浅谈电力机车牵引电动机

目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"绪论 1摘要 2一、 交流电机机车简介 31、 发展史 3\o"CurrentDocument"2、 结构 3\o"CurrentDocument"3、 电气原理 3\o"CurrentDocument"4、 鼠笼 4\o"CurrentDocument"二、 三相交流异步电动机 4\o"CurrentDocument"1、 三相交流异步电动机原理 4\o"CurrentDocument"2、 三相交流异步电动机结构 5\o"CurrentDocument"3、 三相交流异步电动机特点 5三、 交流机车交流牵引电动机 61、 YJ85A型交流电牵引电机 6\o"CurrentDocument"2、 技术参数 7\o"CurrentDocument"3、 结构 7\o"CurrentDocument"整机结构 7\o"CurrentDocument"定子 7\o"CurrentDocument"转子 8轴承 8\o"CurrentDocument"4、 三相交流异步牵引电机的结构特点 8\o"CurrentDocument"5、 调速方法 9变极数调速 9变频调速 9串级调速 10电阻调速 10\o"CurrentDocument"定子调压调速方法 10电机调速 11耦合器调速 11\o"CurrentDocument"6、 机车牵引运行的调节区域 12\o"CurrentDocument"7、 牵引电动机的检修 12\o"CurrentDocument"保养标准及内容 12转子 12定子 13轴承 13四、 交流牵引电动机交直交调速控制系统 141、 交-直-交变频调速基本电路 14\o"CurrentDocument"2、 交-直-交变频调速系统 14\o"CurrentDocument"参考文献 15\o"CurrentDocument"致谢 16绪论随着铁路机车的发展，目前交流传动电力机车作为铁路牵引的主要机车。交流传动及车主要以三相异步电动机作为牵引电机。用鼠笼牵引电动机驱动的交流电力机车，因鼠笼电动机简单、可靠、造价低、重量轻、体积小、易于维护检修、防潮和抗有害气体性能好、牵引特性硬等优点，可以防止机车轮对和钢轨间的打滑（空转），运行部分的牵引特性又可调节成恒功率性能。最大程度地利用了机车上机电设备的功率。因此，这种电力机车具有重载、高速、可靠等特点。摘要：近30年来，由于电子技术特别是大功率晶闸管以及其他大功率可控电子器件变流技术的迅速发展，研制出体积小、重量轻、功率大、效率高的变流装置一一静止逆变器，作为三相交流电机的变频电源，使三相交流牵引电机在铁路电力牵引中的应用取得了突破性进展。本论文主要介绍HXD3型电力货运机车的牵引电机，YJ85A型交流电牵引电机。详细的介绍了交流牵引电动机的构造、原理和特点，分析了牵引电动机的调速特性，并简述了牵引电动机的检修。关键字：三相交流电机 牵引电机 YJ85A—、交流电机机车简介1、 发展史交流电力机车是随着鼠笼式感应电动机的发明而产生的，略晚于直流电力机车，始于19世纪末期。由于三相交流接触网供电系统过于复杂，交流电力机车最初无法与直流电力机车竞争。直到20世纪40年代，随着水银整流器、引燃管等整流器件的应用，基本上解决了交流变直流的整流问题，交流电力机车中的直流传动机车才得以发展。60年代，随着电力半导体的应用，这种机车获得了更大的发展。70年代后期，由于电力半导体已能提供大功率变频装置，使得性能优越的鼠笼电动机电力机车和电动车辆在一些欧洲国家率先获得应用。80年代，大功率可关断电力半导体的出现，以及微机技术的应用，交流电力机车的性能变得更完善、更优越。2、 结构交流电力机车由电气系统和机械结构两大部分组成。电气系统包括受电弓、主断路器、一台大容量的牵引变压器、4〜6台牵引电动机，两套司机控制设备、一套由晶闸管或可关断晶闸管构成的变流器，以及功率不等的辅助电动机和大量电器、电子器件等。此外，还有通讯设备、仪表，有些电力机车还装有电脑控制装置。牵引电动机装在轮轴和转向架上，通过齿轮传动驱动力。受电弓装在车顶，其余电工设备均在车体内。机械结构主要由车体、车架和转向架构成。车体通过车架安装在转向架上，转向架再通过弹性支承装置和轴箱，将机车重量均匀地分配到各个轮对上。中国电力机车的每轴载重量为23to3、 电气原理交流电力机车所用电能从接触网获得，再由装在车顶的受电弓导入车体，然后经过主断路器进入牵引变压器的原边，降压后输入特殊形式的整流器（变流器）和电抗器，使之成为电压可以平滑调节的直流电流，供给牵引电动机。