交流牵引电机讲座(wu)课件.ppt
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1、 异步电动机的基本工作原理是:定子通上三相交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由定子绕组产生的气隙磁场的电流是因转子导条切割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才由的,
2、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。种原理运行的电机为异步电动机。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。同步转速同步转速
3、n=n=p p1 16 60 0f ff f1 1-定子电流频率定子电流频率 p-p-电机极对数电机极对数 转差率转差率 s=s=11nnn R1L1R2L2LmRz等效电路图是交流电机设计计算的基本数学模型。Rm在定子绕组接线时形成。与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。直流电机不同的是交流电机极数与转速有关。2211221112211/2xcxsrcrfsrpUmM当外加电压和频率一定时,由于一台电机的参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,数是固定不变的,电磁转矩只是转差率的函数。电磁转矩只是转差率的函数。异步电动机的机械特性异步电动机的机械
4、特性(M-SM-S曲线曲线)在在11s0s0的范围内,电机处于电动机运行状的范围内,电机处于电动机运行状态,电磁转矩与转子转速同向。态,电磁转矩与转子转速同向。s=1s=1为起动运为起动运行状态。行状态。在在s0snnn1 1,电磁转矩为负,电磁转矩为负,n n为正,电机处于再生制为正,电机处于再生制动运行状态(异步发电状态)。动运行状态(异步发电状态)。在在s1s1的范围内的范围内,电磁转矩为正,电磁转矩为正,n n为负,电为负,电机也是制动状态。这种制动方式效率低,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机从电网吸收的电能及机械能均消耗在电机内部,用于
5、特殊场合,如升降机下降。内部,用于特殊场合,如升降机下降。最大转矩:电磁转矩对转差率微分,并让最大转矩:电磁转矩对转差率微分,并让dMdM/dsds=0=0,简化后得简化后得 211211max221xxfpUmM在给定电机参数及定子频率下,最大转矩与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。与定子频率的平方成反比。最大转矩与电机能否稳定运行有关。最大转矩与电机能否稳定运行有关。dsdMdsdML电机能稳定运行;电机能稳定运行;dsdMdsdML电机不能
6、稳定运行。电机不能稳定运行。起动转矩(取起动转矩(取s=1s=1)22112211122112xcxrcrfrpUmMst增大电机转子回路电阻值,可以增大增大电机转子回路电阻值,可以增大电机起动转矩。电机起动转矩。在给定电机参数及定子频率下,起动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。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,起动在给定电机电压及定子频率下,起动转矩与定转子电抗转矩与定转子电抗(x x1 1+x+x2 2)成反比。成反比。已知异步电动机的转速已知异步电动机的转速n n pf60s1ns1n11由上式看出,可以从以下几个方面对异步电动机由上式
7、看出,可以从以下几个方面对异步电动机进行调速:进行调速:改变电机绕组的极对数;改变电机绕组的接法,改变电机绕组的极对数;改变电机绕组的接法,为有级调速。为有级调速。改变转差率;也叫串级调速;是在转子回路中串改变转差率;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,适合绕线转子异电阻或串入附加电势进行调速,适合绕线转子异步电动机。步电动机。改变电机供电电源的频率。这是最先进也是最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,调速范实现频繁的正、反转,起、制动运行,调速范围广,调
8、速精度高。其基本原理就是改变施加围广,调速精度高。其基本原理就是改变施加到异步电动机上的供电电源的频率,而电网上到异步电动机上的供电电源的频率,而电网上的工业频率的工业频率5050HzHz是不能改变的,因此需要一套是不能改变的,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。需频率的交流。这种调速方法叫变频调速。这种调速方法叫变频调速。恒转矩调速恒转矩调速 m1dp1111kWf44.4EU当电源电压一定时,如果降低频率,则主磁通要当电源电压一定时,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大。电机的主磁路一般
