电力机车控制(第1章)

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交－直－交变流技术，特别是交流牵引电机的控 制技术，是高速列车牵引技术的核心，而逆变器 又是其中的关键，其中包括下列三项主要技术： （1）电力半导体器件； （2）交流电路的结构性能； （3）交－直－交传动的控制技术（由网侧变流器 控制和电机侧逆变器控制两部分组成）。
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高速动车组牵引传动系统采用的新技术主 要表现在以下几个方面： （1）新型全控电力电子器件的应用 （2）牵引变流器PWM控制技术 ）牵引变流器PWM控制技术 （3）列车驱动控制技术 矢量控制系统和直接转矩控制系统。
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动力集中与动力分散之间的特点： （1）牵引总功率和轴功率 （2）最大轴重和簧下质量（图见下页） （3）黏着利用 （4）制动 （5）制造成本 （6）维修费用
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两轴车和带转向架的车辆
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动车组转向架
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四、动车组供电牵引系统发展概况 自1964年高速铁路开通以来，动车组从直流传动 1964年高速铁路开通以来，动车组从直流传动 发展到交流传动，未来开发300km/h以上高速动车 发展到交流传动，未来开发300km/h以上高速动车 组采用动力分散是目前世界的发展趋势。 （1）1964－1980年初期采用交－直传动 1964－1980年初期采用交－直传动 例如日本的0系、100系、200系，法国的TGV例如日本的0系、100系、200系，法国的TGV-P， 意大利的ETR450。 意大利的ETR450。
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动力牵引车的牵引特性曲线通常被分成 恒力矩区和恒功区。恒力矩是通过控制变 流器的输出u 流器的输出u／f实现的；恒功通常是调频不 调压，牵引电机工作在磁场削弱状态。在 恒力矩区与恒功区的交点，变流器输出为 满电压，即为VVVF的终点。 满电压，即为VVVF的终点。
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假定恒转矩区的终点速度为v1，恒功区 假定恒转矩区的终点速度为v1，恒功区 的终点速度为v2，当VVVF终点速度 的终点速度为v2，当VVVF终点速度 时，牵引电机的质量最小，如图1 时，牵引电机的质量最小，如图1-7所示；终 点速度的设定直接影响电力机车的牵引性能 以及变流器、牵引电机和控制装置的设计。 一般终点速度取大于v1时，可以减少牵引电 一般终点速度取大于v1时，可以减少牵引电 机的最大磁通，从而减少铁芯的尺寸和质量， 使牵引电机的质量更小；但启动电流相对增 大，对变流器所使用器件的性能和冷却要求 就越高，变流器的质量会增加，有可能导致 主电路系统的质量增加。 因此，综合考虑牵引电机和变流器后， VVVF的终点最好设定在v1与v2之间。 VVVF的终点最好设定在v1与v2之间。
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2.系统或部件的过载或故障必须通过控制来处理，而不是 2.系统或部件的过载或故障必须通过控制来处理，而不是 随意增加设计容量或加大尺寸。 3.尽可能降低损耗，提高系统效率。 3.尽可能降低损耗，提高系统效率。 为了实现既定的控制策略，可实行开环控制和闭环控制。 输入量：直流参考电压，输出量：速度和力矩
介绍AT、BT供电方式 介绍AT、BT供电方式
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BT是英文Booster Transformer（吸流变压器）的字头缩写。 BT是英文 是英文Booster Transformer（吸流变压器）的字头缩写。 这种供电方式将原边、副边绕组匝数比1 这种供电方式将原边、副边绕组匝数比1：1的吸流变压器 串联接入牵引供电网的接触线和回流线中， 串联接入牵引供电网的接触线和回流线中，每隔数公里设 置一台吸流变压器。 置一台吸流变压器。
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二、能量变换及其技术实现 图1-3给出了交－直－交牵引传动系统的能量传递关系。 列车牵引运行是将电能转换成机械能，能量变换与传递的 途径如图1 途径如图1-3黑色箭头所示；再生制动运行是将机械能转 换成电能，能量变换与传递的途径如图1 换成电能，能量变换与传递的途径如图1-3白色箭头所示。
