中图分类号：TM461 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）07-0333-01
机车的控制系统简称TCMS。TCMS主要功能是实现机车特性控制、逻辑控制、故障监视和诊断，能将有关信息送到司机室内的机车控制状态显示装置。TCMS包括一个控制装置和两个显示单元，其中控制装置设有两套控制环节，一套为主控制环节，一套为备用控制环节。
机车的控制电路系统主要完成的功能是：
顺序逻辑控制：如升、降受电弓，分、合主断路器，闭合辅助接触器、启动辅助变流器等。
机车特性控制：采用恒牵引力/制动力+准恒速控制牵引电动机，实现对机车的控制。
定速控制：根据机车运行速度可以实现牵引、电制动的自动转换，有利于机车根据线路情况的实现限速运行。
辅助电动机控制：除空气压缩机外，机车各辅助电动机根据机车准备情况，在外条件具备的前提下，由TCMS发出指令启动、运行。空气压缩机则根据总风缸压力情况由接触器的分合来实现控制。
空电联合制动控制：同交直传动货运机车（如SS4改机车）相同。
机车粘着控制：包括防空转、防滑行控制、轴重转移补偿控制。
机车的控制电路可以分为以下几个部分：
1. 控制电源电路（DC110V电源装置）
机车控制电源的核心部件是DC110V充电电源模块PSU，机车DC110V控制电源采用的是高频电源模块PSU与蓄电池并联，共同输出的工作方式，在通过自动开关分别送到各个支路，如微机控制、机车控制、主变路器、车内照明、车外照明等。PSU的输入电源来自辅助变流器UA11或UA12的中间回路电源，点UA11或UA12均正常时，由UA12向PSU输入DC750V电源，当UA12故障时，转向有UA11向PSU输入750V电源。DC110V充电电源模块PSU含两组电源，通常只有一组电源工作，故障时另一组电源开始供电，每组电源模块的输入电压为DC750V，输出电压为DC110V±2%，额定输出电流为55A，输出功率为6050KW（25℃），采用自冷却方式，控制电源电压采用DC750V]。
2 .DC110V电源装置电气系统构成
充电器输入电压DC750V，功率6.05KW，采用自然冷却方式，装置电气组成可以划分为四大部分，依次为电源输入电路、预充电电路、DC110V输出电路和控制电路。
3. DC110V输出回路
IGBT、整流回路的绝缘变压器IST1和整流器FR、平波回路的电抗器DCL1和平波电容LC1构成了DC/DC转换回路，微机系统以脉宽调制为原理控制IGBT动作，将输出电压变为交流脉冲电压，输入到变压器的原边。需注意的是IGBT工作在高频段上，关断瞬间会产生一个巨大的尖峰。这个尖峰对IGBT非常有害，所以在IGBT回路中并联一个无感电容，用以消除尖峰。而且这个电容要与IGBT的两端直接相连，以防止线路中的杂散感抗进入回路中，从而影响电容对尖峰的吸收效果，失去对IGBT的保护作用。DC/DC回路中的输出变压器IST1为中频变压器，变为750V/150V，二次侧输出电压经整流器、平波电抗DCL1和平波电容LC1构成滤波回路后，输出110V直流电压。
4. 控制电路
控制电路是PSU的控制核心。中间部分是控制基板PWB，它收集PSU内部的各个器件的状态以及电压、电流信号，并进行逻辑处理，然后控制继电器（CTT、RY1等）动作、向IGBT发出指令。左侧部分是基板的电源供电电路，经过一个小型的电源转换器（记作psu）后，向基板提供正常工作所需的电源。右侧为输入/输出信号，并预留了RS-232C串行接口，方便与电脑相连。
5. 司机指令与信息显示电路
机车的2个司机室的控制指令通过相应的控制电器，分别送到TCMS。这些信号有：司机电钥匙开关信号、主司机控制器换向手柄信号和调速手柄控制级位信号、辅助司机控制器手柄控制级位信号、受电弓的升降弓信号、主断路器的分合信号、空气压缩机的启停信号、以及司机室的其他信号。其他还有：故障复位、紧急制动、过分相、定速控制等信号。用于机车受电弓升降控制、主断路器分合控制、空气压缩机的启停控制、辅助变流器和牵引变流器的启停控制、运行控制等，进一步地实现对机车相应的逻辑控制和牵引制动特性控制。
6. 机车逻辑控制和保护电路
机车的逻辑控制和保护电路主要是各自动开关、各流速继电器故障隔离开关、高压故障隔离开关、压缩机接触器状态、主断路器状态、辅助变流器的库内试验开关、牵引变流器试验开关、各种接地保护、空气管路系统压力继电器等与TCMS接口，主要用于机车的各种工作逻辑控制、保护逻辑控制，并通过通信将有关控制指令送到牵引变流器。
7. 辅助变流器控制电路
在机车主断路器闭合后，由TCMS发出命令，闭合辅助变流器输出电磁接触器，并将信息传递给辅助变流器控制单元，由辅助变流器控制单元发出指令，控制辅助变流器启动。
在机车某一辅助变流器发生故障（无论是辅助变流器1或者2）后，故障的辅助变流器能及时的将信息传递给TCMS，完成故障情况下输出电磁接触器的动作转换。同时将信息传递给另一组辅助变流器控制单元，故障的辅助变流器被隔离。所有辅助电动机全部由另一套辅助变流器供电，这时，该辅助变流器工作在CVCF状态，不受司机控制器级位指令的控制，牵引电动机通风机和冷却塔通风机也正常满功率工作。
辅助变流器的隔离也可以由手动控制“辅助变流器隔离开关”来实现，对应两套辅助变流器，机车上设两个“辅助变流器隔离开关”，可以分别实施两套辅助变流器的故障隔离运行。
在某一台辅助变流器发生过流、短路等故障时，能自动实施电磁接触器的鼓障转换，并将信息送TCMS。在辅助变流器发生接地故障时，跳主断路器，并将信息送TCMS，由司机来完成辅助变流器地接地故障的故障隔离。
随着越来越多的交流传动电力机车以其优越的性能奔驰在世界上许多国家的铁路网上，交流传动电力机车已成为今后我国电力机车的发展方向。
（1）测试期间，郑州客运站开闭所供电可靠，基础电压质量完全满足《铁路技术管理规程》的要求。
（2）从录波数据上看，交直交电力机车四象限脉冲变流器脉冲频率的数量、分布较为固定，脉冲宽度逐个可调。在大型枢纽，当多台机车整备、启动运行时，牵引供电系统感抗Lx存储的能量相对于单台机车运行成倍放大（图2），4台机车放大4倍，如图2所示。由于四象限脉冲变流器脉冲宽度调整策略未充分考虑系统阻抗的影响，引起变流器直流中间电压波动加大，最终造成网压低频振荡。
（3）整备、启动运行的机车越多直流中间电压波动越大，当机车数量超过临界值后，直流中间电压峰值将超过软保护电路限度值，之后波动受到抑制，但随后再次波动，最终形成连续的低频振荡；当机车数量超过临界值较多后，直流中间电压峰值将超过脉冲封锁保护电路限度值，之后波动停止，但脉冲封锁保护会延时开启，最终形成断续的低频振荡，网压低频振荡属于同型机车策略引起的强制振荡。若降低牵引供电系统阻抗，机车谐振的临界值可增大，但由于牵引供电系统阻抗相对固定，改善的余地有限。
（4）网压低频振荡主要因脉冲宽度调整策略不完善造成，低频振荡频率主要由振荡强度及四象限脉冲变流器保护策略决定。若振荡时间过长，会造成四象限脉冲变流器牵引封锁。接触网电压波动幅度超过31kV时，会引起过压保护动作跳闸。
解决对策
1近期措施
（1）在郑州客运站上行、客运站下行、机务段、客整所，交直交和谐号电力机车和动车组同时整备、启动运行的数量不超过4组。当发生网压波动时，建议断开几台交直交机车主断路器，轮流发车运行。
（2）CRH5型动车组分散调配使用。
2远期措施
（1）改变四象限脉冲变流器脉冲宽度调整策略，引入直流中间电压前若干时刻内的振幅变化趋势或等效牵引供电系统阻抗等参数，稳定直流中间电压。
（2）改变同型交直交电力机车四象限脉冲变流器脉冲宽度调整等参数，引入随机变量，实现模糊控制。
结论
2驱动轴组装
