（机械工程专业论文）大功率内燃机车交流传动系统设计.pdf

摘要 摘要 本课题根据近年来在机车上成熟运用的交流电传动技术以及相关的控制技术，结合 铁路需要的大功率交流传动内燃机车，对机车交流电传动以及相关控制进行研究、分析， 在使用交流电传动技术，充分发挥内燃机车交流电传动的优势的前提下，提出一种内燃 机车交流电传动以及相关控制方案。该方案考虑内燃机车运用需求发展的趋势，从机车 性能要求入手，分析内燃机车电传动所涉及的相关控制技术和所面临的问题，对包括内 燃交流电传动所涉及到的交流异步电动机调速控制、机车粘着控制、机车主传动控制、 机车辅助传动控制、机车级微机控制系统、机车性能复核、功率控制、p 1 j m 控制以及由 于采用p 1 j l m 控制所衍生的一些问题和解决办法等方面进行研究。 交流电传动涉及到多个领域的理论和技术，应用到内燃机车上的交流电传动又要和 内燃机车独特的技术特征和运用要求相结合，使得机车电传动系统非常复杂。使用高技 术武装内燃机车的一个主要的初衷是得到系统高性能下的高可靠性和经济性。因此，对 这种复杂多领域技术的成功运用的标志不仅仅是技术上的可行性和得到预期性能参数。 通过对内燃机车交流电传动相关理论和重要部件的分析研究，构建完整的模型用于优化 核心部件和系统的参数体系，从而实现内燃机车交流电传动系统的优化设计和研制，是 实现上述初衷的重要基础。这正是本选题研究的主要内容和重点。 关键词：内燃机车；交流传动；控制技术 大连交通火学t 程硕十学伊论文 a b s t r a c t t h i ss u b j e c tm a i n l yr e f e r st ot h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fh i g hp o w e ra c t r a n s m i s s i o nd i e s e ll o c o m o t i v et ob en e e d e db yr a i l w a yo nt h ea s p e c t so fa c t r a n s m is s i o nt e c h n o l o g ya n dr e l e v a n tc o n t r o lt e c h n o l o g y ，b a s e do nt h a to fp r o v e n t e c h n o l o g yd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s u p h o l d i n gt h ea d v a n t a g e so f e l e c t r i c t r a n s m i s s i o no nd i e s e ll o c o m o t i v e ，i nt h i sp a p e ra l s op u t sf o r w a r dap h i l o s o p h y a b o u ta ct r a n s m i s s i o na n dr e l e v a n tc o n t r o lt e c h n o l o g y w h i c ht a k e sc o n s i d e r a t i o n o nt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fd i e s e ll o c o m o t i v e i tf o c u so nt h ep e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n to fl o c o ，g o i n gd e e p l yt oa n a l y z ea n dr e s e a r c ht h er e f e r r e de l e c t r i c t r a n s m i s s i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yo nd i e s e ll o c o m o t i v ea n ds e v e r a lp r o b l e m sf a c i n g i nf r o n t ，w h i c hi n c l u d e ss p e e dr e g u l a t i o no na ca s y n c h r o n o u sm o t o r ，a d h e s i v e c o n t r o l ，m a i nt r a n s m i s s i o nc o n t r o l ，a s s i s t e dt r a n s m i s s i o nc o n t r o l ，t c m s ， p e r f o r m a n c er e v i e w ，p o w e rc o n t r o l ，p 1 j l mc o n t r o l ，t h ep r o b l e m sd e r i v i n gf