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1、分类号：_ 密 级：_：_ 单位代码：_ 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目：电力机车网络化电气控制系统设计 学 号：_ 作 者：_ 专 业 名 称：_ 2012 年 5 月 30 日 公开 1 0 1 2 7 TP272 任浩 控制工程 201002416 内蒙古科技大学硕士学位论文内蒙古科技大学硕士学位论文 论文题目论文题目：作者：作者：_ 指指 导导 教教 师：师：单位：单位：协助指导教师：协助指导教师：单位：单位：单位：单位：论文提交日期：论文提交日期：2012 年 5 月 30 日 学位授予单位：学位授予单位：内内 蒙蒙 古古 科科 技技 大大 学学李爱莲 内蒙古科技大学 电力机车网
2、络化电气控制系统设计 任浩 电力机车网络化电气控制系统设计 Electric locomotives network of electrical control system design 研 究 生 姓 名：任 浩 指导教师姓名：李爱莲 内蒙古科技大学信息工程学院 包头 014010，中国 Candidate：Ren Hao Supervisor：Li Ailian School of Information Engineering Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou 014010，P.R.CHINA 独独 创
3、创 性性 说说 明明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：_ 日期：_ 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的
4、论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定）签名：_ 导师签名：_ 日期：_内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 电力机车在国民经济建设中起到重要的作用，也是人们最喜欢选择的交通工具。电力机车也一直以来是人们主要的出行工具，且由于其发展时间较长，技术成熟，维修方便，运输量大，适合我国国情。应尽量发展和完善现有电力机车，使其更加先进，更加完善。交流传动机车具有启动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。本文在深入分析我国现有电力机车电气控制系统结构的基础上，提出了基于PROFIBUS 的电力机车网
5、络化电气控制系统总体方案，以 S7-300 以及 S7-200 可编程控制器为核心，以自动控制理论和先进技术为指导，以某一列具体的电力机车为被控对象，以检测和上位监控为手段，完成了电力机车模型硬件系统、软件系统、上位监控系统的设计，实现对控制系统的功能改进和完善。论文首先构建了电力机车的网络化控制系统，以某一次具体的列车为模型，每一车厢都以可编程控制器为核心，辅助以其他电器设备实现对每一节车厢的单独控制。主站采用 S7-300，机头车厢从站采用 S7-300，其余车厢从站均采用 S7-200，主从站间通过 PROFIBUS 现场总线进行通讯。机头车厢采用变频方式实现对牵引电机的启动，停止，加速
6、，减速等控制。其余车厢温度调节制冷控制采用变频调速方式，车厢温度调节采用闭环 PID 控制，系统还实现了对车厢供水、供电、照明等环节的控制。关键词：电力机车关键词：电力机车；现场总线现场总线；变频调速变频调速；PLC；组态组态 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract The electric locomotive which plays an important role in the construction of the national economy,it is also the major transportation mean and people like it.It
