内燃机车电力传动2__第二章牵引电机

内燃机车电力传动二11/29/2021第一节 直流牵引电动机一、直流牵引电动机的工作原理 在交直流电力传动装置中，广泛采用直流串励电动机作为驱动机车车辆的牵引电动机，它的工作原理与一般直流串励电动机相同。 图21 直流电动机横向剖面 图22 直流电动纵向剖面1主极线圈；2主磁极；3换向极线圈； 1吊环；2机座，3端盖；4风扇；5电枢绕组；4换向极；5电枢绕组；6底脚； 6后压圈；7轴承；8轴；9电枢铁芯；10前压圈；7电枢槽；8机座磁轭；9电枢铁芯； 11换向器压圈；12换向器；13 电刷；14刷握装置； 10极靴。 15前端盖；16主极线圈；17主极铁芯。11/29/20212v直流电动机的根本工作原理 主磁极：由励磁磁势建立主磁场，磁场方向：N S 静止的电刷 A和B与换向器滑动接触，将直流电引入电枢线圈abcd 电磁力定律：载流导体在磁场中要受到电磁力的作用 电磁力大小：fx = Bx l is 电磁力的方向：由左手定那么决定 一对电磁力形成电磁转矩Mx 电磁感应定律：运动导体切割磁力线必感应出电势电动机中为反电势 感应电势大小：e = Bx l v 感应电势的方向：按右手定那么决定 换向器：其作用是使旋转中的电枢线圈中电流换向，从而保证每个磁极下线圈边中的电流始终是一个方向 ，使电磁转矩的方向不变，电机按一定方向连续旋转。换向器 改变电源正负极，或改变磁场方向时，电枢线圈所受的电磁力都将反向，电枢反向旋转。fxfxexex11/29/20213v具有八个线圈的直流电动机 在实际的直流电机中，电枢上都不只有一个线圈，而是有许多线圈均匀且牢固地嵌放在电枢铁芯槽中 。 换向器由八个互相绝缘的换向片组成。 八个线圈通过换向片联接，构成了一个闭合的绕组。 位于磁极中性线上两个电刷将闭合的绕组分成了两个并联的支路。 所有的线圈都被利用来产生电磁转矩和感应电势，其合成感应电势和电磁转矩的大小取决于并联支路线圈和总线圈数量的多少。 11/29/20214二、直流电动机的电磁转矩和感应电势 电磁转矩和感应电势是直流电动机实现机电能量变换所不可缺少的两个要素。 电磁转矩的计算公式 Cm转矩常数，决定于电机的结构； 磁通Wb； Is电枢电流A；M电磁转矩N m。 感应电势的计算公式 Ce电动势常数决定于电机的结构； 磁通Wb； n 电机转速r/min；Es感应电势V。 11/29/20215v直流电机的可逆性 在一定的条件下，直流电机既可作为电动机运行又可作为发电机运行，由此应用于机车上的牵引工况和电阻制开工况。 电动机工况：克服反电势，输入电能，产生电磁转矩，驱动电机负载旋转，将电能转变为机械能。 发电机工况：由原动机拖动电机旋转，在电枢绕组中产生感应电势，输出电能，即将机械能转变为电能；而电磁转矩的方向与拖动转矩的方向相反，称为制动转矩。11/29/20216三、直流电机的根本方程式 直流电机是传动系统中进行机电能量变换的元件。直流电机的根本方程式是指直流电机电系统中的电压平衡方程式、机械系统中的转矩平衡方程式以及功率平衡方程式。这些方程式综合了电机内部的电磁过程，同时也表达了电机外部的运行特性及功率平衡关系。 11/29/20217一电压平衡方程式对于串励电动机 U = Us + UL = Cen+ IsRs + RL) = Es + IsRD对于他励电动机 U = Us = Cen+ IsRs = Es + IsRs 由于RD值很小，电压降IsRD不大，故UES。 U电源电压V；Us电枢绕组的端电压V；ULUL=ILRL励磁绕组的 端电压V； ES电枢反电势V； Is电枢电流A； IL励磁电流A； Rs电枢绕组电阻；RL励磁绕组电阻； RDRD=RS+RL电枢回路的电阻。 11/29/20218二转矩平衡方程式 电动机瞬态的转矩平衡方程式： M电磁转矩，Mz 负载阻力转矩，M0 空载阻力转矩， 惯性转矩。 