r o mi t a n dt h er e s p o n d in ga p p r o a c h e s a ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yc o v e r st h et h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e si ns e v e r a l f i e l d s t h ea ct r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yo nd i e s e ll o c o m o t i v ec o m b i n e sw i t hi t s u n i q u ec h a r a c t e r i s t i ca n do p e r a t i o nr e q u i r e m e n ti sm u c hm o r ec o m p li c a t e d t h e p u r p o s eo fe q u i p p i n gt h ed i e s e ll o c o m o t i v ew i t ht h i sa d v a n c e dt e c h n o l o g yi st o m a k et h eh i g hr e li a b l ea n de c o n o m yf e a s i b l e t h e r e f o r e ，t h es u c c e s sa p p li c a ti o n o ft h i st e c h n o l o g yi sn o tj u s tt og e tt h ef e a s i b l et e c h n o l o g ya n de x p e c t e d p e r f o r m a n c e ，b u tt ob u i l du pt h ec o m p l e t e dm o d e lt oo p t i m i z et h en o b l ep a r t s a n dp a r a m e t e rs y s t e mt or e a l i z et h em a x i m u md e s i g no p t i m i z a t i o no fa c t r a n s m i s s i o ns y s t e mo nd i e s e ll o c o m o t i v e t h i si st h em o s ti m p o r t a n tb a s ef o r p u r p o s em e n t i o n e da b o v ea n dt h ek e yc o n t e n ta n dp o i n to ft h i ss u b j e c tf o rs u r e k e yw o r d s ：d i e s e ll o c o m o t i v e ，a ct r a n s m i s s i o n ，c o n t r o lt e c h n o l o g y i i 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太整塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：呈竹 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作熊 知识产权单位属太蓬塞通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蓬交通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蓬塞通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 、 又。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 纠 日期：了矽哆年fp 月f 砂日 导师签名： 鞯伟 日期：矽够年胆月厂日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：铴噔御砸聪姒司争噶舭 通讯地址：蚴瑚i t 吆衅膨箩l 乡和矿豸雄鹭 电子信箱：甜肛溯乙( 乡9 i n 九- c p m v 9 纠加 叫胁加 话编电邮 第一章绪论 第一章绪论 机车交流传动的发展主要体现在控制技术和电力电子技术的更新换代上。控制技术 以逆变器一异步电机控制为主要特征，电力电子器件的发展在交流异步电机的变频控制 技术的发展过程中起到极为关键的作用。异步电动机的变频控制理论的不断突破和微处 理器件及其控制技术的日新月异，成熟的变频电机设计制造技术都为交流传动技术提供 了坚实的基础。数字信号处理器( d s p ) 作为变流器控制核心，高运行速度为高精度控 制，复杂算法的实现提供了可能。