电力牵引交流传动控制新版系统毕业设计方案.doc

毕业设计

课题名称：城轨车辆电力牵引交流传动控
制系统分析及故障排除设计

专 业 系 轨 道 交 通 系
班 级 宁波地铁订单班
学生姓名 苏海东
指导老师 首 珩
完成日期 06月

毕业设计任务书
一、 课题名称：
电力牵引交流传动控制系统分析及故障排除
二、 指导老师：
首珩
三、 设计内容和要求：
1、课题概述:
伴随电力电子技术发展，电力牵引交流传动系统逐步替换了早期直流牵引传动系统，在轨道交通领域得到了广泛应用，成为铁路实现高速和重载运输唯一选择和关键发展方向。而交流传动控制系统是交传机车和电动车组关键部件，是列车运行神经中枢系统。分析该系统工作原理，掌握常见故障处理方法有着很关键现实意义。
本课题关键分析电力牵引交流传动控制系统组成结构及各组成部件关键功效原理，和常见交流传动控制技术；分析系统常见故障现象及应急处理方法。
2、设计内容和要求：
（1）设计内容
本课题下设3个子课题：
① CRH动车组交流传动控制系统分析及故障排除
② HXD交传机车传动控制系统分析及故障排除
③ 城轨车辆交流传动控制系统分析及故障排除
每个子课题设计关键内容可包含：
a.电力牵引交流传动控制系统发展历史及现实状况分析
b.电力牵引交流传动控制系统组成结构分析
c.电力牵引交流传动控制系统关键组成部件功效和原理分析
d.多种交流传动控制技术对比和分析
e.电力牵引交流传动控制系统常见故障排除
f.结论
（2）要求
a.经过检索文件或其它方法，深入了解设计内容所需要多种信息；
b.能够灵活利用《电力电子技术》、《交流调速技术》、《CRH动车组》《HXD型电力机车》等基础和专业课程知识来分析电力机车交流传动控制系统。
c.要求学生有一定电力电子，轨道交通专业基础。
四、设计参考书
1、 《现代变流技术和电气传动》
2、 《电力牵引交流传动和控制》
3、 《CRH2动车组》、《CRH3动车组》
4、 《HXD1型电力机车》
5、 《HXD2型电力机车》
6、 《HXD3型电力机车》
五、设计说明书内容
1、 封面
2、 目录
3、 内容摘要(200-400字左右，中英文)
4、 引言
5、 正文（设计方案比较和选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果说明及特点）
6、 结束语
7、 附录(参考文件、图纸、材料清单等)
六、 设计进程安排
第1周： 资料准备和借阅，了解课题思绪。
第2-3周： 设计要求说明及课题内容教导。
第4－7周： 进行毕业设计，完成初稿。
第7-10周： 第一次检验，了解设计完成情况。
第11周： 第二次检验设计完成情况，并作好毕业答辩准备。
第12周： 毕业答辩和综合成绩评定。
七、毕业设计答辩及论文要求
1、 毕业设计答辩要求
（1）答辩前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题汇报等必需资料交指导老师审阅，由指导老师写出审阅意见。
（2）学生答辩时，自述部分内容包含课题任务、目标和意义，所采取原始资料或参考文件、设计基础内容和关键方法、结果结论和评价。
（3）答辩小组质询课题关键问题，质询和课题亲密相关基础理论、知识、设计方法、试验方法、测试方法，判别学生独立工作能力、创新能力。
2、 毕业设计论文要求
文字要求：说明书要求打印(除图纸外)，不能手写。文字通顺，语言流畅，排版合理，无错别字，不许可剽窃。
3、 图纸要求：
按工程制图标准制图，图面整齐，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，文字注释必需使用工程字书写。
4、 曲线图表要求：
全部曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必需按国家要求标准或工程要求绘制。

