型動(dòng)車(chē)組牽引與控制特性分析_第1頁(yè)
型動(dòng)車(chē)組牽引與控制特性分析_第2頁(yè)
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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上2 CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引與控制特性分析2.1 CRH3動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)組成部分在CRH3動(dòng)車(chē)組上裝有四個(gè)完全相同且互相獨(dú)立的動(dòng)力單元。每一個(gè)動(dòng)力單元有一個(gè)牽引變流器和一個(gè)控制單元,四個(gè)并聯(lián)的牽引電動(dòng)機(jī)以及一個(gè)制動(dòng)電阻器單元。牽引零部件輔助設(shè)備所需的3相 AC 440V60Hz 電流由動(dòng)車(chē)組的輔助變流器單元提供。每個(gè)基本的動(dòng)力單元主要包含以下關(guān)鍵器件:1. 主變壓器。主變壓器設(shè)計(jì)成單制式的變壓器,額定電壓為單相AC 25kV 50Hz。變壓器被布置在動(dòng)車(chē)組沒(méi)有驅(qū)動(dòng)的變壓器車(chē)車(chē)底,并且每一個(gè)變壓器的附近都布置有一套冷卻系統(tǒng)。主變壓器箱體是由鋼板焊接的,主變壓器箱安裝在車(chē)下,

2、主變壓器采用強(qiáng)迫導(dǎo)向油循環(huán)風(fēng)冷方式。主變壓器的次級(jí)繞組為牽引變流器提供電能。它使用一個(gè)電氣差動(dòng)保護(hù)、冷卻液流量計(jì)和電子溫度計(jì)對(duì)主變壓器進(jìn)行監(jiān)控和保護(hù)。2. 牽引變流器。牽引變流器采用結(jié)構(gòu)緊湊,易于運(yùn)用和檢修的模塊化結(jié)構(gòu)。在運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)更換模塊可方便更換和維修。牽引變流器由多重四象限變流器、直流電壓中間環(huán)節(jié)和逆變器組成,牽引變流器的模塊具有互換性。3. 牽引電機(jī)。動(dòng)車(chē)組總共由16個(gè)牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng),位于動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上。牽引電機(jī)按高速列車(chē)的特殊要求而設(shè)計(jì)。具有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu),優(yōu)化重量,低噪音排放,高效率和緊湊設(shè)計(jì)的特征。四極三相異步牽引電機(jī)按絕緣等級(jí)200 制造。牽引電機(jī)是強(qiáng)迫風(fēng)冷式。牽引電機(jī)使用的是牽引變

3、流器的電壓源逆變器供電,變頻變壓( VVVF) 調(diào)速運(yùn)行方式。4. 其他部件。動(dòng)車(chē)組其他牽引系統(tǒng)部件還包括牽引電機(jī)通風(fēng)機(jī)、過(guò)壓限制電阻等。某些零部件被設(shè)計(jì)成即使出現(xiàn)故障也能在小幅度減少或不減少性能的情況下運(yùn)行。CRH3型動(dòng)車(chē)組采用交-直-交傳動(dòng)方式。以交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為牽引電機(jī)的高速動(dòng)車(chē)組適宜采用再生制動(dòng)方式。制動(dòng)時(shí)它將交流電動(dòng)機(jī)做為發(fā)電機(jī)使用,從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩,并將其所發(fā)出的電能反饋回電網(wǎng)。在所有的制動(dòng)方式中,再生制動(dòng)是唯一向電網(wǎng)反饋能量的制動(dòng)方式,同電阻制動(dòng)相比,減少了龐大而笨重的制動(dòng)電阻,同時(shí)免去了一整套通風(fēng)冷卻裝置。目前國(guó)外大多數(shù)動(dòng)車(chē)均采用了該種制動(dòng)方式,且日益成為交流傳動(dòng)動(dòng)車(chē)組的

4、首選方式。由于再生制動(dòng)具有清潔、無(wú)磨耗和能量利用率高的優(yōu)點(diǎn),在常用制動(dòng)工況,優(yōu)先使用電制動(dòng)力2.2 列車(chē)的牽引特性分析列車(chē)以牽引電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源,經(jīng)齒輪傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)車(chē)運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。機(jī)車(chē)輪周牽引力F與運(yùn)行速度v之間的關(guān)系,用F = f (v)函數(shù)式或坐標(biāo)圖上的曲線來(lái)表示,稱(chēng)為機(jī)車(chē)的牽引特性曲線。動(dòng)車(chē)組的牽引特性曲線反映了動(dòng)車(chē)組牽引力隨速度變化的曲線,是動(dòng)車(chē)組最重要的性能曲線,也是進(jìn)行牽引計(jì)算和控制的重要依據(jù)。 高速列車(chē)牽引特性一般由兩部分組成,一部分是當(dāng)牽引系統(tǒng)起動(dòng)運(yùn)行至額定頻率前,此時(shí),供電電壓應(yīng)隨頻率增加而增加,牽引系統(tǒng)的輸出功率也相應(yīng)增加,電磁轉(zhuǎn)矩輸出最大值固定不變,牽引系

