交流牵引电机讲座.ppt

1 1 交流牵引电机讲座交流牵引电机讲座 （吴顺海（吴顺海）） 株洲南车电机股份有限公司株洲南车电机股份有限公司 20042004年年1010月月 2 2 交流牵引电机讲座提纲交流牵引电机讲座提纲 交流牵引电机的概述交流牵引电机的概述 交流牵引电机设计原理交流牵引电机设计原理 交流牵引电机结构特征交流牵引电机结构特征 交流牵引电机制造工艺交流牵引电机制造工艺 交流牵引电机检测试验交流牵引电机检测试验 交流牵引电机检修维护交流牵引电机检修维护 3 3 交流牵引电机的概述交流牵引电机的概述 交流牵引电机的国内外发展状况交流牵引电机的国内外发展状况 交流牵引电机的发展趋势交流牵引电机的发展趋势 国内交流牵引电机的发展水平国内交流牵引电机的发展水平 国内电机主要的问题与解决的途径国内电机主要的问题与解决的途径 4 4 交流牵引电机的国内外发展状况交流牵引电机的国内外发展状况 • • 日本新干线日本新干线————日本川崎、三菱、日立日本川崎、三菱、日立 • • 德国德国 ICE ICE————西门子西门子 • • 欧洲欧洲X2000-----ABBX2000-----ABB • • 法国法国TGVTGV————阿斯通阿斯通 • • 中国中国“ “中华之星中华之星” ”、、“ “奥星奥星” ”、、“ “蓝箭蓝箭” ”、、“ “先锋号先锋号” ” 、、“ “中原之星中原之星” ” 5 5 西门子交流异步牵引电动机西门子交流异步牵引电动机 6 6 西门子交流异步牵引电动机西门子交流异步牵引电动机 7 7 ABBABB交流异步牵引电动机交流异步牵引电动机 8 8 株洲南车交流异步牵引电动机株洲南车交流异步牵引电动机 9 9 株洲南车交流异步牵引电动机株洲南车交流异步牵引电动机 1010 西门子交流异步牵引电动机西门子交流异步牵引电动机 1111 交流牵引电机的发展趋势交流牵引电机的发展趋势 • • 交直交异步变频交直交异步变频 • • 直接力矩控制直接力矩控制 • • 轴控和架控轴控和架控 • • 动力集中和动力分散动力集中和动力分散 • • 大功率大功率 • • C C级绝缘、全叠片、铜条转子级绝缘、全叠片、铜条转子 1212 国内交流牵引电机的发展水平国内交流牵引电机的发展水平 • • 设计开发能力－－能够设计出高水平电机设计开发能力－－能够设计出高水平电机 • • 工艺制造能力－－基本具备工艺制造能力工艺制造能力－－基本具备工艺制造能力 • • 实物质量水平－－具备一定的水平实物质量水平－－具备一定的水平 • • 实际运行状况－－均在考核期实际运行状况－－均在考核期 • • 主要的差距－－电机特性的一致性主要的差距－－电机特性的一致性 材料差异材料差异 制造工艺的分散性差异制造工艺的分散性差异 实物过程控制的差异实物过程控制的差异 1313 交流牵引电机设计原理交流牵引电机设计原理 • • 交流电机调速的优越性交流电机调速的优越性 • • 异步电动机的概念异步电动机的概念 • • 交流电机基本运行原理交流电机基本运行原理 • • 交流电机调速原理交流电机调速原理 • • 交流牵引电机设计特点交流牵引电机设计特点 • • 交流电机的基本特性、转矩特性交流电机的基本特性、转矩特性 1414 交流电机调速的优越性有那些？交流电机调速的优越性有那些？ • • 与直流电机比，交流电机的转速范围高与直流电机比，交流电机的转速范围高 • • 与直流电机比，交流电机的单机功率更大与直流电机比，交流电机的单机功率更大 • • 与直流电机比，交流电机的结构更简单与直流电机比，交流电机的结构更简单 • • 与直流电机比，交流电机的恒功范围更广与直流电机比，交流电机的恒功范围更广 • • 与直流电机比，交流电机的维护成本更低与直流电机比，交流电机的维护成本更低 但交流电机的调速比直流电机困难。

