逆变器供电的异步牵引电机特性曲线的计算

1997年第6期1997年11月10日

机　　车　　电　　传　　动

№6, 1997

. 10, 1997

设

计与研

究

逆变器供电的异步牵引电机特性曲线的计算

株洲电力机车研究所(株洲412001) 　　李益丰　高培庆　谷细凤

李益丰　1965年生,

摘　要:针对普通工频异步电机的特性参数计算方法不适用于逆变器供电的异步牵引电机的问题, 对电压源逆变器供电的异步牵引电机运行特性进行了分析并提出了计算方法, 具体讨论了不同工况下的电机特性参数的计算, 给出了计算实例。

关键词:异步牵引电机　计算方法　特性曲线　逆变器

1990年获西安交通大学电机专业硕士学位, 工程师, 现从事异步牵

引电动机的研究、设计工作。

Ca lcula tion of the performance i nverter -fed Zhuzhou L tive In stitu te (Zhuzhou 412001)

iY 　Gao Pe iq i ng 　Gu X ifeng

Abstract :T he calcu lati on m ethod fo r conven ti onal indu stry frequency asynch ronou s tracti on mo 2to r is no t su itab le fo r inverter 2fed asynch ronou s tracti on mo to r . T herefo re , analysis is m ade on the op 2erating perfo rm ance of V S I 2fed tracti on mo to r and the calcu lati on m ethod is pu t fo rw ard . Calcu lati on of mo to r perfo rm ance param eters under differen t w o rk ing mode is specifically discu ssed and calcu la 2ti on examp les are given .

Key words :asynch ronou s tracti on mo to r , calcu lati on m ethod , perfo rm ance cu rve , inverter .

高培庆　1938年生,

1961年毕业于上海交通大学电力机车专业, 高级工程师(教授级) ,

长期从事牵引电机及特种异步电机的研究、设计与制造工作

。

　　异步牵引电机的特性参数计算为异步牵引电机设

计中的一个重要内容。普通工频异步电机的特性参数计算已有比较成熟的理论和方法, 但由逆变器供电的异步牵引电机与工频异步电机相比, 在运行特性等方面有很大的区别, 因此工频异步电机的特性参数计算方法不适用于逆变器供电的异步牵引电机的特性参数的计算。其区别主要表现在:(1) 逆变器输出的电压中, 除基波外, 还含有一系列的高次谐波, 这些谐波会对电机的性能产生一定的影响; (2) 工频异步电机只需计算频率为50H z 时的特性参数, 其运行工况为电压、功率已知, 而对于逆变器供电的异步牵引电机, 须

[2]

根据IEC 34922[1]、IEC 34923的要求计算电机在整个工作范围内不同频率下的特性参数, 即计算电机的特性曲线, 并且电机的运行工况也不仅仅只有电压、功率已知这种情况; (3) 由于逆变器供电的异步牵引电机的空间比工频异步电机紧张, 其电磁参数取得较高, 因此在磁路计算等方面也须采用不同的方法; (4) 为限

收稿日期:1997206215

制谐波电流, 电压源逆变器供电的异步电机的漏抗取得较大, 有时还在电机前端串一限流电抗器。

本文主要对电压源逆变器供电的异步牵引电机特性进行分析, 提出异步牵引电机特性曲线的计算方法。

1　特性曲线计算的依据及基本方法

1. 1　异步牵引电机特性曲线计算的依据

异步牵引电机特性曲线计算的依据是:(1) 根据传动比和轮径将机车特性曲线转换成电机的转矩—转速特性曲线, 确定电机的恒功功率及恒功范围、启动转矩、最高转速; (2) 根据传动齿轮和机车总体要求, 确定电机的外形尺寸和质量; (3) 与逆变器及控制单元共同确定电机的最大电压与电流、最大输出频率等参数。根据以上要求, 确定电机的结构参数, 从而计算电机在整个工作范围内的特性参数, 即特性曲线。1. 2　特性曲线的内容

IEC 34922、IEC 34923规定了电机特性曲线的内容。特性曲线包括电机在整个工作范围内的电机电压、定子频率、定子电流、功率因数、效率、转子频率、电机

第6期　　　　　　　　　　李益丰　高培庆　谷细凤:逆变器供电的异步牵引电机特性曲线的计算　　　　　　　　　　　9　

轴功率、转矩与电机转速之间的关系。同时根据IEC 34922的要求还须计算电机的空载特性(空载电压u 0与空载电流i s 之间的关系) 和堵转特性(堵转电压u k 与堵转电流i k 之间的关系) 。1. 3　异步电机特性参数的计算

