机车交流传动技术

3机车沟通传动技术一、简要的历史回忆人所共知，机车进展按其动力来分，最早消灭的是蒸汽机车，以后由蒸汽机车进展到内燃机车和电力机车。在电传动内燃机车和电力机车中，开头是直-直传动，此后是交-直传动，70年月以后又消灭要交-直-交传动，即所谓的沟通传动。这种传动型式被认为是现代机车的标志，日益风行世界。这样的进展道路是由客观规律所打算的，是历史进展的必定，是机车由低级向高级渐渐演化的必定结果。每种机车的消灭和存在都是与当时的技术进展相适应的。比方随着大功率硅整流技术的消灭，直-直传动很必定地被更优越的交-直传动所取代。同样，随着大功率的晶闸管特别是大功率可关断晶闸管〔GTO〕的消灭和微机掌握技术等的进展，交直传动很自然地被交-直-交传动所取代。二、沟通传动技术的特点和优点人们很早地生疏到沟通传动的优越性。沟通传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是牵引电动机采用了沟通异步电动机，其一系列的优点都是由此而表现出来的。沟通传动机车所以成为现代机车进展的方向，正是由异步电动机的特点和优点所打算的。和传统的串激直流电动机驱动系统相比，沟通异步电动机驱动系统的优越之处表现在机械、绝缘、耐热、耐潮、粘着、修理、效率、重量尺寸等诸多方面。1、构造简洁异步电动机是全部电机中构造最简洁的电动机，除轴承外，没有其他机械接触局部。串激直流电动机则不然，构造简单。定子、转子都有绝缘要求很高的绕组，有换向器装置和电刷机构，磨擦局部多，接线简单，机械转速受换向条件和机械强度的限制，只能到达2500r/min左右。而沟通异步电动机转速可达4000r/min6000r/min，这是直流电机所忘尘莫急的。2、粘着性能好异步电动机有很硬的机械特性，所以当某电机发生空转时，随着转速的上升，转矩很快降低，具有很强的恢复粘着的力量。空转发生时，转速上升值不大，即使是同步转速，与原工作点的转速差不会超出5%以上。串激电动机则不然，转矩变化一点，转速就有很大的变化。异步电动机的工作点可以很便利地进展平滑调整，以实现最大可能的粘着利用，不会消灭粘着中断状况。依据检测有关粘着掌握的信号，准确、快速地转变逆变器输出的电压和频率，寻求最正确工作点，使驱动系统既不能发生空转，又能充分发挥最大的牵引力。。在交—直传动系统中，某轴空转时，需要使全部各轴电机卸载，这样就大大降低了机车的牵引力量。1992年美国铁路协会〔AAR〕在向四家机车制造厂提出的26台沟通传动机车投标建议书中提出的粘着指标是：起动粘着系数45%，全天候牵引粘着系数是32%〔GE公司在交—直传动机车上，承受“SENTRY”粘着掌握装置后，全天候粘着系数是0.25~0.3。如此之高的粘着利用，正是针对沟通机传动机车所具有的良好的粘着掌握而提出的，这对于交—直传动系统是不行想象的。德国四轴1203、功率大，牵引力大这个概念是指在其它条件大致一样的前提下，在机车构造所供给的空间条件下，可以装更大功率的异步电动机。如加拿大改造的CP4744号机车，在给定的设计空间条件下，直流电动机的功率大约被限制在600~700kW/轴。装用BBC6FRA40B异步牵引电动机，其功率可达1492kW/轴以上。正因如此，才可使机车的牵引功率大大提高。牵引功率大导致牵引力大，而又由于粘着性能好，大的牵引力能充分发挥其牵引力量。我们可以比较一下ND5型交直流传动机车和SD60MACND5为2940kW533.6kN22.2km/h359.8kN；SD60MAC2835kW781kN20.5km/h521kN。后者与前者相比，不管起动牵引力和持续牵引力都高出45%。目前，从国外统计资料来看，不同类型电机其单位重量功率可到达的比值为：直流电动机为0.33kW/kg，同步电动机为0.5kW/kg，异步电动机为0.68kW/kg。随着科技的进展，异步电动机的单位重量功率将越来越300300k0.75kW/kg。这一经济技术指标，对世界各国正在大力进展的重载和高速机车尤为有利。