第3章-电力牵引交流传动与控制
电力牵引传动系统
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。
机车车辆传动与控制作业参考答案(3-4章)
一、名词解释：1. 转差率旋转磁场的转速n1与转子转速n 的差值称为转差，用△n 表示。
转差△n 与同步转速n1的比值称为转差率，用s 表示，即：()%100n n -n S 11⨯=转差率是表征感应电动机运行状态的一个重要参量。
一般情况下，异步电动机的转差率变化不大，空载时约为0.5％，额定负载时约为5％，异步牵引电动机的转差率一般小2％。
2. 转差频率 转差频率就是转差对应的频率，即⎥⎥⎥⎦⎤====12121111sf f f f f f -f n n -n s3. 电流型牵引变流器 交-直-交流传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。
整流器的作用是把来自接触网的单相交流电压变换为直流。
直流中间环节由滤波电容器或电感组成，其作用是储能和滤波，获得平直的直流电。
逆变器的作用是将中间环节平直的直流电，通过一定的控制策略，变换为频率、电压可调的三相脉冲交流电，供给交流牵引电动机，通过能量转换驱动列车。
根据中间直流环节滤波元件的不同，牵引变流器可分为电压型和电流型两种。
电流型牵引变流器直流中间环节的储能器采用电感，相当于恒流源，向逆变器输出的是恒定的直流电流。
4. 电压型牵引变流器交-直-交流传动系统中，牵引变流器由网侧整流器、直流中间环节、电动机侧逆变器及控制装置组成。
整流器的作用是把来自接触网的单相交流电压变换为直流。
直流中间环节由滤波电容器或电感组成，其作用是储能和滤波，获得平直的直流电。
逆变器的作用是将中间环节平直的直流电，通过一定的控制策略，变换为频率、电压可调的三相脉冲交流电，供给交流牵引电动机，通过能量转换驱动列车。
根据中间直流环节滤波元件的不同，牵引变流器可分为电压型和电流型两种。
电压型变流器直流中间环节的储能器采用电容器，向逆变器输出的是恒定的直流电压，相当于电压源。
5. 两电平式逆变器逆变器将直流转换为交流。
两电平式逆变器，把直流中间环节的正极电位或负极电位接到电动机上，即逆变器的输出相电压为两种电平。
电力机车主电路和辅助电路
补充1：各种励磁方式直流牵引电动机的特性分析
一、串励和并励牵引 电动机的特性比较
（比较速度特性） 1、自调节性能 串励：转速随负载的
增加下降很多。 并励：转速随负载的
增加下降很少。
结论：串励电动机的牵引力和速度 能够按机车运行条件自动进行调节， 在重载或上坡时，随机车速度的降 低，转矩自动增大，使机车发挥较 大牵引力；在轻载或平道运行时， 机车牵引力减少，使机车具有较高 的速度。
５、空转过程（28页）
空转—— 牵引时，牵引力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
滑行—— 制动时，制动力大于轮 轨间的粘着力，轮轨间 发生相对滑动的现象。
空转过程分析：
初始工作点为A，对应转速
为n1，AB为其自然机械特
性。当偶然原因使粘着系数
下降时，粘着牵引力曲线变为
① 电器控制
功能：完成电路和气路的开关及逻辑互锁；
特点：电动或气动的逻辑开关．
包括：继电器、电控阀、气动开关等。
近年来生产机车上的逻辑联锁已由逻辑控制 单元（LCU)完成。
② 电子控制
功能：配合主辅助电路完成机车的控制；
特点：弱电控制、控制复杂；
包括：给定积分器、特性控制、防空转／防 滑、移相控制、功率放大、脉冲变压器等 控制单元。
再生制动
定义：制动时将牵引电动机作发电机运行， 发出的电回馈给电网。
优点：具有巨大的节能效益。
缺点：功率因素低；谐波增加，对电网干 扰大；控制系统比较复杂；再生制动必须 采用全控桥，对触发系统的可靠性要求高； 电气制动时制动力集中作用于动轮，车辆 上将会产生横向作用力，对线路和机车提 出了更高的要求。
（1）集中供电
牵引与传动专题培训
（2）斩波调压
在电路中接入能有规则地导通和关断旳斩波器， 则能够减低直流电动机两端旳平均电压。电动机 两端电压旳平均值为：
U RL
U
ton T
U
只要调整导通比，即可调整平均电压。 伴随半导体技术旳发展，斩波器中旳 斩波元件经历了下列旳发展过程：
3) 牵引变电所
• 牵引变电所旳任务就是将电力系统提供旳三相工 频交流电经过变压、变相或变流转变为本线电动 车辆可用旳电源。
• 根据电流制旳不同，牵引变电所又分为直流牵引 变电所和交流牵引变电所。