交流异步牵引电动机的变频变压控制的技术要素在于 交流异步电动机分析研究，变流器的控制应用1 4 1 。 交流电传动涉及到多个领域的理论和技术，应用到内燃机车上的交流电传动又要和 内燃机车独特的技术特征和运用要求相结合，使得机车电传动系统非常复杂。内燃机车 交流化在国际上已趋成熟，国内刚刚起步。本论文课题的任务是对机车交流电传动以及 相关控制进行研究、分析，在使用交流电传动技术，充分发挥内燃机车交流电传动的优 势的前提下，提出一种内燃机车交流电传动以及相关控制方案。 1 1 交流传动的优点 以直流牵引电动机为主导的电传动内燃机车发展到今天面临几个不容易解决的问 题，其一，串励直流牵引电动机的结构限制内燃机车的功率；其二，串励直流牵引电动 机的负载特性比较软，机车牵引工况下的轮对空转和电阻制动工况下的滑行一直是 a c d c 电传动内燃机车很难解决的问题，也是影响机车粘着利用的一个重要方面；其三， 直流牵引电动机在同等功率等级上要比交流异步电机重得多，电传动的交流化有利于降 低内燃机车的轴重和簧下重量，进而降低高速或重载机车在运行中对路轨的冲击；其四， 调速范围窄。采用三相交流异步牵引电动机的内燃电传动机车的主传动形式一般被称为 交直交( a c d c a c ) 机车，由交流电动机特性和变频变压的工作特点决定的高粘着利用 率对于提高大功率货运机车的牵引能力和扩大调速范围具有重要意义；由于交流电机的 组成材料较直流电机而言铜所占的比重小，因而重量轻，有利于提高内燃机车的轴功率； 三相交流异步电动机没有了直流牵引电动机的换向器和碳刷等，结构变得简单，大大减 少了维护检修工作量。采用交流主传动形式的内燃机车在技术上有效克服直流牵引电动 机对机车提升能力和水平的限制，但交流传动技术在发展初期由于受控制理论及电力电 子器件的限制，发展缓慢，只能适用于调速范围小，传动效率要求不高的领域。随着变 流技术，微机控制技术的发展，交流调速系统的研究和开发已引起世界各国的高度重视， 大连交通人学1 ：稃硕十学位论文 并且人们已经在生产实践中领略到交流调速所带来的巨大收益。交流传动系统无论在性 能指标，装置体积，设备维护，还是节能乃至环保等方面，均体现出了巨大优势。 1 2 国内外交流传动技术的发展 2 0 世纪下半叶，自动控制理论和电力电子器件的不断更新和迅猛发展，为采用交流 电机驱动提供了重要的物质基础。通过大功率变频变压变流器实现了交流驱动的优良调 速性能，交流电机驱动装置的优越性由此得到完整体现，从而使以交流驱动技术为核心 的交流传动机车交直交传动机车得到了充分的发展。历史上交流驱动技术是呈螺旋 式上升之势发展，至今已趋成熟，目前世界上的电力牵引动力已转向以交流传动为主体。 1 2 1 电力电子技术的发展 电力电子技术加速了现代化铁路运输工业的发展。 ( 1 ) 直流电气化铁路的斩波器技术取代了用开关装置控制的、损耗大的方案，使用再 生制动有力地降低了能耗； ( 2 ) 在1 62 3 h z 或5 0 h z 的交流电气化铁路上用晶闸管技术首次实现了现代化的无 级和动态可控的传动； ( 3 ) 电力电子技术为实现现代化交流传动作出了决定性贡献，用牢固的异步电动机 取代了费用大的整流子电动机。它在功率密度、传动效率、功率因数、再生制动和可控 制性等方面均有优点，促使这种技术有了全面突破。 为了取消花费大的晶闸管强迫关断电路以及减少费用、降低重量、减小体积和提高 可靠性，只有采用g t o 以外的新方法才能有所突破。由于牵引技术方面的优点，所以北 美大功率电传动内燃机车用交流传动取代直流传动，用i g b t 又能进一步创新并再次改 善上述目标值，因此近1 0 年中能逐步用i g b t 取代g t o 。 1 2 2 微电子技术与控制理论的发展 电力电子技术的发展与其开环和闭环控制技术的发展是密不可分的。微电子技术的 迅速发展，促使开环和闭环控制技术有类似于电力电子技术的动态发展。尤其是三相交 流传动技术需要综合方法和很高的计算能力，这只有在用计算机以及进一步发展成信号 处理器的情况下才能经济实用。从1 9 7 5 年起，用磁场定向调节取代了起初使用的电流 一转差率特性曲线控制，从1 9 8 7 年起又由直接自调节以及如今用高动态性的不用电动 机转速传感器的调节方法所取俐1 2 1 5 】。 2 第一章绪论 1 3 国内的引进与开发 在内燃机车上，交流传动技术也越来越广泛的应用，通过变流器为异步交流电动机 提供电源，控制异步交流电动机的转速，转矩，实现异步交流电机电阻制动，提高机车 的运行性能；目前国外的机车基本上采用交流传动技术，如西门子、g e 、e m d 、庞巴迪、 阿尔斯通和东芝等公司，均采用交流传动技术。几家公司的交流传动系统均有在内燃机 车上的应用经验。2 0 0 5 年，我国整机进口g e 公司生产的n j 2 型大功率交流内燃机车， 担当青藏铁路的运输任务，取得了较好运用效果。 近年来，d l o c o ( 大连机车车辆有限公司) 与多家公司合作，均取得了良好的效果。 1 9 9 9 年d l o c o 与西门子公司合作研制了两台交流传动的内燃机车，2 0 0 1 年与东芝公司 合作，生产城市轻轨列车，到后来联合研制的s s j 3 型电力机车均采用了交流传动技术， 目前h x d 3 型交流电力机车已大批量投入运用，成为干线货运主力车型。