课题设计的主要内容可包括：
a.电力牵引交流传动控制系统的发展历史及现状分析
b.电力牵引交流传动控制系统的组成结构分析
c.电力牵引交流传动控制系统主要组成部件功能和原理分析
d.各种交流传动控制技术的对比和分析
e.电力牵引交流传动控制系统的常见故障排除
f.结论
（2）要求
a.通过检索文献或其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息；
b.能够灵活运用《电力电子技术》、《交流调速技术》、《CRH动车组》《HXD
型电力机车》等基础和专业课程的知识来分析电力机车交流传动控制系统。
c.要求学生有一定的电力电子，轨道交通专业基础。
四、设计参考书
1、《现代变流技术与电气传动》
2、《电力牵引交流传动与控制》
3、《CRH2动车组》、《CRH3动车组》
4、《HXD1型电力机车》
5、《HXD2型电力机车》
6、《HXD3型电力机车》
五、设计说明书内容
1、封面
2、目录
3、内容摘要(200-400字左右，中英文)
4、引言
5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说
明及特点）
6、结束语
7、附录(参考文献、图纸、材料清单等)
六、设计进程安排
第1周：资料准备与借阅，了解课题思路。
第2-3周：设计要求说明及课题内容辅导。
第4－7周：进行毕业设计，完成初稿。
第7-10周：第一次检查，了解设计完成情况。
第11周：第二次检查设计完成情况，并作好毕业答辩准备。
第12周：毕业答辩与综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求
1、毕业设计答辩要求
（1）答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。
（2）学生答辩时，自述部分内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和评价。
（3）答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、知
识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴别学生独立工作能力、创新能力。
2、毕业设计论文要求
文字要求：说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不允许抄袭。
3、图纸要求：
按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。
4、曲线图表要求：
所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定
的标准或工程要求绘制。
目录
摘要 (1)
引言 (1)
第1章电力牵引交流传动技术的概述 (2)
1.1 电力牵引交流技术的组成 (2)
1.2 电力牵引交流传动技术的发展 (4)
第2章交流牵引电机的构造分析 (6)
2.1 交流牵引电机的简介 (6)
2.2 交流牵引电机的结构 (7)
2.3 交流牵引电机的工作原理 (9)
2.4 交流牵引电机的工作特性 (10)
第3章城轨车辆交流传动控制系统 (12)
3.1交流传动控制系统概述 (12)
3.2交流传动控制系统的组成 (13)
3.3交流传动系统的控制方式 (14)
3.4城轨车辆交流传动系统的控制原理 (16)
第4章城轨列车网络控制系统 (19)
4.1 TCN及LonWorks网络 (19)
4.2 ARCNET网络和CAN总线 (23)
4.3 CAN总线 (26)
4.4 CAN2.0总线规范 (27)
4.5 常见的几种网络拓扑结构 (28)
第5章 HXD3交流传动系统组成结构功能和原理 (34)
5.1 HXD3型电力机车技术特征 (34)
5.2 HXD3型机车主变压器的结构 (36)
5.3 HXD3型机车交流传动系统的功能 (38)
5.4 HXD3型机车主变压器的制动原理 (39)
第6章城轨车辆电力牵引交流控制系统的故障排除 (42)
6.1 常见的故障分析方法 (42)
6.2 城轨列车牵引交流传动控制系统的常见故障 (44)
6.3 城轨列车牵引交流传动控制系统的故障故障分析 (46)
6.4 城轨列车牵引交流传动控制系统的常见故障处理措施 (49)
第7章结论 (51)
心得体会 (52)
参考文献 (53)
附图 (54)
摘要
随着电力电子技术的发展，电力牵引交流传动系统逐步代替了早期的直流牵引传动系统，在城市轨道交通领域得到了广泛的应用，成为轨道交通实现高速和重载运输的唯一选择和主要发展方向。而交流传动控制系统是城轨电力牵引传动控制系统的核心部件，是城轨列车运行的神经中枢系统。通过分析城轨车辆牵引传动控制系统的构造和原理，掌握常见故障的处理方法有着非常重要的现实意义。本设计主要分析城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的组成构件，各组成部件的主要功能和原理，以及常见的各种故障类型，对该系统常见的故障进行分析，掌握处理故障的有效方法。
关键词：城轨车辆交流传动控制系统故障排除
Abstract
With the development of power electronic technology, electric traction drive system gradually took the place of early DC traction drive system, in the city rail transportation has been applied extensively, become the orbit traffic to achieve high speed and heavy haul transportation only option and the main direction of development The AC drive control system of city rail electric traction drive control is a core component of the system, is the city rail train in the central nervous system Through the analysis of urban rail vehicle traction control system structure and principle, to grasp the common breakdown processing method has a very important practical significance The design of the main analysis of city railway vehicle AC drive control system in electric traction components, each component of the main function and the principle, as well as the common fault types, the system common fault analysis, fault handling method.
Key words: urban rail vehicle AC drive control system trouble shooting
引言
随着国民经济的发展，城市规模在不断扩大，城市人口急剧增加，随之出现的交通拥堵问题日趋严重。城市轨道交通新的交通运输方式以其不可比拟的优势快速发展起来，在城市公共交通中发挥着越来越大的作用。
因此，做好此项工作，保障城轨列车的运行安全是全体城轨工作人员的神圣职责。随着城轨电力牵引列车的运行速度和载客量日益提高，确保列车的运营安全，具有十分重要的意义，一旦发生行车事故，不仅经济损失是巨大的，甚至可能造成不良的政治影响。城轨车辆电力牵引交流控制是一个高度集中的大系统，为了不断提高运营能力，防止各类事故的发生，就要求我们熟悉城轨车辆牵引传动控制系统的构造和原理，掌握常见故障的处理方法。才能保证这个大系统的有机统一，保证城轨运营的畅通无阻。
作为城市轨道交通控制专业的专业学员，城轨机车车辆运营质量的好坏，与我们技术要求水平的高低关系极大，因此，如何科学地使用好城轨交流传动电力机车，充分发挥它的效能，掌握它的运行规律，以提高列车牵引重量和运行速度，安全正点的完成运营任务，是我们必须研究的课题。只有了解和掌握了城轨车辆电力牵引交流的控制性能，以及列车运行的一般规律和有效的故障排除，才能正确操纵城轨列车，及时有效的排除列车故障，安全正点，多快好省地完成运营任
务。
城市轨道交通作为国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具,它负担着城市人员交流的主要运输任务，在实现经济社会又好又快发展中肩负着重大责任，承担着艰巨任务。城市轨道交通具有占地少、污染小、能耗低、成本低、运量大、全天候的比较优势，加快城市科技创新步伐，对加快构建符合科学发展要求的我国综合交通运输体系，具有不可替代的重要作用。
我国城市轨道交通技术发展的总目标是实现城市轨道交通现代化，重点发展方向是乘客运输快速化、高速化，货物运输重载化、快捷化，安全装备系统化，牵引动力系统化逐步建立一个具有中国城市轨道交通特点的技术体系.
