（高电压与绝缘技术专业论文）变频调速牵引电机端子过电压及其对绝缘破坏机制的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文舅亟 摘要 为了满足铁路提速的迫切需求，高速交流传动机车在我国已经成为 铁路发展的首选。同时，高速交流传动机车广泛采用高开关频率器件的脉 宽调制( p w m ) 逆变器，使得逆变器输出脉冲具有陡上升沿。高频 p w m 脉冲电压波在电缆中传播，会在变频调速牵引电机端形成振荡的过 电压，这样的电压在电机绕组中又分布不均匀，造成前几匝绕组承受更高 的电压，最终容易导致电机绕组绝缘的失效。 针对上述问题。本文首先通过传输线理论建立了机车用电缆的分布参 数模型，以及变频调速牵引电机的高频等效电路。基于电缆的结构及布 置，解析计算出其分布参数值；利用a n s y s 软件对定子槽内电磁场进行 有限元分析，得到绕组分布参数值。然后分析了p w m 逆变嚣驱动牵引电 机时电机端过电压的产生机理，研究了电机端电压幅值的影响因素，理论 分析同仿真结果基本吻合。利用电机高频等效电路研究p w m 脉冲电压在 电机绕组内的分布情况。探讨了电机分布参数对绕组电压分布的影响。 在以上分析的基础上，以降低电机端过电压、改善绕组电压分布为 原则提出抑制电机绕组绝缘失效的对策。对于变频调速牵引系统中加入滤 波器后进行仿真研究，合理的设定滤波器参数可以有效的解决上述问题。 另外，根据绕组电压分布特性提出改进绝缘结构同样可以达到抑制绕组绝 缘失效的目的。 关键词：p w m 脉冲：电机高频模型；有限元法；分布参数：绝缘失效 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 j 页 a b s t r a c t f o rm e e t i n gt h en e e do fh e i g h t e n i n g s p e e d ，h i g h s p e e d a cd r i v i n g l o c o m o t i v eh a sb e c o m et h ep r e f e r r e ds e l e c t i o nf o rd e v e l o p i n gr a i l w a yi no u r c o u n t r y m e a n w h i l e ，p w mi n v e r t e r su s i n gh i g hs w i t c h i n gf r e q u e n c yd e v i c e t h a ts h o r t e n st h er i s et i m eo fp w m o u t p u tp u l s eh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di n h i g h - s p e e da cd r i v i n gl o c o m o t i v e t h ep r o p a g a t i o no fh i g hf r e q u e n c yp w m v o l t a g ew a v e i nt h ec a b l el e a d st oo v e r - v o l t a g ea tt h et e r m i n a l so ft h ei n v e r t e r - f e dt r a c t i o nm o t o r a tt h es a m e t i m e ，e q u i v a l e n td i s t r i b u t i o np a r a m e t e r so fh i g h f r e q u e n c y c i r c u i to ft h em o t o rb r i n gu n e v e n v o l t a g e d i s t r i b u t i o nb e t w e e n w i n d i n g s a n di tr e s u l t si nf u r t h e r h i g h e r e l e c t r i c a ls t r e s so nt h ea n t e r i o r w i n d i n g s ，f i n a l l yt h ef a i l u r eo f t h ew i n d i n g si n s u l a t i o n i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e m sm e n t i o n e d a b o v e ，f i r s t l y ，t h ep a p e rm o d e l st h e d i s t r i b u t i o np a r a m e t e rc i r c u i to ft h ec a b l ea n dt h eh i g hf r e q u e n c yc i r c u i to f m o t o r t h r o u g h t h et r a n s m i s s i o nt h e o r y c a l c u l