但交流电机的调速比直流电机困难 1515 异步电动机的概念异步电动机的概念 异步电动机的基本工作原理是：定子通上三相交 流电后，在气隙中产生以同步速旋转的磁场，该磁场 切割转子导条后在转子导条中感应产生电流，带电的 转子导条处于气隙旋转磁场中就要产生电动力，使转 子朝定子旋转磁场的同一方向旋转由于转子导条中 的电流是因转子导条切割由定子绕组产生的气隙磁场 才由的，所以转子的转速只能低于气隙旋转磁场的同 步转速，永远不可能达到同步，否则转子导条与气隙 磁场同步旋转，转子导条不再切割磁场产生感应电流 和产生电动力了，转子也不可能旋转了，所以叫按这 种原理运行的电机为异步电动机 1616 什么是交流电机的旋转磁场？什么是交流电机的旋转磁场？ 在电机的定子上对称地布置有三相对称绕组在电机的定子上对称地布置有三相对称绕组 ，每相绕组中通入正弦交流电，单相绕组在气隙，每相绕组中通入正弦交流电，单相绕组在气隙 中产生一个脉振磁势（脉振磁场），脉振磁势振中产生一个脉振磁势（脉振磁场），脉振磁势振 幅随着电流忽正忽负不停地变化三相绕组在空幅随着电流忽正忽负不停地变化。

三相绕组在空 间上相差间上相差120120，三相绕组产生的合成磁势（磁场，三相绕组产生的合成磁势（磁场 ）就是旋转磁势（旋转磁场）旋转磁势（旋转）就是旋转磁势（旋转磁场）旋转磁势（旋转 磁场）振幅大小不变，振幅方向沿圆周方向的旋磁场）振幅大小不变，振幅方向沿圆周方向的旋 转，所以叫旋转磁势（旋转磁场）转，所以叫旋转磁势（旋转磁场） 1717 什么是交流电机的转差？什么是转什么是交流电机的转差？什么是转 差频率？什么是转差率？差频率？什么是转差率？ •异步电动机转子的实际转速与定子旋转磁场的同 步转速的差值叫电动机的转速差 •通常把同步转速n1和电动机转子转速n二者之差与 同步转速n1的比值叫做转差率s. •异步电动机的转差率与同步转速的频率的乘积叫 电机的转差频率 同步转速 n= f1-定子电流频率 p-电机极对数 转差率 s= 1818 什么是交流电机的等效电路图？什么是交流电机的等效电路图？ R1L1R2 L2 Lm Rz 等效电路图是交流电机设计计算的基本数学模型 Rm 1919 异步电机的气隙、极数、相数异步电机的气隙、极数、相数 • • 电机的气隙是电机定子与转子之间存在的一个间电机的气隙是电机定子与转子之间存在的一个间 隙，通过气隙产生交变磁场，完成机电能量的转隙，通过气隙产生交变磁场，完成机电能量的转 换。

换 • • 交流电机的极数是通过定子绕组在空间按照偶数交流电机的极数是通过定子绕组在空间按照偶数 值沿圆周平均布置而形成的磁极（值沿圆周平均布置而形成的磁极（N N＋＋S S）数一 般有般有2 2、、4 4、、6 6、、8 8极在定子绕组接线时形成与 直流电机不同的是交流电机极数与转速有关 • • 交流电机的相数也是通过定子绕组在空间按照一交流电机的相数也是通过定子绕组在空间按照一 定的数值在圆周平均布置而形成的一般有定的数值在圆周平均布置而形成的一般有3 3相和相和 6 6相绕组他们按照相绕组他们按照U U、、V V、、WW的顺序排列的顺序排列 2020 交流电机基本运行原理交流电机基本运行原理 当外加电压和频率一定时，由于一台电机的参 数是固定不变的， 电磁转矩只是转差率的函数 异步电动机的机械特性（M-S曲线） 2121 交流电机基本运行原理交流电机基本运行原理 2222 交流电机基本运行原理交流电机基本运行原理 在1≥s>0的范围内，电机处于电动机运行状 态，电磁转矩与转子转速同向s=1为起动运 行状态 在sn1，电磁转矩为负，n为正，电机处于再生制 动运行状态（异步发电状态）。