随着近年中国经济持续增长，城市轨道交通需求也随之增加，自2006年以来，大功率交流传动机车诞生及批量投入运用，标志着我国铁路机车行业成功实现了由直流传动向交流传动的转化，机车技术平台达到世界先进水平，机车装备现代化和机车装备制造业现代化发展迈入了新的历史阶段。
第1章 电力牵引交流传动技术的概述
1.1 电力牵引交流技术的组成
从很早的年代开始,人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动技术。1879年的世界第一台电力机车和1881年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。1891年西门子试验了三相交流直接供电、绕线式转子异步电动机牵引的机车, 1917年德国又试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车。
大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电动机)，很自然地被更优越的交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所取代。
电力牵引交流传动系统主要由牵引变压器、牵引电机和牵引变流器组成。其主要组成如图1-1所示
图1-1 交流传动机车主要组成
交流传动电力牵引的技术主要分为：核心层技术、辅助层技术和相关层技术。其核心层技术主要包括：牵引变频器技术、变频控制及其网络技术、交流驱动电机技术和牵引变压器技术。
其辅助层技术主要包括：冷却与通风技术、辅助变流器技术、控制电源技术、保护技术和电磁兼容与布线技术。其相关层技术主要包括：司机台操纵技术、车体轻量化技术、转向架技术、空气制动技术和高压测检测技术。
电力牵引作为电气传动的一个单独类别，过去一起采用直流电动机牵引或脉流电动机牵引。近20年来，由于电子技术尤其是大功率变流技术的发展、控制理论和控制技术的完善、以及静止变频器研究技术的成熟，使三相交流电动机在机车牵引中的应用得到了关键性突破，获得了极为迅速的发展。
辅助变频器 主 变 频 器
通讯模块器 动力制动模电子设备器 空气系统模
（1）牵引传动制式。牵引传动制式分为直流传动制式和交流传动制式。目前我国干线铁路使用的电力机车仍以直流传动制式为主，交流传动机车虽然已经有了运用，但在电力牵引动力中所占的比重很小。由于交流传动机车性能的优越性，国外的主要机车生产商早已停止了直流传动机车的生产，基本上都是采用交流传动方式的牵引技术。我国铁路牵引的交流传动技术应用才刚刚开始，技术上远未达到成熟的程度。
（2）动力配置方式。按牵引动力配置方式可以分为动力集中方式和动力分散方式。动力集中方式就是传统的机车牵引方式，这是我国目前电力牵引的主要模式，也是我国铁路运用比较成熟的牵引模式。动力分散型动车组是日本首创的，动力分散方式是城市地铁牵引模式的进化和发展，是一种发展迅速的牵引模式。欧洲国家近年来也纷纷采用动力分散型动车组的模式。目前我国也已经有了这种牵引模式的动车组，如“中原之星”动车组,“先锋”号动车组以及CRH系列动车组，但无论在技术上还是在运用管理上都只是刚刚起步。
（3）运行速度等级。我国已经有了120km／h及以下等级、160km／h等级、200km／h等级、250km／h等级以及300km／h的电力机车或动力分散型动车组。160km／h及其以下等级的机车在技术上已经比较成熟，也有了较为成熟的运用和管理经验；但对于250km／h及其以上等级机车的应用才刚刚开始，技术上也还不够成熟。
（4）车载牵引功率。车载功率可以从总功率和单轴功率两个方面来看：我国直流传动机车的车载总功率最大为6400kW(SS4型机车)，单轴功率最大为900kW(SS8型机车)；交流传动机车的车载总功率最大为7200kw(SSJ3型机车)，单轴功率最大为1200kW(“中华之星”动车组)。作为单轴1200kW的交流传动机车来说，已经达到了较高的水平，只是在技术上还不够成熟。
（5）牵引控制系统。我国铁路机车已经普遍采用微机作为牵引控制系统，但在直流传动机车上仍有相当数量的模拟电子控制系统。动车组上已经开始使用列车和车厢的通信网络实现控制和信息交换，初步形成了分布式控制的雏形。但目前还没有我们自己的、成熟可靠的微机控制系统产品，控制网络的应用尚待完善。
由此可见,电力电子技术这门综合学科对牵引动力交流传动系统的发展产生了强大的推动力。微计算机和微处理器品质不断提升,由8位进步到32位、64位,由定点运算进步到浮点运算,处理能力大幅提升,构筑了以高速数字信号处理器为核心的实时控制器。
1.2 电力牵引交流传动技术的发展
为追踪世界新型“交-直-交”电力机车新技术，更为了满足社会经济发展的要求, 推动轨道交通装备技术进步, 我国研究、应用交流传动技术, 经历了技术探索( 理论认识与基础开发)、引进应用( X2000动车组)、合作研制(“蓝箭”动车组和NJ1内燃调车等)、自主开发几个阶段。
三相交流传动用于机车动力牵引是从70年代开始的。1971年原西德研制了第一批DE2500型交流传动内燃机车，经试运行后，证实了三相交流机车的一系列重大优点：如牵引力大、粘着利用好、制动性能优越、以及维修量小等。从而掀起了研究三相交流机车的热潮。1980年，原西德又将第一批E120型交流传动干线电力机车投入运行，这是交流传动机车发展史上的一个重要里程碑。
近年来，已有多种型号的三相交流电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组，分别在德国、法国、美国、丹麦、挪威、瑞士、瑞典、意大利、奥地利、西班牙等国铁路线上运行。从世界范围内看，目前三相交流传动机车的技术研究中心在西欧，如ABB电气集团、西门子电气集团、法国阿尔斯通电气集团，日本在1990年也研制成功了EF500型双流制交—直—交电力机车样机和新干线300系的交—直—交高速电动车组。后又成功研制出500系、700系等高性能交流传动高速动车组。从20世纪90年代开始，铁路发达国家已不再生产相控脉流电力机车和直流电动机传动的内燃机车，全部采用交流传动控制技术。
自70年代开始，我国许多科研单位已着手进行电力半导体变流技术和三相交流传动的研究，容量从几千瓦逐渐扩大，到1989年交流传动系统的容量已达到300kW以上。与此同时，铁道部门的有关科研机构也在进行三相交流传动机车的研究，到1992年已经完成了单机容量为1000kW级的地面试验系统。根据“地面试验系统”研制取得的数据和经验，1996年研制成功功率为4000kW级4轴的三相交流电力机车，是我国牵引传动由直流转变为交流的一个重要里程碑。目前我国已研制成功DJ1、DJ2、DJ3等交流传动电力机车，“中华之星”交流传动高速动车组以及交流传动内燃机车。
我国自主研发的交流传动产品还有：国防科技大学磁浮列车、DF8BJ型“西部之光”内燃机车、DJJ2型“中华之星”高速动车组、DJ7CJ型内燃机车、“天梭”电力机车、KZ4A型哈萨克斯坦电力机车、国产化地铁列车、自主知识产权北京地铁客车等,共计50多台套。
方发达国家投入巨资研发轨道交通交流传动系统, 经过30年的研发、考核、技术更新, 已完成了机车车辆直流传动向交流传动的产业转换。TGV、新干线、
ICE已经成为铁路现代化和国家综合实力的标志之一。交流传动成为铁路实现高速和重载的唯一选择和发展方向。
图1—2 中华之星列车组
在这发展过程中,电力电子器件的发展是交流传动技术进步的物质基础。第一代机车采用快速晶闸管,变流机组复杂、效率较低、可靠性和可维修性等均不理想。随着大功率GTO器件的诞生, 上世纪80 年代中后期被迅速应用于大功率交流传动机车动车, 技术性能又有新的提高。进入上世纪90年代,中高压IGBT 相继问世,器件品质进一步提高,变流机组又开始更新换代。
与此同时, 控制策略的发展是交流传动技术进步的理论基础。先后研究、应用了晶闸管移相整流控制、PWM控制、四象限脉冲整流控制、磁场定向控制、直接转矩控制等方法。
微电子、信息技术等为交流传动技术进步提供了现代控制手段。从过去复杂的模拟--数字电路实现简单的控制功能,进人现代网络化控制、小型化及模块化结构。
以上诸方面的关系是相互交叉和相容的。根据上述分析，可以说我国铁路在电力牵引的技术方面已经基本达到或接近国际先进水平，只是在技术的成熟度和产品的可靠性方面需要进一步提高。总的来说目前在电力牵引系统方面，“中华之星”和“先锋”号动车组的技术含量相当高，已经试验运行了50多万km，有很多经验可以借鉴，而作为中国铁路第六次大提速上线运行的动车组——和谐号动车组的技术，可以作为我国牵引动力技术最高水平的代表。
第2章交流牵引电机的构造分析
2.1 交流牵引电机的简介
城市轨道交通电力机车、工矿电力机车、电力传动内燃机车和各种电动车辆（如蓄电池车、城市电车、地下铁道电动车辆）上用于牵引的电机。牵引电机包括牵引电动机、牵引发电机、辅助电机等。
（1）牵引电动机
在机车或动车上用于驱动一根或几根动轮轴的电动机。牵引电动机有多种类型，如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等。直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性，适应机车牵引特性的需要，获得广泛应用。
（2）牵引发电机
专用于电力传动内燃机车，以供给牵引电动机电力的发电机，又称主发电机。牵引发电机有直流和交流两种。直流牵引发电机直接向直流牵引电动机供电。交流牵引发电机发出的三相交流电经硅整流器整流后再向直流牵引电动机供电。交流整流电路是三相的，整流电压虽然有脉动，但脉动量比较小，因此牵引电动机还被认为是一般的直流电动机。