• 城市内旳地铁、轻轨网络多采用直流牵引制式， 只有少数延伸至远郊旳城市铁路(如中国香港九广 铁路、日本东京常盘线等)为了与区域铁路共线运 营则会采用交流牵引制式。
1 —— DCU对VVVF逆变器旳线路电容器充/放电控制 2 —— DCU/UNAS对VVVF逆变器及电机转矩控制
牵引系统构成示意图
• 列车受电弓从接触网受流，经过高速断路 器后，将1500VDC送入VVVF牵引逆变器 。VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模 式，将1500VDC直流电逆变成频率、电压 可调旳三相交流电，平行供给车辆四台交 流鼠笼式异步牵引电机，对电机进行调速 ，实现列车旳牵引。
城市轨道交通多采用直流—交流方式，干 线铁路则采用交流—直流—交流旳方式。
由此可见，将直流电转变成频率可变旳 交流电就是交流传动旳关键所在。
将直流电转变成频率可变旳交流电旳设 备称为逆变器。
在车辆牵引旳开始阶段，保持气隙磁通 为常数，变化供电频率能够使电动机旳最 大扭矩基本不变，到达加速运营旳目旳。
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。
电力牵引教案
第一章牵引力第一节力的概念外力：把来自列车以外的物体作用于列车的历程外力。
如：列车的重力、钢轨作用于列车的各重力、周围空气作用于列车的力。
内力：组成列车的各单元即车辆之间的相互作用力成内力。
内力总是成对出现，不改变物体的运动状态。
总之，列车运行过程中，作用于列车上的外力，计有牵引力、重力、阻力、制动力。
从运行状态分：机车带电运行---------牵引力和阻力作用于列车机车带电惰行---------阻力作用于列车机车制动运行---------制动力和阻力作用于列车第二节粘着当一个物体受到外力时，随着外力的加大，这个静止的物体与支撑物之间的静摩擦力也跟着加大，直到外力超过静摩擦力的最大值，物体的静止状态被破坏。
此时，物体在外力作用下，沿着支撑物表面开始滑动。
我们把整个过程分为潜动阶段和滑动阶段。
在机车轴荷重的情况下，当动轮压在钢轨上静止不动时，再轮轨的接触点c处，也有静摩擦力存在。
见图P3分析：当外力F作用于钢轨时，钢轨给动轮反作用力F‘，F力图使动轮沿着钢轨滑动，在潜动阶段，这个外力就被轮轨之间，接触面的高低不平的机械弹性变形和分子间的相互作用力所平衡。
因而，不会发生滑动，而只产生弹性变形。
通常，我们把这种阻止轮轨之间相对滑动的静摩擦力称为粘着力，这时的状态称为摩擦粘着。
如果外力不断加大，超过了粘着力，其结果轮轨接触处的弹性变形力，分子相互吸引力再也平衡不了外力，轮轨之间，进入滑动阶段。
此时称为滑动摩擦，其阻力称为滑动阻力。
当动轮相对钢轨滑动后，由于滑动摩擦阻力总小于静摩擦力，因而产生空转。
空转的危害：造成列车运缓；造成电机环火；磨坏钢轨。
在日常分析研究粘着现象时，波作用于动轮的外力和东昏、钢轨间的粘着理想平衡的临界瞬间，称为“始动瞬间”。
此时的粘着力成为极限粘着里。
结论：在任何时候，机车动轮所能实现的牵引力不能大于轮轨间的极限粘着力。
机车每个动轮的粘着力：F=1000φG 公斤———————————（1-1）F————粘着力Ф————粘着系数G————机车动轮轴重吨要点：1、粘着力近似的可以认为与轮轨之间的静摩擦力相等。
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。
24
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）
8
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
电力牵引传动控制系统
电力牵引传动控制系统：核心技术与应用优势一、电力牵引传动控制系统概述电力牵引传动控制系统，作为现代轨道交通领域的关键技术，以其高效、环保、低噪音等优势，逐渐成为我国铁路、城市轨道交通等领域的主流驱动方式。
该系统主要包括电力变换、电机控制、传动装置及监控系统等部分，通过先进的控制策略，实现列车牵引与制动的高效运行。
二、电力牵引传动控制系统的核心技术1. 电力变换技术电力变换技术是电力牵引传动控制系统的核心，主要包括整流、逆变和滤波等环节。
通过对输入的电能进行高效转换，为电机提供稳定、可靠的电源供应，确保列车在各种工况下都能实现优异的牵引性能。
2. 电机控制技术电机控制技术主要针对牵引电机进行精确控制，包括速度、转矩和位置控制等。