7、 is suitable for Chinese national conditions because of its long developing time,technology mature,maintatnancefree,huge traffic volume.So it is reasonable to develop and perfect the locomotive in order to make it more advanced and the trend of the development of Chinese railway system will be:big s
8、tart traction of AC drive locomotive,wide constant power range,high power factor,low equivalent disturbing current.This paper based on the analysis of the Chinese present locomotive electric control system structure,we purposed the implementation scheme based on PROFIBUS network electric control sys
9、tem.Making S7-300 and S7-200 PLC as the core control system,under the guidance of automatic control theory and advanced technology,with a list of specific electric locomotive to be the controlled object and by the technical program of detection and the superior monitoring,we completed the design of
10、electric locomotive hardware system model,software system and superior monitoring system and realized the improvement of the control system.Firstly we built up locomotive net work control system by using one train as a model,whose every coach has PLC core and can control themselves respectively usin
11、g other peripheral electric equipment.Master station use the S7-300 which the head station also use.The rest of the coaches use the S7-200,meanwhile,master stations communicate via the PROFIBUS fieldbus.The head station is responsible for starting,stopping,accelerating,decelerating and so on.The res
12、t of the coaches are responsible for air conditioning,water supply,power supply and lighting.Besides,the refrigeration control uses frequency convertion and the temperature regulation uses closed-loop PID control.Key Words：electric locomotive；fieldbus；variable frequency speed regulation；PLC；configur
13、ation 内蒙古科技大学硕士学位论文 -1-目目 录录 摘 要.I Abstract.II 1 文献综述与机车工作原理.1 1.1 文献综述.1 1.1.1 电力机车在我国的发展现状及优缺点.1 1.1.2 电力机车在网络化方面的研究.2 1.1.3 电力机车在牵引传动控制方面的研究.3 1.1.4 电力机车在车厢温度控制方面的研究.3 1.1.5 电力机车供电方面的研究概况.4 1.2 电力机车电气控制系统工作原理.5 1.2.1 电力机车工作原理.5 1.2.2 电力机车空调系统工作原理.8 2 控制系统设计方案.10 2.1 电力机车编组及研究方向.10 2.2 电力机车网络化电气控制