5、統(tǒng)在恒力矩的狀態(tài)下運(yùn)行。另一部分是當(dāng)要求進(jìn)一步提高牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí),由于電機(jī)定子端電壓不允許超出額定值,因此電機(jī)的主磁通必須相應(yīng)減小,電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小,但由于角頻率升高了,可近似認(rèn)為輸出的功率恒定不變,此時(shí)牽引系統(tǒng)在恒功率的狀態(tài)下運(yùn)行。根據(jù)牽引特性曲線和當(dāng)前速度,可以計(jì)算出當(dāng)前牽引電機(jī)的牽引力數(shù)值。 (1)恒力矩區(qū),牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T不變,要求逆變器的輸出不變,則保證了電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)所希望的每極磁通量為常數(shù),且最大轉(zhuǎn)矩在不同的電源頻率下數(shù)字不變,此時(shí)若能保證轉(zhuǎn)差頻率為恒定值,啟動(dòng)時(shí)適當(dāng)提高,即可得到恒定的轉(zhuǎn)矩以滿足動(dòng)車(chē)組恒力矩運(yùn)行特性。(2)恒功率區(qū),牽引電機(jī)工作在磁場(chǎng)削弱狀態(tài)。為了使電動(dòng)機(jī)有

6、恒定的輸出功率,電壓和頻率的調(diào)節(jié)可以有兩種不同的方式:任何頻率關(guān)下,保持不變,而與關(guān)按比例變化,即: 為常數(shù)。任何頻率下,保持、,而與按比例變化,即。 因此,不同的運(yùn)行工況對(duì)逆變器和電機(jī)的要求均有差異,變流器與電動(dòng)機(jī)的容量有多種組合,故就出現(xiàn)了兩者匹配問(wèn)題。變流器與牽引電機(jī)容量有許多不同的組合方式,也就是逆變器與異步牽引容量的匹配方式。一般來(lái)說(shuō),電力的牽引運(yùn)行可分為三個(gè)運(yùn)行調(diào)節(jié)區(qū):起動(dòng)加速區(qū)、恒功率輸出區(qū)、提高速度區(qū)或自然特性區(qū)。這三個(gè)運(yùn)行調(diào)節(jié)區(qū)可用如下的圖2.1來(lái)說(shuō)明。逆變器與牽引電機(jī)容量合理匹配,就是在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中各自的得到較好發(fā)揮。2.2.1 CRH3型動(dòng)車(chē)組的特性分析(1) CRH3

7、型動(dòng)車(chē)組牽引動(dòng)力系統(tǒng)配置CRH3動(dòng)車(chē)組由8 節(jié)車(chē)輛編組,由兩個(gè)對(duì)稱(chēng)布置基本動(dòng)力單元組成(即01至04號(hào)車(chē)和05至08號(hào)車(chē)),每個(gè)動(dòng)力單元由一個(gè)頭車(chē)(動(dòng)力車(chē))、一個(gè)變壓器車(chē)和兩個(gè)中間車(chē)組成。在每一個(gè)牽引單元中有兩個(gè)分動(dòng)力單元。每一個(gè)動(dòng)力單元有一個(gè)牽引變流器和一個(gè)控制單元(TCU),四個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)并聯(lián)提供牽引,如圖3-1所示。每個(gè)牽引變流器主要由兩個(gè)四象限斬波器,一個(gè)帶有串聯(lián)諧振電路的中間電壓電路,一個(gè)制動(dòng)斬波器和一個(gè)寬脈沖調(diào)制的逆變器構(gòu)成。中間電源回路給列車(chē)供電模塊提供電源,列車(chē)供電模塊位于牽引逆變器箱外部,它給列車(chē)輔助供電系統(tǒng)和車(chē)載設(shè)備包括牽引系統(tǒng)的輔助設(shè)備如泵、風(fēng)扇等供電。甚至當(dāng)受電弓降弓后