通过调节整流器的直流输出电压，即电动机的端电压以及电动机的励磁电流，实现机车的起动和调速。4、 鼠笼用鼠笼牵引电动机驱动的交流电力机车，因鼠笼电动机简单、可靠、造价低、重量轻、体积小、易于维护检修、防潮和抗有害气体性能好、牵引特性硬等优点，可以防止机车轮对和钢轨间的打滑（空转），运行部分的牵引特性又可调节成恒功率性能。最大程度地利用了机车上机电设备的功率。因此，这种电力机车具有重载、高速、可靠等特点，是电力机车的发展方向。二、三相交流异步电动机三相交流异步电动机是一种将电能转化为机械能的电力拖动装置。它主要由定子、转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强及使用、安装、维护方便等优点，被广泛应用于各个领域。1、三相交流异步电动机原理旋转磁场：定子三相绕组通入三相交流电即可产生旋转磁场。当三相电流不断地随时间变化时，所建立的合成磁场也不断地在空间旋转。旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致，任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。定子旋转磁场旋转切割转子绕组，转子绕组产生感应电动势，其方向由“右手螺旋定则”确定。由于转子绕组自身闭合，便有电流流过，并假定电流方向与电动势方向相同，转子绕组感应电流在定子旋转磁场作用下，产生电磁力，其方向由“左手螺旋定则”判断。该力对转轴形成转矩（称电磁转矩），并可见，它的方向与定子旋转磁场（即电流相序）一致,于是，电动机在电磁转矩的驱动下，顺着旋转磁场的方向旋转，且一定有转子转速。有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。电动机长期稳定运行时，电磁转矩T和机械负载转矩T2相等，即T=T2。转差率：旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率。描述转子转速与旋转磁场转速相差的程度。在正常运行范围内，异步电动机的转差率很小，仅在0.01—0.06之间。启动与运行：1） 当三相异步电机接入三相交流电源（各相差120度电角度）时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场，该磁场以同步转速n0沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转。2） 该旋转磁场与转子导体有相对切割运动，根据电磁感应原理，转子导体（转子绕组是闭合通路）产生感应电动势并产生感应电流（感应电动势的方向用右手定则判定）。3）根据电磁力定律，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。载流的转子导体在定子产生的磁场磁场中受到电磁力作用（力的方向用左手定则判定）,电磁力对电机转子轴形成电磁转矩，驱动电机转子沿着旋转磁场方向旋转,当电动机轴上带机械负载时，便向外输出机械能。由于没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先，电机转动方向与旋转磁场方向相同。2、 三相交流异步电动机结构三相异步电动机主要由定子和转子构成，定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在定子与转子之间有一定的气隙。定子由铁心、绕组与机座三部分组成。转子由铁心与绕组组成，转子绕组有鼠笼式和线绕式。鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成；线绕式转子绕组与定子绕组一样，由线圈组成绕组放入转子铁心槽里。鼠笼式与线绕式两种电动机虽然结构不一样，但工作原理是一样的。3、 三相交流异步电动机特点优点：与单相异步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。三、交流机车交流牵引电动机1、YJ85A型交流电牵引电机YJ85A电机是大连机辆公司生产的HXD3型120km/h货运电力机车的牵引电机。本产品采用铁道部技术引进中引进的日本东芝公司技术生产。此电机自2006年初在永济电机公司开始生产，截至2009年6月已生产3500多台；此电机已成为我国铁路线上发挥作用最大、保有量最大的异步牵引电机。此电机的研发和生产，极大地提高了永济电机公司在异步牵引电机的设计上和制造上的能力，为永济电机公司今后立足交流牵引市场打下了坚实的基础。