城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的分析及故障排除设计.doc

2023届毕业设计说明书 课题名称：城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的分析及故障排除设计 2023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及故障排除二、 指导老师：首珩三、 设计内容与规定：1、课题概述:随着电力电子技术的发展，电力牵引交流传动系统逐步替代了初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送的唯一选择和重要发展方向。而交流传动控制系统是交传机车和电动车组的核心部件，是列车运营的神经中枢系统。分析该系统的工作原理，掌握常见故障的解决方法有着非常重要的现实意义。本课题重要分析电力牵引交流传动控制系统的组成结构及各组成部件的重要功能原理，以及常见的交流传动控制技术；分析系统常见的故障现象及应急解决方法。2、设计内容与规定：（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及故障排除 HXD交传机车传动控制系统的分析及故障排除 城轨车辆交流传动控制系统的分析及故障排除每个子课题设计的重要内容可涉及：a.电力牵引交流传动控制系统的发展历史及现状分析b.电力牵引交流传动控制系统的组成结构分析c.电力牵引交流传动控制系统重要组成部件功能和原理分析d.各种交流传动控制技术的对比和分析e.电力牵引交流传动控制系统的常见故障排除f.结论（2）规定a.通过检索文献或其他方式，进一步了解设计内容所需要的各种信息；b.可以灵活运用电力电子技术、交流调速技术、CRH动车组HXD型电力机车等基础和专业课程的知识来分析电力机车交流传动控制系统。c.规定学生有一定的电力电子，轨道交通专业基础。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（设计方案比较与选择，设计方案原理、分析、论证，设计结果的说明及特点）6、 结束语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，了解课题思绪。第2-3周： 设计规定说明及课题内容辅导。第47周： 进行毕业设计，完毕初稿。第7-10周： 第一次检查，了解设计完毕情况。第11周： 第二次检查设计完毕情况，并作好毕业答辩准备。第12周： 毕业答辩与综合成绩评估。七、毕业设计答辩及论文规定1、 毕业设计答辩规定（1）答辩前三天，每个学生应准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）学生答辩时，自述部分内容涉及课题的任务、目的和意义，所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和重要方法、成果结论和评价。（3）答辩小组质询课题的关键问题，质询与课题密切相关的基本理论、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、 毕业设计论文规定文字规定：说明书规定打印(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、 图纸规定：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，尺寸标注规范，文字注释必须使用工程字书写。4、 曲线图表规定：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规定绘制。摘 要 随着电力电子技术的发展，电力牵引交流传动系统逐步代替了初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送的唯一选择和重要发展方向。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，是城轨列车运营的神经中枢系统。通过度析城轨车辆牵引传动控制系统的构造和原理，以及常见故障。有着非常重要的现实意义。本课题重要分析城轨车辆电力牵引交流传动控制系统的组成构件及各组成部件的重要功能原理，列车网络控制系统的介绍以及常见的交流传动控制技术，分析该系统常见的故障现象及应急解决方法。并展望了以交流传动技术为方向的我国城轨车辆装备制造业的发展前景。