机车电传动与控制
第五章交-直流传动主电路及保护
黄海凤
西南交通大学机械工程学院
一、内燃机车交－直流传动主电路
内燃机车交一直流电力传动系统中,牵引发电
机是三相交流同步牵引发电机，它所发出的三相交机是三相交流同步牵引发电机它所发出的三相交流电，必须通过硅整流装置整流以后，才能供电给六台直流牵引电动机，所以硅整流装置就成为交一直流电力传动中主电路的一个必不可少的重要设备。
（一）三相桥式整流电路的工作原理
内燃机车的整流电路采用的是三相桥式整流电路，整
流后的电压脉动较小，在具有相同的交流发电机容量时可获得较大的输出功率。为便由浅讨论问首获得输率
i F
M 为便于由浅入深讨论问题，首先假定是在理想情况下，即：1在整流电路的直流回路中负载A
D 1D 3D 5i A 1．在整流电路的直流回路中，负载具有足够大的电感——电流平滑；2整流二极管的管压降忽略不计F B
O i B i C
u F R 2．整流二极管的管压降忽略不计；3．在整流电路的交流回路中，其电感和电阻都忽略不计C D 2D 4D 6
N 4-3感和电阻都忽略不计；4．同步牵引发电机的三相电压是对
称的并且是正弦波形图4-3 三相桥式整流电路
称的，并且是正弦波形。
（一）三相桥式整流电路的工作原理
图4-4 三相桥式整流电路波形图
44
例如，
u
其中
4-5u
图45 三相桥式整流电路直流侧电压波形
(三)整流电路前后的电流关系(三)、整流电路前、后的电流关系
在假定的理想情况下（即认为直流回路中有足够大的电感），整流以后所获得的直流电流I F 为平直的。同步牵引发电机各相绕组所通过的电流是交变矩形波，此矩形波的幅值即为直流侧的电流幅值I F ，它的周期为2π。
??≤<πω3/20t I
瞬时电流有下列关系：
????????≤?≤<=πωππωπ3/53/20t I t i F F a 〈 图4-6 A 相绕组中的电流波形
??
??≤πωπ23/50t 〈
二、主电路的接地保护
（一）接地故障及危害
在机车上，所谓“地”是指车体、车架以及和它们相连的各种导电物体，又通过轮对与钢轨直接通到大地，因此它们与大地具有同样的“地电位”。在机车上，为了安全起见，所有电机电器以及其它电气设备不带电的机壳、架子等都是接地的。
如果主电路的电缆或导线发生绝缘破损，或牵引电动机发生环火、电气触头发生飞弧等都会形成接地。如果发生一点接地时，尚不构成电流的通路，故并不立即导致电气损坏，但却是一个隐患。如果再有另一点也发生接地，则可能会产生很大的接电流烧坏牵引发电机或其电气设备
的接地电流，烧坏牵引发电机或其它电气设备。
因此，必须在主电路中只发生一点接地时就立即将它检测出来，并及时地进行保护，才能做到防患于未然。
二主电路的接地保护
二、主电路的接地保护
（二）内燃机车的接地保护电路
机车接地保护电路一般是设置一个与主电路联接的人为接地点，并在该接地点与牵引发电机最低电位点（或星形
N的电磁线圈。当主接法的绕组中点）之间接入接地继电器的电磁线圈当主电路发生接地故障时，接地电流就会流经接地继电器的电磁线圈，使接地继电器动作，进行保护。
二、主电路的接地保护
二主电路的接地保护
型内燃机车的接地保护电路
东风
二、主电路的接地保护
二主电路的接地保护
假如某一台牵引电动机及其所在的支路中发生接地故障时，如果一时难以排除，则可利用故障开关切除该故障牵引电动机，并推开接地继电器解锁杆维持运行到段修理。若此电动机并推接地继电解锁杆维持行到修若此时仍然出现接地继电器动作的现象，就必须把接地开关DK 时仍然现接动作现象就须把接开关转至与牵引电动机的负端连接，接地继电器就不会再动作。
三牵引发电机过电流保护三、牵引发电机过电流保护
四、主电路的空转保护
（一）空转发生的原因及其危害
机车起动或运行中由于粘着情况变坏等原因往往发机车起动或运行中，由于粘着情况变坏等原因，往往发生轮对空转现象。空转的危害：
——轮对空转不但中断或减少了机车的牵引力；
——增加了轮箍的磨耗、擦伤钢轨；
——使其它未空转支路中的牵引电动机过载，使电动机换向困难，将在电刷上产生强烈的火花，甚至发生“闪络”或“环火”，烧毁电刷及换向器；
环火，烧毁电刷及换向器；
——由于空转的牵引电动机上的离心力与转速平方成正比，强大的离心力可能引起电机的机械损坏。
强大的离心力可能引起电机的机械损坏
可见，机车轮对一旦出现空转，必须迅速采取措施制止空转。
空转
（二）空转检测电路的工作原理
1、空转信号的检测
对于空转检测，最好能够检测到空转发生前一瞬间的异常对于空转检测最好能够检测到空转发生前一瞬间的异常状态，以便及早采取措施，做到防患于未然，但这种信号的检测比较困难，目前多数机车还都采用空转出现后所发生的一些异常现象作为检测空转的信号。
机车轮对空转时，经常会出现以下几种现象：
（1）空转电机所在的支路中，电流大幅度下降；
（1）空转电机所在的支路中电流大幅度下降
（2）空转电动机的反电动势迅速升高（2台以上电机串联）；（3）空转轮对的角速度迅速上升；空转轮对与非空转轮对间的转速差增大。