目 录
摘 要 1
引 言 1
第1章　电力牵引交流传动技术概述 2
1.1 电力牵引交流技术组成 2
1.2 电力牵引交流传动技术发展 4
第2章 交流牵引电机结构分析 6
2.1 交流牵引电机介绍 6
2.2 交流牵引电机结构 7
2.3 交流牵引电机工作原理 9
2.4 交流牵引电机工作特征 10
第3章　城轨车辆交流传动控制系统 12
3.1交流传动控制系统概述 12
3.2交流传动控制系统组成 13
3.3交流传动系统控制方法 14
3.4城轨车辆交流传动系统控制原理 16
第4章　城轨列车网络控制系统 19
4.1 TCN及LonWorks网络 19
4.2 ARCNET网络和CAN总线 23
4.3 CAN总线 26
4.4 CAN2.0总线规范 27
4.5 常见多个网络拓扑结构 28
第5章 HXD3交流传动系统组成结构功效和原理 34
5.1 HXD3型电力机车技术特征 34
5.2 HXD3型机车主变压器结构 36
5.3 HXD3型机车交流传动系统功效 38
5.4 HXD3型机车主变压器制动原理 39
第6章　城轨车辆电力牵引交流控制系统故障排除 43
6.1 常见故障分析方法 43
6.2 城轨列车牵引交流传动控制系统常见故障 45
6.3 城轨列车牵引交流传动控制系统故障故障分析 47
6.4 城轨列车牵引交流传动控制系统常见故障处理方法 50
第7章 结论 52
心得体会 53
参考文件 54
附 图 55
摘 要
伴随电力电子技术发展，电力牵引交流传动系统逐步替换了早期直流牵引传动系统，在城市轨道交通领域得到了广泛应用，成为轨道交通实现高速和重载运输唯一选择和关键发展方向。而交流传动控制系统是城轨电力牵引传动控制系统关键部件，是城轨列车运行神经中枢系统。经过分析城轨车辆牵引传动控制系统结构和原理，掌握常见故障处理方法有着很关键现实意义。本设计关键分析城轨车辆电力牵引交流传动控制系统组成构件，各组成部件关键功效和原理，和常见多种故障类型，对该系统常见故障进行分析，掌握处理故障有效方法。

关键词：城轨车辆 交流传动 控制系统 故障排除

Abstract
With the development of power electronic technology, electric traction drive system gradually took the place of early DC traction drive system, in the city rail transportation has been applied extensively, become the orbit traffic to achieve high speed and heavy haul transportation only option and the main direction of development The AC drive control system of city rail electric traction drive control is a core component of the system, is the city rail train in the central nervous system Through the analysis of urban rail vehicle traction control system structure and principle, to grasp the common breakdown processing method has a very important practical significance The design of the main analysis of city railway vehicle AC drive control system in electric traction components, each component of the main function and the principle, as well as the common fault types, the system common fault analysis, fault handling method.

Key words: urban rail vehicle AC drive control system trouble shooting

引 言
伴随国民经济发展，城市规模在不停扩大，城市人口急剧增加，随之出现交通拥堵问题日趋严重。城市轨道交通新交通运输方法以其不可比拟优势快速发展起来，在城市公共交通中发挥着越来越大作用。
所以，做好此项工作，保障城轨列车运行安全是全体城轨工作人员神圣职责。伴随城轨电力牵引列车运行速度和载客量日益提升，确保列车运行安全，含有十分关键意义，一旦发生行车事故，不仅经济损失是巨大，甚至可能造成不良政治影响。城轨车辆电力牵引交流控制是一个高度集中大系统，为了不停提升运行能力，预防各类事故发生，就要求我们熟悉城轨车辆牵引传动控制系统结构和原理，掌握常见故障处理方法。才能确保这个大系统有机统一，确保城轨运行通畅无阻。
作为城市轨道交通控制专业专业学员，城轨机车车辆运行质量好坏，和我们技术要求水平高低关系极大，所以，怎样科学地使用好城轨交流传动电力机车，充足发挥它效能，掌握它运行规律，以提升列车牵引重量和运行速度，安全正点完成运行任务，是我们必需研究课题。只有了解和掌握了城轨车辆电力牵引交流控制性能，和列车运行通常规律和有效故障排除，才能正确操纵城轨列车，立即有效排除列车故障，安全正点，多快好省地完成运行任务。
城市轨道交通作为国家关键基础设施、国民经济大动脉和大众化交通工具,它负担着城市人员交流关键运输任务，在实现经济社会又好又快发展中担负着重大责任，负担着艰巨任务。城市轨道交通含有占地少、污染小、能耗低、成本低、运量大、全天候比较优势，加紧城市科技创新步伐，对加紧构建符合科学发展要求中国综合交通运输体系，含有不可替换关键作用。
中国城市轨道交通技术发展总目标是实现城市轨道交通现代化，关键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含有中国城市轨道交通特点技术体系.
伴随多年中国经济连续增加，城市轨道交通需求也随之增加，自以来，大功率交流传动机车诞生及批量投入利用，标志着中国铁路机车行业成功实现了由直流传动向交流传动转化，机车技术平台达成世界优异水平，机车装备现代化和机车装备制造业现代化发展迈入了新历史阶段。

