牵引电机的调速

毕业设计论文第1页目录摘要关键词············································································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毕业设计论文第2页摘要：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毕业设计论文第3页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。毕业设计论文第4页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0.5mm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。毕业设计论文第5页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，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。1.7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。毕业设计论文第6页以下以长春长客－庞巴迪轨道车辆有限公司4EBA4040牵引电机为例介绍其结构:毕业设计论文第7页定子线圈：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：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2PT100）。PT100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，随后在车床上按尺寸车出短路连杆并铜焊上短路环。毕业设计论文第8页速度测量：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。毕业设计论文第9页第二章三相异步牵引电机的工作原理Nn0nFI1、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。⑴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。⑵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，将使转子顺着寻转磁场旋转的方向转动起来。⑶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：⑴在空间位置上互差2π/3rad电度角。这一点，由定子三相绕组的布置来保证。⑵在时间上互差2π/3rad相位角（或1/3周期）。这一点，由通入毕业设计论文第10页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0~n1的范围内变化，而转差率则在1~0的范围内变化。Δn＝n0－n转差与定子磁场转速（常称为同步转速）之比，称为转差率：s＝Δn/n0式2-1同步转速n0由下式决定：n0＝60f/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n＝60f（1－s）/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