《動車組牽引傳動與控制》 課件 車軍 第4-7章 牽引電機(jī) - CRH系列動車組交流傳動系統(tǒng)分析

動車組牽引傳動與控制第四章

牽引電機(jī)4.2 交流異步牽引電動機(jī)的調(diào)速4.1 異步牽引電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和原理變頻供電對牽引電動機(jī)的影響及設(shè)計(jì)對策幾種動車組用牽引電機(jī)目 錄異步牽引電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和原理4.14.1.1 異步電機(jī)的分類、銘牌1.

異步電機(jī)的分類異步電機(jī)定子的相數(shù)普通鼠籠、深槽鼠籠、雙鼠籠單相、三相轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)機(jī)殼的防護(hù)方式開啟式、封閉式、防爆式電機(jī)的容量微型電機(jī)、小型電機(jī)、中型電機(jī)、大型電機(jī)安裝結(jié)構(gòu)型式臥式、立式鼠籠式繞線式4.1.1 異步電機(jī)的分類、銘牌此外，銘牌上還標(biāo)有定子繞組相數(shù)、連接方法、功率因數(shù)、頻率、溫升（或絕緣等級）。有些銘牌上只標(biāo)明電機(jī)的溫升，而不標(biāo)絕緣等級。2.

異步電動機(jī)的銘牌和額定值電動機(jī)的機(jī)座上的銘牌，上面標(biāo)明的是電動機(jī)的型號和額定值，額定值規(guī)定了該電動機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)和條件。它是選用、安裝和維修電動機(jī)的依據(jù)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，異步電動機(jī)的額定值有：定子額定電壓電動機(jī)在制作廠所規(guī)定的額定運(yùn)行方式下運(yùn)行時，軸上輸出的機(jī)械功率，單位為W或

。指電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時應(yīng)加的線電壓，單位為V或 。指電機(jī)在額定電壓下運(yùn)行，輸出額定功率時流入定子繞組的線電流，單位為A。直接由工頻供電的異步電動機(jī)為50

Hz，對變頻供電的異步電動機(jī)有不同的頻率。指在額定狀態(tài)下運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。單位為r/min。是電動機(jī)在定額運(yùn)行時的持續(xù)時間，分連續(xù)、短時、斷續(xù)三種。定額額定功率PN定子額定電流IN額定頻率fN額定轉(zhuǎn)速nN4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理1.

交流異步牽引電動機(jī)的結(jié)構(gòu)交流牽引異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通三相異步籠式電動機(jī)基本相同，主要由定子、轉(zhuǎn)子及氣隙三部分組成，如下圖所示。交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理全疊片式定子鐵心結(jié)構(gòu)1）定子定子包括定子機(jī)座、定子鐵心、定子繞組三部分。定子機(jī)座：為定子鐵心提供安裝空間，是電動機(jī)的機(jī)械支撐部分，是否設(shè)置專門的安裝機(jī)根據(jù)需要而定。定子鐵心：是電動機(jī)主磁路的一部分，為減少勵磁電流和鐵心損耗，鐵心由0.5mm厚的低損耗冷軋硅鋼片沖片疊成。定子沖片和前后壓板都留有一圈軸向通風(fēng)孔，增加定子的散熱效果。定子沖片采用窄而深的開口式槽形，用以嵌放定子繞組。與普通異步電動機(jī)采用的半閉口形、半開口形和開口形槽形不同，全疊片式定子鐵心結(jié)構(gòu)如下圖所示。4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理定子繞組：是電動機(jī)的電路部分，其主要作用是感應(yīng)電勢，通過電流以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。定子繞組由AX、BY、CZ三相對稱繞組構(gòu)成，采用短距分布式繞組，按照一定的規(guī)律對稱地嵌放在定子鐵心槽中。定子繞組一般采用成形繞組，線圈一致性好，系統(tǒng)可靠性及工藝制造穩(wěn)定性好。引進(jìn)的電動機(jī)定子繞組都為雙層硬繞組，繞組與繞組間采用銀釬焊焊接。定子繞組由熔敷薄膜導(dǎo)線繞制而成，嵌線后定子需要在溫度可控的通風(fēng)爐中進(jìn)行干燥處理，然后定子整體進(jìn)行200級絕緣漆真空壓力浸漬（VPI）。4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理異步牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子采用銅導(dǎo)條鼠籠式結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子繞組組成，如下圖所示。轉(zhuǎn)子鐵心：是主磁路的一部分，一般由0.5mm厚的冷軋硅鋼片和兩個壓板疊壓而成，然后熱套在轉(zhuǎn)軸上，采用過盈配合傳遞扭矩。牽引電動機(jī)目前采用兩種軸承形式：兩端采用絕緣軸承、非傳動端用兩個接地電刷，兩端軸承為普通軸承。轉(zhuǎn)子：為籠形結(jié)構(gòu)，籠形轉(zhuǎn)子繞組是一個自行閉合的繞組，它由插入每個轉(zhuǎn)子槽中的金屬導(dǎo)條和兩端的環(huán)形端環(huán)構(gòu)成。4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理3）氣隙交流異步牽引電動機(jī)在定子和轉(zhuǎn)子之間必須有氣隙，氣隙很小，一般為0.2～2mm。氣隙也是電動機(jī)主磁路的一部分，其大小對異步電動機(jī)的性能有很大的影響。允許采用的最小氣隙要以加工可能性及運(yùn)行安全所能達(dá)到的最小值為限值。為保證交流異步牽引電動機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)能承受變頻器運(yùn)行產(chǎn)生的實(shí)際電壓沖擊，電動機(jī)采用不低于H級絕緣結(jié)構(gòu)，并對電樞繞組的首末匝進(jìn)行加強(qiáng)，C（或200）級絕緣具有更高的耐溫等級，能進(jìn)一步發(fā)揮交流傳動系統(tǒng)的優(yōu)勢，提高了溫升裕度，延長了電動機(jī)的使用壽命。4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理2.

交流異步牽引電動機(jī)的工作原理1）旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生機(jī)理旋轉(zhuǎn)磁場，是一種極性和大小不變，以某一種速度旋轉(zhuǎn)的磁場。根據(jù)理論分析和實(shí)踐證明，在三相對稱繞組中通入三相對稱電流必將產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場。A-X、B-Y、C-Z三相繞組在空間彼此互差120電角度，均勻地分布在定子鐵心內(nèi)圓周上，構(gòu)成了三相對稱繞組。當(dāng)三相對稱繞組接入三相對稱電源時，則在繞組中產(chǎn)生三相對稱電流。若三相電流的相序?yàn)锳→B→C，則各相電流的表達(dá)式為B mCmiA

Im

cos

t

i

I cos(

t

120

)

i

I cos(

t

240

)

4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理選擇0°、120°、240°、360°四個時刻，以兩極磁場為例考察對稱三相電流產(chǎn)生的磁效應(yīng)。對電流的正方向做出規(guī)定：當(dāng)電流從每相繞組的末端流入、首端流出時，此電流的方向記為正，反之則記為負(fù)，用符號⊙表示電流流出，表示電流流入。當(dāng)時

t

0

，iA

Im，iB

iC

Im

/2

，按照設(shè)定的電流正方向，將各相電流的方向表示在各相線圈的剖面圖上，如后圖（a）所示。作出

t

120

、240°、360°這三個特定瞬間的電流方向與磁力線的分布情況，分別如圖后圖（b）、（c）、（d）所示。依次觀察后圖所示的四個特定瞬間的磁力線分布情況，可看出對稱三相電流通入對稱的三相繞組后建立的合成磁場并不是靜止不動的，而是猶如一對磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場，其大小不變。4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理兩極旋轉(zhuǎn)磁場形成示意圖iA

