任務(wù)二城軌車輛牽引電機(jī)的維護(hù)課件

1、項(xiàng)目一 交直機(jī)車直流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)任務(wù)三 三相交流牽引異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速37 三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖3-28城軌車輛牽引電機(jī)實(shí)物城軌車輛牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖3-28所示，由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、端蓋、接線盒、內(nèi)外止檔、端護(hù)罩組成。37 三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖3-29 牽引電機(jī)的定子圖3-30 牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子37 三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)城軌牽引電機(jī)的特點(diǎn) 由于異步牽引電機(jī)運(yùn)行時(shí)，需承受來自線路的強(qiáng)烈振動(dòng)，因此需采用比普通異步電機(jī)較大的氣隙（通常為1.5 mm2.5 mm）。定子槽型一般采用開口型，這樣可以用成型繞組以獲得良好的絕緣性能，增加運(yùn)行的可靠性。對(duì)于選用氣隙較小的電機(jī)，

2、可在定子槽口開通風(fēng)槽口，這樣可增加通風(fēng)效果，同時(shí)還可以增加電機(jī)漏抗，減小諧波電流的影響。 定、轉(zhuǎn)子鐵芯沖片選用0.5 mm厚的高導(dǎo)磁、低損耗的冷軋硅鋼片，要求內(nèi)、外圓同時(shí)落料，以保證氣隙的均勻度。轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)孔與軸用熱套固定，取消鍵槽配合，以滿足牽引電機(jī)頻繁正反起動(dòng)的要求。鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)條與端環(huán)間的聯(lián)接用感應(yīng)加熱銀銅釬焊，對(duì)于最大轉(zhuǎn)速較大的牽引電機(jī)，可在端環(huán)外側(cè)熱套非磁性護(hù)環(huán)，以增加強(qiáng)度和剛度。采用耐熱等級(jí)高、厚度薄的聚酰亞胺薄膜和云母帶作絕緣。并通常選用C級(jí)絕緣材料作H級(jí)溫升使用，以提高電機(jī)熱可靠性。使用絕緣軸承，阻止由于三相電流不平衡時(shí)產(chǎn)生的軸電流流過軸承，避免軸承受到電腐蝕，保證軸承壽命。1

3、三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)速 三相異步電動(dòng)機(jī)最基本的工作原理之一是在氣隙中建立旋轉(zhuǎn)和正弦分布的磁場(chǎng)。 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速ns與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率s： （2-6） 式中：1 定子頻率，Hz； p 電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)； s 轉(zhuǎn)差率。 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理2等效電路 異步電動(dòng)機(jī)本質(zhì): 可看成一個(gè)具有旋轉(zhuǎn)和短路的次級(jí)繞組的三相變壓器。 二次電流I2為：（2-7）圖2-26 交流異步電動(dòng)機(jī)等效回路38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理3特性 根據(jù)圖2-26（c）所示每相等效電路，可以求出感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)特性。（1）電流 一次負(fù)載電流： 一次電流I1：

4、式中：I0 勵(lì)磁電流，A。 (2-8) (2-9)38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理（2）功率 由定子向轉(zhuǎn)子輸入的電磁功率P2，消耗在負(fù)載（rsr2）上的功率為 轉(zhuǎn)子銅損PCu2為：轉(zhuǎn)子輸出的機(jī)械功率P0為：（2-12）（2-10）（2-11）38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理（3）轉(zhuǎn)矩一般電動(dòng)機(jī)的輸出機(jī)械功率可表示為： 當(dāng)頻率和電源電壓恒定時(shí)，式(2-14)是轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)。轉(zhuǎn)差率為s的異步電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T為： （2-13）（2-14）38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理4轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線： 轉(zhuǎn)差率由1到0時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的力矩、負(fù)載電流和一次電流變化曲線圖2-26異步電動(dòng)機(jī)的力矩、電流和轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線圖

5、2-27 異步電動(dòng)機(jī)的力矩、電流和轉(zhuǎn)差率關(guān)系曲線38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理電源的頻率、電壓變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電流和力矩相應(yīng)變化曲線: 圖2-27（c）：不同定子電壓下的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。圖2-27（b）：若增加定子頻率而電壓保持恒定，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。圖2-27（d）：電壓/頻率=常數(shù)時(shí)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線。 轉(zhuǎn)矩對(duì)定子電流的靈敏度很高，控制定子電流可具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)。圖2-28 異步電動(dòng)機(jī)基本特性曲線的變化38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 電源電壓與頻率之比保持恒定時(shí)改變頻率，電動(dòng)機(jī)的電流和力矩相應(yīng)變化曲線: 結(jié)論：穩(wěn)定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速要比最大力矩轉(zhuǎn)速稍大。 異步電動(dòng)機(jī)的力矩近似表示式：（2-15）

