电力牵引传动与控制第一章电力牵引传动与控制系统概述一、系统组成与功用1.①内燃机车电力传动与控制系统组成②电力机车电力传动与控制系统组成2.机车理想牵引特性曲线图1.2 牛马特性理想特性要求：机车在运行时能经常利用其动力装置的额定功率.即：F·V=3.6η·N=const.3.电传动装置的功用？图1.3 柴油机功率特性和扭矩特性①充分利用和发挥机车动力装置的功率；②扩大机车牵引力F与速度V的调节范围；③提高机车过载能力，解决列车起动问题；④改善机车牵引控制性能。
Why要电传动：柴油机通过机械直接传动不能适应机车起动、过载、恒功等要求二、系统分类1.直-直电力传动系统内燃或电力机车采用直流牵引发电机或直流电网直接向数台直流牵引电动机供电的传动方式。
特点：①调速性能优良，系统简洁。
②直流牵引电机造价较高，但可靠性、维护性相对较差。
③受直流电机换向条件和机车限界、轴重等限制，主发电机单机功率受到限制。
一般在2200KW以下。
④车型：早期DF,DF2,DF3,ND1,ND2等2.交-直电力传动系统内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流网及变压器，通过整流器向数台直流牵引电动机供电的传动方式。
特点：①采用三相交流同步发电机，结构简单，可靠性高，重量轻，造价较低。
②适用于大功率机车。
③车型：DF4，DF5，DF7，DF11，ND4，ND5，SS3-SS9等。
3.交-直-交电力传动系统内燃或电力机车采用交流牵引发电机或单相交流电网及变压器，经整流器将交流电变换成直流，再通过逆变器将直流电变换成频率和幅值按列车运行控制要求变化的交流电，向数台交流牵引电动机供电的传动方式。
特点：①采用交流牵引电机，彻底克服了直-直系统的不足，重量轻，造价低，可靠性及维修性好②良好的粘着性能③适用于大功率④控制系统复杂⑤车型：DF4DAC,NJ1; DJ,DJ2,DJJ1,DJ4; HX、CRH系列等三、发展历史与现状1.大功率（内然）机车电力传动与液力传动两种主要传动方式的演变与发展主要趋势：电力传动2.电力传动形式的发展：直-直→交-直→交-直-交发展趋势：大功率、电力牵引、交流传动第二章、电力牵引交-直传动与控制、一、直流牵引电动机1.基本方程①感应电势和电磁力矩电枢感应电势：Es=CeΦsn（v）（2-1）电枢电磁力矩：M=CmΦsIs（N·m）（2-2）式中：n 电机转速（r/m）Φs 每极下磁通量（wb)Is 电机电枢电流（A）Ce=pN/60a（电机电势常数）Cm=pN/2πa（电机扭矩常数）p 极对数；a 电枢绕组并联支路对数；N 电枢绕组有效导体总数②电势平衡方程③转矩平衡方程式④能量（功率）平衡方程2.直流牵引电动机的工作特性------着重把握比较串励与他励直流牵引电动机转速特性：n =f（Is）转矩特性：M=f（Is）机械特性：n =f（M）条件：不对电源电压和励磁电流进行人为调节。
①转速特性n =f（Is）由（2-1）和（2-4）式可得：n=(Us-IsRs)/(CeΦs)=Us /(CeΦs)- IsRs /(CeΦs) （2-9）他励电机：Φs≈const.n=no-kIs ------（硬特性）串励电机：Φs≈k’Is（磁路未饱和时）n=a/Is-b ------（软特性）其中no =Us /(CeΦs)；k，k’，a，b为常数。
②转矩特性M=f（Is）③机械特性n=f(M) 直流电动机特性牵引性能分析与比较1.电气稳定性：一般情况下，串励和他励电动机具有电气稳定性。
但他励电机稳定余量较小，对于无补偿绕组的电机，由于电枢反应的去磁作用，在大电枢电流时，有可能进入不稳定状态。