转子铜耗:P Cu2=3I 22R 2

输入功率:P 1=P e m +P Cu1+P Fe

式中:P Fe ——铁耗。

定子铜耗:P Cu1=3I 12R 1功率因数:co s Υ=功率:Γ=

P 1

e m

在电压源逆变器供电的电机电压中, 除基波外, 还含有一系列的高次谐波。这些谐波在电机中会产生附加损耗和脉动转矩。在计算电机特性参数时, 将基波与高次谐波分别用各自的等值电路来计算, 采用迭加原理来考虑它们的总效果[3～6]。

传统的异步电机设计程序是以简化电路即#形电路为基础, 它存在较大的缺陷。比如:只适用于电压、功率已知, 频率不变的情况; 当电机功率较大、漏抗较小及频率较低时, 计算误差会很大; 没有考虑电势与电压间相位移等问题。我们在计算异步牵引电机特性曲线时, 无论是计算基波参数还是计算谐波参数, 的均是T 形等值电路。

图1。, 限流电抗器X 1Ρ2, , 弱谐波对电机与逆变器所带来的不利影响。该电抗器在高速时切断

。

3U 1I 1

电磁转矩:M =

2Πn 1

式中:n 1——电机同步转速; n ——电机转速。

电机转矩:M N =9555

2　在不同工况下电机特性参数的计算

, 异步牵引电机在, 。比如:(1) 逆, 电机电压、功; (2) 电机处在启动阶段, 逆变器电压按u f 1=常数控制时, 电机电压、转矩一定; (3) 电机处在启动阶段, 逆变器按恒磁通控制时, 电机电势、转矩一定; (4) 电机处在启动阶段, 逆变器按最小电流调节输出电压, 使得电机转矩一定时, 电机定子电流最小; (5) 启动时, 电机的转速为0, 功率为0, 但转矩为一具体数值。

下面介绍电机在几种主要工况下的特性参数的计算方法。2. 1　堵转点

图1　T 形等值电路

在堵转点, 电机的输出功率P 2=0, 转差率s =1。当电机的启动转矩一定时, 启动频率对电机的启动电流影响很大。以定子电流为目标函数, 可求出启动电流为最小时的启动频率, 即最佳启动频率。为了改善逆变器的换流条件, 在堵转时, 采用最小电流启动电机较为有利。

根据图1, 可得出在堵转点电机的堵转转矩[4]:

2M =I 12

2ΠR 2 f 1+(f 1 R 2) (2ΠL 22)

式中:f 1——频率;

p ——极数; m 1——相数; L

根据图1, 可以得出以下关系:

X 1Ρ=X 1Ρ1+X 1Ρ2

I m =

X m

I 2r =22

(R 2 s ) +X 2Ρ

I 2x =22

(R 2 s ) +X 2Ρ

I 1r =I 2r +

R m

I 1x =I m +I 2x U 1=

・・

(E 1+I 1r R 1+I 1x X 1Ρ) 2+(X 1ΡI 1r -I 1x R 1) 2

I 1=I 1r -j I 1x I 2=I 2r -j I 2x

=L m +L

2Ρ

电磁功率:P e m =3E 1I 2r

轴功率:P 2=P e m -P Cu2-P ad -P f w

式中:P Cu2——转子铜耗;

P ad ——附加损耗; P f w ——风磨耗。

2Πf 1L 2Ρ=

2Πf 1L m =

电机的定子电流:

I 1=

(2Πpm 1L m )

10机　　车　　电　　传　　动1997年

在不考虑电机漏抗等参数变化, 当以f 1=

转差率来迭代, 以输出功率为收敛判据。

2Π(L m +L 2Ρ)

启动电机时, 电机电流最小。当考虑漏抗

3　计算实例与试验结果

计算和试验是以A C 4000交流传动电力机车用异步牵引电机YD 103S [7]为例。

3. 1　Y D 103S 电机的特性曲线及主要性能参数

等参数变化时, 可采用优化方法进行计算。计算框图见图2

。

　　图4为A C 4000

机车的牵引特性曲线, 齿轮传动比i =79 19, 轮径(半磨耗)