额定参数额定功率1250KW额定电压2150VTOC\o"1-5"\h\z额定电流 390A额定转速 1360r/min额定频率 46HZ额定效率 94%功率因数 0.92最高转速 2662r/min极数 4绝缘等级 200级接线方式 Y冷却空气量1.53m"3/s重量 2600Kg2、 技术参数)型号SEA-107/YJ85A型)方式种类三相鼠笼式感应电动机极数4极通风方式强制通风方式3、 结构整机结构电机与机车的连接为滚动抱轴承结构，单端外锥轴斜齿轮输出，输出面锥度为1：50；电机带有一支磁电式速度传感器，测速是通过装在非输出端抽头的测速齿盘来完成；电机采用三轴承结构，传动端装用UN型绝缘圆柱滚子轴承，非传动端用一个UN型绝缘圆柱滚子轴承和一个QJ型绝缘四点接触球轴承，三个轴承均采用国产的铁路牵引电机专用润滑脂命褊席街移舷*照报HunanVocationalCo11egeofRailwayTechnology润滑。采用绝缘轴承是为了防止制造中转子和定子不同心，或逆变器脉冲电源在电机轴上产生轴电流；电机采用轴向强迫通风方式，冷却风从非传动端端盖径向通风孔进入，经过转子通风孔，定转子间的气隙，定子背部的通风道后，从传动端端盖轴向排出；电机两端的端盖均为锻钢结构，在电机定子与传动端端盖间还有一个定子过渡盘，此件也为铸钢结构；在电机两端盖处均设有注油口，在维护保养时可以按要求进行定时、定量补充润滑油。定子定子无传统型的框架式机座，直接用硅钢片叠压而成，为全叠片结构。定子采用开口式槽型，槽内垫有槽绝缘，绕组为双层硬绕组，根据接线的需求，绕组的引出线做成5种长度形式，因此无需过渡连线，定子的槽楔用绝缘材料制成且很薄。定子的三相引出线接成Y形，绕组与三相引出线间有一过渡连线，此过渡连线可以减少连线间截面积的过大变化和电流密度的过大变化，三相引出线采用机车专用电缆。电机设有接地线，接地线也采用机车专用电缆。针对变频电机需要在较高频率下运行的特点，绕组采用聚酰亚胺薄膜带熔敷的导线二根并绕而成。为了得到足够的机械强度、良好的电气性能与优良的热稳定性，定子绕组用端箍固定。定子整体经过真空压力浸漆(VPI),电机的绝缘耐热等级为200级。为了抑制由逆变器运行时的高次谐波电流引起的表皮效果现象，而使交流电阻增大、温度上升的情况，增加定子线圈的并列数量，并且线圈的断面形状做成扁平。为使线圈终端能承受振动要加强固定。定子槽口形状为后退槽口，槽口的开口部设置通风空间，提高冷却效果。空气间隙要设置成比一般产业用的大，尘埃不容易附着的结构。转子转子为鼠笼式结构，鼠笼由专用铜合金导条与锻纯铜的端环用感应焊焊接而成。端环一侧车一较浅的环槽，导条与端环进行对接焊接，称为对接式结构。为防止导条在铁芯槽内出现窜动，导条打入槽后，用专用滚压机将导条滚压膨胀；为提高端环抗高速旋转时产生的离心力的强度，鼠笼焊接后，端环的外圆经过加工再套一个护环；护环用高强度的专用护环钢制成；转子经过动平衡试验，避免高转速时对整机带来的振动。电机的转轴用优质合金钢锻造，锻造后进行粗加工、调质、精加工和磨削加工。锻造和调质保证转轴既有高的强度又有好的抗冲击韧性，精加工和磨削加工保证转轴有良好的组装性能和高的回转精度。转轴为外轴锥，锥度1：50,锥度大端直径①125mm,转轴全长1106mm。由于锥度面较长，为拆卸齿轮方便，轴锥上均匀划了9条油槽。转子为坚固的鼠笼形，其构造能够承受高速旋转。转子杆为银铜合金，另外，为了极力抑制热膨胀，端环由电阻小的纯铜构成。转子杆和端环用银焊进行坚固地连接，在端环上安装非磁性保持环，其构造可承受转子的高速旋转，提高可靠性。因转子采用鼠笼形，所以保养非常简单。请检查下列项目。有无转子杆的松动，短路环、保持环的裂纹及损伤。2）各紧动固螺栓有无松。（4）轴承为了完全防止电腐蚀，轴承采用陶瓷轴承。在驱动侧采用向心圆柱滚子轴承，在驱动相反侧采用向心圆柱滚子轴承及3点接触滚珠轴承，考虑到轴承的载重选择最合适的轴承尺寸。如果轴承有任何异常，例如：断裂、凹痕、裂纹等损伤的话，要进行更换，并同时更换相同型号的滚柱轴承的内环、外环。4、 三相交流异步牵引电机的结构特点异步牵引电动机就其外型看与一般直（脉）流牵引电动机相近，所不同的是机座上不需要换向器的观察孔。异步牵引电动机的内部结构与普通异步牵引电动机基本相同，其机座多采用钢板焊接结构，定子巍由电工钢片叠压而成。电机的级数取决于最高定子频率，一般的牵引逆变器在最高出电压时，最高频率不超过200Hzo电机的级数一般2p=4、6、8级，电机功率大时,极数较多。较大功率的异步牵引电动机定子槽一般为开口槽，以便采用成形绕组，获得良好的绝缘性能，增强运行的可靠性。