《电力牵引传动与控制》

1第二章电力牵引交-直传动与控制主要内容：直流牵引电动机交流牵引发电机内燃机车恒功调速系统传动装置参数电力机车传动与控制系统黏着控制与主电路保护电阻制动2第二章电力牵引交-直传动与控制一、直流牵引电动机1.电机工作原理与结构2.基本方程3.工作特性与牵引性能分析4.速度调节5.绕组结构*6.电枢反应与换向*3一、直流牵引电动机1.直流电机工作原理与结构①单线圈电机模型：磁极，导体，换向片（器），电刷，转轴等图2-1a直流电机工作原理4直流电动机的工作原理图2-1b直流电机工作原理5②导体所受电磁力大小：fx=Bx·L·Is方向：左手定则判定旋转导体感应电势大小：es=Bx·L·V方向：右手定则判定（式中：Bx为导体所处位置的磁通密度；L为导体有效长度；V为导体线速度；Is为导体电流）③换向片的作用：对转动导体中的电流进行换向，使导体所受电磁力矩方向恒定；换接转动导体中的感应电势，使电刷两端电势方向保持恒定。④*电机可逆原理：在一定的外部条件下，（直流或交流）电机能量转换的方向可以改变。6直流电机工作原理7直流电机可逆工作原理8⑤多线圈直流电机线圈数目增加换向片数目相应增加。电磁转矩和电刷两端电势脉动减小，趋向平稳。图2-2八线圈直流电机示意图实际直流电机：可以有数对磁极，由励磁绕组通以励磁电流形成磁场。转动导体有多个线圈，线圈两有效边相距约一个极距，嵌放在转子铁芯槽内，并通过换向片和电刷的连接作用，构成数条并联支路。9⑥直流电机的分类—励磁方式按励磁方式分类：他励，并励，串励，复励。10直流电机的结构示意图11⑦直流电机的结构定子：主磁极和主极线圈，换向极和换向极线圈，机座，电刷装置，端盖及轴承等（静止部分）转子：转子铁芯，电枢绕组（线圈），换向器，转轴等（旋转部分）12电机结构图13转子的结构转轴、电枢铁心、电枢绕组换向器1415直流电机的结构162.直流电机基本方程电枢感应电势：Es=CeΦsn（v）（2-1）电枢电磁力矩：M=CmΦsIs（N·m）（2-2）式中：n电机转速（r/m）Φs每极下磁通量（wb)Is电机电枢电流（A）Ce=pN/60a（电机电势常数）Cm=pN/2πa（电机扭矩常数）p极对数；a电枢绕组并联支路对数；N电枢绕组有效导体总数。①感应电势和电磁力矩17②电势平衡方程以串励电动机为例：Us=Es+IsRs+Ls（2-3）稳态时有：Us=Es+IsRs（2-4）式中：Us电机端电压；Rs电枢回路总电阻；Ls电枢回路总电感。tIsdd18③转矩平衡方程式转矩方程：M=Mz+Mo+J（2-5）稳态时有：M=Mz+Mo（2-6）式中：M电磁转矩；Mz负载阻力矩；Mo电机空载阻力矩；ω电机角速度；J电机与负载等效转动惯量。dtd19电机转矩电机扭矩常数Cm④能量（功率）平衡方程电磁功率=机械功率由（2-4）式可得：UsIs=EsIs+Is²Rs（2-7a）输入电功率=电磁功率+电机内铜(电阻)损耗EsIs=（CeΦsn）*Is=（pN/60a）*（60ω/2π）*ΦsIs=（pN/2πa）*ΦsIsω=（CmΦsIs）ω=Mω（2-7b）Mω=Mzω+Moω（2-8）机械功率=负载功率+电机空载损耗20UsIsEsIs=Mω铜损铁损空载机械摩擦损耗MZωMoω输出机械功率输入电功率图2-8直流电动机功率流图Is²Rs直流电动机功率流图（第2讲）213.直流电动机的工作特性转速特性：n=f（Is）转矩特性：M=f（Is）机械特性：n=f（M）条件：不对电源电压和励磁电流进行人为调节。22①转速特性n=f（Is）由（2-1）和（2-4）式可得：n=(Us-IsRs)/(CeΦs)=Us/(CeΦs)-IsRs/(CeΦs)（2-9）他励电机：Φs≈const.n=no-kIs------（硬特性）串励电机：Φs≈k’Is（磁路未饱和时）n=a/Is-b------（软特性）其中no=Us/(CeΦs)；k，k’，a，b为常数。