动车组传动与控制作业参考答案(1-3章)

1《动车组传动与控制》作业参考答案作业一(1-3章)一、名词解释：1.动力分散牵引方式：以日本为代表，将全列车分为若干个动力单元，在每一个动力单元中带牵引电机的驱动轴（动力轴）分散布置在单元的每一个或部分车轴上，将传动系统的各个动力设备也分散地设置在各个车辆底下，不占用任何一辆车厢。2.动力集中牵引方式：以欧洲为代表，动力集中型高速列车是将动力设备全部设置在一辆头车中，全列车的牵引力由集中在动力头车的动力轮对上的电动机提供。3.恒功率调速比：恒功率调速比定义：cPMnvvk式中：PMv为恒功率区的最高速度；cv为持续速度。4.变压器的额定容量：在铭牌规定的额定状态下变压器输出视在功率的保证值，称为变压器的额定容量SN。额定容量用伏安（V·A）或千伏安（kV·A）表示。由于变压器的效率很高，通常一、二次侧的额定容量设计成相等。对三相变压器，额定容量系指三相容量之和。5.变压器的额定电压：正常运行时，规定加在一次侧的端电压称为变压器一次侧的额定电压U1N。二次侧的额定电压U2N是指变压器一次侧加额定电压时二次侧的空载电压。额定电压以V或kV表示。对三相变压器，额定电压是指线电压。6.变压器的额定电流：根据额定容量和额定电压算出的电流称为额定电流，以安表示。对三相变压器，额定电流指线电流。对于单相变压器，一次和二次额定电流分别为：NNNNNNUSIUSI2211,对于三相变压器，一次和二次额定电流分别为：NNNNNNUSIUSI22113,3（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：11nnnS（2）异步电动机的机械特性：异步电动机的机械特性是指转差率与电磁转矩之间的关系Tem=f(s)。（3）异步电动机的临界转差率：最大转矩对应的转差率称为临界转差率。二、简答题：1.简述动车组的几种传动方式。答：动车组的传动方式有：交-直传动方式；交-直-交、交-交传动方式。交-直传动：指机车或动车组采用交流供电而采用直流电动机驱动动车组运行的传动系统。为了能够用电网提供的交流电驱动直流电动机工作，系统采用变流器，将交流电转换成直流电，并通过对变流器的控制来调整直流电动机的工作速度。交流传动：指由各种变流器供电的异步或同步电动机作为动力的机车或动车组传动系统。目前变流器主要有直接式变流器（即交-交变流器）和带有中间直流环节的间接式变流器（即交-直-交变流器）两大类。22.简述交流传动系统的优点。答：交流传动系统有以下优点：（1）有良好的牵引性能合理地利用系统的调压、调频特性，可以实现宽范围的平滑调速，使高速列车的高速利用功率Kp=1，恒功率调速比Kn≥2；能使列车启动时发挥出较大的启动力矩。（2）电网功率因数高、谐波干扰小电源侧采用脉冲整流器，通过PWM控制技术，可以调节电网输入电流的相位，并能在广泛的负载范围内使高速列车的功率因数接近于1；使所取电流接近正弦波形，谐波干扰小。（3）单位质量体积的牵引功率大由于异步电动机无换向器，转速可达4000r/min或更高，且质量轻、体积小、单位质量体积的牵引功率大、运行可靠。（4）动态性能和黏着利用好由于交流异步电动机有较硬的自然特性，其防空转（黏着利用）性能较好。特别是牵引控制采用矢量控制或直接力矩控制策略，不仅能使系统稳态精度高，而且能获得高的动态性能，可以使牵引力沿着轮轨之间蠕滑极限进行控制，更适合于高速、重载牵引的要求。3.动车组牵引变流器与牵引电机之间的参数匹配有哪几种方案？答：动车组牵引变流器与牵引电机之间的参数匹配方案：（1）最大电机最小逆变器方案；（2）最小电机最大逆变器匹配方案；（3）介于两者之间的折中方案。4.简述变压器的组成及基本工作原理。答：变压器由铁芯和绕组两个基本部分组成。铁芯构成变压器的磁路，同时又是套装绕组的骨架。铁芯由铁芯柱和铁轭两部分构成。铁芯柱上套绕组，铁轭将铁芯柱连接起来形成闭合磁路。绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝绝缘导线绕制而成。包括原绕组（或称初级绕组、一次绕组）和副绕组（或称次级绕组、二次绕组）。原绕组和电源或输入电压相连，它的两端就是变压器的输入端。副绕组与负载相连，它的两端就是变压器的输出端。原绕组只有一个，副绕组为一个或多个。绕组通常套装在同一个芯柱上，一次和二次绕组具有不同的匝数，通过电磁感应作用，一次绕组的电能就可传递到二次绕组，且使一、二次绕组具有不同的电压和电流。除器身（铁芯和绕组）外，典型的油浸电力变压器中还有油箱、变压器油、绝缘套管及继电保护装置等部件。变压器的基本工作原理：在一次绕组中加上交变电压，产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势。只要一、二次绕组的匝数不同，就能达到改变电压的目的。5.简述交流异步电动机的工作原理。