第1章　电力牵引交流传动技术概述
1.1 电力牵引交流技术组成
从很早年代开始,大家就一直努力探索机车牵引动力系统电传动技术。1879年世界第一台电力机车和1881年第一台城市电车全部在尝试直流供电牵引方法。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机车, 19德国又试制了采取“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电试验车。
大功率硅整流技术出现，使电传动内燃机车和电力机车传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电动机)，很自然地被更优越交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所替换。
电力牵引交流传动系统关键由牵引变压器、牵引电机和牵引变流器组成。其关键组成图1-1所表示

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 交流传动机车关键组成
交流传动电力牵引技术关键分为：关键层技术、辅助层技术和相关层技术。其关键层技术关键包含：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。
其辅助层技术关键包含：冷却和通风技术、辅助变流器技术、控制电源技术、保护技术和电磁兼容和布线技术。其相关层技术关键包含：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一个单独类别，过去一起采取直流电动机牵引或脉流电动机牵引。近20年来，因为电子技术尤其是大功率变流技术发展、控制理论和控制技术完善、和静止变频器研究技术成熟，使三相交流电动机在机车牵引中应用得到了关键性突破，取得了极为快速发展。
（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。现在中国干线铁路使用电力机车仍以直流传动制式为主，交流传动机车即使已经有了利用，但在电力牵引动力中所占比重很小。因为交流传动机车性能优越性，国外关键机车生产商早已停止了直流传动机车生产，基础上全部是采取交流传动方法牵引技术。中国铁路牵引交流传动技术应用才刚刚开始，技术上远未达成成熟程度。
（2）动力配置方法。按牵引动力配置方法能够分为动力集中方法和动力分散方法。动力集中方法就是传统机车牵引方法，这是中国现在电力牵引关键模式，也是中国铁路利用比较成熟牵引模式。动力分散型动车组是日本首创，动力分散方法是城市地铁牵引模式进化和发展，是一个发展快速牵引模式。欧洲国家多年来也纷纷采取动力分散型动车组模式。现在中国也已经有了这种牵引模式动车组，如“中原之星”动车组,“先锋”号动车组和CRH系列动车组，但不管在技术上还是在利用管理上全部只是刚刚起步。
（3）运行速度等级。中国已经有了120km／h及以下等级、160km／h等级、200km／h等级、250km／h等级和300km／h电力机车或动力分散型动车组。160km／h及其以下等级机车在技术上已经比较成熟，也有了较为成熟利用和管理经验；但对于250km／h及其以上等级机车应用才刚刚开始，技术上也还不够成熟。
（4）车载牵引功率。车载功率能够从总功率和单轴功率两个方面来看：中国直流传动机车车载总功率最大为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交流传动机车来说，已经达成了较高水平，只是在技术上还不够成熟。
（5）牵引控制系统。中国铁路机车已经普遍采取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模拟电子控制系统。动车组上已经开始使用列车和车厢通信网络实现控制和信息交换，初步形成了分布式控制雏形。但现在还没有我们自己、成熟可靠微机控制系统产品，控制网络应用尚待完善。
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发展产生了强大推进力。微计算机和微处理器品质不停提升,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关键实时控制器。
1.2 电力牵引交流传动技术发展
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要求, 推进轨道交通装备技术进步, 中国研究、应用交流传动技术, 经历了技术探索( 理论认识和基础开发)、引进应用( X动车组)、合作研制(“蓝箭”动车组和NJ1内燃调车等)、自主开发多个阶段。
三相交流传动用于机车动力牵引是从70年代开始。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一系列重大优点：如牵引力大、粘着利用好、制动性能优越、和维修量小等。从而掀起了研究三相交流机车热潮。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一个关键里程碑。
多年来，已经有多个型号三相交流电力机车、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，现在三相交流传动机车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内燃机车，全部采取交流传动控制技术。
自70年代开始，中国很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研究，容量从几千瓦逐步扩大，到1989年交流传动系统容量已达成300kW以上。和此同时，铁道部门相关科研机构也在进行三相交流传动机车研究，到1992年已经完成了单机容量为1000kW级地面试验系统。依据“地面试验系统”研制取得数据和经验，1996年研制成功功率为4000kW级4轴三相交流电力机车，是中国牵引传动由直流转变为交流一个关键里程碑。现在中国已研制成功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和交流传动内燃机车。
中国自主研发交流传动产品还有：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,累计50多台套。
方发达国家投入巨款研发轨道交通交流传动系统, 经过30年研发、考评、技术更新, 已完成了机车车辆直流传动向交流传动产业转换。TGV、新干线、ICE已经成为铁路现代化和国家综合实力标志之一。交流传动成为铁路实现高速和重载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,电力电子器件发展是交流传动技术进步物质基础。第一代机车采取快速晶闸管,变流机组复杂、效率较低、可靠性和可维修性等均不理想。伴随大功率GTO器件诞生, 上世纪80 年代中后期被快速应用于大功率交流传动机车动车, 技术性能又有新提升。进入上世纪90年代,中高压IGBT相继问世,器件品质深入提升,变流机组又开始更新换代。
和此同时, 控制策略发展是交流传动技术进步理论基础。前后研究、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。从过去复杂模拟--数字电路实现简单控制功效,进人现代网络化控制、小型化及模块化结构。
以上诸方面关系是相互交叉和相容。依据上述分析，能够说中国铁路在电力牵引技术方面已经基础达成或靠近国际优异水平，只是在技术成熟度和产品可靠性方面需要深入提升。总来说现在在电力牵引系统方面，“中华之星”和“先锋”号动车组技术含量相当高，已经试验运行了50多万km，有很多经验能够借鉴，而作为中国铁路第六次大提速上线运行动车组——友好号动车组技术，能够作为中国牵引动力技术最高水平代表。

