电力牵引交流传动控制系统毕业设计

word2013届毕业设计课题名称：城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的分析与故障排除设计专 业 系 轨 道 交 通 系 班 级 2010 某某地铁订单班 学生某某苏某某 指导教师首 珩 完成日期2013年06月 2013届毕业设计任务书一、 课题名称：电力牵引交流传动控制系统的分析与故障排除二、 指导教师：首珩三、 设计内容与要求：1、课题概述:随着电力电子技术的开展，电力牵引交流传动系统逐步替代了早期的直流牵引传动系统，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的唯一选择和主要开展方向。而交流传动控制系统是交传机车和电动车组的核心部件，是列车运行的神经中枢系统。分析该系统的工作原理，掌握常见故障的处理方法有着非常重要的现实意义。本课题主要分析电力牵引交流传动控制系统的组成结构与各组成部件的主要功能原理，以与常见的交流传动控制技术；分析系统常见的故障现象与应急处理方法。2、设计内容与要求：1设计内容本课题下设3个子课题： CRH动车组交流传动控制系统的分析与故障排除 HXD交传机车传动控制系统的分析与故障排除 城轨车辆交流传动控制系统的分析与故障排除每个子课题设计的主要内容可包括：2要求a.通过检索文献或其他方式，深入了解设计内容所需要的各种信息；b.能够灵活运用电力电子技术、交流调速技术、CRH动车组HXD型电力机车等根底和专业课程的知识来分析电力机车交流传动控制系统。c.要求学生有一定的电力电子，轨道交通专业根底。四、设计参考书1、 现代变流技术与电气传动2、 电力牵引交流传动与控制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、 正文设计方案比拟与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明与特点6、 完毕语7、 附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、 设计进程安排第1周： 资料准备与借阅，了解课题思路。第2-3周： 设计要求说明与课题内容辅导。第47周： 进展毕业设计，完成初稿。第7-10周： 第一次检查，了解设计完成情况。第11周： 第二次检查设计完成情况，并作好毕业辩论准备。第12周： 毕业辩论与综合成绩评定。七、毕业设计辩论与论文要求1、 毕业设计辩论要求1辩论前三天，每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅，由指导教师写出审阅意见。2学生辩论时，自述局部内容包括课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的根本内容和主要方法、成果结论和评价。3辩论小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的根本理论、知识、设计方法、实验方法、测试方法，鉴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，不允许抄袭。3、 图纸要求：按工程制图标准制图，图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规X，文字注释必须使用工程字书写。4、 曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画，必须按国家规定的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的概述21.1 电力牵引交流技术的组成21.2 电力牵引交流传动技术的开展4第2章 交流牵引电机的构造分析62.1 交流牵引电机的简介62.2 交流牵引电机的结构72.3 交流牵引电机的工作原理92.4 交流牵引电机的工作特性10第3章城轨车辆交流传动控制系统1212131416第4章城轨列车网络控制系统194.1 T与LonWorks网络194.2 ARET网络和CAN总线234.3 CAN总线26274.5 常见的几种网络拓扑结构28第5章 HXD3交流传动系统组成结构功能和原理345.1 HXD3型电力机车技术特征345.2 HXD3型机车主变压器的结构365.3 HXD3型机车交流传动系统的功能385.4 HXD3型机车主变压器的制动原理39第6章城轨车辆电力牵引交流控制系统的故障排除436.1 常见的故障分析方法436.2 城轨列车牵引交流传动控制系统的常见故障456.3 城轨列车牵引交流传动控制系统的故障故障分析476.4 城轨列车牵引交流传动控制系统的常见故障处理措施50第7章 结论52心得体会53参考文献54附 图55摘要随着电力电子技术的开展，电力牵引交流传动系统逐步代替了早期的直流牵引传动系统，在城市轨道交通领域得到了广泛的应用，成为轨道交通实现高速和重载运输的唯一选择和主要开展方向。而交流传动控制系统是城轨电力牵引传动控制系统的核心部件，是城轨列车运行的神经中枢系统。通过分析城轨车辆牵引传动控制系统的构造和原理，掌握常见故障的处理方法有着非常重要的现实意义。本设计主要分析城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的组成构件，各组成部件的主要功能和原理，以与常见的各种故障类型，对该系统常见的故障进展分析，掌握处理故障的有效方法。 