电力牵引交流传动与控制
列车电力传动与控制 课后习题参考答案
第一章1.试述交-直流传动电力机车的主要缺陷及评价标准。
答：交-直流传动电力机车的主要缺陷是功率因数偏低，谐波电流偏大，对电网与广播通信系统产生不利影响。
评价标准：采用功率因数PF和谐波干扰电流作为评价标准2.简述功率因数的概念，提高交-直流传动电力机车功率因数的主要措施。
答：在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S.提高功率因数的主要措施：（1）选择合适的整流调压电路（2）采用功率因数补偿电路3.试述交-直流传动电力机车的调速方法及相互关系答：交-直流传动电力机车的调速是通过调节直流（脉流）牵引电动机的转速来实现的，直流牵引电动机的调速主要有两种（1）改变电枢电压调速（2）磁场削弱调速相互关系：在交-直流传动电力机车中只有当调压资源用尽后才能开始实施磁场削弱调速4．分析三段不等分半控桥电路的调压过程及输出关系、波形。
答：调压过程：升压调压过程第一段：普通半控桥（大桥）首先工作，VT1、VT2触发导通，调节α1进行移相控制，直至其全开放，输出电压由零均匀地调至额定输出电压的一半。
此阶段中抽式半控桥（小桥1、2）始终被封锁，α2＝α3＝π，由VD3、VD4提供续流通路。
第二段：保持普通半控桥VT1、VT2的全导通状态，α1＝0，中抽式半控桥中小桥1投入工作，小桥2仍然被封锁，触发VT3、VT4使其导通，调节α2进行移相控制，输出电压在1/2U d基础上递增。
当VT3、VT4全开放时，α2=0，输出电压达到额定输出电压的3/4第三段：保持普通半控桥、小桥1处于全开放状态，小桥2投入工作，触发VT5、VT6导通，调节α3进行移相控制，输出电压将在3/4基础上递增。
当VT5、VT6全开放时，输出电压达到额定值。
至此，升高电压的调节过程全部结束。
降压顺序控制过程与上述升压控制过程相反。
输出关系：第一段大桥：0≤α1＜π，α2=α3=πU d=U d1=1/4U d0(1+cosα1) 0≤U d≤1/2U d0第二段大桥1：0≤α2＜π，α1=0，α3=πU d2=1/8U d0（1+cosα2）U d=U d1+U d2=1/8U d0（5+cosα2）, 1/2U d0＜U d≤3/4U d0第三段大桥2：0≤α3＜π，α1=α2=0U d3=1/8U d0（1+cosα3）U d=U d1+U d2+ U d3=1/8U d0（7+cosα3）, 3/4U d0＜U d≤U d0输出波形：5.试述交-直流传动电力机车主电路的选择原则原则：1.若需要进行再生制动，整流电路必须采用全控桥式；若需要电阻制动，可选用半控桥式；2.客用机车采用无级磁削方式，货运机车采用有级磁削方式，一般为3级。
车辆电气牵引系统的电气控制
车辆电气牵引系统的电气控制摘要：牵引轨道车中的牵引系统包括各种控制电路和电力设备等内容，通过电路和设备之间的协调作用就可以给运行中的地铁提供大量的牵引力，在这一过程中，电气控制起到关键性的作用，只有科学的电气控制，才能保证牵引力的正常供应，而只有电气控制才能实现牵引轨道车的有效制动。
基于此，文章对车辆电气牵引系统的电气控制系统进行了研究，以供参考。
关键词：电气牵引；电气控制；管理措施1牵引轨道车电气牵引及控制系统的特点及构成1.1特点分析牵引轨道车电气牵引及控制系统是由许多电路系统和设备构成的，为牵引轨道车的正常运行提供了有力的保障。
其中，制动装置在牵引轨道车减速与安全停靠控制中发挥着至关重要的作用。
通常情况下，牵引轨道车制动系统采用再生制动及电阻制动两种电制动方式来进行减速和安全停靠。
