《机车新技术（第四版）》 课件 第六章 机车微机控制

西安铁路职业技术学院电气工程系机车新技术电气工程系电力机车专业专题讲座第六章机车微机控制目录第二章高速铁路行车及重载运输第三章高速机车走行部技术

第四章机车交流传动技术

第五章机车柴油机的优化技术

第六章机车微机控制系统

第七章机车故障与维修理论

第一章我国机车牵引动力的发展及新型机车与动车组简介电力机车专题讲座

第八章列车运行安全理论及新型行车安全设备第六章机车微机控制§6-1

机车微机控制系统概述§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构§6-3机车微机控制系统的输入、输出信号§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用§6-5机车微机控制系统常见故障的分析及应急处理电力机车专题讲座§6-6动车组牵引传动控制系统§6-1机车微机控制系统概述一、微机控制系统的基本概念和特点

◆

微机控制系统三要素：控制对象、信息处理机构、执行机构电力机车专题讲座§6-1机车微机控制系统概述

◆

与模拟控制相比，微机控制所具有的特点：（1）硬件与软件的结合（2）硬件是通用的（3）具有灵活性（4）以数字技术为主（5）功能主要由软件来实现（6）具有记忆功能（7）微机工作具有智能型通用性、灵活性、重现性、可靠性和智能性电力机车专题讲座§6-1机车微机控制系统概述二、机车微机控制系统的特点◆三级分级结构（1）人机对话级：CPU：80486，C语言编程。时钟、轮径、累计参数、监控信号、故障记录查询、自检选择、工况参数及自检结果显示。（2）机车特性控制级：CPU：80C186，FUPLA功能块语言编程。（3）变流器控制级：CPU：80C196，汇编语言编程，晶闸管发出脉冲控制。电力机车专题讲座§6-1机车微机控制系统概述◆微机控制系统的特点（1）通用性强硬件通用，软件灵活（2）可靠性高数字技术，冗余设计（3）自动化程度高计算机逻辑判断（4）重联控制容易实现网络通信，满足编组方式控制要求（5）功能强牵引、制动，过分相、保护和空电联合制动（6）故障诊断和记录功能库前、运行诊断记录，故障记录（7）便于移植和推广FUPLA功能块语言编程。电力机车专题讲座§6-1机车微机控制系统概述

三、国内外机车微机控制系统发展概况

1.国外机车微机控制系统的发展概况（一）西门子（SIEMENS）1、SIBAS-16系统：西门子铁路自动化系统2、SIBASIC-KLIP站：外围智能单元3、SIBAS—32（二）ABB公司MICAS系统—牵引控制系统电力机车专题讲座§6-1机车微机控制系统概述微机控制系统由两个结构相同的PHAI-16微机控制箱和两组司机台和副机台、故障显示器等组成。

由日本川崎重工引进的6K型电力机车电力机车专题讲座§6-1机车微机控制系统概述2.国产机车微机控制系统的发展概况

国产交直传动电力机车控制系统的发展经历了如下历程：（1）有触点控制:SS1型电力机车。（2）模拟控制:SS3、SS4型电力机车。（3）微机控制:SS8、SS4B、TM1、SS9、DDJ1、SS7D、SS7E等车型。国产电力机车的微机控制采取了参考及消化引进技术和自主开发的方法。以8K机车的MICAS系统为硬件蓝本，以6K机车的PHAI-16的故障诊断技术和DF6型内燃机车的显示模式为基础，自行开发故障诊断和显示功能。电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构一、机车微机控制系统的功能、原理及构成

电力机车控制系统控制列车的运行速度轮轴空气制动力矩控制牵引电动机转矩列车的加速度调节电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构1.牵引/制动主电路（1）牵引工况（2）制动工况加馈制动电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构1.控制方法控制目的：恒电流起动、准恒速运行、电机限压电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构3.机车微机控制系统的构成电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构二、SS9型电力机车微机控制系统简介1.SS9机车微机控制系统的控制参数和保护参数电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构2.牵引控制（1）特性控制低速时的恒流控制和设定速度点的准恒速控制（2）顺控方式υ＜99kM/h