Im（a）

t

0

B Cm2i

i

1

I（b）

t

120

iB

A Cm2i

i

1I（c）

t

240

iC

A Bm2i

i

1I（d）

t

360

iA

ImB Cm2i

i

1I4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理n1

f1旋轉(zhuǎn)方向是從A相轉(zhuǎn)向B相再轉(zhuǎn)向C相，即按A→B→C順序旋轉(zhuǎn)（圖中為逆時針方向），此轉(zhuǎn)向與三相繞組中電流變化的相序相同。從

t

0

到

t

120

、240°、360°的這幾個瞬間，三相電流相應(yīng)變化了一個周期，三相電流建立的合成磁場在空間也相應(yīng)轉(zhuǎn)過了120°、240°、360°電角度，即電流變化一次，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)。因此，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

n1（r/min）與電流變化頻率f1

的關(guān)系為（r/min）1p pn

f1

60

f1式中

n1

——旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，也稱同步轉(zhuǎn)速。4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理如果A、B、C三相對稱繞組的每一相分別由兩個線圈串聯(lián)組成，即A-X、A-X，B-Y、B-Y，C-Z、C-Z，每個線圈的跨距為1/4圓周，用同樣的方法可確定，對稱三相電流所建立的合成磁場仍然是一個旋轉(zhuǎn)磁場。這時磁場的磁極變?yōu)樗膫€，即兩對磁極，每對磁極占有的幾何空間為1/2圓周。當(dāng)電流變化一次時，旋轉(zhuǎn)磁場只轉(zhuǎn)過了1/2圓周，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n1

f1

/2

。若將繞組按一定的規(guī)律布置，可得到三對、四對或者p對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，用相同的方法去觀察旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與磁極對數(shù)p之間是一種反比例關(guān)系，即具有p對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，電流每變化一次，磁場轉(zhuǎn)過1/p轉(zhuǎn)。三相交流電源的頻率為

f1 ，極對數(shù)為p的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理若取A相繞組的軸線位置作為空間坐標(biāo)的原點(diǎn)，以正相序的方向作為x的正方向，同時取A相電流達(dá)到最大值的時刻作為時間起點(diǎn)，則A、B、C三相的基波磁勢的表達(dá)式為A1

1B1

1C1

1

f

F cos

x

cos

t

f

F cos

x

120

cos(

t

120

)

f

F cos

x

240

cos(

t

240

)

式中

F

1

——單相基波磁勢的幅值，F(xiàn)

1

0.9Nkw1I

/

p

。三相合成磁勢的分布規(guī)律1A1B11C1

1f(x,t)

ff

f

3

F cos

t

x

F

cos

t

x

2

4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理對上式表示的三相基波磁勢進(jìn)行分解并整理，可計(jì)算出三相合成基波磁勢

f1

(x,t)

為式中 F1

——三相基波合成磁勢的幅值，F(xiàn)1

1.35Nkw1I

/

p

。由上式可知，三相基波合成磁勢是沿空間作正弦分布的行波。因?yàn)槎ㄗ觾?nèi)腔為圓形，所以沿圓周的連續(xù)推移就形成了旋轉(zhuǎn)磁場。三相合成磁場的分布規(guī)律如下圖所示。4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理2）三相異步電動機(jī)的工作原理三相異步電動機(jī)的定子鐵心上嵌有對稱的三相繞組，轉(zhuǎn)子繞組是一閉合（短路）繞組。當(dāng)三相對稱電源接入三相對稱繞組后，將在定子、轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立同步轉(zhuǎn)速為的旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子繞組被旋轉(zhuǎn)磁場磁力線所切割（磁力線切割導(dǎo)體），根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電勢，形成電流。若旋轉(zhuǎn)磁場按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)右手定則，可以判斷出轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電勢的方向，如下圖所示。根據(jù)電磁定律，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在旋轉(zhuǎn)磁場中將受到電磁力的作用，產(chǎn)生一個逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在該電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，也將會沿著逆時針方向旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為n（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）。此時若轉(zhuǎn)子與負(fù)載連接后，轉(zhuǎn)子將克服負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩帶動負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。三相異步電動機(jī)的工作原理4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理感應(yīng)電動機(jī)：三相異步電動機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理，通過定子中的三相對稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電流因感應(yīng)而產(chǎn)生，所以也叫感應(yīng)電動機(jī)。異步電動機(jī)：正常情況下，三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低或略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），這是因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上之所以能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵是導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場之間存在著相對運(yùn)動，這樣才能發(fā)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生電勢形成電流，從而產(chǎn)生電磁力。如果異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，則旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條之間不再有相對運(yùn)動，也就不可能在導(dǎo)條中感應(yīng)電勢，也不會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來拖動負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場只能異步轉(zhuǎn)動，異步電動機(jī)由此而得名。4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理n1

f1s

n1

n轉(zhuǎn)差率是表征感應(yīng)電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個重要參數(shù)。一般情況下，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率變化不大，空載時約為0.5%，額定負(fù)載時約為5%，異步牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率一般小于2%。在交流傳動系統(tǒng)中，有時將轉(zhuǎn)差率換算為轉(zhuǎn)差頻率使用更方便。轉(zhuǎn)差頻率就是轉(zhuǎn)差對應(yīng)的頻率，即s

n1

n

f1

f

f2

f

1

f2

sf1

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

的差值稱為轉(zhuǎn)差，

n

用表示。轉(zhuǎn)差

n

與同步轉(zhuǎn)速n1

的比值稱為轉(zhuǎn)差率，用s

表示，即異步牽引電動機(jī)等效電路4.1.2 交流異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理3.

交流異步牽引電動機(jī)的等效電路異步牽引電動機(jī)的等效電路由歸算后的異步電動機(jī)的基本方程式（基本方程式是由電壓、電勢、電流或磁勢平衡方程式組成的方程組）得到。等效電路是交流異步電動機(jī)分析計(jì)算的基本數(shù)學(xué)模型，真實(shí)地反映了電動機(jī)運(yùn)行中的各種電磁過程與電磁現(xiàn)象，是電動機(jī)的模擬電路，如下圖所示。U1

E1

I1(r1

jx1)

E1

I1Z1

1

s

E2

I2

r2

I

(r2

jx2

)

s

E1

E2

Im

ZmI1

I2

Im

異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性1 1em2

2

12smpU2

r2

T

r

2

2

fr

(x

x

)

s

1

1

4.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性是指轉(zhuǎn)差率與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，可由等效電路導(dǎo)出，其機(jī)械特性如下圖所示。對于一臺已知的電動機(jī)，當(dāng)外加電壓和頻率一定時，電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)差率的二次函數(shù)。在某一轉(zhuǎn)差率sm

時，電磁轉(zhuǎn)矩存在著一個最大值Tmax

，稱為異步電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。4.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性異步牽引電動機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)1.