a t i n gi t sp a r a m e t e r sb a s e do nt h e s t r u c t u r ea n dd i s p o s a lo ft h ec a b l e i na d d i t i o n ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si s a p p l i e dt oa n a l y z et h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d i nt h es l o t so ft h es t a t o ru s i n g a n s y s t h ed i s t r i b u t i o np a r a m e t e r so ft h e w i n d i n g si nt h es l o t sa r ec a l c u l a t e d t h e n ，t h ep a p e ra n a l y z e sm e c h a n i s mo ft h ea p p e a r a n c eo ft h eo v e r v o l t a g ea t t h et e r m i n a l so ft h em o t o ru s i n gt h et r a n s m i s s i o nt h e o r y ，a n dt h e i n f l u e n c i n g f a c t o r so nt h em a g n i t u d eo ft h e o v e r - v o l t a g e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sm a t c h b a s i c a l l y w i t ha c a d e m i ca n a l y z e ，w h i c hv a l i d a t e ss i m u l a t i o nm e t h o d s w i t h r e g a r d t o h i g hf r e q u e n c y c i r c u i to ft h e m o t o r ，t h e e f f e c to fd i s t r i b u t i o n p a r a m e t e r so nv o l t a g ed i s t r i b u t i o na m o n gw i n d i n g si so b t a i n e d b a s e do nt h eb e f o r e m e n t i o n e da n a l y s i s ，u n d e rt h ep r i n c i p l eo f r e d u c i n g t h e o v e r v o l t a g ea n di m p r o v ev o l t a g ed i s t r i b u t i o n ，v a l i dc o u n t e r m e a s u r e st o r e s t r a i nt h ef a i l u r eo fm o t o ri n s u l a t i o na r eb r o u g h tf o r w a r ds u c ha s i n s e r t i n g f i l t e r sa n di m p r o v e m e n to nt h ei n s u l a t i o ns t r u c t u r e so ft h ei n v e r t e r - f e dt r a c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i l 页 s y s t e m t h es i m u l a t i o na n a l y s i si s d o n ea f t e rt h ef i l t e ri s a p p l i e d ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v ec a nb er e s o l v e di ft h e p a r a m e t e r so f t h ef i l t e ra r es e ti nr e a s o d k e yw o r d s ：p w mp u l s e s ；h i g hf r e q u e n c ym o d e lo ft h em o t o r ；f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ；d i s t r i b u t i o np a r a m e t e r s ；f a i l u r eo f i n s u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论交篁! 