城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的分析及故障排除设计毕业设计.docx

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城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的分析及故障排除设计毕业设计

城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的分析及故障排除设计毕业设计

摘要

随着电力电子技术的发展，电力牵引交流传动系统逐步代替了早期的直流牵引传动系统，在城市轨道交通领域得到了广泛的应用，成为轨道交通实现高速和重载运输的唯一选择和主要发展方向。

而交流传动控制系统是城轨电力牵引传动控制系统的核心部件，是城轨列车运行的神经中枢系统。

通过分析城轨车辆牵引传动控制系统的构造和原理，掌握常见故障的处理方法有着非常重要的现实意义。

本设计主要分析城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的组成构件，各组成部件的主要功能和原理，以及常见的各种故障类型，对该系统常见的故障进行分析，掌握处理故障的有效方法。

关键词：

城轨车辆交流传动控制系统故障排除

Abstract

Withthedevelopmentofpowerelectronictechnology,electrictractiondrivesystemgraduallytooktheplaceofearlyDCtractiondrivesystem,inthecityrailtransportationhasbeenappliedextensively,becometheorbittraffictoachievehighspeedandheavyhaultransportationonlyoptionandthemaindirectionofdevelopmentTheACdrivecontrolsystemofcityrailelectrictractiondrivecontrolisacorecomponentofthesystem,isthecityrailtraininthecentralnervoussystemThroughtheanalysisofurbanrailvehicletractioncontrolsystemstructureandprinciple,tograspthecommonbreakdownprocessingmethodhasaveryimportantpracticalsignificanceThedesignofthemainanalysisofcityrailwayvehicleACdrivecontrolsysteminelectrictractioncomponents,eachcomponentofthemainfunctionandtheprinciple,aswellasthecommonfaulttypes,thesystemcommonfaultanalysis,faulthandlingmethod.

Keywords:

urbanrailvehicleACdrivecontrolsystemtroubleshooting

引言

随着国民经济的发展，城市规模在不断扩大，城市人口急剧增加，随之出现的交通拥堵问题日趋严重。

城市轨道交通新的交通运输方式以其不可比拟的优势快速发展起来，在城市公共交通中发挥着越来越大的作用。

因此，做好此项工作，保障城轨列车的运行安全是全体城轨工作人员的神圣职责。

随着城轨电力牵引列车的运行速度和载客量日益提高，确保列车的运营安全，具有十分重要的意义，一旦发生行车事故，不仅经济损失是巨大的，甚至可能造成不良的政治影响。

城轨车辆电力牵引交流控制是一个高度集中的大系统，为了不断提高运营能力，防止各类事故的发生，就要求我们熟悉城轨车辆牵引传动控制系统的构造和原理，掌握常见故障的处理方法。

才能保证这个大系统的有机统一，保证城轨运营的畅通无阻。

作为城市轨道交通控制专业的专业学员，城轨机车车辆运营质量的好坏，与我们技术要求水平的高低关系极大，因此，如何科学地使用好城轨交流传动电力机车，充分发挥它的效能，掌握它的运行规律，以提高列车牵引重量和运行速度，安全正点的完成运营任务，是我们必须研究的课题。

只有了解和掌握了城轨车辆电力牵引交流的控制性能，以及列车运行的一般规律和有效的故障排除，才能正确操纵城轨列车，及时有效的排除列车故障，安全正点，多快好省地完成运营任务。

城市轨道交通作为国家重要的基础设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具,它负担着城市人员交流的主要运输任务，在实现经济社会又好又快发展中肩负着重大责任，承担着艰巨任务。

城市轨道交通具有占地少、污染小、能耗低、成本低、运量大、全天候的比较优势，加快城市科技创新步伐，对加快构建符合科学发展要求的我国综合交通运输体系，具有不可替代的重要作用。

我国城市轨道交通技术发展的总目标是实现城市轨道交通现代化，重点发展方向是乘客运输快速化、高速化，货物运输重载化、快捷化，安全装备系统化，牵引动力系统化逐步建立一个具有中国城市轨道交通特点的技术体系.

