牽引電機(jī)溫升試驗(yàn)方法及改善措施

萬 艷，徐銀飛，付小龍，陳 娟，文秧林

牽引電機(jī)溫升試驗(yàn)方法及改善措施

萬 艷1，徐銀飛2，付小龍3，陳 娟4，文秧林4

（1. 中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412001；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；3. 株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲 412000；4. 大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412001)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60349及IEC61377的要求進(jìn)行牽引電機(jī)溫升試驗(yàn)，針對(duì)牽引電機(jī)溫升值不符合要求問題，本文提出通過采用固定逆變器輸入側(cè)的直流電壓，增加牽引電機(jī)的輸入電壓增加調(diào)制深度的措施改善牽引電機(jī)的溫升。試驗(yàn)結(jié)果表明增加調(diào)制深度，能夠降低牽引電機(jī)溫升，使得牽引電機(jī)的溫升符合要求。

牽引電機(jī) 溫升試驗(yàn) 調(diào)制深度

0 引言

牽引電機(jī)在鐵路干線電力機(jī)車、鐵路內(nèi)燃機(jī)車、以及各種城市軌道交通車輛上廣泛應(yīng)用。牽引電機(jī)需長期連續(xù)運(yùn)行，若牽引電機(jī)發(fā)熱或溫度過高，必然會(huì)導(dǎo)致牽引電機(jī)上的非金屬材料尤其是絕緣系統(tǒng)加速老化，降低絕緣性能，甚至損壞，從而引發(fā)電機(jī)燒毀或軸承卡死等安全事故。牽引電機(jī)溫升試驗(yàn)主要是通過檢測(cè)牽引電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的繞組溫升，以判定牽引電機(jī)在額定工況運(yùn)行時(shí)各部分的發(fā)熱情況。

當(dāng)牽引電機(jī)的溫升較高時(shí)，則需要通過優(yōu)化牽引電機(jī)的控制策略降低電機(jī)的溫升。本文主要從增加調(diào)制深度，即改變逆變器輸入側(cè)的直流電壓和牽引電機(jī)的輸入電壓的比值來優(yōu)化電機(jī)的溫升。

1 牽引電機(jī)溫升試驗(yàn)方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC60349及IEC61377的要求進(jìn)行牽引電機(jī)溫升試驗(yàn)，控制牽引電機(jī)的逆變器為實(shí)際裝車用的逆變器。首先，牽引電機(jī)在常溫下靜置24 h以上，測(cè)量的冷態(tài)電阻值1，并記錄測(cè)量時(shí)刻的環(huán)境溫度1。

然后進(jìn)行熱試驗(yàn)，牽引電機(jī)在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、額定負(fù)載下進(jìn)行熱試驗(yàn)。熱試驗(yàn)應(yīng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，即牽引電機(jī)的鐵芯溫度1小時(shí)內(nèi)的變化不超過2 K；同時(shí)，每15 min記錄試驗(yàn)最后1小時(shí)的牽引電機(jī)的冷卻風(fēng)溫，取其平均值記為2。結(jié)束后停止電機(jī)供電的同時(shí)關(guān)斷牽引電機(jī)的冷卻系統(tǒng)。在斷電的240 s內(nèi)獲取第1個(gè)熱態(tài)電阻值，然后每隔10 s記錄一次，連續(xù)測(cè)試5 min；最后通過外推法得到斷電時(shí)刻牽引繞組的熱態(tài)電阻值2。

根據(jù)以下公式計(jì)算牽引電機(jī)繞組的平均溫升。

2 牽引電機(jī)的控制分析

牽引電機(jī)的控制由逆變器實(shí)現(xiàn)，目前對(duì)于功率開關(guān)器件一系列導(dǎo)通、關(guān)斷的PWM控制是逆變器調(diào)制最為應(yīng)用廣泛的技術(shù)，其基本原理就是利用三角載波和調(diào)制波的交點(diǎn)作為驅(qū)動(dòng)功率器件的開關(guān)信號(hào)。下圖中，U()為逆變器輸出電壓的正弦控制波（調(diào)制波）；紅色的波形為三角載波，綠色的波形則為逆變器輸出的PWM波即牽引電機(jī)的輸入波形。

圖1 牽引電機(jī)控制信號(hào)的pwm調(diào)制過程

由圖1中波形可以看出，在一個(gè)正弦調(diào)制周期里，三角載波可以看作有2N個(gè)區(qū)間，在1、3、5……2N-1區(qū)間其斜率是負(fù)值，在2、4、6……2N區(qū)間其斜率是正值。

設(shè)∈(1,2,......2N)，取=1，=1，進(jìn)行歸一化處理：根據(jù)上述波形特點(diǎn)可得到第段區(qū)間：

在i段區(qū)間內(nèi)，三角載波的斜率為：

在第m段區(qū)間中點(diǎn)三角波所在的直線過橫軸。

可以得到三角波在第i段區(qū)間內(nèi)的直線方程：

可得到逆變器開關(guān)控制角的數(shù)學(xué)模型：設(shè)t為三角波與正弦波在第m段區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)，則t滿足下式

