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1、1,交流牵引电机讲座,（吴顺海） 株洲南车电机股份有限公司 2004年10月,2,交流牵引电机讲座提纲,交流牵引电机的概述 交流牵引电机设计原理 交流牵引电机结构特征 交流牵引电机制造工艺 交流牵引电机检测试验 交流牵引电机检修维护,3,交流牵引电机的概述,交流牵引电机的国内外发展状况 交流牵引电机的发展趋势 国内交流牵引电机的发展水平 国内电机主要的问题与解决的途径,4,交流牵引电机的国内外发展状况,日本新干线日本川崎、三菱、日立 德国 ICE西门子 欧洲X2000-ABB 法国TGV阿斯通 中国“中华之星”、“奥星”、“蓝箭”、“先锋号”、“中原之星”,5,西门子交流异步牵引电动机,6,西
2、门子交流异步牵引电动机,7,ABB交流异步牵引电动机,8,株洲南车交流异步牵引电动机,9,株洲南车交流异步牵引电动机,10,西门子交流异步牵引电动机,11,交流牵引电机的发展趋势,交直交异步变频 直接力矩控制 轴控和架控 动力集中和动力分散 大功率 C级绝缘、全叠片、铜条转子,12,国内交流牵引电机的发展水平,设计开发能力能够设计出高水平电机 工艺制造能力基本具备工艺制造能力 实物质量水平具备一定的水平 实际运行状况均在考核期 主要的差距电机特性的一致性 材料差异 制造工艺的分散性差异 实物过程控制的差异,13,交流牵引电机设计原理,交流电机调速的优越性 异步电动机的概念 交流电机基本运行原理
3、 交流电机调速原理 交流牵引电机设计特点 交流电机的基本特性、转矩特性,14,交流电机调速的优越性有那些？,与直流电机比，交流电机的转速范围高 与直流电机比，交流电机的单机功率更大 与直流电机比，交流电机的结构更简单 与直流电机比，交流电机的恒功范围更广 与直流电机比，交流电机的维护成本更低 但交流电机的调速比直流电机困难。,15,异步电动机的概念,异步电动机的基本工作原理是：定子通上三相交流电后，在气隙中产生以同步速旋转的磁场，该磁场切割转子导条后在转子导条中感应产生电流，带电的转子导条处于气隙旋转磁场中就要产生电动力，使转子朝定子旋转磁场的同一方向旋转。由于转子导条中的电流是因转子导条切割
4、由定子绕组产生的气隙磁场才由的，所以转子的转速只能低于气隙旋转磁场的同步转速，永远不可能达到同步，否则转子导条与气隙磁场同步旋转，转子导条不再切割磁场产生感应电流和产生电动力了，转子也不可能旋转了，所以叫按这种原理运行的电机为异步电动机。,16,什么是交流电机的旋转磁场？,在电机的定子上对称地布置有三相对称绕组，每相绕组中通入正弦交流电，单相绕组在气隙中产生一个脉振磁势（脉振磁场），脉振磁势振幅随着电流忽正忽负不停地变化。三相绕组在空间上相差120，三相绕组产生的合成磁势（磁场）就是旋转磁势（旋转磁场）。旋转磁势（旋转磁场）振幅大小不变，振幅方向沿圆周方向的旋转，所以叫旋转磁势（旋转磁场）。,
5、17,什么是交流电机的转差？什么是转差频率？什么是转差率？,异步电动机转子的实际转速与定子旋转磁场的同步转速的差值叫电动机的转速差。 通常把同步转速n1和电动机转子转速n二者之差与同步转速n1的比值叫做转差率s. 异步电动机的转差率与同步转速的频率的乘积叫电机的转差频率。,同步转速 n=,f1-定子电流频率 p-电机极对数,转差率 s=,18,什么是交流电机的等效电路图？,R1,L1,R2,L2,Lm,Rz,等效电路图是交流电机设计计算的基本数学模型。,Rm,19,异步电机的气隙、极数、相数,电机的气隙是电机定子与转子之间存在的一个间隙，通过气隙产生交变磁场，完成机电能量的转换。 交流电机的极