2．1概述。每个转向架包含两组驱动轴组装。每组驱动轴组装由车轴、车轮、从动齿轮、抱轴箱装配、左轴箱、右轴箱和标牌等组成。驱动轴组装是机车走形部最关键的部件之一，它不仅支承机车的全部重量，同时，通过驱动轴组装与钢轨的粘着产生牵引力和制动力。2．2探伤说明。车轴材料采用AIN钢，采用实心车轴。其透身性能检查、镶入部内外侧、大裂纹查找采取超声波探伤法，车轴外露表面采取磁粉探伤。超声波检验：透声试验应符合有关规定，其缺陷不能大于Φ3mm平底孔的当量缺陷。磁粉探伤：不应有任何横向缺陷，纵向缺陷容许范围是规定的圆弧部Z0部位不得有缺陷，其余Z1、Z2、Z3部位分别应符合单个缺陷最大不大于6mm，累计不大于6mm。在公差范围内消除裂纹。车轮采用整体碾钢车轮，由材料为R7级碳钢制成，车轮设有注油孔和油沟，用于车轮的注油退卸。车轮踏面采用超探检查不得有超过Φ2mm平底孔当量缺陷。磁粉探伤部位缺陷不大于2mm。在公差范围内消除裂纹。齿轮箱采用上下分体结构，由上箱和下箱组成，箱体上设置有集油槽及油路。采用磁粉探伤，其Z区缺陷不超过Lmla／Amla－SM1。其他区域缺陷不超过LM3a／AM3a－SM3；R区缺陷A和B类为不超过3级，C类为不超过2级，其他区域缺陷A，B，C类为不超过四级，不接受D、E、F和G类。传动齿轮。主、从动齿轮材料采用标准的材料。该材料用于齿轮，经过热处理后，齿轮表面硬度高，耐磨性好，心部也有较好的韧性，具有较强的抵御机车运行中产生冲击振动的能力。主要采取磁粉探伤，要求其成品齿轮齿面探伤无裂纹。
3牵引装置
3．1结构及功能。转向架牵引装置是连接转向架与车体之间的动力传递装置，其作用是传递机车的牵引力和制动力，以保证转向架进出曲线时相对于车体的回转运动。牵引装置采用推挽式结构，牵引杆倾斜布置，与轨道成11°角。3．2探伤说明。牵引装置中，牵引杆的作用是传递机车的牵引力和制动力，经锻造而成；转向架牵引支座与车体牵引支座的结构相近，经锻造而成。转向架牵引支座通过螺栓与转向架构架连接，车体牵引支座通过螺栓和车体底架连接。托盘通过螺栓与牵引座连接，可以保证牵引杆与牵引支座的安装位置。检修时，牵引杆、转向架牵引支座、车体牵引支座及托盘均采用磁探进行探伤检查，要求各部件无裂纹，如裂纹在规范或图纸要求的范围内可以进行打磨处理，打磨深度超过规范或图纸的要求则必须进行更换。
4结束语
现在，HXD2型电力机车是包头西机务段的主型机车，在新形势下我们加强学习更为刻不容缓。探伤工作的质量直接关系到机车能否正常运行，行车是否优质可靠。我们应通过对电气化铁路相关技术知识学习地不断提高，在理论分析、经验积累等基础上，与时俱进，不断分析与总结，将如何科学合理地探伤检修工作落实到机车检修上，从而改善了机车稳定运行的措施和条件，确保了包头西机务段机车运行质量安全，取得良好的经济与安全效益。
2焊接现状分析
变形吸能元件钢筒焊接体是由衬套、吸能钢筒、上支撑板通过焊接成一体。其中，吸能钢筒材料(特殊的高级低合金钢)及上支撑板材料(16MnDR)为低碳钢，焊接性能良好，而衬套材料为45#钢，由于45#钢为中碳钢，淬硬倾向较明显，焊接工艺需要采取适当的预热、控制线能量等措施，焊接性能较为不理想。为确保焊缝质量，工艺上一直采用“预热+缓冷”的工艺措施。其中预热温度要求达到150℃～200℃均匀预热，缓冷是在珍珠岩中实施。但是，在进行预热工艺时，衬套各个部位存在一定的受热不均匀，容易产生小眼等缺陷，如图2所示，影响焊接质量;同时预热采用的是氧、乙炔加热的方式进行，存在一定的安全隐患;另外在预热后的温度条件下进行焊接，无形中增大了焊工的劳动强度。焊接完成后，将钢筒与衬套的焊缝部位放入珍珠岩中覆盖以进行缓冷处理从而消除应力热，由于预热、保温是一个漫长的过程，在此过程中预热需要约15min，而保温也需要约40min，因此，在生产过程中效率大打折扣。
3优化措施及效果验证
思路:在衬套材料力学性能满足的条件下，选用焊接性能更好的材料代替45#钢。3．1材料性能对比分析。根据相关要求，选择45#、15Mn、Q345、16MnDR四种材料进行焊接性能分析及力学性能分析，查阅机械设计手册并进行材料的碳当量估算，得知。45#钢:属于中碳钢，其淬透性较差，焊接性能较差，易产生裂纹，调质处理后的抗拉强度σb=630～780MPa，屈服强度σs=370MPa。15Mn:属于高锰低碳渗碳钢，性能与15钢相似，但淬透性、强度和塑性比15钢高。用以制造心部力学性能要求高的渗碳零件，焊接性尚可。Q345:综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好，用作中、低压容器等承受动荷的结构、机械零件、一般金属结构件，可用于－40℃以下寒冷地区的各种结构。16MnDR:属于低合金钢，力学性能良好，低温冲击性能良好，焊接性能良好，可用于－40℃以下寒冷地区的各种结构。以上四种钢材的化学成分及力学性能见表1、表2。综合来看，合金结构钢16MnDR的强度及焊接性能较为优良，可满足产品设计要求，故衬套材料考虑采用16MnDR。3．2强度计算。1)车体的纵向压缩载荷F=F1×k(F1为吸能元件开始出现塑性变形的最大允许力，以9600kW六轴车为例取值3300kN，k为安全系数，取值1．05)。故，单个钢筒承受力F2=F/4kN根据力的传递原理，衬套亦承受力F2kN2)衬套强度计算衬套材质为16MnDR，强度最薄弱处的受力面积为:受力面积S=л(R2－r2)(R为衬套与钢铜接触法兰面的大径，r为衬套与钢铜接触法兰面的小径)。因此，σ=F2/S=［F/4］/［л(R2－r2)］MPa保证σ＜σb，即证明材料强度足够通过代入具体数值计算得出σ=440MPa＜σb，说明16MnDR材料的衬套强度满足要求。3．3可焊性试验。优化更改衬套的焊接工艺，将16MnDR材质的衬套焊接前不进行预热，焊后也不进行缓冷处理，焊接后观察钢筒与衬套的焊缝情况并与原来45#钢的焊接效果进行对比，效果如图3、图4所示。通过两种材质的焊接效果可以看到，16MnDR材质的焊缝图316MnDR材质焊接效果图445#材质焊接效果表面成形良好，无裂纹、气孔等缺陷，且纹路更为细腻。另外，我们将钢筒焊接体切割成若干小块进行金相检测，观察焊缝情况，如图5、图6、图7、图8所示。通过金相检测可以得出，更改材质后衬套与钢筒的焊缝显微组织也符合要求。3．4静态荷载试验。将组装好的变形吸能元件(左)/(右)在500t电液伺服万能压力试验机上对由16MnDR材质衬套组装成的变形吸能元件进行静态荷载试验，如图9、图10所示;静态荷载试验前测量衬套端外径为88．6mm，试验时，最大静态荷载超过4000kN，试验后测量衬套端外径仍为88．6mm，即衬套未发生明显塑性变形。
4结语
通过对衬套材料及焊接工艺的优化，即45钢改为16MnDR，并且在焊接工艺上取消“预热+缓冷”措施后，产品品质量大为改善，也减少了焊接工序，提升了焊接性能，提高了生产效率，使机车更能适应低温运用环境。1)工艺端，工艺步骤得到简化;取消焊前的预热处理和焊后的缓冷处理，即在普通条件下可焊接。2)质量端，16MnDR形成裂纹倾向小，保证了产品质量，有利于焊接质量员的检查。3)生产端，减少工序，可减少生产时间，减轻劳动量，提高公司的产能。4)安全端，可取消预热工序所需的O2，不再存在氧气瓶和乙炔瓶同时摆放现场的安全隐患。
参考文献:
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1. 引言
HXD3型交流传动电力机车由大连机车车辆有限公司与日本东芝公司合作，以大连机车车辆有限公司研制的SSJ3型交流传动电力机车和日本东芝公司生产的EH500型电力机车为技术平台，为在中国主干线上进行大型货运牵引为目的而设计、研发的。
机车采用交流传动、PWM矢量控制等新技术，能够满足环境温度在-40～40℃、海拔高度在2500m以下适应在中国全境范围内运行，并尽量考虑对环境的保护。机车可以4台重联控制运行。
HXD3型电力机车每台机车装有两台变流装置，每台变流装置内含有三组牵引变流器和一组辅助变流器，使其结构紧凑，便于设备安装。参见图1。每组牵引变流器主要由四象限脉冲变流器、中间直流环节、PWM（脉冲宽度调制）逆变器等组成。
2. 四象限变流器与相控整流器的比较分析
HXD3型电力机车的牵引变流器中的整流器不再是相控整流器，而是采用了四象限变流器。下面分别对相控整流器（常用三段不等分半控桥式整流器）和四象限变流器的原理加以分析说明。
2.1.三段不等分半控桥式整流器的工作原理
目前担当运营任务的韶山系列电力机车普遍采用半控桥式整流电路作为整流器电路。其中以三段不等分半控桥式整流器（SS4改型，SS3B型等电力机车采用）最为典型。其电路主要由二极管和晶闸管组成。其原理图见图2。
网侧25KV（50Hz）单相交流电压经主变压器降压后，各段绕组的电压为：