随着近年中国经济持续增长，城市轨道交通需求也随之增加，自2006年以来，大功率交流传动机车诞生及批量投入运用，标志着我国铁路机车行业成功实现了由直流传动向交流传动的转化，机车技术平台达到世界先进水平，机车装备现代化和机车装备制造业现代化发展迈入了新的历史阶段。

第1章　电力牵引交流传动技术的概述

1.1电力牵引交流技术的组成

从很早的年代开始,人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动技术。

1879年的世界第一台电力机车和1881年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。

1891年西门子试验了三相交流直接供电、绕线式转子异步电动机牵引的机车,1917年德国又试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的试验车。

大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动（直流发电机或直流供电-直流电动机），很自然地被更优越的交-直传动（交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机）所取代。

电力牵引交流传动系统主要由牵引变压器、牵引电机和牵引变流器组成。

其主要组成如图1-1所示

通讯模块器

动力制动模块

器

辅助变频器

电子设备器

主变频器

空气系统模块

动器

图1-1交流传动机车主要组成

交流传动电力牵引的技术主要分为：

核心层技术、辅助层技术和相关层技术。

其核心层技术主要包括：

牵引变频器技术、变频控制及其网络技术、交流驱动电机技术和牵引变压器技术。

其辅助层技术主要包括：

冷却与通风技术、辅助变流器技术、控制电源技术、保护技术和电磁兼容与布线技术。

其相关层技术主要包括：

司机台操纵技术、车体轻量化技术、转向架技术、空气制动技术和高压测检测技术。

电力牵引作为电气传动的一个单独类别，过去一起采用直流电动机牵引或脉流电动机牵引。

近20年来，由于电子技术尤其是大功率变流技术的发展、控制理论和控制技术的完善、以及静止变频器研究技术的成熟，使三相交流电动机在机车牵引中的应用得到了关键性突破，获得了极为迅速的发展。

（1）牵引传动制式。

牵引传动制式分为直流传动制式和交流传动制式。

目前我国干线铁路使用的电力机车仍以直流传动制式为主，交流传动机车虽然已经有了运用，但在电力牵引动力中所占的比重很小。

由于交流传动机车性能的优越性，国外的主要机车生产商早已停止了直流传动机车的生产，基本上都是采用交流传动方式的牵引技术。

我国铁路牵引的交流传动技术应用才刚刚开始，技术上远未达到成熟的程度。

（2）动力配置方式。

按牵引动力配置方式可以分为动力集中方式和动力分散方式。

动力集中方式就是传统的机车牵引方式，这是我国目前电力牵引的主要模式，也是我国铁路运用比较成熟的牵引模式。

动力分散型动车组是日本首创的，动力分散方式是城市地铁牵引模式的进化和发展，是一种发展迅速的牵引模式。

欧洲国家近年来也纷纷采用动力分散型动车组的模式。

目前我国也已经有了这种牵引模式的动车组，如“中原之星”动车组,“先锋”号动车组以及CRH系列动车组，但无论在技术上还是在运用管理上都只是刚刚起步。

（3）运行速度等级。

我国已经有了120km／h及以下等级、160km／h等级、200km／h等级、250km／h等级以及300km／h的电力机车或动力分散型动车组。

160km／h及其以下等级的机车在技术上已经比较成熟，也有了较为成熟的运用和管理经验；但对于250km／h及其以上等级机车的应用才刚刚开始，技术上也还不够成熟。

（4）车载牵引功率。

车载功率可以从总功率和单轴功率两个方面来看：

我国直流传动机车的车载总功率最大为6400kW（SS4型机车），单轴功率最大为900kW（SS8型机车）；交流传动机车的车载总功率最大为7200kw（SSJ3型机车），单轴功率最大为1200kW（“中华之星”动车组）。

作为单轴1200kW的交流传动机车来说，已经达到了较高的水平，只是在技术上还不够成熟。

（5）牵引控制系统。

我国铁路机车已经普遍采用微机作为牵引控制系统，但在直流传动机车上仍有相当数量的模拟电子控制系统。

动车组上已经开始使用列车和车厢的通信网络实现控制和信息交换，初步形成了分布式控制的雏形。

但目前还没有我们自己的、成熟可靠的微机控制系统产品，控制网络的应用尚待完善。

由此可见,电力电子技术这门综合学科对牵引动力交流传动系统的发展产生了强大的推动力。

微计算机和微处理器品质不断提升,由8位进步到32位、64位,由定点运算进步到浮点运算,处理能力大幅提升,构筑了以高速数字信号处理器为核心的实时控制器。

1.2电力牵引交流传动技术的发展

为追踪世界新型“交-直-交”电力机车新技术，更为了满足社会经济发展的要求,推动轨道交通装备技术进步,我国研究、应用交流传动技术,经历了技术探索（理论认识与基础开发）、引进应用（X2000动车组）、合作研制（“蓝箭”动车组和NJ1内燃调车等）、自主开发几个阶段。

