列车电力传动与控制课后习题参考答案Word格式文档下载.docx

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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=π

Ud=Ud1=1/4Ud0（1+cosα1）0≤Ud≤1/2Ud0

第二段大桥1：

0≤α2＜π，α1=0，α3=π

Ud2=1/8Ud0（1+cosα2）

Ud=Ud1+Ud2=1/8Ud0（5+cosα2）,1/2Ud0＜Ud≤3/4Ud0

第三段大桥2：

0≤α3＜π，α1=α2=0

Ud3=1/8Ud0（1+cosα3）

Ud=Ud1+Ud2+Ud3=1/8Ud0（7+cosα3）,3/4Ud0＜Ud≤Ud0

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。

3.电气制动主要采用加馈电阻制动方式，唯有SS7/SS7B/SS7C采用再生制动；

4.货运机车基本都设置了无功功率补偿装置，客运机车没有5.牵引电动机主要采用串励方式，只有SS7系列采用复励方式；

6.绝大多数相控电力机车整流电路采用：

多段半控桥顺序控制电路。

7.内燃机车作为自备能源机车、电力机车/EMU为外接能源的动力系统。

6．电阻制动受哪些因素影响何谓加馈电阻制动简述加馈电阻制动的作用及过程。

影响因素有：

最大励磁电流限制；

最大制动电流限制；

黏着力限制；

牵引电动机换向条件限制；

构造速度限制。

加馈电阻制动：

为了改善电阻制动在低速时的制动特性，只要维持制动电流不随机车速度降低而下降，就可以改善低速时的制动能力。

维持制动电流不变，必须要有外部电源对制动回路补充供电，以使制动电流不变，实现低速恒制动力特性，这种方法称为加馈电阻制动。

IZ=（Ud+Ea）/RZ

要维持制动电流IZ不变，加馈电压Ud必须要与发电机感应电势Ea同步反向变化，即发电机输出电压减小多少就由Ud补充多少，直至加馈整流桥输出电压达到最大值为止，加馈制动功率达到最大值，加馈制动过程结束。

此后，电力机车将按照最大励磁电流特性进行制动。

7.分析全控与半控桥式整流电路在功率因数方面的差异及原因。

差异：

半控型桥式整流电路的功率因数高于全控桥式整流电路

原因：

全控型桥式整流电路在ωt=nπ~（nπ+α）这一段时期内，网侧电压、电流的极性是相反的，表明电源不向负载传递功率，而是负载在向电源反馈功率；

在ωt=（nπ+α）~（n+1）π期间，电路工作在整流状态，网侧电压、电流的极性相同，电源向负载传递功率。

由于电路不是单向传递电能，电源与负载之间存在往复传递功率过程，变压器输入、输出关系也相应发生变化，这将是全控型桥式整流电路功率因数低的主要原因。

半控型桥式整流电路在ωt=nπ~（nπ+α）这期间内，由于负载电流经二极管续流，变压器停止工作，其绕组中没有电流流过，电源不向负载提供功率，负载也不向电源反馈功率。