第Ⅰ段：a2x2-T5T6D3D4工作，大桥调压，晶闸管的控制角为α1，T1～T4晶闸管封锁，即第Ⅱ段桥晶闸管的控制角α2和第Ⅲ段桥晶闸管的控制角α3均为π。负载电流流过a2x2、T5T6、D3D4、L、M、D1D2。整流输出电压的平均值为：
牵引传动系统进入工作时，主断路器闭合，从电网获得25KV（50Hz）的单相交流电压，经过牵引变压器降压后作为网侧四象限变流器的交流输入；刚得电时，只有充电接触器闭合，经过充电电阻给直流母线支撑电容充电；充电完成之后，闭合线路接触器，并断开充电接触器，网侧四象限变流器进入PWM（脉冲宽度调制）整流状态。该状态下，直流母线电压迅速提升至额定电压，随后电机侧逆变器投入工作，输出变压变频三相交流电压，驱动三相异步电动机工作。
网侧变流器连接于牵引变压器副方绕组输出端，具有H全桥电路拓扑结构，每个桥臂上、下开关器件均是IGBT（带有反并联快速恢复二极管）并联构成。网侧四象限变流器输出端同直流母线环节电路相连接。上述系统中牵引变压器经过特殊设计，能够提供适当的漏感，作为四象限变流器拓扑结构中的输入电感。中间直流环节的支撑电容主要功能是支撑直流母线电压稳定，限制电压纹波在允许的范围内。
根据上述实际系统中的四象限变流器结构，建立等效的电路拓扑，如图4所示。
稳态情况下，电路各个电量之间可以用矢量图来表示彼此关系。其中 为交流电网电压矢量； 为四象限变流器输入端电压矢量； 为交流电感电压矢量； 为交流侧电流矢量。
稳态矢量关系图见图6。
3. 结论
文中采用了对比的方法（将三段不等分半控桥整流器和四象限变流器进行比较），使大家对交流传动技术有一个比较深入的认识和理解。在实际应用中，交流传动技术具有很多优点，例如：黏着性能好，功率大、牵引力大，可靠性高、维修简便，效率高、利用率高、使用灵活性强，节能、功率因数高等。可以预见，交流传动机车不久之后将会全面取代采用直流传动技术的韶山系列电力机车，成为今后较长一段时间内机车的主要形式，交流传动技术也将成为今后的主要研究和发展方向。
参考文献
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机车动力控制概况分析
机车性能参数的控制主要是由机车司机通过司机控制器来控制机车的工作状态和参数，以达到控制机车动力输出的工作状态。从内燃机车、交直流传动电力机车到交直交传动机车，其控制方式和控制原理是有较大的区别的。
内燃机车由于机车自带全部动力系统，其动力控制是通过控制发动机的转速和输出功率以及机车的牵引制动工况，实现完全控制机车的动力性能。
交直流传动电力机车，由于其馈电电源来自交流电网，无法对线路上的每台机车单独控制，在电源动力转换时，主变压器采用有级控制的方式。通过控制主变压器工作时的变比，控制传动装置输出的电压和功率。
对于以上两种类型的机车，由于传动装置输出能在较大速率范围内符合牵引动力的牛马特性，利用传动装置的自然特性，不需要对传动装置进行专门控制，只需要把司机控制器手柄信号转换为发动机转速控制信号或主变级数控制信号，就完全可以实现机车牵引动力和状态的控制。
对于交直交流传动的和谐系列大功率电力机车，由于采用了交流牵引电机作为机车动力驱动单元，而交流电机的工作特性自适应的工作范围比较窄，只有在电源工作频率下方很小的范围内电机才能稳定工作，所以必需对传动装置进行相对复杂的动态控制，使其在机车全部工作状态的范围内，输出使交流电机能够稳定工作的可控制电源。
和谐系列机车的牵引特性分析
由和谐1型、和谐2型及和谐3型大功率交流传动电力机车的牵引特性（如图）可以看出，机车的全部工作范围按速度可以分为3个阶段：即恒牵引力工作区段、线性控制工作区段和恒功率控制工作区段三个限制工作区段。
在牵引工况下，分为机车恒牵引力（转矩）启动阶段、线性控制加速阶段和恒功率调速牵引工作区段。在启动阶段，机车速度低于5km/h（和谐3型机车为10km/h）时，机车牵引力恒定不变，在机车速度达到65km/h（25吨轴重机车为70km/h）时，机车进入恒功率调速控制模式，在5km/h到65km/h之间的区间采用线性调速控制模式。和谐1型和和谐2型机车控制采用无级调速恒速控制方式，而和谐3型机车采用分级调速控制方式，在机车手柄级数较低时（5级以下）不会进入力矩限制工作区段，机车从恒牵引力工作状态直接进入准恒速工作状态；在机车手柄级数较高（7级以上）时，机车经过恒牵引力控制、线性控制和恒功率控制三个限制工作区段进入准恒速工作状态，当机车速度进入较高速度范围，电机工作电压和工作电流都达到最大值时，只能改变输出频率进行调速，机车进入限制特性工作区。
在机车动力制动工况下，在机车运行速度较高时，机车工作在恒功率制动控制模式，在机车运行速度较低接近停车区域时，机车工作在线性控制工作模式，在中间区段，机车工作在恒制动力的限制工作模式。在参数设计上，和谐1型机车23吨轴重和25吨轴重机车工作区段转折点相同，都是5km/h和75km/h。和谐2型机车线性限制工作区与恒制动力限制工作区的转折点是10km/h，恒功率制动限制工作曲线在机车不同轴重情况下，进入恒制动力限制工况转折点的速度和制动力是不同的，轴重越大，其制动力越大，转折点速度越低。和谐3型机车采用有级控制准恒速控制模式，机车采用25吨轴重时在恒制动力区和恒功率区的制动力都要比23吨轴重机车的制动力要大，而各个手柄位的限制曲线不变，手柄位越高，其限制制动速度越高，当机车运行速度低于限制速度时机车动力制动力会迅速下降，机车失去动力制动的作用，在操纵中司机要根据机车运行速度的变化及时调整手柄位置，保证机车处于正常动力制动的工作状态。
和谐系列机车牵引电机特性分析
和谐系列大功率交流传动电力机车牵引电机采用感应式三项异步电动机。根据交流电机的扭矩特性（如图4）可以看出，交流电机在电源电压和频率不变的情况下，其工作范围可分为三个部分，从电机启动点A到最大扭矩点B之间，电机的扭矩随着转速的增加而增大，电机处于加速启动状态，在电机转速超过最大制动扭矩B’点以后，制动扭矩随转速的增大而减小，在这两个工作区段，电机处于不稳定的工作状态；从电机最大扭矩点B到同步转速点C之间，电机输出扭矩随着转速的增加迅速减小至零，超过同步转速点C之后，电机进入动力制动状态，变为按照发电机工作状态运行，到最大制动扭矩B’点之间，制动扭矩随转速的增大而增大，电机输出特性与负载特性相匹配，电机处于稳定的工作状态。当机车由于负载变化，速度增加时，电机通过减小输出扭矩或增加制动扭矩，使机车速度回复稳定的工作速度，达到新的工作平衡点。同样，当机车由于负载变化，速度减小时，电机通过增大输出扭矩或减小制动扭矩，使机车速度回复稳定的工作速度，达到新的工作平衡点。在从B点到B’点的全部工作区段中，电机在每一点都可以通过动态调整是电机自动处于稳定的工作状态。交流电机稳定状态工作转速范围很小，当电机转速与旋转磁场一致达到同步转速时，电机的输出扭矩降为零。也就是说要使电机一直保持稳定的工作状态，必须把电机的转差率控制在一个很小的范围内，使电机转速稳定工作在同步转速附近。
交流牵引电机的电磁转矩T可用公式T=K・Φ・Ι2・COSφ2表示，其中：K为常数，Φ为每极磁通量，Ι2为转子电流，COSφ2为转子功率因数。
转子电流Ι2和转子功率因数COSφ2可用公式Ι2= S・E20/√￣（R22+（S・X20）2）， COSφ2= R2/√￣（ R22+（S・X20）2）表示，带入转矩公式后，公式可变换为：
T=K・Φ・E20・S・R2/（ R22+（S・X20）2）
E20为电机静止时转子自感电动势，S为转差率，R为转子内阻，X20为电机静止时转子感抗。
额定工况工作时电机转差率S很小，与转子阻抗R2相比S・X20可以忽略不计，而Φ、E20都与电压U成正比，交流电机的扭矩公式可以变换为T=K（U/f）2fs ，fs为转差频率。从公式可以看出电机输出扭矩与电源电压与频率的比值的平方成正比，与电机的转差频率成正比。根据交流电机特性曲线（如图4）、和谐系列机车的牵引制动特性曲线（如图1-3）及和谐1型、和谐2型及和谐3型机车牵引电机特性曲线（如图5-7）要求可以看出，只要分别控制变流器输出的频率、电压，就可以控制交流牵引电机同步转速和输出扭矩，按机车设计的牵引和制动特性曲线，控制机车按设定的参数运行。
和谐系列机车牵引变流器性能控制的分析与探讨
