机车车辆传动与控制复习题及参考答案.doc

中南大学网络教育课程复习题及参考答案机车车辆传动与控制一、名词解释：1.电阻制动2.(相控电力机车)恒压控制3.(相控电力机车)速度控制4.(相控电力机车)中央控制单元5.(相控电力机车)传动控制单元6.(相控电力机车)逻辑控制单元7.电压型牵引变流器8.电流型牵引变流器9.两电平式逆变器10.（异步牵引电动机）恒磁通调速11.（异步牵引电动机）恒功率调速12.间接矢量控制二、简答题：1.试分析并联运行时串励牵引电动机、并励牵引电动机的负载分配情况。2.简述直流牵引电动机的调速方式。3.分析相控电力机车传动系统电气线路的类型及作用。4.电力机车的相控调压方式选择原则是什么？5.电阻制动受哪些因素影响？6.什么是加馈制动？简述加馈电阻制动的作用与过程。7.简述影响相控电力机车牵引特性的主要因素及牵引特性的工作范围。8.简述我国干线相控电力机车主电路的基本技术特征。9.简述相控电力机车辅助电路的组成及其功能。10.简述电力牵引交流传动技术组成。11.简述交流传动列车牵引特性及控制策略。12.简述牵引变流器的类型及特点。13.简述四象限脉冲整流器的基本工作原理。14.简述电压型四象限脉冲整流器的特征。15.简述三电平式脉冲整流器PWM控制原理。16.简述牵引变流器中间直流储能环节的的作用和组成。17.分析矢量控制的基本思想。18.分析转子磁链电压模型的基本工作原理及优缺点。19.分析直接转矩控制的基本思想及控制方法。20.直接转矩控制（DTC）与矢量控制（VC）在控制方法上有何异同？三、综合分析题：1.试分析SS8型电力机车整流调压电路工作方式、调压过程及其磁场削弱电路的工作过程。2.试分析电动车组（EMU）的牵引特性与控制策略。第16页共16页参考答案一、名词解释：1.电阻制动：电阻制动属动力制动，是利用电机的可逆原理，将牵引电动机改为他励发动机运行，将列车的惯性能量转化为电能的一种非摩擦制动方式，在动力轴上产生与列车运行方向相反的阻力性转矩，阻碍列车运行，对列车实施制动。电阻制动将发电机输出的电能消耗在制动电阻上，以热能的形式散失掉。2.(相控电力机车)恒压控制：所谓恒电压控制是指机车运行中，维持牵引电动机的端电压不变，也就是整流电压按某一指令值维持不变的控制，其控制原理如图所示。恒压控制的实质是用自动调节的办法，补偿了整流器内阻的电压降。恒电压控制方式在日本的机车上运用得比较广泛，因为恒电压控制有较硬的牵引特 性，所以有较好的再黏着性能。恒电压控制原理图3.(相控电力机车)速度控制：速度控制是采用速度反馈，使机车速度按一定规律变化的控制。通常使用的是准恒速控制。 恒速控制原理如图1所示，恒速控制可通过电动机电压的控制和磁场削弱(仅当采用无级磁削时)来达到。恒速控制的牵引特性如图2中的虚线所示，它是一组平行于纵轴的直线，其值随速度指令值变化。从牵引特性可知，只要速度有微小的变化，牵引力就会产生很大的波动，这是不希望的。因而往往采用图中实线的形式，即准恒速控制。图1恒速控制原理图 图2恒速与准恒速控制的牵引特性4.(相控电力机车)中央控制单元：中央控制单元（CCU）负责机车重联控制、MVB管理、WTB控制和故障诊断。CCU根据司机的指令以及机车的状态信息，经过逻辑处理后，形成控制命令并发布到各机车有关的控制单元；把机车运行状态以及故障信息通过司机台指示灯和显示屏反馈给司机或维护人员。5.(相控电力机车)传动控制单元：传动控制单元（DCU）实现牵引控制、电制动控制（加馈制动）、防空转防滑行保护等功能。6.(相控电力机车)逻辑控制单元：逻辑控制单元（LCU）采用无触点控制方式，具备完成电力机车传统继电器有触点控制电路的控制及机车网络控制系统的网络通信功能，同时具有自诊断功能，可自检装置的输入输出通道，亦可检测输出回路的短路状态。具备与机车网络通信的接口，在正常情况下通过智能显示单元IDU显示主断路器、受电弓和主、辅助系统等设备的运行状态参数，便于实时监控。