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）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2—1直流电动机横向剖面图2—2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。直流电动机的基本工作原理图2—3直流电动机的工作原理主磁极：由励磁磁势建立主磁场，磁场方向：NS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=Bxlis电磁力的方向：由左手定则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=Bxlv感应电势的方向：按右手定则决定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。fxfxexex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。图2—4具有八个线圈的直流电动机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。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；φ—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；φ—磁通（Wb）；n—电机转速（r/min）；Es—感应电势（V）。smsICIaPNM2nCnaPNEes60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动工况。图2—10直流电机不同运行方式下的电磁转矩和感应电动势(a)电动机；(b)发电机。M——电磁转矩；MZ——阻力转矩；MT——拖动转矩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。三、直流电机的基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。直流电机的基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。（一）电压平衡方程式ISISMUESRSRL+-URLESMRS+-ULIL+-（a）串励电动机（b）他励电动机图2—11直流电动机的电路图对于串励电动机U=Us+UL=Cenφ+Is（Rs+RL)=Es+IsRD对于他励电动机U=Us=Cenφ+IsRs=Es+IsRs由于RD值很小，电压降IsRD不大，故U≈ES。U——电源电压（V）；Us——电枢绕组的端电压（V）；UL——（UL=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（Ω）；RL——励磁绕组电阻（Ω）；RD——（RD=RS+RL）电枢回路的电阻（Ω）。（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：则M=MZ+M0一般M0（由摩擦损耗和铁磁损耗等引起）较小，故M≈MZ。dtdJtMtMtMz)()()(0dtdJMJ0dtdJMJ（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Mω能量变换过程中，能量守恒。在能量转换过程中，不可避免地会伴随着各种各样的损耗：机械损耗ΔP机电机轴承，电刷与换向器之间，旋转部分与空气之间存在的摩擦损耗。铁损耗ΔP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ΔP空，即ΔP空=ΔP机+ΔP铁铜损耗ΔP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ΔP铜=I2RD。MIapNIapNIEssss226060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。P1=UISP=EISP=MωP2=MZωΔP铜ΔP机ΔP铁ΔP空图2—12直流电动机的功率平衡图对于直流电动机：电源输入的功率P1=P+ΔP铜P—电机吸收的电磁功率输出给负载的机械功率P2=P-ΔP空功率平衡方程式P1=P2+ΔP空+ΔP铜电机效率η：衡量电机内部损耗的大小%10012PP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别很大，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。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：seDeeDsICRCUCRIUnn图2—13直流电动机的转速特性1—他励电动机转速特性；2—串励电动机转速特性IS012他励（或并励）电动机：不对励磁电流进行人为调节时，φ=常数，则n=n0–KIs式中—空载转速，（很小）串励电动机：IL=Is，φ随Is而变化，若忽略电机磁路的饱和，可近似用φ=KfIL=KfIS，则eCUn0eDCRKsfeDfesfeeDsIKCURKCIKCUCRIUn1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=CmφIsMIS120图2—14直流电动机的转矩特性1—他励电动机转矩特性；2—串励电动机转矩特他励（或并励）电动机：不对励磁电流进行人为调节时，φ=常数，则M=CmφIs=C'mIs串励电动机：同样可设φ=KfIL=KfIS，则M=CmφIs=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。机械特性M=f（n）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：nRCCRUCMDemDm2M图2—15直流电动机的机械特性1—他励电机；2—串励电机。n012他励（或并励）电动机：在电压U不变时，主极磁通φ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：φ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”。（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基本原则。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。M1M2IS2IS1ISMn1122nISIS1M1M2IS2Mn1122nMn0Mn0图2—17并联运行时牵引电动机之间的负载分配（a）两台串励电动机之间的负载分配；（b）两台并（他）励电动机之间的负载。分配（a）（b）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。防空转性能图2—18牵引电动机的防空转性能1—串励电动机；2—他励电动机，nIS0nI1I212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。此时若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。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。（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合适的运行速度，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。eDsCRIUn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1212UUnnnn1n2ISI10abc．．．图2—19牵引电动机在不同端电压时的转速特性U1U2U2U1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。若负载转矩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。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。ISIDLUxcRx（a）xcRxIS=IDL+IxIDLU（b）Ix图2—20串励电动机的磁场削弱（a）全磁场；（b）削弱磁场。nIs0n2n1Is1Is2abc...12图2—21串励牵引电动机的速率特性曲线1—全磁场工况；2—削弱磁场工况。在负载转矩不变的条件下，削