大功率直流电机的介绍.doc

湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书2010届毕业设计说明书课题名称：大功率直流电机的控制、监测系统的设计专 业 系 轨 道 交 通 系 班 级 动车092 学生姓名 蒋浪平 指导老师 周红兵 完成日期 目录第1章第1章 直流电机的基本常识 直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为直流电能的是直流发电机；将直流电能转换为机械能的是直流电动机。与交流电机相比较，直流电机结构复杂、运行维护困难、成本高。但直流电机具有宽广的的调速范围，较强的过载能力和较大的起动转矩等突出优点，仍广泛应用于对起动和调速要求较高的生产机械中，如电力机车、内燃机车、工矿机车、城市电车、电梯、轧钢机等的拖动电机。由于电力电子技术的迅猛发展，作为直流电源的直流发电机已逐步被晶闸管整流装置所替代。本设计主要介绍电力机车上的大功率直流电机。第一节 直流电机的基本结构直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，在定子和转子之间有一定大小的间隙（称气隙）。1. 定子直流电机定子的作用是产生磁场和作为电动机的机械支撑。主要由机座、主磁极、换向极和电刷装置等组成。(1) 机座兼起机械和导磁磁路两个作用。它既用来作为安装电机所有零件的外壳，又是联系各磁极的导磁铁 。机座通常为铸钢件，也有采用钢板焊接而成的。对于换向要求较高的电机，也可采用叠片结构的机座。(2) 主磁极主磁极由铁芯和主极线圈两部分组成。主磁极铁芯一般用11.5mm厚的薄钢板冲片叠压后再用铆钉铆紧成一个整体。（3） 换向极换向极又称附加极，它装在两个主极之间，用来改善直流电机的换向。换向极由换向极铁芯和换向极线圈构成。换向极铁芯大多用整块钢加工而成。但在整流电源供电的功率较大的电机中，为了更好的改善电机换向，换向极铁芯也采用叠片结构。换向极线圈与主极线圈一样也是用圆铜线或扁铜线绕制而成，经绝缘处理后套在换向极铁芯上，最后用螺钉将换向极固定在机座内壁。（4） 电刷装置电刷的作用是通过电刷与换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路相连。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆、刷杆座等部分组成。电刷一般用石墨粉压制而成。2. 转子转子又称电枢，主要由转轴、电枢铁芯、电枢绕组和换向器等组成。（1） 转轴转轴的作用是用来传递转矩，一般用合金钢锻压而成。（2） 电枢铁芯电枢铁芯是电机磁路的一部分，也是承受电磁力作用的部件。当电枢在磁场中旋转时，在电枢铁芯中将产生涡流和磁滞损耗，为了减少这些损耗的影响，电枢铁芯通常用0.5mm厚的电工钢片叠压而成，电枢铁芯固定在转子支架或转轴上。（3） 电枢绕组电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现电能量转换。它是直流电机的主要部分。（4） 换向器换向器的作用是机械整流，即在直流电动机中它将外加的直流电流逆变成绕组内的交流电；在直流发电机中它将绕组内的交流电动势整流成电刷两端的直流电动势。第二节 直流电机的基本工作原理直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机具有可逆性，既可作直流发电机使用，也可作直流电动机使用，将机械能转换成直流电能输出；作直流电动机使用时，则将直流电能转换成机械能输出。（图1.1A）直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。感应电动势的方向按右手定则确定（磁感线指向手心，大拇指指向导体运动方向，其他四指的指向就是导体中感应电动势的方向。）在图1.1A所示瞬间，导体ab 、cd 的感应电动势方向分别由b指向a和由d 指向c ，这时电刷 A呈正极性,电刷B 呈负极性。图1.1 A为直流发电机原理模型。当线圈逆时针方向旋转180时，这时导体cd位于N极下，导体ab位于S极下，各导体中电动势都分别改变了方向。