夏 第1 章绪论 1 1 变频调速牵引电机绝缘面临的问题 1 1 1 变频调速牵引电机绝缘系统的要求 电气化铁路投入商业运营已有一百多年的历史，货运重载化、客运高 速化是必然趋势。国家发展和改革委员会 2 0 0 4 1 5 9 号文件中长期铁路 网规划要求：“为满足快速增长的旅客运输要求，建立省会城市及大中 城市间的快速客运通道，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城 际快速客运系统。”随之与其相关前瞻性与前沿性的科学与技术问题急 需启动研究。由于牵引电机对体积和重量要求严格，高速机车牵引电机必 须进一步大功率化和小型轻量化，因而普遍采用p w m 变频异步电机代替 直流电机【l q 】，用于交流电机供电系统的逆变器，其输出电压是具有陡上 升沿的脉冲波。输出脉冲电压波中幅值较大的谐波在气隙中产生磁场将在 绕组中感应电流作用下产生脉动转矩，逆变器输出产生的冲击电压会叠加 在电机运行的电压上，这样的电压峰值在电机绕组中不均匀分布会对电机 的绝缘形成很大的威胁 3 - 4 1 。因此，随着高速铁路牵引电机向大功率化和 小型轻量化方向发展，对其绝缘系统提出了越来越高的要求，主要体现在 以下几个方面： ( 1 ) 耐电能力 绝缘结构应具有较高的电气强度，即用最低厚度、电气强度分散性最 小的绝缘为牵引电机提供最大的工作电压。对于由逆变器供电的交流变频 异步牵引电机( 变频调速牵引电机) 而言，绝缘系统还要具有足够的抗过 冲电压能力和抗电晕的能力。 ( 2 ) 耐热能力 绝缘应具有良好的热传导性和较高的耐热等级，在允许工作温度范围 内有较稳定的机械特性和电气特性，并能承受短时的过热负荷。大功率的 西南交通大学硕士研究生学位论文箜! 夏 交流异步牵引电动机在考虑谐波电流损耗、通风散热等因素后，要求比直 流牵引电机具有更宽的耐温裕度。 ( 3 ) 整体性要求 绝缘系统必须具有良好的整体性能，以保证牵引电机获得足够的传热 和散热能力、耐振动和抗冲击的能力、耐大气潮湿和抗环境污染的能力。 提高交流异步电机绝缘系统的整体性，还能减少或杜绝气隙放电、有效抑 制电晕对绝缘的腐蚀作用，提高牵引电机的可靠性和运行寿命。 1 1 2 变频调速牵引电机绝缘面临的问题 1 1 2 1 国内绝缘技术的发展 绝缘系统是制约机车牵引电机技术进步的关键之一，国内在变频调 速牵引电机绝缘系统和绝缘工艺方面进步较快，变频调速牵引电机的某些 关键指标如功率系数和槽满率等已接近或达到国外先进水平，但与国外同 类牵引电机总体绝缘技术水平相比，在绝缘材料失效机理、新型国产化绝 缘材料及浸渍漆的研制和牵引电机制造整体水平等方面尚有一定差距，我 国在变频电机绝缘领域的研究处于起步阶段 5 1 。 1 1 ，2 2 变频调速牵引电机绕组绝缘的失效 在变频调速牵引电机需要大功率和小型轻量化的前提下，电机绕组 绝缘极易受逆变器供电运作导致的高温及介电应力的影响而失效。相关研 究表明，采用了逆变器驱动变频电机后出现了变频电机定子绕组绝缘过 早破坏的现象【6 喵】。变频调速牵引电机绕组绝缘也面临着同样问题的考 验。由于脉冲产生的老化现象仍然没有被很好的认识，对其造成电机绝缘 破坏的机理还不明确，该研究领域亟待深入开展。 1 1 2 3 高速机车牵引电机运行寿命的评估 为了满足中国铁路提速、重载的迫切需求，高速机车在中国已经成为 铁路发展的首选。我国机车检修规程规定，行车达1 0 0 万公里时进行机车 大修，对应的时间大约为5 年，行车至2 0 0 万公里时达到运行寿命。目前 正在研制的高速机车1 年运行就可达t o o 多万公晕，使得其运行寿命按原 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 来的评估方式只有1 2 年，超过2 年后，应如何评价变频调速牵引电机 绝缘的状态尚无确定的方法。 1 2 变频电机绝缘破坏的研究现状 1 2 1 逆变器输出波形的影响 p w m 逆变器的高开关速度是建立在开关器件的快速导通和快速关断 的基础之上，反映在输出电压波形上表现为陡上升下降沿或短上升下降 沿时间，远大于工频正弦电机的o 1 5 v u s 。表1 1 列出了广泛应用于 p w m 逆变器的开关器件的典型开断时间【9 i 。表1 2 列出了p w m 电压与工 频交流电压特性的对比【卯。逆变器供电的电机绕组绝缘长期在周期性方波 电压的重复作用之下，其绝缘寿命可能由于热或$ n 电老化而缩短。 表1 1 广泛应用p w m 电源的器件与其典型开断时间 表卜2p w m 变频电源特性与 频交流电源特性对比 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 及 1 2 2 变频电机端子的电压特性 逆变器输出是具有陡上升沿的p w m 脉冲电压波，脉冲电压波经过 电缆传输，由于变频电机与电缆特性阻抗的不匹配，将在电机端子发生波 的反射和折射，产生高频振荡的尖峰过电压，进一步加剧电机绕组绝缘的 电应力【1 0 】。 p e r s s o n 等 1 l 】研究了电缆长度与变频电机端子尖峰过电压幅值及高 频振荡的关系，认为随着电缆长度的增长，过电压幅值增大，振荡频率减 小。电缆长度达到或超过某一长度时，电机端产生的过电压幅值近似为2 倍直流电压。