23②转矩特性M=f（Is）他励电机：M=CmΦsIs=kIs（2-10）串励电机（磁路未饱和时Φs与Is成正比）故有：M=CmΦsIs=k’Is²（2-11）24③机械特性n=f（M）n=(Us-IsRs)/(CeΦs)=Us/(CeΦs)-MRs/(CeCmΦs²)（2-12）25直流电动机特性26直流电动机的稳态工作点稳态时：M=Mz+Mo≈Mz27牵引电动机—负载系统稳定运行条件？哪一种直流电动机更适合于作机车牵引？思考：28a)牵引特性机械稳定性分析稳定性条件：式中：Wo和F分别为负载阻力和电机牵引力直流牵引电动机（除差复励外）的特性曲线都具有负斜率，均满足列车牵引时的机械稳定性条件。④直流电动机牵引特性分析与比较dVdWdVdF0特性F1：稳定特性F2：不稳定29b)牵引特性电气稳定性分析由（2-3）电机电势平衡方程式有：Ls(dIs/dt)=Us–(Es+IsRs)式中：Es=CeΦsn电机电枢反电势；Is电机电枢电流；Us电机输入端电压；Rs电枢回路总电阻；Ls电枢回路总电感。设Us为恒定，当负载扰动引起∆Is时，电机系统中Ls(dIs/dt)的符号应与∆Is相反，从而使电机恢复到原来的平衡状态。----电气稳定性条件特性1：稳定特性2：不稳定30串励和他励电动机牵引特性电气稳定性一般情况下，串励和他励电动机具有电气稳定性。但他励电机稳定余量较小，对于无补偿绕组的电机，由于电枢反应的去磁作用，在大电枢电流时，有可能进入不稳定状态（B点）。31c)多台牵引电动机并联工作时，负载分配性能分析比较当多台牵引电动机并联工作、电机特性有差异时，串励电机比他励电机负载分配不均匀程度要小得多。32同一台机车动轮直径有差异时，采用串励牵引电动机比他励电机负载分配均匀。33d)输入电压波动对电机电流和牵引力的影响分析当外加电压突变时，由于他励电动机励磁不变，电枢反电势不能及时增加，将使过渡过程开始阶段电枢电流冲击过大，串励电机电流冲击要小得多。34e)牵引电动机功率利用分析比较串励牵引电动机具有软特性，转速随转矩的增大而自动降低，故串励电动机的功率变化比他励牵引电动机要小，接近恒功率曲线，可以更合理地利用与牵引功率有关的电器设备容量。35f)粘着性能分析比较---空转发生与空转速度36由上图所示的牵引电动机特性与空转的关系可知，串励电动机由于特性较软，空转发生后的稳定滑动速度V4高于他励电动机的稳定滑动速度V3。从粘着重量的利用观点出发，他励牵引电动机优于串励牵引电动机（第3讲）374.直流电动机速度调节由（2-9）式：n=(Us-IsRs)/(CeΦs)改变Rs，Us，Φs均可调速，但后两者才是经济的调速方法。可分别通过改变Us或Φs调速，两者独立。①改变Us调速n2/n1≈Us2/Us1（2-13）（假定IsRs≈0时）3839②改变Φs调速（磁场削弱调速）根据电机转速公式，可得调速前后转速比为：近似有：n2/n1≈Φs1/Φs2（2-15）)142(s1s2ss2sss1ss2ess2ss1ess1s21ΦΦRIURIUΦCRIUΦCRIUnn4041思考：恒功率控制条件下，牵引电动机磁场削弱前后的工作状态如何变化？42恒功率（PF=const.）条件下的磁场削弱调速由于磁场削弱瞬间，n不变，故M亦不变，电流和磁通满足：M=CmΦs1Is1=CmΦs2Is2Is1/Is2=Φs2/Φs1结果：a.磁场削弱后瞬间电机电枢电流增大,电压减小（恒功控制系统作用）；b.根据扭矩平衡方程可知，若外界阻力Mz不变且电磁力矩M与Mz已处于平衡状态，则电机转速将保持不变。但若在MzM时进行磁场削弱，则电机转速可增大，机车速度增加。43恒功磁场削弱调速过程及优缺点分析经济调速，可重复使用主发电机的恒功曲线，扩大机车恒功调速比。使牵引电动机换向条件恶化，运行可靠性降低。445.直流电机绕组结构*单迭绕组为例：绕组元件：一匝或多匝的线圈。