h x n 3 型交流传 动内燃机车是大连机车车辆有限公司与美国e m d 公司联合研发的6 轴6 0 0 0 h p 货运机车， 主要用于非电气化铁路干线牵引重载列车和快捷货物列车。机车主传动、辅助传动均采 用交流传动技术，该型机车应具有柴油机功率大、恒功率速度范围宽、起动牵引力大、 粘着性好、效率高、燃油消耗率低、低排放等特点。 为了理清交一直一交内燃机车有关技术的一些理论问题，本文结合h x n 3 型大功率 交流货运内燃机车来加以讨论。当然由于其复杂性，只能尽力而为，也可能会有明显的 错误，望加指正。 本章小结 本章介绍了机车交流传动发展的决定因素，以及这些技术应用到内燃机车上所具有 的独特的技术特征。简要介绍交流传动的优点，交流传动系统无论在性能指标，装置体 积，设备维护，还是节能乃至环保等方面，均体现出了巨大优势。介绍了国内外交流传 动技术的发展，包括电力电子技术的发展和微电子技术的发展，对近年来国内交流传动 内燃机车的技术引进开发情况进行介绍。 大连交通人学t 祥硕十学位论文 第二章交流内燃机车传动形式 2 1 内燃机车的传动类型和形式 内燃机车的核心部件是柴油发电机组，它完成从热能到机械能，再从机械日- - 匕i - , 到电能 的转换功能。从柴油机输出轴到机车轮对的动力传递过程，称为机车主传动。机车柴油 机冷却风扇、制动系统的空压机以及牵引电动机通风机等机车重要辅助设备的驱动一般 称为机车辅助传动。主传动的控制直接关系到机车的工况和性能，辅助传动主要用来保 证机车柴油机和主传动部件以及其他附属设备的顺利安全工作。 机车主传动主要有液力传动和电传动，我国现有铁路线上的内燃机车绝大多数是电 传动的。电传动从发电机和电动机的类型以及发展过程上分，包括三种形式，直流传动、 交直流传动和交直交流传动( 简称交流传动) 。直流发电机对柴油机功率发挥的限制使 其在上世纪7 0 年代被淘汰，交直流传动在经过极大发展的几十年后，又因为直流牵引 电动机对内燃电传动机车轴功率的限制、串励电机对机车粘着利用的影响以及调速范围 窄等不足随着机车功率的不断提高逐渐限制了内燃机车的发展，因而交流传动现在已经 成为内燃机车的发展方向和必由之删虬】。 。 现代内燃机车的交流传动一般分为两种形式，架控和轴控。两种控制方式各有优点， 架控机车一台牵引逆变器由3 个相模块组成，把中间回路中的直流电逆变成三相交流电， 同时驱动并联的三台牵引电动机，该控制方式结构简单、使用部件少、相对轴控机车故 障率低，在功率器件容量允许的情况下被广泛使用。轴控机车由于各轴控制相对独立， 可以单独控制各轴输出功率，减小或避免因为轮径磨耗差异、轴重转移等造成的机车粘 着利用不好；各轴相对独立的控制有利于实现蠕滑控制在一定程度上提高粘着，防空转、 防滑行在以上两点基础上也就顺理成章；轴控同时还可以提高机车的牵引系统的可靠 性，一般来说，一个逆变电机单元的故障不会造成机车5 0 的功率降低：各轴功率的 独立控制对于各轴轮对等走行部件也是有益的。 电传动内燃机车的辅助传动电气系统，主要需要解决牵引电动机通风机、空压机、柴油机 冷却风扇及其他辅助通风机、机车空调机组等的驱动问题。国内现有的内燃机车仍采用变速箱 直接驱动的牵引电机通风机；直流电机驱动空压机；静液压泵马达系统驱动冷却风扇。上述驱 动方式，存在着机车设计中总体布置方式单一、机车运行维护量大、故障率高、系统传动效率 低等问题。 交流辅助传动系统由交流电动机驱动代替传统的静压马达和机械传动装置，可极大地简化 机车的机械传动系统。内燃机车实现交流辅助传动后将具有以下优势： ( 1 ) 取消静液压系统及管路，提高内燃机车的运用可靠性； ( 2 ) 简化机车的结构，取消变速箱，机车总体布置简化，降低传动噪音； 4 第二章交流内燃机车传动形式 ( 3 ) 改善机车的牵引性能，实现机车主、辅助传动功率的合理应用； ( 4 ) 方便机车的检修。 2 ，2 内燃机车交流传动系统设计方案 h x n 3 型机车交流传动系统由柴油机主发、整流器、中间直流环节、牵引逆变器、交 流异步牵引电动机和制动电阻组成，中间直流环节上并联有滤波电容器、制动电阻和牵 引逆变器。牵引逆变器由大功率i g b t 模块组成，采用电压型、两电平电路结构。主 发电机机壳内还包括另一个发电机，称为辅助发电机。该辅助发电机不仅负责主发励磁， 同时还输出连接到辅助电源变换器a p c 模块，负责为其他辅助设备提供电源。整个交 流系统的工作由机车微机控制系统e m 2 0 0 0 统一指挥完成。 2 2 1 系统原理图 l 吼l l 屯桃 i 屯i i 帆 l 蝴 l 窀粕 图1 1 交流传动系统原理图 f i g 1 1s c h e m a t i co fa c t r a n s m i s s i o ns y s t e m h x n 3 型交流传动系统原理如图1 1 。机车柴油机带动牵引发电机转动，完成机械能 向电能的转换，牵引发电机首先将3 相交流电输出到主牵引整流器，从而提供牵引变流 器的直流电压，柴油机每个档位对应一个固定的中间直流电压。