三相交流传动用于机车动力牵引是从70年代开始的。

1971年原西德研制了第一批DE2500型交流传动内燃机车，经试运行后，证实了三相交流机车的一系列重大优点：

如牵引力大、粘着利用好、制动性能优越、以及维修量小等。

从而掀起了研究三相交流机车的热潮。

1980年，原西德又将第一批E120型交流传动干线电力机车投入运行，这是交流传动机车发展史上的一个重要里程碑。

近年来，已有多种型号的三相交流电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组，分别在德国、法国、美国、丹麦、挪威、瑞士、瑞典、意大利、奥地利、西班牙等国铁路线上运行。

从世界范围内看，目前三相交流传动机车的技术研究中心在西欧，如ABB电气集团、西门子电气集团、法国阿尔斯通电气集团，日本在1990年也研制成功了EF500型双流制交—直—交电力机车样机和新干线300系的交—直—交高速电动车组。

后又成功研制出500系、700系等高性能交流传动高速动车组。

从20世纪90年代开始，铁路发达国家已不再生产相控脉流电力机车和直流电动机传动的内燃机车，全部采用交流传动控制技术。

自70年代开始，我国许多科研单位已着手进行电力半导体变流技术和三相交流传动的研究，容量从几千瓦逐渐扩大，到1989年交流传动系统的容量已达到300kW以上。

与此同时，铁道部门的有关科研机构也在进行三相交流传动机车的研究，到1992年已经完成了单机容量为1000kW级的地面试验系统。

根据“地面试验系统”研制取得的数据和经验，1996年研制成功功率为4000kW级4轴的三相交流电力机车，是我国牵引传动由直流转变为交流的一个重要里程碑。

目前我国已研制成功DJ1、DJ2、DJ3等交流传动电力机车，“中华之星”交流传动高速动车组以及交流传动内燃机车。

我国自主研发的交流传动产品还有：

国防科技大学磁浮列车、DF8BJ型“西部之光”内燃机车、DJJ2型“中华之星”高速动车组、DJ7CJ型内燃机车、“天梭”电力机车、KZ4A型哈萨克斯坦电力机车、国产化地铁列车、自主知识产权北京地铁客车等,共计50多台套。

方发达国家投入巨资研发轨道交通交流传动系统,经过30年的研发、考核、技术更新,已完成了机车车辆直流传动向交流传动的产业转换。

TGV、新干线、ICE已经成为铁路现代化和国家综合实力的标志之一。

交流传动成为铁路实现高速和重载的唯一选择和发展方向。

图1—2中华之星列车组

在这发展过程中,电力电子器件的发展是交流传动技术进步的物质基础。

第一代机车采用快速晶闸管,变流机组复杂、效率较低、可靠性和可维修性等均不理想。

随着大功率GTO器件的诞生,上世纪80年代中后期被迅速应用于大功率交流传动机车动车,技术性能又有新的提高。

进入上世纪90年代,中高压IGBT相继问世,器件品质进一步提高,变流机组又开始更新换代。

与此同时,控制策略的发展是交流传动技术进步的理论基础。

先后研究、应用了晶闸管移相整流控制、PWM控制、四象限脉冲整流控制、磁场定向控制、直接转矩控制等方法。

微电子、信息技术等为交流传动技术进步提供了现代控制手段。

从过去复杂的模拟--数字电路实现简单的控制功能,进人现代网络化控制、小型化及模块化结构。

以上诸方面的关系是相互交叉和相容的。

根据上述分析，可以说我国铁路在电力牵引的技术方面已经基本达到或接近国际先进水平，只是在技术的成熟度和产品的可靠性方面需要进一步提高。

总的来说目前在电力牵引系统方面，“中华之星”和“先锋”号动车组的技术含量相当高，已经试验运行了50多万km，有很多经验可以借鉴，而作为中国铁路第六次大提速上线运行的动车组——和谐号动车组的技术，可以作为我国牵引动力技术最高水平的代表。

