_交流传动机车牵引特性曲线与变流器_牵引电机系统的匹配

DOI:10.13890/j.issn.1000-128x.1999.06.005

1999年第6期

1999年11月10日

机　　车　　电　　传　　动

ELECTRICDRIVEFORLOCOMOTIVE№6,1999　Nov.10,1999　

设计与　　研究

交流传动机车牵引特性曲线与变流器—牵引电机系统的匹配

株洲电力机车研究所(株洲412001)　　丁荣军

丁荣军　1961年生,1984

年毕业于西南交通大学电力机车专业,1998年获长沙

摘　要:从变流器和牵引电机的容量匹配问题入手,通过对ICE和TGVEurostar机车的牵引特性曲线的分析,就怎样合理而又经济地设计变流器—牵引电机系统、发挥交流传动机车优越的牵引性能提出了一些看法。

关键词:交流传动机车　变流器　牵引电机　牵引特性曲线　匹配

铁道学院交通信号工程及控制专业硕士学位,高级工程师,从事交流传动控制系统的研究。

Adaptiontotractiveperformancecurvewith

-drivelocomotiveconverter-tractionmotorforAC

ZhuzhouElectricLocomotiveResearchInstitute(Zhuzhou412001)　　DingRongjun

:Startingfromadaptiontothecapacityofconverterwithtractionmotor,analyzesthetractiveperformancecurvesofAbstract

ICEandTGVEurostarpowercar.Furtherdeducedareproposalsforrationalandeconomicaldesignofconverter-tractionmotorsystem,andforthefullplayofexcellenttractivecharacteristicofAC-drivelocomotive.

Keywords:AC-drivelocomotive,converter,tractionmotor,tractiveperformancecurve,adaption.

　　国民经济的高速发展和人们生活水平的日益提高要求铁路运输能够多拉快跑,交流传动机车因具备这

一特点而受到广泛的青睐。要使交流传动机车优越性能得以发挥则必须合理地匹配变流器与牵引电机。通常在进行机车设计时,要考虑启动力矩以及最大功率,同时还要考虑变流器和牵引电机的外型尺寸、质量,这些对于高速机车来说显得尤为重要。因此,在满足一定的负载条件下,机车的牵引特性曲线应尽可能与变流器—牵引电机系统一起进行考虑以便选择变流和牵引电机的合理的容量匹配,使机车的整体性能参数最佳、系统费用最低。

式,变流器的容量由元器件的参数决定;相反,选定某种元器件后,其容量受冷却方式的限制。对于机车这种特定的应用对象,变流器的极限容量很少得以发挥,即变流器很少同时输出最大电流和最高电压。这是因为机车在启动时,要求变流器的输出电流最大,而这时的输出电压最低;但随着速度的提高,变流器的输出电压升至最高,电动机的输出功率达到最大,输出力矩却反而下降,电流也逐渐减小。

在考虑牵引电机的容量时,若忽略牵引电机不同供电电压对绕组绝缘的不同要求,则在最大速度相同的情况下,牵引电机的容量主要取决于电磁方面的最大允许转矩和热方面的最大允许损耗。后者在很大程度上受到逆变器的供电质量、冷却效果以及牵引电机本身选用的绝缘材料的影响。目前,牵引电机都趋向于采用200°级绝缘材料,因此,牵引电机的发热主要从逆变器的供电质量和冷却角度进行考虑。牵引电机的最大力矩Mmax与u1的平方成正比,近似地与(x1σ+’)和电流频率f1成反比,即:x2σ

1　变流器和牵引电机的容量设计

一台变流器的容量由它可能传送的最大电流和输出的最高电压的乘积来表示,主要受半导体器件中允许的最大温度和电场强度所限制。对于一定的冷却方

收修改稿日期:1999-08-30

第6期　　　　　　　　　　　　　丁荣军:交流传动机车牵引特性曲线与变流器—牵引电机系统的匹配　　　　　　　　　　

Mmax≈Ku1/[f1(x1σ+x2σ’)]式中:K——常数;

x1σ——定子漏抗;x2σ’——转子漏抗。

2

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M∝1/v的规律增加。在vmax以下的各个速度点,电机能够发出的转矩比恒功率所要求的大得多,电机在转