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（2）20世纪80年代末－90年代初采用交流电动机 20世纪80年代末－90年代初采用交流电动机 驱动。 法国开始采用交流同步电机，后来采用交流异步 电机；日本、德国采用交流异步电机驱动。 鉴于逆变器技术和交流电机控制技术的进步为采 用异步牵引电动机驱动提供了条件。因此，交－ 直－交传动并采用异步电动机驱动是高速列车牵 引传动系统的发展主流。
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交流电机控制力矩的两种方法：直接力矩控制法和间接力 矩控制法(DTC)。 矩控制法(DTC)。 直接力矩控制法：利用测定的或估算的力矩值作为反馈信 号，与给定力矩进行比较，产生力矩调节器的输入偏差信 号。 间接力矩控制法：由给定力矩信号产生与力矩相关联的其 它物理量作为给定信号，并测定这些物理量的实际值作为 反馈信号。如把气隙磁通、滑差频率或定子电流的控制环 结合在一起，也可以有效地控制电动机力矩。
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动力分散型高速列车 （1）列车按需要由若干个单元组成。如2M， ）列车按需要由若干个单元组成。如2M， 2M1T，2M2T，3M1T，4M。 2M1T，2M2T，3M1T，4M。 例如：CRH1编组形式：2M1T,2M1T,1M1T. 例如：CRH1编组形式：2M1T,2M1T,1M1T. CRH2-200编组形式：2M2T,2M2T. CRH2-200编组形式：2M2T,2M2T. CRH2-300编组形式：2M1T,2M1T,1M,1M. CRH2-300编组形式：2M1T,2M1T,1M,1M. （2）该动车组轴重小，牵引动力大，启动加速快， 驱动动轴多，容易实现高速。
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从动车组的发展过程来看，动车组的传动方式主 要包括交－直传动方式和交－直－交、交－交的 传动方式。
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交－直－交牵引传动系统主要由受电弓、牵引变压器、 四象限整流器、中间环节、牵引逆变器、牵引电机、 齿轮传动系统等组成。
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交流传动技术卓有成效的发展，一方面是由于功 率半导体和变流技术的进步；另一方面取决于日 臻完善的控制方法和控制装置。 功率半导体技术：SCR，GTO，IGBT， 功率半导体技术：SCR，GTO，IGBT，IPM. SCR 控制方法：VVVF，矢量变换控制技术，直接转 控制方法：VVVF，矢量变换控制技术，直接转 矩控制技术，无速度传感器技术等等。
第二节 动车组牵引特性及控制策略 CRH
一、动车组牵引特性 图1－5和图1－6分别为两种牵引特性曲线，它们代表了 和图1 两种不同的设计思想。其中图1 两种不同的设计思想。其中图1－5的牵引特性曲线具有 一定的普遍意义。它分为两段 （1）小于92km/h，准恒转矩； ）小于92km/h，准恒转矩； （2）大于92km/h，恒功率区。 ）大于92km/h，恒功率区。
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二、动车组牵引系统控制策略 对于传动系统性能来说，重要的 是选择合适的控制方法。对于铁 路牵引用的电压源型逆变器供电 的变频传动系统，制定基本控制 策略的出发点可概括为3 策略的出发点可概括为3点： 1.通过对变流器输出的适当控制， 1.通过对变流器输出的适当控制， 使电动机在零速度到基速的这个 范围内，接近恒定磁通工作状态， 而在基速以上的范围内，以一个 固定的端电压工作。
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图1－6的牵引特性曲线分为4段： 的牵引特性曲线分为4
（1）低速启动时有较大的牵引力； （2）23～115km/h之间输出力矩随速度的增加而迅速下降； 23～115km/h之间输出力矩随速度的增加而迅速下降； （3）115～200km/h保持较平的力矩特性； 115～200km/h保持较平的力矩特性； （4）200～300km/h之间输出恒功率。 200～300km/h之间输出恒功率。
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电力机车控制
宋雷鸣 主编 中国铁道出版社
2011年11月 2011年11月
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第一章
第一节
绪论
动车组牵引传动系统组成
第二节动车组牵引特性及控制策略 第二节动车组牵引特性及控制策略