采用矢量控制、直接转矩控制等先进控制策略，实现电机的高效、稳定运行，降低能耗，提高列车运行品质。
3. 传动装置技术传动装置技术主要包括齿轮箱、联轴器等部件，将电机输出的动力传递到车轮，实现列车的牵引和制动。
通过优化传动装置的设计，降低噪音、提高传动效率，确保列车运行的安全性和舒适性。
4. 监控系统技术监控系统技术负责对整个电力牵引传动控制系统进行实时监控，包括故障诊断、保护、数据处理等功能。
通过集成化、智能化的监控手段，提高系统的可靠性和运行稳定性。
三、电力牵引传动控制系统的应用优势1. 节能环保电力牵引传动控制系统采用电能作为动力来源，相较于传统燃油驱动方式，具有显著的节能环保优势。
同时，系统的高效运行有助于降低能源消耗，减少污染物排放。
2. 运行速度快电力牵引传动控制系统具有较高的功率密度，能够实现列车的快速启动、加速和制动，提高运行速度，缩短运行时间。
3. 维护成本低相较于传统传动系统，电力牵引传动控制系统结构简单，故障率低，维护方便。
通过智能化监控手段，可实现故障预警和远程诊断，降低维护成本。
4. 噪音低、舒适性高电力牵引传动控制系统采用交流电机驱动，相较于直流电机，噪音更低，振动更小，提高了乘客的舒适度。
电力牵引传动..
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、交流传动第二章、电力牵引交-直传动与控制、一、直流牵引电动机1.基本方程①感应电势和电磁力矩电枢感应电势：Es=CeΦsn（v）（2-1）电枢电磁力矩：M=CmΦsIs（N·m）（2-2）式中：n 电机转速（r/m）Φs 每极下磁通量（wb)Is 电机电枢电流（A）Ce=pN/60a（电机电势常数）Cm=pN/2πa（电机扭矩常数）p 极对数；a 电枢绕组并联支路对数；N 电枢绕组有效导体总数②电势平衡方程③转矩平衡方程式④能量（功率）平衡方程2.直流牵引电动机的工作特性------着重把握比较串励与他励直流牵引电动机转速特性：n =f（Is）转矩特性：M=f（Is）机械特性：n =f（M）条件：不对电源电压和励磁电流进行人为调节。
电力牵引控制系统整理完整版
掌握电流型、电压型变流器中间回路储能其所用的器件（电感L、电容C）并知道各自所接电动机的电压、电流波形的形状。
电流型变流器：电容器C用作中间回路的储能器，电压型变流器：电抗器L作为中间回路的储能器,电流：正弦波，方波掌握列车制动的方法（3种）摩擦制动电气制动电磁制动电力牵引交流传动控制系统的硬件配置（3个部分组成）车顶高压设备车内变流设备以及相关的附加设备转向架中的机电能量变换装置直流电机的调速方式:恒转矩：1、保持磁通φ不变,改变电枢端电压调速恒功率：2、保持电枢电压不变,减弱磁通φ调速三相异步电动机基频以下和基频以上调速的特点以及所对应的恒转矩或恒功率调速基频以下：横转矩调速基频以上：横功率调速ＳＰＷＭ控制模式３重算法: 自然采样法规则采样法指定谐波消除法Ｐ２８ＩＧＢＴ栅极驱动电路基本要求（１－５点）1提供适当的正向和反向输出电压，使IGBT能可靠的开通和关断；2提供足够大的瞬时功率或瞬时电流，使IGBT能及时迅速建立栅控电场而导通；3输入、输出延迟时间尽可能小，以提高工作频率；4输入、输出电气隔离性能足够高，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；5具有灵敏的过流保护能力。
Ｐ１０４直流电动机ＰＷＭ调速的３种方法及优点1定宽调频法。
2调宽调频法 3定频调宽法优点：需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小，动态响应快，开关频率高，控制线路简单。
Ｐ１６９－Ｐ１７０感应电动机矢量控制原理，绘图说明把感应电动机经坐标变换为等效成直流机，然后，仿照直流机的控制方法，求得直流电动机的控制。
在经过相应的反变换，就可以控制交流机了。
Ｐ１３８－１４０交流转动电力机车三级控制的特点及作用列车级控制特点：特性控制，速度控制，目标控制，运行状态选择显示，列车安全防护诊断。
作用：严格保持列车的运行速度，避免加速或减速时出现的冲击，并且在目标制动时，能够迅速、准确的停靠在站台上。
列车网络控制系统