电机电压限制值为990V；υ=119kM/h电机电压限制值为1100V自动超压保护，无级磁场消弱电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构（3）粘着限制由两段折线构成。用速度=电流限制曲线作为粘着限制控制曲线。（4）对轴重转移进行电气补偿（5）对速度监控装置常用制动命令的响应：接收到列车运行监控记录常用制动命令时，封锁触发脉冲，取消牵引力。电力机车专题讲座§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构3.制动控制（1）特性控制铁道机车车辆专业（2）加馈制动控制系统根据机车速度首先自动调节励磁电流，使制动电流沿着速度=电流曲线变化。当励磁电流达到最大后，进入加馈制动工况，通过调节电枢电压来维持制动电流。最小电枢电流：70A§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构铁道机车车辆专业（3）电制动限制特性（4）防空转、防滑行控制软件实现（5）空电联合制动控制以机车准恒速加馈电阻制动和DK-1型机车电空制动机为基础，以主手柄级位作为给定速度，根据机车速度（反馈速度）、及其它信号的相关状态控制机车制动机的减压制动和充风缓解并对电制动进行干预。§6-2机车微机控制系统的工作原理与结构铁道机车车辆专业6.列车供电控制直流电压870V-600V，电流：2×670A7.自动过电分相控制8.故障转换一个插件箱的集中控制9.交叉保护10.自检、故障诊断、记录和显示（1）静止时高低压自检（2）实时故障监测（3）诊断结果评判（4）显示、操作§6-3机车微机控制系统的输入、输出信号铁道机车车辆专业一、输入信号

（1）司控器指令信号。O-15V电压信号—微机柜—与速度成正比的控制电压—牵引/制动控制特性环节—控制目标计算值。（2）电枢电流信号。用于特性控制、保护、显示等功能的操作。（3）端电压信号。作为限压控制信号。（4）励磁电流信号。牵引时：磁场消弱时的磁场电流反馈信号；电制动时：电制动的特性控制信号。（5）网侧电压信号。电压互感器-25KV/100V-降压变压器-100/5V-微机。（6）移相同步电压信号。同步变压器—整流装置。（7）主变压器次边绕组电流信号。过电流保护信号。§6-3机车微机控制系统的输入、输出信号

（8）变压器油温信号O-15V电压信号—微机柜—与速度成正比的控制电压—牵引/制动控制特性环节—控制目标计算值。（9）机车速度信号速度信号采集。（10）机车状态信号明确监控对象的状态后，才能确定其控制功能是否进行或需要做出如何反应。§6-3机车微机控制系统的输入、输出信号铁道机车车辆专业

二、输出信号（1）主整流器触发脉冲。硅整流装置—机车工作状态控制（牵引/制动）。（2）司机室电压表信号。（3）牵引电机电压、电流信号。电制动记录仪—功率。（4）保护功能信号。三、其它信号

自动过分相装置—预备/强迫断信号—LCU分主断/合主断信号。

RS485接口—通用屏幕显示器。§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用

一、什么是LCU

在机车上使用的一种可编程逻辑控制单元。用以取代时间继电器、中间继电器等低压电器和迂回线路，实现机车控制系统无触点控制，从而提高机车电气控制线路的可靠性。

LCU主要由主机板、电源板、输入板、输出板等组成。LCU与PLC的区别：（1）符合TB/T1394《机车动车电子装置》的要求。（2）PLC的工作电压为DC24V或AC220V，直流输出点的负载能力低；LCU的控制电压为DC110V，且负载电流较大。§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用二、LCU的特点（1）LCU的核心部分采用大规模集成电路技术，外部接线少，可靠性高，抗干扰性能强、功耗低、速度快、精度高。（2）可利用软件编程来完成控制任务。（3）LCU的硬件结构为通用型模块设计，组合及扩展性强。§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用三、LCU在国产机车控制电路中的应用§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用1.SS8型电力机车的LCU系统（1）运用情况概述取代的对象：两个电器柜内的中间继电器与时间继电器；效用：取代继电器总数为30个，继电器触头80对。（2）结构§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用（3）输入和输出