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第一节 动车组牵引传动系统组成
一、动车组牵引传动系统的组成及作用 电力牵引高速列车的供电、牵引传动系统， 包括从变电站到列车受电弓在内的供电部 分和动车组本身的传动系统。
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大功率交－直－交传动系统性能的提高与电力半导体器件 的发展密切相关。 应用于铁道牵引的电力半导体器件大致经历了晶闸管、 GTO、IGBT三个发展阶段。60年代初研制的0 GTO、IGBT三个发展阶段。60年代初研制的0系列车采用 牵引变压器次边抽头，二极管整流调压方式；80年代，晶 牵引变压器次边抽头，二极管整流调压方式；80年代，晶 闸管技术成熟，100、200、400系高速列车均采用相控调压 闸管技术成熟，100、200、400系高速列车均采用相控调压 方式；90年代，GTO技术成熟，交流传动开始取代直流传 方式；90年代，GTO技术成熟，交流传动开始取代直流传 动，300、500、700系均采用该技术；随着IGBT、IPM的 动，300、500、700系均采用该技术；随着IGBT、IPM的 出现，E2和700系开始采用这些器件。 出现，E2和700系开始采用这些器件。
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自耦变压器变比为2:1，其一次绕组接在接触网与正馈线之间， 自耦变压器变比为2:1，其一次绕组接在接触网与正馈线之间，而中性 点则接至钢轨。在接触网与钢轨和正馈线与钢轨间形成25kV电压可供 点则接至钢轨。在接触网与钢轨和正馈线与钢轨间形成25kV电压可供 电力牵引用电。这种方式可在不提高牵引网绝缘水平的条件下将馈电 电力牵引用电。 电压提高一倍，可成倍提高牵引网的供电能力，扩展牵引变电所间距， 电压提高一倍，可成倍提高牵引网的供电能力，扩展牵引变电所间距， 特别适用于高速和重载电气化铁路 。
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三、动车组牵引方式 动力分散型，以日本为代表。 动力集中型，以欧洲为代表。 定义及历史原因
Байду номын сангаас
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动力集中型高速列车必须注意两个问题： （1）动力轴的质量必须提供牵引力所需的粘着力。 （2）动力轴的质量又不能过大。欧洲铁路网规定的高速 列车的最大轴重不超过17吨。 列车的最大轴重不超过17吨。 粘着系数值为： 低速启动时：0.2 低速启动时：0.2 100km/h时：0.17 100km/h时：0.17 200km/h时：0.13 200km/h时：0.13 300km/h时：0.09 300km/h时：0.09 矛盾与解决办法：增加动力转向架的数量。
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由于吸流变压器的作用，迫使负荷电流沿回流线流回牵引 变电所，而不经由轨道和大地，这样就大大减轻了列车牵 引电流对通信线的电磁干扰作用。
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然而这种BT供电方式结构复杂，投资大，特别是接触线串 然而这种BT供电方式结构复杂，投资大，特别是接触线串 联接入吸流变压器原边的地方有断口。受电弓通过断口时 会产生很大的电弧易烧损受电弓和接触线，影响到列车的 高速运行。
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AT是英文Auto Transformer（自耦变压器）的字头缩写。 AT是英文 是英文Auto Transformer（自耦变压器）的字头缩写。 自耦变压器（AT） 牵引网以2 kV电压供电 电压供电， 自耦变压器（AT）供电方式 牵引网以2×25 kV电压供电， 并在网内分散设置自耦变压器降压至25 kV供电力牵引用 供电力牵引用。 并在网内分散设置自耦变压器降压至25 kV供电力牵引用。 与接触网同杆架设一条对地电压为25kV但相位与接触网电 与接触网同杆架设一条对地电压为25kV但相位与接触网电 压反相的“正馈线” 构成2 kV馈电系统 馈电系统。 压反相的“正馈线”，构成2×25 kV馈电系统。
制动情况：日本新干线0 制动情况：日本新干线0系高速列车采用电阻制动， 100系高速列车采用电阻制动和涡流制动，300系 100系高速列车采用电阻制动和涡流制动，300系 和700系高速列车采用再生制动和涡流制动，500 700系高速列车采用再生制动和涡流制动，500 系高速列车采用再生制动。 由于交流传动系统的诸多优点，20世纪80年代以 由于交流传动系统的诸多优点，20世纪80年代以 来世界各国所研制的高速列车均采用交流传动技 术。