兰州交通大学自学考试本科毕业论文
摘要
交流传动电力机车是指各种变流器供电的交流异步或同步电动机作为传动
电机的电力机车或电动车组。电力牵引交流传动系统主要由受电弓﹑主断路器
﹑牵引变压器﹑牵引变流器、三相交流牵引电动机﹑齿轮箱等组成。根据变流
器是否带中间回路，分为交直交变流器或交交变流器两类。根据中间回路的选
择原件的不同，又分为电压型系统﹑电流型系统两种基本结构。交流传动系统
主要由牵引变压器﹑牵引电机﹑牵引变流器组成。
交流传动电力机车具有如下优点：
1）良好的牵引性能；
2）电网功率因数高，谐波干扰小；
3）牵引系统功率大、体积小、重量轻；
4）动态性能和黏着利用好；
干扰。
交流传动技术经过近30年的发展与直流电力机车相比有如上些优良特点，
在国内外轨道交通运载装备中得到了广泛的应用。
交流调速系统目前的发展水平可以概括为:
1)
2)
3) 已从中小容量等级发展到大容量, 特大容量等级, 并解决了交流调速可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期连续运行能力，从而满足可以使交流调速系统实现高性能，高精度的转速控制。除了控制部分系统的性能指标问题, 填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。 有些场合长期不停机检的要求和对可靠性的要求。
可以得到和直流调速控制同样良好的性能外，异步电动机本身固有的优点又使
整个控制系统得到更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速
系统，调速精度可高达0.002％。
4)
关键词：交流传动基础；调速；启动；制动；平稳性
论文类型：应用与研究
5）显著的节能效果，良好的可靠性、维修性； 6）减少磨耗，降低运营成本，解决了对信号和通信设备的交流调速系统以从直流调速的补充手段发展到与直流调速系统相竞争、相媲美、相抗衡，并逐渐取代的地位。
交流传动电力机车性能分析
abstract
Ac drive locomotive refers to all converter power supply of asynchronous and synchronous
motor communication as the drive motor electric locomotive or emus. Electric traction ac
drive system mainly by the bow by electricity, Lord circuit breaker, traction transformer,
traction converters, three-phase ac traction motor, gear box etc. According to whether
converter with middle circuit, divided into/ZhiJiao converter or hand over two kinds of
converter. According to the choice of the original middle loop is different, and divided into
the voltage type system, current model system two basic structure. Ac drive system mainly by
the traction transformer, traction motor, power converters composition.
Ac drive locomotive has the following advantages:
1) good traction performance;
2) grid power factor is high, the harmonic interference is small;
3) traction system power is great, small volume, light weight,
4) dynamic performance and gelling use good;
5) significant energy saving effect, good reliability, maintainability;
6) reduce wear, lower operating costs, solve the signal and communications equipment of
interference.
Ac drive technology after nearly 30 years of development and dc electric locomotive is
compared on some good features, in domestic and international rail transit transport
equipment in a wide range of applications.
Exchange speed regulation system of the current development level can be summarized as:
1) already from small and medium-sized capacity development level to the large capacity, big
volume level, and solve the performance index of ac speed adjustment system, to fill the gaps
in dc speed control system super capacity in the blank of speed.
2) can make the communication speed regulation system has high reliability and long-term
continuous operation ability, so as to meet some situations long-term computer retrieval
requirements and to keep the reliability of the requirements.
3) can make the communication speed regulation system to realize high performance, high
accuracy of speed control. In addition to the control part can get and dc speed control also