（二）空转检测电路的工作原理
2．检测电压信号的空转检测电路
在采用串并联联接方式的主电路中，当某一台电动机发
生空转时，空转电动机的反电势和端电压便会有明显的增加，
而同支路中未空转电动机的反电势和端电压则有明下降，而同一支路中未空转电动机的反电势和端电压则有明显下降，
这必然会导致牵引电动机支路各点电位的变化，这种电位变
化可以作为检测空转的信号。
东风型内燃机车主电路中的空转继电器，就是根据空转
时牵引电动机支路各点电位的变化来实现空转检测的。
（二）空转检测电路的工作原理
3．检测电流信号的空转检测电路
某一台牵引电动机空转时，该支路中的负载电流大大减小，而与此同时，非空转支路中的负载电流就要相应地略有增加，这种负载电流的变化可以作为检测空转的信号。
利用两电动机支路的电流差作为检测信号在机车低速运行时，灵敏度较高，机车高速运行时，灵敏度较低，即当机车低速运行时，只要有较小的速度差，就能达到较大的电流差值，而当机车在高速运行时，在速度差相同的情况下，其电流差则较小。
（二）空转检测电路的工作原理
4．检测转速信号的空转检测电路
（1）检测动轴转速差的空转检测系统
图4—14 检测动轴转速差的空转检测系统原理图
1—导磁齿轮；2—测速磁头；3—整形装置；4—比较装置；
5——运算放大机构；6——空转保护执行机构。
运算放大机构空转保护执行机构
机车电传动及控制实验指导书 2006、12－27
交流调速SPWM变频电路及电压频率控制输出特性 「、实验目的 1、了解单相全桥逆变电路的工作原理及正弦波脉宽调制（SPWM调频、调压的工作原理 2、了解单相异步电动机变频调速的原理及异步电动机变频调速的基本参数、V/F曲线 3、掌握三相异步电动机交流调速（SPWM的基本原理和实现方法 1、实验设备 1、电力电子实验台（主机） 2、RTDJ41单相电容运转电动机（挂箱） 3、RTDJ10可调电阻器（挂箱） 4、RTDL17单相异步电动机SPW变频调节箱（挂箱） 5、RTDL14-2A三相异步电机变频调速系统（挂箱） 6、R TDJ37线绕式异步电机转子专用箱； 7、RTDJ36三相线绕式异步电机（△接法）； 8、测试转接盒； 9、根据自己的方案需要的实验设备。 10、双踪示波器 11 、万用表 三、实验原理 3E -弋 *
图2、三相SPWM 变频调速 图1和图2所示分别为单相和三相 SPWI 变频调速的主电路。单相异步电动机变频调速原理与三 相异步电动机基本相同，下面以三相异步电动机的调速原理来说明，由电机学可知，电机的转速表 达式为： 60 f , n - （1 一 s ） = n 。（1 一 s ） P 其中fi 为定子供电频率；P 为电机的磁极对数；S 为转差率，由上式可知改变定子供电频率 fl 可以改变电机的同步转速，从而实现了在转差率 S 保持不变情况下的转速调节，为了保持电机的最 大转矩不变，必须维持电机气隙磁通恒定，因而要求定子供电电压也随频率作相应调整。即 E^4.44f 1N 1K N1 ESN E 图3、异步电动机变频调速的控制特性 四、实验内容 1、 构建交流调速SPW M ：频电路，研究SPW 碉制的发生原理，测定与SPW 碉制有关的各种波形; 2、 研究比较在不同的 U/f 1比值下系统的特性。 五、实验方法 1按下实验台主电源电路面板上的启动按钮，打开 RTDL17挂箱的电源开关，通过频率设定按钮 在忽略定子阻抗压降的情况下, E 1 U 1，所以 其中, 1 c = 4.44N 1K N 为常数。 为使气隙磁通恒定，在改变定子频率的同时必须同时改变电压 似的恒磁通调速。 U ,即5二const 。从而实现近 f 1 在额定频率以上调速时， 定子电压不可能再与频率成正比地升高， 只能保持在额定值，即U=U N , 此时气隙磁通0随着频率f 1的升高反而比例下降，这一段可看作近似恒功率调速。 U 1 f 1N f 1
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
第一节概述 内燃机车的原动机一般都是柴油机，从柴油机曲轴到机车动轮(轮对)之间,需要一套速比可变的中间环节,这一中间环节称为传动装置。内燃机车的传动装置有电力传动、液力传动和机械传动三种，电力传动又分为直-直流电力传动、交-直流电力传动、交-直-交流电力传动和交-交电力传动，目前国内使用的DF4、DF5、DF7、DF8、DF11等型机车均采用交-直流电力传动。 一、电力传动装置的作用 1.传动作用 将机车柴油机曲轴输出的机械能进行能量变换，传递给轮对，驱动机车运行，并使机车具有理想的牵引特性。要求机车牵引力和运行速度都有一个比较宽广的变化范围，并且在较大的机车速度范围内，柴油机都始终在额定工况下运行，即柴油机的功率能够得到充分发挥和利用。此外，机车应具有足够高的启动牵引力。 2.