根据交流牵引电机的特性分析，通过调整主变流器输出电压的频率，可以调控交流牵引电机的同步运行转速。在变流器输出电压不变时，随着电机运行转速的增加，电机输出扭矩与电源频率的平方成反比例下降。为了使变流器的输出与交流电机的工况相匹配，需要单独控制变流器的输出的电压和频率。
分析和谐1型、和谐2型、和谐3型大功率交流传动机车主变流器，虽然其所选原件和控制参数有所差异，其控制原理都是一样的。
机车主牵引变流器分为四象限整流器、中间直流环节和四象限逆变器三个部分，整流器和逆变器的核心原件都是采用的IGBT模块。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极型晶体管，有输入阻抗高和导通压降低两方面的优点。驱动功率小，非常适合应用于变频器。IGBT模块是由IGBT（绝缘栅双极型晶体管芯片）与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成，封装后的IGBT模块直接应用于变频器。中间直流环节采用巨型电容作为储能元件，可以把整流器和逆变器隔离开来，吸收IGBT模块通断时产生的高次谐波，使中间直流环节保持稳定的工作电压。由于主变流器的四象限整流器和四象限逆变器都采用IGBT模块，在不采取任何控制时，整流器就是一个全桥单相整流器，逆变器就是一个三相全桥整流器。在对IGBT进行控制的情况下，整流器和逆变器都可以在四个相限进行工作。通过控制IGBT模块的通断，控制交流端电压的大小、频率和相位角，就可以控制其工作在整流器或者逆变器的工作状态。下面对变流器各工作单元在不同工况下工作状态进行具体的分析。
1、机车牵引工况下变流器工作状态分析
由于IGPT模块开关损耗及冷却条件的限制，其最大工作频率受到一定的限制，调制频率不能超出IGPT的限制工作频率。在高速区段，由于变流器输出端电压已经达到工作的最大值，只能通过调整输出频率和转差频率来调节机车运行速度，因此，在高速区段可采用单倍频方波调制方式，直接输出方波电压波形。在速度较低时，由于输出频率较低，采用方波调制会产生较大的谐波干扰，功率因数较低，为了改善波形，提高效率，改善牵引电机的工作条件，一般取方波脉冲调制方式输出。
变流器的输出最终是要控制三相交流牵引电机进行调速，从牵引逆变器的控制来看逆变器要实现以下三方面作用：
首先要进行相位控制来保证按三相交流电相位进行输出；通过对逆变器三相整流模块W、M、N的IGPT模块控制的调制基波按120度的相位差进行控制，由于三相桥输出波形与与其对应的调制基波波形保持一致，可保证牵引逆变器按标准三相交流电相位进行输出。第二，要进行电压和频率控制，保证牵引电机扭矩特性按机车的牵引特性要求输出；要控制变流器输出电压与频率的比值大小，使其与牵引电机输出扭矩一致。逆变器的输出是通过IGBT模块的通断，使其输出端与中间直流电源或地直接联通，使其输出幅值为直流电源电压的矩形脉冲。通过调制波与载波信号的比较来控制IGBT模块的通断，改变载波与调制波的幅值比，可以改变IGBT模块输出的占空比，相应的改变单个周期的电压的平均值；通过改变单位时间内周期的个数，改变输出电压的频率，可以改变交流电机的同步转速。在调节过程中保持电压与输出频率的比值不变，可以保持电机输出的扭矩在速度变化时保持不变，实现电机的恒扭矩调速。第三、要进行转差率控制，保证电机工作在稳定工作区；从电机扭矩特性曲线可以看出，在电机加速调节过程中，随着电机转速的增加，转差率迅速减小，当电机转速接近到同步转速时，电机输出扭矩迅速减小到零输出。当电机转速减小，转差率增大时，电机输出扭矩同时增大，提高机车的加速能力。如果超过最大扭矩点，电机进入不稳定工作区，就会造成扭矩输出迅速减小，造成机车途中停车。所以，牵引逆变器的控制主要是根据机车实际运行速度，也就是电机的转速，控制逆变器调制基波的频率，使电机工作在规定的转差率范围内，同时控制输出电压大小，使牵引电机扭矩输出按机车牵引曲线运行。由于电机转差率控制在很小的数字上，使电机的功率因数保持很高接近于1，保证电机输入的功率全部用于对外输出，提高了机车能源利用效率，同时减小了电机的谐波冲击和电机发热，改善了电机的工作条件。
根据电机的扭矩特性分析，电机在输入电压和频率不变的情况下，电机的输入电流可用以下公式表示：
I=（U-E1-E2）/R
U―输入端电压；E1―定子线圈自感电动势；E2―转子线圈互感电动势；R―定子线圈电阻。
在电机启动之前，由于电机转子处于静止状态，定子线圈的自感电动势是保持恒定抵消绝大部分电压，E2反向最大，电源合成后，相当于E2电压全部加在定子电阻上，电机的启动电流非常大，一般电机的启动电流都在额定电流的6到8倍左右。随着电机转速的升高，E2迅速增大，使电机电流迅速减小。在电机稳定工作区的范围内，电机电流随转速的增加成线性减小关系。
四象限整流器是变流器中的另一个主要环节，是变流器中的能量输入环节，与中间直流储能环节共同构成能量传递的传送控制链。
四象限整流器主要要解决以下几个问题：1保持中间直流环节的电压保持稳定，2保持整流电流满足牵引电机工作时的需要，3保证机车供电电流变化趋势与电网供电电压相匹配。
从四象限整流器的结构分析，四象限整流器采用IGBT元件与二极管反向并联的方式，使其具有电流双向流通单向可控的特点，按照全桥整流方式联结后，使其整流具有双向可控的能力，在交流端电压或直流负载发生变化的情况下，直流输出电压可以控制在恒定的状态。
四象限整流器在IGBT控制信号关闭的情况下，与二极管全桥整流电路是一样的。由于电路中存在非线性的滤波电容和和电机线圈电感元件，电路的功率因数不可能达到1.0的数值。采用四象限整流的主要功能就是实现功率因数的控制。
四象限整流器控制功率因数的方法是让网侧电流接近正弦波，并且与电压同相。为控制电压和电流的相位关系，在变流器的四象限整流器与主变供电线圈之间串联一个电感线圈，用以补偿变流器工作时由于负载电流变化中间直流环节滤波电容造成的供电电源相位的变化。由于补偿电感线圈的电压Uls超前电流Is相位90度，电压的大小与通过的电流Is和频率f成正比，所以，必须控制四象限整流器输入电压Uc与电源电压Us之间的相位与电源Us初相位偏移角φ，使电感线圈电压与整流器输入电压的非线性分量Uc*sinφ相互抵消，才能使主变输出端的电压Us和电流Is相位保持一致，使机车的功率因数为1.0，其矢量图如图8所示。
由于串联电感线圈的存在，并且四象限整流器用PWM调制技术，因此四象限整流器实质上是个升压斩波器。在交流电流正半周期内当V、X模块导通时，电网电源Us和直流电源Ud形成叠加效应，快速向电感线圈充电，当V、X有一个模块导通时，通过U、Y对应的续流二极管，电网电源Us继续对电感线圈进行充电；当V、X模块全部截至时，由于电感元件电流的连续性，电网电源和电感线圈电压叠加通过U、Y的续流二极管对中间直流电源进行供电，由于电感的叠加作用，可以使中间直流电源获得比电源最大整流电压更高的电压，具有升压整流的作用。同样在交流电流负半周期内，U、Y模块的作用与正半周V、X模块起到的作用相同。
和谐系列机车四象限整流器的工作原理是一样的，根据机车选用IGBT模块参数的不同，其工作参数也各有所不同。和谐1型机车IGBT模块最大开关频率250Hz，采用5倍频同步调制，最大输入电流1712A。和谐2型机车最大开关频率800Hz，采用15倍频同步调制，最大输入电流1699A。和谐3型机车最大开关频率450Hz，采用9倍频同步调制，最大输入电流966A。逆变器与四象限整流器采用相同的元件，具有较高的输出频率范围，分别是0-116Hz、0-141Hz和0-120Hz。最大输出电流分别为1566A、1900A和520A。由于开关原件受到开关损耗和冷却调件的影响，开关频率收受到限制，在机车中高速工作区段，一般采用同步脉冲调制方式。随着输出频率的降低，脉冲调制输出波形失真逐步增大，功率因数降低，稳定工作点的离散性也越来越大，工作状态变差。为了充分利用IGBT模块的开关频率，改善逆变器在低频率输出区段的波形，一般采用异步脉冲调制方式。
2、机车制动工况下变流器工作状态分析
根据交流牵引电机的特性曲线可以看出，在电机转速超过同步转速后，电机转子相对旋转磁场的运动方向发生改变，转差率变为负值，电机输出扭矩方向发生改变，电机进入动力制动状态。电机电流方向也发生改变，由流入电机变为流出电机，电机由电动机状态转为发电机状态运行。