good performance outside, asynchronous motor itself inherent advantages and make the
whole control system has better dynamic performance. The digital phase lock control variable
frequency speed regulation system of induction motor speed precision can be as high as
0.002%.
4) exchange speed regulation system from the dc speed control to supplement to and
development means dc speed control system in competition, comparable to, to compete, and
gradually replace status
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摘要 ················································································ 错误！未定义书签。
引言 ················································································ 错误！未定义书签。
1 交流传动电力机车的基础 ················································· 错误！未定义书签。
1.1电气化系统问题——电流制与电力机车 ······················· 错误！未定义书签。
1.2电力牵引交流传动系统的结构及类型 ··························· 错误！未定义书签。
1.3三相异步交流传动···················································· 错误！未定义书签。
2 交流传动电力机车的特点、工作原理及特性 ························· 错误！未定义书签。
2.1交流传动机车的特点 ················································ 错误！未定义书签。
2.2交流传动电力机车的工作原理 ···································· 错误！未定义书签。
2.2.1工作原理 ························································ 错误！未定义书签。
2.2.2各环节的作用 ·················································· 错误！未定义书签。
2.2.3交流传动电力机车的特性 ··································· 错误！未定义书签。
3 交流传动电力机车速度调节分析 ········································ 错误！未定义书签。
3.1概述 ······································································ 错误！未定义书签。
3.2 直流传动电力机车调速与交流传动电力机车调速比较 ····· 错误！未定义书签。
3.2.1直流传动电力机车的调速 ··································· 错误！未定义书签。
3.2.2交流调速 ························································ 错误！未定义书签。
4 交流传动机车的电气制动 ················································· 错误！未定义书签。
4．1电气制动概述 ······················································· 错误！未定义书签。
4.1.1电气制动的基本原理 ········································· 错误！未定义书签。
4.1.2电气制动的形式 ··············································· 错误！未定义书签。
4.1.3电气制动的特点 ··············································· 错误！未定义书签。
4.1.4机车采用电气制动时应满足的基本要求 ················· 错误！未定义书签。
4.1.5稳定性概念 ····················································· 错误！未定义书签。
4．2交流传动电力机车上的电气制动 ······························· 错误！未定义书签。
4.2.1电阻制动 ························································ 错误！未定义书签。
4.2.2再生制动 ························································ 错误！未定义书签。
4.2.3非黏着制动 ····················································· 错误！未定义书签。
5 交流传动电力机车的微机控制 ··········································· 错误！未定义书签。
5.1列车级控制 ····························································· 错误！未定义书签。
5.2机车级控制 ····························································· 错误！未定义书签。
5.3传动及控制 ····························································· 错误！未定义书签。
5.4列车信息系统 ·························································· 错误！未定义书签。
结论 ················································································ 错误！未定义书签。