此外，为了更为准确地控制牵引轨道车的速度，提升牵引轨道车减速或停靠的安全性，还需要采用机械制动的方式来辅助电制动方式，尤其是当出现紧急情况时，必须同时采用三种制动方式进行控制，从而实现对车辆速度的有效控制，保障车辆运行的安全性。
再生制动与电阻制动的制动原理相似，主要利用电机反向磁场产生的电磁力作为电制动力。
再生制动和电阻制动的区别是发电机发出的电能消耗在电阻上时是电阻制动，反馈到电网是再生制动。
再生制动和电阻制动都是利用铁路制动电磁铁和轨道电磁制动器来实现车辆制动的，而机械制动利用的是摩擦力的作用，借助压缩空气提供动力而实现对车辆的制动。
通常情况下，牵引轨道车先进行再生制动，在此过程中，制动牵引电机将动能转化为电能，并将转化的电能并入电网，将再生电能传递给其他车辆，通过动能与电能之间的转化实现其他车辆的电阻制动。
在牵引轨道车运行中，这三种制动是相互配合、共同作用的，为牵引轨道车的安全运行提供保障。
1.2系统构成牵引轨道车电气牵引系统的构成部分主要有高压箱、制动电阻、牵引电阻器、牵引电动机及避雷器等。
其中，高压箱主要由高速断路器、主隔离开关和充电设备构成。
列车电力传动与控制第1章交-直流传动技术
动、交-直流传动两个阶段。直-直流传动机车因技术原因已 被淘汰，交-直流传动机车/动车组技术成熟、性能可靠，保 有量很大，仍在许多国家、地区作为主型机车继续服役。 对于直流传动电力机车/EMU，没有经过直-直流传动阶 段，只经历了交-直流传动阶段。由于采用整流调压电路结构、 形式不同，先后经历了调压开关与二极管组合的有级调压、
3
3
110KV/50Hz
发电厂
升压站
地区变电所
牵引变电所
25kV/50Hz
A
25kV/50Hz 分相绝缘节
B
回流线 钢轨
图1–1 电力牵引系统组成
弓等高压电器，将接触网上 25kV/50Hz 单相交流电导入机车 内牵引变压器一次绕组，电流流过一次侧绕组，经车体接地装
臵与钢轨、回流线联结，与牵引变电所形成高压供电回路。同
本章主要介绍电力机车、EMU的直流传动系统，围绕基 本组成、牵引与制动等主要方面，进行系统分析。
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1.1 电力牵引传动系统的组成
电力牵引系统是由牵引供电部分和牵引动力装臵两大部分
组成，包括从牵引变电所到列车受电弓在内的供电部分和牵引
动力装臵的传动系统。牵引动力装臵主要指电力机车、电动车 组（EMU）。电力牵引系统组成如图1-1所示。一般习惯上以
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电力传动与控制
入交流传动时代，新造机车/动车组全部采用交流传动系统,
其交流传动机车、动车组的应用已很成熟。我国目前在线运
用的机车绝大多数属于交-直流传动机车。交流传动机车、 动车组在我国还处于起步发展阶段。我国曾研发了个别车型 的交流传动机车，但由于受关键技术、成本等因素制约，只 在机车型谱里占了一个位臵，没有形成批量。当前正在引进 的和谐系列机车、动车组均采用交流传动系统，这将确定了 我国牵引动力的发展方向，必然是走交流传动之路。 直流电力传动技术(机车)的发展概略为：
电力牵引与传动控制 教学大纲
