《电力牵引传动与控制》

10
⑦
直流电机的结构
定子：主磁极和主极线圈，换向极和换向极线圈，机座，电刷装 置，端盖及轴承等（静止部分） 转子：转子铁芯，电枢绕组（线圈），换向器，转轴等（旋转部分）
11
电机结构图
12
转子的结构
转轴、电枢铁心、电枢绕组
换向器
13
14
直流电机的结构
15
2.
直流电机基本方程
①感应电势和电磁力矩
2
一、直流牵引电动机
1. ①
直流电机工作原理与结构 单线圈电机模型：磁极，导体，换向片（器），电 刷，转轴等
图2-1a 直流电机工作原理
3
直流电动机的工作原理
图2-1b 直流电机工作原理
4
② 导体所受电磁力 大小：fx=Bx· L· Is
方向：左手定则判定
旋转导体感应电势大小：es=Bx· L· V 方向：右手定则判定 （式中：Bx为导体所处位置的磁通密度；L为导 体有效长度；V为导体线速度；Is为导体电流）
二﹑同步交流牵引发电机

同步交流牵引发电机工作原理 等效电路与电势矢量图 同步发电机工作特性 同步发电机电枢三相绕组*
31
同一台机车动轮直径有差异时，采用串励 牵引电动机比他励电机负载分配均匀。
32
d)
输入电压波动对电机电流和牵引力的影响分析
当外加电压突变时，由于他励电动机励磁不变，电枢反电势不能及时 增加，将使过渡过程开始阶段电枢电流冲击过大，串励电机电流冲击要 小得多。
33
e)
牵引电动机功率利用分析比较
串励牵引电动机具有软特性，转速随转矩的增大而自动降低， 故串励电动机的功率变化比他励牵引电动机要小，接近恒功率曲 线，可以更合理地利用与牵引功率有关的电器设备容量。
第二章 电力牵引交-直传动与控制
主要内容： 直流牵引电动机 交流牵引发电机 内燃机车恒功调速系统 传动装置参数 电力机车传动与控制系统 黏着控制与主电路保护 电阻制动
1
第二章
电力牵引交-直传动与控制
一、直流牵引电动机
1. 2. 3.
4.
5. 6.
电机工作原理与结构 基本方程 工作特性与牵引性能分析 速度调节 绕组结构* 电枢反应与换向*
U s I s1 R s C e Φs1 U s I s1 R s Φs2 n1 n 2 U s I s2 R s U s I s2 R s Φs1 C e Φs2
近似有：
( 2 14)
n2/n1≈ Φs1 / Φs2
（2-15）
39
40
思考： 恒功率控制条件下，牵引电 动机磁场削弱前后的工作状态 如何变化？
ω 电机角速度；
J 电机与负载等效转动 惯量。
18
④
能量（功率）平衡方程
由（2-4）式可得：
UsIs=EsIs+Is²Rs
输入电功率=电磁功率+电机内铜(电阻)损耗
（2-7a）
EsIs=（ CeΦsn）*Is =（pN/60a）*（60ω/2π）* Φs Is =（pN/ 2πa）* Φs Isω =（Cm Φs Is ）ω =Mω （ 2-7 b） 电机扭矩
45
直流电机的绕组结构
（第4讲）
46
例： 四极直流电机绕组
2p=4 Z=S=H=16 τ = Z/2p= 16/4=4 YH=+1 Y1=Z/2p± ε =16/4±0=4
注：图中所示方向为感应电势方向
47
绕组16个元件通过换向器连接成闭合环路：
48
通过电刷与换向器接触将16个元件对称分割成四条并联支路：
34
f)
粘着性能分析比较
---空转发生与空转速度
35
由上图所示的牵引电动机特性与空 转的关系可知，串励电动机由于特性 较软，空转发生后的稳定滑动速度V4 高于他励电动机的稳定滑动速度V3。 从粘着重量的利用观点出发，他励牵 引电动机优于串励牵引电动机
（第3讲）
36
4.
直流电动机速度调节
由（2-9）式：
55
56
57
B. 换向元件中的不平衡电势和附加电流 ∑e = er+es+eh
（2-21） （2-22）
Δi = ∑e/rh
式中：
er 电抗（自感和互感）电势，与Is和n成正比； es 电枢反应电势，与Is和n成正比； eh 换向电势，亦应与Is和n成正比； rh 换向元件闭合回路总电阻。
不平衡电势引起的附加电流Δi 是造成换向 问题的主要原因！
49
50
ZQDR-410直流牵引电动机