制动作用 利用直流电机的可逆原理，在电阻制动工况时，将直流牵引电动机改为直流发电机，通过轮对将列车的动能转变为电能，消耗在制动电阻上，在以热能的形式逸散到大气中。在这过程中，牵引电动机轴上所产生的反力矩作用于机车动轮上而产生制动力。这种制动作用称为电阻制动。传动装置应保证机车电阻制动性能的要求。 3.辅助作用 驱动机车辅助装置的一些泵组工作，或对机车系统中的油水经行预热，以及机车照明、取暖等。 4控制作用 按照机车设计要求和操纵顺序，自动或手动完成有关器件的动作，以保证柴油机在无负载情况下启动，进行转速调节，保证机车在起动过程中的平稳，并能保证机车换向运行等。以达到操纵控制机车正常运行的目的。 5.监视及保护作用 使机车操纵者能正确了解机车各部分的工作状态，及时显示某些必要的参数值。当机车某部位出现故障时，能自动显示或采取有效措施，以尽量维持机车运行和避免事故的扩大。 二、交-直流电力传动基本原理及组成部分 柴油机工作时产生的动力由曲轴输出,通过弹性联轴器与同步牵引发电机相连,发电机将柴油机的动能变成电能即三相交流电输出,经整流后送给直流牵引电动机,电动机再将电能变成动能经齿轮传递给轮对形成牵引力。 机车电传动由电机、电器和电路三部分组成。 第二节电机 内燃机车上使用的电机很多，如DF4上32台，DF8B上29台。这些电机归纳起来可分为三类，第一类为根据机车性能与机车结构上的特殊要求而设计的专用电机，如同步牵引主发电机、牵引电动机、启动发动机及感应子牵引励磁机等；第二类为通用电机，如空气压缩机电动机、启动机油泵电动机、燃油泵电动机等；
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
第六章： 例1 图6-1是一采用PD 串联校正的控制系统。 图6-1 PD 串联校正的控制系统 （1）当10,1p d K K ==时，求相位裕量γ。 解：系统的开环传递函数为 ()(1) p d K K K s W s s s += + 当10,1p d K K ==时，有10(10.1) ()(1) K s W s s s +=+。 开环对数幅频特性为 ()20lg1020lg L ωω=+- 0.1ω=时，()20lg1020lg 40L dB ωω=-= 1ω=时，()20lg1020lg 20L dB ωω=-= 剪切频率c ω为 ()20lg1020lg 20lg 0L dB ωωω=--= ，c ω相位裕量γ为 1 18090arctan arctan 35.10.1 c c γωω=?-?+-=? （2）若要求该系统剪切频率5c ω=，相位裕量50γ=?，求,p d K K 的值。 解： 系统的开环传递函数为 (1) ()(1) (1) p d p d p K K K s K K K s W s s s s s ++= = ++ 相位裕量为 18090arctan arctan 50d c c p K K γωω=?-?+-=?
得，/0.16d p K K = 当5c ω=，可以得到(5)20lg 20lg 520lg 50p L K =--=，最后解得 25,4p d K K == 例2 已知单位负反馈系统开环传递函数为 ()(0.051)(0.21) K K W s s s s = ++ 试设计串联校正装置，使系统1 5s v K -≥，超调量不大于25％，调节时间不大于1s 。 解 （1） 由性能指标可知，系统提出的是时域指标，可利用它和频域指标的近似关系，先用频域法校正，然后再进行验算。由 2 %0.160.4(1)0.25%12 1.5(1) 2.5(1)1sin ()p s c p p p c M k t k M M M δπωγω=+-≤?? ?=≤?? ?=+-+-???= ?? 得系统要求的各项指标为 ?? ? ??=== 7.54)(74.7225.1c c p M ωγω （2）由5v K ≥，可以计算出放大系数5K =。其传递函数为 55 ()(0.051)(0.21)(1)(1) 205 W s s s s s s s = = ++++ 其对数幅频特性如图6-14所示。 系统未校正时，按下式可计算出其穿越频率,c ω如认为 1,20c ω>>得 5 ()15 c c c A ωωω≈ =? 故得5c ω≈ 其相位裕度为