极距τ：在电枢表面上相邻异性磁极中心线之间的距离。可用总槽数Z和极对数p表示为：τ=Z/2p(2-16)45单迭绕组结构绕组元件数S与换向器的换向片数H因每个元件的两端分别接到两个换向片上，而每一个换向片和两个元件相连接，故有：S=H(2-17)第一节距Y1元件两有效边在电枢表面的距离，用所跨的槽数表示。Y1=Z/2p±ε=整数（0≤ε1）(2-18)根据直流电机原理，应使：Y1≈τ换向片节距YH元件首尾两端所连接的两个换向片在换向器表面的距离，用所跨过的换向片数表示。单迭绕组：YH=±1(2-19)并联支路数2a及电刷位置单迭绕组并联支路数：2a=2p(2-20)电刷位置：应使两电刷之间能得到最大电动势---磁极中心线上46直流电机的绕组结构（第4讲）47注：图中所示方向为感应电势方向例：四极直流电机绕组2p=4Z=S=H=16τ=Z/2p=16/4=4YH=+1Y1=Z/2p±ε=16/4±0=448绕组16个元件通过换向器连接成闭合环路：49通过电刷与换向器接触将16个元件对称分割成四条并联支路：5051ZQDR-410直流牵引电动机总槽数（实槽数）Z=50S=H=2002p=4Y1=Z/2p-ε=50/4-2/4=12YH=1每个槽内嵌放4个元件(4对元件边)（第5讲）526.直流电机电枢反应与换向问题*①电枢反应电枢电流磁场对主极磁场的影响。电枢反应的结果：电机气隙合成磁场发生畸变，主极极面下有一半磁通密度增加，另一半减少，物理中性线与几何中心线不再重合。----换向器片间电压升高，换向元件中不平衡电势增加，电机换向条件恶化。电机气隙合成磁场被削弱，因磁路饱和引起的去磁作用影响转速和转矩。53两极电机中电枢电流磁场对主极磁场的影响54电枢反应xB0axBxB主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线55②直流电机换向问题A.换向及换向过程旋转的电枢元件从一条并联支路经过电刷进入另一条支路时，该元件中电流从一个方向变为另一个方向，这种电流方向的改变称为换向。这一过程称为换向过程。565758B.换向元件中的不平衡电势和附加电流∑e=er+es+eh（2-21）Δi=∑e/rh（2-22）式中：er电抗（自感和互感）电势，与Is和n成正比；es电枢反应电势，与Is和n成正比；eh换向电势，亦应与Is和n成正比；rh换向元件闭合回路总电阻。不平衡电势引起的附加电流Δi是造成换向问题的主要原因！59C.改善换向的措施（电磁方面）a)减小换向元件中的合成不平衡电势∑e换向极正确安装；换向极励磁电流必须与电枢绕组串联；换向极磁路不饱和（采用第二气隙）等。b)增加换向回路中的电阻rh选用接触电阻和电阻系数较大的电刷；采用分裂式电刷等。60第二章电力牵引交-直传动与控制二﹑同步交流牵引发电机同步交流牵引发电机工作原理等效电路与电势矢量图同步发电机工作特性同步发电机电枢三相绕组*61二﹑同步交流牵引发电机1.同步交流牵引发电机工作原理①基本组成与结构转子（磁极（励磁绕组和铁芯），滑环，转轴等）定子（三相绕组，机座，电刷，轴承等）----电枢62②三相正弦交流电势转子磁极下气隙磁密按正弦分布：Bx=B1Sinx（2-23）定子导体电势：e1d=BxLV=√2E1dSinωt（2-24）定子电势频率：f=pn/60（2-25）63同步交流牵引发电机工作原理定子每相电势（有效值）：E1=√2πWKrzΦ1f（2-26）式中：W为每相绕组串联总匝数；Krz绕组系数；Φ1每极磁通量；642.等效电路与电势矢量图E0=U+I（jXT+Rs）（2-27）...653.同步发电机工作特性①在n,IFL，cosφ为常数条件下求得的自然外特性：UF=f（IF）66②在n,IF，cosφ为常数条件下求得的负载特性：UF=f（IFL）67③在机车恒功率控制条件下，同步发电机的调整特性：IFL=f（IF）68同步牵引发电机结构694.同步发电机