①保留信号：不能或不准备被取代的的输入信号。

◆

司机控制器、按键开关组等指令电气信号。◆主断路器的输入信号、辅助触头、隔离开关、两位置转换开关及接触器辅助触头信号

◆特殊继电器信号：

②

被取代继电器的的自锁与互锁信号③机车微机控制系统输入过来的信号§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用

④输出信号输出单元电路：高频调制信号—脉冲变压器耦合—MOSFET§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用2.SS9型电力机车的LCU系统（1）结构§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用

①主机板主要完成输入点状态采集、逻辑运算、输出点状态的确定以及与司机台显示器进行数据交换。双机冗余设计：一台在线工作，另一台处于热等待状态。

RS-485标准，与显示器进行半双工串行通讯

§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用②输入板用于输入数字信号。§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用③输出板§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用④电源板

输入电压：77-135V；输出电压：+5V/2A

±24V/2A§6-4逻辑控制单元（LCU）在机车上的应用整备控制信号控制调速控制功能其他控制保护控制故障显示§6-5机车微机控制系统常见故障的分析及应急处理一、故障分析1.电机电流不正常§6-5机车微机控制系统常见故障的分析及应急处理（1）原因分析

◆电机无流原因分析§6-5机车微机控制系统常见故障的分析及应急处理◆电流不平衡原因分析§6-5机车微机控制系统常见故障的分析及应急处理◆电流冲动原因分析§6-5机车微机控制系统常见故障的分析及应急处理2.过载电流传感器故障电压传感器故障A/D异常或保护逻辑误动作跳主断路器硅机组触发电路故障§6-5机车微机控制系统常见故障的分析及应急处理3.窜车司控器手柄离开零位就有较大电流同步信号相位反接操作端信号不唯一无电流反馈信号变流器触发级故障§6-5机车微机控制系统常见故障的分析及应急处理4.励磁电流给不上励磁电流给不上励磁接触器不闭合励磁接触器辅助节点不良预备、零位不正常速度传感器故障§6-5机车微机控制系统常见故障的分析及应急处理5.无加馈电流无加馈电流励磁未达到限制值加馈桥未工作47一、CRH1动车组牵引传动系统

CRH1动车组

该动车组由青岛四方一庞巴迪一鲍尔铁路运输设备有限公司（BSP）提供，国外合作伙伴是庞巴迪运输瑞典AB（BT）。BSP动车组是以庞巴迪公司为瑞典国家铁路和地方铁路开发的“Regina”动车组为原型车经改变设计而成的。§6-6动车组牵引传动控制系统48CRH1列车基本单元

M3TbMc1M1Tp1Mc2M2Tp2TBU3TBU1TBU2§6-6动车组牵引传动控制系统49牵引传动系统的能量传递与转换

CRH1的受电弓从接触网接受25KV50Hz高压交流电能，经过安装在车底架上的主变压器降成900V50Hz交流电，降压后的交流电经网侧变流器转换成1650VDC直流电能，该直流电再由牵引逆变器转换成可变频率可变电压的三相交流电送给牵引电机，将电能转换成牵引列车的机械能。§6-6动车组牵引传动控制系统50牵引传动系统的能量传递与转换过程示意图

§6-6动车组牵引传动控制系统51列车控制与管理系统TCMS

CRH1是以MITRAC通用计算机为核心的列车控制与管理系统TCMS（TrainControlandManagementSystem）。MITRAC计算机系统以摩托罗拉68k微处理器为基础，该系统的机械和电气设计均适应温度范围是-40ºC～+70ºC，并承受强烈震动冲击的牵引环境。MITRAC及其前身TRACS从1985年就已经运营服务，并随着新电子产品（如微处理器、存贮器等）的更新而不断换代，该系统目前在世界各地的几种不同车上都有使用。§6-6动车组牵引传动控制系统52牵引传动及计算机控制系统示意图§6-6动车组牵引传动控制系统53