6、圖2-29 V/f恒定時(shí)異步電動(dòng)機(jī)基本特性曲線的變化38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理（二）交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制 交流調(diào)速理論的重大突破：矢量控制理論的提出。 矢量控制定義： 交流電機(jī)模擬成直流電機(jī)來控制，通過坐標(biāo)變換來實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解藕，然后分別獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而獲得高性能的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性。 矢量控制方式：磁場(chǎng)定向矢量控制 轉(zhuǎn)差頻率矢量控制 矢量控制關(guān)鍵：轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確檢測(cè)。直接關(guān)系到矢量控制 系統(tǒng)性能的好壞。 一般地，轉(zhuǎn)子磁鏈檢測(cè)可以采用直接法或間接法來實(shí)現(xiàn)。38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理1異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法V恒定控制 恒功率控制恒電壓控制恒轉(zhuǎn)差頻率控制

7、V恒定而增加，則使S與的平方成正比地增加。 轉(zhuǎn)差率(S)為恒定。電源電壓恒定、轉(zhuǎn)差率與電源頻率成正比、輸入電流基本恒定。 這種方式等效于直流電動(dòng)機(jī)的削弱磁場(chǎng)控制。 這是逆變電路的輸出電壓達(dá)到最大值后，僅僅改變逆變電路輸出頻率的控制方法。相當(dāng)于直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的自然特性。 可以在較大的速度范圍內(nèi)輸出恒定力矩。特性與直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)保持電樞和勵(lì)磁電流恒定，調(diào)節(jié)電壓改變速度的控制方法相同。 在低頻時(shí)要適當(dāng)加大電壓，以保持氣隙磁通不變。以上的方法只是用于開環(huán)控制系統(tǒng)。如果采用閉環(huán)系統(tǒng)，則可達(dá)到E為常數(shù)，這樣在包括低頻在內(nèi)的整個(gè)頻率范圍內(nèi)都可得到恒磁通運(yùn)行。38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理2矢量控制調(diào)速為了

8、改善異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，產(chǎn)生了矢量控制理論。 矢量控制也被稱為接偶控制或矢量變換控制。矢量控制主要是把三相異步電機(jī)等效為二相異步電機(jī)。 矢量控制調(diào)速系統(tǒng)主要是對(duì)力矩與轉(zhuǎn)子磁通的控制。 矢量控制逆變器分為電流型和電壓型。 在城市軌道交通車輛傳動(dòng)控制中，多采用電壓型逆變器。38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理（1）矢量控制的優(yōu)勢(shì) 矢量控制的優(yōu)點(diǎn)： 優(yōu)化空轉(zhuǎn)再粘著的控制性能； 提高輕負(fù)荷再生時(shí)的再生效率； 提高乘坐舒適性（無轉(zhuǎn)矩沖擊）； 提高勻速駕駛和ATO駕駛的精度。 項(xiàng)目傳統(tǒng)V控制矢量控制電壓控制信息大小，頻率大小，頻率，位相電流控制實(shí)效值控制勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)矩電流獨(dú)立控制轉(zhuǎn)矩反應(yīng)數(shù)百ms數(shù)十ms演算量

9、小大表2-傳統(tǒng)V控制與矢量控制的比較傳統(tǒng)的V控制屬于標(biāo)量控制。38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理（2）矢量控制的基本原理直流電機(jī)中，若忽略電樞反應(yīng)和磁場(chǎng)飽和，則輸出轉(zhuǎn)矩可被表示為： 式中，Ia為電樞電流；IL為勵(lì)磁電流。圖2-30直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制 （2-16）38三相牽引異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 異步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)時(shí)刻處于旋轉(zhuǎn)之中。 可以采取與直流電機(jī)等價(jià)處理的方法。 以外觀上靜止的磁鏈為基準(zhǔn)所進(jìn)行的電流控制就是矢量控制。圖2-31 感應(yīng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)置于同步旋轉(zhuǎn)的參考坐標(biāo)中磁通方向呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)與直流電機(jī)進(jìn)行等價(jià)處理以磁通為基準(zhǔn)進(jìn)行電流控制矢量控制升到旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的上方觀察（3）感應(yīng)電機(jī)的等效電路與電流