交流传动电力机车性能分析
致 谢 ········································································· 错误！未定义书签。
参 考 文 献 ····································································· 错误！未定义书签。
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引言 当苏格兰人R·戴维森在1842年造出第一台标准轨距机车后开辟了电力机车时代的
到来。1879年5月，德国人W·V·西门子设计制造了一台能拉乘坐18人的三辆敞开式“客
车”的电力机车，这是电力机车首次成功的试验。1881年，法国巴黎展出了第一条由架
空导线供电的电车线路，这就为提高电压，采用大功率牵引电动机创造了条件：1895
年，美国在巴尔的摩—俄亥俄间5.6 km长的隧道区段修建了直流电气化铁路。1903年
德国的三相交流电力机车创造了每小时210 km的高速记录。
电力机车的发展取决于电气化铁道的发展。建设具有真正意义的电气化铁路首先要
解决如何提供高压电，改变供电制式的问题。
接触网供给机车的电流制，分为直流制和交流制两种（交流制中又分单相交
流、三相交流），这就叫供电制式。在电力车发展初期, 主要是采用直流电力机车, 另外
也有一部分三相交流制和单相低频制电力机车, 由于当时科学技术水平的制约, 直流制电
力机车供电电压不高, 三相交流制接触网设备过于复杂, 单相低频制电力机车又需要单
独的供电电网, 因此电力机车初期发展较慢,20世纪20年代中期, 接触网电压由由过去的
几百V 提高到了3000V, 当时世界各国电气化铁道采用的都是直流制, 接触网电压为
1500伏～3000伏, 为了克服直流电力牵引网电压低的缺点,1904年瑞士实验成功了单相
工频交流电力机车,1950年法国试制了引燃管整流器式电力机车,1960年西德制成半导
体整流器式电力机车,1958年美国发明晶闸管后, 晶闸管相控机车开始问世, 使制造大功
率机车用逆变器成为现实, 工频单相交流制推动了电气化铁道的发展。1973年～1974
年爆发石油危机之后，各国对铁路电力和内燃牵引重新进行了经济评价，电力牵引更加
受到青睐。英国原先主要是发展内燃牵引，也开始重视发展电力牵引。连已经完全内燃
化的美国，铁路电气化的呼声也很高。 这时候，半导体技术和微机控制技术的突破和
发展推动了新型电力机车的问世。1979年，第一台E120型大功率采用异步电动机驱
动的交—直—交电力机车在德国诞生，开创了电力机车发展的新纪元。
随着既有电力机车的更新换代和高速铁路的蓬勃发展, 干线电力机车的研制已
从直流传动转向交流传动。20世纪90年代，欧洲、日本等主要机车制造厂商几乎已停
止了直流传动电力机车的生产，交流传动电力机车已成为世界电力机车发展的主流, 目前
世界先进国家新造的大功率电力机车几乎都采用了三相交流传动技术, 单轴功率达到
1000～1600KW 的大功率客货通用型GTO 变频调速电力机车已经广泛投入运用, 在250
～300km/h及其以上的高速领域, 交流传动的电动车组独领风骚, 在140～220km/h的快
速客货运输领域, 交直型电力机车(或其他直流传动机车) 也正在被三相交流传动技术所
取代.
交流传动电力机车性能分析
1 交流传动电力机车的基础
1. 1电气化系统问题——电流制与电力机车
当今世界各国电气化铁路采用的电流制，也就是供电制有四种：直流3KV ，直流
1.5KV ，交流单项15KV 、162/3HZ和交流单项25KV 、50HZ 。这些电流制的出现与延续是
与某一时期的经济、技术发展状况和社会背景有关的。前三种主要在欧洲的一些国家中
使用，如意大利北部、法国和西班牙的部分地区。50年代以来，由于法国率先使用交流
工频相控机车取得显著的经济、社会效益，使这种系统迅速推广使用。
1）直流制 100多年前出现第一条电气化铁路（当时主要是工业、矿山和城市电车）
时，人们选择直流供电系统。那时除了直流制以外，几乎没有别的系统在技术上是比较
可行的。今天直流供电制在地铁、城市运输方面任然占主要地位，因为在这种公共场所
只容许低压电源，而且电网中的电压降比较小。
但在干线电气化之初，直流供电已显得很不合适，因为在低电压的情况下，无法
把所需要的功率送到足够远的地方。大约10年之后，通过采用换向极和完善的绝缘技
术，成功的研制了1500V 左右的直流牵引电动机，其绝缘结构可以承受两倍电压考验。
从而推动了一些国家（如意大利) 出现了大范围的1.5KV 和3.0KV 的干线铁路电气化系
统。
值得注意的是，对于直流供电的电路网来说，交流传动技术也有重大的意义。一些
国家和地区正是首先在采用这种供电制的城市运输装备上推广交流传动技术。
2）单项低频交流制 因为上面提到过的原因，曾在相当的时间不考虑直流供电而
选择三项交流设备。这就需要三线或两线接触网，后者的一个相接在轨道上。这种双架
空线系统中的主要问题在于必须考虑击穿距离，因而严格的限制电压（通常在3-4KV ）。
这种供电方式建造的唯一以大型电气化铁路网的是意大利国家铁路，而迄今还有少量的
山区或专线上，仍保留这种作为历史遗迹的供电系统。
另外一些国家则开始选择单相交流作为铁路电气化供电制。这种系统只需要单架空
线，而且通过电压变换立即可以采用10KV 的供电电压。当时的困难在于还没有可用的
电力机车。经过许多不同方案的研制和开发比较，终于在1912年选择了由单相串励换
向器电动机装备的机车和162/3HZ、15KV 电流制。由于牵引电动机中存在着交变磁通。
电枢绕组产生较大的变压器电动势，并引起电刷火花。这个问题后来通过采用几种措施
得到解决：降低供电频率162/3HZ，增加电动极数，以限制主磁通；使变压器电动势减
少，并在整个运行速度区域内补偿变压器电动势。在80年代广泛使用交流传动电力机
车以前，中欧和北欧的一些国家一直使用这种单相交流换向器电动机的电力机车。
3）单相工频交流制 20年代以后，欧洲已经实现50HZ 供电制，地区电网相互连接
建成高压大电网。对于铁路的电气化计划，采用公共电网的频率也变得极为重要了。在
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接触网电压高到25KV 的情况下，这种供电制被证实在经济上最有竞争力的。
在发展单相工频交流制供电的过程中，制造并实验了许多种新的牵引电动机和电力
机车。50HZ 单相交流串励换向器电动机，由于性能或结构的原因，很难提高功率。对于
运输条件困难的区段，比较适合的是使用所谓交流器机车和整流器机车。前者采用旋转
变频机供电的笼型异步电动机，其实就是交流传动电力机车。虽然实验表明，这种机车
的运行性能良好，但限于当时的条件，能量变换级数多、效率低，而且单位功率的重量