电动机稳定运行条件下的转矩平衡方程式 ： 那么 M = MZ + M0 一般M0 由摩擦损耗和铁磁损耗等引起 较小，故MMZ。 11/29/20219三功率平衡方程式和电机效率电磁功率： 无论是电动机还是发电机，在电功率EsIs与机械功率M能量变换过程中，能量守恒。 在能量转换过程中，不可防止地会伴随着各种各样的损耗：机械损耗 P机 电机轴承，电刷与换向器之间，旋转局部与空气之间存在的摩擦损耗。铁损耗P铁 电枢铁芯中由磁滞和涡流所引起的能量损耗 一旦电机旋转，不管它是否带负载，机械损耗和铁损耗就会存在，因此通常把这两项损耗合起来叫做空载损耗P空，即P空=P机+P铁铜损耗P铜 因为电枢绕组、励磁绕组、电刷、电刷和换向器接触处都存在电阻，合为RD，近似为铜导体电阻，当有电流流过时，就会产生铜损耗P铜=I2RD。 11/29/202110v直流电机功率平衡关系根据能量守恒定律，电机的输入、输出和损耗之间存在一定的平衡关系。 对于直流电动机： 电源输入的功率 P1 = P +P铜 P电机吸收的电磁功率 输出给负载的机械功率 P2 = P -P空 功率平衡方程式 P1 = P2 + P空 + P铜 v电机效率：衡量电机内部损耗的大小 11/29/202111四、直流牵引电动机的工作特性和速度调节 电传动机车是由牵引电动机驱动的，因此牵引电动机的工作特性必须满足机车牵引性能提出的要求。电动机输出的机械转矩和转速是说明电动机工作特性的两个重要的物理量，分别与机车牵引力和机车速度相对应，因此，转矩特性和转速特性是电动机的两个主要特性，是选用牵引电动机的重要依据。 一直流牵引电动机的转速特性和转矩特性 直流电动机的工作特性表示当不对电源电压及励磁电流进行人为调节时，电动机的转速n、转矩M随电枢电流Is的变化关系。电机的工作特性因励磁方式不同差异很大，所以讨论时，既要应用综合电磁过程的有关方程式，又要注意到不同励磁方式的特点。 11/29/202112v转速特性 电源电压U=常数，励磁电流不认为调节：n = f (Is) 根据电压平衡方程式得： 他励或并励电动机：不对励磁电流进行人为调节时，=常数，那么 n = n0 K Is 式中 空载转速， 很小串励电动机：IL=Is，随Is而变化，假设忽略电机磁路的饱和，可近似用 =KfIL=KfIS，那么 11/29/202113v转矩特性 电源电压U=常数，励磁电流不认为调节：M = f (Is) 忽略空载转矩M0，电动机输出转矩近似等于电磁转矩，即 M = CmIs 他励或并励电动机：不对励磁电 流进行人为调节时，=常数，那么 M = CmIs = CmIs 串励电动机：同样可设 =KfIL=KfIS， 那么 M= CmIs=CmKfIS2 显然，串励电动机与他励电机的转速特性、转矩特性截然不同 ，由特性曲线形状来看，串励电动机具有较大得转速和转矩调节范围。11/29/202114v机械特性 M=fn 将转速公式和转矩公式联立消去IS，便得到转矩与转速的方程式： 他励或并励电动机：在电压U不变时，主极磁通也不变，其机械特性M = f (n)近似为一较陡负斜率的直线，随着负载转矩的较大变化，转速仅有很小变化，这种特性称为“硬特性 。 串励电动机：随电枢电流IS而变化，根据转矩特性、转速特性及磁化曲线之间的对应关系可求出其机械特性，随输出力矩M的增加，转速n迅速下降，这种特性称为“软特性。 11/29/202115二牵引电动机特性分析 对串励和他励两种型式得电机进行比较，分析它们各自的优缺点，并确立选用牵引电动机时应考虑的因素及根本原那么。 牵引调速性能：在内燃机车上，牵引电动机由恒功率电源供电， 输出电压变化范围有限，串励电动机的“软特性特点能使牵引电动机在电源电压较小变化时具有较大的转速和转矩变化，因而调速容易，调速范围较宽。 牵引电动机之间的负载分配：机车上几台牵引电动机同时并联运行，由于电动机的特性不可能完全一致，或者动轮直径不完全相等，都将引起电动机之间负载分配的不均匀现象，个别电机在运转时将会发生严重过载情况。