第2章 　交流牵引电机结构分析
2.1 交流牵引电机介绍
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多种电动车辆（如蓄电池车、城市电车、地下铁道电动车辆）上用于牵引电机。牵引电机包含牵引电动机、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电动机。牵引电动机有多个类型，如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同时牵引电动机等。直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有很好调速性能和工作特征，适应机车牵引特征需要，取得广泛应用。
（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，整流电压即使有脉动，但脉动量比较小，所以牵引电动机还被认为是通常直流电动机。
（3）辅助电机
电力机车上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、变频装置或专用旋转电机供给三相电源。这种专用旋转电机称为劈相机，能够把单相交流电变为三相交流电。
伴随交流变频调速技术日益成熟，能够对交流牵引电机进行平稳可靠无级调速，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存在，所以克服了直流电机很多弊端，交流牵引电机和直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机安装空间和重量等方面要求，更关键是交流牵引电机因含有功率大、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、可预防车轮打滑、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首选产品。

2.2 交流牵引电机结构
交流变频牵引电机作为车辆驱动原动机是国际上二十世纪八十年代发展起来优异牵引技术。伴随交流变频调速技术日益成熟，能够对交流牵引电机进行平稳可靠无级调速，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存在，所以克服了直流电机很多弊端，交流牵引电机和直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机安装空间和重量等方面要求，更关键是交流牵引电机因含有功率大、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、可预防车轮打滑、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首选产品。
交流牵引电机基础结构由定子、转子、轴承、端盖，传感器、接线盒等组成。　