D =1200mm , 这样

就可得出牵引电机的　转矩—转速特性曲线(图5中M —n 曲V 最图4　A C 4000牵引特性曲线

。机车的中心距为

595mm , 机车分配给电机的质量为2400kg 。

根据以上条件, 可求出电机的结构参数, 推算出电机的特性曲线(如图5所示) 。

YD 103S 电机的主要参数:启动转矩M

图2　堵转点的电机特性参数计算框图

2. 2　启动阶段按最小电流控制

=12000

在启动阶段, 按最小电流法控制电机可使电机电流最小, 这对电机与逆变器都是非常有利的。在该工况下, 电机参数的计算框图见图3

。

N ・m , 恒功功率P 2=1025k W , 恒功频率范围为

1150r m in ～2340r m in (对应的频率范围为f 1=58H z ～118H z ) , 电压范围为0～2200V , 最高转速为2340r m in 。电机的额定参数为58H z , 1025k W , 2200V , 360A , 1150r m in , 8500N ・m 。

电机前端串有限流电抗器。限流电抗器在82H z 时切断, 在0～55H z 之间电机按最小电流运行, 在55～118H z 之间, 逆变器输出电压达到最大值2200H z V 。

3. 2　试验结果与计算结果的比较3. 2. 1　空载特性与堵转特性

图6、图7分别为空载和堵转试验结果与计算结果的比较(空载与堵转都是在额定点58H z 进行, 正弦供电) 。从图中可知, 试验结果与计算结果吻合得较好。只是当电压较高时, 空载电流存在一定的误差。这主要是因为高磁密时硅钢片的磁化性能分散性较大。3. 2. 2　启动点特性试验

表1为当启动转矩为12000N ・m 时, 启动电流

表1　启动转矩为12000N ・m 时Y D 103S 的启动电流

启动频率 H z

f 1=0. 35f 1=0. 40f 1=0. 45f 1=0. 50

图3　启动阶段电机特性参数计算框图

2. 3　恒功阶段

计算值 A

[1**********]0

测量值 A

[1**********]5

在恒功阶段, 电机的电压与功率已知, 根据T 形

等值电路, 可很容易地计算出电机的参数。在计算时, 进行三次迭代, 内层以饱和系数来迭代, 中层以电势

E 1来迭代, 以电势E 1的绝对误差为收敛判据, 外层以

第6期　　　　　　　　　　李益丰　高培庆　谷细凤:逆变器供电的异步牵引电机特性曲线的计算　　　　　　　　　　　11　

表2　Y D 103S 电机轴功率为800k W 时

试验结果与计算结果的比较

f 1 H z

U 1 V

P 2 k W

I 1 A

(测量值, 有效值)

I 1 A I 1 A (计算值, (计算值, 基波) 有效值)

60. 265. 071. 275. 582. 6

[***********]94

[**************]

图5　YD 103S

电机特性曲线

进行了800k W 、400k W 恒功区的试验。当电

机由逆变器供电, 电机的轴功率为800k W 时负载电流的试验结果与计算结果的比较如表2所示。电机前端的限流电抗器在66H z 时被切断, 电机电压来计算电机的参数。为了更进一步提高计算精度, 有必

图6　S 电机空载特性

A ——测量值; B ——计算值

要用数值计算的方法计算电机的磁场与参数。

参　考　文　献

1　IEC 第9技术委员会. IEC 349—2—1993. 铁路机车车辆和公路车辆

用旋转电机. 1993.

2　IEC 第9技术委员会. IEC 349—3—1995. 铁路机车车辆和公路车辆

用旋转电机. 1995.

3　纳霍德金. 牵引电机设计. 中国铁道出版社, 1983. 4　西南交大编. 牵引电机. 中国铁道出版社, 1985. 5Peter

L aube .

D as

Betriebsverhalten

des

A synch ronronen

图7　YD 103S 电机堵转特性

A ——测量值; B ——计算值

K figla fermo to rs als Fah rmo to r f r V o llbahnlokomo tive . EB , 1968, 227.

6　A do lf P ress . D arstellung der Stati onarem Betriebskennlinien der In 2duk ti ons m asch ine am N ety V arible Spannung . ET Z 2A , 1967, 55. 7　高培庆. A C 4000交流传动电力机车用异步牵引电动机. 机车电传

的计算结果与试验结果的比较。计算的最佳启动频率

为0. 45H z , 最小电流为457A ; 试验值分别为0. 40H z , 468A 。3. 2. 3　负载试验

动, 1997(1) .