機(jī)械特性與運(yùn)行狀態(tài)分析當(dāng)異步電動機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之而變化，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩也要發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)負(fù)載的需要。按照轉(zhuǎn)差率的取值情況，異步電動機(jī)可能出現(xiàn)電動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電磁制動三種運(yùn)行狀態(tài)，如下圖所示。4.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性1）電動機(jī)狀態(tài)電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即n1

n

0

，0

s

1

。假定旋轉(zhuǎn)磁場為逆時針方向，根據(jù)右手定則，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割氣隙磁場后感應(yīng)電勢的方向如異步牽引電動機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)（a）所示。這時電機(jī)處于電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，即從電網(wǎng)吸收電功率，通過電磁感應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從轉(zhuǎn)子上輸出。2）發(fā)動機(jī)狀態(tài)發(fā)電機(jī)狀態(tài)由原動機(jī)拖動，使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，即n

n1

，轉(zhuǎn)差率s

0。此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢以及電流瞬時值的方向與電動機(jī)狀態(tài)時相反，因此，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向都相反，如異步牽引電動機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)（b）所示，電磁轉(zhuǎn)矩是制動性的轉(zhuǎn)矩。這時電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。4.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性3）電磁制動狀態(tài)電磁制動狀態(tài)由原動機(jī)或其他外力使轉(zhuǎn)子逆著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，即n

0 ，s

1

。此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場的相對速度方向與電動機(jī)狀態(tài)時相同，故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢和電流瞬時值的方向與電動機(jī)狀態(tài)時相同，電磁轉(zhuǎn)矩方向也相同，就像電動機(jī)一樣在吸收電能，如異步牽引電動機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)（c）所示。此時電機(jī)處于電磁制動狀態(tài)——成為一臺雙端輸入能量的電機(jī)，即一方面從外界輸入機(jī)械能，同時又從電網(wǎng)吸收電能，這兩部分能量都被電機(jī)的繞組電阻所消耗，變成了熱量。4.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性總結(jié)：異步牽引電動機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)的工作特征匯總于下表中。異步牽引電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)差率s

1s

10

s

1s

0工作狀態(tài)電磁制動（反接制動）啟動點(diǎn)電動機(jī)發(fā)電機(jī)（再生制動）特 征雙端輸入能量，全部能量消耗在轉(zhuǎn)子回路中。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相反，n

0轉(zhuǎn)速等于零，開始啟動機(jī)械特性位于第一象限，磁場轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，n

機(jī)械特性位于第二象限，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，n

n14.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性4）三相異步電動機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)三相異步電動機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)下的機(jī)械特性可在四個象限中表示，即所謂的通過控制可使電動機(jī)四象限運(yùn)行其機(jī)械特性曲線如下圖所示。從圖中可見，在第Ⅰ象限，轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T均為正，為正向電動運(yùn)行；在第Ⅲ象限，轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T均為負(fù)，為反向電動運(yùn)行；第Ⅱ象限，轉(zhuǎn)速n為正，電磁轉(zhuǎn)矩T為負(fù)，第Ⅳ象限，轉(zhuǎn)速n為負(fù)，電磁轉(zhuǎn)矩T為正，所以第Ⅱ、第Ⅳ象限為制動運(yùn)行狀態(tài)。三相異步電動機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)示意圖4.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性2.

最大轉(zhuǎn)矩與臨界轉(zhuǎn)差率左下式表示的電磁轉(zhuǎn)矩，對轉(zhuǎn)差率求一階導(dǎo)數(shù)并令其等于零，所求得的轉(zhuǎn)矩即為最大轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率，即：mpU

2Tmaxr

1 1 4

f

[

r

r2

1 1sm

4.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性由于的影響，從而得到近似表達(dá)式為電動機(jī)參數(shù)與電源參數(shù)已知時，最大轉(zhuǎn)矩與定子繞組相電壓的平方成正比，與定子繞組電流頻率的平方成反比，與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)；而臨界轉(zhuǎn)差率則與轉(zhuǎn)子電阻成正比，與定子繞組相電壓無關(guān)。m1 2mpU

21 1Tmaxs

4

f1(x1

x2)

r

2

x

x

，故可忽略r14.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性降低電壓時的人為機(jī)械特性不同轉(zhuǎn)子電阻時的人為機(jī)械特性對于異步牽引電動機(jī)改變定子電壓不會影響臨界轉(zhuǎn)差率，但對電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩影響較大，最大轉(zhuǎn)矩與輸入電壓的平方成正比例關(guān)系變化。不同定子電壓對應(yīng)的人為機(jī)械特性如左下圖所示。不同轉(zhuǎn)子電阻對應(yīng)的人為機(jī)械特性如右下圖所示，其中，r2

r2

r2

rst

。最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為過載能力，用

KT

表示，即KT

Tmax

/

TN。普通異步電動機(jī)

KT

1.6

~

2.5

，異步牽引電動機(jī)KT

1.1

~

5

。當(dāng)電動機(jī)參數(shù)及電源參數(shù)給定時，啟動轉(zhuǎn)矩與定子相電壓的平方成正比，與轉(zhuǎn)子電阻的大小成正比，而與定轉(zhuǎn)子漏電抗成反比。4.1.3 交流異步牽引電動機(jī)的機(jī)械特性3.

啟動轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性曲線中轉(zhuǎn)速等于零（轉(zhuǎn)差率等于1）時對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動轉(zhuǎn)矩，即

1 1 2 TstmpU

2r

2

f[(r

r

)2

(x

x

)2

]1 1 2 1 2增大轉(zhuǎn)子回路電阻值，可以增大電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，這一點(diǎn)對繞線式轉(zhuǎn)子電動機(jī)非常有用，但對籠式轉(zhuǎn)子電動機(jī)作用有限。適當(dāng)增大轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電阻值，采用合理的鐵心槽形有利于提高牽引電動機(jī)的啟動能力。采用高電阻值的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料是改善牽引電動機(jī)啟動能力最有效的方法之一。對于異步牽引電動機(jī)，啟動能力用啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)考量，要求

Kst

Tst

/

TN

1

。21 2

(x

x

)交流異步牽引電動機(jī)的調(diào)速4.24.2.1 恒磁通調(diào)速根據(jù)交流電動機(jī)定子繞組感應(yīng)電勢公式U1

E1

4.44f1

N1kw1

m當(dāng)電源電壓一定時，如果降低頻率，則主磁通要增大，基頻（額定頻率）以下主磁通增加勢必使主磁路過飽和，勵磁電流增加，鐵心損耗也相應(yīng)增加，這是不允許的。為此調(diào)頻時一定要調(diào)節(jié)電勢，保持感應(yīng)電勢與頻率的比值不變，即可保持主磁通不變。隨著頻率的降低，感應(yīng)電勢也要等比例相應(yīng)下降，但是感應(yīng)電勢難以檢測與控制。4.2.1 恒磁通調(diào)速，若用電壓代替感應(yīng)電勢進(jìn)行控制，即保持U1

/

f1

C，對電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將產(chǎn)生一定的誤差。當(dāng)頻率較高時

，根據(jù)最大電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式可知，定子繞組電阻可以忽略不計(jì)，由此所產(chǎn)生的誤差較小，一般能夠滿足工程需要。從電動機(jī)負(fù)載能力來看，此時電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩及負(fù)載能力基本維持不變；當(dāng)頻率很低時，電壓也下降到很低，這時電動機(jī)漏電抗相應(yīng)減小了很多，在數(shù)值上與定子電阻相比差別不大，此時定子繞組電阻的影響不容忽略。若繼續(xù)按照恒壓頻比控制，電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將會急劇下降，甚至?xí)霈F(xiàn)拖不動負(fù)載的情況。4.2.1 恒磁通調(diào)速根據(jù)等效電路，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為由此可見，當(dāng)磁通不變時，即恒電勢頻率比控制，電磁轉(zhuǎn)矩與供電頻率無關(guān)，只與轉(zhuǎn)差頻率成正比關(guān)系。若采取措施保持轉(zhuǎn)差頻率不變，則電磁轉(zhuǎn)矩將維持恒定，這種調(diào)速方法也叫恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。1

