铁道百科——机车车辆

基波电流

非正弦周期电流信号按照傅里叶级数展开为多项正弦分量的线性叠加，这些正弦分量中频率最低的分量的频率与非正弦周期电流信号的频率相同，称为基波电流。

一个周期信号可以通过傅里叶变换分解为直流分量c0和不同频率的正弦信号的线性叠加：

其中，c m表示m次谐波的幅值，其角频率为mω，初始相位为φm，其有效值为cm/√2。

当m=1时，

为基波分量的表达式，其角频率为ω，初始相位为φ1，其方均根值c1/√2称为基波有效值。

ω/2π为基波分量的频率，称为基波频率，基波分量的频率等于交流信号的频率。而m次谐波的频率为基波频率的整数倍（m倍）。

机车等效干扰电流（回流线的作用）

机车等效干扰电流（equivalentdisturbingcurrentoflocomotive）等于基波电流、各次谐波电流分量有效值乘以其杂音干扰系数Sn后的均方根电流值。

若在空中架设的导线中流过交流电流，那么在其邻近并与其平行的导线中，由于交变电磁场的电磁感应作用，将感应出电压。这种电磁感应的作用结果，将影响通话的清晰度，甚至对人身安全构成危险。

供电给电力机车的接触导线中流过的电流除基波电流外，还有各次谐波电流（见机车等效谐波电流），这些电流经钢轨和大地回流至变电所。它们在与接触导线平行布设的通信导线中继应出不同频率的电压。这种电磁感应作用称为对通信线的杂音干扰。

由于人耳与电话听筒对不同频率声音感受的灵敏度不同，其中以频率1000Hz左右最甚。为评价不同频率产生杂音的程度，国际电话电信咨询委员会（CCITT）制订出杂音干扰系数Sn，把800Hz干扰规定为1,其他频率折合到800Hz的干扰水平上。Sn 与频率的关系见下表。

电话线中感应出电压的大小与干扰源电流大小、干扰源的距离等因素有关，电力机车是一个干扰源，可用等效干扰电来评价其影响程度。等效干扰电流Jp定义为：

运中，Sn为杂音干扰系数；In为n次谐波电流有效值。以此来预测通信线中感应的干扰电压的数值。

为了减小等效干扰电流的数值，在接触网的一定间隔安装吸流变压器（BoosterTransformer，BT）或自耦变压器（AutoTransformer，AT）将大地中流失的电流，集中到与接触导线比较近的回流线中。回流线中的电流与接触导线中的电流方向相反，因而使电话线中感应的电压因方向相反而几乎抵消。

如果电话和通信线采用屏蔽电缆或者光缆则可将干扰减到最低低程度。（赵叔东）

机车功率因数

电力机车电网侧的电压非常接近正弦波形；而电流则是周期性的非正弦电流，可认为是基波电流与一系列谐波电流之和（叠加）。只有基波电流与电网电压同频率，可以产生有功功率。

机车功率因数（power factor of locomotive）：电力机车电网侧有功功率与视在功率之比。

P=U I1cosφ1

式中，U为电网电压有效值；I1为基波电流有效值；φ1为基波电流对电压的相移角。

视在功率为电压有效值与总电流有效值的乘积，即

式中，I n为基波电流、各次谐波电流有效值。

由功率因数的定义，

式中，为电流畸变系数，为相位移系数。

电流畸变系数表明电流波形中含有高次谐波电流的程度，并不能表明电流的具体波形。

在相控整流器式机车中，机车的功率因数随机车工况变化而变化，在额定功率时，大约为0.82~0.86。电流中虽然含有较多的而且幅值较大的谐波电流，但其电流畸变系数一般为0.95~0.97，因此影响机车功率因数的主要因素是相位移系数。机车在再生制动状态功率因数更低。

在交—直—交机车中，由于采用脉宽调制技术的脉冲整流器网侧电流接近于正弦波形，而且可使电流与电压同相位，因而功率因数可接近于1。

机车在低功率因数运行时，将从电网涉取无功功率，因此应尽力避免。相控整流器式机车常用串联变流器即所谓多段桥整流电路或者功率因数补偿装置来提高机车的功率因数。（赵叔东）

