《机车车辆传动与控制》作业参考答案.docx

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《机车车辆传动与控制》作业参考答案

《机车车辆传动与控制》作业参考答案

（0-2章）

一、名词解释：

1.加馈电阻制动：

为了改善电阻制动在低速时的制动特性，须维持制动电流不随机车速度降低而下降。

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

在电力机车电阻制动中，加馈电源由主变压器和主整流桥相控输出整流电压Ud提供，对制动回路实施电流加馈，以维持制动电流不变，即达到恒制动力特性。

，要维持制动电流不变，加馈电压必须要与发电机感应电势同步反向变化，即发电机输出电压减小多少就由Ud补偿多少，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。

2.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。

3.牵引特性：

机车牵引特性是指机车轮周牵引力F与机车速度v之间的关系，即F=f（v），它是表征机车性能的重要指标，是列车运行牵引计算的依据。

4.（相控电力机车）特性控制：

特性控制是目前广泛用于国产机车上的一种控制方式。

它是恒流控制和准恒速控制的结合，即机车牵引特性具有恒流启动和准恒速运行的双重性能。

二、简答题：

1.简述列车电力传动系统的基本组成及其功能。

答：

列车电力传动系统一般由能源供给单元、变换单元、动力输出单元和控制单元等部分组成。

列车电力传动系统的基本组成如下图所示。

能源供给单元：

系统提供适当的工作能源，一般有一次能源石油和二次能源电能。

一次能源主要为柴油，二次能源电能通过接触网线提供；

变换单元是将工作能源通过相应的装备变换成动力输出单元（负载）所需要的电能，提供给动力输出单元。

柴油机将一次能源柴油转换为机械能，拖动牵引发电机组工作产生电能。

接触网线上的二次能源电能通过车载受电装置引入车内，经变流环节变换为合适的电能，供给动力输出单元；

动力输出单元主要由牵引电动机、传动装置和转向架轮对组成，牵引电动机接受电能并将其转换为机械能从转轴上输出，通过传动机构带动车轮旋转，在轮轨之间产生牵引力，牵引列车运行；

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（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：

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

3.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。

6.三电平式逆变器：

逆变器将直流转换为交流。

三电平式逆变器，除了把直流中间环节的正极或负极电位送到电动机上去以外，还可以把直流中间环节的中点电位送到电动机上去，即输出相电压为三种电平。

7．（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。

8．（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f1>f1N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/f1=C的调节方式。

二、简答题：

1.简述异步牵引电动机的特点。

答：

异步电动机传动系统与传统的串励直流电动机传动系统相比，在牵引性能（机械特性）、绝缘、耐热、耐潮、黏着、维修、效率、重量、尺寸等方面，都有优越的表现。

（1）良好的牵引性能：

调节控制交流传动系统的调频特性可显著提高机车启动转矩，合理地利用传动系统的调压、调频特性，可以实现宽范围的平滑调速，提高列车在高速区的功率利用、恒功率调速比。

（2）异步牵引电动机构造简单，动力学性能好：

交流异步牵引电动机是目前所有电动机中结构最简单的电动机，除轴承外没有其他机械接触部分，电动机转速可达到4000r/min以上，试验转速甚至可达7000r/min，这是直流电动机望尘莫及的。

由于异步牵引电动机结构紧凑、重量轻，可采用特殊的悬挂装置，簧下质量小，对轨道的冲击力小，使其传动系统具有良好的动力学性能。

（3）功率大、体小质轻：

异步牵引电动机没有换向器，在相同的几何空间内，能够做到功率大、质量轻。

与直流（脉流）牵引电动机相比，其单位质量千瓦数（kW/kg）是直（脉）流电动机的2～3倍，异步电动机的功率可达到1200～2000kW。

单位功率质量指标已从3kg/kW降到1.7kg/kW，在高速动车组上采用的异步牵引电动机，最先进的指标已达到了1kg/kW。

（4）动态性能和黏着利用好：

由于交流异步牵引电动机有较硬的自然特性，当某台电动机发生空转时，随着转速的上升（上升值不大），转矩很快降低，具有很强的恢复黏着（机车黏着利用）的能力。

（5）可靠性高、维修简便：

交流异步牵引电动机无换向器、无电刷装置，除轴承外无摩擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好，绝缘性能和耐热性好，因此故障率低，可靠性高。

控制装置采用模块化结构，故障率很低。

电路系统几乎全由无触点的电子元件组成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、黏结、接触不良、机械卡滞等问题。

交流传动列车配有完备的微机网络监视系统和故障诊断系统，可随时监视系统的技术状态，进行故障诊断。

由此可知，交流传动

系统的可靠性是很高的，维修量很小，且维修简便，维修费用低。

2.简述电力牵引交流传动技术组成。

答：

电力牵引交流传动技术由核心层技术、辅助层技术和相关层技术三部分组成。

核心层技术主要包括牵引变流器技术、牵引控制及其网络控制技术、交流牵引电动机技术和牵引变压器技术；

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；

相关层技术主要包括司机操纵技术、车体轻量化技术、转向架技术、空气制动技术和高压侧检测技术。

3.简述列车交流传动系统分类。

答：

列车交流传动系统按照功率等级、供电方式和列车类型来分类如下。

4.简述牵引变流器的类型及特点。

答：

牵引变流器是交流传动系统的核心部件，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。

牵引变流器根据中间直流环节滤波元件的不同，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；电流型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。

现代轨道列车交流传动领域大多都采用电压型变流器。

根据逆变器输出交流侧相电压的可能取值情况，将电压型逆变器分为两电平式和三电平式。

两电平式逆变器，可以把直流中间环节的正极电位或负极电位接到电动机上去；三电平式逆变器，除了把直流中间环节的正极或负极电位送到电动机上去以外，还可以把直流中间环节的中点电位送到电动机上去，含有较少的谐波，其输出波形得到了改善，但需要更多的器件。

在交流传动领域，当中间电路直流电压U>2.7～2.8KV时，主电路中变流器通常采用两电平式电路；当U>3KV时，宜采用三电平式电路结构。

5.简述电压型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0.3～0.35

M—整流器的调制度，一般取M=0.8～0.9Ud—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。

6.简述两电平脉冲整流器PWM控制原理。

答：

两电平脉冲整流器采用SPWM调制。

理想电子开关的状态选择，通过PWM过程中调制波与载波间的相互关系产生，在调制波与载波交点时刻控制电路中开关元件的通断，按照A、B两端分别产生相应的开关状态值。

A、B两端的调制信号相位相反，而载波信号相位相同，也可共用一个载波信号。

调制方式如图所示。

两电平PWM信号调制方式

当A端调制波urA>uc，电子开关SA=l，否则SA=0。

当B端调制波urB>uc，电子开关SB=1，否则SB=0。

控制单元是电力传动系统的

中枢神经部分，承担着整个系统

各单元内部及相互间的控制和通

信任务。

列车电力传动系统基本组成框图

2.简述列车电力传动系统的基本类型。

答：

列车电力传动系统的基本类型如下图所示。

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