关键词：城轨车辆交流传动控制系统故障排除AbstractWith 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, bee 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 ponent 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 mon 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 ponents, each ponent of the main function and the principle, as well as the mon fault types, the system mon fault analysis, fault handling method.Key words: urban rail vehicleAC drivecontrol systemtrouble shooting文档引 言随着国民经济的开展，城市规模在不断扩大，城市人口急剧增加，随之出现的交通拥堵问题日趋严重。城市轨道交通新的交通运输方式以其不可比拟的优势快速开展起来，在城市公共交通中发挥着越来越大的作用。因此，做好此项工作，保障城轨列车的运行安全是全体城轨工作人员的神圣职责。随着城轨电力牵引列车的运行速度和载客量日益提高，确保列车的运营安全，具有十分重要的意义，一旦发生行车事故，不仅经济损失是巨大的，甚至可能造成不良的政治影响。城轨车辆电力牵引交流控制是一个高度集中的大系统，为了不断提高运营能力，防止各类事故的发生，就要求我们熟悉城轨车辆牵引传动控制系统的构造和原理，掌握常见故障的处理方法。才能保证这个大系统的有机统一，保证城轨运营的畅通无阻。作为城市轨道交通控制专业的专业学员，城轨机车车辆运营质量的好坏，与我们技术要求水平的上下关系极大，因此，如何科学地使用好城轨交流传动电力机车，充分发挥它的效能，掌握它的运行规律，以提高列车牵引重量和运行速度，安全正点的完成运营任务，是我们必须研究的课题。只有了解和掌握了城轨车辆电力牵引交流的控制性能，以与列车运行的一般规律和有效的故障排除，才能正确操纵城轨列车，与时有效的排除列车故障，安全正点，多快好省地完成运营任务。城市轨道交通作为国家重要的根底设施、国民经济的大动脉和大众化的交通工具,它负担着城市人员交流的主要运输任务，在实现经济社会又好又快开展中肩负着重大责任，承当着艰巨任务。城市轨道交通具有占地少、污染小、能耗低、本钱低、运量大、全天候的比拟优势，加快城市科技创新步伐，对加快构建符合科学开展要求的我国综合交通运输体系，具有不可替代的重要作用。我国城市轨道交通技术开展的总目标是实现城市轨道交通现代化，重点开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具有中国城市轨道交通特点的技术体系.随着近年中国经济持续增长，城市轨道交通需求也随之增加，自2006年以来，大功率交流传动机车诞生与批量投入运用，标志着我国铁路机车行业成功实现了由直流传动向交流传动的转化，机车技术平台达到世界先进水平，机车装备现代化和机车装备制造业现代化开展迈入了新的历史阶段。第1章电力牵引交流传动技术的概述1.1 电力牵引交流技术的组成从很早的年代开始,人们就一直努力探索机车牵引动力系统的电传动技术。1879年的世界第一台电力机车和1881年的第一台城市电车都在尝试直流供电牵引方式。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的机车, 1917年德国又试制了采用“劈相机将单相交流供电进展旋转、变换为三相交流电的试验车。大功率硅整流技术的出现，使电传动内燃机车和电力机车的传动型式从直-直传动(直流发电机或直流供电-直流电动机)，很自然地被更优越的交-直传动(交流发电机或交流供电-硅整流-直流电动机)所取代。电力牵引交流传动系统主要由牵引变压器、牵引电机和牵引变流器组成。其主要组成如图1-1所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 交流传动机车主要组成交流传动电力牵引的技术主要分为：核心层技术、辅助层技术和相关层技术。其核心层技术主要包括：牵引变频器技术、变频控制与其网络技术、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。其相关层技术主要包括：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的一个单独类别，过去一起采用直流电动机牵引或脉流电动机牵引。近20年来，由于电子技术尤其是大功率变流技术的开展、控制理论和控制技术的完善、以与静止变频器研究技术的成熟，使三相交流电动机在机车牵引中的应用得到了关键性突破，获得了极为迅速的开展。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。目前我国干线铁路使用的电力机车仍以直流传动制式为主，交流传动机车虽然已经有了运用，但在电力牵引动力中所占的比重很小。由于交流传动机车性能的优越性，国外的主要机车生产商早已停止了直流传动机车的生产，根本上都是采用交流传动方式的牵引技术。我国铁路牵引的交流传动技术应用才刚刚开始，技术上远未达到成熟的程度。2动力配置方式。按牵引动力配置方式可以分为动力集中方式和动力分散方式。动力集中方式就是传统的机车牵引方式，这是我国目前电力牵引的主要模式，也是我国铁路运用比拟成熟的牵引模式。