机车相位移系数（基波功率因数）

机车相位移系数（基波功率因数）（phase displacement factor of locomotive）基波的有功功率与基波的视在功率之比，数学上可以理解为基波电流相对于电压波形相移角φ的余弦。

基波有功功率表示基波电压和电流的乘积在一个周期内的平均值，如果基波电压和电流间有相位移角φ，则有功功率为P=UIcosφ

式中，U为基波电压有效值；I为基波电流有效值；φ为基波电压和电流间的相位移角。

视在功率按定义有S=UI

所以，基波功率因数=P/S=cosφ，即只与相位移角φ相关，所以也称为相位移系数。

在相控整流器式机车中，相位移系数在额定工况时也不过0.86左右。这是因为相位移角不单与相控角有关，还与换相重叠角有关。相控角是指相控元件承受正向电压到被触发导通的角度。它可以控制输出整流电压。输出最高电压时，相控角最小。换相重叠角与整流电路交流侧的电抗、直流电流和交流电压有关。控制角和换相重叠角越大，则相移角越大，相位移系数越小。

机车恒功调速范围

机车恒功调速范围（the regulate velocity range of locomotive constant power）机车牵引特性中维持机车牵引功率为恒定条件下的速度调节范围，即从低速恒功点到高速恒功点的两个速度限值之间的区域。恒功率调速的概念，首先来自内燃机车，为了充分发挥柴油机的功率（不允许超载），要求在调节范围内输入牵引电动机的功率保持不变，从而引发出机车具有恒功率条件下的牵引特性的恒功率调速范围。它是衡量机车牵引性能中高速区域充分发挥机车功率的重要指标。如果恒功率调速范围大，则机车高速功率发挥得充分，这是（高速）客运机车所必须具有的性能。这个指标实际上对内燃机车更具重要作用，对电力机车也有借鉴作用（但变压器、牵引电动机均有短时过载能力）。从串励电动机的调速特性（v=。式中，U为电机端电压；I为电机电枢电流；v为机车速度；∑R为电机电枢回路等效电阻；Φ为电机磁通；C为机车常数）看，要维持电机输入功率P=U*I恒定的条件，又要使恒功率调速范围大，则：（1）满磁场时，则提高U，即提高电机允许的升压系数（U max/U N），同时降低电机电流，以维持功率不变；（2）维持U max和I值不变，降低，则尽可能加深磁场削弱，即由最深磁场削弱系数βmin决定的。机车恒功率调速范围的大小，用恒功率调速比这个参数来衡量（参见机车恒功速度比）。（李春阳）

机车车辆专用试验装备

机车车辆专用试验装备（special test equipment of railway vehicles）环行铁道专门进行线路试验的线路。线路一般封闭成环状，所以称之为环行铁道，中国的环行铁道试验线位于北京东郊，属铁道科学研究院管理。

试验车进行线路试验的专用客车，是适用于对电力机车、内燃机车、客货车辆进行各项性能试验的无动力的移动式试验基地。该车上配用的测试所需要的各种仪器仪表，还设有必要的生活设施供试验人员使用。

试验仪器仪表用于将传感器拾取的信号进行放大、采集、输出、处理的设备。

专用传感器

动力计用于测量机车牵引力的传感器。该传感器安装于牵引试验车一位车钩处。有液压式和电测式两种。

测力轮对专门用于测量轮轨相互作用力的传感器。测力轮对的辐板或轴上粘贴有应变片，所贴的应变片经过组桥、标定后可输出与轮轨作用力相关的电信号。信息传输系统中采用滑环式集流装置，应确保性能的可靠性。（黄强）

车辆冲击试验

用一辆具有一定速度的车辆（冲击车）向一辆停在平直轨道线路上处于非制动状态的受试车辆（被冲击车）冲击，同时按有关规定要求用测试一起测量和记录冲击过程中发生的车钩冲击力、实际冲击速度、缓冲器形行程、车辆加速度、车辆结构重要部位的应力等动态参数的试验。

车辆冲击试验（railway vehicles impact test）用一辆具有一定速度的车辆（冲击车）向一辆停在平直轨道线路上处于非制动状态的受试车辆（被冲击车）冲击，同时按有关规定要求用测试一起测量和记录冲击过程中发生的车钩冲击力、实际冲击速度、缓冲器形行程、车辆加速度、车辆结构重要部位的应力等动态参数的试验。