图2—1交流电机结构组成
（1）定子：电机中固定部分叫做定子，在其上面装设了成正确直流励磁静止主磁极，电动势充当旋转磁场，后产生电磁转矩进行能量转换，以定子绕组形状和嵌装方法区分。
定子是电动机静止不动部分。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。定子关键作用是产生旋转磁场。定子铁芯是电机磁路一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。机座是用作固定和支撑定子铁芯。定子绕组是电机电路部分，它由三个在空间相差120°电角度、结构相同绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。
（2）转子：电动机旋转部分。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,因为转子在原动力作用下旋转,则会产生交变磁场，定子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零件，它能够引导电机轴旋转，也能够承受电机轴上空转零件。而轴承能够分为滚动轴承和滑动轴承，通常来
说轴承指是滚动轴承。
（4）端盖：通常是指轴向尺寸大于径向尺寸电机两端盖子，关键作用是确定转子轴空间位置，当然需要和不一样形式轴承配合，经过端盖连接到固定电机定子外壳上，确保转子和定子间隙，通常是铸铁工艺，小电机也能够板材冲压成型。
（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处理方案。用于控制、校准和过流保护和监控。
作为适适用于车辆构件，在结构设计方面不仅最大程度地追求轻量化，而且还追求在维护时简易性。以下针对关键部分结构进行说明。假如进气侧风道金属网在附有尘埃状态下运转，则牵引电机冷却风量就会降低，这么可能会因异常发烧而使绝缘劣化，轴承受损等。

2.3 交流牵引电机工作原理
牵引电动机工作原理和通常直流电动机相同，但有特殊工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径限制；在机车运行经过轨缝和道岔时要承受相当大冲击振动。
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法。一个是牵引电动机和动轮轴连接悬挂方法，称为抱轴式悬挂或半悬挂。采取这种悬挂方法时，动轮经过轨缝和道岔所产生冲击振动会直接传给牵引电动机。抱轴式悬挂适适用于结构速度低于120公里/小时机车车辆。另一个是架承式悬挂(或称全悬挂)。采取这种悬挂方法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、大齿轮之间加入多种弹性连接元件，以减小冲击振动影响。架承式悬挂适适用于结构速度高于120公里/小时机车车辆。　
　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，加在牵引电动机上电压为脉动电压，所以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“换向”条件愈加困难。另外，电动机内部还有部分附加损耗，从而引发电动机温升，所以，脉流牵引电动机在设计和结构上还要采取一定特殊方法，以处理“换向”和温升两个突出问题。
辅助电机电力机车上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、变频装置或专用旋转电机供给三相电源。这种专用旋转电机称为劈相机，能够把单相交流电变为三相交流电。

2.4 交流牵引电机工作特征
牵引机关键和多种管材挤出生产线、焊管生产线配套，为整个机组提供夹持牵引力，并使生产线运行同时并保持平稳，应用范围广。国民经济高速发展和大家生活水平日益提升要求铁路运输能够多拉快跑，交流传动机车因含有这一特点而受到广泛青睐。要使交流传动机车优越性能得以发挥则必需合理地匹配变流器和牵引电机。通常在进行机车设计时，要考虑开启力矩和最大功率，同时还要考虑变流器和牵引电机外型尺寸、质量，这些对于高速机车来说显得尤为关键。所以，在满足一定负载条件下，机车牵引特征曲线应尽可能和变流器—牵引电机系统一起进行考虑方便选择变流和牵引电机合理容量匹配，使机车整体性能参数最好、系统费用最低。