动力分散型动车组是日本首创的，动力分散方式是城市地铁牵引模式的进化和开展，是一种开展迅速的牵引模式。欧洲国家近年来也纷纷采用动力分散型动车组的模式。目前我国也已经有了这种牵引模式的动车组，如“中原之星动车组,“先锋号动车组以与CRH系列动车组，但无论在技术上还是在运用管理上都只是刚刚起步。3运行速度等级。我国已经有了120kmh与以下等级、160kmh等级、200kmh等级、250kmh等级以与300kmh的电力机车或动力分散型动车组。160kmh与其以下等级的机车在技术上已经比拟成熟，也有了较为成熟的运用和管理经验；但对于250kmh与其以上等级机车的应用才刚刚开始，技术上也还不够成熟。4车载牵引功率。车载功率可以从总功率和单轴功率两个方面来看：我国直流传动机车的车载总功率最大为6400kW(SS4型机车)，单轴功率最大为900kW(SS8型机车)；交流传动机车的车载总功率最大为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的交流传动机车来说，已经达到了较高的水平，只是在技术上还不够成熟。5牵引控制系统。我国铁路机车已经普遍采用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的模拟电子控制系统。动车组上已经开始使用列车和车厢的通信网络实现控制和信息交换，初步形成了分布式控制的雏形。但目前还没有我们自己的、成熟可靠的微机控制系统产品，控制网络的应用尚待完善。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的开展产生了强大的推动力。微计算机和微处理器品质不断提升,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核心的实时控制器。1.2 电力牵引交流传动技术的开展为追踪世界新型“交-直-交电力机车新技术，更为了满足社会经济开展的要求, 推动轨道交通装备技术进步, 我国研究、应用交流传动技术, 经历了技术探索( 理论认识与根底开发)、引进应用( X2000动车组)、合作研制(“蓝箭动车组和NJ1内燃调车等)、自主开发几个阶段。三相交流传动用于机车动力牵引是从70年代开始的。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的一系列重大优点：如牵引力大、粘着利用好、制动性能优越、以与维修量小等。从而掀起了研究三相交流机车的热潮。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，这是交流传动机车开展史上的一个重要里程碑。近年来，已有多种型号的三相交流电力机车、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X围内看，目前三相交流传动机车的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系的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，铁路兴旺国家已不再生产相控脉流电力机车和直流电动机传动的内燃机车，全部采用交流传动控制技术。自70年代开始，我国许多科研单位已着手进展电力半导体变流技术和三相交流传动的研究，容量从几千瓦逐渐扩大，到1989年交流传动系统的容量已达到300kW以上。与此同时，铁道部门的有关科研机构也在进展三相交流传动机车的研究，到1992年已经完成了单机容量为1000kW级的地面试验系统。根据“地面试验系统研制取得的数据和经验，1996年研制成功功率为4000kW级4轴的三相交流电力机车，是我国牵引传动由直流转变为交流的一个重要里程碑。目前我国已研制成功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以与交流传动内燃机车。我国自主研发的交流传动产品还有：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、自主知识产权地铁客车等,共计50多台套。方兴旺国家投入巨资研发轨道交通交流传动系统, 经过30年的研发、考核、技术更新, 已完成了机车车辆直流传动向交流传动的产业转换。TGV、新干线、ICE已经成为铁路现代化和国家综合实力的标志之一。交流传动成为铁路实现高速和重载的唯一选择和开展方向。图12 中华之星列车组在这开展过程中,电力电子器件的开展是交流传动技术进步的物质根底。第一代机车采用快速晶闸管,变流机组复杂、效率较低、可靠性和可维修性等均不理想。随着大功率GTO器件的诞生, 上世纪80 年代中后期被迅速应用于大功率交流传动机车动车, 技术性能又有新的提高。进入上世纪90年代,中高压IGBT相继问世,器件品质进一步提高,变流机组又开始更新换代。与此同时, 控制策略的开展是交流传动技术进步的理论根底。先后研究、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。从过去复杂的模拟-数字电路实现简单的控制功能,进人现代网络化控制、小型化与模块化结构。以上诸方面的关系是相互交叉和相容的。根据上述分析，可以说我国铁路在电力牵引的技术方面已经根本达到或接近国际先进水平，只是在技术的成熟度和产品的可靠性方面需要进一步提高。总的来说目前在电力牵引系统方面，“中华之星和“先锋号动车组的技术含量相当高，已经试验运行了50多万km，有很多经验可以借鉴，而作为中国铁路第六次大提速上线运行的动车组和谐号动车组的技术，可以作为我国牵引动力技术最高水平的代表。