从图看出，和电刷A接触的导体永远位于N极下，同样，和电刷B接触的导体永远位于S极下。因此，电刷A始终有正极性，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如果电枢上线圈数增多，并按照一定的规律把它们连接起来，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。导体受力的方向用左手定则确定。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向转动。如果此电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩（例如由摩擦引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。在上图中，当电枢转了180后，导体cd转到N极下，导体ab转到S极下时，由于直流电源供给的电流方向不变，仍从电刷A流入，经导体cd 、ab后，从电刷B流出。这时导体cd受力方向变为从右向左，导体ab受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由导体ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷 B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转，这就是直流电动机的工作原理。第二章 脉流牵引电动机在单相交流电网供电的电力机车上，大多采用硅整流器整流后给牵引电动机供电。此时加在牵引电动机上的电压为脉动电压，流过牵引电动机的电流为脉动电流，由这种方式供电的牵引电动机称为脉流牵引电动机。这里主要讲授SS6B机车上的ZD114型电机。第一节 脉流牵引电动机的基本结构脉流牵引电动机的结构与普通直流电机基本相同，主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。定子的作用是产生磁场、提供磁路和作为牵引电动机的机械支撑，由机座、主磁极、换向极、端盖和轴承等部件组成；转子的作用是产生感应电势和电磁转矩，从而实现能量转换，由转轴、电枢铁心、电枢绕组和换向器等部件组成。转子通过电枢轴承与定于保持相对位置，使两者之间有一个间隙，称为空气院。此外，脉流牵引电动机还有一套电刷装置，电刷和换向器接触，以实现电枢电路与外电路的连接。一、定 子1机座脉流牵引电动机的机座既作为安装电动机所有零件的机械外壳，又是联系各磁极的导磁铁轭。为了使有限的安装空间得到最佳利用，并使机座重量最轻（机座重量占牵引电动机总重量的（3035），合理地选择机座形状十分重要。现代牵引电动机采用的整体式机座，通常有方形和圆形两种2主磁极脉流牵引电动机的主磁极（简称主极）是用来产生主磁场的，它由主极铁心和主极线圈两部分组成，为了降低电枢旋转时电枢铁心的齿和槽相对磁场移动所引起的磁场脉动在主极极靴表面产生的涡流损耗，主极铁心通常采用厚11.5 mm的钢板叠成，铁心两端用较厚的端板压紧，并用铆钉铆紧。主极铁心较窄的部分称为极身，以便有足够的空间安装主极线圈，扩大的部分称为极靴，其形状决定了气隙磁密和感应电势在空间的分布波形。主极线圈的作用是通以直流电流而建立主磁场。在牵引电动机中，主极线圈大都采用扁铜线绕制而成。主极线圈的绕制方法有平绕和扁绕两种，平绕又称为宽边绕法3换向极脉流牵引电动机的换向极用来产生换向磁场以改善电机换向性能，由换向极铁心和换向极线圈两部分组成，在脉流牵引电动机中，为了减少换向极磁通的涡流和由此引起的对电机换向的影响，通常采用由电工钢片叠成的换向极铁心。换向极极靴的形状和尺寸是由电机换向要求确定的，其形状决定了换向极磁场波形，对电机换向性能影响很大。4补偿绕组为了改善脉流牵引电动机的换向，提高电机运行的可靠性，大容量的脉流牵引电动机设置了补偿绕组。补偿绕组一般用扁铜线按同心式扁绕或平绕数匝而成。嵌放补偿绕组的主极铁心上的槽形为开口槽，为了不使主极导磁面积过分削弱，使用了磁性槽楔，中间嵌有绝缘条，以减少涡流的影响。开口槽有向心槽和平行槽两种形式。