4、牢靠性高，修理简便沟通异步电动机无换向器、无电刷装置；除轴承外无磨擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好；H级或F级，绝缘性能好，耐热性能好。因此故障率低，牢靠性高。掌握装置是模块构造，故障率也很低，驱动系统的全部运行过程和掌握过程均由无触点电子元件完CP4744型机车的运用MaK公司制造的沟通牵引电动机连续工作7年没有发生过一件烧损事故。据美国伯灵顿北方铁路介绍，该公司直流电动448120~160传动机车有完备的微机监视系统和故障诊断系统，可随时监视系统的技术状态，进展故障诊断。综上所述，可知沟通传动系统的牢靠性是很高的，修理量很小，且检修简便，修理费用大大降低。加拿大CP4744型沟通传动机车的应用实践说明：不仅延长了打算修间隔，而且削减了打算外修理次数，每台机车每年可削减打算65、效率高，利用率高、使用敏捷性强0.90，而交直流传动系统的总效率约为0.86。E120沟通传动机车在长期应用比照中觉察，客运作业时可节能3~6%，货运作业时可节能8~10%。由牢靠性、耐久性和易于修理的结合，使沟通传动机车的利用率显著提高。与直流传动机车相比，BBC沟通传动机车的利用率提高了10%。对铁路运营治理来说，在计算所需数量时，机车利用率起着重要作用，对所需投资有打算性的影响。沟通传动机车有很强的使用敏捷性，它既可满足货运的大的起动牵引力的要求，又可满足客运高速度的要求。5．动力性能好、制动性能好异步电动机构造紧凑、重量轻，同时承受特别的悬挂装置，簧下重量小，有较高的曲线通过力量，对轨面的冲击力小。可在宽阔的速度范围内实行电制动，甚至可以制动到零，制动功率大。一局部电制动的能量可用于其它关心设备。三、沟通牵引电动机三相沟通牵引电动机〔包括变频异步牵引电动机和自控同步牵引电动机〕是随着现代大力率变流技术的快速进展而进展起来的，除工业上应用以外，现已被成功地应用于铁道干线车和高速动车上。异步牵引电动机转子上没有换向器及带绝缘的绕组，不存在换向火花和环火稳定性问题，因此，它构造简洁、运行牢靠，可以以更高的圆周速度运转，使机车具有很宽的调速范围。沟通牵引电动机的技术优越性由于沟通牵引电动机没有换向器工作面圆周速度的限制，因而可以选用高的转速和大的传动比，这样，能显著减轻电机的重量，以获得较大的单位重量功率。另外，沟通电动机充分利用了原直流电机换向器所占的空间，热量能沿定子圆周均匀散发，改善了电机的冷却效果，明显地增长了电机的寿命。沟通电机的优越性可由下表所示的德国电力机车用的两种电机参数比较中得到证明，也可由日本东洋电机公司制造的沟通、直流牵引电机参数比较得到证明。两种不同类型牵引电动机参数比较表1电机种类型号安装机车型号功率〔kW〕三相异步电动机BQCA843BRl201400脉流电动机UZll6—64K181.21360〔5rnin〕持续功率〔kW〕1400810电机电压〔V〕22001050持续电流〔A〕360〔相〕830最大转速〔r/min〕36001860转子直径〔mm〕930950重量〔kg〕23803630单位重量功率0.5880.375〔kW/kg〕由上表可以看出，对于中小型容量的电机，在大致一样的重量和外型尺寸状况下牵引电动机的功率一般30％。中、小容量交、直流电机参数比较表2电机类型沟通异步电动机直流牵引电动机型号TDK6200-ATDK8270-A小时功率(kW)165130小时转速〔r/min〕1565L450绝缘等级CC重量〔kg〕770776机座外径〔mm〕570570单位重量功率(Kw/kg)0.2140.168单位重量转矩〔N·m/Kg)1.3161.10.33kW/kg，同步电动机为0.5kW/kg，异步电动机为0.68kW／kg。随着科技的进展,异步电动机的单位重量功率值将越来越高。如日本干线上300系列原型试验车，所承受的沟通异步牵引电动机其功率到达300kW，但重量缺乏400kg，单位重量功率可达0.75kg。