电源向负载单向传递电能，没有往复传递功率的现象，所以其功率因数较高。

8.电力机车整流负载电路所产生的谐波电流有哪些特征如何减小谐波电流

电力机车整流负载电路所产生的谐波电流具有恒流源的特征。

为了减小注入电网的高次谐波电流分量，可适当增加机车主变压器的漏抗；

加装滤波器；

采取电力机车与变电所共同补偿的方式等

9.滤波器基波阻抗有哪些性质

因为LC滤波器的谐振频率设计在3次和5次谐波上，所以它对与基波阻抗呈现容性，相当于容性负载

10.在滤波器设计中，滤波电容量如何确定补偿无功容量如何分担

如果仅设计某次谐波滤波器则滤波电容量Cf≈QF/U2ω1

3次滤波器的电容量Cf3=（32-1）/U2ω132

5次滤波器的电容量（52-1）/U2ω152

如果设有3次和5次谐振滤波器，所取补偿的无功容量应由它们2个共同承担，并且基本上按滤波器电容量的大小比例分配Q3=QFQ5=QF

第二章

1.试述霍尔传感器的工作原理及应用范围。

工作原理：

霍尔传感器是利用半导体元件中的电磁效应（霍尔效应）而制成的。

在一个半导体基片上的3个互相垂直面作用有3个物理量：

控制电流Ic、磁场密度B和霍尔电压UH，当磁密的方向与霍尔元件平面垂直时，上述3个物理量之间的关系可表示为：

UH=KHIcB,当控制电流或磁场密度改变方向时，霍尔电势的极性也将发生改变。

应用范围：

霍尔传感器可应用于检测电流、电压、功率和磁场，也可用于数字式转速表和接近开关。

2.简述有静差系统与无静差系统的概念。

在闭环控制系统中，由于采用的调节器不同，控制系统的性能存在着很大差异。

若调节器采用比例（P）调节系统，系统在稳定时，反馈值与给定值之间总存在着偏差，将产生一个相应的静态误差，这类控制系统称为有静差控制系统；

若调节器中采用了积分（I）元件，系统在稳定时，反馈值与给定值之间没有偏差，可得到一个稳定的输出值，系统稳态误差为零，这类控制系统称为无静差控制系统。

3.何谓特性控制

特性控制技术源于引进的8K型电力机车，经国产化以后广泛用于我国SS系列电力机车控制系统。

它是将恒电流控制和准恒速控制相结合，使机车牵引特性具有恒流起动和准恒速运行的双重性能。

4.试述电力机车转速、电流闭环控制系统的组成及控制原理

组成：

速度控制器、电流调节器、触发器、可控交流器、牵引电动机、电流检测、转速检测

控制原理：

它是基于“检测偏差，纠正偏差”模式。

电流控制为内环，转速控制为外环。

闭环控制系统主要由给定单元、检测单元、比较环节、调节控制器、可控变流器和被控对象等几部分组成。

给定单元提供司机控制命令的给定信号；

检测单元输出是与被调节对象的实际值成正比例关系的检测信号；

比较环节将司控制器给定信号与检测到的被调量信号进行比较，得到一个偏差信号，作为调节控制器的输入信号，由调节控制器产生对晶闸管整流器的控制信号，控制晶闸管的导通角，进而控制整流器的输出电压，即牵引电动机的输出电压，最终实现对被调量的控制。

5.试述影响电力机车牵引特性的主要因素及牵引特性的工作范围。

主要因素：

整流器、牵引电动机的特性、机车走行部结构参数及黏着状态

工作范围如下：

6.简述国产主型相控电力机车的基本（共同）特征。

第一代至第三代产品均为交-直传动方式，仅以调压调速方式和单轴功率等级来区分，第三代车型采用多段桥晶闸管相控无级调压技术，保有量较大，目前仍然为干线牵引主型电力机车。

而第四代电力机车产品的基本特征是以电传动方式来确定的。

交-直-交流传动是第四代产品标志，采用VVVF变频调速方式。

7.分析主型相控电力机车在三级磁削工况下的主电路。

货运相控电力机车采用三级电阻磁削电路。

以SS3B型电力机车磁削为例，分析其主电路。

为了降低牵引电动机主极绕组中的电流交变分量，改善其换向性能，在主极绕组的两端并联一组阻值为Ω的固定分流电阻（1~6）CXR，对主极磁场进行磁削，磁削系数为，将主极中电流的交变分量限定在25%以内，保证牵引电动机可靠换向。

当三段半控整流桥可控元件全导通或输出电压达到牵引电动机最高工作电压时，方可进行磁削。

此时整流器输出母线1、3号线之间的电压维持不变，牵引电动机电枢回路的连续保持不变，只在串励绕组C1-C2（阻值Ω，20℃）两端逐级并入磁削电阻，2组电阻可产生三级磁削：

Ⅰ级磁削电阻（11~61）CXR，阻值为Ω，通过电空接触器（11~61）CC闭合并入主极绕组，磁削系数为

Ⅱ级磁削电阻（12~62）CXR，阻值为Ω，通过（12~62）CC电空接触器闭合并入主极绕组，磁削系数为

Ⅲ级磁削是通过（11~61）CC和（12~62）CC电空接触器闭合同时并入，使磁削电阻（11~61）CXR与（12~62）CXR并联，总阻值为Ω（/=），磁削系数为

8.分析主型相控电力机车加馈制动电路

SS3B型电力机车采用限流准恒速特性控制的加馈电阻制动。

电阻制动时，牵引电动机需由串励方式改为他励发电机方式运行，并将6台牵引电机的励磁绕组串联起来，由励磁电源提供他励电流。

励磁电源由主变压器绕组a3-c3和半控整流桥VT17、VT18、VD13、VD14提供，整流桥输入电压198V（空载），通过控制VT17、VT18晶闸管导通角，实现对励磁电流的平滑调节，调节范围0~650A。

在制动回路中，各电机电枢绕组分别与对应的制动电阻（1ZR~6ZR，Ω）串联后，将各转向架中3台电机并联，再与半控整流桥大桥VT11、VT12、VD11、VD12（VT21、VT22、VD21、VD22）构成各自独立的制动电路，将列车的惯性能量转化为电能，通过制动电阻把电能再转化为热能并排向大气，达到减速或限速之目的。