总槽数（实槽数）Z=50 S=H=200 2p=4 Y1=Z/2p-ε=50/4-2/4=12 YH=1 每个槽内嵌放4个元件(4对元件边)
（第5讲）
51
6.
①
直流电机电枢反应与换向问题*
电枢反应
电枢电流磁场对主极磁场的影响。 电枢反应的结果：
特性1：稳定 特性2：不稳定
29
串励和他励电动机牵引特性电气稳定性
一般情况下，串励和他励电动机具有电气稳定性。但他励电机稳定余量较小， 对于无补偿绕组的电机，由于电枢反应的去磁作用，在大电枢电流时，有可能进 入不稳定状态（B点）。
30
c)
多台牵引电动机并联工作时，负载分配性能分析比较
当多台牵引电动机并联工作、电机特性有差异时，串励电机 比他励电机负载分配不均匀程度要小得多。
16
②
电势平衡方程
以串励电动机为例：
dI s Us=Es+IsRs+Ls （2-3） dt
稳态时有： Us=Es+IsRs 式中： Us 电机端电压； Rs 电枢回路总电阻； Ls 电枢回路总电感。
（2-4）
17
③
转矩平衡方程式
转矩方程： d （2-5） M=Mz+Mo+J dt 稳态时有： M=Mz+Mo （2-6） 式中： M 电磁转矩； Mz 负载阻力矩； Mo 电机空载阻力矩；
M ω =Mz ω +Mo ω
电磁功率=机械功率
电机转矩
常数Cm
（ 2-8 ）
机械功率=负载功率+电机空载损耗
19
直流电动机功率流图
输入电功 率 UsIs Is ² Rs 铜损
EsIs=Mω Moω
输出机械功 率 MZω
铁损
空载机械摩擦损耗
图2-8 直流电动机功率流图
（第2讲）
20
3.
直流电动机的工作特性
转速特性：n =f（Is） 转矩特性：M=f（Is） 机械特性：n =f（M）
条件：不对电源电压和励磁电流进行人为 调节。
21
①
转速特性n
=f（Is）
由（2-1）和（2-4）式可得：
n=(Us-IsRs)/(CeΦs) =Us /(CeΦs)- IsRs /(CeΦs) （2-9）
他励电机：Φs≈const.
n=no-kIs
------（硬特性）
串励电机：Φs≈k’ Is（磁路未饱和时）
n=a/Is-b
------（软特性）
其中 no =Us /(CeΦs)；k，k’，a，b为常数。
22
②
转矩特性M=f（Is）
他励电机：
M=CmΦsIs=k Is
10）
（2-
串励电机（磁路未饱和时 Φs与Is成正比 ）故有：

27
④ 直流电动机牵引特性分析与比较
牵引特性机械稳定性分析 稳定性条件：
a)
dW0 dF dV dV
式中： Wo和 F 分别为负载阻力和电机牵引力
直流牵引电动机（除差复励外） 的特性曲线都具有负斜率，均 满足列车牵引时的机械稳定性 条件。
特性F1：稳定 特性F2：来自百度文库稳定
28
b)
牵引特性电气稳定性分析


电机气隙合成磁场发生畸变，主极极面下有一 半磁通密度增加，另一半减少，物理中性线与 几何中心线不再重合。----换向器片间电压升高， 换向元件中不平衡电势增加，电机换向条件恶 化。 电机气隙合成磁场被削弱，因磁路饱和引起的 去磁作用影响转速和转矩。
52
两极电机中电枢电流磁场对主极磁场的影响
53
由（2-3）电机电势平衡方程式有： Ls (dIs/dt) = Us – (Es + IsRs) 式中： Es=CeΦsn 电机电枢反电势； Is 电机电枢电流； Us 电机输入端电压； Rs 电枢回路总电阻； Ls 电枢回路总电感。 设Us 为恒定，当负载扰动引起∆ Is 时，电机系统中Ls (dIs/dt) 的符号应与 ∆ Is相反，从而使电机恢复到原来的平 衡状态。---- 电气稳定性条件
图2-2 八线圈直流电机示意图

实际直流电机：可以有数对磁极，由励磁绕组通以励磁电流形成 磁场。转动导体有多个线圈，线圈两有效边相距约一个极距，嵌 放在转子铁芯槽内，并通过换向片和电刷的连接作用，构成数条 并联支路。
8
⑥
直流电机的分类—励磁方式
按励磁方式分类：他励，并励，串励，复励。
9
直流电机的结构示意图
58
C.
改善换向的措施（电磁方面）
a)
减小换向元件中的合成不平衡电势∑e


b)
换向极正确安装； 换向极励磁电流必须与电枢绕组串联； 换向极磁路不饱和（采用第二气隙）等。 选用接触电阻和电阻系数较大的电刷； 采用分裂式电刷等。
59
增加换向回路中的电阻rh