6、数是通过定子绕组在空间按照偶数值沿圆周平均布置而形成的磁极（NS）数。一般有2、4、6、8极。在定子绕组接线时形成。与直流电机不同的是交流电机极数与转速有关。 交流电机的相数也是通过定子绕组在空间按照一定的数值在圆周平均布置而形成的。一般有3相和6相绕组。他们按照U、V、W的顺序排列。,20,交流电机基本运行原理,当外加电压和频率一定时，由于一台电机的参数是固定不变的， 电磁转矩只是转差率的函数。,异步电动机的机械特性（M-S曲线）,21,交流电机基本运行原理,22,交流电机基本运行原理,在1s0的范围内，电机处于电动机运行状态，电磁转矩与转子转速同向。s=1为起动运行状态。,在sn1，电磁转
7、矩为负，n为正，电机处于再生制动运行状态（异步发电状态）。,在s1的范围内, 电磁转矩为正，n为负，电机也是制动状态。这种制动方式效率低，电机从电网吸收的电能及机械能均消耗在电机内部，用于特殊场合，如升降机下降。,23,交流电机基本运行原理,最大转矩：电磁转矩对转差率微分，并让dM/ds=0，简化后得,在给定电机参数及定子频率下，最大转矩与定子相电压的平方成正比。,在给定电机参数与定子相电压下，最大转矩与定子频率的平方成反比。,24,交流电机基本运行原理,最大转矩与电机能否稳定运行有关。,电机能稳定运行；,电机不能稳定运行。,起动转矩（取s=1）,25,交流电机基本运行原理,增大电机转子回路电
8、阻值，可以增大电机起动转矩。,在给定电机参数及定子频率下，起动转矩与定子相电压的平方成正比。,在给定电机电压及定子频率下，起动转矩与定转子电抗(x1+x2）成反比。,26,交流电机调速原理,已知异步电动机的转速n,由上式看出，可以从以下几个方面对异步电动机进行调速：,改变电机绕组的极对数；改变电机绕组的接法，为有级调速。,改变转差率；也叫串级调速；是在转子回路中串电阻或串入附加电势进行调速，适合绕线转子异步电动机。,27,交流电机调速原理,改变电机供电电源的频率。这是最先进也是最复杂的调速方法，这种调速方法的特点在于可实现频繁的正、反转，起、制动运行，调速范围广，调速精度高。其基本原理就是改变
9、施加到异步电动机上的供电电源的频率，而电网上的工业频率50Hz是不能改变的，因此需要一套变频装置将工频整流成直流，然后再逆变成所需频率的交流。 这种调速方法叫变频调速。,28,交流电机调速原理,恒转矩调速,当电源电压一定时，如果降低频率，则主磁通要增大。电机的主磁路一般设计时基频下略主磁通增加势必使主磁路过饱和，使励磁电流猛增，这是不允许的。为此调频时一定要调压。,有两种方法。一种是保持常数，恒磁通控制方式。,29,交流电机调速原理,电磁转矩,由于转差率很小，分母中第一项远大于第二项，故,30,交流电机调速原理,这时电机的转矩与供电频率无关，只要通过闭环系统使fr保持不变便可得恒转矩运行。,让
10、,Mmax=常数，,最大转矩处转速降落,=常数,31,交流电机调速原理,因此，不同频率的各机械特性曲线是平行的，这种调速方法与他直流电动机调压调速特性类似。,实际上采用保持,常数，这时Mmax常数，,在频率较高时，因,常数,与,常数相差不大 ，,但在频率较低时，r1相,对较大，需进行电压补偿。,32,交流电机调速原理,恒功率调速,当加速到一定转速后，电机转入恒功率控制方式。取U1E1,有两种恒功率控制方式,常数，,常数，,fr=常数，该控制方式过载能力不变,33,交流电机调速原理,由于电源电压不能无限制升高（绝缘因素），到了一定程度（额定电压），电压保持不变，产生了第二种控制方式,U1=常数，
11、s=fr/ f1 =常数,在频率从基频往高调时，主磁通要降低，相当于弱磁调速。此时kT1/f1，因此对参数一定的电机来说恒功率调速调速范围有一定限制。,34,交流电机调速原理,N=60f(1-s)/p,35,交流牵引电机设计特点,异步牵引电动机设计须特殊考虑的主要问题,异步牵引电动机采用电压型逆变器供电，恒转矩段为PWM调制波，恒功段为方波供电，因此供电电源中含有大量的电压谐波，谐波电压将在电机中产生谐波电流。,K次谐波电压在电机绕组中产生的谐波电流有效值为,36,交流牵引电机设计特点,xs，xr分别为定子基波漏抗和折算到定子的转子基波漏抗,电机绕组中总的相电流有效值为,I电机绕组中总的相电流