燃机车电力传动 第一节概述 燃机车的原动机一般都是柴油机，从柴油机曲轴到机车动轮(轮对)之间,需要一套速比可变的中间环节,这一中间环节称为传动装置。燃机车的传动装置有电力传动、液力传动和机械传动三种，电力传动又分为直-直流电力传动、交-直流电力传动、交-直-交流电力传动和交-交电力传动，目前国使用的DF4、DF5、DF7、DF8、DF11等型机车均采用交-直流电力传动。 一、电力传动装置的作用 1.传动作用 将机车柴油机曲轴输出的机械能进行能量变换，传递给轮对，驱动机车运行，并使机车具有理想的牵引特性。要求机车牵引力和运行速度都有一个比较宽广的变化围，并且在较大的机车速度围，柴油机都始终在额定工况下运行，即柴油机的功率能够得到充分发挥和利用。此外，机车应具有足够高的启动牵引力。 2.制动作用 利用直流电机的可逆原理，在电阻制动工况时，将直流牵引电动机改为直流发电机，通过轮对将列车的动能转变为电能，消耗在制动电阻上，在以热能的形式逸散到大气中。在这过程中，牵引电动机轴上所产生的反力矩作用于机车动轮上而产生制动力。这种制动作用称为电阻制动。传动装置应保证机车电阻制动性能的要求。 3.辅助作用 驱动机车辅助装置的一些泵组工作，或对机车系统中的油水经行预热，以及机车照明、取暖等。 4控制作用 按照机车设计要求和操纵顺序，自动或手动完成有关器件的动作，以保证柴油机在无负载情况下启动，进行转速调节，保证机车在起动过程中的平稳，并能保证机车换向运行等。以达到操纵控制机车正常运行的目的。 5.监视及保护作用 使机车操纵者能正确了解机车各部分的工作状态，及时显示某些必要的参数值。当机车某部位出现故障时，能自动显示或采取有效措施，以尽量维持机车运行和避免事故的扩大。 二、交-直流电力传动基本原理及组成部分 柴油机工作时产生的动力由曲轴输出,通过弹性联轴器与同步牵引发电机相连,发电机将柴油机的动能变成电能即三相交流电输出,经整流后送给直流牵引电动机,电动机再将电能变成动能经齿轮传递给轮对形成牵引力。 机车电传动由电机、电器和电路三部分组成。 第二节电机 燃机车上使用的电机很多，如DF4上32台，DF8B上29台。这些电机归纳起来可分为三类，第一类为根据机车性能与机车结构上的特殊要求而设计的专用电机，如同步牵引主发电机、牵引电动机、启动发动机及感应子牵引励磁机等；第二类为通用电机，如空气压缩机电动机、
《机车电传动系统》课程实施性教学大纲 一、课程性质和任务 本课程是电力机车专业的一门综合专业课程，主要学习电机学基本理论和原理、结构，牵引电机与主变压器、机车电器、机车电气线路、控制原理和常见故障处理等内容。使学生掌握电力机车的控制理论和主型客、货运机车主、辅、控电路结构，为学生专业技术实训打好基础。 二、课程教学目标 课题一概述 1.电力牵引的优越性和在铁道运输中的地位 2.电力牵引发展概况及趋势 课题二电力机车工作原理
1.直直型电力机车工作原理 2.交直型整流器电力机车工作原理 3.交直交型电力机车工作原理 课题三直流电机的基本结构和运行分析 1.直流电机的工作原理 2.直流电机的基本结构 3.直流电机的电枢绕组 4.直流电机的磁场 5.直流电机的感应电势和电磁转距 6.直流电机的基本方程式 7.他励直流发电机的特性 8.并励直流发电机的自励过程和特性 9.串励和复励发电机的特性 课题四直流牵引电动机的特性 1.牵引电动机的一般概念 2.直流牵引电动机的工作特性 3.各种励磁方式牵引电动机的特性分析 4.直流牵引电动机的起动、调速、反转和制动 5.直流串励牵引电动机的磁场削弱 实验一：并励直流电动机的起动和调速实验 实验二：并励直流电动机的负载实验 实验三：串励直流电动机的调速和负载实验 课题五直流和脉流牵引电动机的换向及通风冷却 1.换向的基本概念 2.直流电机产生火花的原因和改善换向的方法 3.脉流牵引电动机的电磁特点 4.脉流牵引电动机的换向特点 5.改善脉流牵引电动机换向的方法 6.直流和脉流牵引电动机的环火及防止措施 7.牵引电动机的发热和通风冷却
自动控制理论第三章作业答案 题3-4 解： 系统的闭环传递函数为 2()()1()1()1 C s G s R s G s s s ==+++ 由二阶系统的标准形式可以得到 11, 2 n ωζ== 因此，上升时间 2.418r d d t s ππβωω--=== 峰值时间 3.6276p d t s πω=== 调整时间：35% 642% 8s n s n t s t s ωζ ωζ?=≈ =?=≈ = 超调量： 100%16.3%p M e =?= 题3-5 解： 22 ()10()(51)10102510.60.5589 n n n C s R s s a s a a ωωζωζ=+++?=?=??????=+==???? ?=闭环传递函数
1.242 100%9.45% p d p t s M e π ω === =?= 3 5% 1.581 4 2% 2.108 s n s n t s t s ωζ ωζ ?=≈= ?=≈= 题3-7 解： 0.1 1.31 100%30% 1 p d p t M e π ω === - =?== 上升时间 超调量 =0.3579 33.64 n ζ ω ? ?? = ? 2 2 1131.9 () (2)24.08 n n G s s s s s ω ζω == ++ 开环传递函数 题3-8 （1） 2 100 () (824) G s s s s = ++ 解：闭环传递函数为 2 ()100 ()(824)100 C s R s s s s = +++ 特征方程为32 8241000 s s s +++= 列出劳斯表： 3 2 1240 81000 11.50 100 s s s s 第一列都是正数，所以系统稳定 （2） 10(1) () (1)(5) s G s s s s + = -+