异步牵引电动机的转子采用鼠笼式，鼠笼绕组用铝或铜硅铝合金铸成，当电机功率较大时（lOOOkW以上），则采用钢材料制成。为了改善电机的启动性能，转子槽一般采用矩形槽，功率较大时，也采用梯形槽。异步牵引电动机一般不用斜槽转子。异步牵引电动机因安装空间限制，结构较为紧凑，为了节省轴向空间，电机一般不采用径向通风道，而采用轴向通风道。机座上方有进风口，由专用通风机进行强迫通风冷却。由于异步牵引电动机悬挂在转向架上，机车运行中电机将承受强烈的振动，迫使它加大空气隙，通常为1.5〜2.5mm。异步牵引电动机转速由于不受换向条件的限制，齿轮传动装置可选用较高的传动比，一般异步牵引电动机的传动比大于4o5、 调速方法（1）变极数调速这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：1） 具有较硬的机械特性，稳定性良好；2） 无转差损耗，效率高；3） 接线简单、控制方便、价格低；4） 有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；5） 可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。该方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。（2） 变频调速变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流一直流一交流变频器和交流一交流变频器两大类，目前国内大都使用交一直一交变频器。其特点：1） 效率高，调速过程中没有附加损耗；2） 应用范围广，可用于笼型异步电动机；3） 调速范围大，特性硬，精度高；4） 技术复杂，造价高，维护检修困难。该方法适用于要求精度高、调速性能较好场合。（3） 串级调速串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，其特点为：1） 可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；2） 装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%—90%的生产机械上；3） 调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；4） 晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。该方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。（4） 电阻调速绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。（5） 定子调压调速方法当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：1） 压调速线路简单，易实现自动控制；2） 调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。3） 调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。（6） 电机调速电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组成，改）变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。电转差离合器由电枢、磁极和励磁绕组三部分组成。电枢和后者没有机械联系，都能自由转动。电枢与电动机转子同轴联接称主动部分，由电动机带动;磁极用联轴节与负载轴对接称从动部分。当电枢与磁极均为静止时，如励磁绕组通以直流，则沿气隙圆周表面将形成若干对N、S极性交替的磁极，其磁通经过电枢。当电枢随拖动电动机旋转时，由于电枢与磁极间相对运动，因而使电枢感应产生涡流，此涡流与磁通相互作用产生转矩，带动有磁极的转子按同一方向旋转，但其转速恒低于电枢的转速N1,这是一种转差调速方式，变动转差离合器的直流励磁电流，便可改变离合器的输出转矩和转速。电磁调速电动机的调速特点：装置结构及控制线路简单、运行可靠、维修方便；1） 调速平滑、无级调速；2） 对电网无谐影响；3） 速度失大、效率低。该方法适用于中、小功率，要求平滑动、短时低速运行的生产机械。（7） 耦合器调速液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。