第二章 电力牵引交-直传动与控制
τ = Z/2p
(2-16)
44
单迭绕组结构
绕组元件数S与换向器的换向片数H 因每个元件的两端分别 接到两个换向片上，而每一个换向片和两个元件相连 接，故有： S=H (2-17) 第一节距Y1 元件两有效边在电枢表面的距离，用所跨的槽 数表示。 Y1=Z/2p±ε=整数（0 ≤ε<1） (2-18) 根据直流电机原理，应使： Y1≈τ 换向片节距YH 元件首尾两端所连接的两个换向片在换向器 表面的距离，用所跨过的换向片数表示。 单迭绕组： YH=±1 (2-19) 并联支路数2a及电刷位置 单迭绕组并联支路数： 2a=2p (2-20) 电刷位置：应使两电刷之间能得到最大电动势---磁极 中心线上
电枢感应电势：
Es=CeΦsn（v）
电枢电磁力矩：
（2-1）
M=CmΦsIs（N· m）
式中： n 电机转速（r/m）
（2-2）
Φs 每极下磁通量（wb)
Is 电机电枢电流（A）
Ce=pN/60a（电机电势常数） Cm=pN/2πa（电机扭矩常数）
p 极对数； a 电枢绕组并联支路对数； N 电枢绕组有效导体总数。
n=(Us-IsRs)/(CeΦs) 改变Rs， Us，Φs均可调速，但后两者才是经济
的调速方法。

可分别通过改变Us或Φs调速，两者独立。
①
改变 Us调速 n2/n1≈Us2/Us1 （ 假定IsRs≈0时）
（2-13）
37
38
②
改变Φs调速（磁场削弱调速）
根据电机转速公式，可得调速前后转速比为：
电枢反应
电枢磁场磁通 密度分布曲线
Bx
主磁场的 磁通密度 分布曲线
B0 x
Bax
两条曲线逐点叠加后得 到负载时气隙磁场的磁 通密度分布曲线
54
②
A.
直流电机换向问题
换向及换向过程
旋转的电枢元件从一条并联支路经过电刷进入另一 条支路时，该元件中电流从一个方向变为另一个方 向，这种电流方向的改变称为换向。这一过程称为 换向过程。
42
恒功磁场削弱调速过程及优缺点分析


经济调速，可重复使用 主发电机的恒功曲线， 扩大机车恒功调速比。 使牵引电动机换向条件 恶化，运行可靠性降低。
43
5.
直流电机绕组结构*
单迭绕组为例：
绕组元件： 一匝或多匝的线圈。
极 距 τ ： 在电枢表面上相邻异性磁极中心线之间的
距离。可用总槽数Z和极对数 p 表示为：
③
④
换向片的作用：对转动导体中的电流进行换向，使导 体所受电磁力矩方向恒定；换接转动导体中的感应电 势，使电刷两端电势方向保持恒定。 *电机可逆原理：在一定的外部条件下，（直流或交 流）电机能量转换的方向可以改变。
5
直流电机工作原理
6
直流电机可逆工作原理
7
⑤
多线圈直流电机
线圈数目增加

换向片数目相应增 加。 电磁转矩和电刷两 端电势脉动减小， 趋向平稳。
M=CmΦsIs=k’ Is²
（2-11）
23
③
机械特性 n =f（M）
n=(Us-IsRs)/(CeΦs)
= Us /(CeΦs)- M Rs /(CeCmΦs² )
（2-12）
24
直流电动机特性
25
直流电动机的稳态工作点
稳态时： M=Mz+Mo≈Mz
26
思考：
牵引电动机—负载系统稳 定运行条件？ 哪一种直流电动机更适合 于作机车牵引？
41
恒功率（PF=const.）条件下的磁场削弱调速
由于磁场削弱瞬间，n不变，故M亦不变，电流和磁通满足：
M=CmΦs1Is1=CmΦs2Is2 Is1/Is2=Φs2/Φs1
结果： a. 磁场削弱后瞬间电机电枢电流增大,电压减小（恒功控制 系统作用）； b. 根据扭矩平衡方程可知，若外界阻力Mz不变且电磁力矩 M与Mz已处于平衡状态，则电机转速将保持不变。但若在 Mz< M时进行磁场削弱，则电机转速可增大，机车速度增加。