电传动控制原理第二章 直流牵引电机及其调速方式.

串励电动机防空转性能
1:最大粘着曲线 2:滑动摩擦力曲线 4/5:串励电机机械特性
T(F) B 2 1 1' 假设电机原来工作在B点 v0
粘着条件破坏 1-1’ 2-2’ 牵引力>最大粘着限制 逐渐 发生空转 v A 滑动摩擦 力=牵引力，停止空转
A
5 4 2' v4 n(v)
0
v0
二、他励牵引电动机
If1> If2> If3> If4> If5 n
If5 If4 If3 If2 If1
优点： • 合适的调节特性 • 优良的防空转特性 • 充分发挥机车牵引力 • 能实现无级磁场削弱 • 便于牵引制动工况转换
0
Id
三、积复励牵引电机
• 集 中 控 制 各 电 机 他 励 绕 组 串 联 后 进 行 • 串 励 绕 组 与 各 自 的 电 枢 串 联
T T1 n 2 T 1 1 n 2
并励： T2 转速相同 n相同
Id1 Id2 差值很大
T1 T2 差值也较大
0
Id2
Id1 Id
• 牵引电机动轮直径不同（特性相同）
T n
n T
n1 n2 T2 T1
串励：
由相同的转速差引起 Id1 Id2 差值较小
T1 T2 差值也较小
0
Id1 Id2
Id
• 牵引电机动轮直径不同（特性相同）
齿轮传动比
机车线速度 Vk = (D k/60) • nk (m/s)
• 机车牵引力特性 FK = f ( Ia )
机车动轮转矩 Tk
Tk = T • 牵引电机转矩 T
齿轮传动比
机车动轮转矩 Tk = F k • (Dk/2) (m/s)
DＫ：机车动轮直径 Fk = 2 T k / Dk = 2 T / D k 考虑到传动装置的效率0 Fk =( 2T k / Dk) • 0 = (2 T / D k) • 0
其他电动机dF/dv <0
均具有机械稳定性
机械稳定性分析图示
F/ W0 2
3
1. 基本阻力曲线W0=f(v) A F2=f2(v)
A : v1
v = v1 + △v F3 > W0 v↑ 不稳定 F2 < W0 v↓ 稳定 v
F3=f3(v)
0
△v
v1 v
• 电气稳定性
指机车牵引列车正常运行时，由于偶然的原因， 引起电机电流发生微量变化后，机车本身能恢复到 原有的稳定运行状态。 动态电压平衡方程式： Ud = E + Id∑R + L• (dId/dt)
0
Id
（二）牵引电机之间的负载分配
• 牵引电机特性有差异 动轮直径相同
• 动轮直径不同 牵引电机特性相同
• 牵引电机特性有差异（动轮直径相同）
T n 2 n T2 T1 0 Id2 Id1 Id n 1 2 1 T
串励：
转速相同 n相同
Id1 Id2 差值较小
T1 T2 差值也较小
• 牵引电机特性有差异（动轮直径相同）
FK
• 机车速度特性 Vk= f ( Ia )
机车动轮转速 nk 电动机转速 n
nk = n / ＤＫ：机车动轮直径 Vk = (D k/60) • nk = (D k/60) • (n/) • (3600/1000) = D k • n/5.3 (km/h) 对某一机车 DK = C = C 机车线速度与电机转速成正比 VK n 只要在电 机的转速特性上乘以 DK/5.3 就可得到机车的转速特性
日 本 微 机 控 制 机 车
6K
M
M
M
§2.3 直流电传动机车的调速方法
Ud – IdR n= Ce
• 调节电机电压 • 调节主磁通
一、调节端电压
• • • • • 改变牵引电机的连接方式 牵引电动机与电阻串联 改变牵引变压器的输出电压 改变牵引发电机的转速和励磁电流 改变同步牵引发电机定子绕组接法
+
Id
M K1、K2断开 • K1闭和 1 R1 2 R2 Id = IL 满磁场 R1分流
Ud
Hale Waihona Puke Baidu
IL
• K2闭和
R2分流
R1、R2分流
• K1、K2闭和
-
磁场削弱系数
磁场削弱系数：在牵引电动机电枢电流相同的条件下， 磁场削弱的磁势(IW)与全磁场时的励
磁磁势(IW)d之比 假设主极绕组匝数为W 电阻为RL 分路电阻为R
FK T 机车牵引特性曲线 FK = f ( VK )
与电动机机械特性曲线 T = f ( n )有相同的形状
三 机车牵引特性的限制
F 4 3
2. 最高速度限制
5. 安全换向限制 3. 粘着限制 4. 最大允许电流限制
1 2 v 5
§2.2
各种励磁方式直流 牵引电机特性分析
一、串励和并励直流牵引电机性能比较
= IL =
(IW) (IW)d R
=
IL•W Id•W
=
IL Id = R RL + R
RL + R
Id
小结
• 直流牵引电机的工作特性与机车的牵引特性 – 工作特性 n=f（Id） T=f（Id） n=f（T） – 牵引特性 v=f（Id） F=f（Id） F=f（v） • 各种励磁方式牵引电机特性分析 – 串并励牵引电机特性比较 – 他励和积复励电机特性 • 直流电传动机车调速方法 – 调节电机端电压 – 调节主极磁通 磁场分路法（）
在电动机电压 Ud 保持不变的情况下：
d（Cen + Id∑R）/ dId
正值就具有电气稳定性
> 0
即电动机Cen + Id∑R = f（ Id ）的曲线斜率为
串励电机电气稳定性
Ud
A
在任何负载下斜率均为正 具有电气稳定性
