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牵引电机

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(如蓄电池车、城市电车、地下铁道电动车辆)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。

随着交流变频调速技术的日益成熟,可以对交流牵引电机进行平稳可靠的无级调速调速范围可达1:1000,比直流调速范围更大,尤其是没有了直流电机换向器的存在,因而克服了直流电机的许多弊端,交流牵引电机与直流电机相比,结构简单可靠、体积小、重量轻,更适合车辆对电机的安装空间和重量等方面的要求,更重要的是交流牵引电机因具有功率大、过载能力强、噪声小、调速范围宽(0~5000r/min左右)、再生制动力巨大、可防止车轮打滑、可靠性高、维护方便、平稳舒适、节电20~30-等优点,成为现代城市轨道交通牵引机车驱动电机的首选产品:

1、城市轨道交通用交流牵引电机。

2、轻电车轨用交流牵引电机 。

3、地铁用交流牵引电机。

交流变频牵引电机作为车辆驱动的原动机是国际上二十世纪八十年代发展起来的先进牵引技术。 它以十分显著的优良特性在德、日、法等经济发达国家迅速发展,很快取代了传统的直流牵引电机。

为了解决直流和脉流牵引电动机的“转向”问题,有些国家已在使用晶闸管无换向器式牵引电动机和三相交流异步变频牵引电动机,并在试验以直线异步电动机为动力的磁悬浮高速车辆。晶闸管无换向器式牵引电动机是由一台同步电动机和一组晶闸管逆变器组成,用晶闸管和转子位置检测器来代替直流牵引电动机的换向器和炭刷结构。这种电动机具有直流电机的优点而没有困难的“换向”问题。但晶闸管及其控制系统相当复杂,所以电子元件直接影响电动机的运行可靠性。三相交流异步变频牵引电动机结构简单,工作可靠,成本低廉,是比较理想的牵引电动机。但由于需用变频调速,它的发展和应用一度受到限制。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。21世纪以来,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。联邦德国和日本在试验的磁悬浮高速车辆上采用直线异步电动机。它的初级绕组敷设在地面导轨上,由地面的变频电源供电以产生行波磁场,调节供电电源频率就可改变磁悬浮高速车辆的速度。次级绕组就是反应板,装在车辆的构架上。初级行波磁场和次级感应电流的相互作用,不仅产生使车辆前进的推力,而且还产生磁拉力以悬浮车辆,并在制动工况时起着动力制动的作用。

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,如直流牵引电动机、交流异步牵引电动机和交流同步牵引电动机等。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。

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。

牵引电动机有两种悬挂方式。一种是牵引电动机和动轮轴连接的悬挂方式,称为抱轴式悬挂或半悬挂。采用这种悬挂方式时,动轮通过轨缝和道岔所产生的冲击振动会直接传给牵引电动机。抱轴式悬挂适用于结构速度低于120公里/小时的机车车辆。另一种是架承式悬挂(或称全悬挂)。采用这种悬挂方式时牵引电动机固定悬挂在转向架构架上,在牵引电动机轴端和小、大齿轮之间加入各种弹性连接元件,以减小冲击振动的影响。架承式悬挂适用于结构速度高于120公里/小时的机车车辆。

在用牵引变压器降压经硅整流器或大功率晶闸管整流后供电给直流串励牵引电动机时,加在牵引电动机上的电压为脉动电压,因此这种牵引电动机称为脉流牵引电动机。大功率脉流牵引电动机的“换向”条件更加困难。此外,电动机内部还有一些附加损耗,从而引起电动机温升,因此,脉流牵引电动机在设计和结构上还要采取一定的特殊措施,以解决“换向”和温升两个突出的问题。

电力机车上的辅助电机可用直流电动机,也可用三相交流异步电动机。用直流电动机作为辅助电机时,须由专用的硅整流器供电。用三相交流异步辅助电动机时,须由静止变相、变频装置或专用的旋转电机供给三相电源。这种专用的旋转电机称为劈相机,可以把单相交流电变为三相交流电

专用于电力传动内燃机车,以供给牵引电动机电力的发电机,又称主发电机。牵引发电机有直流和交流两种。直流牵引发电机直接向直流牵引电动机供电。交流牵引发电机发出的三相交流电经硅整流器整流后再向直流牵引电动机供电。交流整流电路三相的,整流电压虽然有脉动,但脉动量比较小,因此牵引电动机还被认为是一般的直流电动机

牵引电机通常采用变频器供电。对试验测试设备的功能及性能指标提出了较高的要求:

1、要求测试设备具有较宽的带宽,并且在较宽的频率范围内均能获取较高的测量精度;

2、部分试验基波频率可能低于5Hz,常规测量仪表不能稳定读数;

3、变频器开关频率较低,谐波含量丰富,且信号不是严格的周期信号,傅里叶变换时,需要较长的时间窗。

要正确测量牵引变频器输出的基波电压有效值,必须注意:

1、采用正确的变频电量测量装置。 电压、电流传感器及仪表应该有合理的带宽、正确的测量模式(基波有效值模式)、输出频率下满足准确级要求等等。

2、牵引变频器显示的基波有效值(接近理论值)与实际测量结果一致的前提是开关频率(载波频率)足够高(至少大于基波频率的20倍)。实际上,牵引变频器的开关频率往往比较低,一般低于1KHz,而基波频率较高,所以并不满足该条件。

3、要对基波有效值进行准确的、稳定的测量,前提是变频器输出为周期信号(傅里叶变换针对周期信号)。实际上由于牵引变频器的开关频率较低,当开关频率不是基波频率整数倍时,其输出信号不是周期信号。例如:开关频率为500Hz,基波频率为60Hz,假如当前的基波周期从第0个脉冲的开始时刻开始,将在第9个脉冲的1/3时刻结束,而下一个基波周期,将从第9个脉冲的1/3时刻开始,显然,这两个基波周期不是一样的信号,也就是说,变频器输出并非周期信号(当开关频率较高时,这种非周期性的表现相对较弱)。
  小结: 基于上述原因,一般的测量系统很难准确、稳定的测量牵引变频器输出的电压。

为了准确获取电机的效率,应该采用低频精度较高、带微处理器的宽频功率分析仪和准确级较高的变频电量变送器/传感器。

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