（3）辅助电机
电力机车上的辅助电机可用直流电动机，也可用三相交流异步电动机。用直流电动机作为辅助电机时，须由专用的硅整流器供电。用三相交流异步辅助电动机时，须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。
随着交流变频调速技术的日益成熟，可以对交流牵引电机进行平稳可靠的无级调速，调速范围可达1：1000，比直流调速范围更大，尤其是没有了直流电机换向器的存在，因而克服了直流电机的许多弊端，交流牵引电机与直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求，更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速范围宽(0～5000r/min左右)、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电20～30%等优点，成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品。
2.2 交流牵引电机的结构
交流变频牵引电机作为车辆驱动的原动机是国际上二十世纪八十年代发展起来的先进牵引技术。随着交流变频调速技术的日益成熟，可以对交流牵引电机进行平稳可靠的无级调速，调速范围可达1：1000，比直流调速范围更大，尤其是没有了直流电机换向器的存在，因而克服了直流电机的许多弊端，交流牵引电机与直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求，更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速范围宽(0～5000r/min左右)、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电20～30%等优点，成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品。
交流牵引电机的基本结构由定子、转子、轴承、端盖，传感器、接线盒等构成。
图2—1交流电机的结构组成
（1）定子：电机中固定的部分叫做定子，在其上面装设了成对的直流励磁的静止的主磁极，电动势充当旋转磁场，后产生电磁转矩进行能量转换，以定子绕组的形状与嵌装方式区分。
定子是电动机静止不动的部分。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。定子的主要作用是产生旋转磁场。定子铁芯是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。机座是用作固定与支撑定子铁芯。定子绕组是电机电路部分，它由三个在空间相差120°电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。
（2）转子：电动机的旋转部分。它由转轴、转子铁芯和转子绕组组成。转子
上有励磁绕组，在通入励磁电流,由于转子在原动力的作用下旋转,则会产生交变的磁场，定子的三相绕组依次切割磁力线.就会感应出大小相等,相差120°电角度的交流电动。
表2—2 牵引电动机额定参数
项目额定值
额定参数种类连续
输出Ｋｗ３００
线电压Ｖ２０００
相电流Ａ１０６
转数 rpm ４１４０
频率Ｈｚ１４０
效率％９４．０
功率因数％８７．０
转差率％１．４
冷却风量ｍ3／ｍｉｎ２０
绝缘类别等级２００（定子绕组）
最高使用转速６１２０rpm
轴承动侧ＮＵ２１４Ｃ４Ｐ６
（3）轴承：电机进口轴承是一个支撑电机的零件，它可以引导电机轴的旋转，也可以承受电机轴上空转的零件。而轴承可以分为滚动轴承和滑动轴承，一般来
说的轴承指的是滚动轴承。
（4）端盖：一般是指轴向尺寸大于径向尺寸的电机两端的盖子，主要作用是确定转子的轴的空间位置，当然需要与不同形式的轴承配合，通过端盖连接到固定电机定子的外壳上，保证转子与定子的间隙，一般是铸铁工艺，小电机也可以板材冲压成型。
（5）传感器：分两大类：直流和交流电流传感器。按用途可分为：工业传感器工业产品电流电压测量解决方案。用于控制、校准以及过流保护和监控。
作为适用于车辆的构件，在构造设计方面不仅最大限度地追求轻量化，而且还追求在维护时的简易性。以下针对主要部分的构造进行说明。如果进气侧的风道金属网在附有尘埃的状态下运转，则牵引电机的冷却风量就会减少，这样可能会因异常发热而使绝缘劣化，轴承受损等。
2.3 交流牵引电机的工作原理
牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动。
图2—3 交流牵引电机控制原理图
牵引电动机有两种悬挂方式。一种是牵引电动机和动轮轴连接的悬挂方式，称为抱轴式悬挂或半悬挂。采用这种悬挂方式时，动轮通过轨缝和道岔所产生的冲击振动会直接传给牵引电动机。抱轴式悬挂适用于结构速度低于120公里/小时的机车车辆。另一种是架承式悬挂(或称全悬挂)。采用这种悬挂方式时牵引电动机固定悬挂在转向架构架上，在牵引电动机轴端和小、大齿轮之间加入各种弹性连接元件，以减小冲击振动的影响。架承式悬挂适用于结构速度高于120公里/小时的机车车辆。
图2—4 交流牵引电机控制原理
在用牵引变压器降压经硅整流器或大功率晶闸管整流后供电给直流串励牵引电动机时，加在牵引电动机上的电压为脉动电压，因此这种牵引电动机称为脉流牵引电动机。大功率脉流牵引电动机的“换向”条件更加困难。此外，电动机
内部还有一些附加损耗，从而引起电动机温升，因此，脉流牵引电动机在设计和结构上还要采取一定的特殊措施，以解决“换向”和温升两个突出的问题。
辅助电机电力机车上的辅助电机可用直流电动机，也可用三相交流异步电动机。用直流电动机作为辅助电机时，须由专用的硅整流器供电。用三相交流异步辅助电动机时，须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。
2.4 交流牵引电机的工作特性
牵引机主要与各种管材挤出生产线、焊管生产线配套，为整个机组提供夹持牵引力，并使生产线运行同步并保持平稳，应用范围广。国民经济的高速发展和人们生活水平的日益提高要求铁路运输能够多拉快跑，交流传动机车因具备这一特点而受到广泛的青睐。要使交流传动机车优越性能得以发挥则必须合理地匹配变流器与牵引电机。通常在进行机车设计时，要考虑启动力矩以及最大功率，同时还要考虑变流器和牵引电机的外型尺寸、质量，这些对于高速机车来说显得尤为重要。因此，在满足一定的负载条件下，机车的牵引特性曲线应尽可能与变流器—牵引电机系统一起进行考虑以便选择变流和牵引电机的合理的容量匹配，使机车的整体性能参数最佳、系统费用最低。
图2—5 交流牵引电机工作特性曲线
这时候电动机的转矩T 与频率
s f 的关系()s T F f 如图2-13所示。转矩T 与s f 无关而仅取决于sl f 的大小，所以是一组与横轴平等的直线，电动机的电流s I 、
端电压s U及电势s E与s f的关系则绘于图2-13中，电流s I如式（2-20）所表明的那样与s f无关，亦为常数。因为磁通恒定，显然s E与s f的关系是线性比例关系。定子电压s U据式（2-21）决定。高频时定子电阻s R的影响忽略，由式可见，s U 与s f近似于线性关系。然而频率较低时，s R的影响不能忽略。此时电压相对有所提高。
交流牵引电机的牵引特性曲线对高速和客运机车来说是非常可取的。这是因为客车的负载相对较轻，低速时需要的功率不大，随着速度的提高，列车阻力与速度平方成正比关系增加，需要的机车功率与速度三次方成正比关系，而这种曲线具备低速区输出力矩大，中速区输出功率适中，高速区功率大、颠覆力矩大的优点；同时，牵引电机的质量小，机车轴重轻，对钢轨的冲击小；随着半导体技术的不断发展，变流器在较高的频率段工作在分频工况不会出现什么问题。
（1）使用环境恶劣
由于牵引电机安装在车体下面，直接受到雨、雪、潮气的影响，机车运行中掀起的尘土也容易侵入电机内部。此外，由于季节和负载的变化，还经常受到温度和湿度变化的影响。因此，电机绝缘容易受潮、受污，对其性能和寿命产生极为不良的影响。所以，牵引电机的绝缘材料和绝缘结构应具有较好的防潮，防尘性能及良好的通风、散热条件。
（2）外形尺寸受限制
牵引电动机悬挂在车体下面，其安装空间受到很大的限制，轴向尺寸受轨距限制，径向尺寸受动轮直径的限制。为了获得尽可能大的功率，要求牵引电机结构必须紧凑，并采用较高等级的绝缘材料和性能较好的导电、导磁材料。
（3）动作力大
机车运行通过钢轨不平顺处，因撞击而产生的动力作用会传递给牵引电动机，使牵引电动机承受很大的冲击和振动。
脉流牵引电机的电流为脉动电流，除了直流分量外，还有一定的交流分量，电磁交流分量的存在将使电机换向更为困难，致使换向火花增大甚至环火。
（4）负载分配不均匀
牵引电机与普通电机的另一个不同之处是：在同一机车上的数台牵引电机，不论是在电方面还是在机械方面都是连接在一起的。在电的方面，各电机之间是并联连接；在机械方面，各电机通过车轮与钢轨间的黏着作用相互耦合在一起。因此，由于同一台机车上牵引电机特性有差异，各动轮直径不等或个别轮对发生“空转”、“滑行”等原因，都有可能造成各电机的负载分配不均，有的电机处于过载运行，有的电机处于欠载运行，从而使机车牵引力不能充分发挥。
第3章城轨车辆交流传动控制系统
3.1交流传动控制系统概述