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
河南农业大学 自动控制理论 上 机 实 验 报 告 学院：机电工程学院 班级：13级电信一班 姓名： 学号：
实验一、二阶系统时域响应特性的实验研究 一、 实验目的： 1. 学习并掌握利用MATLAB 编程平台进行控制系统时域仿真的方法。 2. 通过仿真实验研究并总结二阶系统参数对时域响应特性影响的规律。 3. 通过仿真实验研究并总结二阶系统附加一个极点和一个零点对时域响应特性影响的规律。 二、 实验内容及要求： （一） 实验内容： 自行选择二阶系统模型及参数，设计实验程序及步骤仿真研究二阶系统参数（n w ,ζ）对系统时域响应特性的影响；研究二阶系统分别附加一个极 点、一个零点后对系统时域响应特性的影响；根据实验结果，总结各自的响应规律。 （二） 实验要求： 1. 分别选择不少于六个的n w 和ζ取值，仿真其阶跃（或脉冲）响应。通过绘图展示参数n w ，ζ对时域响应的影响。不同n w 和ζ变化分别绘制于两幅图中。 2. 通过图解法获得各时域响应指标，并进行比较，总结出二阶系统参数变化对时域系统响应特性影响的规律。 3. 分别选择不少于六个取值的附加零点、极点，仿真其阶跃（或脉冲）响应，将响应曲线分别绘制于两幅图中，并与无零、极点响应比较。 4. 通过图解法获得各响应的时域指标并进行比较分析系统附加零点、极点对二阶系统时域响应特性影响的规律。
5.以上仿真及图形绘制全部采用MATLAB平台编程完成。 三、实验方案设计： 四、实验结果：(实验方案设计以及实验结果一起写出) 实验要求一：1-1 代码： clear t=0:0.01:10; zeta=[0,0.2,0.3,0.6,0.7,1.2,1.5]; for i=1:length(zeta) num=1; den=[1,2*zeta(i),1]; y(:,i)=step(num,den,t); end plot(t,y,t,ones(length(t),1),'k-.') axis([0 10 0 2.5]) gtext('zeta=0');gtext('zeta=0.2');gtext('zeta=0.3');gtext('zeta=0.6') ;gtext('zeta=0.7');gtext('zeta=1.2');gtext('zeta=1.5') 结果如下图：
电传动原理 第一节内燃机车电传动装置 1.传动装置：内燃机车原动机为柴油机，从柴油机的曲轴到机车车轮之间，有一套数比可变的中间环节，这个环节称为传动装置。 2.传动装置的分类：机械传动（直接啮合）、液力传动（扭转器）、电传动（带电机）三种方式。 3.柴油机工作特性及机车牵引特性分析A柴油机负能工作在一定转数范围内，转速比小，而机车速度从0——120KM/H数比比较大。 B柴油机旋转方向是固定不变的，机车运行需要变更方向。 C柴油机输出功率随转速成正比，而转矩变化不大。机车运行时，随时发挥最大功率，其牵引力与机车速度成反比(牛特性）。 D柴油机启动时，应和负载脱开，需外力拖动。所以柴油机曲轴与车轮之间必须设一个速比可变的中间环节——传动装置。 第二节电力传动装置、分类 1.功用及特点：电传动装置：是柴油机与车轮之间设置的发动机、电动机、电器控制装置等设备组成的之间环节。 特点：传动功率大、起速快、功率高、成本高。 2.分类：（按电流的制式分） A直—直流传动：柴油机——直流发电机——直流电动机——车轮。功率小、体积大。（俄罗斯生产） B交—直流传动：柴油机带交流发电机——整流，直流电动机——车轮。
C交—交流传动：柴油机——交流发电机——变频器交流电动机——车轮。 东风4采用交——直流传动装置。组成：柴油机、牵引发电机、主整流柜、牵引电动机及齿轮箱组成。 ****东风4型机车电传动原理： 1.功率传递：柴油机——发电机——三相交流电经过主整流柜（1ZL）——直流电牵引电动机——齿轮箱——车轮 2.励磁系统：启动发电机——rgt测速发电机——励磁机L——三相交流电励磁整流柜（2ZL）——直流电牵引发电机励磁，牵引发电机发电。 3.机车换向：变更牵引电动机励磁绕组中的电流方向，电机反转，机车换向，调整牵引发电机电压或进行磁场削弱对牵引电动机进行调速。 4.柴油机启动：由蓄电池——启动发电机——启动变速箱——柴油机启动。 第三节牵引发电机理想外特性 1，柴油机F功率的分配 柴油机有效功率=牵引发电机输入功率+机车辅助装置消耗功率。 因为柴油机在一定转数下其功率输出为定值，又因为机车辅助装置消耗功率小，变化大，而电机效率又不变，所以要求牵引发电机输出功率为定值，才能保证柴油机恒功率输出牵引发电机功率P=UF. 2.牵引发电机的理想特性： 牵引发电机理想外特性是电机输出功率保持定值恒功率输出。