212em1112m

p rsTmI

2

r2

Pem

2

f/

p2

f

smpf

E

1

12

在調(diào)速時，轉(zhuǎn)差率很小，故有，即

1

1Temm

pf

E

2

1 1

1

2

r2

2

f1

s m

p

E

2

fr2 2

f1

4.2.1 恒磁通調(diào)速對電磁轉(zhuǎn)矩公式進(jìn)行變換處理，可得到以表示的轉(zhuǎn)矩公式。，可得到臨界轉(zhuǎn)差頻率和最大轉(zhuǎn)矩為若令式（1）除以式（3）并進(jìn)行整理，可以得到恒磁通運(yùn)行時的實(shí)用轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為（1）（3）（2）r

fm

1Tmaxmp

E

2

1

1

4

L2

2

f1

2TemTmax

f2

fmfm f2dTem令

df式中1TN

2TmaxKTfmf2

N

f2N

fm——額定輸出轉(zhuǎn)矩，TN

9

550PN

/

nN

；

sN

f1N——過載能力，KT

Tmax

/

TN

。TNf2N

——額定轉(zhuǎn)差頻率，f2N

；KT4.2.1 恒磁通調(diào)速對于給定的電動機(jī)而言，在銘牌和技術(shù)資料中將給出：額定功率

P（N

kW）、額定轉(zhuǎn)nN速（r/min）及過載能力。在額定狀態(tài)下，輸出轉(zhuǎn)矩TN

與電磁轉(zhuǎn)矩Tem相差較小，即可忽略空載阻轉(zhuǎn)矩T0

的影響，近似以輸出轉(zhuǎn)矩代替電磁轉(zhuǎn)矩，故實(shí)用表達(dá)式為恒E1/f1控制時的特性曲線4.2.1 恒磁通調(diào)速由此可計(jì)算出fm

f (K若忽略趨膚效應(yīng)的影響，轉(zhuǎn)子電阻r2

也為定值，臨界轉(zhuǎn)差頻率值fm是相同的，其機(jī)械特性曲線實(shí)際上是一簇平行的直線，如下圖所示。4.2.1 恒磁通調(diào)速當(dāng)牽引電動機(jī)恒磁通運(yùn)行時，定子電流可根據(jù)等效電路圖求出異步電動機(jī)等效電路圖1 m 2m1m212m 2 m 2 21f2I

I

I

E1

E1jx r2

/s

jx2

E

f

j2

Lr

j2

L

f

1

2

2

Er2

j(2

L2)

f2

f (2

L

) f

(2

L)(2

L

)

f

j(2

L)r

1

m 2

L2式中 ——轉(zhuǎn)子總電感，L2

L2

Lm

。上式表明，由于E1

/

f1為常數(shù)，所以定子電流只與轉(zhuǎn)差頻率f2

有關(guān)，而與定子頻率f1無關(guān)。若調(diào)節(jié)時保持f2

不變，則在不同的

f1下，I1

的大小及相位都是固定不變的。4.2.1 恒磁通調(diào)速由等效電路圖可知，電動機(jī)輸入端電壓U1為感應(yīng)電勢E1

和定子電壓降的向量和，即U1

E1

(r

jx

)I

恒磁通運(yùn)行時，因E1

隨頻率

f1

直線變化，由上式可見，U

僅與 和

f1

有關(guān)。又從上式可知，I1

只取決于轉(zhuǎn)差頻率f2

，所以 最終即為f1

和f2

的函數(shù)。對于給定的電動機(jī)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的要求求出相應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率和相應(yīng)的電流I1

，最后代入上式確定電動機(jī)所需要的端電壓。4.2.1 恒磁通調(diào)速恒磁通控制時電動機(jī)端電壓與定子頻率的關(guān)系異步電動機(jī)恒壓頻比控制時的機(jī)械特性對應(yīng)于一定的轉(zhuǎn)差頻率f2

，可以求出電動機(jī)端電壓U1與定子頻率

f1

的函數(shù)關(guān)系，如左下圖中的實(shí)線所示。圖中虛線表示U1

/

f1

C，實(shí)線與虛線相比較，可以看出為保持在低頻區(qū)電動機(jī)磁通一定時，需要對定子壓降進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償量為實(shí)線與虛線間的電壓差值，即增高的電壓值。右下圖表示了恒壓頻比控制時的機(jī)械特性，在高頻段，隨著輸入頻率的降低，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也在相應(yīng)降低，電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩基本保持不變，而臨界轉(zhuǎn)差頻率在增加。其中em

2

2211P m

p

T

em

1 E

I

cos

2

f

2E1I

(r

/s)2

x

22 22r2

/

scos

(r

/s)2

x

22 24.2.2 恒功率調(diào)速通常調(diào)節(jié)頻率大于基準(zhǔn)頻率f1

f1N

時，即當(dāng)電壓提高到一定數(shù)值后維持不變或?qū)⒉辉僬扔趂2上升，此后電動機(jī)磁通開始減小，將進(jìn)入恒功率控制方式。根據(jù)等效電路，可導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式為Pem

m1E2

I2

cos

2

m1E1I2

cos

2

4.2.2 恒功率調(diào)速在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差率s很小，矩公式可改寫為或的調(diào)節(jié)方式。emT

m1

pem1121 1Tf

2 f

2

m1

p

U

2

f2

f2

KU

22

r

2em

12 1U

2

1

f1T f

Kf

KU

s，x2

的影響可以忽略不計(jì)，cos

2

1，電磁轉(zhuǎn)進(jìn)入恒功率控制階段，電壓已較高且達(dá)到了一定的值，U1

E1

，故m

p式中，

K

1 為常數(shù)。2

r2

由此可看出，若使電動機(jī)按恒功率運(yùn)行，電壓與頻率的調(diào)節(jié)可采用兩種不同的方式，2即U1

C，s

C 的調(diào)節(jié)方式和f

C，21 1U /

f

C。1 21mpU

2m

pU

2Tmax

1 1

1

1 (L

L

)8

2f

24

f

[

r

r2

(x

x

)2]1 1 1 1 22max1上式說明，最大轉(zhuǎn)矩近似與輸入頻率（定子頻率）的平方成反比關(guān)系，即T

1/

f4.2.2 恒功率調(diào)速（1）U1

C

，

s

C

（電壓不變，轉(zhuǎn)差率為定值）的調(diào)速方式。在此調(diào)速方法下，由于轉(zhuǎn)差率

s

C，定子輸入頻率f1

越高，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率f2

和臨界轉(zhuǎn)差頻率

fm

越大。當(dāng)輸入頻率較高時，與電抗相比可以忽略定子電阻r1

的影響，則最大轉(zhuǎn)矩可表示為4.2.2 恒功率調(diào)速不同輸入頻率時最大轉(zhuǎn)矩的包絡(luò)線如下圖所示。定子電壓恒定時牽引電動機(jī)恒功率控制特性（a）4.2.2 恒功率調(diào)速恒功率控制時轉(zhuǎn)差率較小，電壓較高，故，而勵磁電流則為2em

12 1U

2

1

f1T f

Kf

KU

s22I

sU1r

mmIjx

U1

C根據(jù)上式，恒功率運(yùn)行時實(shí)際要求的電磁轉(zhuǎn)矩Tem

只是反比于f1

的變化，故Tmax

和Tem

的比值，即電動機(jī)的過載能力是隨成反比例變化的。在最高頻率點(diǎn)，過載能力最小，要求KT

1.1。隨著頻率降低而過載能力在增大，當(dāng)頻率下降至基頻附近時，過載能力達(dá)到最大，一般能達(dá)到KT

2

~

5

。在相位上Im

滯后于轉(zhuǎn)子電流I2

接近90°，且的影響，電動機(jī)的電流

I1

可近似為常數(shù)。。電動機(jī)電流將由I1

Im

I2

決定，若忽略ImU1

E1

，可將轉(zhuǎn)子電流近似表示為

C4.2.2 恒功率調(diào)速定子電壓恒定時牽引電動機(jī)恒功率控制特性（b）通過上述分析可知，牽引電動機(jī)按照U1

C

，s

C

的調(diào)速方法恒功率運(yùn)行時，其電壓、電流均保持恒定，即按照恒電壓、恒電流供電即可。對于逆變器而言，按照恒電壓、恒電流方式工作，其變化規(guī)律如下圖所示。4.2.2 恒功率調(diào)速，則最大轉(zhuǎn)矩。不同頻率下最大轉(zhuǎn)時的調(diào)速方式。轉(zhuǎn)差頻率恒定時牽引電動機(jī)恒功率控制特性（a）22 1（2）f