8、,當(dāng)列車(chē)的運(yùn)行速度高于牽引電機(jī)能量再生所需的某一最低速轉(zhuǎn)速,列車(chē)供電模塊也能給上述系統(tǒng)供電。故為動(dòng)力分散型動(dòng)車(chē)組,故有50%的軸為驅(qū)動(dòng)軸。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)輪軸的最大牽引功率為8.8kW,在再生制動(dòng)時(shí)為8kW。正常運(yùn)行時(shí)(全部牽引變流器運(yùn)行),每臺(tái)牽引變流器最多有2個(gè)輔助變流器單元(2×160kVA)運(yùn)行。每臺(tái)牽引變流器對(duì)輪周的最大牽引功率為2200 kW。 在故障狀態(tài)下(至少一臺(tái)牽引變流器不工作),在每臺(tái)牽引變流器上可以運(yùn)行3個(gè)輔助變流器單元(3×160kVA)。每臺(tái)牽引變流器對(duì)輪周的最大牽引功率因此降為2000 kW。如果一個(gè)以上的牽引變流器故障時(shí),剩余牽引變流器的最大輪軸牽

9、引力限制為2000kW。(2) CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引、制動(dòng)特性曲線牽引工況下,牽引力和速度的數(shù)學(xué)關(guān)系為: (2-1)再生制動(dòng)工況下,制動(dòng)力和速度的的數(shù)學(xué)關(guān)系為: (2-2)式中,F(xiàn)為一個(gè)編組(16臺(tái)電機(jī))的牽引/制動(dòng)力,單位kN; 為動(dòng)車(chē)組速度,單位km/h由上式可得高速列車(chē)牽引/制動(dòng)特性曲線,分別如圖2.2、圖2.3所示。 分析CRH3列車(chē)牽引特性曲線可知,牽引過(guò)程中可分為2個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)。起動(dòng)加速區(qū)和恒功率輸出區(qū)。在列車(chē)運(yùn)行速度低于119km/h時(shí)處于起動(dòng)加速區(qū),采用準(zhǔn)恒轉(zhuǎn)矩控制,使?fàn)恳姍C(jī)在低速時(shí)輸出較大轉(zhuǎn)矩;當(dāng)運(yùn)行速度高于119km/h時(shí),采用恒功率控制,牽引力隨速度升高而呈雙曲線關(guān)系下降,

10、使?fàn)恳姍C(jī)在高速時(shí)保持功率恒定。牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令可以根據(jù)當(dāng)前列車(chē)速度和牽引特性曲線計(jì)算得到:= (2-3)式中1臺(tái)牽計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩 1個(gè)邊組列車(chē)輪軌牽引力車(chē)輪直徑1個(gè)編組列車(chē)牽引電機(jī)總數(shù)傳動(dòng)比傳動(dòng)效率牽引電機(jī)機(jī)械角速度與動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度換算關(guān)系為= (2-4)式中動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度(km/h)傳動(dòng)比 電機(jī)極對(duì)數(shù)車(chē)輪直徑(3) CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引力、制動(dòng)力的計(jì)算牽引力計(jì)算:牽引力計(jì)算時(shí)需要考慮到以下因素:1列車(chē)的總重量M及轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量J,(每輛拖車(chē)3t,每輛動(dòng)車(chē)6t)2軌道坡度3空氣阻力(啟動(dòng)時(shí)計(jì)算到50 km/h),必須考慮到空氣阻力,因?yàn)樗岣吡诵枰臓恳Α1?.1為CRH3,車(chē)輛數(shù)據(jù),由此可以計(jì)算空

11、氣阻力。表2.1 CRH3各車(chē)輛的設(shè)計(jì)重量值車(chē)號(hào)0102030405060708總數(shù)車(chē)種EC0lTC02IC03BC04FC05IC06TC07EC08空車(chē)質(zhì)量/t 60.86260.856.5655.860.86260.6479.36最大重量/t67.2 69.668.863.260.868.869.668536定員人數(shù)738787505787 8773601平均軸重/t 16.8 17.417.215.815.217.217.417.0536轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量/t6 363363636輸出功率/kW2200 02200002200022008800由上表數(shù)據(jù)可計(jì)算出列車(chē)阻力 (2-5)式中列車(chē)運(yùn)行阻