7.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。8.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。9.两电平式逆变器：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。10.（异步牵引电动机）恒磁通调速：根据交流电动机定子绕组感应电势公式当电源电压一定时，如果降低频率，则主磁通要增大，基频（额定频率）以下主磁通增加势必使主磁路过饱和，励磁电流增加，铁心损耗也相应增加，这是不允许的。为此调频时一定要调节电势，保持感应电势与频率的比值不变，即可保持主磁通不变。11.（异步牵引电动机）恒功率调速：在恒磁通控制中，随着频率和转速的上升，电压U1也相应提高，牵引电动机的输出功率增大，但电压的提高受到电动机功率或逆变器最大电压的限制。通常调节频率大于基准频率f1f1N时，即当电压提高到一定数值后维持不变或将不再正比于f1上升，此后电动机磁通开始减小，将进入恒功率控制方式。由于由此可见，电动机按恒功率运行，电压与频率的调节可采用两种不同的方式，即U1=C，s=C的调节方式和f2=C，U12/f 1=C的调节方式。12.间接矢量控制：根据有无磁链的闭环控制，矢量控制系统可分为直接矢量控制系统和间接矢量控制系统。间接矢量控制，也称转差频率矢量控制或磁场前馈控制，系统中无磁链闭环，属于开环控制系统。转矩和磁链的幅值、相位角通过控制系统给定值计算出来，由矢量控制方程保证。它既保持了稳态模型转差频率控制系统的优点，又利用基于动态模型的矢量控制规律，克服了其大部分不足。目前，高速列车一般采用间接矢量控制策略。二、简答题：1.试分析并联运行时串励牵引电动机、并励牵引电动机的负载分配情况。答：牵引电动机并联运行时，为了能充分利用机车功率，要求各牵引电动机的负载分配要均匀。但是，由于各牵引电动机的特性有差异，以及机车动轮直径不完全相同等原因，实际上各牵引电动机负载分配是不均匀的。图1所示为牵引电动机特性有差异时的负载分配情况。从图中可以看出两台特性稍有差异的串励（或并励）牵引电动机，装在一台机车上并联运行时，即使动轮直径相同，电机转速相同，电动机的负载电流和转矩均有差别。由图1（a）中可以看出，串励牵引电动机具有较软的特性，在同一运行速度下的负载电流Il和I2差值比较小。并励牵引电动机特性较硬，如图1（b）所示，负载电流I1和I2差值要比串励牵引电动机大得多。如果两台牵引电动机的特性完全相同，而各自驱动的动轮直径稍有不同，机车运行时两台电动机的转速将产生差异，如图2所示。设一台电动机转速为n1，另一台电动机转速为n2，由相同转速差异引起的负载电流Il和I2的差值，串励牵引电动机比并励牵引电动机小。图1 牵引电动机特性有差异时的负载分配(a)串励；(b)并励图2 动轮直径有差异时牵引电动机的负载分配(a)串励；(b)并励。2.简述直流牵引电动机的调速方式。答：根据直流牵引电动机转速表达式：可知，直流牵引电动机的调速可通过改变电枢两端电压和减小磁通来实现，即改变电枢电压调速和弱磁调速。（1）改变电枢电压调速由上式可知：当负载一定时，若忽略电枢回路的电阻压降，可以认为电动机的转速与电枢端电压成正比，提高电枢端电压将提高转速。电枢端电压的提高是以额定电压为限值的，对应的转速为调节电压所能达到的最高转速，即改变电枢端电压调速是以额定电压对应转速为最高转速的调速方法。改变电压调速时的速率特性如图1所示。图1牵引电动机调电压时的速率特性（2）弱磁调速当调压资源用尽后才能开始实施磁削（磁场削弱）调速，即进行磁削调速时，电源电压已达到最大值且保持不变。若不考虑电枢回路的电阻压降，则有即磁削后电动机转速升高，转速与磁通基本成反比关系。