1 3 b h y y p i o ”】分析了电缆长度及上升沿时间对电机终端电 压幅值的影响，认为电缆长度是影响端电压幅值的主要因素，而逆变器输 出脉冲的上升沿时间为非主要因素。r k e r k m a n ，g s k i b i n s k i 等 1 3 1 4 1 对 变频电机端电压进行实测表明，电机端部电压达到了电源输出脉冲电压幅 值的2 3 倍，如图卜l 所示。初步分析是由于逆变器的调制技术，载波 频率的选择，电缆的自然振荡频率，电缆的衰减损耗共同作用的结果。 c h u d o n 等【” 16 l 研究表明变频电机过电压的幅值和振荡频率与电缆长 度、上升沿时间及电缆和电机的特性阻抗等多个因素有关。h u s s e i n 、 h y y p i o 等 1 7 - 1 8 】计算并试验测量了电机端尖峰过电压的波形。如图1 2 ， 电机端电压是高频振荡波。a v o nj o u a n n e 【l9 】定义当变频电机端电压达到 1 2 倍直流电压时电缆对应的长度为临界电缆长度，而e p d i c k 等 2 0 - 2 1 】 却认为当电机端电压幅值达到2 倍赢流电压对应的电缆长度为临界电缆长 度，目前在l 临界电缆长度的说法上还未达成统一。 5 0 0 o 5 0 0 0 6 0 0 i r i e r t e l 5 0 0 ”o l t 。 4 0 0 j 3 0 0 v 。m o l t t o r 2 0 0 10 0 0 1 02 03 04 05 0 t u s l ：； ； 。l ：- ； 1 昏 j 。 ”) ： 1t 51 tt1 791 81 18 3 t ，m s 图卜1 电缆两端的实测波形图1 - 2电缆两端的计算波形i ”1 西南交通大学硕士研究生学位逭塞篁! 玉 p w m 逆变器的输出电压是由各种宽度的脉冲方波组成，机车牵引供 电逆变器理论的p w m 电压波形如图卜3 所示，而实测电压波形如图卜4 所 示【2 2 1 。由图卜4 实测结果可以看出，变频调速牵引电机端的方波电压前沿 存在尖峰电压，实际测量峰值达中间值的1 7 倍( 未采取措施时达1 9 倍) ，在这种冲击电压下绝缘层极易产生局部放电，当电机对地和匝间绝 缘中含有微量空气时局部放电会更严重，以至于发生电晕放电。 024 t m i 5 8 l 。 图卜3 理想p w m 电源电压波形( 仿真) 蚶娃 俪 z o 2 46810 t ，m s 图1 - 4 实测p w m 电压波形( 电机端线电压) 1 2 3 变频电机定子绕组的电压分布 变频电机端予产生尖峰过电压，在工频条件下，这样高的过电压均匀 分布在绕组上，不足以对定子绝缘造成损害：但p w m 脉冲电压具有极短 的上升沿，使得定子绕组分布参数的作用不可忽略，引起定子绕组匝间电 压的不均匀分布。g s u r e s h ，b o l a r a n s 2 3 2 7 】等对于变频电机定子绕组匝问 电压分布的仿真和测试表明，在短脉冲上升沿条件下，定子绕组电机端线 圈的前几匝中主要是第一匝承担了最高的电压幅值，其匝间绝缘受到尖峰 过电压的冲击，成为绕组的绝缘弱点。a n a r a n g 等【2 8 1 研究表明电机定子 输入电源线端线圈末端绕组匝间绝缘承受的电压最大。c p e t r a r c a 【2 9 j 通过 数学模型建立定子绕组高频等效电路，主要分析了定子绕组匝间绝缘厚度 及绝缘介电常数，电缆长度，上升沿时间对于匝间电压分布特性的影响。 另外，l g u b b a l a 等人1 3 叫认为电机高频电路模型分布参数中绕组匝间电容 和绕组等效的互感相对来说很小，可以忽略不计。但到目前为止，国内还 西南交通大学硕士研究生学位鲨塞塑鱼至 没有文献就高速机车变频调速牵引电机定子绕组匝间电压分布特性进行过 分析，没有深入探讨过绕组分布电参数对绕组匝问电压分布特性的影响a 1 2 4 局部放电 变频电机端子在输入脉冲相应的陡上升沿和下降沿处产生过冲电压 又由于定子绕组匝间电压不均匀分布，使得绕组承受最大电应力的几匝极 易发生局部放电，促使绝缘的劣化和老化，最终导致绝缘失效或过早损 坏，d f a b i a n ，s r c a m p b e l l 3 1 - - 3 4 1 等人在变频电机局部放电研究领域做了 大量的工作。 局部放电是导致变频电机绝缘破坏的主要因素之一，精确的测量方法 对于检测有效的局部放电信号至关重要。传统的局部放电检测比较容易实 现，通常采用高电压电容滤掉5 0 6 0 h z 频率下的电压信号，局部放电高频 信号通过无衰减示波器记录。脉冲条件下，由于高频局部放电信号相似于 电源输入脉冲电压信号，使得局部放电信号的检测和辨别非常困难，传统 的测量方法已经不再适用。 s r c a m p b e l l 口2 j 分析结果表明，在起始局部放电电压，每个脉冲电 压附近很少发生局部放电，随着脉冲电压幅值大于局部放电起始放电电压 值，出现了大量的局部放电。利用局部放电检测仪捕捉局部放电信号，实 测结果表明，局部放电主要发生在脉冲的平顶处，在陡上升沿及下降沿很 少发生局部放电。m b a y e 3 3 1 研究表明局部放电主要发生在脉冲上升沿 处，而上升沿后的振荡过程中局部放电发生很少。文献f 3 4 】采用高频电流 传感器采集局部放电信号，频谱分析表明输入脉冲信号频带范围为0 2 0 m h z ，局部放电信号频带为0 5 0 m h z 范围内，通过滤波的手段实现局 部放电信号的测量。