8　许实璋. 电机学. 中国机械出版社, 1981.

由于受陪试电机的功率与转速的限制, 试验时只

(上接第4页) 　来说, 主要是识别转换开关在正常位

还是在故障位, 如果在故障位, 接到电制动命令后立即封锁触发脉冲。

TM 1型机车微机控制系统已完成施工设计, 网络通信已经完成试验室调试, 今年8月份第1、2台机车

已进行全面试验, 年底将完成12台TM 1型机车的制

造。首尾两台机车的重联控制在我国还是第一次, 由列车总线、车厢总线和控制器总线组成的三级控制计算机网络也是首次在机车上运用, 这些经验可以推广到动力集中的固定编组的旅客电动车组上。

1997年第6期1997年11月10日

机　　车　　电　　传　　动

№6, 1997

. 10, 1997

设

计与研

究

逆变器供电的异步牵引电机特性曲线的计算

株洲电力机车研究所(株洲412001) 　　李益丰　高培庆　谷细凤

李益丰　1965年生,

关键词:异步牵引电机　计算方法　特性曲线　逆变器

1990年获西安交通大学电机专业硕士学位, 工程师, 现从事异步牵

引电动机的研究、设计工作。

Ca lcula tion of the performance i nverter -fed Zhuzhou L tive In stitu te (Zhuzhou 412001)

iY 　Gao Pe iq i ng 　Gu X ifeng

Key words :asynch ronou s tracti on mo to r , calcu lati on m ethod , perfo rm ance cu rve , inverter .

高培庆　1938年生,

1961年毕业于上海交通大学电力机车专业, 高级工程师(教授级) ,

长期从事牵引电机及特种异步电机的研究、设计与制造工作

。

　　异步牵引电机的特性参数计算为异步牵引电机设

[2]

收稿日期:1997206215

制谐波电流, 电压源逆变器供电的异步电机的漏抗取得较大, 有时还在电机前端串一限流电抗器。

本文主要对电压源逆变器供电的异步牵引电机特性进行分析, 提出异步牵引电机特性曲线的计算方法。

1　特性曲线计算的依据及基本方法

1. 1　异步牵引电机特性曲线计算的依据

第6期　　　　　　　　　　李益丰　高培庆　谷细凤:逆变器供电的异步牵引电机特性曲线的计算　　　　　　　　　　　9　

转子铜耗:P Cu2=3I 22R 2

输入功率:P 1=P e m +P Cu1+P Fe

式中:P Fe ——铁耗。

定子铜耗:P Cu1=3I 12R 1功率因数:co s Υ=功率:Γ=

P 1

e m

图1。, 限流电抗器X 1Ρ2, , 弱谐波对电机与逆变器所带来的不利影响。该电抗器在高速时切断

。

3U 1I 1

电磁转矩:M =

2Πn 1

式中:n 1——电机同步转速; n ——电机转速。

电机转矩:M N =9555

2　在不同工况下电机特性参数的计算

下面介绍电机在几种主要工况下的特性参数的计算方法。2. 1　堵转点

图1　T 形等值电路

根据图1, 可得出在堵转点电机的堵转转矩[4]:

2M =I 12

2ΠR 2 f 1+(f 1 R 2) (2ΠL 22)

式中:f 1——频率;

p ——极数; m 1——相数; L

根据图1, 可以得出以下关系:

X 1Ρ=X 1Ρ1+X 1Ρ2

I m =

X m

I 2r =22

(R 2 s ) +X 2Ρ

I 2x =22

(R 2 s ) +X 2Ρ

I 1r =I 2r +

R m

I 1x =I m +I 2x U 1=

・・

(E 1+I 1r R 1+I 1x X 1Ρ) 2+(X 1ΡI 1r -I 1x R 1) 2

I 1=I 1r -j I 1x I 2=I 2r -j I 2x

=L m +L

2Ρ

电磁功率:P e m =3E 1I 2r

轴功率:P 2=P e m -P Cu2-P ad -P f w

式中:P Cu2——转子铜耗;

P ad ——附加损耗; P f w ——风磨耗。

2Πf 1L 2Ρ=

2Πf 1L m =

电机的定子电流:

