列车电力传动与控制课后习题参考答案

1、第一章1. 试述交-直流传动电力机车的主要缺陷及评价标准。答：交-直流传动电力机车的主要缺陷是功率因数偏低，谐波电流偏大，对电网与广播通信系统产生不利影响。评价标准：采用功率因数PF和谐波干扰电流作为评价标准2. 简述功率因数的概念，提高交-直流传动电力机车功率因数的主要措施。答：在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cos=P/S.提高功率因数的主要措施：（1）选择合适的整流调压电路（2）采用功率因数补偿电路3. 试述交-直流传动电力机车的调速方法及相互关系答：交-直流传动电力机车的调速是通过调节直流（脉

2、流）牵引电动机的转速来实现的，直流牵引电动机的调速主要有两种（1）改变电枢电压调速（2）磁场削弱调速相互关系：在交-直流传动电力机车中只有当调压资源用尽后才能开始实施磁场削弱调速4分析三段不等分半控桥电路的调压过程及输出关系、波形。答：调压过程：升压调压过程第一段：普通半控桥（大桥）首先工作，VT1、VT2触发导通，调节1进行移相控制，直至其全开放，输出电压由零均匀地调至额定输出电压的一半。此阶段中抽式半控桥（小桥1、2）始终被封锁，23，由VD3、VD4提供续流通路。第二段：保持普通半控桥VT1、VT2的全导通状态，10，中抽式半控桥中小桥1投入工作，小桥2仍然被封锁，触发VT3、VT4使其

3、导通，调节2进行移相控制，输出电压在1/2Ud基础上递增。当VT3、VT4全开放时，2=0，输出电压达到额定输出电压的3/4第三段：保持普通半控桥、小桥1处于全开放状态，小桥2投入工作，触发VT5、VT6导通，调节3进行移相控制，输出电压将在3/4基础上递增。当VT5、VT6全开放时，输出电压达到额定值。至此，升高电压的调节过程全部结束。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：01，2=3= Ud=Ud1=1/4Ud0(1+cos1) 0Ud1/2Ud0第二段大桥1：02，1=0，3= Ud2=1/8Ud0（1+cos2） Ud=Ud1+Ud2=1/8Ud0（5+cos2

4、）, 1/2Ud0Ud3/4Ud0第三段大桥2：03，1=2=0 Ud3=1/8Ud0（1+cos3）Ud=Ud1+Ud2+ Ud3=1/8Ud0（7+cos3）, 3/4Ud0UdUd0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

5、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。答：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U

6、d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。答：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t=n（n+）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t=(n+)（n+1）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

7、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t=n（n+）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？答：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？答

8、：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？答：如果仅设计某次谐波滤波器则滤波电容量CfQF/U²13次滤波器的电容量Cf3=0.74QF(3²-1)/U²13²5次滤波器的电容量Cf50.26QF(5²-1)/U²15²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=0.74 QF Q5=0.26 QF第二章1. 试述霍尔传感器的工作原理及应用范围

9、。答：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。答：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

10、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？答：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答：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，

11、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。答：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

12、相控电力机车的基本（共同）特征。答：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。答：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0.4212的固定分流电阻（16）CXR，对主极磁场进行磁削

13、，磁削系数为0.95，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0.015592，20）两端逐级并入磁削电阻，2组电阻可产生三级磁削：级磁削电阻（1161）CXR，阻值为0.063，通过电空接触器（1161）CC闭合并入主极绕组，磁削系数为0.7级磁削电阻（1262）CXR，阻值为0.027，通过（1262）CC电空接触器闭合并入主极绕组，磁削系数为0.54级磁削是通过（1161）

14、CC和（1262）CC电空接触器闭合同时并入，使磁削电阻（1161）CXR与（1262）CXR并联，总阻值为0.0189（0.063/0.0271=0.0189），磁削系数为0.458.分析主型相控电力机车加馈制动电路答：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0650A

15、。 在制动回路中，各电机电枢绕组分别与对应的制动电阻（1ZR6ZR，3.54）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

16、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50

17、A。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、特点及工作过程答：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

18、，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答：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。工作过程：（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

19、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

20、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答：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

21、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VT7VT12及二极管VD5VD6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

22、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。答：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

23、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答：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

24、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答：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、E

25、MU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答：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特征：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

26、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KTmin1.13. 论述恒功率调速时的两种匹配方式及特点答：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即小电机大逆变器特点：其电源逆变器输出电压、电流将按照U1=kf1、I11/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

27、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答：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