C

，U /

fmaxT1與f 成反比，呈雙曲線變化，即21若

U /

fmax

1T

1/

f矩的包絡(luò)線如下圖所示。恒功率運(yùn)行時實(shí)際要求的電磁轉(zhuǎn)矩

Tem

只是反比于f1

的變化，故此調(diào)節(jié)方式下牽引電動機(jī)的過載能力保持不變，即KT

Tmax

/

Tem

C

。若牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)選在恒功率范圍內(nèi)的最低轉(zhuǎn)速nmin處時，則有最小允許的過載能力。4.2.2 恒功率調(diào)速轉(zhuǎn)差頻率恒定時牽引電動機(jī)恒功率控制特性（b）21因?yàn)閁 /

f1 1，電動機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)規(guī)律為U

K與恒功率運(yùn)行轉(zhuǎn)換點(diǎn)的電壓為U1A

，頻率為f1A

，則有K

U1A

f1A

。U1A

和

f1A

已知，可計(jì)算出不同輸入頻率f1 時的電壓值U1，其關(guān)系曲線如下圖所示。f（K

為比例系數(shù)）。若已知恒轉(zhuǎn)矩4.2.2 恒功率調(diào)速電動機(jī)中各電流與頻率之間的關(guān)系可通過式（1）和式（2）導(dǎo)出右式成反比例關(guān)系變化，其變化曲線如下圖所示。轉(zhuǎn)差頻率恒定時牽引電動機(jī)恒功率控制特性（b）（1）（2）2I

sU1

Cr2

mmUjxI

1

C222 12m1

mm11 m 2UK 1IfI

U1s

U1

f2

Kf2

1

f

r

r

f

r

1

1

2

f

L

2

L

I

I

I

由此可見，定子電流I1

僅與f14.2.2 恒功率調(diào)速（3）恒功率調(diào)節(jié)方式比較。U1

C

，恒電壓調(diào)節(jié)方案中，牽引電動機(jī)有較大的設(shè)計(jì)尺寸，但就電動機(jī)電源逆變器而言，它在恒電壓和恒電流下工作，整個運(yùn)行過程中開關(guān)元件的容量得到最充分的利用，因而逆變器本身有較小的設(shè)計(jì)尺寸。通常稱為最大電動機(jī)和最小逆變器方案。f2

C

，恒轉(zhuǎn)差頻率的調(diào)節(jié)方案中，牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸較小，但逆變器需滿足最高電壓和最大電流輸出的要求，盡管這兩個參數(shù)值在整個運(yùn)行過程中不會同時出現(xiàn)，但逆變器的設(shè)計(jì)容量應(yīng)為最高電壓與最大電流的乘積，由此確定的元器件規(guī)格偏大，設(shè)計(jì)尺寸較大，能力富余未能充分利用。通常稱為最小電動機(jī)和最大逆變器方案。4.2.2 恒功率調(diào)速異步電動機(jī)各種調(diào)速方法性能比較調(diào)速方式調(diào)速比效果效率適應(yīng)負(fù)載變極調(diào)速鼠籠式變換極對數(shù)2∶1～4∶1不平滑高恒轉(zhuǎn)矩恒功率變轉(zhuǎn)差率調(diào)速調(diào)定子電壓1.5∶1～10∶1不平滑低恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差離合器3∶1～10∶1平滑低恒轉(zhuǎn)矩繞線式調(diào)轉(zhuǎn)子電阻2∶1不平滑低恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械式串級2∶1平滑較高恒轉(zhuǎn)矩電氣串級調(diào)速2∶1～4∶1平滑較高恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速鼠籠式調(diào)定子頻率2∶1～10∶1平滑高恒轉(zhuǎn)矩恒功率繞線式調(diào)轉(zhuǎn)子頻率4∶1～20∶1平滑高恒轉(zhuǎn)矩恒功率變頻供電對牽引電動機(jī)的影響及設(shè)計(jì)對策4.34.3.1 變頻供電對牽引電動機(jī)的影響1.

PWM逆變器供電對牽引電動機(jī)性能的影響1）對絕緣結(jié)構(gòu)的影響交流牽引電動機(jī)運(yùn)行于逆變器供電環(huán)境下，介電強(qiáng)度遠(yuǎn)高于正弦電壓供電系統(tǒng)，絕緣系統(tǒng)不僅承受著運(yùn)行電壓，而且還要承受逆變器換向時產(chǎn)生的尖峰電壓，其實(shí)際承受電壓應(yīng)為運(yùn)行電壓和逆變器換向尖峰電壓的疊加值。換向尖峰值電壓數(shù)值較高時，將導(dǎo)致線圈絕緣層發(fā)生局部放電，所產(chǎn)生的能量及生成物將逐漸腐蝕絕緣層。PWM電壓波形中含有諧波分量，產(chǎn)生的附加損耗轉(zhuǎn)化為熱能后又加速了電動機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的熱老化，甚至產(chǎn)生電暈。牽引電動機(jī)必須要提高介電強(qiáng)度，采用耐電暈絕緣系統(tǒng)，選擇耐電暈性能優(yōu)良的絕緣材料。4.3.1 變頻供電對牽引電動機(jī)的影響2）對效率及功率因數(shù)的影響趨膚效應(yīng)使電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻增加、漏電抗減小，相應(yīng)增大了諧波電流的幅值，致使?fàn)恳妱訖C(jī)定子繞組電流增大，增加了電動機(jī)的損耗及溫升，降低了電動機(jī)的效率和功率因數(shù)。3）對軸承的影響電壓型逆變器供電時，由于非正弦波電源供電和制造中電動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)誤差引起磁場的不對稱，致使?fàn)恳妱訖C(jī)會同時產(chǎn)生軸電壓和軸承電壓，將有電流通過軸承產(chǎn)生軸承電流，對軸承滾道產(chǎn)生電腐蝕，損傷軸承。4）調(diào)速對牽引電動機(jī)冷卻能力的影響對采用自通風(fēng)的異步牽引電動機(jī)，轉(zhuǎn)速低時通風(fēng)量減小，冷卻能力降低，需考慮電動機(jī)轉(zhuǎn)速降低對冷卻能力降低的影響。1221 2U

2U

I

(x

x

)

(x

x

)I

I2

1

1式中 x1

——定子基波漏電抗；x2

——折算到定子的轉(zhuǎn)子基波漏電抗。牽引電動機(jī)繞組中總的相電流有效值為式中 I

——電動機(jī)繞組中總的相電流有效值。4.3.1 變頻供電對牽引電動機(jī)的影響2.