大，没能在实际中推广。整流器机车则首先将单相交流电压变换为合适大小的电压后进
行整流。这种机车可在高压侧或低压侧进行电压值的有极调节，直流侧通过电抗器平波
后向直流牵引电动机供电。随着技术的进步，硅二极管整流器替代了栅控泵弧整流器。
而当晶闸管出现时，整流器不仅实现整流，而且还进行调压，从而去掉了调压开关，简
化了结构，也减少了维修工作量。
1.2电力牵引交流传动系统的结构及类型
现代交流传动电力机车上，来自接触网的单相交流电在牵引变压器中变换成所
需要大小的合适电压，经整流器整流后供给给中间回路。以后将会看到，从单相交流接
触网来的功率是以脉动形式提供给中间回路的。但从传动特性来说，人们希望得到尽可
能恒定的功率，从而得到尽可能恒定的转矩。所以，中间回路首先是一个能量储存和变
换的装置，但它又是一个滤波器，在平衡功率波动方面起着决定性的作用。在电工技术
领域中，存在两种具有储能特性的无源元件:电容器和电抗器。基于所选择的不同的储
能元件，交流传动相应的分为两种基本系统：电压型系统和电流型系统。相应的，把有
关的交-直-交变流器称为电压型变流器和电流型变流器。
电压型变流器中，电容器用作中间回路的储能器，它接受相中间回路供给的瞬时电
流之差，并使电压保持恒定。由于这个电源具有低的内阻抗，所以逆变器的端电压不随
负载变化。这种逆变器称为电压源逆变器，对于单电动机传动或多电动机传动都同样适
用。但是低的内阻抗使得时间常数也很小，在逆变器端子上出现的任何短路，都会是短
路电流迅速上升，很难通过一般方法消除，必须采用快速熔断器或特殊的保护措施。
对于电流型变流器，采用采用电抗器作为中间回路储能器。它吸收波动形式的差电
压，保持中间回路的电流强度恒定。由于这个作为逆变器电源的中间回路具有很大的内
阻抗，逆变器上输入端的电流在负载变化时保持恒定。这种逆变器称为电流源逆变器。
但是，电流源逆变器的端电压明显的随负载变化。如果用来向多台并联的电动机供电，
那么其中任何一台电动机负载的变化都会影响到其它电动机的工作。所以，电流源逆变
器对于多电动机传动系统来说是不适用的。
对于电力牵引交流传动，除了不同类型变流器的选择以外，人们还要面临不同类型
的交流牵引电动机的选择：同步型还是异步型。迄今，在电力牵引领域出现的交流传动
交流传动电力机车性能分析
系统基本上有以下两类：
（1) 电流型变流器供电的同步电动机或笼型异步电动机系统；
（2) 电压型变流器供电的笼型异步电动机系统。
电流型系统其实是从相控整流桥供电的脉流牵引电动机系统直接演变过来的。只不
过在采用直流电动机的情况下，频率变换是由电动机上的机械式变频器——换向器来实
现的。而在交流传动中，这项任务由逆变器来实现。对于采用异步电动机的电流型系统，
逆变器依靠电动机的漏抗和谐整电容进行换相；而对于采用同步电动机的情况，则借助
负载本身换相电压（电动机反电势）进行换相。在这两种情况下，电动机各个绕组都将
流过方波电流，除了增大铜耗外，还是转矩中含有较明显的谐波成分。因此，需要采用
特殊措施。
在使用同步电动机的情况下，逆变器比较简单，也不需要对晶闸管提出特殊的要求。
但是，当速度在接近零的范围内，由于电动机反电动势的值太小，不足以使晶闸管换相。
所以，当电力牵引上采用这种系统时，在3%-10%额定速度值以下，仍然需要依靠附加的
强迫换相装置进行工作。另外一方面，为了向同步电动机的励磁绕组供电，必须采用集
电环和电刷，或者采用旋转整流器，结构比较复杂。
一个与上述系统不同的方案是，采用电压型变流器供电的异步牵引电动机系统。逆
变器向牵引电动机输出频率和幅值可变的三相电压，通过适当的选择脉宽调制技术，能
够进一步改善输出电压波形。在电动机漏抗的影响下，使电动机绕组中的电流尽可能接
近于正弦形，并从而减少转矩的脉动程度。此外，网侧变流器通过中间回路储能设备（二
次谐波吸收电路、支撑电容器）解耦，使得对接触网的反作用（如干扰电流和功率因数
等问题）可以通过网侧变流器的设计技巧加以解决。在迄今开发的交流传动电力机车上，
网侧变流器几乎全采用是四象限脉冲整流器。
1.3三相异步交流传动
1）三相交流异步电动机
电动机的转矩和功率变换是建立在定子和转子跨越气隙相互施加推力的基础上。产
生推力的原因是绕组中的电流（可以想象为沿着铁心表面以一定方式分布的电流层）与
气隙中的磁场（准确点说是气隙磁场感应强度的法向量）之间的相互作用。
在交流电动机的定子铁心中，延空间均匀布置三个绕组，各绕组相互错开120度。
交流异步电动机的转子有两种形式：绕线集电环转子和笼型（短路）转子。绕线转子中
的三相绕组如同定子一样，布置在转子铁心上，并通过集电环与电刷与外部相连接。笼
型结构的转子较为简单，由嵌在槽中的导电槽组成，两端借助圆环加以连接。笼型转子
不与电源连接，转子通过感应产生电压和电流，所以这种电动机也被称为感应电动机。
如果定子三相绕组依次接到三相电源的每一相时，产生一个磁场，其幅值所在的磁
轴相继与各绕组轴重叠，也就是说，三相绕组联合产生一个在空间不继移动的磁场。当
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三相绕组流过三相正弦电流时，则将产生一个旋转磁场。如果转子以略低于旋转磁场的转速转动，那么在转子绕组和旋转磁场之间，出现相对运动，从而在转子绕组中产生感应电压，引起电流。但是这个电流具有相对运动的频率，而不是电源的频率。人们称这个转子与旋转磁场之间的相对运动为“转差”，而相应的频率为“转差频率”。现在从空间的角度来观察一下这整个系统。在异步电动机中，转子与旋转磁场的同步速度减去转差速度的转速旋转，在其绕组中流过具有转差频率的电流。对于外部观察者来说，这两个频率（旋转频率和转差频率）相互叠加，所以转子电流层在空间也是以同步速度旋转的。这意味着，转子电流层相对于旋转磁场来说是静止的。所以，转子导条中的电流与磁场共同产生一个恒定的转矩。这里必须注意的是，对转矩起决定作用的仅仅是转子电流的有功分量。因为只有这个分量对磁场来说是处于合适的位置上，能够产生推力和转矩。异步电动机只有在异步运动的情况下，才能实现能量变化和提供转矩。作为电动机时，它旋转的比磁场稍微慢些，而作为发动机时，则稍微快些，当异步电动机空载运行时，旋转速度非常接近于同步速度。此时，它只吸收少量的无功电流（磁化电流），用来建立气隙磁场。
2）电力牵引交流传动系统的硬件配置
采用交流传动技术的电力机车或电动车组，为了实现能量的传输与变换，不可缺少的设备有三部分：①车顶高压设备，包括受电弓、空气或真空断路器、防止大气过电压的装置（如避雷器、放电间隙）和高压侧电压、电流检测装置。这部分设备的基本功能是保证通过弓、网动态接触，使机车从牵引变电所获得可靠供电。
②车内变流设备（主要包括牵引变压器和交-直-交或直-交变流器），以及相关的附加设备，如通风机、压缩机、泵等。它们的任务是实现电能形式的变换，以满足变频变压的要求；③转向架中的机电能量装换装置，也就是牵引电动机。当然，在转向架中还装有力的传递结构，如齿轮减速器、万向节空心轴传递装置等。