理论分析，应在脉冲的上升沿和下降沿处容易发生局 部放电，同时由于逆变器丌关器件快的转换速度，逆变器输出信号和局部 放电信号更难区分，脉冲条件下局部放电测量方法需要进一步的研究和探 索。 西南交通大学硕士研究塞掌焦迨窒蔓! 至 1 3 本文的研究意义和内容 牵引电机是电力机车最关键的部件之一，机车的性能和可靠性与它有 最直接的关系。我国积极引进国外先进技术发展国产变频调速牵引电机， 并已经在“蓝箭”、“奥星”和“中原之星”等商业用车上运行，保证这 些变频调速牵引电机绝缘的可靠性具有重大的经济和社会效益。目前，国 内对逆变器供电运行的牵引电机的绝缘机理和过程以及如何评估交流变频 电机绝缘状态等一系列问题还未进行系统的研究。 本文针对变频调速牵引电机绝缘面临问题的第二点，即变频调速牵引 电机面临的绝缘破坏的问题进行了研究。由于逆变器采用高开关速度的开 关器件，电机所承受的电压为高频脉冲电压，与工频情况下难弦电压大小 不同，工频正弦电压条件下的电机绕组绝缘指标已经不再适用于高频情 况，工频正弦条件下绕组绝缘的破坏主要是由于环境温度、湿度、机械损 伤等因素以及长期运行导致绝缘老化所致，由于绕组匝间承受过高电压发 生绝缘击穿的情况较少发生，在高频p w m 脉冲电压作用下，电机所承受 的端电压可能超过规定值，从而绕组匝问电压相应增大，导致绝缘击穿， 因此要研究高频情况下电机绕组绝缘破坏问题，必须深入研究逆变器输出 的脉冲电压特性和调速系统中所用连接电缆对电机端部过电压的影响；建 立高频条件下的电缆一变频调速牵引电机系统模型，分析电机端子过电压 特性，确定电机端电压幅值与p w m 脉冲上升时间、电缆参数之间的关 系；同时，分析定子绕组匝间电压分布，探讨电机高频电路模型分稚参数 对绕组匝间电压分布的影响，从而为变频调速系统中匹配电缆的选择、电 机绝缘结构的制造和应用提供理论依据，并在此基础上提出了抑制电机绕 组绝缘破坏的对策。 文中各章内容如下： 第一章讨论了逆变器广泛应用高开关速度的电力电子器件后，电 力机车对变频调速牵引电机绝缘系统的要求，确定本文研究对象，介绍了 国内外关于变频电机绝缘破坏的研究现状，提出本文的研究意义和内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章在确定了研究对象的基础上，利用传输线理论提出了变频 调速牵引电机高频等效电路及机车用电缆分布参数模型。通过解析法及有 限元软件分别计算了高频电路模型中分布参数值。 第三章主要讨论了在p w m 高频脉冲电压作用下，电机端子过电 压特性及影响电压幅值的因素，仿真结果与理论分析进行对比；探讨了定 子绕组匝间电压分布特性及分布电参数对其分布的影响。 第四章根据前面的理论分析，为解决变频调速牵引电机端子过电 压，提出几种方法来抑制过电压。提出改进电机绝缘材料及结构来改善定 子绕组电压分布不均匀的情况。 论文工作得到了以下项目的资助： p w m 变频调速牵引电机绝缘破坏机理及其对策研究( 株州电力 机车厂) 高速机车牵引电机绝缘电老化机理及表征的研究( 国家自然 基金n o 5 0 3 7 7 0 3 5 ) 高速机车牵引电机绝缘老化机理的研究( 霍英东教育基金 n o 9 】0 6 0 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章变频调速牵引系统的仿真模型 对应于p w m 脉冲电压陡上升沿，输出电压含有大量的高频分量 3 5 1 ，使得机车用电缆和变频调速牵引电机需考虑高频等效电路模型。本 章根据传输线基本理论，主要分析了包括电机和电缆变频调速牵引系统的 等效电路，利用解析公式法及有限元分析a n s y s 软件分别计算了电缆和 电机的分布参数值。 2 1 传输线基本理论 传输线是一个分布参数系统，它的每一段都具有分布电容、电感和 电阻。传输线的分布参数通常用单位长度的电感上和单位长度的电容c 以 及单位长度上的电阻月、电导g 来表示，它们主要由传输线的几何结构 和绝缘介质的特性所决定，其数值可以用测量的方法得到，但对结构简单 的传输线可用计算方法得到。分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有 的参数，给定某一种传输线，这些参数的值也就确定了，这些参数反映着 传输线的内在因素，它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。 电压波和电流波沿传输线流动，实质上是电磁波沿线路传播的过 程。根据传输线理论，电压波和电流波数值之间的关系是通过特性阻抗相 关联的，即特性阻抗是分布参数电路表征某一点处电压与电流关系的一个 常数，由线路分布参数决定【3 6 1 。如果波在传输线传输过程中，出现线路 参数突然改变的情况，将导致波的反射和折射。 终端反射波与入射波电压之比用反射系数，表示。设终端输入负载 z 卅，传输线特性阻抗z n ，终端电压的反射系数为： l ，毪 沼， 又根据传输线基本理论，对于终端不同条件有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 当z 。一o o ，即终端开路，= 1 ，电压波全部反射，相位不 变，使得传输线末端电压提高到输入电压的2 倍。