TCMS接受司机的指令信息，经过转换与运算以后发给主回路电器系统执行实施能量转换过程，控制列车运行；TCMS还检测列车运行的实际状态信息，对该状态信息进行处理和判断，一方面显示给司机、乘务人员和维护人员了解列车的运行情况，另一方面对出现的异常情况进行报警和应急处理。可以说牵引主回路是列车运行的驱干，TCMS系统是列车运行的灵魂。§6-6动车组牵引传动控制系统54牵引传动系统主电路构成

CRH1的牵引传动系统以列车基本单元（TBU）为基本单位，具体组成如下：

TBU1——Mc1（驾驶动车1）-Tp1（带弓拖车1）-M1（中间动车1）；

TBU2——Mc2（驾驶动车2）-Tp2（带弓拖车2）-M1（中间动车2）；

TBU3——M3（中间动车3）-Tb（带吧台拖车）

CRH1的8辆车中包括5辆动车(Mc1、M1、Mc2、M2、M3)和3辆拖车(Tp1、Tp2、Tb)，动车组有两个受电弓，分别位于Tp1和Tp2车上，正常工作时只有一个受电弓升起。§6-6动车组牵引传动控制系统55列车控制与管理系统TCMS

CRH1是以MITRAC通用计算机为核心的列车控制与管理系统TCMS（TrainControlandManagementSystem）。MITRAC计算机系统以摩托罗拉68k微处理器为基础，该系统的机械和电气设计均适应温度范围是-40ºC～+70ºC，并承受强烈震动冲击的牵引环境。MITRAC及其前身TRACS从1985年就已经运营服务，并随着新电子产品（如微处理器、存贮器等）的更新而不断换代，该系统目前在世界各地的几种不同车上都有使用。

§6-6动车组牵引传动控制系统56牵引传动及计算机控制系统示意图§6-6动车组牵引传动控制系统57

TCMS接受司机的指令信息，经过转换与运算以后发给主回路电器系统执行实施能量转换过程，控制列车运行；TCMS还检测列车运行的实际状态信息，对该状态信息进行处理和判断，一方面显示给司机、乘务人员和维护人员了解列车的运行情况，另一方面对出现的异常情况进行报警和应急处理。可以说牵引主回路是列车运行的驱干，TCMS系统是列车运行的灵魂。§6-6动车组牵引传动控制系统58牵引传动系统主电路构成

CRH1的牵引传动系统以列车基本单元（TBU）为基本单位，具体组成如下：

TBU1——Mc1（驾驶动车1）-Tp1（带弓拖车1）-M1（中间动车1）

TBU2——Mc2（驾驶动车2）-Tp2（带弓拖车2）-M1（中间动车2）

TBU3——M3（中间动车3）-Tb（带吧台拖车）

CRH1的8辆车中包括5辆动车(Mc1、M1、Mc2、M2、M3)和3辆拖车(Tp1、Tp2、Tb)，动车组有两个受电弓，分别位于Tp1和Tp2车上，正常工作时只有一个受电弓升起。§6-6动车组牵引传动控制系统59牵引传动系统主电路构成CRH1的主电路框架

§6-6动车组牵引传动控制系统60牵引传动系统主电路构成

动车组有三个相对独立的主牵引系统均并行工作，当一个牵引系统发生故障时，可以自动切断故障源，列车继续运行。五个动车有五个变流器箱，分别位于每个动车的底架上。网侧变流器LCM（LineConverterModule，将高压整流成为直流环节电压）和电机变流器MCM（MotorConvertorModule,将直流环节电压逆变成为频率可变电压可变的三相交流电供给牵引电机）都装在变流器箱中；一个电机变流器给两台牵引电机并联供电；一个变流器箱的网侧变流器除了向两个电机逆变器供电外，还向一个辅助逆变器和一个蓄电池充电器馈电。§6-6动车组牵引传动控制系统61TBU1单元的牵引电路框图§6-6动车组牵引传动控制系统62二、CRH2动车组牵引传动系统CRH2(四方/川崎动车组)