随着铁路运输的任务越来越重，列车运行速度越来越高，保证运输安全的问题也越来越突出。完全靠人工瞭望、人工驾驶列车已经不能保证行车安全了，即使装备了机车信号和自动停车装置，也只能在列车一般速度运行条件下保证安全无法实现高速列车的安全保证，因为它们不能完成防止超速行车和冒进信号的现象。因此，需要研究列车运行控制系统，实现对列车间隔和速度的自动控制，进一步提高运输效率，保证行车安全。
要实现上述目标，不是简单的设备改进可以完成的，需要解决许多关键技术问题，需要车载设备、轨旁设备、车站控制、调度指挥、通信传输等系统良好的配合才能实现，如果把前面讨论的系统称为传统铁路信号系统。现代信息技术的迅速发展，对铁路信号技术产生了重要影响，为形成现代铁路信号系统提供了条件。列车运行自动控制系统（简称列控系统）是计算机、通信、控制等信息技术与信号技术的一个高水平集成与融合的产物。
要实现列车间隔与速度的安全控制，首先要及时获取列车运行的速度与列车目前的位置，因此列车的测速与定位是列控系统的关键技术之一，测速和定位的精度从根本上制约着列车运行自动控制系统的控制精度，测速测距的精度太低，不仅会增加行车的不安全因素，而且会造成系统预留的安全防护距离过大，从而影响运输效率。
图3—1 列车控制系统
线通信技术的发展为列控系统地-车信息传输开辟了新的途径，无线通信技术克服了轨道电路由于受到轨道电路传输特性的影响，所能够传输的信息数量受
到限制、传输距离不能很长、无法实现双向传输的缺点，因此，成为未来列控系统地-车信息传输的主要发展方向，以无线通信技术为基础实现地-车信息传输的系统，我们称为基于通信的列车控制系统（CBTC）。
3.2交流传动控制系统的组成
城轨车辆牵引传动系统的组成：铁道接触网（DC150V、DC750V和DC600V）或接触轨（DC750V、DC600V）、电传动装置（直流传动装置、交流传动装置）、电气控制装置（有触点电器＋导线、微机控制装置＋通信网络）。
图3—2 城轨车辆牵引传动系统的组成
（1）主传动系统：完成车辆从电能到轮对机械能的转换或反向转换。
（2）辅助供电系统：向车辆的控制电路和辅助电气设备提供电源。
（3）牵引控制系统：使主传动系统的各种电气设备按要求正确工作。
主传动系统由接触网或接触轨，网测高压电路，交流调速主电路，异步牵引电机，传动齿轮箱，轮对、接地回流装置、回流轨（线）等组成。
城轨车牵引传动控制系统的功能是将接触网或接触轨的电能通过牵引电动机和机械传动装置转换为转向架轮对上方向和转矩可以控制的旋转机械能（或进行反向变换），借助轮轨之间的粘着力和蠕滑特性，使车辆产生向前的牵引力（或向后的制动力）。
.. . … 目录 1. 概述 (1) 1.1 电力牵引的特点 (1) 2. 电力机车的传动方式 (2) 2.1 直-直流传动 (2) 2.2 交-直流传动 (3) 2.3 直-交流传动 (3) 2.4 交-直-交流传动 (3) 3. 我国机车电传动技术的发展与现状 (4) 3.1 交-直传动技术的发展 (4) 3.2 交流传动技术的发展 (5) 4. 动车组的牵引传动系统的现状 (6) 5. 电力牵引传动系统网侧原理图 (8)
1.概述 1.1电力牵引的特点 电力机车属非自带能源式机车，电力牵引具有一系列燃牵引所不及的优越性，表现在以下几方面： 1、电力机车的功率大 燃机车功率受到柴油机本身容量、尺寸和重量的限制，故机车功率不能过大。而电力机车不受上述条件的限制，机车功率（或单位重量功率）要大得多，目前轴功率已达1000kW（若交流牵引电动机可达1600kW）。一台电力机车的牵引能力相当于1.5台（或更多一些）燃机车的牵引能力。由于电力机车功率大、起动快、允许速度高，所以能够多拉快跑，极提高了线路的通过能力和输送能力。 2、电力机车的效率高 由于电力牵引所需的电能是由发电厂（或电站）集中产生，因此燃料的利用率要比燃牵引高得多。由火电厂供电的电力牵引的效率高达35%，由水电站供电的电力牵引则更高，可达60%以上。而燃牵引的效率约为25%左右，而且柴油价格较贵，有燃烧排放污染。 3、电力机车的过载能力强 机车在起动列车或牵引列车通过限制坡道时，其过载能力具有很大的意义。由于电力机车的过载能力不会受到能源供给的限制，而牵引电动机的短时过载能力总是比较大。因此，电力机车所需的起动加速时间一般约为燃机车的1/2，从而能够提高列车速度。 4、电力机车的运营费用较低
国内外电力牵引传动与控制技术的现状与发展 交通设备1003班叶文斌宋文强卢志文康杨 摘要： 始于上世纪70年代初的交流电传动技术已经从晶闸管技术发展到GTO技术。交流电传动技术的不断成熟，使其真正成为所有新机车动车的标准。在最近几年中实现了IGBT取代GTO晶闸管的重要技术转型。作为最新进步，该技术转型现在还涵盖了大功率应用范围。德国铁路公司新型的BR189 四电流制电力机车最早将该项革新技术应用于极限功率范围。我国电力牵引技术在不断引进和消化吸收国外先进技术的同时，自主创新，也取得了长足的进步。 关键词：电力牵引传动晶闸管 GTO技术 IGBT技术 IGCT技术直直传动交 直传动交直交传动 Abstract: Starting at beginning of the seventies of the last century the three-phase ac drive technology was developed from Thyristor Technology to GTO technology .With its high maturity three-phase ac drive technology has become the standard for practically all new vehicles .During the last years the replacement of GTO-Thyristors by IGBTs (insulated gate bipolar transistor) was carried out as another important technology change. Now as the last step this technology change also covers the high power applications. The new class 189 four-systems locomotive of German Rail (DB AG) forms the leading application for this innovation in the high power range. Electric traction technologies in China continue to introduce and absorb advanced foreign technology, independent innovation, have also made great progress. Key words:Electric traction drive thyristor GTO technology IGBT technology IGCT technology DC-DC drive technology AC-DC drive technology AC-DC-AC drive technology 引言 铁道牵引电传动技术是牵引动力设备的核心技术，其发展目标一直是致力于改善机车牵引和电制动性能，提高运用可靠性和能源的有效利用率，减少对环境的影响，降低运营成本，更好地满足铁路运输市场的需求。自上世纪50年代末，我国第1台干线电力机车问世至今，我国机车电传动技术随着电力电子和功率电力电子器件技术的发展和应用，经历了从第1代SS 1型电力机车的低压侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第2代的SS3型电力机车调压开关分级与级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，再到第3代的SS4～SS9型电力机车的多段桥晶闸管相控无级平滑调压调速技术，直到全新一代的“和谐”型交流传动机车的跨越式发展历程。电传动技术与功率电力电子器件技术紧密相关。一代功率电力电子器件，产生一代牵引设备。只有在GTO、IGBT等全控型大功率电力电子器件及先进的控制技术出现后，才真正确立了现代交流传动技术的优势，使机车电传动技术发生了根本变革，由直流传动向交流传动转变。 国外技术发展 现代电力电子技术的迅猛发展，新型电力电子器件不断问世为交流传动奠定
《电力牵引传动基础》复习提纲 1. 动力集中、动力分散分别是什么含义？ 2. 机车在结构上主要由车体和转向架两部分构成；在功能上包括受流系统、牵引与制动系统、 辅助供电系统，以及列车通信系统。 3. 何谓轴重、轴式？一台138吨、轴式为C0-C0的机车，轴重是多少？ 4. 名词解释：传动比、一系悬挂、二系悬挂、持续功率、小时功率、粘着、空转（现象、原 因和危害）、轴重转移、质量回转系数、计算粘着系数 5. 从能量来源及传动方式分，轨道牵引动力主要有哪些类型？ 蒸汽机车；内燃机车——机械、液力、电力传动；电力机车——直流、低频单相交流、工频单相交流 6. 按照牵引电机及变流器的不同，电传动机车有哪些类型？或者：“交—直”和“交—直—交”是什么含义？ 直—直传动（DC/DC）、交—直传动（AC/DC）、直—交传动（DC-AC）、交—直—交传动（AC—DC-AC） 7. 集中供电、部分集中供电、独立供电分别是什么含义？ 8. “交—直”型机车，牵引电流要经过哪些环节或装置？ 牵引网→受电弓、主断路器、牵引变压器、（调压开关）、整流器、平波电抗器、直流牵引电机→钢轨 9 “交—直—交”型机车，牵引电流要经过哪些环节或装置？ 牵引网→受电弓、主断路器、牵引变压器、PWM整流器、直流支撑电容、逆变器、三相异步电机→钢轨 10. 列车的牵引力是如何产生的，牵引力的大小和哪些因素有关，如何有效提高牵引力？ 11. 轮轨间的粘着系数与哪些因素有关？机车的计算粘着系数与哪些因素有关，如何有效消除 不利因素的影响？ 12. 列车运行阻力包括哪两部分，其中基本阻力与速度是什么关系，附加阻力主要包括哪些阻