制动时，要求发电机状态与电动机状态的电枢电流方向应一致，则要求在电阻制动工况下，主极绕组的电流与牵引时相反。

电阻制动工况下主回路与励磁回路如下图：

当SS3B型电力机车制动限流进入低速区（<

46km/h），励磁电流已达到最大550A（限制值），制动力达到最大值。

此后随着机车速度的降低，发电机的感应电势降低，制动电流及制动力也将减小，已无法维持在最大制动力下制动。

为了在低速区能获得最大制动力，改善低速区制动能力不足的问题，开始转入加馈电阻制动。

依靠半控整流桥（大桥）相控调压，对制动电路实施电流加馈，使半控整流桥输出加馈电压与发电机输出电势保持反向同步变化，即发电机电势减小多少，加馈电源电压升高多少，以维持制动电流恒定，制动力恒定，进行加馈电阻制动。

当半控整流桥晶闸管与完全开放时，机车速度达到19km/h，加馈制动功率达到最大值，加馈制动结束。

在19km/h以下，制动电流不再保持恒定，制动力先按照最大励磁电流限制线下降，直到速度为0时仍保持加馈制动电流50A。

SS3B型电力机车电阻制动特性如下图

9.分析主型相控电力机车接地保护电路的设置、特点及工作过程

对于按转向架独立供电的电力机车，接地保护装置按转向架来设置，只对该转向架上所属的电气接地故障进行保护。

保护装置一般采用有源保护系统，可对变压器二次侧主电路的所有接地故障进行全范围保护。

S3B型电力机车主电路接地保护采用两套保护接地系统，在制动工况同时可对制动回路与励磁回路进行保护。

接地保护系统原理如下图：

工作过程：

除网侧电路以外，主电路中任何一点接地时，接地电位与110V电压叠加使得接地接触器动作，因为有源是一个110V固定电位，即使在“零电位”接地时，仍能保证接地继电器动作，实现全区域性保护，ZJDJ动作后立即使主断路器分闸，与接触网断开。

接地继电器采用双线圈结构，分动作线圈和恢复线圈。

动作线圈接在主电路上，当主电路发生接地时，接地电流流过继电器线圈，使其得电吸合并触动显示信号机构脱扣，起到信号记忆作用；

恢复线圈装在信号机构中，由控制电路供电，操作恢复线圈得电动作，可消除信号记忆，使信号机构复原（复位）

10.分析主型相控电力机车辅助电路保护系统组成及工作过程

主型相控电力机车辅助电路的保护系统主要由过电压、过电流、接地、零电压和单机过载保护等部分组成。

（1）过电压保护：

辅助系统发生的过电压是由系统内电器的开闭操作引起的，属于内部过电压，保护方法与主电路内部过电压保护相同，通过在辅助绕组两端并接R-C吸收电路即可

（2）过电流保护：

辅助电路的过电流主要是由于设备过载、电路短路引起的，一般采用电流继电器监控电流的变化。

当电流达到电流继电器的整定范围时，电流继电器动作，直接使主断路器跳闸，全车停电对辅助系统进行保护

（3）接地保护：

辅助电路在运行中与主电路一样，也会出现接地故障，需要进行保护。

接地保护原理、电路均与主电路接地保护相似，仍采用有源接地保护系统。

设置接地继电器，作为监测与执行元件。

（4）零电压保护：

零电压保护对接触网失电进行保护，以防止供电失压后再送电时可能出现的事故。

零电压保护只对失电时间超过1s的失电现象进行保护，对失电时间小于1s，或受电弓高速滑行中出现的短暂离线失电，系统不予保护。

一般零电压保护电路还为高压电器柜门连锁装置提供一路工作电源，作为门连锁装置的交流侧保护

（5）辅机单机过载保护：

当某一设备发生过载，相应的过载保护装置动作，切断该设备电路中接触器线圈回路，使接触器断开，此设备停止运行。

若接触器发生故障（如触点粘连、铁芯卡滞等）无法断开时，辅助设备继续发生过流，再经过5s延时，保护装置接通主断路器分闸线圈，迫使主断路器跳闸作二次保护

11.分析主型相控客运电力机车磁削电路

客运电力机车为了保证运行平稳，一般采用无级磁削，连续平滑地调节磁场。

通过控制并联在主极绕组上的一组晶闸管的导通角，就可以连续平滑地调节流过晶闸管的电流，对主极电流进行分流，使其磁通平滑的改变，达到对牵引电动机主极磁场的连续平滑控制，实现无极调速。