逆變器電源高次諧波的影響

次諧波電壓在牽引電動機(jī)繞組中產(chǎn)生的

次諧波電流有效值為4.3.1 變頻供電對牽引電動機(jī)的影響1）附加損耗由諧波引起的附加損耗可分為附加銅耗和附加鐵耗。附加銅耗：因電流回路為線性關(guān)系，可以利用疊加原理計(jì)算。各次諧波都有對應(yīng)的等效電路，處理方法與基波時的情況相似，可分別進(jìn)行計(jì)算；附加鐵耗：因?yàn)榇怕返姆蔷€性關(guān)系，不適合用疊加原理計(jì)算。某臺異步牽引電動機(jī)的電阻、漏電抗隨頻率變化的關(guān)系曲線如下圖所示。某臺異步牽引電動機(jī)的電阻、漏電抗隨輸入頻率的變化關(guān)系式中21pm rIs2

2

1

Tem

4.3.1 變頻供電對牽引電動機(jī)的影響2）附加脈動轉(zhuǎn)矩相同次數(shù)的氣隙磁通諧波與轉(zhuǎn)子電流諧波相互作用，將產(chǎn)生附加脈動轉(zhuǎn)矩。根據(jù)該次諧波的相序或旋轉(zhuǎn)方向，所產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩可能起拖動作用，也可能起制動作用。

次諧波產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩為I2

、r2

——

次諧波的轉(zhuǎn)子電流和電阻的歸算值；s

p 、m1 ——牽引電動機(jī)的磁極對數(shù)與相數(shù)。“＋”對應(yīng)于正序分量，產(chǎn)生拖動性轉(zhuǎn)矩；“－”對應(yīng)于負(fù)序分量，產(chǎn)生制動性轉(zhuǎn)矩。

次與

1

次諧波產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩相互抵消掉一大部分，只是剩余部分對電動機(jī)產(chǎn)生影響，故影響較小。——

次諧波的轉(zhuǎn)差率，近似取s

1

；振蕩轉(zhuǎn)矩分別為12(5)

2(1)21pmIE cos(6

Tem(5

1)

t

)T

em(7

1)E

pm1I

4.3.1 變頻供電對牽引電動機(jī)的影響3）寄生振蕩轉(zhuǎn)矩兩個不同次的磁場，或者不同次的電壓或磁通諧波與轉(zhuǎn)子電流諧波相互作用，則產(chǎn)生寄生振蕩轉(zhuǎn)矩。寄生振蕩轉(zhuǎn)矩對時間的平均值為零，無助于增加拖動性轉(zhuǎn)矩。對于n

個諧波交互作用產(chǎn)生的（

n2

n

）個寄生振蕩轉(zhuǎn)矩中，影響較大且特別值得注意的是諧波電流與基波電壓產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。如轉(zhuǎn)子電流5次、7次諧波與基波電壓產(chǎn)生的寄生式中，

2

——

t

0

時，I2

(

) 和E2

(1)

之間的相位移。上式表明，由轉(zhuǎn)子電流5次和7次諧波與轉(zhuǎn)子基波電壓產(chǎn)生的寄生振蕩轉(zhuǎn)矩都是時間函數(shù)，并具有相同的周期。但它們的相位不同，相差

，兩者彼此部分抵消。4.3.1 變頻供電對牽引電動機(jī)的影響3.

集中供電時牽引電動機(jī)特性差異的影響在內(nèi)燃、電力機(jī)車，特別是電動車組中，一臺逆變器可能同時給兩臺或若干臺并聯(lián)運(yùn)行的牽引電動機(jī)供電。在動輪直徑相同的情況下，并聯(lián)工作的各臺電動機(jī)應(yīng)當(dāng)具有相同的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)差率。若各電動機(jī)的特性或轉(zhuǎn)差率不一致，將引起各電動機(jī)電流分配不均勻。特性方面存在的偏差越大，各電動機(jī)負(fù)載分配的不均勻狀況將越嚴(yán)重，可能出現(xiàn)有的電動機(jī)電流很大，而有的電流很小。這不僅容易使個別電動機(jī)嚴(yán)重過載、過熱甚至出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，還會使列車的平均輸出功率顯著減小，嚴(yán)重時將影響列車的正常運(yùn)行。從異步牽引電動機(jī)的等效電路來看，轉(zhuǎn)子電阻影響電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，也是影響電動機(jī)特性的關(guān)鍵因素，所以要選擇合適的、性能穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料，其電阻率隨溫度變化越小越好。此外，還應(yīng)保持各電動機(jī)轉(zhuǎn)子材質(zhì)的均勻性與同一性，同時提高牽引電動機(jī)的制造技術(shù)、工藝水平也是非常必要的。4.3.1 變頻供電對牽引電動機(jī)的影響4.

動輪直徑偏差的影響對于由同一臺逆變器集中供電的多臺牽引電動機(jī)，并聯(lián)運(yùn)行時即使各電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性完全相同，若動輪直徑不同，仍將出現(xiàn)負(fù)荷分配不均勻的情況，各牽引電動機(jī)將以不同的轉(zhuǎn)差率工作，按照動輪直徑的大小分配負(fù)載，牽引工況與制動工況不同，如下圖所示。下圖可以看出，動輪直徑偏差致使?fàn)恳妱訖C(jī)電流、轉(zhuǎn)矩大小不一致，溫升也不一樣。動輪直徑偏差對牽引電動機(jī)4.3.1 變頻供電對牽引電動機(jī)的影響理論分析表明，動輪直徑偏差對熱效應(yīng)的影響不明顯，而在規(guī)定的動輪直徑偏差下，額定轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)矩不平衡的關(guān)系可以表示為——平均電磁轉(zhuǎn)矩；——額定轉(zhuǎn)差率；——動輪直徑；emT2D

Tem

s

N

1

1

D

100%式中

Tem

——平均電磁轉(zhuǎn)矩偏差；TemsND

D

——輪徑偏差，一臺轉(zhuǎn)向架內(nèi)允差取2.5～5.0mm。4.3.2 變頻供電異步牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)對策部分牽引電動機(jī)技術(shù)水平指標(biāo)車型牽引電動機(jī)額定功率/kW額定轉(zhuǎn)矩/（N·m）啟動轉(zhuǎn)矩/（N·m）恒功率最高轉(zhuǎn)速/（r/min）質(zhì)量/kgHXD11TB2624-0TD021

250———2

580HXD26FRA4567B/YJ901

2758

12411

3892

7682

660HXD3SEA-107/YJ85A1

2508

80611

8522

6622

600HXN3A2938-5/YJ116A650—10

1353

4902

076HXN55GEB326937

60610

249—2

450CRH1MJA220-8265——5

392596CRH2MT205300692—6

120440CRH31TB20195621

305—5

900750CRH56FJA3257A/YJ87A5684

6115

2663

6381

6104.3.2 變頻供電異步牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)對策1.

變頻異步牽引電動機(jī)的運(yùn)行特征一定負(fù)載下，需在一定范圍內(nèi)運(yùn)行，01由變頻變壓的逆變電源供電，在轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化較大。03是近年來發(fā)展的新型產(chǎn)品，對它的運(yùn)行要求到現(xiàn)在還未完全清楚，還在不斷成熟、完善過程中。02與電動機(jī)本身的參數(shù)有關(guān)，也與電源的供電方式及參數(shù)密切相關(guān)，對異步牽引電動機(jī)提供的是一個按照運(yùn)行性能要求控制的變頻變壓的電源，可通過對電源參數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)牽引電動機(jī)的性能。04設(shè)計(jì)必須要涉及控制策略與負(fù)載性質(zhì)，需要將電動機(jī)與變頻電源的控制作為一個整體系統(tǒng)來考慮。4.3.2 變頻供電異步牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)對策2.