电力牵引控制系统1 15. 主电路设计时要考虑（）五方面的因素 参考答案：电机连接与激磁方式、电机的供电方式、整流线路、调速方式、电气制动方式16. 机车牵引特性是指（）与（）关系曲线 参考答案： 机车牵引力、机车速度 17. 要改变电机励磁绕组电流实现磁场削弱调速主要有（）、（）两种方法 参考答案： 电阻分路法、晶闸管分路法 18. 机车制动特性是指（）与（）关系曲线 参考答案： 制动力、速度 19. 机车牵引限制包括（）、（）、（）、（） 参考答案： 最大速度限制、电机的安全换向限制、粘着限制、电机最大电枢电流限制 20. 机车制动限制包括（）、（）、（）、（）、（） 参考答案： 最大速度限制、电机的安全换向限制、粘着限制、电机最大制动电流限制、最大励磁电流限制 21. 电阻制动在低速时，制动力直线下降。为提高制动力，可采用（）、（）两种方法 参考答案： 加馈电阻制动、分级电阻制动 22. 机车主电路保护主要有（）、（）、（）和（）保护 参考答案： 短路、过载、接地、过压 23. 机车辅助电路主要分（）辅助电路和（）辅助电路两大类 参考答案：直流、交流 24. 主电路设计时要考虑那几方面的因素？ 参考答案： 五个方面的考虑 ①电机连接与激磁方式； ②电机的供电方式； ③整流线路； ④调速方式； ⑤电气制动方式 25. 交直型电力机车采用最是那种励磁方式?串联还是并联? 参考答案： 交直机车多采用串励励磁方式，也有机车采用复励励磁方式。 与并励电机相比，串励电机起动力矩大、恒功性能好，但是其防空转较差； 电机多采用并联方式，只有8K机车采用电机串联方式。 电机并联与串联相比有更好的防空转能力，且一个电机故障时对牵引力影响较小，但是其电器线路设备较为复杂，且因轮径差和性能差引起的负载分配不均匀较大。
《电力牵引交流传动及其控制系统》报告——交流传动与直流传动优劣的比较
1.电力传动的发展 从十九世纪七十年代开始,人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动技术。1879年的世界第一台电力机车和1881年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。1891年西门子试验了三相交流直接供电、绕线式转子异步电动机牵引的机车, 1917年德国又试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车。这些技术探索终因系统庞大、能量转换效率低、电能转换为机械能的转换能量小等因素,未能成为牵引动力的适用模式。 1955年,水银整流器机车问世,标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。1957年,硅可控整流器( 即普通晶闸管) 的发明, 标志着电力牵引跨入了电力电子时代。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电动机)，很自然地被更优越的交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所取代。1965年,晶闸管整流器机车问世, 使牵引动力电传动系统发生了根本性的技术变革, 全球兴起了单相工频交流电网电气化的高潮。随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现了交-直-交传动(交流发电机或交流供电-硅整流-逆变器-交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交-直传动。 与直流传动机车相比，交流传动机车具有启动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。
2．交流传动与直流传动的比较 2.1 机车工作原理的比较 2.1.1 直流传动电力机车工作原理 直流传动电力机车包括直直型电力机车和交直型整流器电力机车。 直直型电力机车是由直流电源供电，直流串励牵引电机驱动，通过串并联切换加凸轮变阻或晶闸管斩波器调阻（调压)方式进行调速和控制的机车。一般工矿用4轴电力机车串并联切换加凸轮变阻的电传动装置工作过程为:机车由受电弓从接触网取得直流电，经断路器QF，启动电阻R，向4台直流牵引电动机M1-M4供电，牵引电流经钢轨流回变电所。随着4台牵引电动机接通电源即行旋转，电能转变为机械能，分别通过各自的齿轮传动装置，驱动机车动轮实现牵引运行。 交直型整流器电力机车的能量传递是将接触网供给的单相工频交流电，经机车内部的牵引变压器降压，再经整流装置将交流转换为直流，然后向直流（脉流）牵引电动机供电，从而产生牵引力牵引列车运行。如图所示。
目录 1. 概述 (1) 1.1 电力牵引的特点 (1) 2. 电力机车的传动方式 (2) 2.1 直-直流传动 (2) 2.2 交-直流传动 (3) 2.3 直-交流传动 (3) 2.4 交-直-交流传动 (4) 3. 我国机车电传动技术的发展与现状 (4) 3.1 交-直传动技术的发展 (4) 3.2 交流传动技术的发展 (5) 4. 动车组的牵引传动系统的现状 (6) 5. 电力牵引传动系统网侧原理图 (8)
1.概述 1.1电力牵引的特点 电力机车属非自带能源式机车，电力牵引具有一系列内燃牵引所不及的优越性，表现在以下几方面： 1、电力机车的功率大 内燃机车功率受到柴油机本身容量、尺寸和重量的限制，故机车功率不能过大。而电力机车不受上述条件的限制，机车功率（或单位重量功率）要大得多，目前轴功率已达1000kW（若交流牵引电动机可达1600kW）。一台电力机车的牵引能力相当于1.5台（或更多一些）内燃机车的牵引能力。由于电力机车功率大、起动快、允许速度高，所以能够多拉快跑，极大地提高了线路的通过能力和输送能力。 2、电力机车的效率高 由于电力牵引所需的电能是由发电厂（或电站）集中产生，因此燃料的利用率要比内燃牵引高得多。由火电厂供电的电力牵引的效率高达35%，由水电站供电的电力牵引则更高，可达60%以上。而内燃牵引的效率约为25%左右，而且柴油价格较贵，有燃烧排放污染。 3、电力机车的过载能力强 机车在起动列车或牵引列车通过限制坡道时，其过载能力具有很大的意义。由于电力机车的过载能力不会受到能源供给的限制，而牵引电动机的短时过载能力总是比较大。因此，电力机车所需的起动加速时间一般约为内燃机车的1/2，从而能够提高列车速度。 4、电力机车的运营费用较低 （1）功率大、起动快、运行速度高、过载能力强、可以多拉快跑； （2）整备距离长、适合于长交路，提高了机车的利用率； （3）检修周期长、日常维护保养工作量也小。 一般情况下，电力牵引的运营费用比内燃牵引要低15%左右。 此外，由于电力机车运行过程中不污染环境，对于大型铁路枢纽站及隧道长
电力牵引控制系统主 观题
电力牵引控制系统1 15. 主电路设计时要考虑（电机连接与激磁方式、电机的供电方式、整流线路、调速方式、电气制动方式）五方面的因素 16. 机车牵引特性是指（机车牵引力）与（机车速度）关系曲线 17. 要改变电机励磁绕组电流实现磁场削弱调速主要有（电阻分路法）、（晶闸管分路法）两种方法 18. 机车制动特性是指（制动力）与（速度）关系曲线 19. 机车牵引限制包括最大速度限制、电机的安全换向限制、粘着限制、电机最大电枢电流限制 20. 机车制动限制包括最大速度限制、电机的安全换向限制、粘着限制、电机最大制动电流限制、最大励磁电流限制 21. 电阻制动在低速时，制动力直线下降。为提高制动力，可采用（加馈电阻制动）、（分级电阻制动）两种方法 22. 机车主电路保护主要有短路、过载、接地、过压保护 23. 机车辅助电路主要分直流辅助电路和交流辅助电路两大类 24. 主电路设计时要考虑那几方面的因素？ 参考答案： 五个方面的考虑 ①电机连接与激磁方式； ②电机的供电方式； ③整流线路；
④调速方式； ⑤电气制动方式 25. 交直型电力机车采用最是那种励磁方式?串联还是并联? 参考答案： 交直机车多采用串励励磁方式，也有机车采用复励励磁方式。 与并励电机相比，串励电机起动力矩大、恒功性能好，但是其防空转较差；电机多采用并联方式，只有8K机车采用电机串联方式。 电机并联与串联相比有更好的防空转能力，且一个电机故障时对牵引力影响较小，但是其电器线路设备较为复杂，且因轮径差和性能差引起的负载分配不均匀较大。 26. 交直型机车的调速过程是先调压弱磁,为何要先弱磁? 参考答案： 交直机车先进行调压调节器速，到额电压时，保持电压不变，再进行弱磁调速。 机车牵引时，一方面要速度控制，同时也要牵引力。 电机的转矩为： 如果先开始弱磁，意味着在大要得到同样的牵引力，要更大的电枢电流，这是不经济的。所以要满磁场工作，在调压到额定电压之后，电枢电流没有达到额定值前采用弱磁调速方式。 27. 什么是空转？其危害是什么?如何检测和防护? 参考答案：
电力牵引传动与控制第一章电力牵引传动与控制系统概述 一、系统组成与功用 1.①内燃机车电力传动与控制系统组成 ②电力机车电力传动与控制系统组成 2.机车理想牵引特性曲线 图1.2 牛马特性 理想特性要求：机车在运行时能经常利用其动力装置的额定功率.即：F·V=3.6η·N=const.