以SS9G型电力机车为例，分析无级磁削调速电路，其电路原理图如下图所示

在一台转向架中，3台牵引电动机处于并联工作状态，由一套不等分三段半控桥式整流器供电，即架控供电方式。

磁削电路由晶闸管VT7~VT12及二极管VD5~VD6组成，二极管VD5、VD6起隔离作用，将磁削电流与主极绕组电流隔离。

磁削时，磁削电路与整流器串联、同步工作，保证磁削电流的畅通与流向，为此每一台电动机的磁削电路需有2个晶闸管，在交流电源正、负半波时，分别负责其电流的流向与整流器一致。

当整流器三段半控桥完全导通或输出电压达到规定值时，为了进一步提高电力机车恒功率运行速度，开始进行磁场削弱。

在变压器二次侧电压的正半波，给晶闸管VT8、VT10、VT12施加触发脉冲，控制其导通角，改变磁削系数；

在变压器二次侧电压的负半波，给晶闸管VT7、VT9、VT11施加触发脉冲，控制其导通角，改变磁削系数。

通过不断改变晶闸管的导通角，就可连续调节励磁电流的大小，对励磁绕组实施磁场削弱，直至最小磁削系数为止，达到磁削调速的目的

12.分析电力机车中蓄电池的作用。

蓄电池作为电力机车的备用电源和启东电源，其主要作用包括：

在降弓状态下为机车的控制电路、低温预热电器、辅助压缩机、照明显示等低压电器提供110V直流电源，保证机车升弓并投入工作；

在电力机车运行中110V控制电源发生故障时，给控制电路提供电源来维持机车的短时故障运行；

机车正常运行过程中对控制电源起滤波作用，以降低控制电源的纹波系数，提高控制电源的品质；

为机车的低压试验提供控制电源和为机车的故障检查提供照明电源。

13.分析相控电力机车过电压保护系统

电力机车在运行中承受的过电压有外部过电压和内部过电压2种形式

外部过电压也称大气过电压，是指来自电力机车外部的雷电，其电压高达几十万伏以上，它通过接触网线侵入车顶。

外部过电压的保护，一般采用伏安特性非常理想的氧化锌避雷器。

避雷器安装在车顶上，接在主断路器触头与隔离开关之间，以防止外部大气过电压侵袭。

当遭遇雷电侵袭时避雷器放电，相当于接触网对地短路，通过钢轨及回流母线，短路电流被送入变电所，将会引起牵引变电所开关跳闸，切断接触网供电以保护此区段中运行的所有电力机车