《自动控制理论 （夏德钤）》习题答案详解 第二章 2-1 试求图2-T-1所示RC 网络的传递函数。 (a)111 11111+=+? =Cs R R Cs R Cs R z ，22R z =，则传递函数为： (b) 设流过1C 、2C 的电流分别为1I 、2I ，根据电路图列出电压方程： 并且有 联立三式可消去)(1s I 与)(2s I ，则传递函数为： 2-2 假设图2-T-2的运算放大器均为理想放大器，试写出以i u 为输入，o u 为输出的传递函数。 (a)由运算放大器虚短、虚断特性可知：dt du C dt du C R u i i 0+-=，0u u u i c -=， 对上式进行拉氏变换得到 故传递函数为 (b)由运放虚短、虚断特性有：02 2=-+--R u R u u dt du C c c i c ，0210=+R u R u c ， 联立两式消去c u 得到 对该式进行拉氏变换得 故此传递函数为 (c)02/2/110=+-+R u R u u dt du C c c c ，且2 1R u R u c i -=，联立两式可消去c u 得到 对该式进行拉氏变换得到 故此传递函数为 2-3 试求图2-T-3中以电枢电压a u 为输入量，以电动机的转角θ为输出量的微分方程式和传递函数。 解：设激磁磁通f f i K =φ 恒定 2-4 一位置随动系统的原理图如图2-T-4所示。电动机通过传动链带动负载及电位器的滑动触点一起移动，用电位器检测负载运动的位移，图中以c 表示电位器滑动触点的位置。另一电位器用来给定负载运动的位移，此电位器的滑动触点的位置（图中以r 表示）即为该随动系统的参考输入。两电位器滑动触点间的电压差e u 即是无惯性放大器（放大系数为a K ）的输入，放大器向直流电动机M 供电，电枢电压为u ，电流为I 。电动机的角位移为θ。
自动控制理论(二) 第五章测试题 一、单项选择题(每小题2分) 1、系统特征方程式的所有根均在根平面的左半部分是系统稳定的( ) A.充分条件 B.必要条件 C.充分必要条件 D.以上都不是 2、下列判别系统稳定性的方法中，哪一个是在频域里判别系统稳定性的判据（ ） A.劳斯判据 B.赫尔维茨判据 C.奈奎斯特判据 D.根轨迹法 3、设单位负反馈系统的开环传函为G(s)= 3 )1s (22+，那么它的相位裕量γ的值为 （ ） A.15o B.60o C.30o D.45o 4、 系统稳定的充分必要条件是其特征方程式的所有根均在根平面的( ) A. 实轴上 B. 虚轴上 C. 左半部分 D. 右半部分 5、下列频域性能指标中，反映闭环频域性能指标的是( ) A.谐振峰值M r B.相位裕量γ C.增益裕量K g D.剪切频率ωc 6、在经典控制理论中，临界稳定被认为是( ) A.稳定 B.BIBO 稳定 C.渐近稳定 D.不稳定 7、奈奎斯特稳定性判据是利用系统的( )来判据闭环系统稳定性的一个判别准则。 A.开环幅值频率特性 B.开环相角频率特性 C.开环幅相频率特性 D.闭环幅相频率特性 8、系统的开环传递函数由 1)s(s K +变为2) 1)(s s(s K ++，则新系统( )。 A.稳定性变好 B.稳定性变坏 C.稳定性不变 D.相对稳定性变好 9、利用奈奎斯特图可以分析闭环控制系统的（ ） A.稳态性能 B.动态性能 C.稳态和动态性能 D.抗扰性能 10、设单位负反馈控制系统的开环传递函数G o (s)=) a s (s K +，其中K>0,a>0，则闭 环控制系统的稳定性与（ ） A.K 值的大小有关 B.a 值的大小有关 C.a 和K 值的大小有关 D.a 和K 值的大小无关 11、已知系统的特征方程为(s+1)(s+2)(s+3)=s+4，则此系统的稳定性为（ ） A ．稳定 B ．临界稳定 C ．不稳定 D ．无法判断
第七讲环形跑道问题 暑期我们已学过基本的相遇、追及问题，并在火车问题那一讲也进一步掌握了相遇和追及的基本公式。今天，在此基础之上，我们继续学习这些基本公式在环形跑道问题上的应用。 一、知识点总结 1、相遇问题：题型特点：甲、乙两人同时从同地反向出发。 解题规律：两人相遇时一起走一圈（跑道周长）。之后每见面一次，就一起走1 圈；见面n次，两人一起走n个周长。 2、追及问题：题型特点：甲、乙两人同时从同地同向出发。 解题规律：开始出发时由于速度不同两人之间的距离会越来越远，之后快的会 追上慢的，此时快的人比慢的人多走1圈（路程差为跑道周长）。 之后每追上一次，就多走1圈； 追上n次，快的就比慢的多走n个周长。 3、本讲需要处理的问题： a、环形跑道中速度、时间、路程之间的关系处理。（例1、2、3） b、多次追及问题的处理。（例4、5） c、不同地点出发的追及问题。（例6） 二、例题分析 速度、时间、路程之间的关系 例1、分析：跑道周长为300米。根据环形跑道中相遇和追及的基本解题规律我们可以知道：“每2分30秒追上”可求出两人的速度差；“每半分钟相遇”可求出两人的速度 和。