10、矢量 為簡單起見，忽略轉(zhuǎn)子的漏感，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁鏈和氣隙磁鏈相等。 定子電流可以表示為： 式中， 為流過電感l(wèi)m的定子電流勵(lì)磁分量； 為流過轉(zhuǎn)子回路的定子電流轉(zhuǎn)矩分量。圖2-32感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路（2-17）電流矢量： 將磁鏈 的方向作為軸、將與軸垂直相交的方向作為軸，以這些為基準(zhǔn)軸對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行矢量處理。圖2-33磁鏈與電流矢量（4）電流矢量的轉(zhuǎn)矩控制在感應(yīng)電機(jī)控制中因?yàn)椋?發(fā)生的轉(zhuǎn)矩與磁鏈和2次電流（轉(zhuǎn)矩電流）之積成比例關(guān)系； 磁通與勵(lì)磁電流成比例關(guān)系； 所以，矢量控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩按式子（2-16）得出 這里， 為比例常量， 為磁通， 為轉(zhuǎn)矩電流， 為勵(lì)磁電流。（2-18）軸軸dIqImI電機(jī)

11、電流勵(lì)磁電流發(fā)生轉(zhuǎn)扭矩小加速小發(fā)生轉(zhuǎn)扭矩大加速大dIqImIqIT一定轉(zhuǎn)矩量勵(lì)磁量轉(zhuǎn)矩T圖2-34電流矢量的轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩電流（5）電壓矢量控制（）等效電路 （）矢量圖 圖2-35 電壓、電流的矢量圖轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)時(shí)電壓矢量控制方法的原理分析:圖2-36 電壓、電流的矢量圖3. 直接轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速 感應(yīng)電機(jī)控制：最根本的實(shí)質(zhì)是控制電磁轉(zhuǎn)矩。 轉(zhuǎn)矩控制方法：直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制， 區(qū)別:（1）直接轉(zhuǎn)矩控制建立在定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。 矢量控制建立在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。 （2）矢量控制一般具有PWM逆變器和定子電流閉環(huán)。 直接轉(zhuǎn)矩控制沒有。 相同：目的：都是實(shí)現(xiàn)對(duì)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制。 控制目 標(biāo)：均是

12、空間矢量. 數(shù)學(xué)模型：也都是建立在空間矢量的基礎(chǔ)上。 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便。（1）直接轉(zhuǎn)矩控制相對(duì)于矢量控制在幾個(gè)方面的分析比較 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題：原理相同，都有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題。但直接轉(zhuǎn)矩控制 的脈動(dòng)問題比矢量控制嚴(yán)重，但對(duì)運(yùn)行性能的影響不是特別明顯。 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度問題：直接轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度優(yōu)于矢量控制。 其他方面：對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)的依賴，直接轉(zhuǎn)矩控制的電壓模型對(duì)電 動(dòng)機(jī)參數(shù)要求很低，而直接轉(zhuǎn)矩控制的電流模型包含了轉(zhuǎn)子磁鏈，對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)依賴較多。對(duì)于轉(zhuǎn)矩控制精度，直接轉(zhuǎn)矩要高于矢量控制。 總的來說，直接轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于矢量控制，但差別并不大。（2）直接轉(zhuǎn)矩控制感應(yīng)電機(jī)工作特性 采用

13、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，可瞬時(shí)控制感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩。能將負(fù)載擾動(dòng)對(duì)速度的影響降到最低。圖2-37 直接轉(zhuǎn)矩控制感應(yīng)電機(jī)工作特性區(qū)（3）直接轉(zhuǎn)矩控制原理 改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的大小：通過改變磁通角的大小來實(shí)現(xiàn) 直接轉(zhuǎn)矩控制：就是通過空間電壓矢量來控制定子磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度，以改變定子 磁鏈的平均旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而改變轉(zhuǎn)差也即磁通角的大小來控制電磁轉(zhuǎn)矩。 若要增大電磁轉(zhuǎn)矩：施加正向有效空間電壓矢量定子磁鏈的轉(zhuǎn)速 大于轉(zhuǎn)子磁鏈磁通角增大轉(zhuǎn)矩增加。 若要減小電磁轉(zhuǎn)矩：施加零電壓矢量定子磁鏈就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)磁通角減小轉(zhuǎn)矩減小。 迅速減小電磁轉(zhuǎn)矩：施加反向有效空間電壓矢量定子磁鏈就會(huì)向反 方向旋轉(zhuǎn)磁通角迅速減小從而使轉(zhuǎn)矩迅速減小 通過轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)來控制空間電壓矢量的工作狀態(tài)和零狀態(tài)的交替出現(xiàn)，就能控制定子磁鏈空間矢量的平均角速度的大小。圖2-38 空間電壓矢量圖傳統(tǒng)異步步動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制邏輯圖圖2-39 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構(gòu)圖 感應(yīng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)、定子磁鏈?zhǔn)噶刻幱趫D2-38所示S1區(qū)域時(shí)，各電壓空間矢量的作用: 表 2-2 電壓空間矢量作用表 在城軌車輛控制系統(tǒng)中異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制常分成3個(gè)區(qū)段來控制: 電機(jī)30%額定頻率以下采用圓形磁鏈定向的間接轉(zhuǎn)矩控制，（圖2-40）