9、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。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,恒磁通控制有两种方法。一种是保持常数,恒磁通控制方式。方式。电磁转矩电磁转矩 222221111122211Mrxssr1fE2pfm60/n2srImPM由于转差率很小,分母中第一项远大于第二由于转差率很小,分母中第一项远大于第二项,故项,故2r2111212111rf)fE(2pmrsf)fE(2pmM这时电机的转矩与供电频率无关,只要通过这时电机的转矩与供电频率无关,只要通过闭环系统使闭环系
10、统使f fr r保持不变便可得恒转矩运行。保持不变便可得恒转矩运行。让让0dsdMM Mmaxmax=常数,常数,最大转矩处最大转矩处转速降落转速降落 P60L2rn22m=常数常数 因此,不同频率的各机械特性曲线是平行的,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这种调速方法与他直流电动机调压调速特性类似。似。实际上采用保持实际上采用保持 11f/U常数,这时常数,这时M Mmaxmax常数,常数,)xx(r211在频率较高时,因在频率较高时,因11f/U常数常数与与11f/E常数相差不大常数相差不大 ,但在频率较低时,但在频率较低时,r r1 1相相对
11、较大,需进行电压补偿。对较大,需进行电压补偿。恒功率调速恒功率调速 当加速到一定转速后,电机转入恒功率控制方当加速到一定转速后,电机转入恒功率控制方式。取式。取U U1 1EE1 1 2r2111212111rf)fU(2pmrsf)fE(2pmM有两种恒功率控制方式有两种恒功率控制方式11f/U常数常数,常数,常数,f fr r=常数,该控制方式过载能力不变常数,该控制方式过载能力不变 2121maxfUMrTf1k由于电源电压不能无限制升高(绝缘因素),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,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
12、式产生了第二种控制方式U U1 1=常数,常数,s=s=f fr r/f/f1 1=常数常数 在频率从基频往高调时,主磁通要降低,在频率从基频往高调时,主磁通要降低,相当于弱磁调速。此时相当于弱磁调速。此时k kT T1/f1/f1 1,因此对因此对参数一定的电机来说恒功率调速调速范围参数一定的电机来说恒功率调速调速范围有一定限制。有一定限制。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,恒异步牵引电动机采用电压型逆变器供电,恒转矩段为转矩段为PWMPWM调制波,恒功段为方波供电,因调制波,恒功段为方波供电,因此供电电源中含有
13、大量的电压谐波,谐波电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。压将在电机中产生谐波电流。K K次谐波电压在电机绕组中产生的谐波电流有次谐波电压在电机绕组中产生的谐波电流有效值为效值为 rs21rskkxxkUxxkUIx xs s,x xr r分别为定子基波漏抗和折算到定子的分别为定子基波漏抗和折算到定子的转子基波漏抗转子基波漏抗电机绕组中总的相电流有效值为电机绕组中总的相电流有效值为 7,5k2k21IIII I电机绕组中总的相电流有效值电机绕组中总的相电流有效值 大量高次谐波存在使普通电机在起动时才考虑的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
14、引电动机的正常运行也必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小,从而增大了谐波电流的幅值以及对电机的影响。响。由于逆变器供电由于逆变器供电,电机绕组中存在电流谐波使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升,降低了电机的效率功率因数。*逆变器供电对电机逆变器供电对电机性能性能的影响的影响 因此异步牵引电动机设计须特殊考虑因此异步牵引电动机设计须特殊考虑*电机变速运行的
15、影响电机变速运行的影响 对对采用采用自自通风通风的的异步牵引电动机,异步牵引电动机,需需考虑电考虑电机转速降低时冷却能力降低机转速降低时冷却能力降低的影响的影响。当恒功率运行时,当恒功率运行时,需需考虑转速增加时电机的考虑转速增加时电机的过载能力减小过载能力减小的影响的影响。需需考虑电机的性能对整个运行区间实现最佳。考虑电机的性能对整个运行区间实现最佳。*电机起动特性与谐波转矩问题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转矩方式起动。不必象普通电机那样需考虑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