2014 届毕业设计任务书列车网络控制系统剖析及故障清除专业系轨道交通系班级城轨车辆 111 班学生姓名赵蒙指导老师陶艳达成日期2014 届毕业设计任务书一、课题名称：城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的剖析及故障清除二、指导老师：陶燕三、设计内容与要求：1、课题概括 :跟着电力电子技术的发展，电力牵引交流传动系统逐渐代替了早期的直流牵引传动系统，在轨道交通领域获取了宽泛应用，成为铁路实现高速和重载运输的独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零件，是列车运行的神经中枢系统。
剖析该系统的工作原理，掌握常有故障的办理方法有着特别重要的现实意义。
本课题主要剖析电力牵引交流传动控制系统的构成构造及各构成零件的主要功能原理，以及常有的交流传动控制技术；剖析系统常有的故障现象及应急办理方法。
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剖析及故障清除② HXD交传机车传动控制系统的剖析及故障清除③ 城轨车辆交流传动控制系统的剖析及故障清除每个子课题设计的主要内容可包含：a.电力牵引交流传动控制系统的发展历史及现状剖析b.电力牵引交流传动控制系统的构成构造剖析c.电力牵引交流传动控制系统主要构成零件功能和原理剖析d.各样交流传动控制技术的对照和剖析e.电力牵引交流传动控制系统的常有故障清除f.结论（2）要求a.经过检索文件或其余方式，深入认识设计内容所需要的各样信息；b.能够灵巧运用《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剖析电力机车交流传动控制系统。
c.要修业生有必定的电力电子，轨道交通专业基础。
四、设计参照书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、内容纲要 (200-400 字左右，中英文 )4、前言5、正文（设计方案比较与选择，设计方案原理、剖析、论证，设计结果的说明及特点）6、结束语7、附录 ( 参照文件、图纸、资料清单等)六、设计进度安排第 1 周：资料准备与借阅，认识课题思路。
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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
Iv=Im
t =
逆时钟方向旋转
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② 三相异步电动机的转动原理 三相交流电通入定子绕组后形成的旋转磁场，转速为
旋转磁场的磁力线被转子 导体切割，转子导体产生感应 电动势。转子绕组是闭合的， 则转子导体有电流流过。设旋 转磁场按顺时针方向旋转，且 某时刻为上北极N下为南极S。 根据右手定则，在上半部转子 导体的电动势和电流方向由里 向外⊙ ，在下半部则由外向里 ⊕。按左手定则知，导体受电 磁力作用形成电磁转矩，推动 转子以转速n顺n1方向旋转。
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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
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三相笼型异步电动机结构图
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定子铁心及冲片示意图
（a）铜排转子
（b）铸铝转子
笼形式转子绕组
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定子三相绕组由三个彼 此独立的绕组组成，且每个 绕组又由若干线圈连接而成。 每个绕组即为一相，每相绕 组在空间相差120°电角度。 线圈由绝缘铜导线或绝缘铝 导线绕制。中、小型三相电 动机多采用圆漆包线，大、 中型三相电动机的定子线圈 则用较大截面的绝缘扁铜线 或扁铝线绕制后，再按一定 规律嵌入定子铁心槽内。定 子三相绕组的六个出线端都 引至接线盒上，一般首端分 别标为U1, V1, W1 ，末端分 别标为U2, V2, W2 。这六个 出线端在接线盒里的排列如 图所示。三相绕组可接成星 形或三角形。
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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