14、系统总体设计.10 2.3 电力机车牵引供电.11 2.4 变频调速系统设计.12 2.4.1 变频调速系统.12 2.4.2 牵引电机及变频器选型.13 2.4.3 变频调速实验室模拟设计.16 2.5 车厢空气调节系统设计方案.18 2.6 辅助环节设计方案.18 3 电力机车控制系统硬件设计.19 3.1 总体方案设计.19 3.2 牵引电机变频调速系统硬件设计.20 3.2.1 变频调速开环控制硬件设计.21 3.2.2 西门子S7-300 PLC.21 3.2.3 开环控制实验室模拟.21 3.2.4 变频调速闭环控制硬件设计.24 3.2.5 闭环控制实验室模拟.24 3.3 车厢
15、空气调节系统硬件设计.26 3.3.1 空调系统各功能块.27 3.3.2 系统硬件选型.28 3.3.3 制热系统硬件配置.30 4 电力机车控制系统软件设计.31 内蒙古科技大学硕士学位论文 -2-4.1 网络化通讯设计.31 4.1.1 PROFIBUS-DP 网络通讯.31 4.1.2 S7-300 之间通讯.31 4.1.3 S7-300 与S7-200 之间通讯.32 4.2 电气控制系统软件设计.36 4.2.1 编程软件的介绍.36 4.2.2 PID 控制程序设计.36 4.2.3 车厢电气控制系统软件流程图.40 4.2.4 实验调试和数据分析.40 5 上位机监控.43
16、5.1 监控画面的开发方法.43 5.2 WINCC 通讯及监控画面.43 结 论.48 参 考 文 献.49 附录A S7-300 之间通信程序.52 附录B 变频调速系统开环程序.53 在学研究成果.56 致 谢.57 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 1 文献综述文献综述与机车工作原理与机车工作原理 1.1 文献综述文献综述 1.1.1 电力机车在我国的发展现状及优缺点电力机车在我国的发展现状及优缺点 电力机车在国民经济建设中起到重要的作用，是人们喜欢选择的交通工具。电力机车一直以来是人们重要的出行交通工具，我国列车在经历过几次大提速后，现在车速最高可达到 160km/h，当前我国铁路部门
17、酝酿进行第六次的列车大提速，这样不仅提高了工作效益，满足了我国民众出行的需要，而且也发展了了我国的经济，经济和社会效益都有很大的提高。且由于其发展时间较长，技术成熟，维修方便，运输量大，适合我国国情。所以应尽量发展和改进现有轮轨机车，使其更加先进，更加完善。目前世界上的火车已主要分为内燃机车和电力机车。最先进的磁悬浮列车利用磁力使列车悬浮在轨道上，速度最高能达到每小时 500 多千米，而且还将继续提高。尽管今天汽车和航空运输已获得了巨大的发展，但是电力机车仍占有不可忽视的地位。在 1914 年中国开始使用电力机车，当时是某煤矿使用的功率电压为 1500V 的直流电力机车，在 1958 年我国自
18、主研发生产出第一台，具有里程碑式意义的电力机车，从最初的使用引燃管整流器到改进后的硅整流器。我国自主研发生产的电力机车性能不断提高和改进。在 1968 年我国研制成功韶山一型 131 号机车，标志着我国电力机车的技术己经基本定形，它们是我国电气化铁路干线的第一批主要型号的电力机车，在 1978年，我国成功研制出 SS3 型电力机车，这次改进不但机车牵引电机的牵引性能得到了改善，而且电力机车的每小时功率也从以前的 4200kW 提升至 4800kW，成为我国第二大主要电力机车，在 1985 年，我国又成功研制了 SS4 型的运输货物用的电力机车，这种SS4 型电力机车是当时国产电力机车中功率最大
19、的机车，它的功率可达到 6400kW，已经成为我国运输货物主要型号的机车。电力机车（electric locomotive），它自身没有可以提供电能的装置，要获取电能只能从电气化铁路沿线设立的牵引变电所和牵引接触网上获得，转变成机车可以使用的电能后，使牵引电机工作从而驱动电力机车运行。电力机车与一般列车相比较有如下优点：1 单机功率大：由于机车上没有供牵引用的能源（发动机及其燃料），使得同等机车功率下机车重量轻；同等机车重量下机车功率大。2 过载能力强（爬坡性能好）：牵引电动机过载能力强，对坡道、气温、气压、缺水、高原地带都有较强的适应性。下坡道可方便地使用电阻制动或再生制动，提高列内蒙古科技