最后可根据速度的和差问题求出各自速度。 解答：速度差：300÷150=2（米/秒） 速度和：300÷30=10（米/秒） 甲速：（10+2）÷2=6（米/秒） 乙速：（10-2）÷2=4（米/秒） 提高练习：（1）在环形跑道上，两人在一处背靠背站好，然后开始跑，每隔4分钟相遇一次；如果两人从同地同向同时跑，每隔20分钟追上一次，已知环形跑道的周长是1600米，那么两人的速 度分别是多少？ 提示：同例1. 答案：240、160 （2）在300米的环形跑道上，甲、乙两人同时同地起跑，如果同向而跑75秒可追上；如果背向而跑半分钟相遇，求两人的速度各是多少？ 提示：同例1. 答案：7、3 （3）两名运动员在湖周围的环形跑道上练习长跑，涛涛每分钟跑250米，昊昊每分钟跑200 米，两人同时同地同向出发，经过45分钟涛涛追上昊昊；如果两人同时同地反向出发， 经过多少分钟两人相遇？ 提示：想求出跑道周长即可。 答案：5分钟。 （4）成才小学有一条200米长的环形跑道，包包和昊昊同时从起跑线起跑，包包每秒跑6米，昊昊每秒跑4米，问包包第一次追上昊昊时两人各跑了多少米？第一次追上时各跑了多少 圈？ 提示：求出第一次追上的时间即可。
电力机车的发展史 学生：XX 指导老师：XXX 摘要：今交通发达、经济快速发展的今天，电力机车在交通生活等领域发挥着在当重要的作用。电力机车由牵引电动机驱动车轮的机车。电力机车因为所需电能由电气化铁路供电系统的接触网中的电力机车给，所以是一种非自带能源的机车。电力机车具有功率大、过载能力强、牵引力大、速度快、整备作业时间短、维修量少、运营费用低、便于实现多机牵引、能采用再生制动以及节约能量等优点。使用电力机车牵引车列，可以提高列车运行速度和承载重量，从而大幅度地提高铁路的运输能力和通过能力。 关键词；韶山系列电车中国电车发展 一·电力机车相关历史背景 1835年荷兰的斯特拉廷和贝克尔两人就试着制以电池供电的二轴小型铁路车辆。1842年苏格兰人R.戴维森首先造出一台用40组电池供电的重5吨的标准轨距电力机车。由于电动机很原始，机车只能勉强工作。1879年德国人W.VON 西门子驾驶一辆他设计的小型电力机车，拖着乘坐18人的三辆车，在柏林夏季展览会上表演。机车电源由外部150伏直流发电机供应,通过两轨道中间绝缘的第三轨向机车输电。这是电力机车首次成功的实验。电力机车用于营业是从地下铁道开始的。1890年英国伦敦首先用电力机车在5.6公里长的一段地下铁道上牵引车辆。干线电力机车在1895年应用于美国的巴尔的摩铁路隧道区段，采用675伏直流电，自重97吨,功率1070千瓦。19世纪末，德国对交流电力机车进行了试验,1903年德国三相交流电力机车创造了每小时210.2公里的高速纪录。 二·电力机车在中国发展历史 中国于1914年在抚顺煤矿使用1500伏直流电力机车。干线铁路电力机车采用单相交流25000伏50HZ电流制。1958年制成第一台以引燃管整流的“韶山”型电力机车。1968年改用硅整流器成功,称“韶山1”型，持续功率为3780千瓦。 1957年中国组织了电力机车考察团，于1958年到苏联考察。在大家的共同帮助下，在H60型铁路干线交直流传动电力机车样机为基础，1958年试制了中国第一台电力机车，即6Y1型干线电力机车。 近年来干线电力机车向大功率、高速、耐用方面发展。 DJ3天梭号电力机车有北车集团大同机车厂与2002年自主研发200KM/h交流传动客运电力机车。机车采用先进的交流传动技术，具有恒功率，轴功率大，粘着特性好，效率高和功率因数高等特点，为我国铁路跨入高速运输行列提供了保证。 各国制造的电力机车电压制较复杂，不便于国际间铁路联运过轨。近年来国际上已定出几种电力机车用标准电压。直流电压为600伏(非优先选用)、750伏、1500伏和3000伏。单相交流电压6250伏（非优先选用）、工频50或60HZ，电压15000伏、工频赫，电压25000伏、 中国从本世纪30年代开始引进电力机车。1958年，中国研制出第一台电力机车。1961年，中国第一条电气化铁路宝凤线（宝成铁路宝鸡至凤州段，93km）建成通车。到1978年，中国铁路电气化里程达到1033km，电力机车保有量210台左右。经过20多年的初创阶段，到1980年初，中国铁路电气化和电力机车技术得到了迅速发展，到1988年中国铁路电气化里程达5737正线km，电力机车保有量1224台，完成运量的13．4％。据统计，到1997年末，中国电气化铁路已经达到11637．7正线km（不含香港34km和台湾498km）[1]，电力机车保有量2870台，完成运量的27％左右。