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26
d) 谐波电流（磁场）引起的谐波转矩（附 加转矩）对机械特性的影响
6
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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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）
星形连接
三角形连接
定子绕组的联结
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二、电力牵引交流传动基础
2.
① a)
异步牵引电动机的调速特性及控制規律
异步牵引电动机的基本特性 电磁转矩特性 电磁转矩公式 M=CmΦI2cosφ2 =CmΦE2(r2/(X2s² 2² +r )) =CmΦE20(sr2/((sX2s0)² 2² +r )) (3-2-1) 式中： Cm 电机结构常数 Φ 电机内旋转磁场每极磁通(Wb) E2 =4.44f2k2w2Φ 转子感应电势(v) f2 转子感应电势频率(Hz) r2 转子电路中等效电阻(Ω) X2s=2πf2L2s=sX2s0=2πs f1L2s 转子等效漏抗(Ω) L2s 转子等效漏感(H) cosφ2= r2/√(X2s² 2² 转子电路功率因数 +r ) I2= E2/√(X2s² 2² 转子电流(A) +r ) E20=E2/s 当电机f2=f1时的转子感应电势(v) X2s0=X2s/s 当电机f2=f1时的转子漏抗(Ω)
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sk与f1成反比,与r2成正比
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当f1不变时，Φ 与U1正比 Mmax=Cm’Φ² m’’U1² =C
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当U1不变时，Φ与 1/f1成正比 Mmax=Cm’Φ² m’’(1/f1)² =C
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c)
机械特性M=f(n)
可由M=f(s)求得： n =(1-s)n1 =60f1(1-s)/p S=1 n=0 S=0 n=n1 稳定运行区 nk<n<n1 非稳定运行区 0<n<nk 过载系数kM kM=Mmax/Me =1.8~2.5 以确保电机稳定运行
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
n=(1-s)n1=(1-s)60f1/p
(3-2-4)
由转差n2=n1-n=60f2/p，代入(3-2-3)得：
s =(n1-n)/n1 =n2/n1 =f2/f1 或： f2=sf1
(3-2-5)
(3-2-5a)
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式中f2称为为转差频率（即转子导体感应电流频率）
③ 三相异步电动机结构
封闭式三相笼型异步电动机结构图 1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心； 7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇
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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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二、电力牵引交流传动基础
1. 三相异步电动机的工作原理及结构
① 三相交流电机的旋转磁场
i
iu
iv
3
三相电流波形
iw
3
iu
0
t
V2 U1
S
W1 U2
V2 V2 U1 W1
N
U2
N
U1 W2
W1 U2
S
W2 V1
W2
V1
S
V1 Iw=Im
N
t = 0 Iu=Im
t =
2
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