电力牵引与传动控制一、课程说明课程编号：090409Z10课程名称：电力牵引与传动控制/Electric Traction and Drive Control课程类别：专业课学时/学分：48（10）/3先修课程：模拟、数字电子技术、电机学、电力电子技术、自动控制原理、微机原理应用适用专业：电气工程及其自动化、电气工程卓越工程师、自动化、测控技术教材、教学参考书：1.《电力牵引系统及其故障诊断技术》，主编，中南大学出版社，20012.《韶山8型电力机车》，刘友梅主编，中国铁道出版社，20013.《HXD－1型电力机车》，张曙光主编，中国铁道出版社，2008二、课程设置的目的意义“电力牵引与传动控制”是高等学校自动化、电气工程及其自动化、测控技术与仪器等专业教学计划中一门专业课程，它的主要任务是使学生了解各种电力牵引与传动控制系统的基本概念和原理，掌握各种电力牵引调速、控制方法，并介绍当今世界各国电力牵引技术发展的现状和方向。
三、课程的基本要求知识：电力牵引与传动控制将强弱电结合，以弱电控制强电，既有电机调速控制，又有电力电子变流装置控制。
是一门为电类专业大学本科学生所开设的专业课。
能力：通过该课程的学习，力图提高学生综合运用所学过的知识，能够分析具体的传动控制系统的组成、工作原理并达到能够设计出一个简单的控制系统的水平。
对电力机车，特别是其中的调速器、变流器的控制以及具体的控制电路有一个比较深入的理解。
对电力机车及其传动控制的最新发展有所了解。
素质：轨道交通产业是现代自动控制系统的集成平台，其发展速度和发展规模仅次于航天与军工产业。
学生通过了解掌握这些最先进的知识，可以强化电气、电力设备设计的实践能力，培养其发现问题、分析问题、解决问题的能力和素质。
四、教学内容、重点难点及教学设计五、实践教学内容和基本要求注: 参观登乘铁路机车，了解牵引传动系统总体结构；参观实验室，了解牵引传动诊断系统。
力争参观、乘坐磁悬浮列车并了解其最新进展。
交流传动技术
432
固定闭塞 连续速度控制 可实行自动 控制（ATC）
1832
固定闭塞 提前式分级阶梯 设备控制优先，人控为 辅
媒介：无绝缘模拟轨道电 媒介：无绝缘模拟轨道 媒介：数字电道交叉环 媒介：有绝缘模拟轨道 路； 电路； 线； 电路； 方向：地对车单方向； 方向：地-车间双方向； 方向：地对车单方向； 安全信号传 方向：地对车单方向； 输 载 频 ： 1700 、 2000 、 载 频 ： 1700 、 2000 、 载频：（36±0.4）kHz、载频：750、850、900、 2300、2600Hz； 2300、2600Hz； （56±0.2）kHz； 1000Hz； 信息量：18个 信息量：27bit 信息量：83.4bit 信息量：10个
点式列车自动控制系统
它也叫点式ATP，采用点式传递信息、车载计算机处理 信息的方式达到列车超速防护。我国京津客运专线（前期） 采用该系统 分有线和无线两种方式，几乎所有高速铁路均采用这种 模式
连续式列车自动控制系统 按信号传输 方式分类
这种系统是在连续式列车自动控制系统中增加点式应答 器作为线路数据的输入、进路信息和临时限速信息的输入， 点连式列车自动控制系统 这种方式有效利用了轨道线路和点式设备。日本ATC和我 国第六次提速所采用的CTCS-2级ATP采用这种模式
关门控制：
入门关闭的时间是7～8秒（不包括脚蹬）。
入门的关闭指令下达时会听到声音信号。声音信 号在门开始移动前1秒开始。
入门可在以下地点关闭：司机室。 无论在什么情况下，打开的门将发出牵引阻塞信 号。
超出正常时间2秒时，发出关门时间错误的信号。
机车车组装备有用于一人操作的规定。该程序包括以下内容： 1.出发时，司机走到驾驶室窗前一侧，开窗，检查并确认站台和门 前无障碍，可以关闭。 2.司机按“关门”按键。该按键安装在司机写字台的一侧。 3.门关闭蜂鸣器发出的警报声（间歇性信号）针对所有门。 4．“关门”按键按下1秒钟后，门开始关闭，同时，“门闩”信号 被取消。被关闭的门将被联锁。 5.门信号蜂鸣器在“关门”按键按下之后5秒钟停止。 6.当所有门被关闭和锁定之后，“关门”按键（的照明）熄灭。此 时，适用司机写字台上的按键和司机写字台旁边的按键。 7.大约在确认信号显示所有的门均已联锁之后2秒钟，列车可以发 车。