交流传动电力机车性能分析
2 交流传动电力机车的特点、工作原理及特性
2.1交流传动机车的特点
交流传动电力机车的本质特点是牵引电机采用了交流电动机，尤其是交直交型电力机车采用三相异步电动机，其一系列的优点都是由此表现出来的。
1. 优异的运行性能
电力机车的运输能力主要取决于启动牵引力、持续功率和最高速度下的剩余加速力。有数据表明交流传动电力机车经优化控制后，在干燥的轨面下黏着系数大于0.4。由于采用三相异步电动机作牵引电动机，目前生产的4轴交流传动电力机车的持续功率大都在5400kW, 远大于直流传动机车。恒功率区宽度为2.5～3，而直流传动机车一般在
1.5～1.6。
2. 显著的节能效果
交流传动电力机车 ，由于应用了四象限脉冲整流器，使得机车在1/4额定功率以上时的功率因数接近于1。牵引吨位的列车，接触网电流可降低20%左右。另外，它在不增加任何设备的情况下，就能方便地实现再生制动，从运动结果看可反馈10%的能量，且品质比相控机车好得多
3. 解决对信号和通信设备的干扰
交流传动电力机车，由于应用了四象限脉冲整流器作为输入端变流装置，不仅改善了接触网的功率因数，而且也从根本上保证了流过接触网的电流波形不会发生明显畸变，消除了对信号和通信设备的干扰。
4. 减少磨耗降，低运行成本
异步电动机结构中无换向器，所以相同功率的电机，异步电动机的重量轻、体积小，可使机车转向架簧下部分重量大大减少，在机车通过曲线时，轮轨间侧向压力也就相应减少，降低了轮缘和轨面的磨耗。
5. 良好的可靠性、维修性
交流异步电动机无换向器，除轴承外无摩擦器件，控制采用模块结构和诊断装置，提高了无故障运行公里数，而且减少了检修时间和维修费用，有数据表明交流传动电力机车的维修费用仅为相控机车的1/3。
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2.2交流传动电力机车的工作原理
交直交型电力机车由各种变流器供电的交流异步或同步电动机作为传动电机的电力
机车或动车组。交流传动电力机车的系统结构图如下图2.1所示。
图2.1交流传动电力机车的系统结构
根据变流器是否带中间回路，分为交直交变流器和交交变流器两类。根据中间回路
选择原件的不同，又分为电压型系统和电流型系统两种基本结构。因此电力牵引领域的
交流传动机车基本上有两类：电流型变流器供电的同步电动机或笼型异步电动机机车及
电压型变流器供电的笼型异步电动机机车，其传动类型如图2.2所示。
图2.2 笼型异步电动机机车的传动类型
交流传动电力机车性能分析
2.2.1工作原理
如图（2.3）所示为电压型变流器供
电的笼型异步电动机系统原理。来自接触
网的单行交流电经受电弓引入机车变压
器，在牵引变压器中变换成所需的合适电
压后送入电源侧变流器，将单相交流电转
换为直流电，提供给中间回路经平滑功率
脉动，送入电动机侧的变流器，将直流电
逆变为电压和频率可调的三相交流电供给
三相异步电动机，实现牵引运行。在这个
系统中，机车将电网的交流能量转换为直
流能量，然后进一步转换为电压和频率可
调的交流能量。 图2.3电压型变流器供电笼型异步电动机系统工作原理
1-电源变流器；2-中间回路；3-电动机侧逆变器；4-电抗器；
5-牵引电动机
2.2.2各环节的作用
1）电源变流器（入端变流器）
入端变流器式整流器，其作用是把单相交流电整流成为直流电。牵引时作整流器，再生
制动时作逆变器。为了减少转矩脉动，迄今开发的交流传动电力机车上，网侧变流器几
乎是采用四象限脉冲整流器。
1) 中间回路
由于在电源侧和负载侧都有变流器，都要产生谐波，同时每一瞬间电源侧输入的能
量和电机侧输入的能量又不相等，因此为了能量的平衡和滤波的需要，在直流环节中必
须加入有一定容量的储能和滤波元件。中间回路既是一个能量存储和变换装置，也是一
个滤波器，如果用电容器作储能器，接受向中间回路供给的瞬时电流从中间回路取用的
瞬时电流之差，并使电压保持恒定相当于一个电压源，称为电压型系统。如果用电抗器
作储能器，它吸收波动形式的差电压，保持中间回路的电流强度恒定相当于一个电流源，称为电流型系统。
3）电动机策逆变器
负载端变流器为逆变器，由于将直流电转换为三相交流电，同时为了机车调速的需
要，它具有较宽的调频范围和调压范围，向牵引电动机输出频率和幅值可变的三相电压。一般采用正弦波脉宽调制（PWM ）技术或采用电压相量（VVCPWM
）控制技术，以降低电
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机损耗，减少网压波动的影响。若逆变器输入电压保持恒定，称为电源逆变器。若逆变器输入电流保持恒定，称为电流源逆变器。
4) 电抗器
电抗器主要有两个作用：其一，降低电机、电缆中的高频率成分，控制噪声的传播，
抑制电机启动过程中的谐波分量；其二，保证频繁断开电机电路时不损坏变频器。
5) 牵引电动机
交流三相笼型（感应）异步电动机或三相同步电动机，进行机电能量的转换，实现
牵引制动功能。
由于电压型变流器供电的笼型异步电动机机车的转矩脉动以及对电网的反作用小，
适合于较大功率的机车，因此干线交流传动电力机车绝大部分都采用这种系统。
2.2.3交流传动电力机车的特性
交流传动电力机车的特性取决于交流电动机的特性的要求。异步电动机的矩速如图所示
图2.4异步电动机矩速特性
特性公式为
交流传动电力机车性能分析 ⎧60f 1⎪n =(1-s ) p ⎨⎪M =C M M I 2cos ⎩φϕ （公式2.1）
2
式中 f 1——三相交流电的频率（Hz ）；
p ——牵引电动机极对数；
M ——牵引电动机轴输出转矩（N ·m ）；
θM ——牵引电动机每极磁通（Wb ）；
I 2——牵引电动机电枢电流（A ）；
C M ——转矩常数，它由牵引电动机的结构从形式决定；
n ——牵引电动机转速（r/min）;
cos ϕ——三相交流电的功率因数。 2
它具有较硬的特性，为了满足恒转矩启动和恒功率运行的机车牵引特性要求，需要
采用适当的控制方式对牵引电动机的运行加以控制，交流传动机车牵引运行特性。特性曲线中额定频率以下采用恒磁通控制，额定频率以上采用恒功率控制。
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3 交流传动电力机车速度调节分析
3.1概述
电力机车无论何种调速方式，从运动安全的角度出发，下列基本要求都必须得到满
足：
1）宽广的调速范围。这里指电器调速范围，定义为电动机在额定负载下能达到的
最高转速和最低转速之比。要扩大调速范围必须设法尽可能提高最高转速，降低最低转速，只有具备了宽广的调速范围才能满足列车运行速度不断提高的需要。
2）冲击力小，牵引变化连续。速度调节应力求平稳，不间断牵引电动机的供电，
并且有尽可能多得速度运行级，从而避免电流和牵引力的冲击。
3）调速经济。在保证速度范围的情况下，附加设备要少，且尽量减少附加能量损
