列车牵引控制特性
（2）恒功率特性区
牵引电动机的输出功率可近似认为是电磁转矩Tem与频率f1的乘积，即
要使P2=C，可以看出有两种不同的选择。按照U1=C，f2/f1=C控制时，可获得最大电动机与最小逆变器的
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匹配；按照U1/f 1=C，f2=C控制时，可获得最小电动机与最大逆变器的匹配。
目前，所有电力传动系统均采用大电动机与小逆变器的匹配方式，即按照U1=C，f2/f1=C控制，可使系统获得更高的性价比。 （3）自然特性区
当逆变器输出频率超过最高控制频率以后，若牵引电动机定子端电压U1和转差频率f2均维持不变时，列车将运行于自然特性区，可进一步提高运行速度。此时Tem与f1的平方成反比例关系变化。 12.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。 13.简述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
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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。 14.简述电压型四象限脉冲整流器的特征。
答：脉冲整流器是利用电抗器的储能，达到整流、升压、稳压的目的，四象限脉冲整流器能够达到网侧功率因数接近1，并能实现电能的反馈。
四象限脉冲整流器能够执行脉宽调制和能量变换，即整流或反馈两方面的功能。这种整流器能够在输入电压和电流平面所在的四个象限中工作。作为电力牵引用的变流器，相应能够实现牵引、制动状态下前进、后退四种工况。
四象限脉冲整流器的突出优点是网侧功率因数高，可达到1，等效谐波干扰电流小。 15.简述三电平式脉冲整流器PWM控制原理。
答：四象限整流器各桥臂元件的开关状态采用正弦调制波us与三角波相交的方法，在A、B端获得正弦脉宽调制的电压波形us。为了减小谐波，A端与B端的调制波和载波在相位上均分别相差180o，载波的正向和负向也相差180o，调制方式如图所示。
三电平脉冲整流器PWM信号调制方式
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三电平式脉冲整流器等效电子开关的状态由对应的载波信号与调制信号的相互位置而定，其状态值按下式给定条件确定。
16.简述牵引变流器中间直流储能环节的作用和组成。
答：在交—直—交流变流器中，中间直流储能环节是连接四象限脉冲整流器和负载端逆变器之间的纽带。它不仅起到稳定中间环节直流电压的作用，而且还承担着与前后两级变流器进行无功功率交换和谐波功率交换的作用。
电压型脉冲四象限变流器中间直流环节由两个部分组成：一个是相应于2倍电网频率的串联谐振电路(也可以取消)，另一个是滤波电容器(支撑电容器)和过电压限制电路。 17.分析矢量控制的基本思想。
答：将三相异步电动机经3/2变换、2s/2r变换，变换到以转子磁场定向的M、T同步坐标系，并使M轴定向在转子磁链ψ2方向，就可实现励磁电流iM和电流iT的独立控制，使非线性耦合系统解耦，将其等效成直流电动机模型。然后仿照直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，再经过相应的反变换，即可以控制异步电动机。这就是矢量定向控制的基本思想。 18.分析转子磁链电压模型的基本工作原理及优缺点。
答：转子磁链电压模型是根据电压方程中电动势等于磁链变化率的关系，对电动机的电动势进行积分即可得到磁链。经推导可以得出：
式中 Lm——α-β坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感； L1——α-β坐标系定子等效两绕组的自感； L2——α-β坐标系转子等效两绕组的自感；
σ——漏磁系数，。
由上式可知，磁链计算只需要实测的电压、电流信号，不需要转速信号，计算过程只与定子电阻r1有关，与转子电阻r2无关，定子电阻r1容易测取。u1σ、u1β、i1σ、i1β很容易由测量得到的电动机定子三相电压、电流经过3／2变换得到。
电压模型受电动机参数变化的影响较小，算法简单便于应用。但由于含有积分运算，积分的初始值和累计误差会对结果产生影响。在低速时，定子电阻压降的变化较大，因此电压模型计算法在低速时测量精度可能不高，更适合于中、高速范围。 19.分析直接转矩控制的基本思想及控制方法。
答：直接转矩控制系统分别控制异步电动机的转速和磁链。采用转速双闭环控制，转速调节器ASR的
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输出作为电磁转矩的给定信号Tem，在Tem的后面设置了转矩控制内环，它可以抑制磁链变化对转速子系统的影响，从而使转速和磁链子系统实现了近似解耦。直接转矩控制系统组成如下图所示。
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按定子磁链控制的直接转矩控制系统
直接转矩控制系统的转矩和磁链采用了两个独立的闭环比较系统，直接控制电动机的转矩和转矩增加率，使转矩的瞬态跟踪能力很强。当系统给定的转矩发生变化时，电动机的输出转矩能够很快跟随，而磁链基本不受影响，仍按照原来规律变化。实现了电动机转矩与磁链的动态解耦控制。 DTC系统的转矩和磁链控制器采用Band-Band控制。
20.直接转矩控制（DTC）与矢量控制（VC）在控制方法上有何异同？
答：相同点：DTC系统与VC系统，数学模型本质相同，都是转速（转矩）和磁链闭环控制，都能获得较高的静、动态性能。
不同点： DTC系统采用定子磁链控制，受电机参数变化的影响小；转矩采用Band-Band控制，但有转矩脉动；采用静止坐标变换，较简单。
磁链闭环控制的VC系统采用转子磁链控制，受电机转子参数变化的影响；转矩连续控制，比较平滑；采用旋转坐标变换，较复杂。
矢量控制和直接转矩控制都采用对输出转速、磁链分别控制，都需要解耦。矢量控制采用两相旋转坐标按转子磁链定向，使定子电流的转矩分量与励磁分量解耦；直接转矩控制为双闭环控制系统，其转矩控制环作为内环，转速控制环作为外环，这可抑制磁链变化对转速子系统的影响，使转速和磁链子系统近似解耦。 三、综合分析题：
1.试分析SS8型电力机车整流调压电路工作方式、调压过程及其磁场削弱电路的工作过程。 分析：SS8型电力机车整流调压电路的工作方式：不等分三段半控桥顺序控制。 SS8型电力机车主电路原理图如下：
根据牵引需求，顺序导通V10和V11、V3和V4、V5和V6可以使牵引电机获得0.5Ud0、0.75Ud0和Ud0。而在各个电压等级内，可以通过调节晶闸管的导通时间来实现无级调压。 调压过程如下：
V1V3V51L2La1b1x11M2MV2V4V65V7V1019Ra2x2V8V11V15V1619V1418V13V9V12第12页共15页
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