0
Id
并励电机电气稳定性
Ud A B 只有在一定负载范围内 才具有电气稳定性 A：稳定 B：不稳定
并励
T T1 n
转速不变 工作曲线由n1变为n2 T 1 n 2 结论：当电网电压波
T2
动时，并励电机的电
流冲击和牵引力冲击
比串励电机大得多
0
Id2
Id1 Id
（四）功率利用
T(F) T2 T1 a c T(F) T2 b d n2 n1 n(v)
T1
0 n2 n1 n(v) 0
假设串励、并励电机具有相同的额定转矩和额定转速
T T2 n1 n2
T n 并励： 由相同的转速差引起
T1
Id1 Id2 差值较大 T1 T2 差值也较大
0
Id1
Id2 Id
（三）电压波动对牵引电机的影响
T n
2 n T1 T2 n 1 T
串励：
转速不变 工作曲线 由n1变为n2
Id1 Id2 差值较小
T1 T2 差值也较小
0
Id2 Id1
Id
串励：T1—>T2 c 点—>a点 并励：T1—>T2 d 点—>b点 面积差不多 接近恒功 面积差较大
结论：串励功率利用好，能充分发挥机车的功率
（五）粘着重量的利用（防空转性能）
v 假设电动机工作在a点，速度为n 2 a F2 偶然原因 —> n+n 1 并励：特性硬 F1较大 1 迅速恢复粘着 2 串励：特性软 F2较小 F 粘着不易恢复形成空转
Ce ：电势常数
0
Ia(T)
2. 转矩特性 T = f(Ia)
T 2 串励 3 积复励 1. 他(并)励
T = CT Ia
CT : 转矩常数
0
Ia
3. 机械特性 n = f(T)
n 1.他(并)励 2.积复励 3.串励
∵ T ∝ Ia
∴ 机械特性具有 与转速特性相 似的形状
0
T
二 机车的牵引特性
n
F1
0
并励电动机防空转性能
1:最大粘着曲线 2:滑动摩擦力曲线 3:并励电机机械特性
T(F) B A 2 3 0 v0 v3 2' n(v) 假设电机原来工作在B点 1 1' v0
粘着条件破坏 1-1’ 2-2’ 牵引力>最大粘着限制 逐渐 发生空转 v A 滑动摩擦 力=牵引力，停止空转
第二章 直流牵引电机及其调速方式
§2.1 直流牵引电机的工作特性 和机车牵引特性
一 直流牵引电机特性
• 工作特性:
U = UN If = IfN n、T、 = f (Ia) • 机械特性: n = f (T)
1. 转速特性 n = f (Ia)
n 1.他(并)励 2.积复励 3.串励
n = ( U - Ia∑Ra) / Ce ∑Ra : 电枢回路总电阻
M 柴油机
G
M
M
• 改变同步牵引发电机定子绕组的接法
T1 T2 T3 T11 T12 T13
AS1 AS2
双星形：T1 M M
T2
T3
T1 1 T12 T13 低速：AS1和AS2断开 并联 高速：AS1和AS2闭和 串联
二、调节主极磁通
磁场分路法：主极绕组两端并联一级或数级分路电阻， 从而减小励磁电流和磁通
E = Ce n
∴ Ud = Cen + Id∑R + L• (dId/dt)
电气稳定性分析图示
Ud
A
1
假定 Ud = C A：电气平衡状态 曲线1：电气稳定
2
△ d
曲线2：电气不稳定
I
0
Id1
Id
牵引电机电气稳定的必要条件：
d Ud / d Id < d（Cen + Id∑R）/ d Id
（一）机械稳定性和电气稳定性
• 机械稳定性
指机车牵引列车正常运行时，由于偶然的原因， 引起速度发生变化后，机车本身能恢复到原有的稳 定运行状态。
机械稳定性的条件： 牵引特性曲线斜率<基本阻力曲线斜率 即： 一般dW0/dv > 0 ∴差复励电动机dF/dv >0 不具有稳定性 dF/dv < dW0/dv
优点：控制简单 缺点：起动不平稳 粘着利用不好 损耗大
• 改变牵引变压器的输出电压
改变变压器的匝数 改变变压器输出电压 Ud
根据 变压 器调 压抽 头的 位置
高压侧调压
SS2
低压侧调压
SS1
• 改变牵引发电机的转速和励磁电流
柴油机转速 同轴的发电机转速 由于牵引发
电机的励磁机是由柴油机驱动的 励磁机的转 速变化 电机电压变化
机车轮周牵引力 FK 和轮周线速度 VK 之间的关系 FK = f (VK) • 机车的速度特性 VK = f ( Ia ) • 机车的牵引力特性 FK = f ( Ia ) ∴ FK = f(VK) 与 n = f (T)有相同的形状
牵引电机力矩传递图
3. 轮对 Fz : 齿轮齿上所受的力
2. 大齿 轮节圆 DK 1.小齿轮节圆
• 改变牵引电机的连接方式
M U U N UN N
M M
M M M M M
M
M Ud U =d U /4N/2 NU = M M
优点：能量损耗少
比较经济
缺点：调压级数有限 需要复杂的转换开关
Ud = UN
和接触器
• 牵引电动机与电阻串联
U UN N
CH M M
逐渐切除 调节斩波 与电枢串 器导通比 联的电阻 进行调速 进行调速
对某一机车 DK = C = C 0 = C
机车轮周牵引力与电机转矩成正比 FK T 机车牵引力特性与电机转矩特性具有相同的形状
• 机车牵引特性 FK = f ( VK )
速度特性 牵引力特性 VK n VK = f ( Ia ) FK = f ( Ia ) 牵引特性 FK = f ( VK )