磁削后的转速都高于额定磁场时的转速，磁削后的人为特性总是处于固有特性（额定磁通之特性）的上方。弱磁调速就是以额定电压、额定磁通对应的转速为最低转速的一种调速方法，磁通越小，转速越高。磁削时的速率特性如图2所示。图2 牵引电动机磁削时的速率特性3.分析相控电力机车传动系统电气线路的类型及作用。答：相控电力机车传动系统电气线路按其功能作用可分为主电路、辅助电路和控制电路三大部分。电力机车主电路是高电压、大电流的大功率动力回路，是产生牵引力和制动力的主体电路，具有功率大、控制复杂、工作条件恶劣及空间受限制等特点。主电路的结构、性能在很大程度上决定着电力机车的性能、成本等技术经济指标。主电路由受电弓、主断路器、避雷器、高压电流互感器、牵引变压器、牵引变流装置、牵引电动机、平波电抗器、制动电阻及其相连接的电气开关元件等组成，它应满足机车启动、调速及制动三个基本工作状态的要求。辅助电路主要由提供三相交流电的劈相装置和各种辅助机械拖动电动机等组成。劈相装置就是一个单-三相交流电源变换装置，一般有旋转机组劈相机和静止变流劈相机两种形式，国产SS系列电力机车主要采用旋转机组劈相机。辅助电路依靠劈相机将单相交流电变换为三相交流电，供给各辅助机械拖动电动机，驱动通风机、油泵、空压机等装置工作，为保障主电路的正常工作提供冷却条件以及控制动力。它是保证主电路发挥功率和实现牵引性能所必需的电路。控制电路就是执行司机的控制命令或意图，完成对主电路、辅助电路间接控制的低压电路，它由各种主令电器及控制模块组成，承担着列车传动系统的控制以及与外部行车指挥系统的信息传输、储存任务。4.电力机车的相控调压方式选择原则是什么？答：在交-直流传动电力机车中，相控调压方式不同，将使变压器二次绕组结构和整流电路方式都有很大的差别，这些直接影响机车性能和机车制造成本。采用何种调压方式，要将机车的用途、使用范围、使用条件等因素综合考虑，力求机车具有较高的性价比。桥式整流电路对变压器的利用率要比中抽式高，一般都采用桥式整流电路。若需要进行再生制动，整流电路必须要采用全控桥式，能够在四象限运行。 90 时工作在整流状态， 90 时工作在逆变（再生）状态。若需要电阻制动，整流电路可选用半控桥式，电路结构简单，功率因数较高，控制角范围为02.72.8 KV时，主电路中变流器通常采用两电平式电路；当U3KV时，宜采用三电平式电路结构。13.简述四象限脉冲整流器的基本工作原理。答：图1为忽略变压器牵引绕组电阻RN的脉冲整流器简化的等效电路。变压器牵引绕组的输出电压为uN 、漏电感为LN 图1 脉冲整流器的简化等效电路脉冲整流器的电压矢量平衡方程为：式中，UN为二次侧牵引绕组电压相量；IN为二次侧牵引绕组电流的基波相量；Uab为调制电压的基波相量。 当UN一定时，IN的幅值和相位仅由Uab的幅值及其与UN的相位差来决定。改变基波相量Uab的幅值和相位，就可以使IN与UN同相位或反相位。在牵引工况下，IN与UN的相位差为0，该工况下的相量图如图2（a）所示，此时Uab滞后UN；而对于再生制动工况， IN与UN的相位差为180，该工况下的相量图如图2（b）所示，此时Uab超前UN，电机通过脉冲整流器向接触网反馈能量。图2 脉冲整流器简化基波相量图由四象限脉冲整流器等效电路及相量图,有：式中 k变压器短路阻抗电压的标幺值，牵引变压器一般取0.30.35；M整流器的调制度，一般取M=0.80.9；Ud直流侧输出电压。由上式计算可得到 由此可见，Ud与UN成正比关系，与整流器的调制度M成反比关系。14.简述电压型四象限脉冲整流器的特征。答：脉冲整流器是利用电抗器的储能，达到整流、升压、稳压的目的，四象限脉冲整流器能够达到网侧功率因数接近1，并能实现电能的反馈。 四象限脉冲整流器能够执行脉宽调制和能量变换，即整流或反馈两方面的功能。这种整流器能够在输入电压和电流平面所在的四个象限中工作。作为电力牵引用的变流器，相应能够实现牵引、制动状态下前进、后退四种工况。