图2—5 交流牵引电机工作特征曲线
这时候电动机转矩和频率关系图2-13所表示。转矩和无关而仅取决于大小，所以是一组和横轴平等直线，电动机电流、端电压及电势和关系则绘于图2-13中，电流如式（2-20）所表明那样和无关，亦为常数。因为磁通恒定，显然和关系是线性百分比关系。定子电压据式（2-21）决定。高频时定子电阻影响忽略，由式可见，和近似于线性关系。然而频率较低时，影响不能忽略。此时电压相对有所提升。
交流牵引电机牵引特征曲线对高速和客运机车来说是很可取。这是因为客车负载相对较轻，低速时需要功率不大，伴随速度提升，列车阻力和速度平方成正比关系增加，需要机车功率和速度三次方成正比关系，而这种曲线含有低速区输出力矩大，中速区输出功率适中，高速区功率大、颠覆力矩大优点；同时，牵引电机质量小，机车轴重轻，对钢轨冲击小；伴随半导体技术不停发展，变流器在较高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
因为牵引电机安装在车体下面，直接收到雨、雪、潮气影响，机车运行中掀起尘土也轻易侵入电机内部。另外，因为季节和负载改变，还常常受到温度和湿度改变影响。所以，电机绝缘轻易受潮、受污，对其性能和寿命产生极为不良影响。所以，牵引电机绝缘材料和绝缘结构应含有很好防潮，防尘性能及良好通风、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限制，轴向尺寸受轨距限制，径向尺寸受动轮直径限制。为了取得尽可能大功率，要求牵引电机结构必需紧凑，并采取较高等级绝缘材料和性能很好导电、导磁材料。
（3）动作力大
机车运行经过钢轨不平顺处，因撞击而产生动力作用会传输给牵引电动机，使牵引电动机承受很大冲击和振动。
脉流牵引电机电流为脉动电流，除了直流分量外，还有一定交流分量，电磁交流分量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
牵引电机和一般电机另一个不一样之处是：在同一机车上数台牵引电机，不管是在电方面还是在机械方面全部是连接在一起。在电方面，各电机之间是并联连接；在机械方面，各电机经过车轮和钢轨间黏着作用相互耦合在一起。所以，因为同一台机车上牵引电机特征有差异，各动轮直径不等或部分轮对发生“空转” 、“滑行”等原因，全部有可能造成各电机负载分配不均，有电机处于过载运行，有电机处于欠载运行，从而使机车牵引力不能充足发挥。
第3章　城轨车辆交流传动控制系统
3.1交流传动控制系统概述
伴随铁路运输任务越来越重，列车运行速度越来越高，确保运输安全问题也越来越突出。完全靠人工瞭望、人工驾驶列车已经不能确保行车安全了，即使装备了机车信号和自动停车装置，也只能在列车通常速度运行条件下确保安全无法实现高速列车安全确保，因为它们不能完成预防超速行车和冒进信号现象。所以，需要研究列车运行控制系统，实现对列车间隔和速度自动控制，深入提升运输效率，确保行车安全。
要实现上述目标，不是简单设备改善能够完成，需要处理很多关键技术问题，需要车载设备、轨旁设备、车站控制、调度指挥、通信传输等系统良好配合才能实现，假如把前面讨论系统称为传统铁路信号系统。现代信息技术快速发展，对铁路信号技术产生了关键影响，为形成现代铁路信号系统提供了条件。列车运行自动控制系统（简称列控系统）是计算机、通信、控制等信息技术和信号技术一个高水平集成和融合产物。
要实现列车间隔和速度安全控制，首先要立即获取列车运行速度和列车现在位置，所以列车测速和定位是列控系统关键技术之一，测速和定位精度从根本上制约着列车运行自动控制系统控制精度，测速测距精度太低，不仅会增加行车不安全原因，而且会造成系统预留安全防护距离过大，从而影响运输效率。

图3—1 列车控制系统
线通信技术发展为列控系统地-车信息传输开辟了新路径，无线通信技术克服了轨道电路因为受到轨道电路传输特征影响，所能够传输信息数量受到限制、传输距离不能很长、无法实现双向传输缺点，所以，成为未来列控系统地-车信息传输关键发展方向，以无线通信技术为基础实现地-车信息传输系统，我们称为基于通信列车控制系统（CBTC）。

3.2交流传动控制系统组成
城轨车辆牵引传动系统组成：铁道接触网（DC150V、DC750V和DC600V）或接触轨（DC750V、DC600V）、电传动装置（直流传动装置、交流传动装置）、电气控制装置（有触点电器＋导线、微机控制装置＋通信网络）。
图3—2 城轨车辆牵引传动系统组成
（1）主传动系统：完成车辆从电能到轮对机械能转换或反向转换。
（2）辅助供电系统：向车辆控制电路和辅助电气设备提供电源。
（3）牵引控制系统：使主传动系统多种电气设备按要求正确工作。
主传动系统由接触网或接触轨，网测高压电路，交流调速主电路，异步牵引电机，传动齿轮箱，轮对、接地回流装置、回流轨（线）等组成。
城轨车牵引传动控制系统功效是将接触网或接触轨电能经过牵引电动机和机械传动装置转换为转向架轮对上方向和转矩能够控制旋转机械能（或进行反向变换），借助轮轨之间粘着力和蠕滑特征，使车辆产生向前牵引力（或向后制动力）。
牵引力形成条件：轮轨接触—正压力—蠕滑现象—静摩擦力—轮对转矩—钢轨上向后作用力—车轮上向前牵引力。
牵引传动控制系统最终目标是安全、平稳、有效地控制车辆运行速度、控制对象—牵引力—电机转矩（直流电机：电机电压和励磁电流，交流电机：电机电压和频率）。
牵引传动控制系统相关原因有车型（地铁、轻轨）—应用环境—编组情况—最高速度—负荷情况—动力学性能—其它技术参数—其它要求（如双流制）。