电流波也在 终端发生全反射，但相位相反，末端电流为零。 当z 。= 0 ，即终端短路，= 一l ，所以电压波将在终端全部反 射，而相位与入射电压相差，即倒相。电流波也在终端发生全 反射，但相位不变。传输线末端电压下降到零，电流上升到2 倍。 当z 。= z o 时，即终端负载阻抗等于传输线特性阻抗，n = 0 ， 这就是终端匹配情况，此时由于反射系数为零，所以无反射波 存在，来自信号源的电流将源源不断地流进终端负载，在实际 应用中为了避免有害的反射，需要尽量作到终端阻抗匹配。 2 2 变频调速牵引系统的等效模型 2 2 1 输入电源模型 本文主要分析脉冲电压陡上升沿下变频调速牵引电机端子电压特性及 定子绕组匝间电压分布的瞬态特性。因此，仿真电路输入脉冲电源为阶跃 电压信号，脉冲上升沿时间及幅值都可以改变，如图2 - 1 。 圈2 - 1 阶跃电压信号 2 2 2 机车用电缆的高频特性 在分析电机端子电压特性时，机车用电缆采用分布参数等效电路模 型。根据传输线理论，电缆的分布参数等效电路如图2 2 所示， ) ) ) n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 民、l o 、c 。、g 。分别为电缆单位长度上的电阻、电感、电容和绝缘电 阻，模型中考虑了高频脉冲电压波沿电缆传输过程中引起的能量损耗。 缸 “ 图2 2 电缆的单相分稚参数模型 2 2 3 变频调速牵引电机的高频等效电路 2 2 3 1 变频调速牵引电机定子绕组结构 变频调速牵引电机定子绕组通常为成型绕组，也就是绝缘导体在定子 槽中有顺序的排列：导体1 邻近导体2 ，反过来，导体2 邻近导体1 和导 体3 。定子成型绕组的排列见图2 3 。将单个线圈分为两个区域：槽部 分，即线圈活动部分，放于定子铁心中：电枢端部，线圈端部放置于空气 中，将每匝绕组作为传输线的基本单元。 图2 - 3 定子成型绕组示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! ! 夏 2 2 3 2 无损传输线分析 根据图2 - 4 ，将4 匝绕组的单个线圈分为五个部分。p w m 电压的脉冲 陡上升沿对应大量的高频分量，考虑定子铁芯高频下的屏蔽作用，五个部 分之间耦合很小1 3 7 。因此，本文只考虑同一个定子槽中线圈各匝间的耦 合，其他部分间的耦合忽略，各部分之间互相连接形成一个线圈。 图2 4 单个线圈示意图 槽中线圈为4 匝绕组，本文通过四个平行导体来分析。假设绕组中 传输的电磁波为横电磁波( t e m ) 1 3 8 1 ，导体为无损传输线，导体传输线 主要由对地电容和导体间电容，电感及导体线之间的互感组成，见图2 5 。通过无损传输线理论分析如下。 z 么么z z z z 么z z “，j _ 上 r 、 ，：t i f i n j w ：j “、 m 1 i 1、 “； 。i 。： 图2 - 5 四匝线罔的等效图 亘宣窭塑查堂塑主堑窒圭兰焦迨塞蔓! ! 垂 曲= 一c 。- 出鲁- c i j x 尝- t ( i ，i - - v 2 ) 一c i ，出面d ( u 一匕) 一c i 。d x 丢t t ( v , - v 4 ) 如一出警- c 2 d x d ( v ：- v , ) - c z 3 d x d ( v 2 - - l , 3 ) - c 2 4 d x d ( v 2 - - v 4 ) 讲j = 一c 9 3 出堕d t c ，r 出旦a t ( v 3 一u ) 一c 3 ：d x a ( v , - v ：) 一c 3 。d r d ( v ，- v , ) 识一c 矽等- - c 4 1 d x d ( v 叫1 ) - c 4 2 d x d ( v 4 - - v 2 ) - c 4 3 d x d ( v 4 - - v 3 ) 上式可以变为 安一( c g i + c 1 2 + c 1 3 + c 1 4 ) 鲁蚂：鲁+ c i ，鲁+ c l 。i d v 4 i d 2 = 一( g ：心t + 坞。) 鲁+ c ，鲁+ c 2 ，鲁+ c 2 。等 鲁一c c 9 3 + c 3 2 + c 3 1 + c 3 4 ) 誓3 坞：鲁+ q 。鲁坞。警 警一c q 。+ c 4 + c 4 z + 引等+ q 鲁 f c 4 2 鲁+ c 4 ，d 出y e 3 芸卜制1 q 。 2 4 + c 3 4c 3 4 c 1 4 + c 4 i + c 4 2 + c 4 ， 吒吒坩 一 一 挖 一 c +c c+ 忙 n c+c q + 坩 一 一 一 十 0 r|llill c 上式对f 微分得 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 丢【，】= 一【c 坛矿】 蕊d 2 【，】= 一【c 】景m 另外，建立电压方程式如下： 或者写为 咖= 一厶硪鲁一：疵鲁一吖i ，凼等一肼。出鲁 咖：= 一m ：l d x 等 - l 2 d x - 老-蚝出鲁一m ：。出警 咖，= 一m 3 1 d x 粤讲- 一肘，：出鲁- l s 出鲁一m ，。出鲁 由。= 一出等一出堕d t m 。