3.电传动装置的功用？ 图1.3 柴油机功率特性和扭矩特性 ①充分利用和发挥机车动力装置的功率； ②扩大机车牵引力F与速度V的调节范围； ③提高机车过载能力，解决列车起动问题； ④改善机车牵引控制性能。 Why要电传动：柴油机通过机械直接传动不能适应机车起动、过载、恒功等要求 二、系统分类 1.直-直电力传动系统 内燃或电力机车采用直流牵引发电机或直流电网直接向数台直流牵引电动机供电的传动方式。 特点： ①调速性能优良，系统简洁。 ②直流牵引电机造价较高，但可靠性、维护性相对较差。 ③受直流电机换向条件和机车限界、轴重等限制，主发电机单机功率受到限制。一般在2200KW以下。 ④车型：早期DF,DF2,DF3,ND1,ND2等
2.交-直电力传动系统 内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流网及变压器，通过整流器向数台直流牵引电动机供电的传动方式。 特点： ①采用三相交流同步发电机，结构简单，可靠性高，重量轻，造价较低。 ②适用于大功率机车。 ③车型：DF4，DF5，DF7，DF11，ND4，ND5，SS3-SS9等。 3.交-直-交电力传动系统 内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流电网及变压器，经整流器将交流电变换成直流，再通过逆变器将直流电变换成频率和幅值按列车运行控制要求变化的交流电，向数台交流牵引电动机供电的传动方式。 特点： ①采用交流牵引电机，彻底克服了直-直系统的不足，重量轻，造价低，可靠性及维修性好 ②良好的粘着性能 ③适用于大功率 ④控制系统复杂 ⑤车型：DF4DAC,NJ1; DJ,DJ2,DJJ1,DJ4; HX、CRH系列等 三、发展历史与现状 1.大功率（内然）机车电力传动与液力传动两种主要传动方式的演变与发展 主要趋势：电力传动 2.电力传动形式的发展：直-直→交-直→交-直-交 发展趋势：大功率、电力牵引、交流传动
1.2电力牵引传动控制系统发展现状 自20世纪80年代末90年代初至今，己有多种型号的三相交流电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组分别在德国、法国、日本、中国等众多国家的铁路线上运行。从20世纪90年代开始，铁路发达国家已不再生产交直传动电力机车和直流传动内燃机车，，而是全部采用交流传动技术。 交流传动电力机车具有如下优势[(2l0 (1)良好的牵引性能:合理的利用系统的调压、调频特性，可以实现宽范围 的平滑调速，另外调节调频特性能使机车和动车组启动时发出较大启动转矩。 (2)电网功率因数高、谐波干扰小:在交直交电力机车和动车组上，其电源 侧变流器可以采用四象限脉冲整流器，它通过PWM控制方法，可以调节电网输入电流的相位，使所取电流接近正弦波形，并能在广泛的负载范围内使机车和动车组的功率因数接近于1，这在减少对通信信号的谐波干扰方面和充分利用电网的传输功率方面都有很大的意义。另外，四象限脉冲整流器能很方便的实现牵引和再生之间的能量转换，取得显著的节能效果。 (3)牵引系统功率大、体积小、重量轻、运行可靠:由于异步牵引电动机转 速可达4000 r /min，利用了直流电动机换向器所占的空间，所以交流电动机能够做到功率大、重量轻，与带换向器的直流(脉流)电动机相比，其单位质量功率(kW/棺)是直流电动机的3倍。在列车车体提供的空间范围内，异步电动机的功率可以达到1400^-2000 kW。另外，交流电动机没有换向器和电刷装置，机车和动车组主电路系统又可以省去许多带触点电器，故障率低易于维护，进一步提高了机车和动车组运行中的可靠性。 (4)良好的牵引特性:由于交流异步电动机有较硬的机械特性，有自然防空 转的性能。三相交流异步电机对瞬时过压和过流不敏感，不存在换向器和火花问题，在启动时能在更长的时间内发出更大的转矩。特别是牵引电机控制采用矢量控制或直接转矩控制策略，可以实现大范围平滑调速，适合当代动车组高速牵引、机车重载牵引的要求。 20世纪70年代，我国许多科研单位已开始进行电力半导体变流技术和三相交流传动的研究，容量从几千瓦逐渐扩大。与此同时，铁道科学研究院与株洲电力机车研究所等也在进行交流传动机车的研制，到1996年研制成功单轴功率1000 kW的AC4000型交流传动原型机车，这是我国牵引传动由交直传动转变为 铁路运输作为我国中长距离，大运量、安全、低耗、环保、快捷的运输形式已成为交通运输体系中的重要组成部分，在国民经济中占有非常重要的地位。尤其是
电力牵引传动与控制技术 的发展状况 交通设备与信息工程1001班 陈群 1104101014 李涛 1104100903 赵龙飞 1104101003 何富军 1104100412
1电力牵引传动与控制技术的发展状况 陈群李涛赵龙飞何富军 （中南大学交通运输工程学院湖南长沙 410075） 摘要：综述了我国机车电传动技术各个发展阶段的技术特点，揭示出电力电子技术与电传动技术的密切关系，重点阐述了我国新型机车交流传动系统的技术特点和发展趋势，并对我国第一、二、三代电力机车控制技术的发展过程及技术特点进行了介绍。 关键字：电力机车交流传动控制技术 The Development of Electric Drive And Control Technology for Locomotive CHEN qun LI tao ZHAO long-fei HE fu-jun (School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University ,Changsha, Hunan 410075) Abstract: It was summarized the technical characteristic of electric drive technology for locomotive each development stage. The close relationship between power electronic and electric drive technology is revealed. It was especially illustrated technical characteristic and developing trend of new style locomotive AC drive system, and the development process and technical features of the electric locomotive control technologies of the first, second and third generations were introduced. Key words: electric locomotive, AC drive,control technology 0 引言 铁道牵引电传动技术是牵引动力设备的核心技术，其发展目标一直是致力于改善机车牵引和电制动性能，提高运用可靠性和能源的有效利用率，减少对环境的影响，降低运营成本，更好地满足铁路运输市场的需求。自上世纪50年代末，我国第1台干线电力机车问世至今，我国机车电传动技术随着电力电子和功率电力电子器件技术的发展和应用，经历了从第1代SS1型电力机车的低压侧调压开关调幅式的有级调压调速技术，到第2代的SS3型电力机车调压开关分级与级间晶闸管相控平滑调压相结合的调压调速技术，再到第3代的SS4～SS9型电力机车的多段桥晶闸管相控无级平滑调压调速技术，直到全新一代的“和谐”型交流传动机车的跨越式发展历程。近20年来, 随着微电子技术和计算机应用技术的迅猛发展, 国际上从事电力机车制造业的各大公司纷纷加大对电力机车控制技术的投入, 作者简介：陈群（1991~），男，大学本科，从事于交通设备控制工程机车车辆方向
《电力牵引交流传动及其控制系统》报告 交流传动与直流传动优劣的比较
1.电力传动的发展 从十九世纪七十年代开始，人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动技术。1879年的世界第一台电力机车和1881年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。1891年西门子试验了三相交流直接供电、绕线式转子异步电动机牵引的机车,1917年德国又试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车。这些技术探索终因系统庞大、能量转换效率低、电能转换为机械能的转换能量小等因素，未能成为牵引动力的适用模式。 1955年，水银整流器机车问世，标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。1957年，硅可控整流器（即普通晶闸管）的发明，标志着电力牵引跨入了电力电子时代。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动（直流发电机或直流供电-直流电动机），很自然地被更优越的交-直传动（交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机）所取代。1965年，晶闸管整流器机车问世，使牵引动力电传动系统发生了根本性的技术变革，全球兴起了单相 工频交流电网电气化的高潮。随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管（GTO）的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现了交-直-交传动（交流发电机或交流供电-硅整流-逆变器-交流电动机），即所谓的交流传动，又很自然地取代了交-直传动。 与直流传动机车相比，交流传动机车具有启动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。