2.负载分配性：当多台牵引电动机并联工作、电机特性有差异时，串励电机比他励电机负载分配不均匀程度要小得多。
同一台机车动轮直径有差异时，采用串励牵引电动机比他励电机负载分配均匀。
3.输入电压波动对电机电流和牵引力的影响：当外加电压突变时，由于他励电动机励磁不变，电枢反电势不能及时增加，将使过渡过程开始阶段电枢电流冲击过大，串励电机电流冲击要小得多。
4.牵引电动机功率利用：串励牵引电动机具有软特性，转速随转矩的增大而自动降低，故串励电动机的功率变化比他励牵引电动机要小，接近恒功率曲线，可以更合理地利用与牵引功率有关的电器设备容量。
5.粘着性能分析比较：串励电动机由于特性较软，空转发生后的稳定滑动速度V4高于他励电动机的稳定滑动速度V3。
从粘着重量的利用观点出发，他励牵引电动机优于串励牵引电动机。
3.速度调节①调压调速：改变Us调速n2/n1≈Us2/Us1 （2-13）（假定IsRs≈0时）②磁场削弱调速：根据电机转速公式，近似有：n2/n1≈Φs1/Φs2 （2-15）思考题：1.恒功率控制条件下，牵引电动机磁场削弱前后的工作状态如何变化？a. 磁场削弱后瞬间电机电枢电流增大,电压减小（恒功控制系统作用）；b. 根据扭矩平衡方程可知，若外界阻力Mz不变且电磁力矩M与Mz已处于平衡状态，则电机转速将保持不变。
但若在Mz< M时进行磁场削弱，则电机转速可增大，机车速度增加2.恒功磁场削弱调速过程及优缺点分析a.经济调速，可重复使用主发电机的恒功曲线，扩大机车恒功调速比。
b.使牵引电动机换向条件恶化，运行可靠性降低。
二、同步交流牵引发电机貌似并不是重点，看起来也并不会像考的样子；感兴趣的同学可以看一看PPT，只求及格的话，可以跳过。
三、交-直型内燃机车恒功调速系统1.系统任务与要求a.机车恒功系统的任务机车柴油机恒功→辅助功率+牵引功率恒定→辅助功率变化时，调节牵引发电机励磁→恒功机车柴油机恒功（辅助功率不变）→牵引功率恒定→牵引发电机恒功输出→恒功励磁调节机车全功率运行---﹥柴油机额定工况机车部分功率运行---﹥柴油机按经济特性运行宽广的调速范围（恒功调速比等）良好的起动性能（启动牵引力，平稳性等）其他牵引性能要求（粘着利用，节能，可靠性，维修性等）2.电路组成结构a. 间接控制方式控制信号功率小，时延，惯性大b.直接控制方式系统简洁，动态性能较好，但需要较大的控制功率优点：①现代大功率的交-直机车多采用全并联主电路形式，电路简洁，粘着利用较好；②采用磁场削弱调速较经济地扩大了机车恒功调节范围；特点：①主电路中支路数较少；②扩大了牵引发电机的调压范围，可有效地增大机车恒功调速比；③粘着利用较全并联方式差；3.牵引发电机恒功励磁控制系统基本工作原理原理：①任何闭环控制系统均基于“检测偏差，纠正偏差”原理工作；②采用具有积分环节的调节器，可使系统静态误差为0，成为无“静差”系统；4.电子恒功励磁系统（ND5-框图）系统特点：①采用大规模集成模拟电路，实现综合控制，改善了机车牵引性能；②采用励磁机励磁直接控制方式，使系统具有良好的动态性能；③将柴油机废气涡轮增压器的转速、超速信号引入励磁控制系统，改善了柴油机的燃烧状态；④设置有“功率斜坡”单元，改善了机车的起动性能，提高了机车的粘着利用并实现多参数综合控制；四、内燃机车电力传动装置参数1.衡量机车牵引性能的主要参数指标机车最大起动牵引力FQmax---机车发挥Fc时的速度；机车持续牵引力Fc---牵引电动机在全磁场持续电流工作时发挥的牵引力；机车持续速度Vc---机车发挥Fc时的速度；机车恒功速度范围及恒功最大速度Vpmax---是指机车发挥满功率时所能达到的最高恒功率运行速度；机车构造速度Vg---一般等于机车最大速度。