向心槽的缺点是，嵌线和检修都比较困难，补偿绕组的绝缘强度也较差。与换向极轴线平行的平行槽则解决了上述问题。绕组接线为了便于调节牵引电动机的磁场和改变牵引电动机的旋转方向，总是将主极线圈单独接成一个电路，用电缆直接引出；换向极线圈、电枢绕组及补偿绕组串联成为另一个电路，另外用电缆引出，引出电缆的端头装有管形的铜接头。二、转子1转轴转轴是牵引电动机中工作最困难的部件之一，因为它不仅要传递牵引电动机产生的巨大转矩，而且还要经常承受很大的冲击载荷（特别是抱轴式牵引电动机），此时转轴将利用弹性变形来吸收大部分的冲击力。2电枢铁心电枢铁心是牵引电动机磁路的一部分，也是承受电磁力作用的部件。在电枢铁心圆周表面均匀开有电枢槽，槽内嵌装电枢绕组。由电枢铁心和电枢绕组构成了脉流牵引电动机的电枢，电枢绕组中流过电流，在磁场中受到电磁力的作用，使电枢旋转，把电能转换成机械能。可见它们是牵引电动机中实现能量转换的枢纽，因此称之为“电枢”。3电枢绕组电枢绕组是脉流牵引电动机实现能量转换的部件，把电枢线圈嵌放在电枢铁心圆周的电枢槽中，按一定规律与换向器连接起来就构成了电枢绕组。4换向器换向器是直流和脉流牵引电动机特有的重要部件，其作用是在发电机状态下将电枢绕组中产生的交变电势整流成电刷间的直流电势；在电动机状态下将输人的直流电流逆变成电枢绕组中的交变电流，以产生单方向的电磁转矩。电机运行时，换向器既要通过很大的电流，又承受各种机械应力。换向器工作情况的好坏，直接影响着电机的运行性能。三、电刷装置脉流牵引电动机的换向器端装有电刷装置，其作用是使转动的电枢绕组与外电路连接起来。电刷装置由电刷、刷握、刷握架、刷杆和刷架圈等组成。第三章 SS6B型电力机车主电路的原理分析第一节 主电路的简介SS6B型和SS4B型电力机车的电传动系统是按通用、标准化、系列化原则设计的两种交-直传动电力机车。在电气线路基本上相同，与SS4B型电力机车电气线路相比，仅在6轴与4轴组合上有区别，同样有主电路、辅助电路、和控制电路组成。机车主电路采用了标准化，模块化结构，整流电路为大功率晶闸管和二极管组成的不等分三段半控整流桥。牵引电机励磁回路没有分流电抗器，以改善牵引电机在磁场削弱工况时的动态换向性能。主电路中设有功率因数补偿装置，以提高机车的功率因数和减少谐波干扰电流，改善了电网的供电品质。此外，机车主电路中电制动采用加馈电阻制动，以提高机车低速区的电制动性能。机车辅助电路采用双台旋转式劈相机供电系统，以提高辅助系统的可靠性和三相电源电流、电压的对称性。辅助电路主要由交流380V回路和交流22V回路组成，对各回路中的不同负载，分别设有不同类型和等级的自动开关进行保护，电路简洁，性能稳定可靠。机车控制电路由有接点控制(继电控制)电路和无接点控制（电子控制）电路组成。机车控制电路还具有机车重联控制技术，可实现多机重联牵引和多机特性的一致性；并采用了列车监控系统和语音记录装置能实现机车运行状态控制、信息显示和存储，给机车运行安全、故障诊断和处理方法提供方便。第二节 主电路的特点1.传动方式采用交-直传动方式，驱动为串励式脉流牵引电动机，调速特性控制较简单。2.牵引电动机供电方式采用转向架独立供电方式，即一个转向架3台牵引电机并联，由一台主整流器供电。全车两个3轴转向架，具有两台独立的无级调压相控主整流器。此方式使电路、控制和结构比较简单，在运用上有一定的灵活性，当一台主整流器故障时，可切除一台转向架3台电机，机车保留1/2牵引能力，实现机车故障运行；前后两个转向架可进行各架轴重转移电气补偿，即对前转向架减荷后转向架增荷，以充分利用粘着，发挥最大牵引能力；实现以转向架供电为基础的电气系统单元化供电系统，装置简单。3.整流调压电路方式SS6B型电力机车主电路采用不等分三段半控桥整流调压电路，即1段1/2U0桥、二、三段1/4U0桥的电路结构。4.电制动方式机车电制动采用加馈电阻制动，每节车6台牵引电机主极绕组串联，由一台励磁半控桥式整流器供电。每个转向架上的3台牵引电机电枢与各自的制动电阻串联后，并联在一起，再与相应的主整流器构成串联回路。与常规电阻制动相比，加馈电阻制动的特点，是在低速区通过主整流器加馈注入制动电流的方法维持电制动力，可将最大制动力调速范围延伸至10km/h，能较方便地实现恒制动力控制，简化了主电路和控制电路。