耗。
4）运行可靠，控制简单，操作方便。
交流传动电力机车的调速实质上是交流异步电动机的调速。对于交流异步电
动机的调速控制不同于直流电机，直流电机的控制可以对励磁即磁场和电枢电流分别进行独立控制，交流异步电动机的控制量只有定子电流，而定子电流的变化，不仅影响输出转矩，而且也使气隙磁链发生变化，即交流传动机车的转矩控制和磁通控制之间存在着很强的耦合关系。所以交流电机控制系统是一个强耦合、多变量、非现行的复杂系统。目前交流传动机车的控制方式大致有三种：转差率频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制。另外交流调速系统与直流调速系统相比，具有如下的特点：
（1） 容量大。这是由电动机本身的容量决定的，直流电动机的单机容量
一般能达到12-14MW ，而交流电动机容量却可以远远高于此值。
（2） 转速高且耐高压。直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能是
1000多伏，而交流电动机容易达到6-10KV 甚至更高。一般直流电动机转速只能
达到3000r/min左右，而交流电动机则可高达每分钟几万转，这使得交流电动机
的调速系统具有耐高压、转速高的特点。
（3） 交流电动机的体积、重量、价格比同等容量的直流电动机小，且交
流电动机结构简单、坚固耐用、经济可靠、惯性小，成了交流调速系统的一大优
点。
（4） 交流电动机特别是笼型异步电动机的调速装置环境适应性广。直流
电动机由于结构复杂，换向器工作要求高，使用中受许多环境限制。而交流电动
机却可以用在十分恶劣的环境下不致损坏。
（5） 由于高性能、高精度新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动系
交流传动电力机车性能分析
统已达到了和直流拖动系统一样的性能指标。
（6） 交流调速装置能显著的节能。
3.2 直流传动电力机车调速与交流传动电力机车调速比较
3.2.1直流传动电力机车的调速
直流传动（包括直直型和交直型两种）电力机车都是采用直（脉）流牵引电动机做
牵引动力。根据机车速度公式，
600πD D -a R v =∙=1000C e φc -R km /h ）C φ （公式2.2） D a v
常用的机车调速方案有两种：
1）改变牵引电动机端电压U D 的调压调速
现代直流电力机车如城轨交流电力机车、无轨电车，利用斩波原理对牵引电动机的
端电压进行连续、平滑的调节实现调速，机车的性能得以较为充分的发挥。
交直型电力机车，由于接触网的供电电压是经变压器降压和整流装置整流后，
供给牵引电动机，若调压在变压器环节，用改变变压器一次测、二次侧电压的方式进行，称为变压器有极调压，如国产SS 1型电力机车就属于低压侧33级有极调压方式; 若调压
在整流环节，利用晶闸管整流元件，通过改变晶闸管移相角调节整流输出电压，从而进行平滑无极调速，就称为相控调压，如国产的SS 1、SS 9、SS 7E 型电力机车就属于此种方
式。
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理相同，只要改变电机端电压，即改变输入电机的功率，就可以调节电动机的转速，从而获得与直流电机相同的调速特性。同时异步电机也可用调节励磁磁通的方法实现调
交流传动电力机车性能分析
速。在调节电机端电压或磁通事，必须调节电机的端电压的频率，以保证使该频率绕组中产生的感应电势的频率相适应。因而，同步电力机车的调速必须采用自动调频的可控硅调压变频器，同时在电机轴上装置检测器，根据检测器送出的信号去控制可控硅，以保证电机同步。
4) 转差频率控制
这是一种标量控制。其基本概念是基于交流异步机的转矩公式进行控制，单一
控制实现牵引控制要求。 S ωT ≈K φe m m r 2 （公式3.4）
式中T e ——异步电动机的输出转矩（N ·m ）；
Km —— 转矩系数;
＆m ——气隙磁通(Wb)；
S——转差率；
ωs ——转差角频率（rad/s）;
r 2——转子绕组的直流电阻（Ω）。
上式表明在很小的范围内，只能够维持气隙磁通恒定，感应电动机的转矩就近似的
与转差率与转差角频率成正比。也即在感应电机中控制转差角频率就能够达到间接控制转矩的作用。而要达到使磁场恒定，根据三相感应电动机每相定子电动势的公式：
E =4.44f N K φ11m （公式3.5） 1
式中 f1——定子频率（Hz ）；
N1——定子每相串联匝；
K——基波绕组系数。
当电动势较高时，忽略定子绕组中的漏阻抗压降用定子电压（U 1）代替定子电动
势（E 1）只要使U 1=C f 1，即在控制系统给定定子电压U 1和定子频率f 1时使交流电机的U Φ1
f 1气隙磁通接近于常数，就能满足恒磁通的要求。通过PWM 的方法可以生成变
器的输出电压。
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4 交流传动机车的电气制动
4．1电气制动概述
制动是机车运行的基本工作状态之一。当列车需要减速时、停车时或在长达下坡道上运行时需
要限制列车速度，都必须采取制动措施，控制机车的运行速度。现代铁路运输的安全性，在很大程度上取决于机车制动性能的好坏。随着铁路运输的发展，运行速度的不断提高，对级车的制动性能也相应提出更高的要求，以更好地保证机车在高速运行时的安全性和可靠性。
4.1.1电气制动的基本原理
机车电气制动时利用了电机的可逆性原理。电力机车在牵引工况下运行时，牵引电
动机做电动机运行，将电网的电能转变为机械能，轴上输出牵引转矩以驱动列车运行；在电气制动时，列车的惯性力带动牵引电动机，牵引电动机做发电机运行，将列车动能转变为电能，输出制动电能的同时，在牵引电机轴上产生反转矩并作用于轮对，形成制动力使列车减速或在下坡到以一定速度运行。
4.1.2电气制动的形式
根据电气制动电能消耗的方式，电气制动分为电阻制动和电气制动两种形式。如果
将电气制动时产生的电能利用电阻使之转化为热能消耗掉，称之为电阻制动。如果将电气制动产生的电能重新反馈到电网加以利用，称之为再生制动。
4.1.3电气制动的特点
1）提高了列车的安全性
列车除机械制动系统外，还配备了电气制动系统，因而提高了列车的安全性。机械
制动是靠闸瓦与车轮的机械摩擦来降低级车的运行速度，而机械摩擦系数又随温度的升高而明显下降，因此机械制动的性能和效果随着列车速度、载重和列车长度的提高而下降，且在高速时列车的机械制动呈现不稳定性，而电制动则相反，速度越高制动性能越好，而且与制动时间无关。
2）减少闸瓦和车轮磨耗
机械制动时，接触表面温度高，闸瓦和轮缘的磨耗十分严重，因为机械制动的
磨耗主要取决于制动力的强度，高速时制动强度大，磨耗就大，低速时则相反。所以高速时用电制动，低速时用机械制动可以大大地降低机车车辆轮轨的磨耗，大量节约制动闸瓦，延长其使用寿命。
3）提高列车下坡运行速度