第2章 交流牵引电机的构造分析2.1 交流牵引电机的简介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各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的电机。牵引电机包括牵引电动机、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的电动机。牵引电动机有多种类型，如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等。直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性，适应机车牵引特性的需要，获得广泛应用。 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的发电机，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的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的，整流电压虽然有脉动，但脉动量比拟小，因此牵引电动机还被认为是一般的直流电动机。3辅助电机电力机车上的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，须由专用的硅整流器供电。用三相交流异步辅助电动机时，须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。 随着交流变频调速技术的日益成熟，可以对交流牵引电机进展平稳可靠的无级调速，调速X围可达1：1000，比直流调速X围更大，尤其是没有了直流电机换向器的存在，因而克制了直流电机的许多弊端，交流牵引电机与直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求，更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速X围宽(05000r/min左右)、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电2030%等优点，成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品。 2.2 交流牵引电机的结构交流变频牵引电机作为车辆驱动的原动机是国际上二十世纪八十年代开展起来的先进牵引技术。随着交流变频调速技术的日益成熟，可以对交流牵引电机进展平稳可靠的无级调速，调速X围可达1：1000，比直流调速X围更大，尤其是没有了直流电机换向器的存在，因而克制了直流电机的许多弊端，交流牵引电机与直流电机相比，结构简单可靠、体积小、重量轻，更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求，更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速X围宽(05000r/min左右)、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电2030%等优点，成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品。交流牵引电机的根本结构由定子、转子、轴承、端盖，传感器、接线盒等构成。图21交流电机的结构组成 1定子：电机中固定的局部叫做定子，在其上面装设了成对的直流励磁的静止的主磁极，电动势充当旋转磁场，后产生电磁转矩进展能量转换，以定子绕组的形状与嵌装方式区分。 定子是电动机静止不动的局部。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三局部组成。定子的主要作用是产生旋转磁场。定子铁芯是电机磁路的一局部，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。机座是用作固定与支撑定子铁芯。定子绕组是电机电路局部，它由三个在空间相差120电角度、结构一样的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。2转子：电动机的旋转局部。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,由于转子在原动力的作用下旋转,如此会产生交变的磁场，定子的三相绕组依次切割磁力线.就会感应出大小相等,相差120电角度的交流电动。表22 牵引电动机额定参数项目额定值额定参数种类连续输出 线电压 相电流 转数 rpm频率 效率 功率因数 转差率 冷却风量 3绝缘类别等级定子绕组最高使用转速rpm轴承动侧 3轴承：电机进口轴承是一个支撑电机的零件，它可以引导电机轴的旋转，也可以承受电机轴上空转的零件。而轴承可以分为滚动轴承和滑动轴承，一般来说的轴承指的是滚动轴承。4端盖：一般是指轴向尺寸大于径向尺寸的电机两端的盖子，主要作用是确定转子的轴的空间位置，当然需要与不同形式的轴承配合，通过端盖连接到固定电机定子的外壳上，保证转子与定子的间隙，一般是铸铁工艺，小电机也可以板材冲压成型。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解决方案。用于控制、校准以与过流保护和监控。 