机车由两个变流柜组成， 每个变流柜的主电路和控制电路相对独立，分别向两个转向架的牵引电机提供交流变频 5 大连交通大学1 ：秤硕十学位论文 电源。当一组变流器发生故障时，通过微机控制系统e m 2 0 0 0 ，自动将故障的变流器切除， 也可通过微机显示屏隔离某个变流器，机车维持5 0 的牵引功率。辅助系统的供电由辅 助发电机完成，辅助发电机由3 个发电绕组组成，其中一个绕组向辅助电源变换器a p c 模块供电为机车提供固定电压的电源，另外两个绕组为机车各辅助电机的变频电源的 提供电屯能。 上述方案中，充分考虑了机车使用条件、机车电传动所服务的柴油机系统、冷却系 统机车、制动系统等的需要和各种传动形式的优缺点以及机车性能需要。 12 2 功率运行模式图 h x n 3 型机车的功率流向图如12 所示。 七兰i 掣 雹日一鲨 r j 一一、_ 。 。一一i ，弋7 弋7 弋p 7 弋厂、 、! 一芒j 、：、：，弓芝一 富 二 豪一 墨；塞塞鎏窒竺! ! ! ! ! 垫型苎 ( ”主发电机 ( 2 ) 励碱线圈 t 3 ) 整躺组1 “) 整漉器组2 ( 5 ) 直目t 回路开关 ( 6 ) 触动电阻i ( ，) 巾回直漉回路i ( 8 ) 中间直流回路2 ( 9 ) i g b t 主童流器( 相撬块) 1 1 0 ) i g b t 主变巍器( 丰h 模块) 2 ( 1 1 ) 辅助发电帆l 号绕组 ( 1 2 ) 辅助整电机2 号绕组 ( 1 3 ) 辅助壮电帆3 号绕组 ( 1 4 ) 辅发勖礁绳尉 ( 1 5 ) 两低温i 却风扇、牵引通强帆、 栩 羹块冷却匾扇、断蹄器厦陆尘 风机 ( 1 6 ) 主蛙电机厨醴靳波器 ( 1 7 ) 斜劫蛳2 及甜功电阻冷却风扇 ( 1 8 ) 蓄电池组 ( 1 9 ) 辅助设备电路：空调逆变器。电 热琥璃空气棰缩机、坷机室加 热嚣 ( 2 0 ) 照i w 网路、燃油泵熔断器。控制 电路体断嚣空气制功设备、斌 讯设备等等 翻12 功率流向型 f i g 2p o w e r f l o w c h a r t ( 1 ) 牵引工况能量流向 牵引工况时，柴油机产生的能量通过牵引系统传递到轮对：电机产生的扭矩使列车 加速。 11 1 = 一c r ：。告 b7 自k 。 一一一 羁l 赢硫一 幽l3 牵引l ：况功率流向 f i 9 13p o w e r f l o w j n t r a c t i o n c o n d i t i o n ( 2 ) 电阻制动工况能量流向 电阻制动工况时，牵引电机产生的能量传递到制动电阻栅；电机产生的扭矩减缓 列车的速度。 人近交通人学j 程硕十学位论文 图14 电阻制动r 况功率流向 f i g l4 p o w e r f l o w i n d bc o n d i t i o n ( 3 ) 自负荷试验工况能量流向 自负荷试验工况时，柴油机产生的能量通过牵引系统传递到电阻制动栅以进行柴油 机试验；电机不产生扭矩。 e7 1 一 j 一 牵引系统 图15 自负荷工况功率流向 f i gl 5p o w e rf l o wi ns e l f - l o a dc o n d i t i o n 本章小结 本章重点介绍内燃机车的传动类型和形式，交流传动两种形式的比较；辅助交流传 动的优点；分析内燃机车交流传动系统设计方案，从牵引工况、制动工况、自负荷工况 分析交流传动系统功率运行模式。 耋三耋銮鎏亳薹2 至垒 第三童交流主传动系统 机车交流主传动系统始于机车交流主发电机，经过主整流器和中间直流回路，经逆 变器到异步牵引电动机。交流主传动的核心问题是异步牵引电动机的扭矩和速度控制， 电动机的输出扭矩和速度必须满足机车的牵引性能和电阻制动性能要求。 31 主发电机及其励磁 机车主发电机是内燃电传动机车的总电源，它由机车柴油机驱动，把柴油机的机械 能转化为机车电传动所需要的电能，它与柴油机合并成为机车上的柴油发电机组。发电 机的结构形式和运行状态关系到整个机车电传动系统能否稳定工作，柴油发电机组的重 量和总体尺寸对机车的总体布置和车体结构设计具有决定性影响。主发电机的励磁控制 是机车电传动系统控制的基础【l “。 3 11 主辅发电机总体设计 主发电机的选型设计机车总体设计、决定于柴油机的功率输出要求和其负载形式。 h x n 3 型内燃机车设计时考虑到简化机车的总体布置，符合机车减重等要求，采用主 辅发电一体化结构。机车主辅发电机总成见图3 1 ，型号为t a 2 0 j b f - - c a g c 。 牵引发电部分为凸极式三相交流同步发电机( 以下称牵引发电机) ，辅助发电部分为 隐极式三相交流同步发电机( 以下称辅助发电机) 两部分各用自己的转子，共用一轴。 整流器总 母线总成 刷架滑环 图3 h 主辅发电机 f i 酣lm a i n ，a u x i l i a r ya l t e r n a t o r 大连交通大学t 稃硕十学f 秽论文 主辅发电机转子的连接端与1 6 v 2 6 5 h 型柴油机曲轴通过一个柔性的连接盘连接。牵 引整流器总成位于主发电机端部，滑环两侧。电机采用强迫通风结构。 采用如上文所述的传动结构后，机车上的所有用电设备都是主发电机的负载。