第三节 主电路构成1.整流调压电路为实现转向架独立控制方式，每台机车采用两套独立的整流调压电路，分别向相应的转向架供电。如下图1-1所示为SS6B型电力机车一个转向架供电的不等分三段半控整流桥主电路图。由牵引绕组a1b1x1和a2x2供电给主整流器70V，组成前转向架供电单元；由牵引绕组a3b3x3和a4x4供电给主整流器80V，组成后转向架供电单元。图1-1 桥式整流调电路不等分三段整流调压电路通过其整流调压电路顺序触发晶闸管V9和V10、V3和V4、V5和V6则可得到最大输出电压为,，。其中各段绕组电压：不等分三段整流桥的工作顺序如下所述：首先投入四臂桥，即触发V9和V10，投入a2x2绕组。V9、V10顺序移相，整流电压由零逐渐升至为总整流电压)，V1和V 2续流。在电流正半周时，电流路径为a 2V77 1号导线平波电抗器电机7 2号导线V2V1V10x 2a2；当电源处于负半周时，电流路径为x2V97 1号导线平波电抗器电机7 2号导线V2V1V84a2x 2。当V9和V10满开放后，六臂桥投入。第一步是维持V9和V10满开放，触发V3和V4，绕组a lb l投入。电源处于正半周时，电流路径为a2V77 1号导线平波电抗器电机7 2号导线V4b1a1V1V10x2a2；当电流处于负半周时，电流路径为x2V97 1号导线平波电抗器电机72号线V2a1b1V3V8a2x2。此时，V3、V4顺序移相，整流电压在(1/23/4) U之间调节。当V3和V4满开放后，V3、V4、V9和V10维持满开放，并触发V5和V6、b lx l绕组再投入。V5和V6顺序移相，整流电压在(3/41) U d之间调节。当电源处于正半周时，电流路径为a2V771号导线平波电抗器电机72号导线V6x1a1V1V10 x2a2；当电源处于负半周时，电流路径为x2V971号导线平波电抗器电机7 2号导线V2a1x1V5V8a2x2.在整流器的输出端还分别并联了两个电阻75R和76R，其电阻的作用有两个：一是机车高压空载做限压试验时，作整流器的负载，起续流作用；二是正常运行时，能够吸收部分过电压。2牵引供电电路机车的牵引电路，即机车主电路的直流电路部分。机车牵引供电电路，采用转向架独立供电方式。第一转向架的三台牵引电机1 M、2 M、3 M并联，由主整流器70V供电；第二转向架的三台牵引电机4M、5 M、6 M并联，由主整流器80 V供电。两组供电电路完全相同且完全独立。牵引电机支路的电流路径基本相同，现以第一牵引电机支路为例加以说明：其电流路径为正极母线7 1平波电抗器11 L线路接触器1 2 KM电流传感器111 SC电机电枢位置转换开关的“牵”“制”鼓107QPR 1位置转换开关的“前”一“后”鼓l 07 QPV1主极磁场绕组107 QPV1牵引电机隔离开关1 9 QS1 07QPR 1负极母线72。与主极绕组并联的有固定分路电阻1 4 R、I级磁场削弱电阻1 5R和接触器1 7 KM、级磁场削弱电阻l 6R和接触器1 8 KM。1 4R与主极绕组并联后，实现机车的固定磁场削弱，其磁场削弱系数为0.96。通过接触器17 KM的闭合，投人1 5R，实现机车的I级磁场削弱，其磁场削弱系数为070。通过接触器1 8 KM的闭合，投人l 6R，实现机车的级磁场削弱，其磁场削弱系数为0.55。当1 7 KM和1 8KM同时闭合时，1 5R和l 6R同时投入，实现机车的1级磁场削弱，其磁场削弱系数为0.45。为了改善机车运行时牵引电机的脉流换向性能，特设置分流电抗器ll3L(123L、133L、l43L、153L、l63L)。磁场削弱电阻电路与分流电抗器串联后，再与主极绕组并联。3加馈电阻制动电路SS6B型电力机车与其它机型的主要不同之处是采用了加馈电阻制动电路，主要优点是能够获得较好的制动特性，特别是低速制动特性。加馈电阻制动又称为“补足”电阻制动，它是在常规电阻制动的基础上而发展的一种能耗制动技术。根据理论分析可知，机车轮周制动力为： （N） （1-1）式中C机车结构常数；电机主极磁通(Wb)；Iz电机电枢电流(A)。在常规的电阻制动中，当电机主励磁最大恒定后，电枢电流Iz随着机车速度的减小而减小。