牵引电机的调速.docx

1、牵引电机的调速摘要 关键词2绪 论3第一章 牵引电机的结构4第二章 牵引电机的工作原理 9第三章 牵引电机的调速方法 12第四章 牵引电机的特性调节 18结束语24参考文献25 致谢 25摘要：本文主要针对异步电机结构、工作原理及特性的理论进行分析，从而延伸至对异步牵引电机工作原理和其特殊结构的掌握，异步牵引电机特殊结构使其具有特殊的调速方法以及各种特性控制方法，本文详细阐述了异步牵引电机的变频调速。关键词：地铁车辆 牵引电机 结构原理 调速方法 绪论 铁路干线电力机车、工矿电力机车、电力传动内燃机车和各种电动车辆上用于牵引的电机。牵引电机包括牵引电动机、牵引发电机、辅助电机等。其中牵引电动机

2、是在机车或动车上用于驱动一根或几根动轮轴的电动机。牵引电动机有多种类型，直流牵引电动机，尤其是直流串励电动机有较好调速性能和工作特性，适应机车牵引特性的需要，获得广泛应用。然而直流和脉流牵引电动机的“转向”问题，使其应用有缺陷。三相交流异步电动机结构简单，工作可靠，成本低廉，是比较理想的牵引电动机。但由于需用调速，它的发展和应用一度受到限制。因长期以来在调速领域大多采用直流电机，而交流电动机的优点在调速领域中未能得到发挥。交流电机实现调速一般有以下三种1、变极调速是通过改变电动机定子绕组的接线方式以改变电机极数实现调速，这种调速方法是有级调速，不能平滑调速，而且只适用于鼠笼电动机。2、改变电机

3、转差率调速其中有通过改变电机转子回路的电阻进行调速，此种调速方式效率不高，且不经济。其次是采用滑差调速电机进行调速，调速范围宽且能平滑调速，但这种调速装置结构复杂，滑差调速电机是在主电机转速恒定不变的情况下调节励磁实现调速的，即便输出转速很低，而主电机仍运行在额定转速，因此耗电较多，另外励磁和滑差部分也有效率问题和消耗问题。较好的转差率调速方式是串级调速。3、变频调速通过改变电机定子的供电频率，以改变电机的同步转速达到调速的目的，其调速性能优越，调速范围宽，能实现无级调速。上世纪60年代，大功率晶闸管变频装置的发展使异步电动机能够实现变频调速，同时现在各国已有较多机车和动车采用三相交流异步变频

4、牵引电动机。本文针对三相交流异步牵引电动机的结构及变频技术进行详细阐述。第一章 牵引电机的结构1 异步电机的结构图1-1三相鼠笼式异步电机的结构图1）定子：铁心:装在机座内，为一个内壁开槽的中空圆柱体，槽内嵌放定子绕组。定子铁心是电动机磁路的一部分。为减少铁心中的损耗，定子铁心用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，片间有绝缘。绕组：用绝铜线绕成，嵌放在定子铁心槽内，绕组与绕壁用绝缘材料隔开。定子绕组是电动机的电路部分，其主要作用是通过电流产生旋转磁场。机座：就是电动机的外壳，起支撑的作用，应为要求有足够的机械强度和刚度，能承受运输和运行中的作用力。2)转子：铁心：为电动机磁路的一部分，一般也由0.5

5、mm厚的硅钢片叠成。绕组：其作用是感应电动势，流过电流产生电磁转矩。笼型转子：其外形像个鼠笼，由于异步电动机的转子绕组不必由外界电源供电，因此可以自行闭合构成短路绕组。绕线转子：绕线转子绕组与定子绕线相似，也是用绝缘导线嵌于转子铁 心槽内，接成星形联结的三相对称绕组，然后将三根引出线接到装在转子端轴上的三个集电环上，用一套电刷引出。当不需要外接电阻时，可直接将三个集电环短路。2、牵引电机的结构牵引电动机的工作原理与一般直流电动机相同，但有特殊的工作条件：空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制；在机车运行通过轨缝和道岔时要承受相当大的冲击振动；大、小齿轮啮合不良时电枢上会产生强烈的扭转振动;在恶劣环境