这些 负载的类型各有不同，对其直接电源形式的要求也有不同，只能通过不同的变流方式来 满足。这些负载对于内燃机车来说都有其必要性，其中由以运动类负载自身的作用最为 重要。设计主发电机的电气参数的主要依据就是主传动和辅助传动的要求。牵引发电机 的输出经整流后就是逆变器一牵引电动机的中间直流电压源。因此，牵引发电输出一定 要和后面的逆变器一牵引电机相匹配。本文阐述的h x n 3 型机车柴油机装车功率达到 f i g u r e3 2o u t p u tv o l t a g eo f t r a c t i v ea l t e r n a t o r 4 6 6 0 k w ，中间直流电压设计为2 6 5 0 v d c ，牵引发电机的额定电压u t a 为2 1 0 0 v a c 。柴 油机的最低转速为4 2 0 r m i n ，额定转速n e 为1 0 0 0 r m i n 。从柴油机的最低转速到额定转速， 牵引发电机的输出电压与柴油机转速的关系设计为一条过零的直线，如图3 2 所示。这是 因为便于机车电传动控制和充分利用发电机的气隙磁通。对主发电机设计而言 图3 3 辅助发电机输出电压 f i g u r e3 3 0 u t p u tv o l t a g eo fa u x i l i a r ya l t e r n a t o r 1 0 第三章交流主传动系统 满足柴油机额定功率输出需要后，其他各转速下也一定满足需要，同时主发电机的重量、 体积等关系到机车总体的参数也应比较理想。辅助发电机的输出电压特性如图3 3 所示 也采用和牵引发电机相同的形式，额定电压的确定主要是根据冷却风扇变频驱动的中间 直流电压、牵引电机通风机电机的直接驱动等设计为4 4 4 v a c 。 在柴油机启动后，辅助发电机首先投入工作。辅助发电机利用剩磁起励或蓄电池助 励，在三相输出建立起来后改为可控整流自励。辅助发电机共有三个三相交流输出绕组， 分别完成三个功能，其一，经可控整流控制控制自励；其二，经可控整流控制牵引发电 机励磁：最后一部分，用于辅助传动和辅助控制电源。两套可控整流装置可以在柴油机 各档位不超功率的前提下进行闭环控制恒电压输出，与机车其他控制单元保持相对独 立。 3 1 2 主辅发电机的主要技术参数及结构材料 ( 1 ) 主要技术参数 主发电机：容量： 4 4 0 3 k v a 额定输出电压： 2 1 0 0 v a c 额定频率：8 3 3 h z 绝缘等级：h 级 励磁绕组电压： 2 7 0 v d c 1 0 0 0 r p m 励磁绕组电流： 13 5 a d c l0 0 0 r p m 额定效率： 9 6 重量： 约5 9 3 5 k g 辅发电机：容量： 3 4 7 k v a 输出电压：线电压4 4 4 v 输出电流：450a 频率： 4 3 3 1 3 3 h z 绝缘等级：h 级 重量：约1 6 1 0 k g 整流器：输出电压： 2 7 3 8 v d c 输出电流： 2 0 4 5 a 整流二极管参数：4 4 0 0 v ，2 7 5 a ( 2 ) 结构、材料 定子、机座 - 在叠片间设有径向通风沟的焊接机座结构，该结构应用于自1 9 6 0 以来e m d 的所 大连交通人学t 稃硕十学何论文 有牵引发电机 _ 安装座高1 83 8 ”以适应底架结构 - 8 个11 8 ”的8 级的安装螺栓 - 机座上的所有侧罩和通风罩都与机座永久焊接 机座和端壳都设计有柴油机空滤安装座 _ 两套独立的3 相定子绕组 - 改进型硅橡胶定子线圈绝缘，可承受振动和热负荷的影响，可承受- 5 4 。c 至+ 2 6 0 。c 的温度范围，具有极好的防电弧和电晕特性，具有密封性以防止潮湿、碳粉 及尘埃性能。 - 采用紧凑式端环来提高定子线圈端部的支撑强度 牵引发电机轴承 - 转子的连接端由柴油机曲轴通过一个柔性的连接盘支撑，曲轴的热胀调整通过 轴承衬套实现 - 单轴承发电机，自校正双列球轴承发电机轴承润滑一e x o nu n i r e xn 2 润滑脂 - 轴承通过具有n o m e x 附层的轴承座实现电气绝缘 - 轴承座具有1 6 个通风孔一通风用来平衡轴承内外的压力 牵引发电机通风箱 _ 通风箱的设计适应于发电机通风机的位置并均衡左右风量分配。冷却风通过发 电机前端上部的进风口进入通风箱。 _ 把发电机通风机设置在通风箱前面的位置是为了使柴油机和发电机的两侧易于 接近和检修。 牵引整流器总成 _ 每个桥臂5 个二极管电路并联，一个并联的二极管电路作为冗余 一 具有更高电流容量的新型整流熔断器 - 整流器母排长8 4 6 8 - 交错布置的新设计方式可以容纳较短的母排，并为电缆端子提供了足够的空间 主辅发电机转子总成 一t a 2 0 和c a 9 的转子采用了铸钢的圆柱形转子支架 _ 中空的转子支架为转子线圈和定子端部绕组提供了最大的冷却。 - 扇页的设计进一步提高了可靠性 - t a 2 0 转子线圈与s d 9 0 m h c 和g p 6 0 的相同 c a 9 的转子线圈与s d 7 0 a c e 、s d 7 0 m 一2 和s d 9 0 m a c 的相同 1 2 第三章交流_ t 传动系统 辅发电机 - 3 组电气回路：1 组为冷却风扇和各通风机供电；1 组为主发电机励磁供电；1 组为辅助电源供电 改进了c a 9 的母排总成及其盖罩( 与s d 7 0 a c e 相同) 3 2 异步牵引电动机 电动机的扭矩和功率变换是建立在定子和转子跨越气隙相互施加推力的基础上。