关键词：城轨车辆电力牵引 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, become 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 component 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 common breakdown processing method has a very important practical significance.The main topic of city railway vehicle AC drive control system in electric traction components and each component is the main function principle, train network control system is introduced as well as the common AC drive control technology, analyzes the common faults and emergency treatment method. And look forward to direction of AC drive technology of Chinas urban rail vehicle equipment manufacturing industry development prospect.Key words: Urban rail vehicle Electric traction AC drive Control systemTroubleshooting目录第1章电力牵引交流传动技术的发展历史及现状81.1电力传动形式的转变81.2交流传动技术的发展历史81.3我国交流传动系统的发展91.4我国电力牵引传动技术的现状101.5交流传动技术发展展望11第2章城轨车辆交流传动控制系统的组成及原理122.1城轨车辆交流传动系统的概述122.2城轨车辆交流传动系统的组成122.3城轨车辆交流传动系统的原理132.4北京地铁主辅电路图15第3章 交流传动系统的比较183.1交流系统的分类183.2 电压型变流器和电流型变流器的比较19第4章 列车网络控制系统204.1列车网络控制系统概述204.2我国城市轨道交通列车网络控制系统的应用244.3列车控制和诊断系统33第5章 城轨车辆电力牵引交流控制系统的故障排除355.1城轨列车常见故障及因素355.2轨车辆电力牵引交流控制系统的故障分析375.3牵引及控制系统的检测和检修方法385.4北京地铁10号线故障分析44第6章 总结45心得体会46参考文献47第1章电力牵引交流传动技术的发展历史及现状1.1电力传动形式的转变从很早的年代开始,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年西门子实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, 192023德国又试制了采用“劈相机”将单相交流供电进行旋转、变换为三相交流电的实验车。这些技术探索终因系统庞大、能量转换效率低、电能转换为机械能的转换能量小等因素,未能成为牵引动力的合用模式。1955年,水银整流器机车问世,标志着牵引动力电传动技术实用化的开始。1957年,硅可控整流器( 即普通晶闸管) 的发明, 标志着电力牵引跨入了电力电子时代。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。1965年,晶闸管整流器机车问世, 使牵引动力电传动系统发生了主线性的技术变革, 全球兴起了单相工频交流电网电气化的高潮。随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管(GTO)的出现和微机控制技术等的发展，20世纪70年代以后出现了交-直-交传动(交流发电机或交流供电-硅整流-逆变器-交流电动机)，即所谓的交流传动，又很自然地取代了交-直传动。1.2交流传动技术的发展历史虽然交流电动机,特别是异步电动机具有上述优势, 但在上世纪70年前,由于直流电机控制的简便性,以及电力电子技术仅具有整流晶闸管器件和完善的整流技术,交流传动无法与直流传动相媲美。随着快速晶闸管的出现,采用异步牵引电机、快速晶闸管变流机组、电流-滑差控制方法的交流传动系统的DE-2500内燃机车问世了，交流传动在牵引领域展现出前所未有的活力。从此,城轨车辆装备进人了新时代。1983年,世界首批5台BR120型大功率干线交流传动电力机车,赢得了德国联邦铁路的认可。