式中

利用傅里葉級(jí)數(shù)理論，可得到圖1中逆變器輸出電壓波形的傅立葉系數(shù)，即基波與各次諧波的幅值Un的計(jì)算公式

由此推得逆變器輸出電壓的頻譜是由頻率調(diào)制比和調(diào)制深度來確定的。

頻率調(diào)制比一定時(shí)，調(diào)制深度逐漸增大使得基波成分有增大趨勢(shì)，諧波含量減少。

通過上述分析可知，在不引起電機(jī)磁通飽和的允許范圍內(nèi)，可通過增大逆變器調(diào)制深度的方法，降低諧波電壓和電機(jī)負(fù)載諧波電流，從而改善牽引電機(jī)的運(yùn)行溫升，將該控制策略用于裝車用的逆變器，則車輛實(shí)際運(yùn)行過程中的溫升也能夠降低。

3 不同調(diào)制深度溫升試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比

采用三分頻（頻率調(diào)制比）控制牽引電機(jī)，逆變器輸入側(cè)的直流電壓U固定不變，試驗(yàn)過程中通過更改牽引電機(jī)的輸入電壓（逆變器的輸出電壓），從而更改調(diào)制深度，進(jìn)行不同調(diào)制深度下的溫升試驗(yàn)，所有溫升試驗(yàn)冷卻風(fēng)風(fēng)量均相同。

表1為調(diào)制深度為0.70，牽引電機(jī)的電參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 輸入電壓2400 V參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 三分頻控制牽引電機(jī)輸入電壓2400 V溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用外推法推算斷電瞬間的熱態(tài)電阻值的擬合曲線如圖2所示。

圖2 外推法推算斷電瞬間的熱態(tài)電阻值的擬合曲線

表3 輸入電壓2450 V電參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3所示為調(diào)制深度為0.71，牽引電機(jī)的電參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 三分頻控制牽引電機(jī)輸入電壓2450 V溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用外推法推算斷電瞬間的熱態(tài)電阻值的擬合曲線如圖3所示。

圖3 外推法推算斷電瞬間的熱態(tài)電阻值的擬合曲線

表5為調(diào)制深度為0.73，牽引電機(jī)的電參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表5 輸入電壓2500 V電參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 三分頻控制牽引電機(jī)輸入電壓2500V溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用外推法推算斷電瞬間的熱態(tài)電阻值的擬合曲線如圖4所示。

圖4 外推法推算斷電瞬間的熱態(tài)電阻值的擬合曲線

如表7所示為調(diào)制深度為0.74，牽引電機(jī)的電參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示。

表7 輸入電壓2550 V電參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 三分頻控制牽引電機(jī)輸入電壓2550 V溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用外推法推算斷電瞬間的熱態(tài)電阻值的擬合曲線如圖5所示。

圖5 外推法推算斷電瞬間的熱態(tài)電阻值的擬合曲線

表9 牽引電機(jī)繞組平均溫升

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，在逆變器輸入側(cè)的直流電壓為3460 V時(shí)不同調(diào)制深度（牽引電機(jī)輸入電壓）對(duì)應(yīng)的牽引電機(jī)繞組平均溫升如表9和圖6所示。隨著調(diào)制深度的增加，牽引電機(jī)的繞組平均溫升下降。

圖6 牽引電機(jī)繞組平均溫升

4 結(jié)束語

按照標(biāo)準(zhǔn)IEC60349及IEC61377的要求進(jìn)行牽引電機(jī)溫升試驗(yàn)，本文提出固定變流器輸入側(cè)的直流電壓，通過增加牽引電機(jī)輸入電壓增加調(diào)制深度優(yōu)化牽引電機(jī)控制的措施，該控制措施用于裝車用逆變器，使得牽引電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中的溫升由大于180 K將降至180 K以下，從而符合要求。

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[3] 何玉輝. 電力機(jī)車交流牽引變流器控制[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2012.

Test and Improvement Method for Traction Motor Temperature Rise

Wan Yan1, Xu Yinfei2, Fu Xiaolong3, Chen Juan4, Wen Yanglin4

(1.CRRC Zhuzhou Locomotive Co, Ltd , Zhuzhou 412001, Hunan, China;2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 3.Zhuzhou CRRC Times Elertric Co., Ltd, ZhuZhou, 412000, Hunan, China; 4. States Key Laboratory of Heavy Duty AC Drive Electric Locomotive Systems integration, Zhuzhou 412001, Hunan, China)

U262.4

A

1003-4862（2021）10-0055-04

2021-03-03

萬艷（1986-），女，工程師。研究方向：軌道車輛測(cè)試。E-mail: 010200003519@crrcgc.cc