12、有效值,37,交流牵引电机设计特点,大量高次谐波存在使普通电机在起动时才考虑的挤流效应问题在异步牵引电动机的正常运行也必须加以考虑。挤流效应使电机电阻增加，漏抗减小，从而增大了谐波电流的幅值以及对电机的影响。,由于逆变器供电，电机绕组中存在电流谐波使电机定子电流增大，增加了电机的损耗及电机的温升，降低了电机的效率功率因数。,*逆变器供电对电机性能的影响,因此异步牵引电动机设计须特殊考虑,38,交流牵引电机设计特点,*电机变速运行的影响,对采用自通风的异步牵引电动机，需考虑电机转速降低时冷却能力降低的影响。,当恒功率运行时，需考虑转速增加时电机的过载能力减小的影响。,需考虑电机的性能对整个运行区
13、间实现最佳。,39,交流牵引电机设计特点,*电机起动特性与谐波转矩问题,异步牵引电动机采用控制转子电流不变的恒转矩方式起动。不必象普通电机那样需考虑选用起动电流小而起动转矩大的转子槽形及防止谐波转矩“卡转”的特殊定转子槽配合。,电机低频运行时，谐波转矩会产生剧烈的脉动，为了减小转矩脉动，在电机设计时应适当增大转子绕组漏感和减小转子绕组电阻。,40,交流牵引电机设计特点,*机车总体对牵引电机的要求,机车总体对牵引电机的要求应是体积小、重量轻。电机设计中要始终贯彻这一要求，使电机的有效材料得到充分利用。,异步牵引电机优于直流电机的显著特点是高转速，高转速使异步牵引电机转子的机械应力增加，因此在电机
14、设计时须充分考虑转子材料结构的选用及它对电机电磁设计的制约作用。,41,交流牵引电机设计特点,*其它问题,由于变频器供电产生的电机定子绕组防电晕以及磁路不对称及静电感应产生轴电流问题在电机绝缘结构及轴承结构的选用时应加以考虑。,电机设计时还应考虑由于机车架控、轮径差以及电机特性差别而产生的电机负荷分布不均的问题。,42,交流牵引电机设计特点,采取的措施,合理设计异步牵引电机定转子电阻电抗等参数。,为减少电机谐波电流，电机应取较大的漏电抗，但漏电抗大时电机在高速时的过载能力降低，因此应有一个合适的漏电抗值，在满足恒功率运行前提下，尽可能增大定转子漏抗。,合理选择定转子槽形,43,交流牵引电机设计
15、特点,为增大定子漏抗，定子槽形通常选用窄而深矩形槽。,转子槽形采用图示槽形以减小挤流效应的影响，并可适当增加不受挤流效应影响的槽口漏抗。,44,交流牵引电机设计特点,定子绕组采用耐电晕的FCR KAPTON薄膜导线,轴承采用绝缘轴承，以防止轴电流损伤轴承。,为防止高次谐波在转子铁心表面产生涡流损耗，转子铁心表面不加工，定转子之间的气隙冲制形成。,为减少机车架控、轮径差以及电机特性差别而产生的电机负荷分布不均的影响，设计合适的转差频率。为此采用特定电阻率的具有优异高温机械性能的铜导条。,45,交流牵引电机的特性曲线是怎样的？,效率,功率因数,转差频率,电流,电压,转矩,功率,46,特性曲线中的各
16、种参数概念,额定功率：指电动机在规定条件下正常工作时转轴上输出的机械功率。 额定电压：指电动机在额定工作状况下工作时，定子线端输入的线电压。线电压与相电压之间关系与定子绕组接法有关。 额定电流：电动机在定子绕组上加额定电压轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流。 额定频率：额定工作状况下输入交流电的频率。我国规定标准电源频率为50Hz。 功率因数：定子相电压与相电流之间的相位差的余弦值，也是电机有功功率与无功功率之比值。 效率 ：电机输出功率与输入功率之比值。 额定功率、电压、电流、效率、功率因数之间的关系：,47,牵引电机转矩特性,电机转矩 特性曲线,负载转矩 特性曲线,负载变化引起 电机转速变化,转矩,频率,0,电机转矩 特性曲线,负载转矩 特性曲线,改变频率使 电机转速不变,转矩,频率,0,电机启动转矩,电机工作转矩,电机最大转矩,48,交流牵引