浅谈高速动车组电力牵引传动控制系统
浅谈高速动车组电力牵引传动控制系统摘要：高速动车组的发展为我国铁路事业做出了巨大贡献。
人们的出行方式从最初的汽车到飞机，再到现在的高速动车组，也是铁路行业多年努力的结果。
随着经济、高效、安全型高速动车组越来越受到人们的青睐，人们也对高速动车提出了更高的需求,因此有必要对动车牵引系统加以优化,以更好地推进高速动车牵引体系的发展,并维护着我国高速动车交通运输业的平稳发展。
动车组传动系统,是指动车组的动力传动装置。
牵引电机所产生的驱动力经由轴承和变速箱直接传导给轮胎,最后形成牵引作用。
主要阐述了我国高速动车组牵引系统的基本构造,并对各元件的分布情况和工作原理进行了详细描述。
关键词：高速动车组；牵引系统；结构分布；工作原理引言：随着国内高速运输的全面发展，电力机车以其功率大、运量大、牵引力大、速度快等特点在我国得到广泛应用。
特别是近年来，高速动车组列车的速度等级不断提高，载重能力也在不断增加，对列车运行质量提出了更高的要求。
作为动车组列车的十大关键技术之一，牵引传动控制系统的可靠性一直是研究的重点和难点。
结合当前先进的控制理论和方法，深入研究动车组牵引传动控制系统，有效提高牵引系统的可靠性，是保证动车组列车安全稳定运行的一个重大突破点。
通过对动车组列车牵引传动控制系统现状的讨论，分析了列车牵引系统的可靠性。
一、我国高速动车组牵引传动控制系统的发展现状1.牵引动力配置方式以动力集中方式为主我国高速动车组主要是CRH3型动车组，有两种方式：牵引电源配置有集中电源和分散电源。
电力集中的第一种形式是常见的、常规的电力牵引，这种牵引已经使用多年，在上都地区无论是结构上还是技术上都比较成熟，应用广泛。
第二种是权力分散的方式，这种方式现阶段技术还不成熟，使用的范围较小，技术还不太成熟，所具有的缺点是技术不稳定，资金投入不足等缺点。
2.我国高速动车组以直流传动制式为主我国的高速铁路动车组大多采用CRH3系列动车组动车组,牵引传动系统一般分为两种形式:直流传动系统、交流传动系统。
《电力牵引传动与控制》-2015-08-26(40学时)
➢ 调速性能优良，系统简洁。
➢ 直流牵引电机造价较高，但可靠性、维护 性相对较差。
➢ 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。
➢ 车型：早期DF,DF2,DF3,ND1,ND2等。
图1-4 内燃机车直-直电传动
11
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。
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韶山8型电力机车
➢ 1994年研制的快速客 运电力机车，曾创造 了中国铁路机车的最 高速度240km／h
➢ 轴式Bo-Bo
➢ 额定功率3600kW
➢ 持续牵引力126kN
➢ 最大牵引力208kN
➢ 持续速度100km/h
➢ 最大速度170km/h
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SS-9高速机车
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SS9G型客运电力机车
F·V=3.6η·N=const.