由于机械制动时需要在每次排风制动后，充凤缓解至少约1min 待风压回复后
才能进行下一次制动造成下坡波动大，使列车的平均速度下降，而电气制动因其性能与制动时间无关，可使列车下坡速度提高8%，因而提高运输能力。
交流传动电力机车性能分析
4.1.4机车采用电气制动时应满足的基本要求
1）具有电气稳定性并保证必要的机械稳定性；
2）有广泛的调节范围，冲击力小；
3）机车由牵引状态转换为电气制动状态时应线路简单，操纵方便，有良好的制动
性能，负载分配力求均匀。
4.1.5稳定性概念
1）机械稳定性
机械稳定性指机车牵引列车在正常运行中，不会由于偶然原因引起速度发生微量变
化而使列车的稳定运行遭到破坏。电气制动的机械稳定性是指当偶然原因实际车速度增高（或降低）时，制动
力应随之增大（降低），
以保持原来的稳定运行
状态。
如图4.1所示为机
械稳定性分析。设在电
气制动工况下，机车在g
点稳定运行，若现有一
偶然因素使速度v 有一
增量△v ，对曲线1而
言，由于其斜率为负，
此时制动力将增大，使
速度v 进一步上升，因
而是不稳定的。
图4.1 电气制动的机械稳定性
而对于曲线2，由于其斜率为正，此时的制动力升高，迫使速度v 降低，因而是稳
定的，由此得出判定稳定性的条件：
实际上电力机车无论是电阻制动或再生制动的特性在高速区，保持制动电流恒定的
条件下特性曲线的变化率，故电气制动在高速区具有机械稳定性。
2）电气稳定性
电气稳定性是但传动机车在正藏运行条件下，不会由于偶然原因，电流发生微量变
化，而使牵引电动机电平衡状态遭到破坏。
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4．2交流传动电力机车上的电气制动
在交流传动机车中，电机也会需要也需要应用机械和电气制动（动力制动）来降低速度。现代高速动车组普遍采用动力制动完成大量的动能转换为热能和电能。无论再生制动还是电阻制动的情况下，电机都是工作在发电机状态并将存储在电机中的动能转换为电能。更具电机的可逆性原理知任何一台电机既可以是电动机又可以是发电机，只是电机的运行条件不同。异步电机在低于同步转速下是做电动机运行，那么在超同步转速下可以做发电机运行，超同步运行模式可以通过使逆变器输出频率低于电动机转速来实现。
随着列车运行速度的提高，轮轨间的黏着系数下降，制动距离加长，而制动能量是随着制动时运行速度的平方比上升，尤其当速度超过300km/h时，轮轨制动已经不能满足高速制动的要求。为了获得较高的减速度或较短的制动距离，开始采用非黏着制动方式，，目前各国采用的非黏着制动有两种，即电磁轨道制动和涡流轨道制动。另外高速时列车的动能转移方式由多种复合而成，即复合。一般复合制动主要包括空气制动、电气制动和非黏着制动，其能量分配的基本原则是：在正常制动情况下应该优先、充分发挥电气制动的制动能力，不足部分再由空气制动作为补偿；失电情况下，以空气制动为主；在紧急制动情况下，除空气制动和电气制动外还有非黏着制动起保证安全的作用。 4.2.1电阻制动
在电阻制动中，回馈到电机输入端的电能，通过逆变器转变为直流电能，此时逆变器工作于整流方式，该直流电能消耗在电阻上。图（）为电阻制动的工作原理图。在图中，电动机以发电机方式运行，逆变器以整流方式运行，是逆变器输入电流反向。逆变器的输入端是二极管整流桥的三相PWM 逆变器。由于直流电流无法通过二极管整流桥流回电网，因此它将给滤波电容充电，导致直流环节电压上升。制动电阻将并联在电容两端，用于将多余的能量消耗在电阻上，并对直流电压加以限制。电阻制动电路从本质上可以看成是一个降压直流电路，采用斩波控制将直流电压限制在一定范围内。制动电阻两端的电压为 U R =
U T
on
d
=2. 34on *U an cos α(α≤) （公式4.1）
T 3
π
式中U R ——制动电阻两端电压（V ）；
T on ——斩波器（S ）； T ——斩波周期（s ）；
U d ——三相桥整流输出电压平均值（V ）；
U an ——交流牵引电机相电压有效值（V ）。
交流传动电力机车性能分析
4．2电阻制动的工作原理
由于直流电压恒定，因此制动电阻所能吸收的最大电阻制动功率为U d
2
, 此时
d
IGBT 处于全通状态。因此通过调节IGBT 的占空比，可以使逆变器-电机的功率与消耗在制动电阻上的功率相匹配。此种制动方式目前仅用于小功率系统。 4.2.2再生制动
交流传动机车的网侧交流器大多采用四象限脉冲整流器，它能实现能量的双向流动，即能迅速、平滑、无节点地实现牵引与再生制动的转换。另外交流传动系统的电机采用三相异步电机，相同速度下发电机电势要高于直流电机，转换频率及经济性要明显好于直流传动机车，因此交流传动机车的电气制动多以再生制动为主要方式。制动时牵引变流器工作状态发生改变，逆变器仅有每个逆变原件上并联的二极管组成三相桥式不控整流电路，将三相异步电机的发电电能整成直流，逆变器工作在整流状态，输出直流电给中间环节，再由四象限脉冲变流器此时工作在逆变状态，将中间环节储存的直流能逆变为单项50HZ 交流电反馈回电网。
机车由牵引工况转换为制动工况，通过降低牵引电机定子的供电频率，转子的机械惯性将使其维持在高于旋转磁场的转速，此时转差率变为负值，电动机进入发电状态。三相定子绕组切割旋转磁场产生三相交流电，因此反馈的能量远大于直流传动机车的电能，在再生发电制动时，电能被反馈回电源，提高了传动系统的效率。在四象限速度控制中，电机速度可以通过再生发电制动减到零。 再生制动模式的传动特性，如图（4.3）所示。
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图4.3再生制动模式下的传动特性
4.2.3非黏着制动
非黏着制动是指不受轮轨黏着系数限制的电制动方式。主要有电磁轨道制动和涡流轨道动。
1）电磁轨道制动
电磁轨道制动是将制动电磁铁吸附在钢轨上，由电磁铁的摩擦块与钢轨摩擦产生制动力。如图（4.4）为电磁轨道制动的原理图。电磁铁的摩擦块安装于转向架构架上，制动时，由励磁控制器向电磁铁的励磁线圈励磁，同时提升筒充气，使制动电磁铁降至轨面，电磁铁与钢轨面相吸，产生摩擦制动力。制动力通过连杆装置传到转向架，由于不经过轮对，因此与轮轨黏着无关。缓解时，使电磁铁失电，同时提升筒放气，使制动电磁铁回到悬空位置。电磁轨道制动的特点是功率消耗小，对轨道表面有清扫作用，有利于提高黏着系数。不足之处是由于制动作用以摩擦块为基础，因此磨损大，会引起钢轨的局部过热磨损，严重时会导致钢轨损伤，因此此种制动仅限于紧急或安全制动。
交流传动电力机车性能分析
图4.4电磁轨制动原理
2） 涡流轨道制动
涡流轨道制动是利用电磁效应产生制动力。与磁轨制动不同的是，磁铁与钢轨不接触，始终保持7~10mm的距离。如图（4.5）所示为轨道制动原理示意图。列车制动时，利用磁场交变，在钢轨内产生感应涡流制动力。涡流制动的特点是，可以无磨损的应用紧急制动和常规制动，无需维修。其制动力可以调节控制，在高速范围内具有很好的制动特性，但涡流轨道制动所需制动功率较大，制动时会产生轨道局部高温现象，且轨道电路有一定的干