四象限脉冲整流器的突出优点是网侧功率因数高，可达到1，等效谐波干扰电流小。15.简述三电平式脉冲整流器PWM控制原理。答：四象限整流器各桥臂元件的开关状态采用正弦调制波us与三角波相交的方法，在A、B端获得正弦脉宽调制的电压波形us。为了减小谐波，A端与B端的调制波和载波在相位上均分别相差180，载波的正向和负向也相差180，调制方式如图所示。三电平脉冲整流器PWM信号调制方式三电平式脉冲整流器等效电子开关的状态由对应的载波信号与调制信号的相互位置而定，其状态值按下式给定条件确定。16.简述牵引变流器中间直流储能环节的的作用和组成。答：在交直交流变流器中，中间直流储能环节是连接四象限脉冲整流器和负载端逆变器之间的纽带。它不仅起到稳定中间环节直流电压的作用，而且还承担着与前后两级变流器进行无功功率交换和谐波功率交换的作用。电压型脉冲四象限变流器中间直流环节由两个部分组成：一个是相应于2倍电网频率的串联谐振电路（也可以取消），另一个是滤波电容器（支撑电容器）和过电压限制电路。17.分析矢量控制的基本思想。答：将三相异步电动机经3/2变换、2s/2r变换，变换到以转子磁场定向的M、T同步坐标系，并使M轴定向在转子磁链2方向，就可实现励磁电流iM和电流iT的独立控制，使非线性耦合系统解耦，将其等效成直流电动机模型。然后仿照直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，再经过相应的反变换，即可以控制异步电动机。这就是矢量定向控制的基本思想。18.分析转子磁链电压模型的基本工作原理及优缺点。答：转子磁链电压模型是根据电压方程中电动势等于磁链变化率的关系，对电动机的电动势进行积分即可得到磁链。经推导可以得出式中 Lm-坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感； L1-坐标系定子等效两绕组的自感； L2-坐标系转子等效两绕组的自感；漏磁系数， 。 由上式可知，磁链计算只需要实测的电压、电流信号，不需要转速信号，计算过程只与定子电阻r1有关，与转子电阻r2无关，定子电阻r1容易测取。u1、u1、i1、i1很容易由测量得到的电动机定子三相电压、电流经过32变换得到。电压模型受电动机参数变化的影响较小，算法简单便于应用。但由于含有积分运算，积分的初始值和累计误差会对结果产生影响。在低速时，定子电阻压降的变化较大，因此电压模型计算法在低速时测量精度可能不高，更适合于中、高速范围。19.分析直接转矩控制的基本思想及控制方法。答：直接转矩控制系统分别控制异步电动机的转速和磁链。采用转速双闭环控制，转速调节器ASR的输出作为电磁转矩的给定信号Tem*，在Tem*的后面设置了转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似解耦。直接转矩控制系统组成如下图所示。按定子磁链控制的直接转矩控制系统直接转矩控制系统的转矩和磁链采用了两个独立的闭环比较系统，直接控制电动机的转矩和转矩增加率，使转矩的瞬态跟踪能力很强。当系统给定的转矩发生变化时，电动机的输出转矩能够很快跟随，而磁链基本不受影响，仍按照原来规律变化。实现了电动机转矩与磁链的动态解耦控制。DTC系统的转矩和磁链控制器采用Band-Band控制。20.直接转矩控制（DTC）与矢量控制（VC）在控制方法上有何异同？答：相同点：DTC系统与VC系统，数学模型本质相同，都是转速（转矩）和磁链闭环控制，都能获得较高的静、动态性能。不同点： DTC系统采用定子磁链控制，受电机参数变化的影响小；转矩采用Band-Band控制，但有转矩脉动；采用静止坐标变换，较简单。磁链闭环控制的VC系统采用转子磁链控制，受电机转子参数变化的影响；转矩连续控制，比较平滑；采用旋转坐标变换，较复杂。矢量控制和直接转矩控制都采用对输出转速、磁链分别控制，都需要解耦。