2 .交流传动与直流传动的比较 2.1机车工作原理的比较 2.1.1直流传动电力机车工作原理 直流传动电力机车包括直直型电力机车和交直型整流器电 力机车。 直直型电力机车是由直流电源供电，直流串励牵引电机驱动，通过串并联切换加凸轮变阻或晶闸管斩波器调阻（调压）方式进行调速 和控制的机车。一般工矿用4轴电力机车串并联切换加凸轮变阻的电传动装置工作过程为：机车由受电弓从接触网取得直流电，经断路器QF启动电阻R,向4台直流牵引电动机M1-M4供电，牵引电流经钢轨流回变电所。随着4台牵引电动机接通电源即行旋转，电能转变为机械能，分别通过各自的齿轮传动装置，驱动机车动轮实现牵引运行。 交直型整流器电力机车的能量传递是将接触网供给的单相工频交流电，经机车内部的牵引变压器降压，再经整流装置将交流转换为直流，然后向直流（脉流）牵引电动机供电，从而产生牵引力牵引列车运行。如图所示
电力牵引控制系统 班级学号姓名 一、填空（每空1分，共20分） 1．电力机车的电气线路按其作用的不同，可分为、和三大部分。2．有级调速电力机车如SS1型机车，它有个调压级和有级消磁。 3．为了保证电力机车正常运行，机车上设有辅助电路和辅助机械装置。 4．6K型机车采用牵引电动机，当机车运行于高速区域时，通过控制 的办法来达到规定的磁场削弱系数。 5．斩波器主要由组合而成。 6．电源电流谐波与等因素有关系，且不同斩波器情况也不一样。7．利用二点式逆变器，只能把中间直流回路的接到电动机上去。 8．东风4型内燃机车励磁电路的调整就是保证在不同主手柄下牵引发电机励磁电流随负载电流的变化而按相应的形曲线变化。 9．对于城市电车或地铁动车，一般由直流的接触网供电。10．为了机车能安全可靠地工作，必须设置可靠的保护系统，以便在出现各种不利的 能及时地采取防护措施。 11．单闭环调节系统对于都有抑制作用，因为一切扰动最终都要反映到被调量上来，都可以通过测出被调量的偏差而进行调节。 12．系统动态特性的数学表达式，叫做。 13．SS1型机车设有两个两位置开关，即开关和。 14．6G型机车为六轴机车，六台牵引电动机分成两组，每组三台牵引电动机。 二、名词解释（每题4分，共20分） 1．四象限脉冲整流器： 2．恒压运行： 3．调速性能指标：
4．斩波器： 5、交-直流传动方式： 三、简答题（每题5分，共30分）1．串激牵引电机有哪些优缺点？ 2．电阻制动有哪些优缺点？ 3．电力机车上可能发生的过电压有哪几种？4．移相电路分为哪几种？各有什么用途？
5采用异步电机作牵引电机有哪些优点？ 四、叙述题（每题10分，共计10分） 细述SS1型电力机车司机控制器的转换手柄与调速手柄之间的机械联锁作用。
六：实验报告 1：列写SPWM控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形和电机工作情况 SPWM 30HZ 同步调制 CH1=20.0mv CH1/23.2mv CH1=50.0mv CH1/314mv CH1=200mv CH1/1.15v SPWM 30HZ 异步调制 CH1=20.0mv CH1/124mv CH1=200mv CH1/1.12v CH1=5.00v CH1/31.4v
SPWM 30HZ 混合调制 CH1=10.0mv CH1/62.8mv CH1=100mv CH1/628mv CH1=100mv CH1/31.2v 2：列写电压空间矢量控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形和电机工作情况 SVPWM 50HZ 同步调制 CH1=10.0mv CH1/62.8mv CH1=10.0mv CH1/31.2v CH1=5v CH1/27.4v
SVPWM 50HZ 异步调制 CH1=10.0mv CH1/62.8mv CH1=100mv CH1/560mv CH1=5.00v CH1/27.2v SVPWM 50HZ 混合调制 CH1=10.0mv CH1/62.8mv CH1=50.0mv CH1/27.2v CH1=5.00v CH1/27.2v
SVPWM 30HZ 同步调制 CH1=10.0mv CH1/65.2mv CH1=50.0mv CH1=100mv CH1/652mv SVPWM 30HZ 异步调制 CH1=10.0mv CH1/65.2mv CH1=50.0mv CH1/326mv CH1=5.00v CH1/27.2v
交流传动与直流传动优劣的比较 一、交流传动背景介绍 1、发展历程 电力传动诞生于19世纪，20世纪初被广泛应用于工业、农业、交通运输和日常生活中。 执行机构由直流电动机驱动，则称为直流电气传动系统，执行机构由交流电动机驱动，则称为交流电气传动系统。 20世纪30年代，人们已经认识到变频调速是交流电动机一种最理想的调速方法；60年代，随着电力电子技术的发展和变频调速装置的研制成功，交流调速技术成为电动机调速的发展方向；70年代中期，在世界范围内出现能源危机，节约能源成为人们关注的问题；许多过去不调速的传动装置，如风机、水泵等，也都采用了调速传动；90年代以来，随着大功率电力电子器件和微电子技术的飞速发展，以及现代控制理论和控制技术的应用，交流传动调速技术取得了突破性的进展，逐步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应快以及可作四象限运行等优良的技术性能。目前，交流传动已经作为一种完全被肯定的系统，大举进入电气传动调速控制的各个领域。 2、交流传动电力机车发展综述 随着科技的进步，电力机车的发展方向逐渐成为以安全性、实用性、可靠性、灵活性、舒适性越高越好；费用越低越好的发展目标。但是，不可避免的，存在着地域规范、供电制式、空间、体积、重量、技术水平、工艺水平等限制。随着电力电子技术、微电子技术、新材料、新工艺等的出现与发展，行业从业者们满足运输的需求，充分利用新技术，利用新材料，采用新工艺从而实现新一代电力机车的发展。
3、交流传动电力机车的组成 辅助变频器 主变频器及电机驱动模 动力制动模 通讯模块 空气系统模块 电子设备 图1-1 机车内部构造 4、我国交流传动机车的发展现状 我国交流传动技术的研究始于70年代初，可以说起步不晚，但国际上80年代初交流传动机车就已经进入商用化，技术日趋成熟。铁道部主管领导曾指出，
机车电力牵引控制 班级学号姓名 一、填空（每空1分，共20分） 1．电力机车的电气线路按其作用的不同，可分为、和三大部分。2．有级调速电力机车如SS1型机车，它有个调压级和有级消磁。 3．为了保证电力机车正常运行，机车上设有辅助电路和辅助机械装置。 4．6K型机车采用牵引电动机，当机车运行于高速区域时，通过控制 的办法来达到规定的磁场削弱系数。 5．斩波器主要由组合而成。 6．电源电流谐波与等因素有关系，且不同斩波器情况也不一样。7．利用二点式逆变器，只能把中间直流回路的接到电动机上去。8．东风4型内燃机车励磁电路的调整就是保证在不同主手柄下牵引发电机励磁电流随负载电流的变化而按相应的形曲线变化。 9．对于城市电车或地铁动车，一般由直流的接触网供电。10．为了机车能安全可靠地工作，必须设置可靠的保护系统，以便在出现各种不利的 能及时地采取防护措施。 11．单闭环调节系统对于都有抑制作用，因为一切扰动最终都要反映到被调量上来，都可以通过测出被调量的偏差而进行调节。 12．系统动态特性的数学表达式，叫做。 13．SS1型机车设有两个两位置开关，即开关和。 14．6G型机车为六轴机车，六台牵引电动机分成两组，每组三台牵引电动机。 二、名词解释（每题4分，共20分） 1．四象限脉冲整流器： 2．恒压运行： 3．调速性能指标： 4．斩波器：
5、交-直流传动方式： 三、简答题（每题5分，共30分） 1．串激牵引电机有哪些优缺点？ 2．电阻制动有哪些优缺点？ 3．电力机车上可能发生的过电压有哪几种？ 4．移相电路分为哪几种？各有什么用途？ 5采用异步电机作牵引电机有哪些优点？ 四、叙述题（每题10分，共计10分） 细述SS1型电力机车司机控制器的转换手柄与调速手柄之间的机械联锁作用。 电力牵引控制系统复习题 一、填空 1．电力机车的电气线路按其作用的不同，可分为主电路、控制电路和辅助电路三大部分。 2．有级调速电力机车如SS1型机车，它有33 个调压级和三级有级消磁。 3．为了保证电力机车正常运行，机车上设有三相交流辅助电路和辅助机械装置。 4．6K型机车采用复励牵引电动机，当机车运行于高速区域时，通过控制励磁整流器而改变它励绕组电流IF 的办法来达到规定的磁场削弱系数。 5．斩波器主要由晶闸管元件和使之关断的换相电路组合而成。 6．电源电流谐波与斩波频率、电流脉动幅值等因素有关系，且不同斩波器情况也不一样。7．利用二点式逆变器，只能把中间直流回路的正极电位或负极电位接到电动机上去。8．东风4型内燃机车励磁电路的调整就是保证在不同主手柄下牵引发电机励磁电流随负载电流的变化而按相应的“马鞍”形曲线变化。 9．对于城市电车或地铁动车，一般由直流600v、750v、1500v 的接触网供电。 10．为了机车能安全可靠地工作，必须设置可靠的保护系统，以便在出现各种不利的工作环境和故障时能及时地采取防护措施。 11．单闭环调节系统对于被包在反馈环内的一切扰动量都有抑制作用，因为一切扰动最终都要反映到被调量上来，都可以通过测出被调量的偏差而进行调节。 12．系统动态特性的数学表达式，叫做数学模型。 13．SS1型机车设有两个两位置开关，即主变压器次边绕组正反串接开关和牵引、制动工况转换开关。 14．6G型机车为六轴机车，六台牵引电动机按前后转向架分成两组，每组三台牵引电动机并联运行。