出堕d t - l 4 d x 等t 写成矩阵形式 d 出v a _ t “；_ d i i e l l 川：拿e l l僦m i 4 百d i 4 堕=一m：一dit一：di2一m：，一disdxd t d td t 一肘：。亟d t z lzz j 4 m 3 1 i d i i 警= 一鲁一i d i z 一百d i 3 - l 4 鲁 ( 2 2 ) 啦万 m 啦百 m 一 如百 l一 堕田 m = 屯i 10，llj l i 。，。l d 一出 4 m m m j 船 ， 郫 m m 工m ! ： 弛 啦 m m m 2 3 4 心m m 。，l l l w w w w d 一出 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 上式对工微分 去- v l = 一陋一a t 【， 参怍一陋】乏 ，】 ( 2 3 ) 因此，由( 2 2 ) 、( 2 3 ) 两式组合，得 万d 2 【r 】= 旺i c 景m ( 2 - 4 ) 对于同一介质无损传输线有【3 9 1 g l c ：三i 其中，i 是单位矩阵，”是波速，可表示为 “= ；：兰：!( 2 - 5 ) q e o e t , u o , u r q e r t ” 光速c ：1 一= 3 1 0 8 m s ；真空介电常数p 。：8 8 5 1 0 啦f ，m ；真空磁导 - 4 0 0 a o 率= 4 n x 1 0 。7 h m 因此。方程( 2 4 ) 可以写为： 有 l “2 1o 01 o o oo 0 o 00 l0 ol d 2 加2 v i v 2 v 3 v 4 ( 2 6 ) 一h m m 生舻 盟舻。一矿 = 盟舻 堕扩 一矿 j i 盟舻 解为 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 a ( ，) 是单元脉冲函数，前面有 v i = _ l a o u t ) v 2 = _ 2 a ( x u t ) v j = 可3 a ( x u t ) v 4 = _ 4 a 0 u t ) 通过方程( 2 7 ) 和( 2 8 ) ，可以推导出如下矩阵 上式可以写成 其中， 也。 刊 旷】- z - z i ，】 1 1 i 2 2 1( 2 7 ) 0 31 4 j ( 2 - 8 ) 生扩一扩 = 丛舻 坐扩一矿 i f 盟舻 d 一卉 1j h m m m m m l m m 厶坞坂 m m m l = 1，j 如n “ v v v v d 一出 lf f z 。l “ = h一心一hh d 一西 有又 1j h吐bk 丌jjjoiojj儿 m 肌肌厶 m m 。厶帆 m 吖m 厶肌胁肌 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 亟 从前面公式 有 m 1 3 m 2 3 l 3 m 4 3 t i c = 砉【l 】 b i = 古纠 = “m 因此，电机的特性阻抗可以表示为 z ：三【c 】_ l “ 通过以上无损传输线方程的分析，特性阻抗与电机绕组的等效电感 和电容有关，即也与电磁波在绕组中传播的速度有关。分析电机绕组匝间 电压分布中，包括电感和电容来表征特性阻抗就可以达到分析的目的。因 此，脉冲电压条件下电机的电路模型需包括这些参数。 2 2 3 3 电机高频电路模型 根据前面所述，假设绕组中传输为t e m 电磁波。高频作用时，涡流 效应使得定子铁芯对磁通具有良好的屏蔽作用，不同线圈下在不同的槽 中，可以忽略相邻槽中导体问及各线圈之问的耦合。同时，同一个定子槽 中，不同层间的邻近导体匝f 刚存在相互耦合，但同一个槽内不同层间邻近 线圈的耦合相对于同一线圈的邻近匝间的耦合属于次级效应。另外，集肤 效应作用使得线圈导体的损耗增加，等效电阻值增大不容忽视。 在考虑绕组高频损耗的条件下，基于上述无损传输线理论分析，电机 等效电路模型包括电阻，绕组匝自感，绕组匝间互感，匝间电容及匝对地 电容。等效的匝间电容同匝对地电容在高频下起着同样重要的作用，和漏 感及互感共同作用产生绕组匝间电压分布的瞬变特性。 m 厶峨峨 l m 吖m 厂lil训l = z 西南交通大学硕士研究生皇堕监文篁! ! 夏 因此，定子绕组高频等效电路模型考虑线圈导体损耗及单层同一线圈 各匝间的电磁耦合，以线圈匝为基本单元进行建模。故电机高频等效电路 模型如下。 。 卢弋 m 1 2 、 m 2 3m 】4 八八 第一匝 第二匝第三匝第叫匝 图2 - 6 电机高频等效电路 分析单相定子绕组模型，每相为5 个线圈。对整相建模进行各匝绕组 电压分布特性的分析。相邻两线圈分别下在不同的槽内，忽略线圈之间的 电磁耦合，而认为只是简单的串接在一起。 2 3 变频调速牵引系统模型参数的计算 2 3 1 电缆等效分布参数的计算 电力机车用电缆连接牵引电机和变频电源，其长度视二者之间的距离 而定。本论文中研究的电缆对象为d c j 3 0 0 0 v 9 5 单芯交联聚乙烯电缆，结 构如图2 7 ，电缆包括导体，绝缘体和橡胶护套。电缆芯为多股导体，每 芯均由5 1 3 根导体绞合而成。 导体 绝缘体 图2 7 交联聚乙烯单芯电缆结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 变频调速牵引电机中每一相连接单根电缆，三根单芯电缆组成对称交 流回路，平面敷设，如图2 8 示。 