在s>1的范围内, 电磁转矩为正，n为负，电 机也是制动状态这种制动方式效率低，电 机从电网吸收的电能及机械能均消耗在电机 内部，用于特殊场合，如升降机下降 2323 交流电机基本运行原理交流电机基本运行原理 最大转矩：电磁转矩对转差率微分，并让 dM/ds=0，简化后得 在给定电机参数及定子频率下，最大转矩与 定子相电压的平方成正比 在给定电机参数与定子相电压下，最大转矩 与定子频率的平方成反比 2424 交流电机基本运行原理交流电机基本运行原理 最大转矩与电机能否稳定运行有关 电机能稳定运行； 电机不能稳定运行 起动转矩（取s=1） 2525 交流电机基本运行原理交流电机基本运行原理 增大电机转子回路电阻值，可以增大 电机起动转矩 在给定电机参数及定子频率下，起动 转矩与定子相电压的平方成正比 在给定电机电压及定子频率下，起动 转矩与定转子电抗(x1+x2’）成反比 2626 交流电机调速原理交流电机调速原理 已知异步电动机的转速n 由上式看出，可以从以下几个方面对异步电动机 进行调速： 改变电机绕组的极对数；改变电机绕组的接法， 为有级调速。

改变转差率；也叫串级调速；是在转子回路中串 电阻或串入附加电势进行调速，适合绕线转子异 步电动机 2727 交流电机调速原理交流电机调速原理 改变电机供电电源的频率这是最先进也是最 复杂的调速方法，这种调速方法的特点在于可 实现频繁的正、反转，起、制动运行，调速范 围广，调速精度高其基本原理就是改变施加 到异步电动机上的供电电源的频率，而电网上 的工业频率50Hz是不能改变的，因此需要一套 变频装置将工频整流成直流，然后再逆变成所 需频率的交流 这种调速方法叫变频调速 2828 交流电机调速原理交流电机调速原理 恒转矩调速 当电源电压一定时，如果降低频率，则主磁通要 增大电机的主磁路一般设计时基频下略主磁通 增加势必使主磁路过饱和，使励磁电流猛增，这 是不允许的为此调频时一定要调压 有两种方法一种是保持常数，恒磁通控制方 式 2929 交流电机调速原理交流电机调速原理 电磁转矩 由于转差率很小，分母中第一项远大于第二项 ，故 3030 交流电机调速原理交流电机调速原理 这时电机的转矩与供电频率无关，只要通过闭 环系统使fr保持不变便可得恒转矩运行 让 Mmax=常数 ， 最大转矩处 转速降落 =常数 3131 交流电机调速原理交流电机调速原理 因此，不同频率的各机械特性曲线是平行的， 这种调速方法与他直流电动机调压调速特性类 似。

实际上采用保持 常数，这时Mmax≠常数 ， 在频率较高时，因常数 与 常数相差不大 ， 但在频率较低时，r1相 对较大，需进行电压补偿 3232 交流电机调速原理交流电机调速原理 恒功率调速 当加速到一定转速后，电机转入恒功率控制方 式取U1≈E1 有两种恒功率控制方式 常数， 常数，fr=常数，该控制方式过载能力不变 3333 交流电机调速原理交流电机调速原理 由于电源电压不能无限制升高（绝缘因素） ，到了一定程度（额定电压），电压保持不 变，产生了第二种控制方式 U1=常数，s=fr/ f1 =常数 在频率从基频往高调时，主磁通要降低， 相当于弱磁调速此时kT∝1/f1，因此对参 数一定的电机来说恒功率调速调速范围有 一定限制 3434 交流电机调速原理交流电机调速原理 N=60f(1-s)/pN=60f(1-s)/p 调速方式调速方式调速比调速比效果效果效率效率适应负载适应负载 变极调速变极调速 鼠鼠 笼笼 式式 变换极对数变换极对数2:1 ~ 4:12:1 ~ 4:1不平滑不平滑高高恒转矩恒功率恒转矩恒功率 转转 差差 调调 速速 调定子电压调定子电压1.5:1~10:1 1.5:1~10:1不平滑不平滑低低恒转矩恒转矩 转差离合器转差离合器3:1~10:13:1~10:1平滑平滑低低恒转矩恒转。