壳中充入一定量的工作液体，当泵轮在原动机带动下旋转时，处于其中的液体受叶片推动而旋转，在离心力作用下沿着泵轮外环进入涡轮时，就在同一转向上给涡轮叶片以推力，使其带动生产机械运转。液力耦合器的动力转输能力与壳内相对充液量的大小是一致的。在工作过程中，改变充液率就可以改变耦合器的涡轮转速，作到无级调速，其特点为：1） 功率适应范围大，可满足从几十千瓦至数千千瓦不同功率的需要；2） 结构简单，工作可靠，使用及维修方便，且造价低；3） 尺寸小，能容大；4）控制调节方便，容易实现自动控制。该方法适用于风机、水泵的调速。6、 机车牵引运行的调节区域异步电动机作为铁路机车的牵引电动机，必须满足牵引性能的要求。一般来说，电力机车的牵引运行可分为：启动加速区、恒功率输出区、提高速度区或恒电压区这三个运行调节区。在机车启动加速阶段，一般要求牵引力尽可能接近黏着牵引力，以获得大而稳定的启动牵引力，这时异步动机应按恒转矩要求进行变频调节；启动后，随着速度的提高，牵引电动机输出功率也不断增大，启动过程结束，则希望牵引电动机按在各种运行速度下保持恒功率输出的要求进行变频调节。为了满足机车启动和运行时牵引特性的要求，需要在调节频率的同时相应调节牵引电动机的电压。7、 牵引电动机的检修（1） 保养标准及内容为了保持主电动机连续正常运行，各部分能充分地发挥其机能，要经常进行定期检查。在确认各部分完好的同时，请适当地更换、补充磨耗部分的易耗品。关于保养周期及方法,因为根据使用状态会有不同，应很好地理解其结构，把握实际状态，计划适应实际状况的检查及保养基准后进行实施。再者，如果大幅度地超出以下所示的保养周期及方法时，请与我公司进行协商。列车检查96小时月检查90日重要部分检查2年或行驶30万公里的任何较早的一方全面检查4年或行驶60万公里的任何较早的一方作为各检查中的一般事项，请特别注意以下的几点。1） 旋转电机要禁止湿度、尘埃。2） 给油要充分，可动部分顺利运转。3） 磨耗部分要未达到磨耗限度。4） 运行中无特别的声响或振动。5） 要经常检查及整理修理记录，明确机器的履历。（2） 转子因转子采用鼠笼形，所以保养非常简单。在分解检查中，请注意如下几点进行操作。1）通过干燥的压缩空气，吹去转子表面、铁心的风孔等的尘埃，保持干净。命褊席街移舷*照报HunanVocationalCo11egeofRailwayTechnology特别是脏污严重的情况，请使用洗净液擦拭。2） 转子清洁后，在转子表面涂抹上光漆，通过干燥炉或风（自然）进行干燥。不需要每次都全面涂抹上光漆，对剥离部分请一定要修补后再涂抹。3） 请检查下列项目。a有无转子杆的松动、短路环、保持环的裂纹及损伤。b各紧固螺栓有无松动。（3） 定子定子线圈通过无溶剂树脂进行真空浸漆处理。在分解检查中请注意如下几点。1） 通过干燥的压缩空气，吹去定子的内部、线圈终端、连接线的尘埃，保持干净。特别是脏污严重的情况，请使用洗净液等擦拭。2） 请检查以下各项。定子内外有无龟裂及损伤线圈短路及绝缘外皮的损伤有无连接线及引出线的折损、绝缘外皮损伤及安装部的松动3） 绝缘电阻试验测定并记录引出线和接地部分间的绝缘电阻。4） 线圈表面的温度保持在90〜120°C,干燥12个小时后，确认在高温状态下是2MQO不能达到2MQ以上时，需要继续进行干燥。5） 分解检查时，每次或每隔一次对定子涂抹上光漆并进行干燥。在120°C的炉内进行预备干燥3〜4个小时。冷却到50-60°C后，对定子线圈及车架内部涂抹上光漆并进行自然干燥。在120°C的炉内干燥12小时以上。（4） 轴承1） 分解检查时，用手慢慢转动从转向架上卸下的主电动机的转子，用听音棒撞击轴承部，确认轴承是否良好。轴承无异常的场合会发出安静的、清脆的声音。但轴承有断裂、凹痕、裂纹等损伤的话，因为会发出“咯嗒咯嗒”或“吱吱嘎嘎”这样的尖锐的、刺耳的声音，所以容易进行分辨。2） 卸下的轴承的处理卸下的滚珠轴承、滚柱轴承用清洗油进行清洗，详细检查滚筒、滚珠、保持架的传送面。只要外环内环的任何一处存在断裂、凹痕、裂纹等瑕疵，就要更换新品。更换时，请同时更换滚柱轴承的内环、外环。组装滚柱轴承时，内环及外环的番号相同的轴承。命褊席街移舷*照报HunanVocationalCo11egeofRailwayTechnology四、交流牵引电动机交直交调速控制系统1、 交-直-交变频调速基本电路频率固定的电网三相交流电经过变频器转变为频率可变的三相交流电，再向交流电动机供电。变频器主要由整流器、直流环节和逆变器三部分组成。整流器主要作用是将电网三相交流电整流成直流电,分为不可控整流器和可控整流器o不可控整流器中的电子器件为二极