6、中运用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牵引电动机在设计和结构上也有许多要求，如要充分利用机体内部空间使结构紧凑，要采用较高级的绝缘材料和导磁材料，零部件需有较高的机械强度和刚度，整台电机需有良好的通风散热条件和防尘防潮能力，要采取特殊的措施以应付比较困难的“换向”条件以减少炭刷下的火花等。 异步电动机控制方法复杂、运行条件恶劣，结构上有如下特点：1.1由于牵引电动运行时，需承受来自线路的强烈振动，因此需采用比普通异步电动机较大的气隙(通常为1.5-2.5mm）1.2定子槽型一般采用开口型，这样可以用成型绕组，已获得良好的绝缘性能，增加运行的可靠性。对于选用气隙较小的电动机，可在定子槽口开通风槽口

7、，这样可增加通风效果，同时可增加电机漏抗，减少谐波电流的影响。1.3定、转子铁芯冲片选用0.5mm厚的高导磁、低损耗的冷轧硅钢片，要求内、外圆同时落料，以保证气隙的均匀度。转子铁芯内孔与轴用热套固定，取消键槽配合，以满足牵引电机频繁正反启动的要求。1.4鼠笼转子的导条与端环间的连接用感应加热银铜钎焊，对于最大转速较大的牵引电动机，可在端环外侧热套非磁性护环，已增加强度和刚度。1.5采用耐热等级高厚度薄的聚酰亚胺薄膜和云母带做定子主绝缘。并通常选用c级绝缘材料做H级温升使用，以提高电机热可靠性。1.6开始使用，绝缘轴承阻止三相电流不平衡时产生的轴电流流过轴承，避免轴承受到电腐蚀，保证轴承寿命。1

8、.7为配合变频调速系统进行转速（差）闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器。1.8为适应高速列车运行需要，异步牵引电动机，大多采用远悬挂方式（或称架承式悬挂），这种悬挂方式的优点是电机的全部重量都在簧上，大大减少了冲击和振动对电机的影响。架承式电机又分为实心轴和空心轴两种传动方式。实心轴多采用中型牵引电动机，空心轴多用于电力机车用的大容量的牵引电动机，动轴两端采用齿形联轴节结构，便于拆装。以下以长春长客庞巴迪轨道车辆有限公司4EBA4040牵引电机为例介绍其结构:定子线圈： 定子线圈的绝缘依据绝缘系统 Veridur ，根据 IEC60349，符合绝缘等级 200，并包

9、括了真空压缩注入硅树脂的原理。外壳零件的绝缘度和间隙都已根据转换器中间线路电压进行了标注。该绝缘系统自1971 年以来，已被 Bombardier(ABB，BBC，Adtranz)成功采用，这也是线圈寿命高于一般标准的原因。 定子线圈包括符合当今铁路机械使用标准的预制线圈，它们由绝缘矩形侧断面的圆边铜导线缠绕，再捆扎上一根附加绝缘线圈，一并插入到与绝热箔平行的凹槽中。 定子线圈连接电路与 Y 形连接点构成无驱动端的端部绕组。所有连接都是硬焊，绝缘端部绕组交织有大量的玻璃纤维束，同样，线圈连接点及其分支都连接到线圈接线片上。在注入和硬化后，线圈耐用力会增强可排斥因冲击和短路而造成形变。电气连接：

10、 电机的连接是通过接线盒中的三个接线端子实现的。为了使接线盒外的连接电缆导电，须拧紧电缆密封件。 调节位于定子外壳侧面的温度计（配有 2 PT 100）。PT 100 配有连接线和设备插头。转子： 鼠笼式转子由发电机电片组成，其末端有两个鼠笼端环和两个用于固定层压片的转子缠绕环。转子层压片也配有用于散热的轴向通风孔。配有内螺纹的孔，用来紧固起到平衡转子作用的转子缠绕环 D 和 N的平衡锤。 经过特殊截面变形程序处理，提高热量的传输能力后，铜质短路连杆就会被敲进层压片的凹槽里。随后，层压转子芯增加了一个槽的宽度，再把连杆安装到半开放的转子凹槽中。把压紧的层压转子芯放置在发电机轴上加热成形，随后在