这一经济技术指标，对世界各国正在大力进展的高速机车尤为有利。众所周知，高速机车为改善机车和轨道的动力学性能，除了改进机车机械局部构造外，还需减轻簧下重量，而采用单位重量功率大的异步电动机则是一条行之有效的途径。3电力机车用沟通异步电动机参数表3制造国家德国德国利瑞士丹麦电机型号ITB2BAZ7096E4026FRA7EA30824／A05900电机功率〔Kw〕14281250125011051020电压〔V〕20501730320021902050电流〔A〕510493364352转速〔r/min〕1490127920601300最大转速〔r/min〕400034402898绝缘等级CFFCH重量〔kg〕26502023280021001950单位重量功率〔kW/kg〕90.530.62260.440.52630.52单位重量转矩〔Nm/kg)3.453.6762.073.861沟通异步牵引电动机的根本构造异步牵引电动机主要由定子和转子两局部组成。定子通常是无机壳叠片形式，铁芯两端装有厚压板，压板间用拉杆或钢板固定，用电焊将压板、铁芯和拉杆等焊成一个整体。定子压板又作为转子轴承支架，通过端盖和压板的止口来固定转子局部。转子通常是鼠笼型，其绕组用铝或铜硅铝合金铸成，容量较大的牵引电动机则承受铜材料制成。由于异步牵引电动机都承受降低频率起动，起动时集肤效应很小，从磁路饱和及结构简洁的理由考虑，转子可以承受矩形槽。考虑到变频异步电动机掌握方式简单和运行条件恶劣，异步牵引电动机构造上有如下特点。由于异步牵引电动机运行时，需承受来自线路的猛烈振动，因此需承受比一般异步电动机较大的气隙〔1.5mm~2.5mm)。定子槽型一般承受开口型，这样可以用成型绕组以获得良好的绝缘性能，增加运行的牢靠性。对于选用气隙较小的电机，可在定子槽口开通风槽口，这样可增加通风效果，同时还可以增加电机漏抗，减小谐波电流的影响。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，取消键槽协作，以满足牵引电机频繁正反起动的要求。鼠笼转子的导条与端环间的联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，以增加强度和刚度。承受耐热等级高、厚度薄的聚酰亚胺薄膜和云母带作定厂主绝缘。并通常选用C级绝缘材料作H级温升使用，以提高电机热牢靠性。开头使用绝缘轴承，阻挡由于三相电流不平衡时产生的轴电流流过轴承，避开轴承受到电腐蚀，保证轴承寿命。为协作变频调速系统进展转速〔差〕闭环掌握和提高掌握精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器。为适应高速列车运行需要，异步牵引电动机大多承受全悬挂方式〔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，大大削减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。实心轴传动多用于中型牵引电动机，如德国西门子公司在地铁车辆上设计厂专用的球形万向联轴节，置于轴伸和小齿轮中间，以补偿运行中轮对和电机间相对垂直位移，避开电机承受弯矩和轴向力，延长轴承寿命。空心轴多用于电力机车用的大容量的牵引电动机，动轴两端承受齿形联轴节构造，便于折装。异步牵引电动机的设计特点异步牵引电动机的工作条件与工业用的一般异步电动机不同，一般异步电动机是在肯定频率、电压和磁通下工作的。而异步牵引电动机却常常工作在变化的频率、电压和磁通下，同时机车牵引的性质要求它在宽广的调速范围内恒功率运行并具有较高的过载力量。异步牵引电动机的工作特点打算了它有如下设计特点。一般异步电动机，仅对其额定工作状态进展计算即可。在设计异步牵引电动机时，仅限于计算某一个工作状态是不够的。由于当变频调整时，电机的机械特性、功率因数及过载力量都会发生变化。