第2章　交流牵引电机的构造分析

2.1交流牵引电机的简介

城市轨道交通电力机车、工矿电力机车、电力传动内燃机车和各种电动车辆（如蓄电池车、城市电车、地下铁道电动车辆）上用于牵引的电机。

牵引电机包括牵引电动机、牵引发电机、辅助电机等。

（1）牵引电动机

在机车或动车上用于驱动一根或几根动轮轴的电动机。

牵引电动机有多种类型，如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等。

直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性，适应机车牵引特性的需要，获得广泛应用。

（2）牵引发电机

专用于电力传动内燃机车，以供给牵引电动机电力的发电机，又称主发电机。

牵引发电机有直流和交流两种。

直流牵引发电机直接向直流牵引电动机供电。

交流牵引发电机发出的三相交流电经硅整流器整流后再向直流牵引电动机供电。

交流整流电路是三相的，整流电压虽然有脉动，但脉动量比较小，因此牵引电动机还被认为是一般的直流电动机。

（3）辅助电机

电力机车上的辅助电机可用直流电动机，也可用三相交流异步电动机。

用直流电动机作为辅助电机时，须由专用的硅整流器供电。

用三相交流异步辅助电动机时，须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。

这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。

随着交流变频调速技术的日益成熟，可以对交流牵引电机进行平稳可靠的无级调速，调速范围可达1：

1000，比直流调速范围更大，尤其是没有了直流电机换向器的存在，因而克服了直流电机的许多弊端，交流牵引电机与直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求，更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速范围宽（0～5000r/min左右）、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电20～30%等优点，成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品。

2.2交流牵引电机的结构

交流变频牵引电机作为车辆驱动的原动机是国际上二十世纪八十年代发展起来的先进牵引技术。

随着交流变频调速技术的日益成熟，可以对交流牵引电机进行平稳可靠的无级调速，调速范围可达1：

1000，比直流调速范围更大，尤其是没有了直流电机换向器的存在，因而克服了直流电机的许多弊端，交流牵引电机与直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求，更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速范围宽（0～5000r/min左右）、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电20～30%等优点，成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品。

交流牵引电机的基本结构由定子、转子、轴承、端盖，传感器、接线盒等构成。

图2—1交流电机的结构组成

（1）定子：

电机中固定的部分叫做定子，在其上面装设了成对的直流励磁的静止的主磁极，电动势充当旋转磁场，后产生电磁转矩进行能量转换，以定子绕组的形状与嵌装方式区分。

定子是电动机静止不动的部分。

定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。

定子的主要作用是产生旋转磁场。

定子铁芯是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。

机座是用作固定与支撑定子铁芯。

定子绕组是电机电路部分，它由三个在空间相差120°电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。

（2）转子：

电动机的旋转部分。

它由转轴、转子铁芯和转子绕组组成。

转子上有励磁绕组，在通入励磁电流,由于转子在原动力的作用下旋转,则会产生交变的磁场，定子的三相绕组依次切割磁力线.就会感应出大小相等,相差120°电角度的交流电动。

表2—2牵引电动机额定参数

项目

额定值

额定参数种类

连续

输出Ｋｗ

３００

线电压Ｖ

２０００

相电流Ａ

１０６

转数rpm

４１４０

频率Ｈｚ

１４０

效率％

９４．０

功率因数％

８７．０

转差率％

１．４

冷却风量ｍ3／ｍｉｎ

２０

绝缘类别

等级２００（定子绕组）

最高使用转速

６１２０rpm

轴承

动侧ＮＵ２１４Ｃ４Ｐ６

（3）轴承：

电机进口轴承是一个支撑电机的零件，它可以引导电机轴的旋转，也可以承受电机轴上空转的零件。

而轴承可以分为滚动轴承和滑动轴承，一般来

说的轴承指的是滚动轴承。

（4）端盖：

一般是指轴向尺寸大于径向尺寸的电机两端的盖子，主要作用是确定转子的轴的空间位置，当然需要与不同形式的轴承配合，通过端盖连接到固定电机定子的外壳上，保证转子与定子的间隙，一般是铸铁工艺，小电机也可以板材冲压成型。