矢量控制采用两相旋转坐标按转子磁链定向，使定子电流的转矩分量与励磁分量解耦；直接转矩控制为双闭环控制系统，其转矩控制环作为内环，转速控制环作为外环，这可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。三、综合分析题：1.试分析SS8型电力机车整流调压电路工作方式、调压过程及其磁场削弱电路的工作过程。分析：SS8型电力机车整流调压电路的工作方式：不等分三段半控桥顺序控制。SS8型电力机车主电路原理图如下：根据牵引需求，顺序导通V10和V11、V3和V4、V5和V6可以使牵引电机获得0.5Ud0、0.75Ud0和Ud0。而在各个电压等级内，可以通过调节晶闸管的导通时间来实现无级调压。调压过程如下：（1）第一段桥绕组a2x2工作，逐渐开放V10，V11 正半周：a2、V7、V2、V1、牵引电机、V12、V11、x2； 负半周： x2 、V10、V2、V1、牵引电机、V9、V8、 a2 ； Ud=（00.5）Ud0（2）第二段桥 V10、V11满开放后，投入绕组a1-b1段，逐渐开放V3、V4。 正半周：电流通过a1、V1、牵引电机、 V12、V11、 x2 、 a2、 V7、V4、 b1 、 a1形成回路 ； 负半周：电流通过b1、V3、牵引电机、V9、V8、a2、x2、V10、V2、a1、b1形成回路。 Ud=（0.50.75）Ud0（3）第三段桥 V3、V4满开放后，投入绕组b1-x1段，逐渐开放V5、V6。 正半周：电流通过a1、V1、牵引电机、 V12、V11、 x2 、 a2、 V7、V6、 x1 、 a1形成回路 ； 负半周：电流通过x1、V5、牵引电机、V9、V8、a2、x2、V10、V2、a1、x1形成回路。 Ud=0.75Ud0 Ud0SS8型电力机车采用晶闸管分路无级磁场削弱电路，最深削弱磁场min43。其的工作过程如下：整流电路输出Ud0时，整流电路中的晶闸管都已满开放，当分路晶闸管V13、V14没有导通之前，流过电枢的电流全部流经励磁绕组，此时磁场最强（如图中(a)、(b)工况）；在某一时刻（正半周）触发V13，由于励磁绕组和续流二极管V12的压降，V13承受正压导通，V12承受反压截止，此时流经励磁绕组的电流被分流， 电枢电流由V13进入整流桥，原励磁绕组中的电流经固定分路电阻续流，按指数曲线下降，磁场被削弱（如图中(c)工况）。当电源电压过零时，由于V8、V10的导通，V11受反压截止，V13电流通路被截断而截止，此时电枢电流又全部流经励磁绕组。电源负半周的工作情况如图(d)所示，过程同正半周类似，只是此时是由V14进行分流。V13、V14导通时间越长，则励磁绕组被分流时间越长，磁场削弱程度越深。 SS8型电力机车磁场削弱电路原理图2.试分析电动车组（EMU）的牵引特性与控制策略。分析：EMU与高速客运电力机车的牵引特性相似。在低速区特性平直或者随速度上升而下降，使得牵引力变化与黏着特性变化相适应。EMU采用了轻量化车体结构、流线型外形，列车质量相对较轻，其启动牵引力与机车相比小很多，仍能保证较高的启动加速能力；在高速区，列车按恒功率运行，牵引力与列车速度成反比例关系，随列车速度增高以反比例关系下降。EMU主要在高速段运行才能发挥效能，故其恒功率运行区段应接近于最高运行速度，恒功率运行范围不必要像机车一样很大，恒功率调速比一般为23。恒功率起始点位置速度一般在100 km/h以上。 最高运行速度在300 km/h及以上的动车组，采用动力分散模式，对黏着的需求相对较低，正常线路情况下，受黏着特性限制较小。 EMU因功率强劲，受线路坡道限制较小，线路坡道通过能力远大于机车，即使在2030的坡道线路上，仍能以高于恒功率的最低速度运行，即列车的平衡速度仍在恒功率运行范围内，牵引电动机的热容量依然在允许范围之内。 EMU因受黏着限制较小，客运电力机车普遍采用的黏着