12、力/N空車(chē)質(zhì)量, =479.36t 最大質(zhì)量, =536t 軸數(shù), =32 列車(chē)速度, =50 車(chē)輛數(shù), =8列車(chē)正面截面積, =列車(chē)動(dòng)輪的參數(shù)為:車(chē)輪直徑:92 cm(半磨耗輪徑為875cm,全磨耗輪徑為83 cm);齒輪傳動(dòng)比:=2.788;齒輪傳動(dòng)效率:=0.97 牽引電機(jī)參數(shù)在3.3節(jié)給出。根據(jù)輪周牽引力計(jì)算公式: (2-6)式中輪軸牽引力/N 傳動(dòng)比, =2.788 齒輪傳動(dòng)效率, =0.97 輪直徑, =0.875電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩,=3000通過(guò)式上式算出每對(duì)動(dòng)輪輪周上產(chǎn)生的牽引力,則1輛動(dòng)車(chē)(4臺(tái)牽引電機(jī))牽引力為,4輛動(dòng)車(chē)(16臺(tái)電機(jī))總牽引力為:根據(jù)牽引力計(jì)算表達(dá)式 (2-7)式

13、中列車(chē)牽引力, N 列車(chē)阻力, N 列車(chē)質(zhì)量, t 列車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量, t重力加速度, =9.81加速度, 坡度在規(guī)定的載客人數(shù)工況下,按正常的無(wú)坡度的情況,由前述可知=13.0387kN,=536t,=296.70688kN,則據(jù)式(2)可以計(jì)算列車(chē)起動(dòng)加速度:代入數(shù)據(jù) 解得,加速度=0.496計(jì)算數(shù)據(jù)與廠方提供的啟動(dòng)加速度0.50較為接近。常用制動(dòng)用于列車(chē)正常運(yùn)行期間的列車(chē)制動(dòng)。對(duì)于常用制動(dòng),制動(dòng)力的設(shè)定值與“司機(jī)制動(dòng)手柄”的偏移成比例,但是設(shè)定值也可由列車(chē)保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置。為了最大程度減少車(chē)輪磨損,電制動(dòng)主要用于常用制動(dòng)。氣制動(dòng)在電制動(dòng)力不足時(shí)使用,或者在電制動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)用作輔助制動(dòng)。在規(guī)定的載

14、客人數(shù),按正常的無(wú)坡度的情況,速度180km/h實(shí)施8檔制動(dòng) (減速度=1)可以計(jì)算出列車(chē)制動(dòng)力進(jìn)而可以計(jì)算出列車(chē)在180km/h下,實(shí)施8檔制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)車(chē)組具有優(yōu)良的牽引特性,牽引力由牽引控制單元和列車(chē)中央控制系統(tǒng)調(diào)節(jié),牽引控制系統(tǒng)對(duì)牽引控制和牽引變流器的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)督。牽引控制單元是模塊化,基于微處理器基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù),如下表2.2。表2.2 CRH3型動(dòng)車(chē)組牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)牽引總功率: 8800起動(dòng)牽引力約: 300起動(dòng)加速度: 0.500200的平均加速度約: 0.4300速度下的剩余加速度0.06爬坡能力(牽引動(dòng)力時(shí)): 3

15、0爬坡能力(牽引動(dòng)力時(shí)): 12電制動(dòng)總功率: 8000應(yīng)急供電電源: 連續(xù)運(yùn)行2輔助供電電源系統(tǒng): 采用冗余設(shè)計(jì)2. 3 列車(chē)牽引控制策略牽引控制策略是牽引控制單元的核心控制算法,也是高速動(dòng)車(chē)組牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵控制策略,它可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組在各個(gè)速度范圍內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行,通過(guò)恒速控制可以保證列車(chē)正點(diǎn)運(yùn)行,有利于鐵路系統(tǒng)的最優(yōu)調(diào)度。牽引控制策略需要實(shí)現(xiàn)列車(chē)的自動(dòng)運(yùn)行,使列車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行在給定速度,并且在列車(chē)運(yùn)行工況發(fā)生改變,控制方式隨之切換時(shí),避免較大的轉(zhuǎn)矩、電流波動(dòng),減少列車(chē)運(yùn)行狀況變化帶來(lái)的影響,使列車(chē)在不同工況之間平滑過(guò)渡。列車(chē)在不同運(yùn)行工況和限速條件下的牽引、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算,控制模式的確定和運(yùn)行保護(hù),