28、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答：第一种：恒转矩与恒功率控制的牵引特性；特点：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

29、动车组。第二种：黏着控制与恒功率控制的牵引特性；特点：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；特点：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；特点：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=Fma

30、x;F=640N-64v;(取最小值)第四章1. 简述牵引变流器的类型及特点答：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。答：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

31、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>2.72.8kv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。答：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。组成：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。答：脉冲

32、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。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

33、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答：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控制器等组成。其数学表达式如下图：瞬态电流控制的基本思想：为达到使中间直流环节电压恒定控制的目的，需将实时检测到中间直流电压Ud与给定值U*d比较，若Ud<U*d时U0，PI调节器的输出I*N1增加，使脉冲整流器的输入电流增加，达到增加Ud的目的。当

34、Ud>U*d时，调节过程则反之。 实时检测电网的电压与电流值，按照（4.17）构成运算电路，输出为参考电压信号，即调制信号us，在这个调制信号中包含了相位角和幅值的信息。该调制信号与三角载波进行SPWM调制，生成PWM信号以驱动开关器件。 根据瞬态电流控制原理图可知，瞬态电流控制为电压与电流的双闭环控制系统。当某一参数发生变化时，控制系统具有自动校正调节功能，最终使其达到稳态平衡、7.分析两电平式电压型逆变器的工作过程及输出特征。答：（1）两电平三相电压型六阶波逆变器：工作过程：六阶波型三相逆变器中各相采用纵向换流，每次换流都是在同一相上下2个桥臂之间进行，每个开关元件在一个周期中导通1

35、80°电角度。其他两相也是如此，只不过三相对应元件相差120°电角度轮流导通，使VT1VT6各元件每隔60°电角度轮换导通。在每一时刻都有3个开关元件（桥臂）同时导通，可能是上面一个桥臂下面2个桥臂，也可能是上面2个桥臂下面一个桥臂。各开关元件的导通情况和电压波形如下图： 输出特征：对于A相，当桥臂1导通时，uAN=Ud/2:；当桥臂4导通时，uAN=-Ud/2，即uAN的波形是幅值为Ud/2的方波。B、C相的情况与A相类似，其波形uBN、uCN、uAN相同，只是在相位上依次相差120°，其线电压和相电压见上图所示。当逆变器按照六阶波方式输出时，其相电压

36、波形为六阶波、线电压为矩形波。六阶波的变化趋势基本上接近于正弦波。电流波形：当逆变器以六阶波电压对牵引电动机供电时，其电流波形在负载电感的作用下将趋于平滑，其平滑程度将于六阶波的频率有关。当电压频率较高时，将获得接近于正弦波的电流波形；当电压频率较低时电流波形将与电压波形接近如下图所示，频率越低，电流波形也越接近六阶波，其中的高次谐波成分也越多。（2）电压型两电平式三相PWM逆变器工作过程：逆变器电路采用双极性调制方式，a、b、c、三相的PWM控制共用一个三角形载波uc，调制信号ura、urb、urc依次相差三分之一周期。三相控制规律相同，以a为例进行分析：当urauc时，给上桥臂开关元件VT

37、1以导通信号、下桥臂开关元件VT4以关断信号，则a相相对于直流电源假想中点N的输出电压uaN=Ud/2. 当urauc时，给VT4以导通信号，给VT1以关断信号，则有uaN=-Ud/2.。 VT1和VT4的驱动信号始终是互补的，当给VT1(VT4)施加导通信号时，可能是VT1(VT4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通，这要由感性负载中电流的方向来决定。输出特征：根据输出波形图可看出，相对直流电源假想中点N的各相电压波形，都只有2种电平，即Ud/2、-Ud/2。线电压uab=uaN-ubN，线电压可有三种电平，即Ud、- Ud、0。当开关元件VT1和VT6导通时，uab=Ud；当VT

38、3和VT4导通时，uab=-Ud；当开关元件VT1和VT3或VT4和VT6导通时，uab=0。逆变器输出相电压PWM波形有±2Ud/3、±Ud/3和0共5种电平组成。8.分析三电平式脉冲整流器的调节过程。答：由上表可见，在整流（牵引）或逆变（再生）工况下，us=Ud、us=-Ud各对应1种导通回路。us=Ud/2、us=-Ud/2各对应2种导通回路，而us=0则对应着3种导通回路。根据脉冲整流器等效电路，若忽略us与iN高次谐波，只考虑其基波us1与iN1则有uN=iN1Z+ us1,调整us1的幅值和相位，可使iN1在4个象限内随意变化。在整流工况下，iN1、uN同相位。