串励电动机由于具有“软特性，这种负载分配的不均匀性远较他励电动机为小 。11/29/202116v防空转性能 机车起动或满载爬坡时，常常因轮轨间得粘着破坏而发生个别动轮个别动轮空转的现象。此时假设能迅速减小牵引电动机的电流和输出转矩，就能使粘着条件恢复。串励电动机的“软特性不利于粘着条件的恢复。而他励电动机的“硬特性却有利于防止动轮空转 。 v起动性能及过载能力 由于串励电动机的转矩特性M = f (Is)近似地按电枢电流平方的比例增长，因而起动转矩大，适合机车起动时较大起动牵引力的要求。 最大转矩主要受短时允许的过载电流所引起的发热限制 ，在相同得过载电流下，串励电动机的最大转矩较他励电动机大。11/29/202117三牵引电动机的速度调节 由于机车运行条件比较复杂，经常需要按照线路情况来选择适宜的运行速度，这就要求牵引电动机能够在宽广的范围内均匀而经济地调速，而且调速设备应简单，操作方便。根据转速公式可知直流牵引电动机的调速方法有三种：改变牵引电动机的电源电压U；调节牵引电动机的励磁；调节电枢回路的电阻RD。 其中，采用在电枢回路中串联可调电阻的方法调速，方法虽然简单，但往往是有级地改变电阻值，因而调速不平稳，同时附加调节电阻要损耗大量电能，将使牵引效率降低。过去仅在小功率的机车和城市电车中采用。因此，在机车中不采用这种方法，而广泛采用改变牵引电动机的电源电压以及削弱牵引电动机的磁场的调速方法。11/29/202118v改变电源电压调速 根据转速公式，如果忽略电枢回路的电压降，可以认为电动机的转速与端电压成正比，即 调速过程：当牵引电动机在电压U1和某一负载转矩M1其相应的电枢电流为I1下以转速n1稳定运行于a点时，为了调速，电源电压由U1突然上升为U2，由于机车的机械惯性，机车速度和电动机转速都来不及变化，电枢反电动势Es也因之不变，根据电压平衡方程式可知电枢电流Is必将突增，电动机的工作点由a点平移地跳到b点。此时牵引电动机输出的转矩M增大，引起电动机的转速随之沿着电压为U2的特性曲线上升。假设负载转矩M1仍未改变，随着转速的上升，电枢电流和电动机转矩逐渐减小，直到转速升至n2、电枢电流重新等于I1，转矩重新平衡M=M1为止，电动机便将稳定运行在c点。 11/29/202119v削弱磁场调速 在串励牵引电动机中，比较常用的削弱磁场的方法是在励磁绕组两端并联一级或数级分路电阻。在负载转矩不变的条件下，削弱前、后的电机转矩应相等，即得 磁场削弱前后得转速关系：11/29/202120五、直流牵引电动机的电枢反响 主磁极上的励磁磁势建立主磁场。当电枢绕组中有电流时，由电枢磁势建立电枢磁场，其轴线与主磁场轴线相互垂直，故又称电枢磁场为交轴磁场。电枢磁场使主磁场受到影响，电机的气隙磁场发生了变化，称之为电枢反响。电枢反响的结果是： 1电机气隙中的合成磁场发生畸变； 2电机气隙中的合成磁场有所削弱。 严重的是由于磁场的畸变使电机换向条件恶化，容易产生火花。11/29/202121六、直流牵引电动机的结构11/29/202122第二节 同步牵引发动机 在交直流电力传动内燃机车中，牵引发电机采用同步发电机，称为同步牵引发电机。 同步牵引发电机是根据电磁感应原理，将机械能转变为电能的旋转电机。同步电机有两种结构形式，一种是旋转电枢式，另一种是旋转磁极式。绝大多数的同步电机，特别是功率较大的电机，都采用旋转磁极式的结构。 11/29/202123一、同步牵引发电机的根本原理定子铁芯中嵌有三相对称绕组AX、BY、CZ，称为电枢绕组，对称条件是：这三组绕组的匝数和导线截面相等，在空间位置上互相距离120电角度。转子上绕有励磁绕组，当直流电流通过电刷和滑环送入励磁绕组时，使转子磁极产生极性不变的N极和S极，在气隙中形成一对磁极的主磁场 。当原动机拖动转子旋转时，那么定子绕组与转子磁场之间产生相对运动，根据电磁感应原理，在定子上的三相绕组中将产生感应电势波形大小和频率均相同，相位互差120 电