20、大学硕士学位论文 2 车下坡的平均速度（维持“限速”下坡），从而提高在铁路线上困难区段的通过能力，提高运能。3 能源宽广、效率高，经济效益显著，由于电网的电能来自大型的火电厂或水电站，因此电力机车总效率高，尤其水电比重大的地区更是如此。另外机车内没有发动机，设备简单，检修周期短，维修工作量少、整备时间短，所以运营费低。劳动条件好：机车运行中振动、噪声小，不排出有害气体，改善乘务员劳动条件。电力机车与其它类型机车相比其主要缺点是一次性投资费用大。1.1.2 电力机车在网络化方面的研究电力机车在网络化方面的研究 在交流电传动技术中，传动控制是其核心技术和关键技术之一，是机车中发展变化最快的子系统。
21、从有接点控制到以单运算放大器为核心的分立元件模拟的控制，到大规模数字、模拟集成电路混合的模拟控制，再到以单片机、微处理器为核心的微机控制系统。随着微机技术和网络（现场总线）技术的发展，现代列车的控制系统已发展成为基于网络（现场总线）的控制系统。国外各大主要的机车（动车）供应商都可为用户提供实用可靠的网络控制系统平台，有自己的品牌系统。如 SIEMENS 公司在 SIBAS 系统、BOMBARDIER(原ADTRANZ)公司的 MITRAC 系统、ALSTOM 公司有 AGATE 系统，以及日本三菱公司的 TMIS 列车管理信息系统等。SIMENS 的 SIBAS32，主要包括网络中央控制单元
22、CCU、牵引控制单元为 TCU 最新一代的牵引控制单元为 Sitrac、外围接口设备 Sibas Klip 以及工具Sibas Monitor。Bombardier 的 MITRAC 系统包含车辆控制单元 VCU，牵引控制单元 TCU，网关Gateway，远程平台 Mitrac CC Remote 等。牵引控制共包括 3 个系列：MITRAC TC500、TC1000 和 TC3000。GEC ALSHTON 的 AGATE 系统包括维护工具 AGATE Link，主传动控制单元AGATE Control、辅助变流器及充电机控制单元 AGATE Aux、旅客信息系统 AGATE e-Media
23、 三个平台。目前这些控制系统的共同特征是：都采用了基于网络通信的控制系统；通信协议大多采用 TCN 国际标准（IEC61375-1）；都为用户提供了一个方便二次开发和现场调试和维护的开发平台。以模块化、通用化、分布式为特征，大都是主变控制、辅变控制和微机网络控制统一的控制平台，广泛用于干线铁路电力机车、内燃机车和城轨地铁列车。另外，在微机控制的电力机车中，RS485 通信技术主要用于两个方面，一是机车控制级与晶闸管触发级之间的通信，二是用于人机对话级与机车控制级之间。内蒙古科技大学硕士学位论文 3 1.1.3 电力机车在牵引传动控制方面的研究电力机车在牵引传动控制方面的研究 电力机车的牵引传动
24、方式可以分为两种，一种是交流传动方式，另一种是直流传动方式，我国现在的电气化铁路使用最多的仍是直流传动方式的电力机车，虽然已经开始应用交流传动方式的机车，但是在我国电气化铁路的牵引动力中，它所占的比例还是太小，但不可否认的是交流传动机车功能的各种优点，所以西方发达国家的电力机车生产部门很早就停止生产直流传动方式的机车，在牵引传动技术方面基本都是用交流传动方式。但是我国电力机车交流传动的牵引技术才刚刚起步，交流传动技术的成熟还需要很长的路要走。电力机车的动力配置方式也可分为两种，一种是动力集中方式，另一种是动力分散方式，其中传统的电力机车牵引方式就是动力集中方式，这也是目前我国电力机车牵引的主要
25、方式，是我国电气化铁路应用比较成熟的牵引方式，动力分散型电力机车是日本首先提出并付诸实施的，最开始是城市轻轨地铁等牵引方式的改进和发展。它也是发展非常迅速的牵引方式，西方发达国家也纷纷采用这种动力分散型动车组的方式，到目前为止，我国也有了自己的动力分散型动车组，例如 CRH 系列的动车组，但是很可惜的是在管理以及技术应用上都只是刚刚起步。在牵引控制系统方面，用微机作为牵引控制系统的方式已经在我国电力机车上大规模使用，美中不足的是在直流传动机车上仍有很多采用模拟电子控制系统的，依靠列车和车厢之间的通信网络来实现控制系统的信息交换，这种网络已经开始在我国的动车组上开始使用，在分布式控制方面形成了初