16、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防止谐波转矩“卡转卡转”的特殊定转子槽配合。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。当增大转子绕组漏感和减小转子绕组电阻。*机车总体对牵引电机的要求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。电机的有效材料得到充分利用
17、。异步牵引电机优于直流电机的显著特点是高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,因此在电机设计时须充分考虑转子力增加,因此在电机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材料结构的选用及它对电机电磁设计的制约作用。作用。*其它问题其它问题 由于变频器供电产生的电机定子绕组防电晕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在电机绝缘结构及轴承结构的选用时应加以考虑。考虑。电机设计时还应考虑由于
18、机车架控电机设计时还应考虑由于机车架控、轮径差轮径差以及电机特性差别而产生的电机负荷分布不以及电机特性差别而产生的电机负荷分布不均的问题。均的问题。采取的措施采取的措施 合理设计异步牵引电机定转子电阻电抗等参合理设计异步牵引电机定转子电阻电抗等参数。数。为减少电机谐波电流,电机应取较大的漏电抗为减少电机谐波电流,电机应取较大的漏电抗,但,但漏电抗大时电机在高速时的过载能力降低,漏电抗大时电机在高速时的过载能力降低,因此应因此应有一个合适的有一个合适的漏电抗漏电抗值,在满足恒功率运行前提下,值,在满足恒功率运行前提下,尽可能增大定转子尽可能增大定转子漏抗漏抗。合理选择定转子槽形合理选择定转子槽形
19、为增大定子漏抗,定子槽形通常选用窄而深为增大定子漏抗,定子槽形通常选用窄而深矩形槽。矩形槽。转子槽形采用图示槽形以减小挤流效应的影响,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并可适当增加不受挤流效应影响的槽口漏抗。定子绕组定子绕组采用耐采用耐电晕的电晕的FCR KAPTONFCR KAPTON薄膜导线薄膜导线 轴承轴承采用采用绝缘轴承,以防止轴电流损伤轴承。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,定转子之间的气耗,转子铁心表面不加工,定转子之间的气隙冲制形成。隙冲
20、制形成。为减少机车架控为减少机车架控、轮径差以及电机特性差别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。优异高温机械性能的铜导条。效率功率因数转差频率电流电压转矩功率额定功率: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
21、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:n nn nn nn nn ncoscos I IU U3 3P P为了在发生严重损害前,检查和排出可能的为了在发生严重损害前,检查和排出可能的错误操作,应进行定期的,仔细的维护保养错误操作,应进行定期的,仔细的维护保养工作。最终的维护周期长短应根据初期操作工作。最终的维护周期长短应根据初期操作阶段的经验而定。阶段的经验而定。交流牵引电机的检查维护周期分成三类:交流牵引电机的检查维护周期
22、分成三类:u一般性日常检查与维护一般性日常检查与维护u周期性检查与维护周期性检查与维护u长期区段性的检修长期区段性的检修http:/维护:维护:维护周期维护周期 电机轴承必须每电机轴承必须每100100,000km000km就润滑一次就润滑一次 齿轮箱油必须每齿轮箱油必须每100100,000km000km就更换一次就更换一次 在机车运行里程达到在机车运行里程达到500,000km也应进行以上操作。也应进行以上操作。该维护时间间隔是以机车年运行里程为该维护时间间隔是以机车年运行里程为100100,000km 000km 橡胶部件的预期寿命为橡胶部件的预期寿命为5 5年,不光与运行距离有关,还与
23、存放时间有关年,不光与运行距离有关,还与存放时间有关 由于轴承装置在长里程和高强度下缓慢磨损,为了保障维护周期的有由于轴承装置在长里程和高强度下缓慢磨损,为了保障维护周期的有效性,至少在机车运行里程达到效性,至少在机车运行里程达到200200,000km000km时应对轴承、齿轮牙形和时应对轴承、齿轮牙形和绕组进行检查。绕组进行检查。http:/维护维护只有在进行以上评估的基础上,维护时间间隔和维护工作才有效。只有在进行以上评估的基础上,维护时间间隔和维护工作才有效。在以上检查的基础之上进一步检验后才能确定具体驱动系统的润滑在以上检查的基础之上进一步检验后才能确定具体驱动系统的润滑时间间隔。时
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