该动车组由南车四方机车车辆股份有限公司与国外合作伙伴川崎重工提供。四方动车组是以日本新干线E2－1000型动车组为原型车经改变设计而成的。动车组采用8辆编组，4动4拖，由两个动力单元组成。每个动力单元由2个动车和2个拖车（T-M–M-T）组成。§6-6动车组牵引传动控制系统63CRH2编组结构图§6-6动车组牵引传动控制系统641、CRH2动车组牵引系统的组成

牵引电路系统以M1车、M2车的2辆为1个单元为基础。电源由接触网通过受电弓从单相交流25kV、50Hz的接触网电压来获得，通过VCB与牵引变压器的1次侧绕组连接。牵引电路开闭由VCB来实施。牵引变压器2次绕组侧设有2个线圈，1次侧的电压为25kV时，2次侧绕组电压则为1500V

。牵引电路的基本单元装置由1台牵引变压器—2台主变流装置（C/I）—8台牵引电机构成。由1台主变流装置控制4台牵引电机，在牵引时向牵引电机提供电力、在制动时进行电力再生控制。此外，还具有保护功能。§6-6动车组牵引传动控制系统65牵引系统的组成：§6-6动车组牵引传动控制系统66牵引主电路：

由4号车或者6号车的受电弓受电，通过车顶上的特高压导线，经由VCB后被送到2号车或者6号车的主变压器。车顶上安装有保护接地装置（EGS），运行中，需要紧急让变电所区间内的所有车辆停车时，让其动作，使架线接地短路。EGS的操作必须按照铁道部的规定执行。§6-6动车组牵引传动控制系统67牵引主电路：§6-6动车组牵引传动控制系统68CRH2牵引传动系统基本组成

高压电器设备主要作用是完成从接触网到牵引变压器的供电。主要包括：受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接地保护开关等。

DSA250型受电弓——该受电弓为单臂型结构，额定电压/电流为25kV/1000A，接触压力70±5N,弓头宽度约1950mm，具有自动降弓功能，适应接触网高度为5300～6500mm，列车运行速度250km/h。

CB201C-G3型主断路器——主断路器为真空型，额定开断容量为100MVA，额定电流AC200A，额定断路电流3400A，额定开断时间小于0.06s，采用电磁控制空气操作。

LA204或LA205型避雷器——额定电压为AC42kV，动作电压为AC57kV以下，限制电压为107kV。

TH-2型高压电流互感器——变流比为200/5A，用于检测牵引变压器原边电流值。

SH2052C型接地保护开关——额定瞬时电流为6000A（15周），电磁控制空气操作，具有安全连锁。§6-6动车组牵引传动控制系统69

牵引变压器

TM210型牵引变压器，一个基本动力单元1个，全列共计2个。采用壳式结构、车体下吊挂、油循环强迫风冷方式。具有1个原边绕组（25kV，3060kVA）、2个牵引绕组（1500V，2×1285kVA），一个辅助绕组（400V，490kVA）。

§6-6动车组牵引传动控制系统70

牵引变流器

CI11型牵引变流器，一个基本动力单元2个，全列共计4个。采用车下吊挂、液体沸腾冷却方式。主电路结构为电压型3电平式，由脉冲整流器、中间直流电路、逆变器构成，不设2次谐振滤波装置和网侧谐波滤波器，采用PWM方式控制。中间直流电压为2600V～3000V（随起牵引电机输出功率进行调整）。牵引逆变器输出电压0~2300V，频率0～220Hz可控的三相交流电供给异步牵引电动机。

1个牵引变流器采用矢量控制原理控制4台并联的牵引电机。

§6-6动车组牵引传动控制系统71

牵引电机

MT205型牵引电机，每节动力车4个（并联），一个基本动力单元8个，全列共计16个。牵引电机为4极三相鼠笼式异步电机，采用架悬、强迫风冷方式，通过弹