对于牵引逆变器来说，其控制输出的相位、电压和频率控制与牵引工况是一样的，所不同的是输出电流的方向发生改变，并控制电机转差率为负值，使电机在稳定的工作范围以内工作。
对于四象限整流器来说，牵引工况下控制整流器输入电压Uc相位角滞后电网电源电压Us，能量流动电网流向变流器方向。在动力制动工况下，整流器输入电压Uc相位角变为超前电网电源电压Us，在同样的控制信号状态下，由于电压的相位发生变化，在交流电流正半周期内当控制信号加在V、X模块上时，由于模块两端的电位差反向，模块并不导通，电感线圈通过V、X模块对应的续流二极管对电网和中间直流环节放电。当控制信号加在U、Y模块上时，模块导通，直流电源Ud通过U、Y模块向电感线圈Ls及电网电源Us反向充电，当U、Y只有一个模块导通时，由于电感元件电流的连续性，电感线圈通过导通模块U（Y）和模块V（X）的续流二极管，继续对电网电源Us进行充电；同样在交流电流负半周期时，V、X模块的作用与U、Y模块在正半周起到的作用相同。
中图分类号：TM571 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0089-02
由于交流传动机车具有等效干扰电流小、功率因素高、电机维护简单、恒功率范围广、启动牵引力大等优势，已经成为我国铁路发展的主要趋势。本文主要从软件设计和硬件设计两个方面探讨电力机车网络化电气控制系统的设计
1 电力机车网络化电气控制系统总体设计方案
以电力机车目前普遍的电气控制系统结构为基础，设计以PROFIBUS为基础的电力机车网络化电气控制系统总体方案，其核心为S7-200和S7-300可编程控制器，以先进专业技术和自动控制理论为知道，被控对象为某列电力机车，手段为上位监控和检测，对电力机车模型的软件系统、硬件系统以及上位监控系统进行科学的设计，从而达到改进和完善控制系统功能的最终目的。以某一列车为模型，每个车厢的核心都是可编程控制器，和其他电气设备相互协作，从而实现每个车厢的单独控制。列车的主站和机头车厢从站选择S7-300（组态模块如图1所示），其他的车厢从站选择S7-200（组态模块如图2所示），主站和从站之间借助于PROFIBUS现场总线实现通讯。机头车厢主要通过变频的方式，来对牵引电机进行减速、加速、停止以及启动等操作。列车车厢选择闭环PID控制来对温度进行适当的调节，通过变频调速方式来进行制冷，此外，该系统还可以对照片、供电、供水等措施进行控制[1]。
2 电力机车网络化电气控制系统硬件设计
电力机车网络化电气控制系统硬件设计主要包括西门子S7-300、变频调速开环控制系统设计、变频调速闭环控制硬件设计、车厢空气调节系统设计等方面
2.1 车厢空气调节系统设计
列车车厢空气调节系统中的空调装置主要包括净化器、加湿器、冷却器、空气加热器等，为了满足节能要求，所以空调系统还需要设置回风口，新设置的回风口可以根据实际需要选择回风送风的方式，通过新风和部分回风的混合，也就是15%的新鲜空气和85%的室内循环空气，对其进行加热和加湿处理措施，送到各个空调车厢。空调系统首先是由压差传感器、风量传感器、湿度传感器以及温度传感器等得到送风、回风以及信封的风机风量、温湿度等参数。然后通过模拟量输入通道，将其送入CPU。CPU要对送来的参数进行计算，然后从输出通道中输出模拟量，对各个执行器进行调节，从而达到洁净空气、恒温恒湿的目的[2]。
2.2 变频调速闭环控制硬件设计
闭环系统形成之后，要传递速度信息，可以通过PLC或者光电编码器来对速度进行测量。速度采集的方法如下：由于S7-300具有高速脉冲采集功能，采集的频率高达60兆赫兹，在固定的时间间隔内，对脉冲差值进行采集，然后进行相应的计算，就可以算出电力机车目前的转速。闭环控制是将电力机车的速度信号传递给PLC ，然后将其和定量进行比较，输入到PID控制系统，从而使调节速度可以满足要求。闭环控制系统的结构图如图3所示。首先，对PLC 进行给定输入，然后通过PLC对变频器进行有效控制，借助于变频器来控制电机，从而达到变频调速的最终目的，此外，这样的操作还可以实现上位机的有效监控，对电力机车的速度进行合理的控制，还可以对交流电机的速度、正反转进行调节。最后向PLC传递电力机车转速的信息，经过比较，将信息传递给变频器，从而实现无静差调速[3]。
2.3 变频调速开环控制系统设计
本次研究主要通过S7-300可编程控制器来对电力机车的变频调速系统进行有效的控制。三相异步电机速度调节是交流传动电力机车变频调速的关键，其中，变频器发挥的作用不容忽视。如果没有反馈信息，可以将直接给定控制信息的控制调速系统称为开环调速系统，在PLC中输入给定的速度，然后经过变频器进行变频之后，控制电力机车的实际运行[4]。
2.4 西门子S7-300
西门子S7-300是面向制造工程的系统解决方案，具有以下优点：系统选择MMC来对程序和数据进行存储，所以无需维护；设计模块比较紧凑；模块化设计；性能好；CPU模块种类比较丰富等。S7-300属于可以扩展的模块系统，所有扩展的模块都可以有不同的组合，不同型号的CPU又有不一样的功能，并且所有的CPU都具备集成的输入点和输出点。但是不是所有的中央处理单元都具备通信接口。标准的S7-300温度范围为0°-60°，环境扩展型的S7-300温度范围为-25°-60°，耐污染特性更好。
3 电力机车网络化电气控制系统软件设计
3.1 车厢电气控制系统软件流程图
首先，要对变频器等系统的控制要求和参数进行适当的修改，然后处理现实数据。其次，借助于模拟量输入模块，对数据进行读取。最后，根据车厢空调系统的实际要求，选择S7-200PID控制模块进行有效控制。流程图如图4所示。
9600kW电力机车网络控制系统根据功能不同分成MC车和M车，通常情况下，由两节MC车构成十二轴9600kW机车；在中间增加一个M车构成十二轴14400kW机车。该系统采用分布式列车电子控制系统DTECS，DTECS是专为轨道车辆的列车控制和通信而设计的一套车载计算机系统，主要完机车及车辆的通信管理、功能控制、故障诊断、信息显示和事件记录等功能，系统包括车载硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具。系统设备主要包含ERM、GWM、AXM、DXM、DIM模块和其他设备（TCU、ACU、BCU）上的通讯板以及机车状态显示屏IDU。系统网络结构控制图如图5所示。
3.2 编程软件
编程软件选择STEP7 Micro WIN，在Windows环境下，对PLC 进行监控、调试和编程。在S7-200类型的PLC中，主要包含两种最基本的指令集，其一，IEC1131-3，；其二，SIMATIC。其中，SIMATIC主要包括连续功能图、语句表、梯形图三种指令。系统主要通过闭环控制方式来对电机的速度进行调节，由于PID控制的特殊性，所以实际编写程序时，要将程序分为主程序、中段程序以及子程序三部分。其中，主程序负责控制量的输入、输出以及中段程序的启动；中段程序负责调用PID指令，进行正确的运算，并转换数据类型；子程序负责设置PID的控制参数[5]。
3.3实验调试
PID参数的整定方法主要是通过微分时间、积分时间以及调节器的比例系数来确定，通过这三个方面，可以将这个系统的性能实现进一步的提升。在实际调试过程中，调试方法主要是衰减曲线法和经验法。其中，经验法又称为现场凑试法，调试之前，不需要进行理论计算，需要调试人员根据多年来积累的丰富经验，不断对参数进行修改，使工程的运行曲线可以满足要求[6]。
4 结束语
综上所述，电力机车在我国经济发展中的重要性有利于突出，但是电力机车网络化电气控制系统的设计仍然存在一些问题，已经引起社会各界的普遍关注，因此加强电力机车网络化电气控制系统设计的研究力度具有非常重要的意义，不仅是该领域目前的主要任务，也是未来数十年主要的发展方向。
参考文献
[1] 刘剑锋，黄志武. SS_4改进型电力机车电气控制系统无触点改造[J]. 机车电传动，2005，01：40-42.
[2] 李德仓，孟建军，张参参，杨艳梅. 基于PLC的电力机车整备作业控制系统设计与实现[J]. 微计算机信息，2012，02：38-40.
[3] 梁裕国，陈特放，孙宁，黄志武，李书涛，于江水. 8K型电力机车电气控制系统的无触点化改造[J]. 机车电传动，2003，01：54-55.