BR120机车在系统设计、总体布置、参数选择与优化规则、电路结构方面以及在重要部件,如卧式主变压器、牵引变流器、牵引电动机、空心轴万向节传动装置、辅助变流器等的设计和制造方面, 成功地进行了尝试, 奠定了当代交流机车设计和运营的基本模式。西方发达国家投入巨资研发轨道交通交流传动系统, 通过30年的研发、考核、技术更新, 已完毕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发展方向。在这发展过程中,电力电子器件的发展是交流传动技术进步的物质基础。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抱负。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, 控制策略的发展是交流传动技术进步的理论基础。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-数字电路实现简朴的控制功能,进人现代网络化控制、小型化及模块化结构。微计算机和微解决器品质不断提高,由8位进步到32位、64位,由定点运算进步到浮点运算,解决能力大幅提高,构筑了以高速数字信号解决器为核心的实时控制器。1.3我国交流传动系统的发展迄今，在电力牵引领域出现的交流传动系统基本上分为两类：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。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发展的规定, 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( 理论结识与基础开发)、引进应用( X2023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。上世纪70年代,我国开始研究交流电传动系统的基础技术；80年代完毕了中档功率交流电传动系统的实验研究；90年代初研制了1Mw大功率变流系统并促进AC4000原型机车的研制与组装；90年代中期相继启动高性能交流传动控制技术、大功率GTO牵引变流器工程化、中大功率IGBT牵引变流器、大功率异步牵引电机等一系列核心技术的攻关工程, 取得了丰硕成果, 并于本世纪初开始装车应用。2023年9月我国自行研制成功200km/h“奥星”交流传动电力机车，同年10月时速200km/h的“蓝箭”号在广深线投入使用；2023年又研制成功采用交流传动技术的200km/h的“先锋”号及160km/h的“中原之星”动力分散型电动车组。从2023年开始，我国分别从日本、德国、法国等国引进先进技术，并消化吸取及国产化，成为“具有我国自主知识产权”的动车组产品系列-CRH系列动车组，它们均属于强动力分散系动车组，这些均预示着机车性能的深刻变革，因而成为此后我国电力机车的发展方向。我国自主研发的交流传动产品尚有：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、自主知识产权北京地铁客车等,共计50多台套。1.4我国电力牵引传动技术的现状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，国外的重要机车生产商早已停止了直流传动机车的生产，基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，技术上远未达成成熟的限度。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重要模式，也是我国铁路运用比较成熟的牵引模式。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发展，是一种发展迅速的牵引模式。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”号动车组以及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。我国已有了120kmh及以下等级、160kmh等级、200kmh等级、250kmh等级以及300kmh的电力机车或动力分散型动车组。160kmh及其以下等级的机车在技术上已经比较成熟，也有了较为成熟的运用和管理经验；但对于250kmh及其以上等级机车的应用才刚刚开始，技术上也还不够成熟。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，已经达成了较高的水平，只是在技术上还不够成熟。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称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互换，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。