图 1-2 机车理想牵引 特性曲线（牛马特性）
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3. 内燃机车电传动装置的功用
电传动装置的功用：
图 1-3 柴油机功率和扭矩特性
---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
➢ 充分利用和发挥机车动力 装置的功率；
➢ 扩大机车牵引力F与速度V 的调节范围；
六轴干线大功率准高速 客运交直传动电力机车。 采用了许多国际客运机 车先进技术，是我国干 线铁路牵引旅客列车功 率最大的机车
机车持续功率4800kW 最大功率5400kW 轴式C0-C0 牵引工况恒功速度范围
为99-160km／h 最高速度为170km／h
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交流传动技术发展历程
电力牵引供电系统
《电力牵引交流传动及其控制系统》报告—电力牵引供电系统电力牵引供电系统是向电力机车供给牵引用电能的系统。
主要由牵引变电所和接触网组成。
牵引变电所将电力系统通过高压输电线送来的电能加以降压和变流后输送给接触网，以供给沿线路行驶的电力机车。
有些国家电气化铁路有时由专用发电厂供电。
电力牵引供电系统按照向电力机车提供的电流性质分为直流制和交流制，交流制又分工频单相交流制和低频单相交流制。
工频指工业标准频率,即50赫或60赫;低频指低于工业标准频率的频率,应用最多的是[92-01]赫,即50赫的三分之一。
各种电流制的电力牵引供电系统的设备有很大的差别。
电流制的发展直流制应用最早，19世纪末电力牵引开始用于铁路干线时，应用的就是直流制。
目前在英、法、日、苏等国直流制仍然大量存在。
直流制是将电力系统的三相交流电降压并变换为直流电供应接触网。
接触网电压有1200伏、1500伏、3000伏等多种。
由于电力机车电压受直流牵引电动机换向条件的限制，接触网电压很难大幅度提高，所以直流制须沿接触网输送大量电流，在接触网上一般须用两根铜接触导线，并应用铜承力索，另加一些平行的铝加强导线来分流，耗费有色金属量较大。
另外，为了保持接触网的电压水平，沿线路每隔10～30公里须设置一个牵引变电所。
直流制的这些弱点，推动了交流制的研究。
交流牵引供电系统20世纪初，工频三相交流制和低频单相交流制相继出现。
工频三相交流制曾在意大利应用，由接触网输送三相中的两相，另一相接地。
后因两相接触网结构复杂、维护困难被淘汰。
低频单相交流制则在德国、瑞典、瑞士等国得到发展。
这种电流制接触网电压一般为 15000伏,在电力机车上降压,使用单相整流子牵引电动机。
交流制的接触网比直流制的简单得多，牵引变电所的设置间距也加长。
采用低频的主要原因是整流子牵引电动机换向困难，不适宜于在工频运转。
低频制需要低频电源，所以低频制电气化铁路必须建设专用低频发电厂，或者在牵引变电所将电力系统送来的工频电流降压并变换成低频电流。
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主要内容： 电力牵引交流传动技术概述 电力牵引交流传动基础 交-直-交变流器与逆变器 电力牵引交流传动的控制技术
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第三章 电力牵引交流传动与控制
一、电力牵引交流传动技术概述
1.
机车交流传动系统的基本结构 交流传动机车： （特指）采用各种变流器供电，交 流异步或同步电动机驱动的机车或 电动车组。 变流器类型： 交-交变流器（直接式） 交-直-交变流器（间接式）
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3.
交流传动的优点
由于鼠笼式异步电动机良好的经济性能和牵引运行性能，采 用“电压型交-直-交变流器+三相鼠笼式异步牵引电动机”系统 是目前发展的交流传动机车主要结构形式。主要优点： 异步电动机陡峭的自然外特性利于抑制机车空转和打滑， 可大幅度提高机车的粘着性能（最大粘着系数：交流机车可 达45%，交-直机车25%） 牵引电机结构简单、可靠，电机热利用率高，维护、维修 方便，运用维护费用低（无换向器和电刷或励磁整流器等滑 动接触部件） 单机容量大（不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积 小（交流与交-直流传动比较：在相同重量和体积下，功率 可大幅度提高。单位重量功率：直流电动机0.33kw/kg，同 步电动机0.5kw/kg，异步 电动机0.68kw/kg或更高） 交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保 三相鼠笼式异步牵引电动机造价低
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20世纪90年代：交流传动技术成为热点 美国异军突起（至1997达1400台） SD60MAC（GM公司 2834kw GTO 微机控制 1992） AC4000（GE公司 3281kw GTO 32位微机 1994） AC6000（GE公司 4474kw GTO 32位微机 1994） 欧洲 GEC-Alsthom公司 为叙利亚国铁开发 2370kw IGBT 1997 中国交流牵引传动技术发展 70-80 年代一直密切注意世界交流牵引技术发展动态 1992 研制成功1000kw地面变流器（试验）装置 1996 AC4000原型车（4000kw，异步牵引电动机 1025kw） 2000 DJJ1”蓝箭” 220km/h IPM器件 直接转矩控制 1225kw异步电动机 2001 DJ2”奥星”号竣工，田心厂等 动车组 4800KW， Vmax=160Km/h，自主知识产权 2002 “中华之星” 试验速度：312.5公里/小时 2006 CRH1、CRH2、CRH5，DJ4