16、以及整流器和牽引電機(jī)控制等,都屬于在牽引控制單元中實(shí)現(xiàn)的。列車(chē)牽引控制策略,如果只考慮與牽引制動(dòng)有關(guān)的功能設(shè)計(jì),則列車(chē)牽引控制策略的結(jié)構(gòu)原理,如圖2.4CRH3型動(dòng)車(chē)組主要由司機(jī)室的牽引手柄、速度手柄和制動(dòng)手柄來(lái)控制列車(chē)運(yùn)行。在列車(chē)啟動(dòng)階段,司機(jī)根據(jù)列車(chē)運(yùn)行速度給定合適的牽引力,牽引控制單元通過(guò)列車(chē)內(nèi)部總線得到牽引力指令后計(jì)算相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩,來(lái)控制牽引變流器,從而控制牽引電機(jī)較快加速運(yùn)行。 當(dāng)速度達(dá)到給值后,司機(jī)可以進(jìn)行切換操作,使列車(chē)進(jìn)入自動(dòng)控制模式,牽引控制單元根據(jù)速度手柄設(shè)定值及當(dāng)前列車(chē)運(yùn)行速度計(jì)算轉(zhuǎn)矩大小,實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制,保持恒速運(yùn)行。為避免模式切換時(shí)轉(zhuǎn)矩突變,將此時(shí)牽引手柄設(shè)定值對(duì)應(yīng)的

17、轉(zhuǎn)矩作為恒速模式下的最大牽引轉(zhuǎn)矩,也作為恒速模式的初始轉(zhuǎn)矩值,此后牽引手柄可用來(lái)限制最大牽引轉(zhuǎn)矩值。 列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中不同區(qū)域有不同的限速要求,列車(chē)速度超過(guò)限速值時(shí),自動(dòng)進(jìn)入再生制動(dòng)模式,最后在限速值下穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)司機(jī)用制動(dòng)手柄實(shí)施制動(dòng)時(shí),只要制動(dòng)手柄放到制動(dòng)位,速度自動(dòng)控制就會(huì)失效,列車(chē)根據(jù)制動(dòng)手柄給定值進(jìn)行制動(dòng)。2.4 牽引變流器與牽引電動(dòng)機(jī)的匹配關(guān)系為使動(dòng)車(chē)組的交流傳動(dòng)系統(tǒng)整體優(yōu)越性能得以發(fā)揮,進(jìn)行牽引傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮起動(dòng)力矩、最大功率,逆變器與電機(jī)的匹配,在滿足一定負(fù)載運(yùn)行的條件下,還應(yīng)將列車(chē)的牽引特性與變流器、牽引電動(dòng)機(jī)一起考慮。便于選擇合理的容量匹配,使系統(tǒng)的整體性能參數(shù)最佳

18、、費(fèi)用最低。2.4.1 牽引變流器與牽引電動(dòng)機(jī)的參數(shù)匹配列車(chē)的牽引特性一般分為兩個(gè)區(qū)段:恒力矩區(qū)和恒功率區(qū),在恒力矩區(qū),要求逆變器輸出保持=常數(shù),=常數(shù),啟動(dòng)時(shí)適當(dāng)提高的恒磁通控制方式;在恒功率區(qū),牽引電動(dòng)機(jī)工作在弱磁工況,有=常數(shù)、=常數(shù)和、=常數(shù)兩種不同的控制策略。因此,不同的運(yùn)行工況、不同的控制策略對(duì)牽引變流器和牽引電動(dòng)機(jī)的要求均有差異,變流器與電機(jī)的容量有許多組合。根據(jù)應(yīng)用要求,是系統(tǒng)整體性能最佳、費(fèi)用最低是選擇變流器與電機(jī)容量的優(yōu)化目標(biāo)。對(duì)于列車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)而言,比較典型的有3種匹配方案。(1)最大電機(jī)、最小逆變器匹配方案采用有=常數(shù)、=常數(shù)恒功率控制策略。由于速度增加時(shí)電機(jī)的輸入電壓、電流保持恒定,逆變器的容量得到了充分的利用;由于電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩與速度的平房成反比,電機(jī)的過(guò)載系數(shù)隨速度的增加而減少,為了保證最高速度下滿足電機(jī)轉(zhuǎn)矩的需求,電機(jī)的額定過(guò)載系數(shù)要設(shè)計(jì)的大一些,電機(jī)的容量沒(méi)有得到充分利用。(2)最小電機(jī)、最大逆變器匹配方案采用、=常數(shù)恒功率控制策略。由于速度增加時(shí)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、電機(jī)的過(guò)載系數(shù)恒定不變,牽引電機(jī)在額定速度點(diǎn)發(fā)出的力矩近似與它的最大力矩,牽引電機(jī)的容量得到了充分的利用;而逆變器輸出電壓的平方與速度成

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