作为适用于车辆的构件，在构造设计方面不仅最大限度地追求轻量化，而且还追求在维护时的简易性。以下针对主要局部的构造进展说明。如果进气侧的风道金属网在附有尘埃的状态下运转，如此牵引电机的冷却风量就会减少，这样可能会因异常发热而使绝缘劣化，轴承受损等。2.3 交流牵引电机的工作原理牵引电动机的工作原理与一般直流电动机一样，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动。图23交流牵引电机控制原理图牵引电动机有两种悬挂方式。一种是牵引电动机和动轮轴连接的悬挂方式，称为抱轴式悬挂或半悬挂。采用这种悬挂方式时，动轮通过轨缝和道岔所产生的冲击振动会直接传给牵引电动机。抱轴式悬挂适用于结构速度低于120公里/小时的机车车辆。另一种是架承式悬挂(或称全悬挂)。采用这种悬挂方式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、大齿轮之间参加各种弹性连接元件，以减小冲击振动的影响。架承式悬挂适用于结构速度高于120公里/小时的机车车辆。图24 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，加在牵引电动机上的电压为脉动电压，因此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的“换向条件更加困难。此外，电动机内部还有一些附加损耗，从而引起电动机温升，因此，脉流牵引电动机在设计和结构上还要采取一定的特殊措施，以解决“换向和温升两个突出的问题。辅助电机电力机车上的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，须由专用的硅整流器供电。用三相交流异步辅助电动机时，须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。这种专用的旋转电机称为劈相机，可以把单相交流电变为三相交流电。2.4 交流牵引电机的工作特性牵引机主要与各种管材挤出生产线、焊管生产线配套，为整个机组提供夹持牵引力，并使生产线运行同步并保持平稳，应用X围广。国民经济的高速开展和人们生活水平的日益提高要求铁路运输能够多拉快跑，交流传动机车因具备这一特点而受到广泛的青睐。要使交流传动机车优越性能得以发挥如此必须合理地匹配变流器与牵引电机。通常在进展机车设计时，要考虑启动力矩以与最大功率，同时还要考虑变流器和牵引电机的外型尺寸、质量，这些对于高速机车来说显得尤为重要。因此，在满足一定的负载条件下，机车的牵引特性曲线应尽可能与变流器牵引电机系统一起进展考虑以便选择变流和牵引电机的合理的容量匹配，使机车的整体性能参数最优、系统费用最低。图25 交流牵引电机工作特性曲线这时候电动机的转矩与频率的关系如图2-13所示。转矩与无关而仅取决于的大小，所以是一组与横轴平等的直线，电动机的电流、端电压与电势与的关系如此绘于图2-13中，电流如式2-20所明确的那样与无关，亦为常数。因为磁通恒定，显然与的关系是线性比例关系。定子电压据式2-21决定。高频时定子电阻的影响忽略，由式可见，与近似于线性关系。然而频率较低时，的影响不能忽略。此时电压相对有所提高。交流牵引电机的牵引特性曲线对高速和客运机车来说是非常可取的。这是因为客车的负载相对较轻，低速时需要的功率不大，随着速度的提高，列车阻力与速度平方成正比关系增加，需要的机车功率与速度三次方成正比关系，而这种曲线具备低速区输出力矩大，中速区输出功率适中，高速区功率大、颠覆力矩大的优点；同时，牵引电机的质量小，机车轴重轻，对钢轨的冲击小；随着半导体技术的不断开展，变流器在较高的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 由于牵引电机安装在车体下面，直承受到雨、雪、潮气的影响，机车运行中掀起的尘土也容易侵入电机内部。此外，由于季节和负载的变化，还经常受到温度和湿度变化的影响。因此，电机绝缘容易受潮、受污，对其性能和寿命产生极为不良的影响。所以，牵引电机的绝缘材料和绝缘结构应具有较好的防潮，防尘性能与良好的通风、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的限制，轴向尺寸受轨距限制，径向尺寸受动轮直径的限制。为了获得尽可能大的功率，要求牵引电机结构必须紧凑，并采用较高等级的绝缘材料和性能较好的导电、导磁材料。3动作力大 机车运行通过钢轨不平顺处，因撞击而产生的动力作用会传递给牵引电动机，使牵引电动机承受很大的冲击和振动。脉流牵引电机的电流为脉动电流，除了直流分量外，还有一定的交流分量，电磁交流分量的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与普通电机的另一个不同之处是：在同一机车上的数台牵引电机，不论是在电方面还是在机械方面都是连接在一起的。在电的方面，各电机之间是并联连接；在机械方面，各电机通过车轮与钢轨间的黏着作用相互耦合在一起。因此，由于同一台机车上牵引电机特性有差异，各动轮直径不等或个别轮对发生“空转 、“滑行等原因，都有可能造成各电机的负载分配不均，有的电机处于过载运行，有的电机处于欠载运行，从而使机车牵引力不能充分发挥。第3章城轨车辆交流传动控制系统随着铁路运输的任务越来越重，列车运行速度越来越高，保证运输安全的问题也越来越突出。完全靠人工瞭望、人工驾驶列车已经不能保证行车安全了，即使装备了机车信号和自动停车装置，也只能在列车一般速度运行条件下保证安全无法实现高速列车的安全保证，因为它们不能完成防止超速行车和冒进信号的现象。