冲击车获得冲击速度的方法，是让其从斜坡轨道上的适当高度处，靠重力作用自由溜下斜坡；也可用机车推送冲击车，使其达到一定的速度后，机车与冲击车脱钩。

试验时，冲击车的冲击速度从3km/h开始，逐级升高，每级递增1km/h~2km/h，直至车钩冲击力达到2250kN或冲击速度达到8km/h为止，以先达到者为准。先达到规定速度值时，按相应速度下的车钩力评价车辆的冲击强度。（徐荣华）

机车变频调速

机车变频调速（variable frequency speed control for locomotive）通过改变和控制机车上交流牵引电机的供电频率，即改变异步机或同步机的定子频率来改变电机中磁场的旋转速度，达到改变机车交流牵引电机机械传动轴的速度的方法。

由电机运动方程可知，在负载确定的条件下，电磁转矩是电机转速调节的基本控制参数。概括而言，所有电机的电磁转矩是由定、转子磁场相互作用的结果。不同的电机结构产生定、转子磁场分量，转子（电枢）中形成交轴磁场分量，两个磁场分量在空间上处于静止状态，相互呈90°交角。在交流电机中，定、转子磁呈正弦态分布并在空间以同步角速度旋转，若以空间矢量的概念来表述，交流电机的定、转子磁链空间矢量的幅值和相对位置是控制电磁转矩的变量。相比较而言，由于交流电机的定、转子之间的强耦合关系和磁场的空间旋转变化，其磁场和转矩控制较复杂。尽管直流电机便于控制，但其机械换向结构制约了直流传动系统的广泛应用和进一步发展。交流传动系统已呈现取代直流传动系统的趋势。

目前，由交—直—交电压型变流装置和鼠笼式异步牵引电机构成的电传动系统已成为技术主流，广泛应用于机车车辆上。该系统可分为三个主要缓解：网侧交—直整流器实现功率调节，电机侧直—交逆变器实现频率变换，异步牵引电机和机械传动部分实现机电能量转换。在异步牵引电机中，转矩和转速的输出与磁场空间矢量的幅值和同步旋转角速度存在着必然的联系，因此为了在整个调速范围内，各运行转速下能输出所需的电磁转矩，必须给牵引电机施加适当频率和幅值的端电压，这就是电机侧直一交逆变器所完成的基本任务，以实现变频调速功能。而网侧交一直整流器作为功率调节单元，一般采用四象限脉冲整流器，它一方面从电网有效地吸收或反馈所要求能量，稳定中间直流环节电压；另一方面，提高网侧功率因数，降低谐波电流。

随着电力电子技术的发展，变流器采用了越来越先进的功率开关器件。目前，GTO 变流器已广泛应用于电力牵引系统中，而开关和控制性能更为优越的IGBT、IPM等器件逐步进入该领域，并呈现出强劲的发展趋势和前景。变流器冷却技术也在同步发展，水冷技术以无污染和冷却效果好等主要优势已成为发展方向。

控制技术是实现机车交流传动的关键。典型的机车牵引特性曲线包含了恒转矩启动区和恒功率运行区，前者可以保证必要的机车车辆的启动加速度，后者使设备容量得以充分利用。此外，为了更好地利用牵引电机的有效材料和提高电机动态相应，在启动阶段应采用恒磁通控制，因此，必须对电机侧直一交逆变器采用PWM控制技术和合适的电机闭环调节策略。目前，典型的PWM方法有自然采样SPWM法、磁场轨迹跟踪法以及优化PWM法等，这些方法都能实现变频电压控制，随着电机闭环控制理论和微电子技术的进步，高性能的磁场定向控制和直接转矩控制已代替转差一电流

控制方法。前者以转子磁场定向通过矢量变换实现解耦控制，后者采用空间矢量的概念通过双位调节器直接控制转矩和定子磁链。（冯江华）

电阻制动

电阻制动（rheostatic brake）利用直流电机的可逆原理，在制动工况时将牵引电动机切换成发电机，把机车车辆运行的动能转换成电能，然后把电能消耗在制动电阻上，变成热能而放散入大气的制动方式。（夏寅荪）

异步电机，7200kW电机，制动工况时，电机将机车机械能转换为电能传送给逆变器，对机车产生制动转矩，电机处于发电机运行状态称之为再生制动。