26、步的雏形，但略显可惜的是我国到目前为止还没有我们自己研发制造的，成熟的机车网络控制系统的产品。这种电力机车的网络化控制的应用需要进一步的发展和完善。1.1.4 电力机车在车厢温度控制方面的研究电力机车在车厢温度控制方面的研究 无论是机车空调系统还是客车空调系统，它们的调节控制都是为了使车厢内能够保持一定的温度，不至太冷也不至太热，冬天制热夏天制冷，始终使车厢内保持洁净舒适的空气环境。目前电力机车通常使用电气系统来满足车厢空调的调节和控制，一些机车配置比较高，设施比较豪华，它们已经可以做到用微机控制车厢空调，还有目前比较流行的变频空调，就是以节能环保为目的，顾名思义就是加入变频器来控制空调，虽然
27、空调的控制方法更加先进，更加繁多，但是归根结底不管采用什么控制方式，车厢空调的控制最终是要实现空调蒸发器的温度控制，车厢内送风温度的控制和调节，以及车厢内温度保持恒温的控制和调节。内蒙古科技大学硕士学位论文 4 列车空调是典型的传质换热系统，也就是说通过媒介的形态转化吸热或者放热实现对冷热空气的交换，它的结构与一般的房屋建筑空调相比，无论是在结构还是在内部物理工作过程方面，都是相对复杂的，机车空调因为随着列车的运行，它会遇到各种天气情况以及温度条件，它的工作环境始终不稳定，所以对于机车空调来说，其控制难度也就相应地增加很多，最明显的是体现在以下三个方面：首先是机车的温度处在始终变化的过程中，对
28、于确定温度控制参数来说平添了许多困难，其次是车厢内温度上升比较快，所以对于车厢空调来说需要使车厢温度迅速降下来，就使得空调的负荷比较大。还有机车空调不便于直接采用外部电力作为动力来源，这样就只能用机车发动机来带动空调的压缩机，需要注意的是如果采用机车的发动机作为车厢空调的动力来源时，这时由于机车速度变化比较大，而机车发动机的转速和空调压缩机的转速相应成正比，所以压缩机的控制就相对比较难控制，而且制冷剂的状态也比较难控制，列车空调在运行过程中，防止蒸发器上结冰，使其能够正常运转和工作，使车厢温度保持在一个恒定值或较小的波动范围，但是现在国内绝大多数的机车空调依然采用传统的方法，即通过开启和关断压
29、缩机的开关来实现的。这种方式虽然简单可行，但缺点就是精度低，当需要车厢保持一个恒定温度时，空调压缩机始终处于一个开断状态，会使压缩机寿命大大地减少，着实需要改进，所以列车空调再向一种智能化的方向发展。首先由电脑根据技术人员设定的控制要求，自动的智能化的控制压缩机的开停，包括风机的速度，风门的开闭等，这样机车不仅做到了环保节能，而且在车厢舒适度方面有很大提高1。变频空调是一种使用变频压缩机和模糊控制技术的空调器，能根据车厢气温的变化调节制冷速度。具有低噪音、耗能低等特点。一个 20 平方米的空间，变频空调比定频式调温速度快 5 到 9 分钟。达到设定温度后，变频空调又能以仅为定频空调 10左右的
30、功率低速运转，以调节温度细微损耗，维持恒温状态。试验显示较之定频空调，变频空调噪音低6 到8 分贝，寿命长 6 到7 年。变频方式是未来机车空调的发展方向3。1.1.5 电力机车供电方面的研究概况电力机车供电方面的研究概况 供电方式趋向于单轴供电，80 年代制造的三相交流异步牵引电力机车多采用转向架供电方式，即所有电气设备按转向架分为独立的两组，由一个变流器系统向一个转向架的两台牵引电机供电。采用这种供电方式的缺点是，在轮径不同时电动机产生不同的转矩、不同的转速和不同的功率分配。为了最大限度地利用物理上能达到的粘着，采用单轴供电方式即每台牵引电机由一台逆变器独立供电，对其功率单独控制。采用这种
31、供电方式的优点是：不会产生电动机负载不平衡，无需规定轮径差，并且大大改善滑行和空转保护。因此，90 年代研制的机车，都趋向于采用这种单轴供电技术。而电力机车的牵引供电方式在早期是低压直流内蒙古科技大学硕士学位论文 5 供电，然后接下来是三相交流供电，因为供电频率与工业用电频率不同，需要建造专用发电厂，投资较大，经过长期的实践与发展，电力机车供电也趋向于一种更合理的方式，也就是目前广泛使用的 25kV，50Hz 的单相工频交流制。1.2 电力机车电气控制系统工作原理电力机车电气控制系统工作原理 1.2.1 电力机车工作原理电力机车工作原理 电力机车按供电电流制传动形式主要分为三类，即直流供电直流