另外，当恒功调整时，其恒功特性的获得与调整方式有关，不同的调整方式所要求的牵引电动机尺寸不同，正如前面曾介绍过的最大逆变器最小电动机和最小逆变器最大电动机方案那样。所以电动机的设计不能脱离对整个传动系统的技术经济指标来考虑。由于异步牵引电动机是由逆变器供电的，为了使电机参数和逆变器换流性能相协作，不同类型逆变器要求电机有不同的设计方案。对于具有关心晶闸管换流的电压型逆变器，为了抑制谐波电流的影响，期望电动机设计具有较大的漏抗。对于具有串联二极管电路的电流型逆变器，为了减小换流时产生的过电压，则期望电动机设计时具有较小的漏抗。两种漏抗的设计方案可以通过调整电磁参数和槽形构造形式的方法来实现。一般说来，带换向器的牵引电动机的最大传动比受换向器允许的圆周线速度及抗电势限制，而异步〔大于4。。为避开转矩不平衡，其额定转差率通常设计得比一般电机为大。当几台电机并联运行时，要求各电机的转矩特性尽量接近，而影响异步电动机特性的主要因素是转子电阻。因此，必需选取电阻率分散性小、温度变化率小、截面尺寸均匀的导条材料。fmaxP一起考虑的。由机车最高运行速度Vmax。打算的牵引电动机的最高转速为式中μ—齿轮传动比；Dd—动轮直径，m；VmaxKm/h。牵引电动机的最高频率为由式可见，fmax的选择和电动机的极对数np圆尺寸加大；但极数较多时，相应的供电频率要提高，而频率的提高受到逆变器经济技术指标的限制。通常，2P=4、6、8，4设计异步牵引电动机时，一般应满足以下转矩条件Tq/TN≥1.8~1.9式中TN—电动机的额定转矩；Tq—依据粘着条件起动所发的转矩。Tq式中P0—机车每个轨对钢轨的正压力，N；—起动时的粘着系数。从稳定性考虑，最大转矩Tm对起动转矩应有肯定的储藏裕量，即要求Tm/Tq=1.15~1.20在额定电压和额定频率下，牵引电动机的过载力量应到达Tm/Tq=1.6~2.0在相应于机车最高速的频率下，上述比值也不应小于1.25对于现代干线电力机车来说，期望每根动轴上牵引电动机的功率能到达1000kW~1200kW或更高，这就迫使异步牵引电动机取用较高的电磁负荷和机械负荷。因此，要求设计电机时使用高质量的磁性材料和高性能的绝缘材料，并具良好的强力通风装置。四、国内外沟通传动的进展概况德国1971年德国Henschel公司和BBC公司首先开发出DE2500型沟通传动内燃机车，功率为1840kW，从今开头了现代沟通机车的时代。自1970DE2500型机车为先驱的沟通传动机车可视为第一代沟通传动机车。受当时技术进展的限制，主电路开关元件承受的是关断速度较快的一般晶闸管，掌握电路有的还没有承受微机，属于这一代的还有荷兰的DE6400、土耳其的ME07、伊朗的ME10等各型机车。1989年KruppMaK公司和ABB公司开发出GTODE1024〔1987年世界上消灭第一台应用GTO3200kWRe4/4GTO代沟通传动机车1996年11Adtranz公司和美国GE内燃机车，功率范围从1640kW到3280kW，货运机车最高速度为120km/h，客运机车最高速度为200km/h和240km/h。美国从80年月中期开头，美国GM公司便与德国西门子公司合作，共同开发一代沟通传动大功率内燃机车。1993〔BNSF〕GM3504000SD70MAC内燃机车，随后该公司的订货增加到535台。这种型沟通传动内燃机车显示出了良好的技术经济性能，又适应了美国各大铁路公司机车老化而将更换代的需要。对GM公司大批沟通传动内燃机车的订货，刺激并推动了GE公司加速开发自己的大功率沟通传动内燃机车。这样在北美两大机车制造厂家之间，便掀起了开发大功GM和GE3000台。GM1998304000英制马力的GT46MAC同时将对印度作技术转让，使印度DLW我国沟通传动的进呈现状7080年月初沟通传动机车就已经进入商用化，技术日趋成熟。因此铁道部主管领导曾指出，我国进展沟通传动不要跟在别人后面先KK，后GTO，再IGBT一步一步地走老路绕弯子，应跨过GTOIGBT的差距。