产 生推力的原因是绕组中的电流与气隙磁感应强度法向分量之间的相互作用。即，异步牵 引电动机转子相对于以同步转速的气隙磁通有转差时，在转子回路将产生速度电动势， 它与转速差成正比。此电动势引起的转子电流与旋转磁场相互作用，就产生了扭矩。 3 2 1 异步牵引电动机特性 为分析方便，一般使用如图3 4 所示的等效电路( 忽略铁耗) 1 2 1 。图中一表示与转 子回路的铜损耗相对应的电阻，( 1 一s ) 一s 表示与机械输出相对应的电阻。 由图3 5 可知， 丑r i上i ， 丘一 疋 j 一1 一o l p 一 。一p 一 i 如l i 也 立l ! ：m 壶如：z ，j ii，丫 ( j 图3 4 异步电动机等效电路图 f i g u r e3 4e q u i v a l e n tc i r c u i to fi n d u c t i o nm o t o r 转子输入功率 p 2 = 后争7 ，r 转子铜损机械输出功率 r = 罡 尸- ，= 矗7 ，： = r s = 瞰l s ) 图3 5 异步电动机转子能流图 f i g u r e3 5e n e r g yf l o wo fi n d u c t i o nm o t o rr o t o r 大连交通犬学j f 稃硕十学伊论文 最：只：己。= 1 ：s ：( 1 一s )肿r、， 则m 相的异步电动机的扭矩丁可表示为： t = ( 己。c 0 2 ) m 式中，为转子角频率。由于， 刀2 = ，2 1 ( 1 - s ) = 6 0 z ( 1 - - $ ) p 2 = 2 x n ：6 0 = 2 碱( 1 一s ) p ( 3 一1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 则有， t = ( 最( 1 一j ) ) ( 2 顽( 1 一s ) p ) m = p 2 p m a o l ( 3 5 ) 式中，只为转子输入功率； 。为定子角频率( 2 4 ) ( r a d s ) ； 丁为异步电动机扭矩( n m ) ； 由图3 4 的等效电路及式( 3 5 ) 可求出转子电流，：、扭矩丁与感应电势巨的关系， 厶2 而e 1 = = c 务面焘丽 r = 署c 和燕， ( 3 6 ) ( 3 7 ) 式中，为转差频率( h z ) ，z = f , s 。 当定子施加大小为u 。、频率为z 的交流相电压后，由图3 4 有， u 。：( + j 2 x f 。l 。) j l 一( 垒+ 2 顽t ) j 2 ( 3 8 ) s ( 五+ 丘) 歹2 顽m ：一1 2 ( r - - - 2 + j 2 r c f l i 2 ) ( 3 9 ) s 丁：里丛 ( 3 1 0 ) 2 4 s 由式( 3 - - 6 ) 一式( 3 - - 1 0 ) 求出扭矩， 卜静衣 1 4 第二章交流主传动系统 式中， 彳：蔓：! 巫丝2 f 以2 + 【2 矾( t + m ) 】2 一时簪鬻学帮2 棚 由式( 3 7 ) 和( 3 1 1 ) 可看出： 如果e , t , 一定，转子电流仅取决于转差频率，和电动机的参数，与定子频率z 无 关。如果u ，石一定，确定扭矩时与定子频率石有关的项数为，1 z ，剩下的只与转差频 率，和电动机的参数有关。 实际上，为便于分析异步电动机变频调速特性，使用如下的简化公式【2 】： t = k l ，2 西= k 2 u l f , 1 2 = 七3 吆 t = k 4 ( u 。z ) 2 ， 七4 = k l 七；后3 ( 3 - - 1 6 ) t = k 5 最彳 ( 3 1 7 ) 其中，毛k 5 为常数。以上简化公式基于t 1 型等效电路( 图2 8 其中设a = m l 2 1 ) 。 考虑到这个等效电路是建立在转子磁通国之上的，如就是转矩电流，所以一定有式( 3 1 2 ) ；在电机定子电流不变时，电机转子磁通和定子压频比成比例，就有式( 3 1 3 ) ； 在转差率较小时忽略式( 3 6 ) 中与转差率无关的项，得转子电流厶是感应电势与转差 率的乘积和转子电阻的比值，考虑到转差率也是转差频率和定子频率的比值，而感应电 图3 6 异步电动机恒扭矩特性 f i g u r e3 6i n d u c t i o nm o t o rc o n s t a n tt o r q u ec h a r a c t e r i s t i c )_-，” 一 一 一r 3 3 3 z沪沪沪沪 大连交通人学：r 稃硕士学位论文 势和定子频率的比值与磁通成比例，磁通和定子压频比成比例，于是得到形如( 3 1 4 ) 的转子电流公式；用式( 3 1 4 ) 的转子电流带入式( 3 1 2 ) ，同时用式( 3 一1 3 ) 的 磁通带入式( 3 1 2 ) 和式( 3 1 3 ) ，最终得到式( 3 1 5 ) ；式( 3 5 ) 和式( 3 1 7 ) 意义相同。 