中南大学《机车车辆传动与控制》纸质作业答案(3、4章)

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《机车车辆传动与控制》作业参考答案

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:S?n1?n?100% n1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/f 1=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4000 r/min以上,试验转速甚至可达7000 r/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1200~2000 kW。单位功率质量指标已从3 kg/kW降到1.7 kg/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1 kg/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>2.7~2.8 KV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

LNiNuNuab

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:

UN?j?LNIN?Uab

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。

jωLNINUNUabUabIN(a)IN(b)jωLNINUN

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:

22Uab?UN?(?LNIN)2kUN??LNINM?2Uab/Ud

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=0.8~0.9 Ud—直流侧输出电压 由上式计算可得到

Ud?2(1?k2)?UN/M

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

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