39、在逆变工况下，iN1、uN反相位。功率因数接近1。四象限脉冲变流器的就是按照这一基本原理工作、调节控制的。（1）整流（牵引）工况调节过程设系统原稳定运行于A点，如下图所示，此时IN1与UN同相位，二者夹角=0，功率因数为1.当负载增加时，中间直流环节电压Ud瞬时下降，同时us1的幅值也下降，系统工作点由A点移至A点运行，电流IN1与电压UN之间出现相位角，导致=>0(假定顺时针方向为正，下同)通过控制电路调整us1的幅值及相位角s，使它们逐步增大，电流IN1与电压UN之间的相位角相应在减小，其工作点将由A点调整到A点，=0，恢复到IN1与UN同相位。此时O A>O A，输入电流IN

40、1也相应地增加。系统将在A点建立起新的平衡状态，适应负载增加。 若负载减小时，Ud瞬时上升，us1的幅值也瞬时上升，电流IN1与电压UN之间出现相位角，系统工作点由A点移至B点运行，导致=<0。通过控制电路调整us1的幅值及相位角s，使其减小，电流IN1与电压UN之间的相位角相应地在逐步增大，可将us1由B点逐步调整到B”点，=0，IN1恢复到与UN同相位。此时O B<O A,输入电流IN1也相应地减小。系统将在B”点建立起新的平衡状态稳定运行，适应负载的减小。（2）逆变（再生制动）工况调节过程设系统原稳定运行于A点，此时IN1与UN相位相反，即=180°、cos=1。逆

41、变工况时的调节过程如上图所示。 当逆变（再生制动）回馈电能增加时，Ud瞬时上升，使得us1幅值也瞬时上升，系统工作点由A点移至B点运行，电流IN1与电压UN之间的相位角顺时针转过一角度，将导致=<180°。通过控制回路调整us1的幅值| us1|及s，增大| us1|减小s（逆时针方向），可使B调整到B， =180°，IN1与UN反相位。同时O B>O A,，表明逆变过程输出电流增加，即回馈到电网的电流增加，以适应再生回馈能量的增加。若逆变（再生回馈）能量减小时，Ud瞬时下降，将导致us1的幅值| us1|也瞬时下降，系统工作点由A点移至A点运行，将出现=”&g

42、t;0.通过调整us1的幅值| us1|及s，可使A调整到A点。此时电流IN1与电压UN之间的相位又恢复到=180°,同时OA<OA，表明回馈到电网的电流减小，以适应再生反馈能量的减小。第五章1.何谓SPWM波形？答：脉冲的宽度按照正弦规律变化，产生一组等幅而脉冲宽度正比于正弦函数值的矩形脉冲，并与正弦波等效，此PWM脉冲波形称为SPWM波形。2.何谓同步调制、异步调制？答：在调制信号周期变化过程中，载波比不变的调制称为同步调制，载波比相应变化的调制称为异步调制。3.SPWM数字控制的常用方法有哪些？答：常用方法有：等效面积算法、自然采样法、规则采样法和SPWM专用集成电路芯片

43、等几种。4.分析矢量控制的基本思想及实现方法。答：三相异步电动机只要在转子磁场定向系统中建立M、T同步坐标系，并使励磁M轴定向在转子磁链2方向，就可以实现励磁电流iM和转子电流iT的独立控制，使非线性耦合系统解耦。这就是转子磁链矢量定向控制的基本思想。实现方法：直接检测法，磁链计算法5.分析转子磁链的电压模型与电流模型的基本工作原理及优缺点。答：（1）电压模型就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。经推导可以得出由公式（5.34）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

44、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3/2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。（2）电流模型根据定子电流和转子转速信号求得。根据实测物理量的不同组合，可得到众多的转子磁链计算电流模型。在两相静止坐标系-上的转子磁链模型：由实测的三相定子电流通过3/2变换，很容易得到两相静止坐标系上的电流i1和i1，可导出转子磁链在、轴上的分量为两相旋转坐标系M-T上的转子磁链模型：6.