32、牵引电动机的直直型电力机车；交流供电直（脉）流牵引电动机的交直型电力机车；交流供电变流器环节三相交流异步电动机的交直交型电力机车，本文分析第一种第三种电力机车的工作原理及工作特点，并推导电力机车的基本特性。1 直直型电力机车工作原理 直流电力机车是现代电力机车中最为简单的一种。它使用的是直流电源和直流串励牵引电动机，目前有些工矿电力机车、地铁电动车组和城市无轨电车仍采用这种型式。电机是进行能量转换的电磁机械设备。直流电力机车工作原理如图1.1 所示。图图1.1 直流电力机车工作原理直流电力机车工作原理图图 工作过程为：机车由受电弓从接触网取得直流电，经断路器 QD，启动电阻 R 向四台直流牵引
33、电动机 M1M4 供电，牵引电流经钢轨流回变电所。当四台牵引电动机接通电源后即行旋转，把电能转变为机械能，再分别通过各自的齿轮传动装置，驱动机车动轮牵引列车运行。这种电力机车的特点是：机车结构简单，造价低，经济性好；采用适合于牵引的直流串励电动机，牵引性能好，调速方便；控制简单，运行可靠；供电效率低。由于受牵引电动机端电 压的限制，接触网电压一般为 1500V3000V。传输一定功率时电流较大，接触网导线损耗量较大，因此供电效率低。基建投资大。为了减少接触网上的压降，电气化区段的牵引变电所数量较多，造成基建投资大。效率低，有级调速。由于机内蒙古科技大学硕士学位论文 6 车使用调压电阻进行启动、
34、调速，因此调节过程中有能量损耗使效率很低，同时也难以实现连续、平滑地调节。随着电力电子技术的发展，应用斩波器技术进行调速，可以对牵引电动机端电压进行连续、平滑地调节，从而实现无级调速。直流电力机车的基本特性包括机车的速度特性、牵引力特性、牵引特性。机车运行速度与牵引电动机电枢电流的关系，称为机车速度特性，即 V=f(Ia)。机车速度特性计算公式的推导过程如下：60CDVn （式 1.1）电机转速公式：DaReUInC （式1.2）由以上两式得出机车速度特性计算式：601000DCDacevUIRUIRDCC （式1.3）机车牵引力等于各动轮轮周牵引力的总和，机车牵引力与牵引电动机电枢电流的关系
35、，称为机车的牵引力特性，即 Fk=f(Ia)。机车牵引力特性计算公式推导如下：牵引电动机的功率：1000D adU Ip（kW）（式1.4）机车的轮周功率：jkPFV（kN）（式 1.5）根据功能原理：jcPmP （式1.6）故得出机车牵引力特性计算公式为：1000DakdcU ImFV （式1.7）或根据电动机功率方程式：D addaU IE IM （式1.8）表示成：21000cckmFMD （式1.9）内蒙古科技大学硕士学位论文 7 式中：V机车速度；M牵引电动机轴输出转矩；d牵引电动机效率；c传动装置效率；牵引电动机轴速度（rad/s）；m机车配用电动机数目，个别传动机车为机车动轴数；
36、Fk机车轮周牵引力（kN）。上式的物理含义很明显，就是机车的牵引力与牵引电动机轴输出转矩有关。实际上由于牵引电动机特性的差异，运用中环境条件的差异，机车每个动轮所能发挥的牵引力是不同的，因此试验测得的数据往往低于按一台电动机平均计算公式计算的结果。从上面的分析我们知道，机车的速度特性和牵引力特性均是从牵引电动机的特性归算至轮周的特性，所以机车的速度特性曲线和牵引力特性曲线与牵引电动机的转速特性曲线、转矩特性曲线具有相同的趋势。机车牵引力与机车速度的关系，称为机车的牵引特性。即 FK=f(v)。机车牵引特性曲线一般由机车型式试验测出。或在已知机车速度特性曲线和牵引力特性曲线后，给定一电机电枢电流
37、 Ia值，可以求出机车牵引特性的一组 FKv 值，根据不同负载下的数组FKv 值，绘出机车牵引特性曲线。2 交直交型电力机车工作原理 交直交型电力机车属于交流传动机车。其和动车组都采用交流异步电动机做牵引动力。根据变流器结构的不同，目前交（直）交型机车和动车组有电压型、电流型两种基本结构。我们以电压型交直交变流器供电、三相异步电机作牵引电动机的机车为例分析，原理如图1.2 所示。-A-L1M 图图1.2 交直交型电力机车工作原理交直交型电力机车工作原理 内蒙古科技大学硕士学位论文 8 机车在工作时，受电弓将网压引入机车变压器一次侧绕组，经变压器二次侧绕组降压后送入（1）部分，这个时候就将从接触
38、网所获得交流电变为直流电，经过（2）部分进入（3）部分，这时又将直流电变为机车可用的交流电，然后将其送入（5）部分电力机车的牵引电动机，实现机车运行。在整个工作过程中各部分的作用如下所述：（1）环节整流电路基本作用是将交流电转换为直流电。具体电路可以是不可控整流桥、相控整流桥、四象限脉冲变流器。（2）环节直流环节滤波器基本作用是平滑处的纹波（脉动），消除或减少谐波含量，改善机车的功率因数。采用不同的整流电路，其滤波电路也不同，功能有所差别。（3）环节逆变器用于将直流电转换为三相交流电，同时具有较宽的调频范围和调压范围，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