因此，需要研究列车运行控制系统，实现对列车间隔和速度的自动控制，进一步提高运输效率，保证行车安全。要实现上述目标，不是简单的设备改良可以完成的，需要解决许多关键技术问题，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的配合才能实现，如果把前面讨论的系统称为传统铁路信号系统。现代信息技术的迅速开展，对铁路信号技术产生了重要影响，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、控制等信息技术与信号技术的一个高水平集成与融合的产物。要实现列车间隔与速度的安全控制，首先要与时获取列车运行的速度与列车目前的位置，因此列车的测速与定位是列控系统的关键技术之一，测速和定位的精度从根本上制约着列车运行自动控制系统的控制精度，测速测距的精度太低，不仅会增加行车的不安全因素，而且会造成系统预留的安全防护距离过大，从而影响运输效率。图31 列车控制系统线通信技术的开展为列控系统地-车信息传输开辟了新的途径，无线通信技术克制了轨道电路由于受到轨道电路传输特性的影响，所能够传输的信息数量受到限制、传输距离不能很长、无法实现双向传输的缺点，因此，成为未来列控系统地-车信息传输的主要开展方向，以无线通信技术为根底实现地-车信息传输的系统，我们称为基于通信的列车控制系统CBTC。城轨车辆牵引传动系统的组成：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32 城轨车辆牵引传动系统的组成1主传动系统：完成车辆从电能到轮对机械能的转换或反向转换。2辅助供电系统：向车辆的控制电路和辅助电气设备提供电源。3牵引控制系统：使主传动系统的各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的功能是将接触网或接触轨的电能通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可以控制的旋转机械能或进展反向变换，借助轮轨之间的粘着力和蠕滑特性，使车辆产生向前的牵引力或向后的制动力。牵引力的形成条件：轮轨接触正压力蠕滑现象静摩擦力轮对转矩钢轨上的向后作用力车轮上的向前牵引力。牵引传动控制系统的最终目标是安全、平稳、有效地控制车辆的运行速度、控制对象牵引力电机转矩直流电机：电机的电压和励磁电流，交流电机：电机的电压和频率。牵引传动控制系统的相关因素有车型地铁、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。对高速行驶列车的控制，车载列控设备需要获得从地面控制中心发送的行车控制命令、前方列车的位置、速度、前方线路条件等信息，这些信息都是从地面发送到列车上，因此，地-车信息传输通道是列车运行自动控制系统的重要组成局部，没有良好的地-车信息传输通道，自动控制列车是不可能的。1出口速度检查控制方式：该方式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展检查。如果列车实际速度未达到目标速度以下如此设备自动进展制动。阶梯控制出口速度检查方式示意图见图3.31。图33 交流传动系统的控制方式由于线路上运行的各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的列车性能来确定制动距离，这对于制动性能好的列车来说是个损失，影响进步提高运行密度。ATP制动控制只进展制动和缓解两种操作，不调整制动力大小，因此列车减速度变化大，旅行舒适度差。2分级曲线控制方式：该方式要求每个闭塞分区入口速度(上一个闭塞分区的目标速度)和出口速度(本闭塞分区目标速度)用曲线连接起来，形成一段连续的控制曲线，曲线控制方式和阶梯控制方式一样，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允许速度的变化连续起来。地面设备传送给车载设备的信息是下一个闭塞分区的速度、距离和线路条件数据，没有提供至目标点的全部数据，所以系统生成的数据是分级连续制动模式曲线(即以分级小曲线的变换点连成的准一次制动模式曲线)。法国TVM430系统采用了这种方式，TVM430是TVM300的换代产品，地面采用UM2000型轨道电路图34 分级曲线控制方式示意图在曲线控制方式下，列车在一个闭塞分区中运行时,列控设备判定列车超速的目标速度不再是一个常数，而是随着列车行驶不断变化，即是距离的函数。因此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与换算坡度的信息。TVM430系统的轨道电路可以传递27 bit信息，其中目标速度信息6bit，距离信息8bit，坡度信息4bit。阶梯控制方式可不需要距离信息，只要在停车信号与最高速度间增加假如干中间速度信号，即可实现阶梯控制方式。因此轨道信息量较少，设备相比照拟简单，这种传统的控制方式是目前高速铁路最普遍采用的控制方式。在交流调速传动开展初期，控制电路一般多是用模拟电路或模数混合电路实现的。近年来普遍采用微型计算机控制。微机控制比一般硬件模拟控制的优越性是显而易见的，它不仅能实现一般的控制，诸如控制信号的产生，运行参数的检测，传动方式的选择和转换，以与信号的存储、运算和变换；而且，它的快速性和高精度、能对建立在现代控制理论或复杂控制算法根底上的控制方案进展优化处理，从而把许多过去只是在理论上认识而实际上无法应用的控制原理实用化。微处理机还可以同时实现系统的保护和监视，并具有故障自诊断、自修复功能。