1、分析交流传动系统的组成模式及特征。
答：列车交流电力传动系统组成模式主要有三种，即内燃机车交流传动系统、电力机车及动车组交流传动系统、地铁和城轨列车交流传动系统。
内燃机车是自带能源的机车，其交流传动系统主要由牵引发电机、牵引电动机、变流器和控制单元等主要部分组成。柴油机驱动三相同步发电机产生三相交流电，经二极管不可控整流器输出直流电压，经直流环节大容量电容器滤波处理后，获得稳定的直流电压，逆变器将稳定的直流电交换成三相频率电压可调的交流电源驱动异步牵引电动机，实现对电动机转矩、转速的控制。微机控制系统通过调节牵引发电机按照恒功率方式运行，保持柴油机输出功率不变。
传动控制单元控制逆变器输出变频变压的三相交流电，以控制牵引电动机的输出转矩和转速。
电力机车和电动车组均为外接能源的动力系统。电力机车和电动车组通过受电弓将单相高压交流电源从接触网引入车内，经主变压器降压后供给牵引交流器，由传动控制单元控制四象限脉冲整流器将交流整流为直流，经中间直流环节滤波处理，为逆变器提供稳定平直的直流电，通过对逆变器控制将直流变换为频率、电压可调的vvvf（变频变压）三相交流电；供给异步牵引电机，实现对其转矩、转速进行控制。牵引时，电能从电网流向异步牵引电动机，电能被转化为机械能产生牵引力。
电气制动时，列车蕴藏的惯性机械能被转化为电能，经变流器变换为单相交流电，通过主变压器升压后回馈到接触网，供其他列车使用。
地铁、城轨及中低速磁悬浮列车交流传动系统为直-交流传动，都采用直流供电。直流电源通过受电弓或第三轨从电网经高速断路器等高压电器引入车内，通过电抗器滤波，产生稳定平直的直流电流，将其送入电流型逆变器。在传动控制单元的控制下，逆变器将输入的直流电能变换为变频变压的三相交流电，供给异步牵引电动机，将电能转换为机械能，并对异步牵引电动机的转矩、转速进行控制，满足列车牵引的需要。
地铁、城轨列车采用的交流牵引电动机在结构上有旋转和直线式两种形式，同为异步电动机但其牵引性质不同。普通旋转电动机驱动为黏着牵引，直线电动机驱动属于非黏着牵引。
2、分析牵引变频调速系统的运行区域及特征
答：牵引变频调速系统的运行区域可分为恒磁通运行区和磁削运行区，对应的输出特性分别为恒转矩特性和恒功率特性。恒转矩特性与恒功率特性的交接点，一般在额定频率（基频）处。
1）恒磁通运行区。
当电源电压一定时，如果降低频率，则主磁通要增大，基频以下主磁通增加势必使主磁路过饱和，励磁电流增加，铁心损耗也相应增加，这是不允许的。为此调频时一定要调节电势，保持感应电势与频率的比值不变，即磁通保持不变。保持 ，则。
当磁通不变时，即恒电势频率比控制，电磁转矩与供电频率无关，只与转差频率成正比关系。若采取措施保持转差频率不变，则电磁转矩将维持恒定，这种调速方法也叫恒转矩调速。恒转矩调速特别适合于列车的启动阶段，能够产生恒定的牵引力，启动过程平稳，可获得较大的启动速度。
2）磁削运行区。
在恒磁通控制中，随着频率和转速的上升，电压也相应提高，牵引电动机的输出功率增大，但电压的提高受到电动机功率或逆变最大电压的限制。通常调节频率大于基准频率时，即当电压提高到一定数值后维持不变或将不再正比于上升，此后电动机磁通开始减小，将进入恒功率控制方式。推导得公式，可看出若使电动机按恒功率运行，电压与频率的调节可采用两种不同的方式。
的调速方式。
的调速方式。
3、论述恒功率调速时的两种匹配方式及特点。
答：根据等效电路，可导出电磁转矩的物理表达式 ， 其中在闭环控制系统中，转差率s很小，
异步牵引电动机等效电路。
进入恒功率控制阶段，电压已较高且达到了一定值，，故。
可看出若使电动机按恒功率运行，电压与频率的调节可采用两种不同的方式。
的调速方式。
的调速方式。
1）=c，s=c的调速方式
在此调速方法下，由于转差率s=c，定子输入频率f1越高，相应的转差频率f2和临界转差频率越大。当输入频率较高时，与电抗相比可以忽略定子电阻r1的影响，则最大转矩，即。
定子电压恒定时牵引电动机恒功率控制特性。
运行特性： ，
根据，恒功率运行时实际要求的电磁转矩只是反比与的变化，故和的比值，即电动机的过载能力是随成反比例变化的。在最高频率点，过载能力最小，要求。随着频率降低而过载能力在增大，当频率下降至基频附近时，过载能力达到最大，一般能达到。
为了保证牵引电动机在全部恒功率范围内可以稳定运行，其系统的工作点只能这样选择：在最高输入频率时，保证牵引电动机具有最低的过载能力，而在低输入频率时，特别是在恒功率范围的持续转速以下，电动机的过载能力相对富裕。为保证电动机在最高输入频率时按照恒功率运行必需的最低过载能力，电动机的设计尺寸和容量实际上只能由低频状态的过载能力来决定，只能选取较大的数值。
因此，在在这种恒功率控制方式下，就牵引电动机本身而言，功率并不能得到充分的利用。