11、车床上按尺寸车出短路连杆并铜焊上短路环。速度测量： 电机的旋转速度和方向可通过脉冲发射机来测量，其安装在齿轮箱的传动装置上，型号为 DSD1820.11PHw，制造商为 Jaquet。电机温度监测： 电机温度是通过两个冗余设计的 PT-100 温度监控器测量，其位于排气孔侧的定子缠绕环上。电机的防腐保护: 电机表面覆盖了一层由两种成份构成的氧化材料底漆，中间喷涂和最外层饰面材料为含有带两种成份的聚亚安酯清漆。固定轴承： （圆柱形滚筒轴承NUP215）安装在端板上DE侧，活动式轴承（圆柱形滚筒轴承NUP210）位于端板上的nDE侧。用重新润滑的方式来处理就的润滑剂，其目的是避免形成空隙。电机支座

12、 转向架上的电机支座由三个压入电机支座的弹性支撑组成。电机采用自通风并配有空气过滤器和消音器。第二章 三相异步牵引电机的工作原理1、异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。 当异步电动机的三相对称定子绕组接到三相对称电源时，三相定子绕组中便有三相对称电流通过，它们将在电动机的气隙中共同产生一个旋转磁场，磁场以n=0转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子感应电动势。 因为转子绕组是短路的，所以在感应电动势的作用下转子导体内便有电流流过。通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力。而载流在导体磁场中要受到电磁力的作用，由电磁力产生的电磁转矩作用在电动机的转子上，将使转子顺着寻

13、转磁场旋转的方向转动起来。 电磁力使转子绕组以转速n旋转，方向与磁场旋转方向相同旋转 磁场产生。 2、旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。交变磁场应满足： 在空间位置上互差2/3 rad电度角。这一点，由定子三相绕组 的布置来保证。 在时间上互差2/3 rad相位角（或1/3周期）。这一点，由通入 的三相交变电流来保证。3、三相异步电动机作为电动机运行 三相电流流入三相定子绕组， 产生旋转磁势，并在气隙中产生相应的旋转磁场。旋转磁场也是以同步转速n0在旋转。当异步电机作为电动机运行时，为了克服负载的阻力转矩，三相异步电动机的转速n总是略低于同步转速n1，以便气隙中的旋转磁场能够切割转子导体

14、而在其中产生感应电动势和感应电流，从而能够产生足够的电磁转矩来拖动转子旋转。如果转子转速与同步转速相等，转向又相同，则气隙旋转磁场与转子导体间没有相对运动，因而转子导体中不会产生感应电动势和电流，电机的电磁转矩也将为零。 产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。因此，转子的转速n必须低于定子磁场的转速n0，两者之差称为转差率：假设n=n1，则转差率是s=0，此时转子的导体不切割旋转磁场，转子中就没有感应电动势及电流，也不产生电磁转矩。 可见，作为电动机运行时，转速n在0n1的范围内变化，而转差率则在10的范围内变化。 nn0n转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：

15、 sn/n0 式2-1同步转速n0由下式决定： n060f/p式中，f为输入电流的频率，p为旋转磁场的极对数。由此可得转子的转速n60f（1s）/p 式2-24、三相异步电动机的运行特性曲线异步电动机的作用是把电能转换成机械能，在生产机械上反映出的物理量主要是转矩和转速。转速特性：三相异步电动机在额定电压及额定频率下，输出功率p2变化时，转矩n的变化规律曲线n=f（p2）称为转速特性。由图可以看出随着负载的增大，转差率s也增大，即转速n稍有下降。在额定负载时的转差率约为sn=0.010.07，这表明额定转速仅比同步转速低1%7%。转矩特性:三相异步电动机在额定电压及额定频率下，输出功率p2变化

16、时，电磁转矩T变化规律曲线T=f（p2）称为转矩特性。转矩特性T=f（P2）是一条比直线略有上翘的曲线，随着p2的增加，电动机的转速略有下降。定子电流特性：三相异步电动机在额定电压及额定频率下，输出功率p2变化时，定子电流I1变化规律曲线T=f（p2）称为定子电流特性。当负载增加以后，输出功率增大，转子转速下降，转子电流增加，以产生足够的电磁转矩与负载转矩相平衡，通过电磁感应关系，定子电流也随着增加，输入功率增大，从而满足功率平衡方程的要求。功率因数特性：三相异步电动机在额定电压及额定频率下，输出功率p2变化时，定子功率因数cos变化规律曲线cos=称为功率因数特性。空载运行时功率因数很低，通