（5）传感器：

分两大类：

直流和交流电流传感器。

按用途可分为：

工业传感器工业产品电流电压测量解决方案。

用于控制、校准以及过流保护和监控。

作为适用于车辆的构件，在构造设计方面不仅最大限度地追求轻量化，而且还追求在维护时的简易性。

以下针对主要部分的构造进行说明。

如果进气侧的风道金属网在附有尘埃的状态下运转，则牵引电机的冷却风量就会减少，这样可能会因异常发热而使绝缘劣化，轴承受损等。

2.3交流牵引电机的工作原理

牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：

空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动。

图2—3交流牵引电机控制原理图

牵引电动机有两种悬挂方式。

一种是牵引电动机和动轮轴连接的悬挂方式，称为抱轴式悬挂或半悬挂。

采用这种悬挂方式时，动轮通过轨缝和道岔所产生的冲击振动会直接传给牵引电动机。

抱轴式悬挂适用于结构速度低于120公里/小时的机车车辆。

另一种是架承式悬挂（或称全悬挂）。

采用这种悬挂方式时牵引电动机固定悬挂在转向架构架上，在牵引电动机轴端和小、大齿轮之间加入各种弹性连接元件，以减小冲击振动的影响。

架承式悬挂适用于结构速度高于120公里/小时的机车车辆。

　图2—4交流牵引电机控制原理

在用牵引变压器降压经硅整流器或大功率晶闸管整流后供电给直流串励牵引电动机时，加在牵引电动机上的电压为脉动电压，因此这种牵引电动机称为脉流牵引电动机。

大功率脉流牵引电动机的“换向”条件更加困难。

此外，电动机内部还有一些附加损耗，从而引起电动机温升，因此，脉流牵引电动机在设计和结构上还要采取一定的特殊措施，以解决“换向”和温升两个突出的问题。

辅助电机电力机车上的辅助电机可用直流电动机，也可用三相交流异步电动机。

用直流电动机作为辅助电机时，须由专用的硅整流器供电。

用三相交流异步辅助电动机时，须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。

这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。

2.4交流牵引电机的工作特性

牵引机主要与各种管材挤出生产线、焊管生产线配套，为整个机组提供夹持牵引力，并使生产线运行同步并保持平稳，应用范围广。

国民经济的高速发展和人们生活水平的日益提高要求铁路运输能够多拉快跑，交流传动机车因具备这一特点而受到广泛的青睐。

要使交流传动机车优越性能得以发挥则必须合理地匹配变流器与牵引电机。

通常在进行机车设计时，要考虑启动力矩以及最大功率，同时还要考虑变流器和牵引电机的外型尺寸、质量，这些对于高速机车来说显得尤为重要。

因此，在满足一定的负载条件下，机车的牵引特性曲线应尽可能与变流器—牵引电机系统一起进行考虑以便选择变流和牵引电机的合理的容量匹配，使机车的整体性能参数最佳、系统费用最低。

图2—5交流牵引电机工作特性曲线

这时候电动机的转矩

与频率

的关系

如图2-13所示。

转矩

与

无关而仅取决于

的大小，所以是一组与横轴平等的直线，电动机的电流

、端电压

及电势

与

的关系则绘于图2-13中，电流

如式（2-20）所表明的那样与

无关，亦为常数。

因为磁通恒定，显然

与

的关系是线性比例关系。

定子电压

据式（2-21）决定。

高频时定子电阻

的影响忽略，由式可见，

与

近似于线性关系。

然而频率较低时，

的影响不能忽略。

此时电压相对有所提高。

交流牵引电机的牵引特性曲线对高速和客运机车来说是非常可取的。

这是因为客车的负载相对较轻，低速时需要的功率不大，随着速度的提高，列车阻力与速度平方成正比关系增加，需要的机车功率与速度三次方成正比关系，而这种曲线具备低速区输出力矩大，中速区输出功率适中，高速区功率大、颠覆力矩大的优点；同时，牵引电机的质量小，机车轴重轻，对钢轨的冲击小；随着半导体技术的不断发展，变流器在较高的频率段工作在分频工况不会出现什么问题。

（1）使用环境恶劣

由于牵引电机安装在车体下面，直接受到雨、雪、潮气的影响，机车运行中掀起的尘土也容易侵入电机内部。

此外，由于季节和负载的变化，还经常受到温度和湿度变化的影响。

因此，电机绝缘容易受潮、受污，对其性能和寿命产生极为不良的影响。

所以，牵引电机的绝缘材料和绝缘结构应具有较好的防潮，防尘性能及良好的通风、散热条件。

（2）外形尺寸受限制

牵引电动机悬挂在车体下面，其安装空间受到很大的限制，轴向尺寸受轨距限制，径向尺寸受动轮直径的限制。

为了获得尽可能大的功率，要求牵引电机结构必须紧凑，并采用较高等级的绝缘材料和性能较好的导电、导磁材料。

（3）动作力大

机车运行通过钢轨不平顺处，因撞击而产生的动力作用会传递给牵引电动机，使牵引电动机承受很大的冲击和振动。

脉流牵引电机的电流为脉动电流，除了直流分量外，还有一定的交流分量，电磁交流分量的存在将使电机换向更为困难，致使换向火花增大甚至环火。

（4）负载分配不均匀

牵引电机与普通电机的另一个不同之处是：

在同一机车上的数台牵引电机，不论是在电方面还是在机械方面都是连接在一起的。

在电的方面，各电机之间是并联连接；在机械方面，各电机通过车轮与钢轨间的黏着作用相互耦合在一起。

因此，由于同一台机车上牵引电机特性有差异，各动轮直径不等或个别轮对发生“空转”、“滑行”等原因，都有可能造成各电机的负载分配不均，