电力机车在运行中通过车顶电网供电，机车从电网上受电的装置称为机车受电弓。电力机车依靠“弓网作用”滑动取流，其工作过程承受滑动、摩擦、热、电和化学等综合因素，是一个比较复杂的过程。中国电气化铁路目前仍存在着弓网事故多，停电时间长等问题，据有关资料统计，我国电气化铁路停电、停运事故中弓网事故占事故的80%左右，特别是随着铁路向重载、高速、和信息化方向的发展，如何防止弓网事故显得尤为重要。
1、弓网故障因素
1.1 接触网因素
1.1.1 地理环境因素
接触网是露天架设无备用设备，受地理、地域、自然环境的影响特别大，突出表现在温度、风力、工业污染等方面。
1.1.2 接触网工艺
接触网勘察设计的开始，就决定了接触网质量的先天性，设计不合理，甚至错误，往往会造成接触网的“硬伤”运行，并给检修带来难以消除的隐患，随着不良状态的持续积累，在一定条件下就可能形成弓网故障的直接原因。
1.1.3 线岔
线岔的作用是在转辙的地方，当一组交叉悬挂的接触线被受电弓抬高时，另一组悬挂的接触线也能同时被抬高，从而使它与另一组接触线产生高差。线岔容易引起钻弓和刮弓事故。
1.1.4 接触网硬点
硬点是接触悬挂中一种有害的物理现象，是对接触悬挂中由于质量（质量分布不均）或弹性突变（弹性不均）可能改变机车受电弓运行状态的处所的统称，是一种不可消除的客观存在。当机车受电弓高速通过接触网硬点时，由于受电弓与硬点在线路方向上是正面冲击，相对速度较高，当冲击发生时，轻则影响机车取流，重则会打坏机车受电弓，造成弓网事故，严重影响安全运输。
1.2 受电弓因素
（1）滑板条磨耗。滑板条磨耗过快是电气化区段运营初期的正常现象，其磨耗分为：机械磨耗和电器磨耗。
（2）弓网拉弧。弓网之间要求始终有一定的接触压力以保证机车受流状况良好，当接触压力过小甚至为零时，受电弓滑板会脱离接触网而发生离线。虽然中、小离线不会对机车造成行车影响，但在离线瞬间产生的火花或电弧，会增加接触导线和受电弓滑板的电磨损，缩短其使用寿命。大离线则十分有害，甚至使机车的运行和安全受到影响。
（3）滑板偏磨。滑板偏磨也是影响滑板寿命的重要原因之一。滑板偏磨使滑板磨透，不能正常与接触网接触，甚至使滑板形成沟壑卡滞接触线从而造成刮弓。
（4）刮弓。刮弓是接触网和受电弓的重大故障。有时运输指挥部门错误也会导致刮弓，如果车站错给信号将电力机车放入无电线路，机车乘务员发现不及时，没采取降弓措施就容易形成刮弓。
（5）瓷瓶。电力机车受电弓支持瓷瓶是目前牵引供电系统中最薄弱的环节，一旦瓷瓶发生问题，往往造成很大损失。瓷瓶常见故障有破裂闪络造成电网直接接地、机车车顶瓷瓶发生接地故障直接造成机车故障。
（6）受电弓部件损坏。机车高速运行时，受电弓受力复杂，加上恶劣的工作环境，使受电弓的部件容易发生各类为题，如不及时发现处理将造成隐患。
1.3 其它因素
由于接触网、受电弓处于露天架设，且工作环境恶劣等，其自然灾害、人为损坏等不可控因素，也是造成弓网故障的一个原因。
2、受电弓实时动态车载监控系统目标
根据受电弓故障原因的分析和对现有受电弓检测系统的分析比较，我们提出实时动态车载监控系统，该系统的设计目标如下：
（1）检测范围：受电弓工作状态，车顶图像，包括接触网状态，能有效检测机车受电弓滑板条丢失、受电弓倾斜、受电弓无法升起等故障；（2）实时图像监控：支持2路D1分辨率图像实时监控，录像存储、检索；（3）高分辨率抓拍：为滑板磨损和变形分析提供可靠数据；（4）3G传输：提供远程监控和告警信息传送；（5）GPS定位：为故障修复和救援提供支持；（6）全天候设计：高性能LED补光，确保图像质量；（7）抗恶劣环境：支持IP67以上防护设计、抗电磁干扰和防震设计；（8）良好的扩展性：预留外部数据和告警信息输入。
3、系统设计
电力机车受电弓实时动态车载监控系统由6个子系统组成，包括摄像、电源、照明、传输、监控主机以及本地显示系统。
3.1 摄像系统
摄像系统由彩色低照度工业摄像机和全天候防护罩及支架构成。摄像系统主要完成对电力机车受电弓和车顶图像的实时采集和高分辨率图像抓拍。
在电气化铁道安装摄像机进行监控，重点是强电磁场干扰和恶劣环境问题。摄像机在室外车顶架设，其工作环境较为恶劣，环境工作温度-30摄氏度～60摄氏度，灰尘雨水较大，摄像机距离接触网不足3M，受到强电磁场的干扰。因此，在摄像机和护罩等配置需充分考虑下述因素。
（1）摄像机要求：支持自动光圈镜头；自动白平衡；自动背光补偿；最低照度不大于0.001LUX。
（2）护罩和支架要求：支持IP67以上防护要求；抗电磁干扰；防护罩内置可调节的摄像机安装板；自动温控：控制风扇和加热器的开启和关闭；支架采用钢质重型支架，用于固定整个摄像机。
（3）摄像系统安装：摄像机的安装需根据火车的结构以及受电弓位置来决定，根据韶山系列电力机车的勘察，火车车顶距离上方接触电网的距离约为2.6米，受电弓受电长度约为1.3米，为了使监控画面比较直观，实际监控区域需在受电弓受电长度上略微增加，约为2米的范围区域。
摄像机固定在距离受电弓2米左右的前端车顶上，这块区域大致位于司机室正上方，此处在进行车体检修时不会被拆离，故安装摄像设备不存在后期隐患。
摄像机安装时，与水平线保持40度左右的角度，并且摄像机镜头开角需要大于20度。
以同样的方式在火车尾部的受电弓安装摄像机。
3.2 电源系统
电源系统负责摄像机、监控主机和灯光系统的供电。
电源系统可通过从机车内电源引出DC110V，接上稳压装置将输入的DC110V直流电转换成稳定可调的DC6～24V直流电输出，为整个实时监控系统提供电源。
3.3 照明系统
照明系统主要由LED红外补光灯及可控开关构成，主要负责在光线不足的情况下对摄像系统进行补光。
（1）照明范围设计：根据韶山系列机车受电弓位置情况，LED红外补光灯照明范围需要大于摄像机所捕捉图像的范围，即光照范围大于2M。
（2）LED功率设计：根据受电弓顶端补光后最低照度需达到10～15LUX，因此LED红外补光灯功率设计为10W～15W。
（3）LED红外补光工艺：根据LED的光照范围和功率，LED红外补光系统采用小开角设计工艺，外置安装，制造工艺为COB方式，由于COB方式会造成集中发热的问题，需要在LED红外补光灯后加装散热设备避免LED本身损坏、达到延长寿命的目的。
（4）照明系统安装：外置安装，LED红外补光灯安装在摄像机旁，固定角度与水平线保持40度左右，并且LED红外补光灯灯头开角角度在20度～25度之间。
（5）照明系统防护：LED红外补光灯光源部分采用IP66以上防护等级设计，护罩采用IP67以上防护等级设计，LED红外补光灯不受电磁场干扰影响。
3.4 监控主机
监控主机是检测系统的核心，主要负责图像的编码、存储，同时提供高分辨率抓拍、GPS定位和3G无线传输。
（1）图像编码：系统支持4路D1（720X576）H.264编码；（2）高分辨率抓拍：支持1080P分辨率抓拍；（3）图像存储：D1（720X576）：每路图像1.5Mb/s存储到本地硬盘当中，1路视频1天存储视频大小大约为192×3600×24×1÷0.9=17.57G；（4）其他功能：GPS定位；支持电信或联通3G无线传输：传输图像为CIF（352X288）
3.5 本地显示系统
本地显示系统主要通过司机室的液晶监视器，直观地观察被监控区域的图像信息，必要时还可将某一路图像放大到全屏幕以便更细致的观察。
液晶监视器采用10规格，外加机壳固定，机壳上设置操作按键，可进行图像的检索和放大。
今年三月的一天，正在肃宁北库内进行0641整备作业的××*，发现邻线准备出库挂车的朔黄机车046号，受电弓升不起来，急得该车乘务员不知如何是好？他正准备去看看是怎么回事，这时候046号机车的乘务员冲着他喊：“师傅，过来帮帮忙吧，这车进库好好的，怎么整备完后受电弓就升不起来了，马上要出库，急死人了！”他听到这里，向副司机交待好工作后，立即登上046号机车，问明情况后，他按下受电弓琴键开关，从司机室门处向车顶查看受电弓状态，发现受电弓传动风缸鞲鞴没有伸出，根据判断，这最可能的原因就是风路的问题。他对该车乘务员说：“你去看看143塞门是不是半关或者没有打开？”“哎呀是的!是的!刚才擦车的时候可能把塞门给碰了一下，半网关了！”去检查143塞门的乘务员从走廊里边小跑边高兴地喊道。故障处理好后，两位乘务员不好意思的连声致谢。××*同志用行动证明了：我们四局的职工的实力。
用规章标准要安全。朔黄线是一个高标准、严要求的单位，“联合运输”的运营机制，使得各联合运输单位之间竞争异常激烈。安全运输上出了问题，轻则单位利益受损，重则有可能失去朔黄这块阵地。作为一名在朔黄线工作了多年的司机，××*同志深知这一严峻形势。对他来说，如何与广大乘务员一起用标准、规章干活，把好安全关，就显得尤为重要。“如果我们人人都能遵章守规、执行标准化作业，那我们安全上就不会出事”，这是他常对大家讲得一句话。他是这么说的，也是这么做的。
在每次乘务作业中，他都精力集中，特别是上夜班时，为了让自己时刻保持清醒，他就用浓茶、香烟刺激自己，原本不抽烟的他硬是抽上烟了。一本厚厚的《朔规细则》，乘务员部分他都能对答如流。在运行中，他能严格执行标准化作业程序，按规定呼唤应答。一次，他的副司机在运行中限速地段呼唤不标准，他就立即进行指正。并说，这就是制度，这就是标准。他的这种认真劲是出了名的，有次机车小修时，本来说好7点钟擦车，他的伙计晚来了20分钟，他立即对他进行了批评，并严肃地说这是思想意识问题，必须重视。他用踏踏实实的工作作风、严于律己的党员形象要求自己并启发着大家，为单位运输安全起到了良好的促进作用。