答：异步电动机是利用电磁感应原理，在三相对称定子绕组中通入三相对称电流后将产生圆形旋转磁场，此旋转磁场切割转子绕组，在转子绕组中感应出电势，产生电流，进而在转子上形成电磁转矩，对外输出机械能拖动负载。旋转磁场是三相异步电动机实现机电能量转换的前提条件。三、综合分析题：1.试分析高速动车组牵引传动系统所采用的新技术。高速动车组牵引传动系统采用的新技术主要表现在以下几个方面：（1）新型全控电力电子器件的应用电力电子器件是牵引变流技术的基础和核心。诞生于20世纪80年代的新型全控制电力电子器件IGBT是一种MOSFET与晶体管复合的器件，由于它既有易于驱动、控制简单、开关3频率高的优点，又有功率晶体管的导通电压低、通态电流大、损耗小的显著优点，IGBT的发展及应用领域的拓展十分迅速。高速动车组牵引变流器的功率电子器件大多采用大功率IGBT/IPM。（2）牵引变流器PWM控制技术交流调速传动系统中的变流器，无论是电源侧的整流器还是电机侧的逆变器都属于开关电路，电路中开关器件的周期性通断，从根本上破坏了交流电压、电流的连续性和正弦性。电压、电流中的高次谐波，一方面给交流电网带来严重危害，另一方面又使电机运行性能恶化。谐波电流产生的脉动力矩，会引起运动轴系振动，增大运行噪声，严重时还会使电机不稳定运行。减小谐波含量的有效办法是牵引变流器采用PWM技术。高速列车牵引变流器均采用PWM控制技术。（3）列车驱动控制技术高速列车牵引传动系统是一个多变量、非线性和强耦合的系统。通常电压（或电流）和频率是可控的输入量，输出量则是转速、位置和力矩，它们彼此之间以及和气隙磁链、转子磁链、转子电流等内部量之间都是非线性耦合关系。近年来，现代控制理论的应用又促进多种控制系统的诞生，并解决了传统反馈控制理论所不能解决的控制问题。例如取得重要突破的矢量控制系统、直接力矩控制系统等。矢量控制系统是采用参数重构和状态重构的现代控制概念，实现电机定子电流的励磁分量与力矩分量之间的解耦，从而使交流电机能像直流电机一样分别对其励磁分量和力矩分量进行独立控制，是交流驱动控制最有效的方法之一。继矢量控制技术之后的另一个新的突破是直接力矩控制方法，与矢量解耦控制的方法不同，它无需进行两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算，而是直接在定子坐标系上计算电机磁链和力矩的实际值，并与磁链和力矩的给定值相比较，通过二点式调节器进行力矩的直接调节，加快了力矩的快速响应，使响应时间控制在一拍之内，能使系统的静、动态性能得到很大的提高。2.试分析CRH2型动车组牵引变压器的特点。CRH2型动车组牵引变压器，将接触网上取得的25kV高压电变换为供给牵引变流器及其他电器工作所适合的电压，其工作原理与普通电力变压器相同，但由于动车组变压器工作条件的特殊性，因此又有如下特点：（1）对质量和尺寸有严格限制，要求具有体积小、质量轻。①一次、二次线圈采用了铝质线圈。②电磁线电密大，用量小。③变压器采用壳式铁芯，其特点是铁轭不仅包围线圈的顶面和底面，而且还包围线圈的侧面。变压器油箱设计成适形结构，紧包变压器铁芯及线圈，所以，该变压器内部结构紧凑，可以减小变压器尺寸及质量。且采用日本新日铁公司特制30ZH105E低损耗硅钢片，降低了变压器的铁损。④该系统取消了二次滤波电抗器。（2）经常受到机械振动和冲击，要求其具有坚固的机械结构。（3）接触网电压变动范围大，受大气过电压和操作过电压等的影响，要求其具有较大的工作范围及较好的绝缘性能。（4）二次侧需要多种电压输出，要求其具有较多的二次线圈。（5）二次侧各绕组的电抗要求很高。为了抑制二次电流纹波、控制开关器件的关断电流以及抑制网侧谐波电流，要求各绕组有很高的电抗。以往交-直型电力机车牵引变压器的百分比电抗值为10％左右，而交-直-交型电力机车的一般在20％以上。（6）二次侧各牵引绕组的电抗要求相等。为了使二次侧并联的PWM整流器的负荷平衡，各牵引绕组的电抗必须相等。（7）二次侧各绕组之间必须去耦。二次侧各绕组之间相互干扰很强时，二次电流波形会产生紊乱，严重影响开关器件的关断电流并对抑制网侧谐波电流也不利，因此各绕组之间要采取磁去耦结构。4（8）二次侧励磁电抗应尽量小。（9）二次绕组为2个独立绕组，每个绕组与一台牵引变流器连接，确保二次绕组的高电抗和疏耦合性，两牵引绕组与各自的高压线圈耦合，相互间彼此相互影响很小，牵引变换装置具有能稳定运行的特性。另外，为对应于每个二次绕组的增容，一次绕组配置了2个并联的线圈。（10）一次绕组接地侧、二次绕组侧及三次绕组侧的绝缘套管采用了耐热环氧树脂将11根铜质中心导线注塑一体成形的端子板。（11）冷却绝缘介质采用硅油，其为二甲基聚硅氧烷结构，是无色透明的合成油，不含任何添加物、悬浮物等有害物质，具有好的环保性能。冷却系统中油冷却器采用铝制板翅式结构，质量轻、体积小，空气阻力损耗（400Pa）与油的阻力损耗（26kPa）低，散热量大（150kW）。另外，整个冷却系统中没有蝶阀，对所有外部组件的可靠性要求很高，维修率低。