變頻異步牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)1）采用高性能絕緣材料絕緣材料耐熱等級有兩項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，一項(xiàng)是耐電壓指標(biāo)，就是常說的絕緣介電能力，另一項(xiàng)是耐熱能力指標(biāo)。按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，絕緣材料的耐熱等級見下表所示。絕緣等級AEBFHC（200）長期工作溫度/°C105120130155180200允許工作溫升/°C105120130155180200絕緣等級與工作溫度的關(guān)系4.3.2 變頻供電異步牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)對策2）采用全疊片式無機(jī)座結(jié)構(gòu)異步電動機(jī)定子采用有機(jī)座式和無機(jī)座兩種不同的結(jié)構(gòu)形式。列車牽引電動機(jī)為滿足重量及散熱要求，在設(shè)計(jì)中均采用無專門機(jī)座的輕量化結(jié)構(gòu)，定子鐵心用鐵心沖片和二端壓圈通過中間拉板焊接而成，通過選擇合適的極數(shù)來控制電動機(jī)的質(zhì)量。3）采用高性能的轉(zhuǎn)子材料牽引電動機(jī)為滿足更高的電磁參數(shù)要求，轉(zhuǎn)子采用由專用銅合金導(dǎo)條和專用銅合金端環(huán)焊接而成的鼠籠。4）提高低速轉(zhuǎn)矩特性和擴(kuò)大高速恒功率范圍從快速啟動、低速恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行、高速恒功率運(yùn)行等方面來看，變頻電動機(jī)都要求有較高的轉(zhuǎn)矩特性。4.3.2 變頻供電異步牽引電動機(jī)的設(shè)計(jì)對策變頻異步牽引電動機(jī)設(shè)計(jì)采用的措施減少變頻器輸出電壓的諧波分量，降低附加損耗。合理設(shè)計(jì)定、轉(zhuǎn)子電阻與電抗等參數(shù)。合理選擇定、轉(zhuǎn)子槽形。優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)，采用耐電暈絕緣結(jié)構(gòu)。采用絕緣軸承，防止軸承電流產(chǎn)生。改善鐵心加工工藝，減小渦流損耗。采用合適的轉(zhuǎn)差率。幾種動車組用牽引電機(jī)4.44.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)CRH380BL型動車組配有32臺牽引電動機(jī)，為三相四極異步牽引電機(jī)，其外形如下圖中所示。牽引電動機(jī)位于EC01/VC03/IC06/IC08/BC09/IC11/IC14/

EC16車上，動力轉(zhuǎn)向架的每個輪對都有牽引電動機(jī)驅(qū)動，牽引電動機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架上。電動機(jī)為強(qiáng)制風(fēng)冷式，使用溫度傳感器進(jìn)行電動機(jī)的溫度監(jiān)測，以防電機(jī)過熱情況的出現(xiàn)。牽引電動機(jī)外形圖4.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)1.

牽引電機(jī)的特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)1）牽引電機(jī)的特點(diǎn)該電機(jī)為三相四極異步牽引電機(jī)，牽引工況作為電動機(jī)運(yùn)行，再生制動時作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電機(jī)安裝有溫度傳感器和速度傳感器，用于測量定子的溫度和電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該電機(jī)采用風(fēng)冷的方式進(jìn)行冷卻，額定電壓值較高，約為2

750V，以適應(yīng)電機(jī)寬調(diào)速范圍、動車組高速運(yùn)行的需要。4.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)2）電機(jī)接口牽引電機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架上，使用軸向、徑向彈性聯(lián)軸器及齒輪箱，將牽引力從牽引電動機(jī)傳遞給輪對。軸驅(qū)動器的齒輪為螺旋齒。齒輪機(jī)構(gòu)由車軸上的輪軸軸承支持，并使用轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的彈性支架（扭矩反作用支柱）懸掛。電機(jī)的電力連接是通過三條電力直通電纜實(shí)現(xiàn)的，通過單獨(dú)的防水型引線孔從電機(jī)輸出。為把電機(jī)電纜連接到設(shè)備電纜上，要使用特殊的端子夾住電纜；為保護(hù)單獨(dú)的電纜連接，要使用經(jīng)過絕緣處理的支架。溫度傳感器以及速度傳感器的連接是通過快速連接線和密封環(huán)連接器實(shí)現(xiàn)的。牽引電動機(jī)在車體轉(zhuǎn)向架上的安裝位置4.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)3）電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)牽引電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)類型四極、三相異步電動機(jī)類型四極、三相異步電動機(jī)額定電壓2750

V熱等級200額定電流145

A轉(zhuǎn)子直徑311.4

mm額定功率（正弦函數(shù)）587

kW定子內(nèi)徑315

mm額定轉(zhuǎn)速4100

r/min鐵心的長度295

mm額定頻率138

Hz空隙1.8

mm額定絕緣電壓3600

V整體電機(jī)（無齒輪箱、帶電機(jī)側(cè)的半個法蘭接頭）約750

kg最大電壓2800

V4.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)牽引電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)（續(xù)表）類型四極、三相異步電動機(jī)類型四極、三相異步電動機(jī)最大電流220

A整體轉(zhuǎn)子（不帶軸承的平衡裝置）200

kg最大轉(zhuǎn)速5900

r/min整體定子（帶線圈的鐵心和框架）445

kg變位系數(shù)（余弦函數(shù)）0.87電機(jī)和齒輪箱聯(lián)軸器（螺旋齒聯(lián)軸器）34

kg單獨(dú)通風(fēng)、自然冷卻0.66

m3/s接線Y4.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)2.

牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)1）概述該電機(jī)為三相四極異步牽引電機(jī)，由轉(zhuǎn)子、定子、機(jī)殼及附件構(gòu)成，定子內(nèi)埋有溫度傳感器，用于過熱保護(hù)和控制過程中的校準(zhǔn)。同時也安裝有速度傳感器，用于電機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的檢測。電機(jī)實(shí)物圖電機(jī)截面圖4.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)2）定子定子框架為焊接結(jié)構(gòu)，由高強(qiáng)度低損耗的硅鋼片疊壓而成，可以抑制定子內(nèi)鐵損。有多根拉板分布在定子沖片的四周，焊接到定子壓圈上。定子繞組線圈由扁銅導(dǎo)體繞成。導(dǎo)體外包絕緣薄膜。線圈嵌入定子槽內(nèi)，定子槽進(jìn)行了良好的絕緣。槽楔采用聚酰亞胺樹脂浸潤玻璃制成。嵌線完成后，通過高溫銅點(diǎn)焊連接引線。3）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由硅鋼片疊壓而成，硅鋼片熱套在一個套筒上，并在兩個轉(zhuǎn)子壓圈之間進(jìn)行疊壓。轉(zhuǎn)子籠由合金導(dǎo)條和端環(huán)通過高頻釬焊焊接而成。電機(jī)在最高轉(zhuǎn)速內(nèi)都滿足轉(zhuǎn)子高精度的動平衡要求。電機(jī)軸由高強(qiáng)度合金鋼制成，通過護(hù)環(huán)對端環(huán)進(jìn)行保護(hù)。轉(zhuǎn)子軸由軸承支撐，可以承受一定轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的應(yīng)力，所有軸承均使用油脂潤滑，油脂可以通過端蓋上的加油油嘴進(jìn)行補(bǔ)充。4.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)4）外端蓋外端蓋對電機(jī)部件起到保護(hù)、支撐的作用。5）軸承裝配軸承用于承擔(dān)徑向及軸向的作用力，在電機(jī)的驅(qū)動端采用的是圓柱滾動軸承、非驅(qū)動端采用的是球滾動軸承。6）通風(fēng)系統(tǒng)牽引電動機(jī)風(fēng)機(jī)位于動車組的地板下區(qū)域（靠近轉(zhuǎn)向架），牽引電機(jī)內(nèi)部設(shè)有風(fēng)道并與外部風(fēng)道相連，用于牽引電機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)冷卻。7）其他該電機(jī)安裝有速度傳感器和溫度傳感器，溫度傳感器埋設(shè)在定子中，速度傳感器安裝在非驅(qū)動端。該傳感器由一個固定在軸上的齒輪和一個固定在傳動端對面一側(cè)外蓋上的電磁信號采集器組成；該信號采集器能夠檢測到輪齒發(fā)出的電脈沖，其速度正比于轉(zhuǎn)子軸的速度。4.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)運(yùn)用與維護(hù)運(yùn)用：牽引電動機(jī)在運(yùn)行時必須進(jìn)行速度監(jiān)測，以保證不超過技術(shù)數(shù)據(jù)中和銘牌上指定的最大值。牽引電動機(jī)必須在干燥、不易受振動影響的區(qū)域內(nèi)存儲，不能直接暴露在陽光或雨水下，而且應(yīng)適當(dāng)防塵、防沙等。在（－35～＋85）°C的溫度環(huán)境和小于50%的相對濕度下，在無任何附加措施的情況下，可以將電機(jī)存儲最多6個月。4.4.1 CRH380BL型動車組牽引電機(jī)維護(hù)維護(hù)內(nèi)容與時間進(jìn)度表部 件檢查與檢修工作運(yùn)行距離牽引電機(jī)清潔牽引電機(jī)的外側(cè)，檢查牽引電機(jī)是否有外觀損壞檢查螺釘連接；外觀檢查：牽引電機(jī)上的安裝零件，牽引電機(jī)上的螺栓，損壞的連接導(dǎo)線和連接器，連接螺釘，風(fēng)道，將粗雜質(zhì)（樹葉、紙等）從排氣口區(qū)域除去，檢查電機(jī)是否有冷凝水2×104