由可将转子电流近似表示为。
在相位上滞后于转子电流接近于90°，且》。电动机电流将由两者之和决定，若忽略的影响，电动机的电流可近似为常数。
通过上述分析可知，牵引电动机按照，s=c的调速方法恒功率运行时，其电压、电流均保持恒定，即按照恒电压、恒电流供电即可。对于逆变器而言，按照恒电压、恒电流方式工作，其变化规律如图（b）所示。
s=c，这种调节方式属于恒电压调节，牵引电动机的设计尺寸，容量较大，而逆变器工作在恒电压、恒电流条件下，其容量始终得到了充分的利用，具有较小的设计尺寸和容量。这种恒功率调节方式称为最大电动机与最小逆变器方案。
2）时的调速方式。
根据式，若，可以看出，最大转矩与成反比，呈双曲线变化，即。不同频率下最大转矩的包络线如图a所示。
由可知，恒功率运行时实际要求的电磁转矩只是反比与的变化，故此调节方式下牵引电动机的过载能力保持不变，即若牵引电动机的设计工作点选在恒功率范围内的最低转速处时，则有最小允许的过载能力。这样在高速时牵引电动机仍然具有适度的过载能力，使系统能够在恒功率调速范围内稳定运行，过载能力保持不变，并能够充分利用电动机的功率。牵引电动机的功率由运行区域内最低转速点的参数决定，电动机的设计尺寸较小。
因为，电动机端电压的调节规律为。若已知恒转矩与恒功率运行转换点的电压为，频率为，则有。和已知，可计算出不同输入频率时的电压值，其关系曲线如图b所示。
电动机中各电流与频率之间的关系式可通过导出。
由此可见，定子电流成反比例变化，其变化曲线如图b所示。
这种控制方式为输入恒转差率频率调节，牵引电动机的设计尺寸与容量较小，电动机的功率在恒功率运行时得到了充分利用。而逆变器输出则需要满足最大电流与最高电压的要求，其容量由最大电流和最高电压来决定，开关元器件规格较大，必然使设计容量及尺寸较大，容量不能充分利用。因此，将此方法称为最小电动机与最大逆变器方式。
4、分析运行条件对异步牵引电动机性能的影响及解决措施。
答：异步牵引电动机通过弹性连接装置悬挂在转向架或车体上，经常受到振动和冲击的影响，容易造成转子和绕组绝缘损坏。此外，牵引电动机处在露天环境下工作，四季气候条件的变化和风霜雨雪的侵蚀，使电动机的可靠性和使用寿命受到严重威胁。
由逆变器供电的牵引电动机，其电源中存在的高次谐波对电动机的性能影响最大；采用并联供电运行的电动机，速率特性差异及动轮直径偏差影响负载分配的均匀性。
变频异步牵引电动机设计采用的措施：
1）减少变频器输出电压的谐波分量，降低附加损耗。
2）合理设计定、转子电阻与电抗等参数。
3）合理选择定、转子槽形。
4）优化电磁设计，采用耐电晕绝缘结构。
5）采用绝缘轴承，防止轴承电流产生。
6）改善铁心加工工艺，减小涡流损耗。
7）采用合理的转差率
5、分析列车牵引特性的类型及特点。
答：列车牵引特性是指列车牵引随速度变化的关系曲线，是进行列车牵引、制动计算的基础资料数据。列车电力牵引运行可分为三个运行区，即启动加速区、恒功率运行区和提高速度区或自然特性区，这三个运行调节区如图所示：
1）启动加速区（恒转矩特性区）
若牵引电动机的气隙磁通保持不变，则电动机可以在任何转速下提供很大的转矩。由式可知，只要保持转差频率恒定，即可得到恒定的转矩。转差频率值越接近临界转差频率，在整个速度范围内可获得的转矩越大，这就是所谓的恒转矩特性。
利用这一性能，可满足列车以不变的牵引力启动的要求。
牵引电动机的转矩与频率的关系=f（），如图所示。转矩与无关，仅取决于的大小，所以是一条与横轴平行的直线。牵引电动机的电流、端电压及电势与的关系，如图所示。
由式所表明的电流与无关，亦为常数。因为磁通恒定，显然是线性比例关系。定子电压=决定。
高频时定子电阻的影响可忽略，u1与f1近似呈线性关系。然而在频率较低时，r1的影响不能忽略，此时电压应相应有所提高。
在恒转矩运行中，随着电动机转速的上升，电压提高，牵引电动机的输出功率增大。但是电压的提高受到电动机功率或逆变器最大电压的限制，于是电压提高到一定的值后将维持不变，或者电压不再正比于f1上升。此后，电动机将以恒功率输出为条件进行电压和频率的控制。
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与频率f1的乘积，即p2 要使，可以看出有两种不同的选择。按照控制时，可获得最大电动机与最小逆变器的匹配；按照控制时，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。从p2 可知，此时电动机的电磁转矩与逆变器输出频率f1的平方成反比例关系变化。
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