以上诸方面的关系是互相交叉和相容的。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基本达成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称高，已经实验运营了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营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。1.5交流传动技术发展展望我国城轨车辆交流传动技术已走过50余年的发展里程，取得了巨大进步，铁路运送从速度和功率已被用到技术极限的交-直传动迈入速度更快、功率更高的交流传动的阶段，但这项技术的创新和开拓是永无止境的，它必将随着相关技术的发展而不断提高到更新的水平上。通过贯彻“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的总体规定进行技术引进和合作，我国机车车辆制造业的骨干公司开始批量生产交流传动电力、内燃机车和电动车组。在技术引进的基础上，进行消化吸取和再创新研究，轨道交通装备核心、关键技术的相关平台和体系初步形成，在满足国内铁路运送市场需求的同时，促进铁路机车车辆制造行业走向成熟，实现交流传动机车车辆的国内开发和制造，彻底解决铁路运力不能满足改革开放以来国民经济日益发展规定的矛盾，为我国的社会主义现代化建设做出奉献，进而走向世界，在高速、重载铁路牵引设备领域与世界先进公司同台竞争。第2章城轨车辆交流传动控制系统的组成及原理2.1城轨车辆交流传动系统的概述我国初期的城轨列车多为国产直流传动电动车组，采用凸轮调阻或斩波调阻的牵引控制方式，牵引电机为直流电机。而近几年建设的城轨项目均采用了进口交流传动电动车组，牵引控制方式为VVVF逆变器控制，牵引电机为异步电机。与直流传动系统相比，交流传动系统具有恒功速度范围宽、功率因数和粘着系数高、牵引电机结构简朴和维修方便等优势。2.2城轨车辆交流传动系统的组成 受电弓510121194612783整流器主断路器牵引变压器中间回路逆变器交流牵引传动齿轮电子控制装置司机控制器触发脉冲发生器图2.1表达一台采用交流传动技术的电力机车的系统结构 图2.1交流传动电力机车的系统结构在现在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大小的合适电压，经整流器整流后供应中间回路，在通过逆变器把直流变成合适交流电，从而带动齿轮的转动，使得列车运营。交流传动系统是以调压调频VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency）逆变器为核心的电传动系统。重要由熔断器 、主隔离开关、高速断路器、滤波电抗器、VVVF逆变器和异步电动机等装置构成。城轨车辆牵引传动系统系统的组成：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）。2.3城轨车辆交流传动系统的原理 2.3.1异步电机工作原理：图2.2异步电机的工作原理图A.电势平衡方程式：B.转矩平衡方程式：C.转速公式：D.机械特性：E.转矩公式： 当s很小时： 当s较大时：F.恒功率运营：三相交流异步电动机工作原理：(1)当三相异步电机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。(2)该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。（3）根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力作用，形成电磁转矩，驱动转子旋转，当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。电机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转速，从而叫为异步电机。它和感应电机基本上是相同的。s=(ns-n)/ns。s为转差率，ns为磁场转速，n为转子转速。三相异步电动机的转速永远低于旋转磁场的同步转速，使转子和旋转磁场间有相对运动，从而保证转子的闭合导体切割磁力线，感生电流，产生转矩。转速的差异是异步电机运转的必要条件。在额定情况下，转子转速一般比同步转速低2-5%。2.3.2三相异步电动机的控制技术 1. 矢量控制：采用直流电机控制方法控制异步电机。