17、常为cos0.2。加上负载后，由于输出一定的机械功率，因此，定子电流中有功份量增加，电动机的功率因数逐渐提高。效率特性：三相异步电动机在额定电压及额定频率下，输出功率p2变化时，效率的变化规律曲线=称为功率因数特性。三相异步电动机的效率为输出功率与输入功率之比。见式2-3、空载时，输出功率p2，故=0.随着负载的增大，输出功率逐步增大，效率也相应增大。式2-3 图2-4第三章 牵引电机的调速方法指当负载不变时，利用人工的方法改变转子的转速。它与电动机自动适应负载变化而改变转速不同。异步电动机的转速公式3-1：1变极调速：就是改变电动机定子绕子的极对数p来调速。从式3-1可见，如果电源频率固定不

18、变，只要改变定子绕组的极对数p，则同步转速和转子转速n也会随着改变。而且，电机的同步转速与级数对p成反比变化，例如当=50HZ时，把极对数从p=1变到p=2，得到的同步转速将为n1=3000r/min两种。 变极调速的异步电动机一般采用鼠笼式转子，因为鼠笼式转子的极对数能自动地随着定子极对数的改变而改变，转子磁场的极对数总是相等而产生平均电磁转矩。 变极调速的常用方法是在定子上只装一套绕组，而利用改变绕组接法来获得两种或多种极对数，称为绕组变极。 变极调速的优点是:设备简单，运行可靠。 变极调速的缺点是：不平滑调速，而是一级一级的分段调速。2 变转差率调速：就是改变电动机的转差率s来调速的。当

19、恒转矩负载调速时，从电磁转矩关系式4-2可见，改变转差率s有下面几种方法：电磁转矩计算公式3-2：P极对数 电动机相电压 定子频率 定子绕组的电阻和电抗 转子绕组的折算电阻和电抗由式3-2可知： (1)在转子回路中串入电阻，电感，电容，以及改变。(转子变电阻调速) (2)改变定子绕组端电压。(定子调压调速) (3)在定子回路串入外加电阻或电抗，以改变。(串极调速)(4)(电磁转差离合器调速) 异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。这一方法的缺点是：转子回路中接入附加电阻后，将使转子铜耗增加，降低电动机效率。但由于此法比

20、较简单，在中小容量的电动机中用得比较多。3、牵引电机的变频调速由前面的分析可以知道，对异步电动机而言，用变级调速少，且不能平滑调速；用转子回路串联电阻改变转差率s调速则损耗较大。在后面我们着重阐述引电机的变频调速优点，方法及原理。交流变频调速系统一般由三相交流异步电动机、变频器及控制器组成，它与直流调速系统相比具有以下显著优点： （1）异步电动机比直流电动机结构简单，重量轻，价格低，它没有换向器，运行可靠； （）控制电路比直流调速系统简单，易于维护； （）变频调速系统调速范围宽，能平滑调速，其调速静态精度及动态品质好，而且节能显著，是目前世界公认的交流电动机的最理想、最有前途的调速技术，因而在

21、国际上获得了广泛的应用。3.1变频器与逆变器、斩波器 变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置（DCAC变换）。将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器（DCDC变换）。变压变频调速（VVVF）在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由 TMKTMCOS 式3-3 (式3-3中TM：电磁转矩，M：

22、主磁通，I2 ：转子电流，COS：转子回路功率因素，KT ：比例系数)电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电机。 因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（Variable Voltage，简称VV）变频（Variable Frequency，简称VF）器，即VVVF。所以，通常也把这种变频器叫作VVVF装置或VVVF。根据异步电动机的控制方

23、式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（V/F）控制变频调速、矢量控制（FOC）变频调速、直接转矩控制变频调速等。3.2变频器分类从变频器主电路的结构形式上可分为交直交变频器和交交变频器。交直交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电路将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交直交变频器主电路结构如下图。 交交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直流环节，又称为周波变换器。它的基本结构如下图所示。 常用的交交变频器输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反向两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0。输出电压u0的

24、幅值决定于各组整流装置的控制角，输出电压u0的频率决定于两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，要的到正弦波输出，就在每一组整流器导通期间不断改变其控制角。对于三相负载，交交变频器其他两相也各用一套反并联的可逆线路，输出平均电压相位依次相差。交交变频器由其控制方式决定了它的最高输出频率只能达到电源频率的75%80%，不能高速运行，这是它的主要缺点。但由于没有中间环节，不需换流，提高了变频效率，并能实现四象限运行，因而多用于低速大功率系统中，如回转窑、轧钢机等。从变频电源的性质上看，可分为电压型变频器和电流型变频器。 对交直交变频器，电压型变频器与电流型变频器的主要区别