电缆参数如表2 - 1 。 abc 一 圈2 - 8 三根单芯电缆平敷图 表2 1 电缆参数 电缆参数名称参数值 导体中单线根数 导体中单线直径 导体外直径 电缆最高工佧温度 导体轴间距离 绝缘材料的相对介电常数 绝缘外半径 5 1 3 0 4 9 m m 1 5 2 m m 1 0 5 2 0 0 m m 2 5 1 0 m m 根据参考文献 4 0 4 1 】，计算电缆的电性能参数。电缆分布参数已经 有成形的计算公式，故本文不再赘述。 对于电缆芯由多股铜线绞合而成，高频下集肤效应比较明显。再有， 通有交流的导体彼此放得较近，则每一导体不仅处于本身得时变电磁场 中，同时还处于其他各导体的时变场中，因此，在任一导体中场量的分布 将与它单独存在时不同，邻近效应不可忽略。故脉冲电压条件下分布参数 的计算需考虑集肤效应及邻近效应。 单位长度导体的交流电阻r 。可由下式表示【4 2 】： r = k ，足胁“) r 出( q m ) ( 2 9 ) 其中r 。表示单位长度导体直流电阻，k ，为邻近系数，k 。州厂) 为集 肤效应系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 在高频情况下，“集肤效应”对导体电阻的影响用集肤深度占来描 述，它的值取决于频率厂和金属的电导率盯。万可由下式求出： 占：一! ( 2 1 0 ) 心h q u ? o 其中为真空磁导率，肼为相对磁导率，盯为导体的电导率，取 1 m h z 。 从而得到集肤效应系数与频率的关系： k 圳) = 嘉 ( 2 - 1 1 ) 式中以为导体外径。 对于绞线式导体结构的电缆来说，导体之间由于邻近效应而引起的电 阻变化系数 4 3 】 k 。* 2 ( 2 1 2 ) 所以，电缆分布参数计算结果如表2 2 。 表2 - 2 电缆分布参数值 电缆分布参数名称电缆分布参数值 电缆的直流电阻 电缆的交流电阻 电缆电感 电缆电容 电缆的绝缘电阻 2 6 7 1 0 4 0 m 1 4 4 2 l o j q m 3 0 8 1 0 “h m 1 9 9 1 0 。1 0 f m 4 7 7 1 0 13 q m 因此，电缆的特性阻抗值按下式计算： z o - j 等= 3 0 8 x 1 0 - 7 一蛾 电压波在电缆中的传播速度为： 11 o c o 3 0 8 x 1 0 。x o 1 9 9 x 1 0 。9 ：1 2 7 7 1 08 m s ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 2 3 2 电机等效分布参数的计算 定子绕组分布参数值同其在槽中的位置、绝缘结构和材料的属性密切 相关，且彼此之间存在着复杂的电磁耦合现象，很难实际测量。有限元方 法克服了以上困难，分析定子槽电磁场。在考虑高频效应的条件下，计算 定子绕组的分布参数值。定子线圈的等值电感及电容参数通过有限元分析 软件a n s y s 分析得到等值电阻通过解析计算获得。 2 3 2 1 变频调速牵引电机的参数 本文研究对象是株洲电力机车厂研制的某型号变频调速牵引电机。牵 引电机定子是y 接法，电机为3 相，4 极，每相每极5 个线圈，每个线圈 4 匝绕组，定子槽为双层槽。 2 3 ，2 2 定子槽模型的建立 利用a n s y s 有限元分析软件对该型号牵引电机定子的单槽模型进行 电磁场分析，由于槽的尺寸相对它的长度来说很小，所以可认为在各横截 面上的电磁作用是相同的因此建立定子槽二维模型。定转子间气隙距离 很短，定子开槽部分因为靠近转子铁芯而近似为连续的铁质。但为了分析 模型的全面性，转子和气隙也考虑了进来。整个模型包括转予，气隙，槽 楔，铁芯，导体和各种绝缘几部分。单个线圈的从下往上依次为第匝， 第二匝，第三匝，第四匝。各部分尺寸按照株洲厂提供牵引电机定子槽尺 寸及绝缘尺寸而定。 2 3 2 3 分布参数的有限元计算 ( 1 ) 建立定子槽模型 利用a n s y s 软件建立定子槽结构的二维模型，a n s y s 建模如图2 9 。 ( 2 ) 模型单元和属性定义 按照定予槽各部分的实际属性定义图2 - 9 中每个区域的材料单元和 材料属性。各部分主要包括定子铁芯，气隙，槽楔，线圈匝，匝问绝缘， 外包绝缘，对地绝缘。其中，定子铁芯属性如b h 曲线及各部分绝缘材 料的相对电阻率，相对介电常数等由株洲厂提供；其余材料属性通过查阅 西南交通大学硕士硒宝生学位论文篁! ! 亟 相关资料获得。此处用到的平面单元是p l a n e 5 3 ，材料的属性主要包括 相对磁导率和电阻率等。 胤 一 _ _ _ - 一 e _ _ _ = - _ - - _ 图2 - 9a n s y s 建立电机定子槽模型图2 1 0 网格划分示意图 ( 3 ) 模型的网格划分 集中体现了有限元思想，是数据处理的重要步骤。有限元分析的特点 是将分析区域划分为若干个子区域，划分的越细，计算的结果越精确，但 计算的时间越长。本文设置自动网格划分，对模型区域可以自动调整网格 划分密度。见图2 1 0 。 ( 4 ) 自由度耦合及施加边界条件 为了求解所需要的值，及使有限元的求解收敛而不发散应该进行自 由度的耦合和指定其边界条件。见图2 1 1 、2 1 2 。 电磁场边界