根据异步电机的数学模型，借助矢量变换手段，把三相电压供电的异步电机变换为转矩电流和励磁电流可以单独控制的直流电机形式进行转矩控制。2. 直接转矩控制：是用空间矢量的分析方法，以定子磁场定向方式，对定子磁链和电磁转矩进行直接控制的。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电机定子坐标上计算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪实现PWM脉宽调制和系统的高动态性能. 2.3.3逆变器原理：将交流电变为直流电.然后用电子元件对直流电进行开关.变为交流电.工作过程一般分为整流电路、平波电路、控制电路、逆变电路四大过程。 1. 整流电路 整流电路的功能是把交流电源转换成直流电源。整流电路一般都是单独的一块整流模块. 2. 平波电路 平波电路在整流器、整流后的直流电压中具有电源6倍频率脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动，为了克制电压波动采用电感和电容吸取脉动电压(电流)，一般通用变频器电源的直流部分对主电路而言有余量，故省去电感而采用简朴电容滤波平波电路。 3. 控制电路 现在变频调速器基本系用16位、32位单片机或DSP为控制核心，从而实现全数字化控制。 变频器是输出电压和频率可调的调速装置。提供控制信号的回路称为主控制电路，控制电路由以下电路构成:频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”。运算电路的控制信号送至“驱动电路”以及逆变器和电动机的“保护电路 变频器采用的控制方式，即速度控制、转拒控制、PID或其它方式 4 逆变电路 逆变电路同整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所拟定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120电角度的三相交流电压。2.3.4高速断路器的工作原理：高速断路器合闸后，主触点闭合，自由脱扣机构将主触点锁在合闸位置上。过电流脱扣器的线圈和热脱扣器的热元件与主电路串联，欠电压脱扣器的线圈和电源并联。当电路发生短路或严重过载时，过电流脱扣器的衔铁吸合，使自由脱扣机构动作，主触点断开主电路。当电路过载时，热脱扣器的热元件发热使双金属片弯曲，推动自由脱扣机构动作。当电路欠电压时，欠电压脱扣器的衔铁释放，也使自由脱扣机构动作。2.3.5滤波电抗器的工作原理滤波电抗器，也就是滤波电感，说白了就是线圈。交流电经半波或全波整流后，其波形起伏变化很大，对于一些规定较高的场合，这样的电源是没法使用的。交流电流经电感线圈时，线圈会产生自感电动势，此电动势会随着电流波形的变化而变化，并总是要阻止原电动势的增大或减小，输入电流增大时，自感电动势会阻止电流增大，输入电流减小时，自感电动势会阻止电流减小，从而达成减小波形的起伏的作用，就像一根弯曲的绳子穿过一根不太大的管子同样，绳子会被捋直。 感抗等于电感和频率的积，当电流频率高到一定限度时，感抗就很大了，这样对于高频率交流电来说，电感就想当于是开路的，这样可以在电路中起到一个阻隔高频的作用，而让直流电流和低频的电流通过，也就是可以滤掉高频波。2.4北京地铁主辅电路图2.4.1牵引主电路图图2.3牵引主电路图列车的牵引及其控制系统采用车控方式，每套VVVF逆变器给一辆动车上的4台牵引电机并联供电。牵引主电路原理图见图2.3，重要设备受流器，MS/BS箱、MF箱、HB箱、VVVF逆变器箱，滤波电抗器、牵引电机等。VVVF逆变器采用无速度传感器矢量控制，与采用速度传感器的相比，具有结构简朴、维护少，可靠性高等特点。系统具有快速响应的防空转与防滑行的控制功能，通过对列车速度进行实时监控，当检测到车轮发生空转或滑行时迅速重新恢复轮轨粘着，有效克制空转与滑行。VVVF逆变器通过与制动系统的联合控制实现列车防滑行的控制，使列车能平稳可靠地运营。VVVF逆变器的控制单元具有各种运营条件下的快速响应能力和有效的保护。自我监控与诊断功能集成在逆变器控制功能中，可以将重大故障等事件存储在监控装置中，以便用于维护、维修和故障诊断。VVVF逆变器通过通信总线方便地与制动控制装置进行数据互换，并能通过通信总线方便地和列车控制和诊断系统互换数据。2.4.2辅助主电路图图2.4辅助系统主电路图每列车设2套185kVA的辅助逆变器（SIV）系统，重要设备均安装在Tc车。在正常情况下，2台辅助逆变器的输出能力满足列车各种负载工况的用电规定，当其中一台辅助逆变器故障时，另一台承担6辆编组列车运营所需的负载，此时空调制冷能力减半。辅助电源系统主电路原理图见图2.4。