39、，减少网压波动的影响（4）环节电抗器，有三大作用。降低电机、电缆中的高频成分，控制噪声的传播，抑制电机启动过程中的谐波分量；保证频繁断开电机电路时不损坏变频器；通过三相霍尔电流传感器对变频器输出端采取完善的短路保护措施。系统的工作特点：功率/体积比大，交流电机维修量小，机车具有优异的牵引和制动运行性能，简化了主线路。交流传动机车具有启动牵引力大、恒功率范围宽、粘着系数高、电机维护简单、功率因数高、等效干扰电流小等诸多优点，是目前我国铁路发展的必然趋势。新的铁路技术政策也明确指出我国牵引动力将在十年之内，实现由直流传动向交流传动的转变。1.2.2 电力机车空调系统工作原理电力机车空调系统工作原理
40、 1 制冷系统工作原理简介（1）按操作程序启动机车空调系统之后，压缩机在发动机带动下开始工作，驱使制冷剂（R134a，一种环保型制冷剂，不会破坏臭氧层、无毒性、无刺激、不燃烧、无腐蚀性）在密封的空调系统中循环流动，压缩机将这种状态为气态的制冷物压缩后，其温度变高，压强也变高，然后该气体被放出压缩机，进入下一个环节。（2）被排出压缩机的气体经过空调内部管道进入蒸发器，然后经过放热，被冷凝成液态后流出。（3）被冷凝后的液态制冷剂经内部管道进入干燥器，最后干燥后的制冷剂又流入膨胀阀。（4）被干燥后的制冷剂在膨胀阀中经过处理，其状态发生了变化，由高温高压变成了低温低压。内蒙古科技大学硕士学位论文 9
41、（5）经膨胀阀处理后的制冷剂流入蒸发器内，这种低温低压的制冷剂在蒸发器内将进入或流过蒸发器的空气热量吸收，这样就会使周围空气的温度变低，经过风机的作用，将冷风送出，这样就有了制冷的效果，而吸收了热量的制冷剂又被蒸发成气态，进入了下一个循环。（6）进入下一个循环后，开始重复上一个循环的步骤，只要不关闭压缩机，使其处于工作状态下，就会周而复始的循环下去，关闭压缩机后，空调内部的制冷剂就不会再流动，也就不会产生制冷效果4。空调制冷原理图如图 1.3 所示。图图1.3 机车机车空调制冷原理空调制冷原理 2 制热系统工作原理 目前电力机车车厢制热时一般采用两种方法，第一种空调制热原理和制冷的原理是一样的
42、，只是两者的循环方向相反。制热时通过四通阀把压缩机压成液态的冷媒导向外机的蒸发器蒸发成气态，吸收室外的热量。气态的冷媒在室内以经过压缩成为液态放热，形成室内外的冷热交换，实现制热。第二种制热是电热型的，即是在车厢内机组里加装了电发热管发出的热量制热。当冬季车厢温度较低需要空调制热升高车厢温度时，空调蒸发器被关闭，送风的风机及新风单元开启，空气处理单元内电加热器依次启动，伴随着外部环境温度的下降，乘客车厢内电加热系统依次自动启动，保证车内温度要求。内蒙古科技大学硕士学位论文 10 2 控制系统设计方案控制系统设计方案 2.1 电力机车编组及研究方向电力机车编组及研究方向 以现实中某次列车为例，其
43、列车编组信息如下，第一节车厢是机车机头，第 2-6 节车厢是硬座车，第 7 节车厢是餐车，第 8 节车厢是软卧车，第 9-18 节车厢是硬卧，最后一节车厢为行李车。列车编组信息如图 2.1 所示。第一节车厢火车车头硬座（共五节）。餐车（共一节）软卧（共一节）硬卧（共8节。行李车 图图2.1 某次列车编组信息某次列车编组信息 以某一列电力机车为例，由于电气控制研究方面比较多，比较广，本文鉴于篇幅限制主要研究以下几个方面：电力机车的速度控制，空调系统（主要为制冷和制热），列车的供电系统及其他辅助系统。在车厢中检测二氧化碳浓度，当浓度超过一定量时，通入新风，保持车厢空气清新度。研究方向示意图如图 2
44、.2 所示。空气调节系统电力机车供电制冷制热电力机车供电制冷制热送新风电力机车机头控制变频调速系统控制 图图2.2 研究方向示意图研究方向示意图 2.2 电力机车网络化电气控制系统总体设计电力机车网络化电气控制系统总体设计 本课题旨在深入分析我国现有电力机车的控制系统，借鉴其系统结构，以 S7-300以及 S7-200 可编程控制器为核心，实现对控制系统的功能改进和完善，以自动控制理论和先进技术为指导，以某一列具体的电力机车为被控对象，以检测与上位监控为手段的技术方案，提出了基于 PLC 的电力机车网络化电气控制系统实现方案，完成了电力内蒙古科技大学硕士学位论文 11 机车模型硬件系统、软件系