用机车质量创安全。良好的机车质量是单位创造效益和安全的基础。今年随着运量的增加，机车交路越来越紧，机车运用效率大大提高，这样保证机车日常保养质量，显得更是尤为关键。为此，他就抓住一切可利用的时间，中间站停车、停电时也搞清洁保养。今年四月的一天深夜，0644机车适逢进库整备，当时主管机务的副分处长刚好到备班室查岗，经过整备场，听见整备场上有异音，以为是老百姓搞破坏，走近一看，原来是××*同志凌晨3点了还在擦车。领导见到网此景，非常感动，心想：“有这么认真负责的职工保养机车，我们的机车质量能搞不好吗?”功夫不负有心人，面临紧张的生产运输形式，我单位机车的质量稳步提高，为安全运输起到了至关重要的基础作用。
中图分类号：U26 文献标识码：A
一、电力机车电磁辐射的形成
轨道机车要急速行驶，应当装设功能强大的动力系统。当下，一般K字头火车的动力系统的功率普遍为2W到3MW之间。根据国务院制定的中长期铁路规划，我国将开行时速达300公里以上的高速列车。行驶速度如此大的列车，需要的动力系统系统功率将达到10MW左右。就目前技术条件，为如此高功率的列车提供动力，一般均采用电动力系统。所以，在我国高速列车均采取电力机车。电力机车从供电网中获取能量，电力机车本身不装设功率产生设备，也不携带其他一次能源，其能量来源均由电力网提供。电能是有发电厂产生，利用升压变电站升压传输到降压变电站，再引入到铁道专用变电站。从铁道专用变电站的出线端引出配线网络到铁道接触网上端，利用回流连接线与受电弓、车轮及铁轨，形成了电流流通路径，此时电力机车通电。具体可参见图1。
在传统的电力机车的动力供配电系统中，曾有多种不同的供配电形式出现，主流的有供电方式有单相工频交流方式、单相低频交流方式、直流方式等。经过多年铁路的工作者的实践，最终确定电力机车的供配电的系统采用单相工频交流方式。通过交流为电力机车的行驶提供动力有相比其他方式具有很多的优势。但工频交流电必然对外发射工频电磁波，同时由于与铁道附近的电磁环境相互影响，还必然发射高频谐波辐射。这些电磁辐射对于周边的电气设备、通信设施必然会产生一定的影响。
二、电力机车形成电磁辐射的原因
电力机车行驶时形成的电磁辐射主要原因是受电弓与导线的联系问题。受电弓与导线之间本来就存在着接触电阻的问题。行驶中的电机机车受电弓和电网络更加不可能严密的接触。这个接触面的等效电路模型，不能够单纯的是一个电阻模型，而是一个由电阻、电容和电感共同构成的模型。同时，由于电力机车在行驶时，受电弓与导线之间的接触面的紧密程度在不断地变化，它们之间的等效电路模型参数亦在不断变化。这致使流过机车的电流产生高频谐波分流，对外发射高频电磁谐波。电力机车电磁辐射，大概有一下几种形式。
（1）电力机车在启动和进站时，时速相维持在低位，行驶相对稳定。此时受电弓在供电网导线下方平滑移动，衔接相对严密，基本未有形成显然的缝隙，电磁辐射较弱。这时候机车通过电流波形产生畸变原因在于，导线和受电弓的表平面由于存在着损耗，相互的表面都不够平滑。这种畸变电流在机车重载运行时，变现的愈加明显。畸变电流对外依然要发射高频电磁波，产生电磁辐射。相对而言，此类电磁电磁辐射的能量层级比较弱，同时随着频率的增大，幅值衰减得也比较厉害。
（2）电力机车在驶离车站开始高速运行时，因为导线表层存在许多的硬点，机车机车在经过这些硬点时，将完全与导线脱离。此时，供电网对机车的供能，将有电弧的参与。电弧的流经路径和电流大小难以控制，时刻变化。电弧电流包含大量的的高次谐波分量，并且能量层级很高，对外将发生较为强烈的电磁辐射。
除此之外、电力机车装设的其他设备，比如整流设备、变压器等等都会形成一定的电磁辐射。整流设备是由非线性的电力电子器件构成，其工作形式是在电力电子器件不停在截止区和饱和区转换，从而达到交直流转换盒变频的目的。在此过程中，必将产生高频电磁辐射。变压器采用了很多铁磁材料构成，由于其铁磁材料工作超过其线性区，使得不同相位的电流非等比例变化，从而造成高频电磁谐波。此类电磁辐射，能量层级相对于受电弓与导线之间产生的电磁辐射而言较小，同时还受到机车的屏蔽，对周围环境影响比较弱。
总之，电力机车电磁辐射产生原因主要是由于列车行驶时其受电弓与接触网的衔接情况不断变化，导致其等效电气参数不断变化，从而产生了不平衡电流，形成了对外发射和严接接触网传导的电磁辐射。电力机车电磁辐射的形成及传导情况如图2所示。
三、电力机车电磁辐射对周边环境的影响及对策
电力机车在运行时，将产生一定的电磁辐射。而铁道沿路有可能布置着各种电气电信设备，例如超短波通信台、广播电视台、雷达信号台等等设施。电磁辐射不可避免会对此类设备构成干扰。为此，相关部委对不同的电气设备制定了不同的国家标准，对电力机车及其相应的铁道沿线的各类电气设备的间隔距离做了详细的规定，以避免互相干扰
铁道建设是一个长期过程，部分由于历史原因，严格按照国标建设有一定的困难。这需要充分比较平衡国防、人文、自然之间的相互影响。从铁道自身建设的角度来说，要减少电力机车在急速行驶的过程中形成的电磁辐射，则应道使得铁道路径尽量平直，采用高质量的受电弓，协调弓网的联络，从而达到降低受电弓的瞬间的离线率。而从受干扰方的角度说，应当增加设备的可靠性，提高仪器的有效辐射率，纠正信号采样功率因素，对部分采样设备进行改造。
以下就电力机车轨道附近容易受到干扰的设施及其抗干扰措施作概括描述：
1民航航站楼
民航航站楼里面的导航装置，是机场和航班进行通信的设施，向航班传递角度、航线和其他信息，以确保航班的平安运行。
电力机车在行驶过程中形成的电磁辐射，将干扰到航站楼读取航班的信息，并在传输的数据的过程中造成信息的丢失，威胁航班的正常运行。
目前针对航站楼的电磁辐射主要可以采取以下措施
（1）增加电力机车的轨道与民航航站楼的相对距离，使得电力机车的产生的电磁辐射对航站楼的影响，降低到可接受水平。同时，依据先行建设单位优先的原则进行协调。
（2）由于接组网的电力分相属于强辐射源，在航站楼附近，尽量不设置分相设备
（3）提高航站楼传输型号的能级强度，加强其抗干扰能力，增强其信噪比，以确保航班的安全稳定运行。
2信号雷达台
信号雷达台是国防对空作战的情报收集的基本单元，是对空防控的信息中枢。电力机车行驶过程期间附带形成的电磁干扰，容易使得雷达输出画面出现雪花，干扰情报人员对情报的准确判断。对电力机车的电磁干扰问题，一般采取以下对策
（1）对等级较低、符合迁移标准的雷达台，可对其实施迁移。
（2）对于核心中枢的重要雷达台，可以与高铁方面进行协商，从产生电磁辐射源头降低干扰信号的强度。
（3）对雷达台进行技术改造，提高屏蔽电气辐射的技术条件，加强雷达的抗干扰能力。
3短波侧向站
短波侧向站一种运用信息传输与处理技术，采样与收集短波信号，通过对信号的系统分析判断信号的来源。电力机车行驶过程中形成的电磁辐射，本身就是一种无线干扰信号，尤其是其中的高频辐射，会直接被侧向站所采集，干扰测向的判断。目前可以主要采取的对策如下：
（1）对于影响严重，干扰厉害的测向站，先考虑对测向站的信号采集系统进行迁移，但应当尽可能不对测向站整体进行迁移。从国防角度出发，信号测向是个系统工程，不应当进行远迁。
（2）电力机车的轨道应当尽可能平直，降低电磁辐射的产生。
（3）提侧向站高滤波、隔离及定位的能力，改进测向站的可靠性。
4收信站
收信站尤其是超短波授信站，负责国防、安全、海事等关键部门的信息传递任务。电力机车在行驶过程中将形成电磁辐射，高频辐射将与短波信号进行叠加，使得信号丢失信息。对收信站可以采用以下措施：
（1）改造轨道建设，从源头减少形成电磁辐射的因素
（2）提高收信站采集信号的能力、改变收信站分析信号的方法
（3）对收信站在一定地域内进行迁移
5广播电视中继站
广播电视中继站，是接收广播电视信号，并通过相应的方法对信号的幅频和相频特性进行调整，增大信号的能将，并将广播电死信号发送到地方发射台，以供用户接收。电力机车产生的电磁辐射会叠加到广播信号中，使得用户的电视画面出现雪花，广播声音出现杂音。严重影响收听收视效果。对电力机车的电磁干扰，可采取以下措施。
（1）提高滤波措施，滤除相应干扰
（2）增强信号信号传输的特征点，使得后继信号站能够更加容易得从噪声信号中提取有用信号。
（3）另行选址建设新的广播电视中继站
电力机车在行驶过程中，将不可避免的产生电磁辐射。减少电磁辐射的干扰，最直接的措施是采用屏蔽的措施。最佳的屏蔽方式是在让电力机车在完全封闭的、有铁磁材料构成的隧道中运行。这方法成不过高，不易施行。但在对电气环境要求较高的路段，进行半封闭的屏蔽建设，也能起到很好的屏蔽效果，同时还可以抑制噪音。此外、提高受电弓的质量、增加铁道输电功率的稳定性，都可以减少电力机车的电磁辐射。
（本文系重庆水利电力职业技术学院院级科研项目（K201212）“电力机车电磁辐射对周边环境影响的研究”的研究成果）
参考文献：
[1]GB/T 15708-1995 交流电气化铁道电力机车运行产生的无线电辐射干扰的测量方法 [S].
[2]刘俊刚.电力机车对外电磁辐射测试标准与方法的研究[J]. 铁道技术监督，2005（5）.1—4.
[3]刘干禄.轻轨机车运行中产生的电磁辐射的测试方法探讨与研究[J]. 中国无线电，2005（5）.52—54.