辅助电源系统由如下部件组成：IVS箱、IVHB箱、SIV辅助逆变器箱、BCG充电机、蓄电池组等。辅助电源系统能提供3种输出电源，即工频三相交流380V、直流110V和直流24V，作为列车照明、空调与采暖、列车控制和诊断系统、电动车门、蓄电池充电及各系统控制和显示回路，以及车载信号和通信设备的电源。重要技术特性：1、辅助电源系统具有足够的过载能力，在短时间内能承受住负载启动电流的冲击；并在输入电源及负载空变条件下，瞬间输出电压变化尽量小，不会影响所有负载电机电器的正常工作。在输入电压为额定电压DC750V，150%额定输出时，装置维持运营10s后关断；200%额定输出时，装置立即关断。2、输出波形畸变率小，输出的交流电压基波为正弦波，精度为5%，输出的直流电压精度为3%，波形的畸变率均小于5%。3、满足对蓄电池组的浮充电规定。5、具有故障自存储功能，并能通过通信总线方便地向列车控制和诊断系统传输数据。第3章 交流传动系统的比较3.1交流系统的分类1.从储能原件的不同可分为电压型系统和电流型系统，相应的，把有关交-直-交变流器称为电压型变流器和电流型变流器.2.对于电力牵引交流传动，除了不同的类型变流器的选择以外，人们还面临着不同类型的交流牵引电动机的选择：电流型变流器供电的同步电动机或笼型异步电动机系统和电压变流器供电的笼型异步电动机系统。3.2 电压型变流器和电流型变流器的比较电压型变流器中，电容器用作中间回路的储能器，它接受向中间回路供应的瞬时电流与从中间回路取用的瞬时电流之差，并使电压保持恒定，作为逆变器的电源，在其输入端提供一个事实上恒定不变的电压，对于单个或者多个电动机转动都同样合用。而对于电流型变流器采用电抗器作为中间回路的储能器，它吸取波动形式的差电压，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，逆变器输入端的电流在负载变化时保持恒定，但是，电流源逆变器的端电压明显的随着负载变化，假如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他电动机的工作，所以，电流源逆变器对于多电动机转动系统来说是不合用的。3.3电流型与电压型系统的一般比较表3.1电流型与电压型系统的一般比较电压型变流器异步电动机电流型变流器异步电动机同步电动机1.牵引性能（依据运营所规定的黏着运用加以权衡）转矩脉动小：高黏着运用是也许的对大功率机车特别合用转矩脉动大：通过高成本的控制方法改善适合近距离运送也也许用于干线机车通过电机和变流器的优化设计来改善，但增长费用2.接触网性能（依据接触网的类型和设计原则以及已有的信号的通信设备加以权衡）与网侧变流器有关：采用高成本的脉冲整流器可使接触网的1，且对电厂和输电系统来说影响极微，无需额外投资采用便宜的相控装置，导致不利的值，并需要加装滤波器增长费用按照现在的技术水平。仅能采用相控装置或类似的控制方法与电压型系统中的脉冲整流器的情况相比，值较差，电流谐波分量大视对接触网性能规定的限度来决定应用场合3.能量消耗（依据运营图加以权衡）采用四象限脉冲整流器时，通过再生制动节省能量采用简朴的网侧变流器，没有再生制动目前还没有再生制动电路4.费用（依据一次投资与运营费用之比以及对人员技术等级的规定加以权衡）采用脉冲整流器的情况下，成本高，但有上述各种优点需要技术纯熟的人员进行维修总成本比电压系统小，在某些情况下甚至低于同步系统对直流接触网供电的情况特别有利由于同步电动机较贵，并且需要附加的启动设备，所以实际成本很高第4章 列车网络控制系统 4.1列车网络控制系统概述列车网络控制系统是列车的核心部件，它涉及以实现各功能控制为目的的单元控制机、实现车辆控制的车辆控制机和实现信息互换的通信网络。列车网络系统的发展过程从系统功能来看经历了由单一的牵引控制到车辆（列车）控制，再到现在已经进入分布式控制系统的发展阶段。1. 列车网络系统的发展70年代末至80年代初，车载微机的雏形分别在西门子公司和BBC公司出现。开始仅仅是用于传动装置的控制，随着控制、服务对象的增多，人们把铁道系统依次划分为6 个层次：公司管理、铁路运营、列车控制、机车车辆控制、传动控制和过程驱动，于是列车通信网络在初期的串行通信总线的基础上应运而生，并从本来不同公司的公司标准推向国际标准，逐步形成了列车通信与控制系统的标准化、模块化的硬件系列和全方位的开发、调试、维护、管理软件工具。1988年IEC第9 技术委员会TC9成立了第22工作组WG22，其任务是制订一个开放的通信系统，从而使得各种铁道机车车辆可以互相联挂，车上的可编程电子设备可以互换。1992年6 月, TC9WG22以委员会草案CD（committee Draft）的形式向各国发出列车通信网TCN（Train Communication Network）的征求意见稿。