45、统、上位监控系统的设计。采用梯形图的编程方式实现电力机车电气控制系统的逻辑功能。系统总线拓扑图如图 2.3 所示。图图2.3 系统总线拓扑图系统总线拓扑图 其中用上位机监控软件用 WINCC，用一个 S7-300 为主站，一个 S7-300 做为从站，作为列车机头控制，其余车厢每节车厢用 S7-200 控制，也作为从站。通过PROFIBUS 现场总线连接。其中主站S7-300 可以和从站 S7-300 通信，主站S7-300 可以和从站 S7-200 进行通信。这样即构建了网络化控制系统，也做到了每节车厢单控，使每节车厢电气控制更加趋于完善合理。2.3 电力机车牵引供电电力机车牵引供电 电气化
46、铁路的供电是在铁路沿线建立若干个牵引变电所，经牵引变压器降为27.5kV 或 55kV 后通过牵引网向电力机车供电。目前牵引变电所一般采用 110kV 电网进行供电，电力机车采用 25kV 单相工频交流电压、牵引供电方式经历了早期的低压直流，三相交流电后，逐步趋向统一，现在主要是 25kV，50Hz 单相工频交流制。在长距离电气化铁路建设中，一般采用交流供电方式。在这种方式中，牵引变电所将接入的三相高压交流电通过特殊变压器转化为单相交流电，然后通过单相交流输电线路向电力机车供电。这种连接方式一般连接在电网的高压系统，供电距离也比较长，一般牵引变电所的供电距离可达 50km 以上。牵引供电系统主
47、要包括牵引变电所和牵引接触网两部分。牵引变电所是电气化铁路供电系统的心脏。它的主要作用是变相和变压。牵引接触网的作用是良好地不间断地向电力机车提供电能，由馈电线、接触网、轨道回路和回流线组成。内蒙古科技大学硕士学位论文 12 图 2.4 所示为牵引供电系统，其中牵引变电所是把电力系统供应的电能转变成适合电力机车牵引要求的电能。而接触网则是一种悬挂在轨道上方，沿轨道架设的与铁轨顶部保持一定距离的输电网，通过电力机车车组的受电弓和接触网的接触，由接触网把牵引电能送入电力机车车组，驱动牵引电动机使电力机车运行。馈电线是连接接触网和变电所的导线，它将牵引变电所转换后的电能送到接触网。图图2.4 牵引供
48、电系统牵引供电系统 2.4 变频调速变频调速系统系统设计设计 2.4.1 变频调速系统变频调速系统 1 三相交流异步电动机的工作原理 三相交流异步电动机是把电能转换成机械能的设备。一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。而依据电磁感应原理，电路定律，电磁力定律以及全电流定律等得出的三相异步交流电机的工作原理：即是沿顺时针方向旋转的磁极，转子导条被旋转的磁极磁力线所切割，这时被切割的导条中就会出现感应电动势。由右手定则来确定产生的电动势的方向，同理，因为世间万物的运动都是具有参照物的，是相对的，所以假定上文中旋转的磁极不动，转子沿逆时针方向旋转时，则转子导条中也会产生感应
49、电动势。在产生的这个电动势的作用下，导条闭合后就会产生感应电流，该感应电流与旋转的磁极磁场互相施加作用，转子因此受到电磁场力，同理可以内蒙古科技大学硕士学位论文 13 由左手定则来确定这个电磁场力方向。变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术。60(1)/nfsp （式 2.1）对于成品电机，其磁极对数 p 已经确定，转差率 s 变化不大，故电机的转速 n 与电源的频率 f 成正比，因此改变输入电源的频率就可以改变电机的同步转速，进而达到异步电机的调速目的。在前文中我们提到交直交型电力机车属于交流传动机车。它是由逆变器供电，采用交流异步电动机做牵引动力。通过减
50、少励磁绕组的磁场实现恒功区的加宽，也可以实现进一步的调速，再加上随着电力机车技术的发展，交流传动机车越来越体现出优势，所以本文分析讨论交流传动机车的变频调速。2.4.2 牵引电牵引电机及变频器选型机及变频器选型 1 电机的选型 由于在铁路运输中要求高速，重载，所以对于用在电力机车上的牵引电动机有不同于一般的要求，首先牵引电动机是要装在机车上，需要通过减速齿轮与动轮配合，所以体格小是其必要条件，而且由于其自身是走行的负荷，所以牵引电动机的重量必须要轻，而且还得具有承受一定冲击和振动的能力，简言之就是必须坚固。另外牵引电动机的启动转矩要大，尤其是在列车启动阻力大的坡道上启动时，其最大转矩至少应大于