另外以微机为根底的全数字控制本身抗干扰能力较强，可以提高系统的运行可靠性。图35 交流传动控制系统的控制电路变压器同其它牵引变压器一样采用金属波纹管式储油柜。储油柜安装在牵引变压器中央部附近。波纹管选用圆形不锈钢焊接波纹管。储油柜和主机油箱通过连接孔输送绝缘油，油存放在波纹管外侧。波纹管内侧与大气相通。原边线路侧套管选用一体型耐热环氧树脂注塑成型套管。套管从变压器主机前面朝向侧面引出，连接到相邻的高压机器箱内的断路器上。主变流器Converter Inverter，简称CI 见表3.42，由单相3点式PWM脉冲整流器和3相3点式PWM逆变器组成，采用的功率开关器件为IPM/IGBT。主要技术参数如下：表36主变流器技术参数额定 绕组容量 (kVA)电压 (V)电流 (A)原边牵引辅助表37牵引变压器绝缘级别试验电压绕组试验电压感应耐电压工频试验电压雷击耐电压原边线路侧42kV10 分钟全波：150kV截断波：170kV原边接地侧分钟牵引分钟辅助分钟温度上升限度:绕组： 电阻法总重量: 2 9 1 0 kg 包括电动送风机图38 交流传动控制系统的主电路主电路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三局部组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无功功率交换的作用。限流电阻：为了防止大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻或电抗，通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。泵升限制电路由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压通称泵升电压升高到一定的限制值时，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。极管整流电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。PWM信号产生可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。检测与保护电路各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进展分压、光电隔离、滤波、放大等综合处理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。逆变器控制局部由频率加法器将转差频率基准值信号与电机旋转频率信号相加得出定子频率给定值信号、电压频率变换器将定子频率给定值信号变换成脉冲信号、脉冲分配器将电压频率变换器输出的脉冲进展分频并按照逆变器导通的要求与正、反转指令进展脉冲分配以与脉冲放大器等组成。目前，16位、32位单片机已进入了实用阶段，不仅硬件模块化，而且软件也可做成标准模块形式，配上通用的标准接口，系统组成可以任意扩展和修改，近年来，以微机为根底的控制技术以与构成的控制单元系列已经在交流调速传动PWM控制、矢量控制、直接转矩控制与复杂的解耦控制控制系统中广泛应用，使交流调速技术进入了一个崭新的阶段。在异步电机变压变频调速系统中，电机承受逆变器输出的电压而运转。对电机来说，有用的是电压的基波，希望SPWM波形中基波的成分越大越好。第4章城轨列车网络控制系统T与LonWorks网络1988年，ICE第9技术委员会TC9成立了第22工作组WG22.，其任务是制定一个开放的通信系统，从而使得各道机车车辆能够互相连挂，车上的可编程电子设备能够互换。1992年6月，TC9WG22以委员会草案的形式向各国发出列车通信网络T的征求意见稿。该稿分成4个局部：第一局部总体结构，第二局部实时协议，第三局部多功能车辆总线，第四局部绞线式列车总线WTB。列车通信网络寻址各铁路车辆中所有相关的拓扑结构，它包含两级：连接各车辆的列车总线和连接一节车辆内或车辆组阁设备的车辆总线。一节车辆可以有1条或几条车辆总线，也可以没有，车辆总线可以跨越几节车辆。TNC网络拓扑结构如图41。图41TNC网络拓扑结构TIEC61375标准适用于开式列车的数据通信，它包括开式列车的车辆与车辆间的数据通信与开式车中一个车辆内的数据通信。应用T标准的列车通信总线WTB能实现国际交通拥的开式列车中各个车辆的协同操作。车辆内部的数据通信总线(MVB)作为T的推荐方案。在任何情况下，供给商应保证WTB与所建议的车辆总线兼容。开式列车由一组车辆构成的列车，其组成在正常运行中是可以改变的，如UICX围内的过轨列车；闭式列车由一组车辆组成的列车，在正常运行中其组成不会改变，如地铁，城郊列车或高速列车组；多单元列车由几个闭式列车单元组成，在正常运行中，组成列车单元数量可以改变。列车通信网络T连接铁路机车车辆上车载可编程设备，其支持如下功能：牵引和机车车辆上的控制，远程诊断与维护，旅客信息机舒适性。列车通信网络的根本结构是两条总线组成的三层结构，列车通信网络包含了两种总线：连接一个车辆设内备的多功能车辆总线MVB，总线能快速响应，工作速率为1.5Mbit/s介质为双绞线或光纤；连接列车中各车辆的绞线式列车总线WTB，总线能自己组态，工作速率为1Mbit/s，介质为双绞线屏蔽线。 三层结构是列车级控制、车厢级控制、设备级控制三层。 两条总线在链路层提供了一样的两种服务：1过程数据：周期性的，源寻址广播数据。2消息数据：按需传送的，目标寻址的数据报文。