该稿提成4个部分：第1 部分总体结构，第2 部分实时协议，第3 部分多功能车辆总线MVB，第4部分绞式列车总线WTB。总体结构把列车通信网规定为由多功能车辆总线MVB和绞式列车总线WTB组成。MVB的传输介质可以是双绞线，也可以是光纤。在后一种场合，其跨距为2023m，最多可连接256个职能总线站。数据划分为过程数据、消息数据和监管数据。对过程数据的传输作了优化。发送的基本周期是lms或 2ms。WTB的传输介质为双绞线，最多可连接32个节点，总线跨距860m。WTB具有列车初运营和接触处防氧化功能。发送的基本周期是25ms。1994年5 月至1995年9 月，欧洲铁路研究所（ERRI）耗资300万美元，在瑞士的Interlaken至荷兰的阿姆斯特丹的区段，对由瑞士SBB、德国DB、意大利FS、荷兰NS的车辆编组成的运营实验列车进行了全面的TCN实验。1999年6 月，TCN标准草案正式成为国际标准，即IEC61735。该标准对列车通信网络的总体结构、连接各车辆的列车总线、连接车辆内部各智能设备的车辆总线及过程数据等内容进行了具体的规定。列车通信网络的标准化对目前和将来的开发设计提供了一个良好的基础，现已交付或投入运营的采用TCN的车辆达600辆以上，装备TCN的车辆数量正在迅速增长，Adtranz、Firema、Siemens等车辆制造工厂的所有新项目均以TCN为基础。我国列车通信网络的发展可以追溯到1991年，株洲电力机车研究所在购买ABB公司的牵引控制系统开发工具特别是软件开发工具的基础上，联合路内高被开发出了建国第一套力机车微机控制装置，安装于SS40038 电力机车上。在该装置中，系统被明确划分为人机界面显示级、机车控制级和传动控制级三级,级与级之间通过串行总线连接，形成了二级总线的雏形。其中连接司机台显示器与机车控制级之间的显示总线在“春城”号动力分散电动车组上扩展为贯穿列车连接各动力车的机车控制级与司机台显示器的列车显示总线：连接机车控制级与传动控制级的近程控制器总线在“先锋”号动力分散交流传动电动车组上扩展为连接动力车节点与传动控制单元和ATP的中程控制器总线。近年来，国内机车车辆工业发展迅速，相继开发成功了动车组、200公里高速车等产品，以及目前尚处在开发研制阶段的摆式列车、轻轨车等产品。这些产品需要对列车的运营状况和故障做出快速准确的判断和解决，而传统的机车车辆控制技术已不能满足这方面的规定。同时，随着电子技术的飞速发展，应用于车辆上的智能设备也越来越多，如集中轴报、电动塞拉门、电子防滑器、电空制动、信息显示等系统都装在K型车上。这些系统需要配备大量的控制线路，且有的系统自成一个小型网络，使一个车辆有多种网络存在，各系统间的数据不能共享，信号反复检测。为解决上述存在的问题，引入列车通信网络技术将全列车的智能用电设备连接起来，达成数据共享是非常必要的。90年代中期，随着动车组在我国升温，对列车通信网络特别是机车的重联控制通信的需求十分迫切。一方面，铁道部开展了列车通信网络研究课题，另一方面路内外许多单位也先后自发地开展了自我开发、联合开发或技术引进工作，这些工作主线局域网、现场总线、TCN、通信介质、基于RS485的通信协议等领域展开。如：上海铁道大学与株洲电力机车研究所合作开发的基于ARCNET的列车总线和基于HDLC的车辆总线的列车通信网络的研究；上海铁道大学用CAN作为连接司机台和列车控制单元的局部总线的研究；国防科技大学用CAN作为磁悬浮列车的列车总线的研究；西南交通大学用 RS485+议作为摆式列车倾摆特制总线的研究；北方交通大学对通信介质及其转换的研究；大同机车厂对列车通信网结构及其协议的研究和对BITBUS的研究；株洲电力机车研究所的基于FSK的列车通信的研究，基于RS485协议的局部总线的研究，基于Lonworks的列车总线和局部总线的研究，CAN总线用于列车监控装置和摆式列车局部控制总线的研究，基于ModBus的I/O局部总线的研究，MVB、WTB的研究等以及国产化的MVB产品与其他公司的MVB产品的兼容性实验；四方机车车辆研究所、铁道科学研究院、西南交通大学、武进市剑湖铁路客车附件厂、武汉正远公司等对Lonworks、MVB、WTB进行了研究。购买了或准备购买Lonworks、MVB、WTB的开发工具。以上这些研究，有一些成果得到了应用，其中，“新曙光”号是首列采用Lonworks列车总线技术的内燃动车组。在该项目中，Lonworks列车总线网卡插在成熟的内燃机车微机控制装置EXP机箱中。首尾动力车的重联通信通过Lonworks列车总线以显式报文方式实现，而EXP机箱内的主CPU通过机箱背部的并行FE总线访问网卡上的双口RAM实现信息互换。“神州”号Lonworks 列车重联通信与此类似，但采用了二路，即设立了