3.3交流传动系统控制方法
对高速行驶列车控制，车载列控设备需要取得从地面控制中心发送行车控制命令、前方列车位置、速度、前方线路条件等信息，这些信息全部是从地面发送到列车上，所以，地-车信息传输通道是列车运行自动控制系统关键组成部分，没有良好地-车信息传输通道，自动控制列车是不可能。
（1）出口速度检验控制方法：该方法要求列车在闭塞分区内将列车速度降低到目标速度，设备在闭塞分区出口进行检验。假如列车实际速度未达成目标速度以下则设备自动进行制动。阶梯控制出口速度检验方法示意图见图3.31。

图3—3 交流传动系统控制方法
因为线路上运行多种列车制动性能各异，为了确保安全，系统只能按制动性能最差列车性能来确定制动距离，这对于制动性能好列车来说是个损失，影响进—步提升运行密度。
ATP制动控制只进行制动和缓解两种操作，不调整制动力大小，所以列车减速度改变大，旅行舒适度差。
（2）分级曲线控制方法：该方法要求每个闭塞分区入口速度(上一个闭塞分区目标速度)和出口速度(本闭塞分区目标速度)用曲线连接起来，形成一段连续控制曲线，曲线控制方法和阶梯控制方法一样，每一个闭塞分区只给定一个目标速度。控制曲线把闭塞分区许可速度改变连续起来。地面设备传送给车载设备信息是下一个闭塞分区速度、距离和线路条件数据，没有提供至目标点全部数据，所以系统生成数据是分级连续制动模式曲线(即以分级小曲线变换点连成准一次制动模式曲线)。法国TVM430系统采取了这种方法，TVM430是TVM300换代产品，地面采取UM型轨道电路

图3—4 分级曲线控制方法示意图
在曲线控制方法下，列车在一个闭塞分区中运行时,列控设备判定列车超速目标速度不再是一个常数，而是伴随列车行驶不停改变，即是距离函数。
所以列控设备除了需要接收目标速度信息外，还要接收到闭塞分区长度及换算坡度信息。TVM430系统轨道电路能够传输27 bit信息，其中目标速度信息6bit，距离信息8bit，坡度信息4bit。
阶梯控制方法可不需要距离信息，只要在停车信号和最高速度间增加若干中间速度信号，即可实现阶梯控制方法。所以轨道信息量较少，设备相对比较简单，这种传统控制方法是现在高速铁路最普遍采取控制方法。

3.4城轨车辆交流传动系统控制原理
在交流调速传动发展早期，控制电路通常多是用模拟电路或模数混合电路实现。多年来普遍采取微型计算机控制。微机控制比通常硬件模拟控制优越性是显而易见，它不仅能实现通常控制，诸如控制信号产生，运行参数检测，传动方法选择和转换，和信号存放、运算和变换；而且，它快速性和高精度、能对建立在现代控制理论或复杂控制算法基础上控制方案进行优化处理，从而把很多过去只是在理论上认识而实际上无法应用控制原理实用化。微处理机还能够同时实现系统保护和监视，并含有故障自诊疗、自修复功效。另外以微机为基础全数字控制本身抗干扰能力较强，能够提升系统运行可靠性。

图3—5 交流传动控制系统控制电路
变压器同其它牵引变压器一样采取金属波纹管式储油柜。储油柜安装在牵引变压器中央部周围。波纹管选择圆形不锈钢焊接波纹管。储油柜和主机油箱经过连接孔输送绝缘油，油存放在波纹管外侧。波纹管内侧和大气相通。
原边线路侧套管选择一体型耐