因此，机车轮周制动力也随着机车速度的变化而变化。为了克服机车轮周制动力在机车低速区域减小的状况，加馈电阻制动从电网中吸收电能，并将该电能补足到，Iz中去，以此获得理想的轮周制动力。机车处于加馈电阻制动时，经位置转换开关转换到制动位，牵引电机电枢与主极绕组脱离与制动电阻串联，且同一转向架的二台电机电枢支路并联之后，与主整流器串联构成回路。此时，每节车6台电机的主极绕组串联连接，经励磁接触器、励磁整流器99V构成回路，由主变压器励磁绕组供电。现以1M电机为例，叙述一下电路电流的路径：1）当机车速度高于33kmh时，机车处于纯电阻制动状态。其电流路径为71母线11 L平波电抗器12KM线路接触器111SC电流传感器1M电机电枢107QPR 1位置转换开关“牵”一“制”鼓13R制动电阻7 2母线V8V77 1母线。2）当机车速度低于33 kmh，机车处于加馈电阻制动状态。当电源处于正半周时，其电流路径为a2V771母线11 L平波电抗器1 2KM线路接触器111SC电流传感器1M电机电枢107QPR 1位置转换开关“牵”一“制”鼓13R制动电阻7 3母线V10x 2a2；当电源处于负半周时，其电流路径为x 2V971母线11 L平波电抗器12KM线路接触器111SC电流传感器1M电机电枢107QPR1位置转换开关“牵”一“制”鼓13R制动电阻72母线V8a2x2。加馈电阻制动时，主变压器的励磁绕组a5x5经励磁接触器91KM向励磁整流器9 9V供电，并与1M6M电机主极绕组串联，且励磁电流方向与牵引时相反，由下往上。从励磁整流器的输出端开始，其电流路径为91母线199SC电流传感器90母线107QPR1位置转换开关“牵” “制”鼓19QS107QPV1D12-D11107QPV114母线107QPR229QS107QFV2D22D21107QPV224母线107QPR339QS107QFV3D32D31107QPV334母线108QPR669QS108QPV6D61D62108QPV664母线108QPR559QS108QPV5D51D52108QPV554母线108QPR449QS108QPV4D41D4244母线92KM励磁接触器82母线。负极母线83为主整流器80V与励磁整流器99V的公共点，由此形成两个独立的接地保护电路系统。第一转向架牵引电机1M、2M和3M电枢、制动电阻及主整流器7 0V，组成第一转向架主接地保护系统，由主接地继电器97KE担负保护功能；第二转向架牵引电机4M、5M和6M电枢、制动电阻及主整流器8 0V、励磁整流器99 V组成第二转向架主接地保护系统，由主接地继电器98KE担负保护功能。制动工况时，当一台牵引电机或制动电阻故障后，应将相应隔离开关置向下故障位，则线路接触器打开，电枢回路被甩开，主极绕组无电流但有电位。4PFC电路SS6B型电力机车主电路设置有四组完全相同的PFC装置。该装置是通过滤波电容和滤。波电抗的串联谐振，以降低机车的三次谐波含量，提高机车的功率因数。它主要由真空接触器(电磁式)、无触点晶闸管开关、滤波电容、滤波电抗和故障隔离开关等电器组成。机车采用的电磁式真空接触器具有接通、分断能力大、电气和机械寿命长等优点。在电路中，采用该真空接触器的作用和目的主要有二点：一是当无触点晶闸管开关被击穿重燃时，利用其分断能力大的优势起电路的保护作用；二是采用该真空接触器之后，可简化机车的控制系统和机车的结构设计。在PFC电路中设置有故障隔离开关，在PFC电路出现接地时做隔离处理用。当故障隔离开关处于故障位时，一方面使PFC电路与机车主变压器的牵引绕组完全隔离；另一方面，通过其辅助联锁控制真空接触器主触头分断。同时，其主闸刀还将对电容器进行放电。为确保人身安全，当司机取出司机钥匙时，因在每组PFC电路中的滤波电容和滤波电抗上并联了一个低阻(800)，使得滤波电容上的电压能够快速放电。该电阻的投入是靠一高压继电器(116KM、126KM、156KM和166KM)来实现的。5.保护电路 SS6B型电力机车主电路保护包括：短路、过流、过电压及主接地保护等四个方面。现分述如下：1)短路保护当网侧出现短路时，通过网侧电流互感器7TA原边过流继电器101KC，使主断路器4QF动作，实现保护。其整定值为320 A