45、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T*cm，在T*cm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所示：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，仍按照原来的规律变化。实现了电动机转矩与磁链的动态解耦控制。控制方法：在直接转矩控制系统中，用电动机

46、定子侧参数计算出磁通和转矩，并用两点式调节器产生PWM信号，直接控制逆变器的开关状态，对电动机磁通和转矩直接进行自动控制。7.DTC与VC控制在控制方法上有何异同？各有何特点？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。 VC和DTC都采用对输出转速、磁链分别控制，都需要解耦，矢量控

47、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第六章1. 分析第三代交流传动电力机车的主要特征。答：第三代主要以IGBT为基础的智能化模块，采用模块化结构、部件，除变流器和计算机控制系统已充分实现了模块化外，其他主要部件也在尽力实施模块化、通用化和系列化。冷却方式采用了高效且符合环保的水冷方式。欧洲机车网络通信控制，符合IEC61375标准的TCN系统。速度在200km/h以上的高速客运电力机车转向架，在机械传动方面，考虑到高速牵引电动机

48、轴承的寿命，电动机与齿轮箱实现一体化设计，取消电动机传动端的端盖与轴承。2. 目前国际上交流传动电力机车的主要技术平台有哪些？各有何特点？答：主要技术平台有：Siemens有Eurosprinter平台，Alstom有Prima平台，Bombardier有TRAXX平台。它们的特点如下表所示：3. 分析HXD1/2型电力机车主电路的主要特征。答：HXD1主电路主要特征：HXD1型电力机车两节车主电路完全一至，机车采用交流传动系统，主变压器原边通过受电弓和主断路器得电。主变压器四个独立的次边绕组分别向四个二点式四象限脉冲整流器供电，二个四象限脉冲整流器并联输出共用一个中间直流电路。每个中间直流电

49、路同时向二个电压型PWM逆变器供电，每个逆变器分别向一个转向架的两台异步牵引电动机供电。采用转向架独立控制即架控方式。再生制动过程相反。主电路有如下特点：    a) 采用交-直-交牵引传动技术和异步牵引电动机；    b) 采用四象限脉冲整流电路以稳定中间直流回路电压和提高系统功率因素；    c) 采用了两点式电压型逆变器；d) 牵引电机采用架控方式；e) 电气制动采用再生回馈制动主电路由网侧电路、牵引变压器、牵引变流器及牵引电机构成。HXD2主电路主要特征：HXD2型电力机车是交直交流电传动的单相工频交流电力机车，每节四轴机车的

50、主电路由主变压器、牵引变流器、牵引电动机三大部分构成。接触网导线上的25千伏单相工频交流电电流，经受电弓、主断路器进入机车后再输入主变压器，交流电经过主变压器的4个牵引绕组降压后，分别向4组相同而独立的主变流器供电，每组主变流器向一台异步牵引电动机供电，实现机车的轴控驱动，使牵引电动机产生转矩，将电能转变为机械能，经过齿轮的传递驱动轮对。4. 分析HXD3型电力机车主电路的主要特征。 答：HXD3型电力机车主电路主要由网侧电路、主变压器、牵引变流器、牵引电动机、主电路保护电路及库内动车电路等组成 。其原理图如下图所示(1)网侧电路网侧电路由2台受电弓、2台高压隔离开关、1个高压电压互感器、1个

51、高压电流互感器、1台主断路器、1台避雷器、主变压器原边绕组、2个低压电流互感器和回流装置等组成。机车通过受电弓AP1或AP2从接触网受流，经高压隔离开关QS1或QS2和主断路器QF1，通过高压电流互感器TA1进入车内，经25KV高压电缆与主变压器A端子相连，经主变压器原边AX后，通过6个并联的回流装置EB1EB6从轮对回流至钢轨。受电弓采用DSA型受电弓，弓内装有自动降弓装置，当弓网故障时，可自动降弓。高压隔离开关具有手动操作功能。当一台受电弓发生故障接地时，可通过手动操作高压隔离开关，切除故障受电弓，有另一台受电弓维持级车运行，以减少机破故障，提高机车运行可靠。高压电压互感器其次边输出分别送

52、到牵引变流器1和牵引变流器2的控制单元，作为牵引变流器控制的同步信号使用，还可以作为原边电压的检测和为电度表的计量提供电压输入。主断路器该电器的作用为正常状态下的电路的开闭及故障状态下电路的开断，后者包含机车接地和短路等故障。由于鼓掌电流增长快、电流大，因此要求断路器尽可能短时间内动作，并能开断极大的短路电流。高压电流互感器对主变压器原边电流进行检测，用以驱动保护继电器，起原边过流保护作用。避雷器避雷器接在主断路器和高压电流互感器之间，用以抑制操作过电压及雷击过电压。高压接地开关在机车停电进行高压设备或在车顶检修时（同时必须接上接地棒）需通过打开机车天窗门，转换高压接地开关，使车顶网侧部分接地