2.恒功率控制下的主要调节参数恒功调速比和电传动系统参数3.牵引电机容积功率概念五、交-直型电力机车传动与控制系统1.主电路结构与工作原理1）牵引电动机供电及其连接方式a.集中供电、牵引电动机并联（SS1，SS3）b.部分集中供电、同一转向架牵引电动机并联（SS4，6G）c.部分集中供电、同一转向架牵引电动机串联（8K）d.部分集中供电、不同转向架牵引电动机并联（6K）2）整流电路形式与工作原理a.调压开关+二极管整流电路（SS1）b.多段桥顺序控制（半控或全控桥）电路多段（半控）桥相控整流电路工作原理：二段半控桥、四段半控桥六、电阻制动1.电气制动-再生制动和电阻制动-基本原理PPT并没有明确说明原理就是一堆公式感觉并不会考无关紧要啦2.电阻制动特性与制动工况限制范围1）三种制动控制特性：恒励磁制动特性、恒制动电流制动特性、恒速制动特性2）制动工况限制范围：最大励磁电流，最大粘着，最大制动电流，换向条件，最大速度七、黏着控制1.基本概念2.黏着控制目的？在保证不发生空转前提下，获得最大的粘着利用率，使机车能发挥最大平均牵引力3.黏着控制方法？传统的校正型黏着控制方法；基于黏着特性及蠕滑速度控制的现代黏着控制方法（蠕滑速度法和黏着斜率法）4.ND5机车空转检测保护电路特点？1）脉冲转速检测（f/v）2）加速度检测（转速微分）3）轮径自动校正（惰行状态及V>12km/h下进行）4）空转检测分析与空转信号的分级输出（四级空转信号）8K电力机车空转检测保护电路特点？1）轮径修正2）检测轮对速度差、加速度及加速度变化率3）牵引电动机电流给定修正算法4）自动寻找并记忆最大粘着系数时的电流值第三章、电力牵引交流传动与控制一、电力牵引交流传动技术概述1.机车交流传动系统的基本结构交流传动机车（电动车组）：指采用静止式变流器供电和交流异步或同步牵引电动机驱动的机车（电动车组）变流器类型：交-交变流器（直接式）、交-直-交变流器（间接式）系统基本结构型式：交-直-交（电压型）变流器+交流异步牵引电机系统（普遍应用）交-直-交（电压型）变流器+交流同步牵引电机系统交-直-交（电流型）变流器+交流异步牵引电机系统交-交变流器+交流同步牵引电机系统2.大功率电力电子器件晶闸管（Thyristor）70年代及以前使用的主要开关元件：半控，低频GTO（Gate turn-off thyristor）80年代，电流控制可关断元件，已广泛用以大功率变流器GTR（Gaint Transistor）大功率晶体管电流控制双极型自关断元件，通态压降低功率场效应管（Power MOSFET）(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)IGBT(Insulated Gate Biplar Trasistor)绝缘栅双极晶体管兼有MOSFET和GTR的优点：高速（20-50kHz)、高阻抗，低压降等混合器件，电压控制元件PM（Intelligent Power Module)智能功率模块集功率开关、驱动隔离电路以及过流、过压、过热保护等于一体的智能型模块3.交流传动的优点1）异步电动机陡峭的自然外特性利于抑制机车空转和打滑，可大幅度提高机车的粘着性能2）牵引电机结构简单、可靠，电机热利用率高，维护、维修方便，运用维护费用低3）单机容量大（不受换向限制），转速范围宽，重量轻体积小4）交流传动机车功率因数高，等效干扰电流小，节能，环保5）三相鼠笼式异步牵引电动机造价低二、电力牵引交流传动基础1.异步牵引电动机的基本特性1）电磁转矩特性2)临界转矩、转差率与电机其它参数的关系3）机械特性M=f(n)4）谐波电流（磁场）引起的谐波转矩（附加转矩）对机械特性的影响高次谐波电流（磁场）使电机启动阶段转矩发生较大幅波动，恶化了起动性能，并可使电机转速不稳定或大幅波动。