1 劈相机介绍
单相异步劈相机是利用单相交流电源供电的一种小容量交流电机。因为其经济、结构简单、运行可靠、维修方便等优点和可直接接到220v交流电源上使用的特点，因此被广泛运用到家庭电器及轻工业装置中。
2 劈相机工作原理
异步劈相机和普通的异步电机的结构基本一样，有定子绕组和鼠笼式转子。定子绕组有三绕组Y型和两绕组T型两种结构。T型绕组的主绕组接牵引变压器二次侧辅助绕组的两端，辅绕组则接在主绕组的中点。电机启动之后，辅绕组的电压超前输入的单相电压90°，因而在输出的三端得到三相电压。Y型绕组在国产得韶山系列上运用普遍，下面对Y型定子的异步劈相机进行分析。
如图1所示，Y型的定子绕组的oc、ob端接在牵引变压器二次侧的辅助绕组两端，输出的三个端子接三相负载。在cb端通入单相交流电之后，绕组oc、ob中会产生空间位置不变、大小按正弦规律变化的脉动磁场。若只有绕组oc、ob，在转子启动之后，劈相机则作为一台单相异步电机运行。
所以转子是以接近于2的速度切割负序磁场，因此转子导体中感应出接近2倍频率的电流和电势，因而产生的磁场抵消了负序磁场。在劈相机起动以后，可认为气隙中只有正序旋转磁场存在且切割Y型定子绕组oa、ob、oc而感应出一组三相电Eoa、Eob、Eoc，从a、b、c三个端子来看，劈相机又是一台三相发电机，给三相负载供电。
由上述可见，劈相机的本质是单相异步电机和三相发电机的组合。在劈相机运行中，cob绕组和转子起着单相异步电动机的效果，而从a、b、c端子看oa、ob、oc和转子起着三相发电机的效果。因此，b、c相绕组称为电动相绕组，a相绕组称为发电相绕组。
虽然此劈相机的三相绕组对称，但只有在空载时输出的三相电压才对称，加上电负载后则不对称。虽然负载对称，但劈相机的b、c相绕组中不仅有发电机电流还有电动机电流，会造成不对称电流而导致不对称的压降。当负载为感性时，发电机电流导致的电压降使绕组的端电压小于感应电势，而电动机电流使端电压大于感应电势。从而导致了三相端电压不对称。还有，若负序磁场没有完全抵消，剩余的负序磁场也会在绕组中感应出负序电势，从而使电压的不对称度增加。
由以上分析可知：劈相机实际上就是本身只输出一相电流的异步电机，劈相机工况是三相异步电机在不对称条件下工作的特例。
异步电机成为劈相机的基本条件：（1）电机机械负载不变；（2）
三相电网缺相，使其电流反相输出。
3 劈相机的起动与运行
为了保证辅助电路的正常运行，必须改善劈相机电压不对称的情况。一种方法是采用不对称的绕组，但这种情况只适合恒定的负载，一旦负载改变将不再适用。显然电力机车由于负载的变化，不能采取这种方法。另一种方法是在劈相机的发电相和电源相之间并接一个电容，这样的好处是劈相机发电相绕组的电流减小了，减少了压降，从而使得端电压增大。因此这种方法很适合电力机车，通常电容是在负载上，因负载不同而其大小也不一样。劈相机的起动和单相异步电机一样，接通单相电源时，电动相绕组产生大小相等、转向相反的旋转磁场合成的脉动磁场，所以在转子上产生两个大小相等、转向相反的力矩，因而不能使转子转动。因此，可以采用辅助电动机带动劈相机或者分相起动的方法来打破劈相机的这种平衡。分相起动分为分相电容起动和分相电阻起动，在电力机车上常用分相电阻起动的方法使劈相机起动。下面分析电阻起动的方法。
如图2所示，J是接触器，RQ是起动电阻。劈相机起动的原理如下：
从c相看进去，将劈相机的Y型定子分成两相绕组，分别为cob和coa，均可视为纯电感。但在coa相串联电阻RQ以后，当两相绕组接入单相电源时，coa相电流相对于电源电压的滞后角？酌
当劈相机转子转动以后，在定子三相绕组中会产生三相感应电势为负载供电。劈相机起动完成以后，接触器J会自动断开，以切除起动电阻。
劈相机作为交-直机车辅助电路提供三相交流电源，是辅助电路的核心设备。为了提高辅助电路的可靠性，通常有一台劈相机备用或者一台通风机兼做劈相机使用。
4 劈相机在SS4G电力机车上的使用
SS4G电力机车采用传统劈相机实现“单-三相”供电。劈相机采用分相电阻起动，并由电压继电器监测起动过程和控制起动电阻的切除。SS4G机车采用型号为YPX-280M-4、380V、50kW的劈相机，其参数相对于之前的车型有所调整，起动电流适中、分相起动后切除起动电阻的自起动性能有所改善。
4.1 劈相机的分相起动
如D3所示，劈相机的运转和停止由其相应的接触器210KM控制，而劈相机的起动由接触器213KM将起动电阻263R接入到第二电动相绕组D2和发电相绕组D3之间来完成。劈相机起动由电压继电器283AK进行监测和控制起动电阻回路的开断。
起动劈相机信号发出后，接触器213KM闭合，起动电阻接入电路，电源接触器210KM闭合，劈相机开始起动。起动过程中，当劈相机达到0.9倍额定转速，即283AK测得的发电相电压值将接近额定电压220V时，将使接触器213KM切除起动电阻，劈相机到此起动完成。同时，283AK失去工作电源出于闲置状态。为了提高可靠性，起动电阻有三个抽头，当一组烧毁时可切至另一组，若两组均烧坏，可切到233，改用电容起动。
4.2 通风机的电动机电容分相起动
为了应对劈相机有可能发生故障的情况，专门设置了备用电路。在机车运行中，如果劈相机出现故障，为保证其他辅机继续工作，应切除劈相机，以电容253C对风机电动机3MA直接进行分相起动。此时，3MA既是一台通风机，也是一台劈相机。在电网电压达到19kV以上时，通风机电动机才能分相起动，在电网电压高于22kV时，才能起动其他所有辅助机组。由于SS4G型C车的两节车的辅助电路没有进行重联，因此可以一节车做劈相机电阻分相起动，另一节（劈相机故障状态）做3MA电容分相起动。
4.3 三相负载电路和单相负载电路
4.3.1 三相负载电路
三相负载电路是指机车辅助电机的供电电路。如图4所示的三相负载部分，当劈相机起动完成后，辅助电路导线201、202、203将提供不完全对称电源，此时各辅助机组可依次有间隔的接入负载电路。
SS4G型电力机车的三相负载为：压缩机电动机2MA一台，牵引通风机电动机3MA、4MA两台，制动风机电动机5MA、6MA两台，变压器风机电动机7MA一台，变压器油泵8MA一台。为了改善劈相机供电系统三相电源的对称性，在3MA～5MA电动机的第二、三相绕组间接入了移相电容247C～252C，随着电机的接入而投入使用。各辅助电动机均由其对应的交流接触器203KM～212KM进行通断控制。
SS4G型电力机车辅机电动机的交流接触器采用3TB系列三相交流接触器，因其操作系统是直流控制、结构简单、可靠性高、机械寿命长。控制7MA、8MA的交流接触器211KM、212KM的额定电流为75A，其他的均为170A。
机车上还设置有库用插座294XS和库用转换刀开关235QS，如图库用插座开关部分。当机车处于运行状态时，235QS倒向“运行”位，当机车在库内时，235QS倒向“库用”位，此时有两种库内电源可使用。一般，库内三相电源在段内使用，库内单相电源仅在制造厂或者大修厂库内电源容量大时使用。
4.3.2 单相负载电路
单相负载电路，即指电力机车中辅助电器的负载电路，如图的单相负载部分，负载电路分为380V和220V两类。
5 SS4G电力机车劈相机使用中常见故障及处理方法
5.1 劈相机不起动
5.1.1两节劈相机不起动
故障处理：
（1）检查辅机控制单极自动开关605QA是否跳开，反复开闭
605QA；
（2）将劈相机自起故障隔离开关591QS置“自起”位实验；
（3）更换机车操作端实验；
（4）关闭自动过分相装置主机实验。
5.1.2 一节起动正常，另一节指示灯不亮不起动
故障处理：转换LCU“A/B”实验
5.1.3一节起动正常，另一节指示灯亮不起动
故障处理：
（1）检查劈相机三相自动开关215QA，反复开闭215QA；
（2）转换LCU“A/B”实验；
（3）检查劈相机三相接触器201KM及起动电阻三相接触器
213KM是否正常，201KM故障通风机代替，213KM故障切除该节车维持运行。
5.2 起动电阻甩不开
故障处理：
（1）立即断开劈相机按键开关404SK，重新起动劈相机，待起动后（3s），人为按压劈相机起动继电器283AK；
（2）转换LCU“A/B”实验，仍无效时切除该节车维持运行。
5.3 起动电阻烧损
故障处理：
（1）劈相机故障隔离开关242QS置“1FD”位；
（2）起动电阻转换开关296QS置“电容位”；
（3）技改过的机车将298QS置“下合位”。
注：通风机代替劈相机，劈相机故障隔离开关242QS置“1FD”位，起动电阻转换开关296QS置“电容位”。
6 劈相机日常保养
（1）保持劈相机内外清洁无异物，确保起冷却散热状态良好；
（2）保持劈相机工作环境干燥，定期测量定子绕组绝缘电阻，保证其达标；
（3）定期更换轴承油，保证其油润状态良好；