53、，以确保人身安全.低压电流互感器一只低压电流互感器为电度表的计量提供原边电流信号，并为机车微机控制系统提供原边电流信号，另一只低压电流互感器给TCMS送入原边电流信号，用于危机显示屏显示。回流装置保证网侧电流向钢轨的回流作用，同时保护机车轮对轴承不受电蚀以及机车可靠的接地性能。(2)主变压器主变压器有6个1450V牵引绕组分别用于两套牵引变流器供电，两个399V辅助绕组分别用于辅助变流器的供电。(3)牵引变流器和牵引电动机电路 牵引变流器的组成牵引变流器UM1内部可以看出3个独立的整流中间电路逆变环节构成，每个环节分别有2个接触器、1个输入电流互感器、1个充电电阻、1个四象限变流器、中间电器、

54、1个PWM逆变器、2个输出电流互感器等组成。3个整流中间电路逆变环节的主电路和控制电路相对独立，分别提供给3个牵引电动机。当其中一组或几组发生故障时，可自定切除，剩余单元可继续工作。 牵引变流器工作原理在变流器输入端，设有变流器充电电路，当中间电压为零时，主变压器的牵引绕组通过充电电阻向四象限整流器，给中间直流回路支撑电容充电。若不接入充电电阻，当电源接入时，电容上的电压不能突变，因此电源相当于通过二极管短路，会形成相当大的冲击电流。当中间直流电压达到2000V时，中间电路预充电完成，充电接触器切除充电电阻。这时，牵引绕组向中间直流回路支持电容继续充电，直至2800V。整个充电过程完成后，逆变

55、器可以投入使用。在再生制动时，逆变器工作在整流状态，整流器工作在你变状态。由牵引电动机向主变压器牵引绕组馈电，将电能回馈至接触网。输入电流互感器起控制和检测充电电流及牵引绕组短路电流的作用。输出电流互感器起监测牵引电动机输入电流的作用。中间直流电路由中间电压支撑电容、瞬时过电压限制电路和主接地保护电路组成。瞬时过电压限制电路由IGBT和限流电路组成。档支撑电容上的中间电压超过允许电压范围时，IGBT元件导通，通过限流电阻放大，使中间电压保持在允许电压值内。 牵引电动机供电电路机车的牵引电动机M13由牵引变流器UM1的3个PWM逆变器分别单独供电，实现牵引电动机的单独控制。这样，整台机车的6个轴

56、的轮径差、轴重转移及空转等可能引起负载分配不均，均可以通过牵引变流器的控制进行适当的补偿，以实现最大限度的发挥机车牵引力。当一台机组故障时，只需切除一组机组，机车仍能保持六分之五的牵引动力。(4)保护电路 主变压器牵引绕组的过流保护当主变压器牵引绕组发生过流时，通过牵引变流器中的相应电流传感器发出过流信号，通过控制单元对相应的变流器环节实行封闭保护。 接地保护电路跨接在中间回路2个串联电容的中点的1个接地信号检测传感器组成了主接地保护电路。当主电路正常时，由于只有一个接地，接地保护电路中流过的电流为零，接地信号检测传感器无信号输出。当主电路某一点接地时，形成回路，将在接地信号传感器中流过接地故

57、障电流，传感器输出电流信号，是保护装置动作，断开主断路器。可以通过接地故障的转换开关，实施接地保护隔离。每一个变流器柜分别含三套接地保护电路，可以分别对三个交直交电路进行检测和保护，接地检测信号送TCMS，显示接地故障。 牵引电动机过流保护当牵引电动机发生过流时，通过牵引变流器中的相应电流传感器发出过流信号，由变流器控制单元对相应的变流器环节实施封锁保护。5. HXD1与HXD3型电力机车在主电路上主要有何区别？答：HXD1采用中间直流环节并联，共用中间直流环节和二次谐振电路，HXD3型变流器主电路中间直流环节完全独立，取消了二次谐振电路，通过控制策略来消除二次纹波电压的影响，相对于其他车型的主电路则显得更加简洁。6.分析HXD3型电力机车一次侧电路的工作情况。答：网侧电路由2台受电弓、2台高压隔离开关、1个高压电压互感器、1个高压电流互感器、1台主断路器、1台避雷器、主变压器原边绕组、2个低压电流互感器和回流装置等组成。机车通过受电弓AP1或AP2从接触网受流，经高压隔离开关QS1或QS2和主断