在更高层，T实时协议提供两种与总线独立的应用服务：1变量群分布式过程数据库。2消息群呼叫/应答与多播消息。T分为上、下两层，上层为列车总线，即WTBwirst train bus绞式列车总线；下层为车辆总线，即MVBmultifunction vehicle bus如图42：图42 列车通信网络结构图 绞线式列车总线WTB1 WTB物理层WTB采用屏蔽双绞线，要求有较高的机械连接性能。使用该种介质可以达到1Mbit/s通信速率，长度为860m，对应22节26m长的UIC列车。可连接至少32个节点；MVB采用曼彻斯特编码，每一数据位码元中间都有跳变，从高到低的跳变负跳变表示1，正跳变如此表示0。图43为WTB总线拓扑图。图43 WTB总线拓扑图2 WTB 报文WTB规定了三种报文：过程数据报文；消息数据报文管理数据报文。报文表问表格式如如下图表4-4：图44 WTB报文表格式3 WTB列车的初运行 绞线式列车总线通过手插式跨线电缆或自动连接器来实现车辆之间的互换。WTB使用12线UTC电缆再加上一条能以1Mbit/s传送数据的专用屏蔽线。中缆的布置采用冗余原如此。装车电缆每一侧各有一根电缆。WTB无需中继器传送距离库到860米。WTB最显著的特色，是它的以连续顺序给节点自动编号和让所有的节点识别何处是列车的左侧或右侧的能力。每当列车组长改变时，列车总线各节点执行初运行，初运行后所有车辆获得的结构信息包括以下几点：相对于主节点，它们各自的地址、方向和位置列车中其他车辆的书库量和位置。其他车辆的型号和种类与支持功能。各车辆的动力学性能，该信息可以帮助制动计算机列车长度和重量。为实现初运行，每个节点包含两个HDLC通道，每个通道对应一个方向。 MVB总线MVB是将位于同一车辆，或不同车辆中的标准设备连到列车通信网络上的车辆总线，它提供了两种连接：一是可编程设备之间的互联，二是将这些设备与它们的传感器和执行机构互联。MVB能寻址至4095个设备，其中可有256个是能参与消息通信的站。1MVB也能用作正常运行中不分开的列车的列车总线。MVB传送三种烈性的数据：过程数据：源寻址数据的周期性广播，最快的周期为1ms。消息数据：根据需要，目标寻址的单播或广播。监视数据：传输事件分解、主设备权分解、设备状态等数据。2MVB可采用三种不同的物理介质，它们都在一样速度下工作：20m以内采用电气短距离介质ESD，允许使用标准的RS-485收发器，每段最多可支持32个设备。200m以内采用电气中距离介质(EMD，每段最多支持32个设备，采用双绞屏蔽线和变压器作电气隔离，允许使用标准的ICE1158-2变压器和收发器。2000m以内采用的光纤介质OGF，采用点对点或星耦连接。MVB介质访问控制采用主从方式，由唯一的主控器以定时轮询的方式发送主控帧。总线上其它设备均为从属设备，需要根据收到的主控帧来回送从属帧。它们不能同时发送信息。MVB由专用主设备总线管理器进展管理。管理器是唯一的主设备。为增加可用性，可能有多个总线管理器，可能有多个总线管理器，它们以令牌方式传递主设备控制权。在列车运行时通信网上传送的只有过程数据和消息数据，这两种数据用周期传送和非周期传送来区分。周期性和偶发性数据通信共享同一总线。但在各设备中被分别处理。周期性和偶发性数据发送由充当主节点的一个设备控制图45为MVB周期数据传输。图45 数据传输图 LonWorks网络列车通信网络也可以使用LonWorks技术,LonWorks技术是目前几种有影响的现场总线技术之一。支持双绞线、电力线、无线电、红外线和光纤等多种介质，支持总线型、环型。自由拓扑型多种拓扑，传输信号采用分曼彻斯特编码；是现有各种现场总线中唯一提供了OSI参考模型中所定义的全部7层服务的网络，它有配套的节点，路由器或网关开发，网络调试、安装设备，可以在较高层次上实施网络工程。LonWorks是一个开放的控制网络平台技术，它的特点是具有公平性，对等性。网络中的每一个设备都可以独立承受，传送和处理网络信息。与其他设备无关传输速率78kbps。LonWorks可以有域子网和节点3层结构，每个域可以最多255个子网。每个子网可以有127个节点。4.2ARET网络和CAN总线 ARET 网络概述ARET是一种基于令牌传递协议的现场总线，它最初是美国Datapoint公司20世纪70年代末作为办公自动化网络开展起来的，由于其具有快速性、确定性、可扩展性和支持长距离传输等特点，非常适合过程实时制，近年来被广泛应用在各种自动化领域，是一种理想的现场总线技术。下面介绍令牌环网络和令牌总线的根本知识。 ARET 令牌总线 ARET是典型的令牌总下网络，1999年成为美国国家标准ANSI/ATA-878.1。从OSI参考模型来看，ARET定义了ISO/OSI七层网络体系模型中的数据链路层和物理层，其开放底层接口，允许用户自动开发嵌入式设备。1ET的节点与地址每个节点ARET物理节点包括一个数据链路层的通信控制器芯片和一个物理层的发收器芯片。每个节点有一个网络地址，令牌以递增的节点地址序号，从一个节点传递到另一个节点，形成逻辑环路。节点使用唯一的MAC地址标识自己，单个ARET子网最多可有255个节点，ARET支持点对点的定向消息和单向点对多点的广播消息。在数据令牌环机制，各节点通过传递令牌来协调网络使用权。2ARET的物理层 在物理层，ARET支持总线型、星行以与分布式星行拓扑结构。ARET速率为2.5Mbit/s,传输介质有同轴电缆、双绞线、光纤，可满足绝大多数自动控制应用对速度、抗干扰性和物理介质的要求。新型的ARET plus速率已从原来的2.5 Mbit/s增加到100 Mbit/s使用光纤时。3ET 工作机制ARET