25、在于中间直流环节采用什么样的滤波器。 电压型变频器的主电路典型形式如下图3-4。在电路中中间直流环节采用大电容滤波，直流电压波形比较平直，使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响，而基本保持恒定，类似于电压源，因而称之为电压型变频器。图3-4 电压型变频器逆变输出的交流电压为矩形波或阶梯波，而电流的波形经过电动机负载滤波后接近于正弦波，但有较大的谐波分量。由于电压型变频器是作为电压源向交流电动机提供交流电功率，所以主要优点是运行几乎不受负载的功率因素或换流的影响；缺点是当负载出现短路或在变频器运行状态下投入负载，都易出现过电流，必须在极短的时间内施加保护措施。 电流型变频器与电压型变频器在主

26、电路结构上基本相似，所不同的是电流型变频器的中间直流环节采用大电感滤波，见下图，直流电流波形比较平直，使施加于负载上的电流值稳定不变，基本不受负载的影响，其特性类似于电流源，所以称之为电流型变频器。 图3-5电流型变频器逆变输出的交流电流为矩形波或阶梯波，当负载为异步电动机时，电压波形接近于正弦波。电流型变频器的整流部分一般采用相控整流，或直流斩波，通过改变直流电压来控制直流电流，构成可调的直流电源，达到控制输出的目的。电流型变频器由于电流的可控性较好，可以限制因逆变装置换流失败或负载短路等引起的过电流，保护的可靠性较高，所以多用于要求频繁加减速或四象限运行的场合。一般的交交变频器虽然没有滤波

27、电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压型变频器。也有的交交变频器用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，属于电流型变频器。交直交变频器根据VVVF调制技术不同，分为PAM和PWM两种。PAM是把VV和VF分开完成的，称为脉冲幅值调制（Pulse Amplitude Modulation）方式，简称PAM方式。PAM调制方式又有两种：一种是调压采用可控整流，即把交流电整流为直流电的同时进行相控整流调压，调频采用三相六拍逆变器，这种方式结构简单，控制方便，但由于输入环节采用晶闸管可控整流器，当电压调得较低时，电网端功率因素较低，而输出环节采用晶闸管组成的三相六

28、拍逆变器，每周换相六次，输出的谐波较大。其基本结构见图a；另一种是采用不控整流、斩波调压，即整流环节采用二极管不控整流，只整流不调压，再单独设置PWM斩波器，用脉宽调压，调频仍采用三相六拍逆变器，这种方式虽然多了一个环节，但调压时输入功率因素不变，克服了上面那种方式中输入功率因数低的缺点。而其输出逆变环节未变，仍有谐波较大的问题。其基本结构见图b。PWM是将VV与VF集中于逆变器一起来完成的，称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）方式，简称PWM方式。PWM调制方式采用不控整流，则输入功率因素不变，用PWM逆变同时进行调压和调频，则输出谐波可以减少。其基本结构见图c。

29、 在VVVF调制技术发展的早期均采用PAM方式，这是由于当时的半导体器件是普通晶闸管等半控型器件，其开关频率不高，所以逆变器输出的交流电压波形只能是方波。而要使方波电压的有效值随输出频率的变化而改变，只能靠改变方波的幅值，即只能靠前面的环节改变中间直流电压的大小。随着全控型快速半导体开关器件BJT、IGBT、GTO等的发展，才逐渐发展为PWM方式。由于PWM方式具有输入功率因数高、输出谐波少的优点，因此在中小功率的变频器中，几乎全部采用PWM方式，但由于大功率、高电压的全控型开关器件的价格还较昂贵，所以为降低成本，在数百千瓦以上的大功率变频器中，有时仍需要使用以普通晶闸管为开关器件的PAM方式。 第四章 牵引电机的特性调节前面讲在进行电机调速时，为保持电动机的磁通恒定，需要对电机的电压与频率进行协调控制。那么应该怎样对电机的电压与频率进行协调控制呢？对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。基频，即基本频率f 1，是变频器对电动机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线，应按电动机的额定电压（指额定输出电压，是变频器输出电压中的最大值，通常它总是和输入电压相等）进