浅析电力机车电力牵引传动系统的工作原理及特点 摘要：近年来，我国对电能的需求不断增加，电力行业有了很大进展。本文通 过分析电力电子技术的发展状况，再结合电力电子技术在我国电力机车牵引电传 动系统中的应用情况，指出了宽禁带半导体技术是今后从事电力电子技术研究的 重要方向，并提出了继续探究优化改型IGBT和SiC功率器件在电力机车上的应用 研究，对促进我国电力机车的发展具有重大意义。 关键词：电力电子技术；电力机车；牵引电传动系统 引言 重视电力牵引传动与控制技术的现状与发展探讨，有利于提高这些技术的实 际利用效率，充分发挥各技术实际应用中的作用，保持不同应用领域的良好服务 水平。因此，需要从不同的方面对电力牵引传动与控制技术的现状进行深入分析，了解相关设备的优势及应用价值，促使该技术作用下我国机车电力牵引系统能够 长期处于稳定的发展状态，优化交流传动系统服务功能。 1现代化电力电子技术 20世纪80年代初期，大功率绝缘栅双极晶体管（IGBT）的出现把电力电子 技术的应用带入高频及中大功率领域。IGBT具有较高综合性能，开关频率方面， 一般可达10kHz至20kHz，小功率的甚至高达100kHz；电压等级方面，最高电压 已达到6500V，该电压下的电流可达750A，1700V电压等级的电流可达2400A； 温度方面，最高可达175℃。开关器件的高频化也促进了电感器件体积的成倍缩小。大中型功率高频IGBT的发展持续促进着电力电子设备朝轻重量、小体积、高效能方面发展，再结合日益进步的微处理芯片技术，现代电力电子技术已实现了 全控化、集成化、高频化、控制技术数字化和电路形式弱电化，应用场合越来越 广泛。由于负载对供电电能的质量要求越来越高，科研工作者还在不断进行IGBT 改型研究。经过多年应用发展Si器件为基础的电力电子技术相当成熟，Si器件在 开关频率、通态压降以及结温等性能指标上难以继续提升，发展空间较小。新一 代宽禁带半导体材料（如碳化硅）的电力电子器件具有比硅器件高得多的耐受高 电压的能力、低得多的通态电阻、更好的导热性能和热稳定性以及更强的耐受高 温和射线辐射的能力等。当前宽禁带半导体器件的发展一直受制于材料的提炼、 制造以及半导体的制造工艺水平，尚处于起步阶段。 2科学技术的不断更新，体现了交流电动机作为牵引电机的价值所在（1）相对而言，交流电动机的体积小，正常工作功率大，避免了其安装过程中占据过大的空间。同时，交流电动机质量轻的优点也为机车轮轨力提高带来了 积极影响，促使设备能够在高速度、大功率的要求下进行正常工作，提高牵引电 机运行效率的同时有利于扩大其实际的应用范围。（2）结合当前交流电动机的 实际应用概况，可知其速度变化范围大，自身的组成结构决定了该电动机具有良 好的功率；有利于提升通用式机车实际应用中的服务水平。（3）由于交流电动 机设计与制造中并未设置换向器及其它易损设备，使得该电机使用中确保了牵引 传动系统运行稳定性，降低了系统故障发生率，促使系统维护成本得以控制在合 理的范围内。（4）各种技术支持下生产制造得到的交流电动机，使用中牵引性 能显著，在复杂的环境应用中工作效率很高，确保了牵引力系统控制作用的充分 发挥。在性能可靠的电力电子开关及晶闸管整流装置工艺支持下，保持了直流传 动系统良好的应用效果。同时，通过对结构性能良好的快速晶闸管的合理运用， 为牵引电机出现打下了坚实的基础。随着时间的推移，电力牵引传动与控制技术
电子设计工程 Electronic Design Engineering 第23卷 Vol.23 第1期No.112015年6月Jun.2015 直流牵引电机在调速时由于换向器的存在，从而限制了其功率和容量，难以满足电力机车高速及重载的要求[1]。交流牵引电机没有换向器和带绝缘的绕组，因而结构简单，运行可靠，单机功率大，容量可达1600kW [2]。机车的传动系统有直流传动升级为交流传动，符合铁路提速的要求和重载牵引的需要[3]，也是机车电传动的主要发展形式[4]。 1HXD3型电力机车牵引特性 HXD3型电力机车采用恒牵引力与准恒速特性控制[5]。 短暂的恒牵引力控制可以获得很大的启动牵引力。准恒速控制将使机车牵引力按照恒速关系（线性关系）下降。当机车速度达到持续速度时，进入恒功率控制阶段，恒功率区位于机车运行的高速度段，可以充分发挥机车在高速段的牵引能力[6] 。 2HXD3型电力机车牵引变流器 牵引变流器是机车交流传动系统的核心，为交流牵引 电机提供VVVF 三相交流电源。在交-直-交传动系统中，牵引变流器主要由四象限脉冲整流器（4QC ）、直流中间环节（DC-Link ）和逆变器（PWM ）组成。典型的两电平牵引变流器电路如图1所示。 电源侧变流器采用四象限脉冲整流器，构成交-直变换部分，通过PWM 斩波控制方式，，有利于提高机车功率因数，降低谐波干扰。 中间直流环节为支撑电容和二次滤波环节。电压型变流器转矩脉动小，对电网的反作用力小，适合于大功率的干线机车。因此干线交流传动电力机车普遍采用这种系统。 电动机侧采用三相PWM 逆变器，形成直-交变换部分。 3HXD3型电力机车牵引变流器数学建模 1)HXD3型机车四象限整流器仿真电路 额定输入电压：U d =1450VAC ，输入功率：50Hz ，输出直 流电压：2800V ，变压器漏感：L N =3mH ，二次滤波系数：C 2=3 mF,L 2=0.84mH,支撑电容器：C d =8mH 。采用230bt 算法，瞬态 HXD3型电力机车交流传动系统仿真分析 杨会玲 （西安铁路职业技术学院牵引动力系，陕西西安710014） 摘要：针对HXD3型电力机车的主传动和辅助传动系统采用了交流传动技术，通过介绍HXD3型电力机车牵引变流器的工作原理，对HXD3型电力机车的主传动系统进行了仿真分析，仿真结果表明基于交-直-交传动方式的牵引变流器应用于机车时具有良好的牵引特性，功率因数高，且谐波干扰小。关键词：HXD3型机车牵引特性；牵引变流器；四象限整流器；二逆变器中图分类号：TN13 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2015）11-0144-03 The simulative analysis of HXD3electric locomotive AC drive system YANG Hui -ing （Department of Railway Power Traction,Xi 'an Railway Vocational and Technical College,Xi ’an 710014，China ） Abstract:Pertaining to the fact that high-power transmission is widely adopted in the main and auxiliary transmission system of HXD3.AC-DC-AC transmission mode is introduced to be applied in the locomotive with the analysis of the simulative results of the four quadrant rectifier and the two levels inverter on the basis of theoretical principles of traction converter in HXD3.The simulation results illustrate that the locomotive boasts of good traction features with high power factor and low harmonic interference. Key words:traction features of HXD3;traction converter;four quadrant rectifier;two levels inverter 收稿日期：2014-09-21 稿件编号：201409180 作者简介：杨会玲(1978—)，女， 陕西西安人，讲师。研究方向：电力电子技术及电力机车控制等。 图1两电平式牵引变流器电路 Fig.1The two level traction converter circuit －144－ DOI:10.14022/https://www.doczj.com/doc/0c11611046.html,ki.dzsjgc.2015.11.047