② 交流电传动机车技术发展
20世纪60-70年代：初期发展阶段 1965 德国Henschel与BBC合作开发机车交流传动系统 1971 第一台成功运行的交流机车诞生 DE2500 70年代 共生产25套 20世纪80年代：交流传动技术日趋成熟，在各种机车、动车 上获得推广应用 欧洲发展迅速（共计达350多台） DE500系列（Mak公司 500kw GTO 1980） DE1024系列（Mak+ABB公司 2650kw GTO 挪威国铁） ME1500（丹麦国铁 2410kw 普通晶闸管1981） 美国铁路交流传动投入不足，发展较慢 ----仅在老机车改造方面作了尝试
IPM（Intelligent Power Module)智能功率模块
集功率开关、驱动隔离电路以及过流、过压、过热保护等于一体 的智能型模块 中国机车用大功率半导体器件发展水平 晶闸管：200-3000A/6500V GTO：600A/2500V（1993），目前研制500-2000A/2500-4500V
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电力电子器件将在下列三个主要方面取得重大进展：
注：SIT(SITH)—静电感应晶体管（晶闸管）；MCT(MCTH)—MOS控制晶体管（晶闸管）
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④ 交流传动控制装置及控制技术的发展
上世纪80年代以前 主要为模拟器件和开关逻 辑器件控制方式 80年代 出现16位微机控制，如MICAS、 SIBAS-16等 90年代 32位微机控制，如SIBAS-32等 交流传动控制技术： • 微机数字化，高精度，高可靠性，复杂综合和 最优控制 • 电机控制策略：转差频率控制（控制转矩）、 矢量控制（可与直流调速性能相媲美）、直接 转矩控制（控制转矩和磁链）
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③
大功率电力电子器件的发展 ---交流传动发展的关键技术之一
晶闸管（Thyristor） 70年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频 目前水平：3500A/6500V、1000A/12000V 主要问题：不能用负脉冲关断，需附加强制换流回路。 GTO（Gate turn-off thyristor） 80年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器 目前水平：3000A/6000V、1000A/9000V 主要问题：关断增益低（4-5），损耗大，二次击穿问题限于1-2kHz （吸收电路、触发和关断电路是关键） GTR（Gaint Transistor）大功率晶体管 电流控制双极型自关断元件， 通态压降低 目前水平：600A/1200V、450A/1300V 主要问题：难于突破1500V 功率场效应管（Power MOSFET） (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 压控器件，输入阻抗高，开关速度高，损耗小 目前水平：200A/1000V
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系统基本结构型式 （电压型）交-直-交变流器+交流 异步牵引电机系统（普遍应用） （电压型）交-直-交变流器+交流 同步牵引电机系统 （电流型）交-直-交变流器+交流 异步牵引电机系统 交-交变流器+交流同步牵引电机 系统
3ຫໍສະໝຸດ 2. 发展历史与现状① 交流调速技术
上世纪30年代提出了用交流调速取代直流调速的有关理 论，60年代后才得以迅速发展（电力电子技术---大功率 半导体器件） 应用：从风机，水泵扩展到钢铁行业轧机等其他领域 日本 1975 直流 80%，交流 20% 1985 直流 20%，交流 80% 全世界 上世纪80年代后五年 交流调速年均增长13%-14% 直流调速年均增长3%-4% 中国 风机、水泵总装机3000万台，耗电量占总发电 量38%。采用交流调速节能前景广阔 4
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IGBT(Insulated Gate Biplar Trasistor)绝缘栅双极晶体管
兼有MOSFET和GTR的优点：高速（20-50kHz)、高阻抗，低压降等混 合器件，电压控制元件 国外已发展到第五代： 第1代（1985 ） 500-1000V 25A 第2代（1989 ） 600-1200V 400A 第3代 高频、低耗、低压降 1200-2000V 第4、5代 2000-4000V，600A/1200V, 800A/1000V至1500A/1600V 模块化、智能化