扰作用。 图 4.5 涡流轨道制动原理图
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5 交流传动电力机车的微机控制
交流动车和重联机车等现代列车控制是由挂在列车通信网络（TCN ）上的多微机系统来实现的，包括电力机车或动车组动力车中的微机系统或拖车上的微机系统。他们各自耦合在机车或车辆总线上，并通过列车总线相互交换信息和数据。交流传动控制装置也是以这种方式获得所需要的指令和状态反馈信息，并发送控制信号，也采取分级管理模式。一般分为列车级控制、机车级控制和传动级控制。
5.1列车级控制
列车级控制涉及与整个列车有关的给定值和控制变量，特别是重联控制列车或动力交流传动机车牵引控制系统的分级管理处理后传送到其他各机车或动力车上，实现统一指挥。借助列车级控制的这些指令，司机将较为容易的严格保持列车的运行速度，避免加速或减速时出现的冲击，并在目标制动时，能够迅速准确的停靠在站台上。
列车级控制的输入来自机车操纵台，它包括运行状态子指令牵引或制动、前进或后退以及速度或引力给定值，其最重要的是输出信号是牵引力或制动力的给定值。在采用转向架控制及重联的情况下，列车级控制保证各个动力单元的负载均匀分配，而无需采用其他的附加措施。
分散的动车组上，从司机所在的“本务车”发出的控制指令，过列车控制
5.2机车级控制
机车级控制涉及机车或车辆正常、有效运行的所有功能。在设有列车级控制装置的机车上，机车控制级的主要任务是优化黏着控制、分配制动力，对牵引力和制动力进行进一步的处理后发送给传动级控制装置。
此外，它还有以下功能：
（1） （2） （3） （4） （5）
限制冲击。通过限制牵引力或制动力给定值的变化，提高运行监视主要设备的过电流、过电压、欠电压、过热，必要时切断通过保护逻辑保证在接触网分相处的安全运行。
通过辅助传动控制装置，实现辅助机械按功率大小提供相应冷对所测的实际值(如电压、电流、速度、制动压力等）进行处理。
的舒适性。 主断路器。
却设备的最佳控制方式。
没有安装列车级控制的机车上，列车级控制其实也就是机车级控制装置。它的任务是处理来自司机台的轨道感应装置的指令或给定值，变成传动级控制装置所需要的转矩
交流传动电力机车性能分析
给定值。此外，负责受电弓、主断路器和辅助传动机械的控制，监视运行状态，人机对话。
一般情况下，机车级控制装置都是按余的原则，一个坏了有另一个接替工作，保证机车继续运行。
5.3传动级控制
传动级控制实现对每个动力单元的开环和闭环控制，包括电动机控制和变流器控制，保证提供合适的牵引力运行速度。传动级控制包括以下些基本功能。 (1)输入端变流器—四象限脉冲整流器的开环和闭环控制； (2)负载端—电动机控制，或空转与滑行保护及黏着优化利用； (3)电动机侧变流器—逆变器的控制； (4)变流器回路的监视与控制；
(5)整个传动单元的故障检测与诊断。
5.4列车信息系统
现代列车的控制和诊断功能主要包括以下几种信息
。
图5.1现代列车控制诊断图
1) 控制信息
即列车或机车的控制指令——牵引力或制动力的给定值，来自机车的司机操纵台或列车自动控制装置。
在列车控制级主要任务一是处理来自司机台或列车自动控制装置的信息，产生相关的控制变量；二是实现对总线的控制。它处于控制系统和信息传输的最上层。
在机车控制级，其主要任务是根据列车控制级来的指令和给定值，实现对本机车的
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控制功能，它处于控制系统和信息传输的中间层。在传动控制级，其主要控任务是对主变流器和牵引电机实现控制。
控制信息在所有三级之间相互交换，部分信息还参与与司机台、诊断及显示装置的信息交换。
2) 诊断信息
车载诊断包括发车前停车状态下的检测，以确定机车车辆的状态是否良好；运行状态是否良好；运行过程中对被控对象及相关装置进行功能诊断和记忆；在地面与其他设备联结做维修性诊断。车载诊断分为三级结构，各自提供相应的诊断信息。
部件诊断:由微机控制的各部件的自诊断，以及对被控对象的监控诊断。部件诊断信息经编码后传输到车辆诊断计算机中；
车辆诊断：机车或中间车辆的诊断计算机通过总线或I/O口搜集、分类、评估、储存本车中由微机控制的各部件的诊断数据，检测处理环境参数和时间标准，编码后传输到列车诊断装置中；
列车诊断：搜集、分类、评估、存储全列车的诊断结果，并在本务车上显示。 3) 服务信息与语言信息
服务信息是指车厢控制与诊断中心，一方面是对本车厢的服务功能如车门的开闭、空调、照明、旅客信息系统等进行控制，另一方面对这些功能装置的特征量进行诊断和检测，并把结果通过列车总线传送到列车诊断中心。
语言信息是指旅客信息系统向旅客提供运行信息、通信、娱乐和其他服务。 根据信息的结构、功能及传输特点，在列车通信网络中传输三类数据：过程数据——表征列车状态的过程变量值，如电机电流、制动力等；信息数据——如诊断数据和旅
客信息等；管理数据——仅限于同一总线上装置的状态检查或管理功能。
交流传动电力机车性能分析
结论
交流传动技术经过近30年的发展, 技术相对比较成熟. 交流传动电力机车与支流传动电力机车相比优势以下几点: 良好的牵引性能；电网功率因数高，谐波干扰小； 牵引系统功率大、体积小、重量轻； 动态性能和黏着利用好；显著的节能效果，减少磨耗，降低运营成本，解决了对信号和通信设备的干扰等等。随着电力电子学的迅速发展，交流传动技术在牵引领域的应用己取得广泛的技术成就，并产生巨大的商业利益；而交流牵引传动的推广应用又极大地促进了电力电子学的进步。希望这将有利于我国新一代机车牵引动力的发展与进步。交流传动电力机车正以其优越的性能奔驰在世界许多国家的铁路网上，它将成为今后我国电力机车的发展方向。
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致 谢
在这次毕业设计论文撰写过程中，我要感谢那些帮助过我的老师，同学以及所有曾经和现在帮助我的人。
首先要衷心地感谢我的指导教师王润国老师！他丰富的知识、严谨耐心的治学态度、全面的指导，对我启发颇多，收获颇丰，很有诲人不倦的作风。
其次感谢我们学院的每位老师，您们一直以来的辛勤工作和教诲使我能顺利地度过这难忘的三年，使我在综合素质提高、专业理论知识学习和实践工作能力等各方面受益匪浅。 最后感谢我的同学，是他们在我最需要帮助的时候，伸出友谊之手。
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参 考 文 献
[1] 中华人民共和国铁道部. 铁道技术管理规程. 北京：中国铁道出版设，1999 [2] 华平. 电力机车控制. 北京：中国铁道出版社，2003.
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