内部过电压是指电力机车车载电器设备工作时产生的冲击电压，如主断路器的开闭、各种电气开关的分合、整流器元件的换向等，都会危及电力机车电气设备的安全运行。

抑制内部过电压，采用在主变压器二次侧各牵引绕组两端跨R-C吸收电路，可以有效地吸收过电压。

第三章

1.分析交流传动系统的组成模式及特征

根据电源的供给形式及电源性质交流传动系统有3种不同的组成模式，即电力机车、EMU交流传动系统；

内燃机车、DMU交流传动系统；

城轨列车及中低磁悬浮列车交流传动系统。

特征：

电力机车、EMU与内燃机车、DMU采用交-直-交传动；

城轨列车及中低速磁悬浮列车采用直-交传动

2.分析牵引变频调速系统的运行区域及特征

运行区域可分为恒磁通运行区和磁削运行区，对应的输出特性分别为恒转矩特性和恒功率特性。

恒转矩特性与恒功率特性的交接点，一般在额定频率（基频）处因此，异步牵引电动机调速的输出特性可用基频来分界，基频以下为恒磁通调速，基频以上为磁削调速

在恒磁通运行区电磁转矩与供电频率无关，只与转差频率成正比关系若采取措施保持转差频率不变、则电磁转矩将维持恒定，这种调速方法也叫恒转矩调速。

恒转矩特别适合列车的启东阶段，能够产生恒定的牵引力，启东过程平稳，可获得较大的启东加速度；

在整个恒功率区，牵引电动机的电磁转矩随频率的增加都呈反比例下降，不同频率，牵引电动机有不同的过载能力，但最低过载倍数KTmin≧

3.论述恒功率调速时的两种匹配方式及特点

第一种：

U1=C，S=C（输入电压不变、转差率为定值）,即大电机小逆变器的匹配方式

特点：

其输入电压、电流均保持恒定，即按照恒电压、电流供电即可。

对于电源逆变器而言，应按照恒电压、恒电流方式输出，容量始终得到了充分地利用，具有较小的设计尺寸和容量

第二种：

f2=C、U21/f1=C即小电机大逆变器

其电源逆变器输出电压、电流将按照U1=k√f1、I1∝1/√f1的规律输出。

逆变器工作时应满足最大电流和最高电压的要求，其容量由最大电流和最高电压来确定。

为此，全控开关元件规格较大，必然使得设计容量及尺寸较大，容量不能充分利用。

4.分析运行条件对异步牵引电动机性能的影响及解决措施

异步牵引电动机通过弹性连接装置悬挂在转向架或车体上，经常受到振动和冲击的影响，容易造成转子和绕组绝缘的损坏。

牵引电动机处在露天环境下工作，四季气候条件的变化和风霜雨雪的侵蚀，使电动机的可靠性和使用寿命受到严重威胁，采用PWM逆变器会腐蚀电动机的绝缘层，会加速电动机绝缘结构热老化及会使牵引电动机轴承产生轴承电流并腐蚀轴承，电源中存在的高次谐波会使电动机在正常运行时就出现挤流效应且高次谐波会引起附加损耗、附加脉动转矩和寄生振荡转矩，采用架控供电时，并联供电的各电动机速率特性差异及轮径偏差影响负载分配均匀性。

措施：

采用高性能材料、追求高定额为代价，采用先进的工艺为保障，确保牵引电动机的运行性能，以较短预期寿命换取有限时空下的大功率、高可靠性。

在电磁参数的选择上与普通异步电动机不同，采用高耐热等级的绝缘材料，优化电磁设计采用耐电晕绝缘结构；

在结构部件方面，既要保证强度又要兼顾轻量化，采用全叠片定子结构与高强度的转轴材料，辅以高精度的加工工艺。

转子采用由专用铜合金导条和专用铜合金端环焊接而成的鼠笼。

5.分析列车牵引特性的类型及特点

恒转矩与恒功率控制的牵引特性；

恒功率运行范围大，加速性好，不仅适合于内燃机车，而且适合动车组。

黏着控制与恒功率控制的牵引特性；

应用普遍，具有牵引力大、加速性能好等特点，适合于客、货运电力机车，也适合于高速EMU

第三种：

恒转矩黏着特性控制与恒功率控制的牵引特性；

起动过程热负荷较轻，恒功率范围较小，其负荷定额可适当减小一些，使结构尺寸相应变小一些、电动机质量有所减轻，适合于大功率货运电力机车

第四种：

恒牵引力、准恒速特性控制；

准恒速控制牵引力按照机车运行速度进行减缩，计算公式为

Fr=640N-64v

若计算值为负值，则此牵引力取值为0.

牵引力按特性控制时，对Fst、Fr、Fmax进行比较，将最小者作为输出牵引力的控制值送入变流器。

故有F=80N；

F=Fmax;

F=640N-64v;

（取最小值）

第四章

1.简述牵引变流器的类型及特点

牵引变流器根据中间直流环节采用滤波元件的不同，可分为电压型和电流型两种类型。

电压型牵引变流器中间直流环节的储能元件采用电容器，向逆变器输出恒定的直流电压，相当于电压源，适合于异步牵引电动机传动系统；

电流型变流器中间直流环节的储能元件采用电感，相当于恒流源，为逆变器提供恒定的直流电流，适合于同步牵引电动机传动系统或在一些城市近郊轨道运输装备中使用。

2.简述两电平式、三电平式变流器的概念及选用原则。

典型的两电平式牵引变流器电路主要由两电平式四象限脉冲整流器、中间直流电压回路和两电平式PWM逆变器组成，由牵引变压器的二次绕组供电，其电路结构如下图所示：

三电平式牵引变流器电路主要由三电平式脉冲整流器、中间直流环节和中点钳位型三电平式逆变器等部分组成，其电路结构如下：

选用原则：

在交流传动领域，当中间电路直流电压Ud>

~时，主电路中变流器通常采用两电平式电路；

当Ud>

3kv时，宜采用三电平式电路结构。

3.简述交—直流理想变流器的概念及组成。

所谓理想的交—直流变流器是既没有损耗又没有储能、只在直流侧提供平直的直流电流和直流电压，仅从交流电网吸取有功功率。

从电路原理上讲，理想变流器可以由一个无储能成分的变流器和一个分离的储能器组成。

4.简述电压型四象限脉冲整流器的特征。

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。

5.简述变流器中间储能环节的作用及组成。

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。

6.分析脉冲整流器瞬态直接电流控制的基本原理

脉冲整流器瞬态直接电流控制的原理图如下：

它主要由电压，电流传感器，电压、电流调节器，比较器，函数发生器，运算器和SPWM控制