km牽引電機(jī)軸承給牽引電機(jī)軸承重新涂覆潤滑脂：D端軸承，N端軸承40×104

km軸承和舊的潤滑脂盒給牽引電機(jī)D端、N端軸承重新涂覆潤滑脂清潔舊的潤滑脂盒每120×104

km后拆解并清潔的牽引電機(jī)拆解并清潔的牽引電機(jī)的維護(hù)：替換軸承（D端），替換軸承（N端），定子、轉(zhuǎn)子檢查，檢查定子線圈、線圈和機(jī)械構(gòu)架之間的絕緣每240×104

km后4.4.2 CRH400BF型動車組牽引電機(jī)YJ268A牽引電機(jī)滿足動車組多重單元的特殊要求，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、功率大，具有重量最優(yōu)化，高效及緊湊的特點(diǎn)。電機(jī)為臥式、雙軸承的鼠籠式三相異步牽引電動機(jī)，軸伸為1∶50錐度。電機(jī)為防護(hù)式強(qiáng)迫通風(fēng)結(jié)構(gòu)，冷卻風(fēng)從電機(jī)非傳動端進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)由定子背部通風(fēng)孔、氣隙及轉(zhuǎn)子鐵心軸向通風(fēng)孔，由傳動端端蓋出風(fēng)孔排出。定子采用球墨鑄鐵鑄造機(jī)座。定子裝配與兩端鋁端蓋過渡實(shí)現(xiàn)了電機(jī)輕量化。電機(jī)剖面1.

基本結(jié)構(gòu)4.4.2 CRH400BF型動車組牽引電機(jī)1）定子電機(jī)定子由機(jī)座、定子鐵心和定子線圈等部件組成。電機(jī)機(jī)座：采用高質(zhì)量的球墨鑄鐵制造，結(jié)構(gòu)緊湊合理，具有非常高的強(qiáng)度、剛性和極高的抗震質(zhì)量。定子鐵心：由絕緣冷軋硅鋼板疊壓，采用絕緣拉桿固定，使定子鐵心成為一個圓形殼體。定子軛部有通風(fēng)孔，冷卻風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，流經(jīng)定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的冷卻風(fēng)孔，并經(jīng)傳動端端面的風(fēng)口罩板出風(fēng)口流出。定子繞組：為雙層成型繞組，采用專用的拓?fù)湓頋q形機(jī)制造，成型后嵌進(jìn)定子槽中。為了得到足夠的機(jī)械強(qiáng)度、良好的電氣性能與優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，定子繞組用端箍固定，帶繞組的定子鐵心整體經(jīng)真空壓力浸漆（VPI）、旋轉(zhuǎn)烘焙后熱套進(jìn)機(jī)座中，組成定子單元。整個電機(jī)的繞組絕緣為200

級耐電暈絕緣系統(tǒng)。4.4.2 CRH400BF型動車組牽引電機(jī)2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子為鼠籠結(jié)構(gòu)，由轉(zhuǎn)軸、鐵心、鼠籠繞組等部件組成。轉(zhuǎn)軸由高強(qiáng)度的鍛造合金鋼制成。絕緣冷軋硅鋼板疊壓組成的轉(zhuǎn)子鐵心及壓板熱套安裝到轉(zhuǎn)軸上。

銅導(dǎo)條插入轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，在傳動端和非傳動端分別與銅合金端環(huán)銅焊在一起，形成鼠籠繞組。每端轉(zhuǎn)子壓板有一個圓形槽，將平衡塊放置并緊固以保證轉(zhuǎn)子動平衡。3）軸承、端蓋兩端端蓋裝入定子機(jī)座的兩側(cè)，支撐轉(zhuǎn)子。兩端軸承分別壓入鋼質(zhì)軸承蓋內(nèi)，并在端蓋內(nèi)用螺栓固定。轉(zhuǎn)子在傳動端由深溝球軸承、非傳動端由圓柱滾子軸承支撐。軸承用潤滑脂潤滑，可通過錐形注油嘴添加潤滑脂，在兩端蓋底部均有注油孔和廢油脂腔用于收集廢油脂或過量的油脂。4.4.2 CRH400BF型動車組牽引電機(jī)2.

基本參數(shù)1）技術(shù)參數(shù)牽引功率650

kW極 數(shù)4極額定電壓2800

V定子繞組接法Y額定電流170

A冷卻風(fēng)量0.72

m3/s額定轉(zhuǎn)速4174.6

r/min絕緣等級200級額定頻率140

Hz工作

制S1額定效率95%安裝方式轉(zhuǎn)向架安裝最高轉(zhuǎn)速5810

r/min4.4.2 CRH400BF型動車組牽引電機(jī)186

kg465

kg17

kg質(zhì)量轉(zhuǎn)子定子聯(lián)軸器電機(jī)（不含電機(jī)側(cè)聯(lián)軸器） 約715

kg2）部分技術(shù)參數(shù)潤滑脂軸承（傳動端）軸承（非傳動端）軸承（傳動端）軸承（非傳動端）軸承傳動端 SKF：DIN625-6016M/P65HS0VG2211NTN：2TS2-7MC3-6016CS95PX1V10S17FAG：DIN625-6016-85/105/150/STI非傳動端

SKF：DIN5412-NU210ECM/C3HVA3091NTN：2TS2-7MC3-NU210EHSP6V5S17VFAG：DIN5412-NU210-65/80/150/STI美孚

力富SCH100100g60g30g（暫定）15g（暫定）4.4.2 CRH400BF型動車組牽引電機(jī)3.

修程和維護(hù)級別修程運(yùn)行距離/時間間隔一級修I16

000

km或48

h二級修I22×104

km或20

dM110×104

km或90

dM240×104

km或360

dM380×104

km或2

a三級修R1120×104

km或3

a四級修R2240×104

km或6

a五級修R3480×104

km或12

a電機(jī)修程4.4.2 CRH400BF型動車組牽引電機(jī)維護(hù)級別作業(yè)內(nèi)容運(yùn)營里程/時間間隔I1外觀檢查：具體內(nèi)容參見7.3.1和7.3.26

000

km或2

dI2I1所有維護(hù)作業(yè)2×104

km或20

dM1I2所有維護(hù)作業(yè)10×104

km或90

dM2給牽引電機(jī)軸承補(bǔ)充潤滑脂：傳動端軸承，非傳動端軸承每間隔20×104

kmM3M2所有維護(hù)作業(yè)每間隔20×104

kmR1電機(jī)拆解和清洗：更換軸承（傳動端），更換軸承（非傳動端），檢查定子繞組絕緣，檢查繞組電阻120×104

km或3

aR2R1所有維護(hù)作業(yè)240×10