第5章 线性系统的频域分析法 例 1 单位反馈系统的开环传递函数为1 1 )(+= s s G ，试根据频率特性的物理意义，求在输入信号为t t r 2sin )(=作用下系统的稳态输出ss c 和ss e 。 解： 1. 求系统的稳态输出ss c 。 系统闭环传递函数为 2 1 )(1)()(+=+= s s G s G s Φ 闭环频率特性为 2ω tan 4 121)(1)()(12--∠+=+=+= ωωωωωΦj j G j G j 闭环幅频特性为 4 1 )(2 += ωωΦj 闭环相频特性为 2 ω tan )(1 --=∠ωΦj 输入信号为t t r 2sin )(=作用下，闭环幅频和相频分别为 4 24 21)2(2= += j Φ ?-=-=∠-451tan )2(1j Φ 因此系统的稳态输出 )452sin(4 2 )]2(2sin[)2()(?-= ∠+=t j t j t c ss ΦΦ 2. 求系统的误差稳态输出ss e 。 系统的误差传递函数为
2 1 )(11)(e ++= += s s s G s Φ 误差频率特性为 )2 ωtan ωtan (4121)(1122e ---∠++=++=ωωωωωΦj j j 输入信号为t t r 2sin )(=作用下，误差的幅频和相频分别为 410 )2(e = j Φ 3 1 tan 21tan 1tan )2(111e ---=-=∠j Φ 因此系统误差的稳态输出为 )3 1 tan 2sin(410)]2(2sin[)2()(1e -e ss t j t j t e -= ∠+=ΦΦ 例 2 已知单位反馈系统的开环传递函数为) 1()(+= Ts s K s G ，当系统的输入 t t r 10sin )(=时，闭环系统的稳态输出为)9010sin()(?-=t t c ，试计算参数K 和T 的数值。 解： 系统闭环传递函数为 2 )(1)()(2++=+= s Ts K s G s G s Φ 闭环频率特性为 2 1 2 222ω tan )()(ω ωωω ωωΦT K T K K j T K K j -∠+-= +-= - 输入信号为t t r 10sin )(=，闭环幅频和相频分别为 110 )100()10(2 2 =+-= T K K j Φ （5-1） ?-=-=∠-9010010 tan )10(1 T K j Φ （5-2） 由式（5-1）、（5-2）易求得10=K 、1.0=T 。 例3 试绘制下列开环传递函数的幅相特性，并判断其负反馈闭环时的稳定性。 1. )15)(5(250 )()(++= s s s s H s G 2. ) 15)(5() 1(250)()(2+++=s s s s s H s G
《自动控制理论》(二)第三章测试题 一、单项选择题(每小题2分) 1、对于欠阻尼的二阶系统,当阻尼比ξ保持不变时,( ) A 、无阻尼自然振荡频率ωn 越大,系统的峰值时间t p 越大 B 、无阻尼自然振荡频率ωn 越大,系统的峰值时间t p 越小 C 、无阻尼自然振荡频率ωn 越大,系统的峰值时间t p 不变 D 、无阻尼自然振荡频率ωn 越大,系统的峰值时间t p 不定 11、系统特征方程式的所有根均在根平面的左半部分就是系统稳定的( ) A 、充分条件 B 、必要条件 C 、充分必要条件 D 、以上都不就是 12、随动系统中常用的输入信号就是斜坡函数与( ) A 、阶跃函数 B 、脉冲函数 C 、正弦函数 D 、抛物线函数 3.二阶系统当0<ζ<1时,如果增加ζ,则输出响应的最大超调量p σ将( ) A 、增加 B 、减小 C 、不变 D 、不定 2.一阶系统G(s)= 1Ts K +的放大系数K 愈小,则系统的输出响应的稳态值( ) A 、不变 B 、不定 C 、愈小 D 、愈大 7.主导极点的特点就是( ) A 、距离实轴很远 B 、距离实轴很近 C 、距离虚轴很远 D 、距离虚轴很近 5、 系统稳定的充分必要条件就是其特征方程式的所有根均在根平面的( ) A 、 实轴上 B 、 虚轴上 C 、 左半部分 D 、 右半部分 11、 对于欠阻尼的二阶系统,当无阻尼自然振荡频率ωn 保持不变时,( ) A 、 阻尼比ξ越大,系统的调整时间t s 越大 B 、 阻尼比ξ越大,系统的调整时间t s 越小 C 、 阻尼比ξ越大,系统的调整时间t s 不变 D 、 阻尼比ξ越大,系统的调整时间t s 不定 1、控制系统的上升时间t r 、调整时间t S 等反映出系统的( ) A 、相对稳定性 B 、绝对稳定性 C 、快速性 D 、平稳性 7、一阶系统的阶跃响应,( )。 A 、当时间常数T 较大时有超调 B 、当时间常数T 较小时有超调 C 、有超调 D 、无超调 2、时域分析中最常用的典型输入信号就是( ) A 、脉冲函数 B 、斜坡函数 C 、阶跃函数 D 、正弦函数 15、设单位负反馈控制系统的开环传递函数G o (s)=) a s (s K +,其中K>0,a>0,则闭环控制系统的稳定性与( ) A 、K 值的大小有关 B 、a 值的大小有关 C 、a 与K 值的大小有关 D 、a 与K 值的大小无关 10、 对于一阶、二阶系统来说,系统特征方程式的所有系数都就是正数就是系统