我们可以把异步电动机的变频调速过程分为三个阶段来分析：恒扭矩区、恒功率区 和特殊区。 恒扭矩区的特性分析。要保持异步电动机的扭矩恒定不变，也就是式( 3 1 2 ) 两 端的物理量保持不变。为达到这样的目的，必须控制电流，和磁通保持恒定，但是因 为电流厶和磁通、转差频率厂成比例关系，磁通和转差频率f 被控制在恒定水平 是前提；根据式( 3 一1 3 ) ，控制异步电动机的端电压u 与其频率f 的比率保持恒定就 能保证磁通恒定。因此，控制异步电动机输出扭矩恒定的方式是控制u 和转差频率 疋恒定。随着速度的增加，电动机的电源频率增加。但是，为获得恒定的输出扭矩，电 动机的电源电压必须以和电源频率同样的比率增加以保持磁通恒定。这时，转差频率 必须控制恒定以保证电流，恒定。如果因为负载的原因需要改变扭矩，必须在保持 u 万不变的情况下，改变转差频率以改变电流，从而获得需要的扭矩。 恒功率区的特性分析。从恒扭矩区进入恒功率区一般有两种情况，一种是电动机电 压一电流乘积达到功率限值，一种是扭矩速度乘积达到功率限值。先分析第一种情况， 恒功率区的电机调速控制是以在恒功率的条件下宽范围内取得大的扭矩为目的。在电动 机端电压达到最高电压之后，电压保持不变，u 万随着电动机电源频率增加而减少， 它与_ ，：成反比。结果正如式( 3 1 3 ) 所指，磁通西和电动机电流，也随之减少。为了 使得扭矩下降的尽可能少，必须控制电动机电流，降低得尽可能小，转差频率上升。为 在降低磁通时扭矩降低较小，转差频率与电动机电源频率，：成正比增加，以控制电动 机电流，恒定。第二种情况中，虽然电动机的机械输出功率已经达到限值，但电动机还 速度 图3 7 速度一扭矩特性( 当只有频率变化的时候) f i g u r e3 7s p e e d - t o r q u ec h a r a c t e r i s t i c ( o n l yf r e q u e n c yc h a n g e s ) 1 6 第二章交流主传动系统 没有达到最高电压，这时电动机电压继续按u f 为定值继续上升，但是为保持功率的 恒定，必须控制电动机电流下降。电动机端电压达到最高电压后的情况和第一种情况一 样。 特殊区的特性分析。当转差率达到一定的限值时，转差率被控制不变，同时电动机 端电压受控不变，补偿因电动机电源频率上升而导致的磁通降低的转差频率不再上 升，u 疋从而保持恒定。因此，如式( 3 - - 1 5 ) ，扭矩以速度的平方反比例下降。 利用感应电机的上述特性，可能使感应电机驱动的电传动内燃机车具有与传统的直 流电机驱动的内燃机车一样的速度牵引力特性，如图3 8 所示 1 3 , 2 1 。 扭矩 速度 图3 8 速度- 丰h 矩特性 f i g u r e 3 8s p e e d - t o r q u ec h a r a c t e r i s t i c 3 2 2 异步电动机的选用 内燃机车上所使用的异步牵引电动机，与工业电动机不同，该电动机一般通过弹性 联接装置悬挂在转向架上，经常受到振动和冲击的影响，容易造成转子和绝缘的损坏。 牵引电动机在露天环境下工作，四季气候条件的变化和风霜雨雪的侵袭，使电动机的可 靠性和使用寿命受到严重威胁。对于逆变器供电的牵引电动机还必须考虑高次谐波、轮 径偏差和并联运行( 针对架控机车) 。高次谐波对电机运行主要造成以下影响，电压谐 波引起的电流谐波和磁通谐波，产生附加的铜耗和铁耗；产生附加的脉动扭矩和寄生震 荡扭矩；产生磁噪声。对于轴控机车而言，由于各个电机可以分别控制，因此轮径偏差 对牵引电动机的影响主要在于保证各个电机的同步和负荷不超过限制；不存在并联运行 问题1 3 , 4 1 。 为确定牵引电动机，在考虑牵引电动机的使用条件的同时，另一个重要的问题是逆 变器和电动机的系统优化。变流器的容量表现为他所能传送的电压和电流的乘积，主要 大连交通人学一i ：科硕十学位论文 受半导体器件的最大允许温度和电场强度所限制。按这个要求所确定的变流器极限，与 电流和电压的最大值实际上是否同时出现无关。也就是说，逆变器的容量和它的费用是 由它的最大电流和最高电压决定的。在忽略电动机不同电压对绕组绝缘的不同要求的情 况下，电动机的容量主要决定于电磁方面的最大允许扭矩和热方面的最大允许损耗。最 大允许损耗在很大程度上受到运行方式、冷却以及绝缘材料的寿命的影响。因而，电动 机的容量及结构、体积主要取决于传递的最大扭矩。为在有限的空间和重量下获得较高 轴功率，交流传动机车一般采用高速电动机和比较大的牵引齿轮传动比。交流牵引电动 机低损耗的变频调速电动机所能得到的最大扭矩可表示为： m 。= c s ；c ( 粤) 2 ( 3 1 8 ) 其中，c 为常数 1 既为磁通密度 “，为定子电压 力为定子频率 机车的恒功率范围要求决定了机车逆变器电动机的性能要求。机车的恒功率范围 应该是以机车能传递到轮周的最大功率为功率参考，从根据现实要求所确定的最低可连 续运用的机车速度，这个速度所对应的是传动系统容许电动机持续发挥使用的最大扭 矩，到机车最大运用速度的范围。逆变器及电动机两者的容量匹配基于两个不同的