矩方面的设计能力没有得到充分利用;但对变流器而言,从起始速度v0到额定速度vN,电压随频率成正比提高,电机输出恒转矩,在vN点开始进入恒功区,之后逆变器输出电压不变,因此变流器几乎在整个速度范围内保持输出电流基本不变(若不考虑电机功率的影响),元件的容量得到了充分发挥。

2　变流器与牵引电机的容量匹配

变流器与牵引电机容量的合理匹配通常是指机车在运行过程中较好地发挥各自的设计容量。机车的牵引特性曲线一般可以分成2个区:即从启动到额定速度vN的恒力矩(或准力矩)区,以及从额定速度到最高

速度vmax的恒功区。在恒力矩区,逆变器的输出u/f为常数;在恒功区,牵引电机工作在磁场削弱工况。因此在不同的工况对逆变器和牵引电机的要求均有差异,于是出现了两者的容量匹配问题。

变流器和牵引电机的容量有许多种不同的组合方式,但归结起来可分为3种:(1)大变流器小电机匹配方式。如图1所示,牵引电机在额定速度点vN发出的转距近似等于它的最大力距(为与图3和图4一致,图1和图2的牵引电机力矩用机车的牵引力F表示);从vN到vmax的速度区内,逆变器输出电压保持不变,仅频率增加,牵引电机处于磁场削弱状态,电机转矩M∝1/v2,随速度的二次方下降,所以电机的转矩—转速特性偏离并处于恒功曲线P=M×v之下。若要使电机输出恒功率,则变流器的输出电压就不能保持恒定,而应当继续提高,且恒功区愈宽,电压提高就应该愈多。在这种情况下,变流器按启动时的最大电流Imax和最高速度时的电压umax进行设计。这时虽然得到了希望的恒功区,但逆变器的利用率差、费用大,容量没有得到充分发挥,因为最大电流和最高电压不会同时出现,电动机在整个速度范围内由于变流器提供足够的电流和电压,转矩特性得到了较好的利用。照这种牵引特性确定的变流器尺寸最大,而电动机的尺寸最小

。

图2　按vmax确定电动机尺寸时的特性曲线

(3)系统匹配方式。这种匹配方式介于上面的两者之间,即牵引电机和变流器所发挥的功率与设计容

量相比都不是最佳;然而在进行系统的设计时既充分考虑了两者之间的关系,又兼顾了机车的牵引性能,因此,从整体角度看是一个比较经济的系统。当然要做到这一点不是一件十分容易的事情,更何况对于有些机车来说无法同时兼顾变流器和牵引电机。下面以ICE和TGVEurostar两种机车的特性曲线为例来进行分析,力求从机车应用的角度寻找到一种最佳系统设计方法。

3　ICE和TGVEurostar两种机车的牵引特性曲线分析

　　图3和图4分别为ICE和TGVEurostar机车的牵引特性曲线,它们代表了两种不同的设计思想。其中ICE机车的牵引特性曲线具有一定的普遍意义。当速度低于约92km/h时,机车输出准恒力矩,92km/h后,进入恒功区。由于在92km/h速度点,变流器输出满电压,因此机车的颠覆力矩设定在机车的最高速度点,实际上属于大牵引电机小变流器方式。具有这种牵引性能的机车在整个速度范围内其牵引力较大,加速性能较好,不仅适合于客运,同时也适合货运。相比较而言,TGVEurostar机车的牵引特性曲线就显得有些不一般。该曲线共分成4段:

(1)低速启动时有较大的牵引力;

(2)23km/h～115km/h之间输出力矩随速度的增加而迅速下降;

(3)115km/h～200km/h之间机车保持较平的力矩特性;

(4)200km/h～300km/h之间机车输出恒功率。

—

图1　按vN确定电动机尺寸时的特性曲线

(2)小逆变器大牵引电机匹配方式。如图2所示,牵引电机不是根据额定速度点vN,而是根据机车运行

的最高速度vmax确定尺寸的,也就是在vmax点发出的转矩恰好等于电动机 …… 此处隐藏：3400字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……