I 1=

(2Πpm 1L m )

10机　　车　　电　　传　　动1997年

在不考虑电机漏抗等参数变化, 当以f 1=

转差率来迭代, 以输出功率为收敛判据。

2Π(L m +L 2Ρ)

启动电机时, 电机电流最小。当考虑漏抗

3　计算实例与试验结果

计算和试验是以A C 4000交流传动电力机车用异步牵引电机YD 103S [7]为例。

3. 1　Y D 103S 电机的特性曲线及主要性能参数

等参数变化时, 可采用优化方法进行计算。计算框图见图2

。

　　图4为A C 4000

机车的牵引特性曲线, 齿轮传动比i =79 19, 轮径(半磨耗)

D =1200mm , 这样

就可得出牵引电机的　转矩—转速特性曲线(图5中M —n 曲V 最图4　A C 4000牵引特性曲线

。机车的中心距为

595mm , 机车分配给电机的质量为2400kg 。

根据以上条件, 可求出电机的结构参数, 推算出电机的特性曲线(如图5所示) 。

YD 103S 电机的主要参数:启动转矩M

图2　堵转点的电机特性参数计算框图

2. 2　启动阶段按最小电流控制

=12000

在启动阶段, 按最小电流法控制电机可使电机电流最小, 这对电机与逆变器都是非常有利的。在该工况下, 电机参数的计算框图见图3

。

N ・m , 恒功功率P 2=1025k W , 恒功频率范围为

电机前端串有限流电抗器。限流电抗器在82H z 时切断, 在0～55H z 之间电机按最小电流运行, 在55～118H z 之间, 逆变器输出电压达到最大值2200H z V 。

3. 2　试验结果与计算结果的比较3. 2. 1　空载特性与堵转特性

表1为当启动转矩为12000N ・m 时, 启动电流

表1　启动转矩为12000N ・m 时Y D 103S 的启动电流

启动频率 H z

f 1=0. 35f 1=0. 40f 1=0. 45f 1=0. 50

图3　启动阶段电机特性参数计算框图

2. 3　恒功阶段

计算值 A

[1**********]0

测量值 A

[1**********]5

在恒功阶段, 电机的电压与功率已知, 根据T 形

等值电路, 可很容易地计算出电机的参数。在计算时, 进行三次迭代, 内层以饱和系数来迭代, 中层以电势

E 1来迭代, 以电势E 1的绝对误差为收敛判据, 外层以

第6期　　　　　　　　　　李益丰　高培庆　谷细凤:逆变器供电的异步牵引电机特性曲线的计算　　　　　　　　　　　11　

表2　Y D 103S 电机轴功率为800k W 时

试验结果与计算结果的比较

f 1 H z

U 1 V

P 2 k W

I 1 A

(测量值, 有效值)

I 1 A I 1 A (计算值, (计算值, 基波) 有效值)

60. 265. 071. 275. 582. 6

[***********]94

[**************]

图5　YD 103S

电机特性曲线

进行了800k W 、400k W 恒功区的试验。当电

图6　S 电机空载特性

A ——测量值; B ——计算值

要用数值计算的方法计算电机的磁场与参数。

参　考　文　献

1　IEC 第9技术委员会. IEC 349—2—1993. 铁路机车车辆和公路车辆

用旋转电机. 1993.

2　IEC 第9技术委员会. IEC 349—3—1995. 铁路机车车辆和公路车辆

用旋转电机. 1995.

3　纳霍德金. 牵引电机设计. 中国铁道出版社, 1983. 4　西南交大编. 牵引电机. 中国铁道出版社, 1985. 5Peter

L aube .

D as

Betriebsverhalten

des

A synch ronronen

图7　YD 103S 电机堵转特性

A ——测量值; B ——计算值

K figla fermo to rs als Fah rmo to r f r V o llbahnlokomo tive . EB , 1968, 227.

的计算结果与试验结果的比较。计算的最佳启动频率

为0. 45H z , 最小电流为457A ; 试验值分别为0. 40H z , 468A 。3. 2. 3　负载试验

动, 1997(1) .

8　许实璋. 电机学. 中国机械出版社, 1981.

由于受陪试电机的功率与转速的限制, 试验时只

(上接第4页) 　来说, 主要是识别转换开关在正常位

还是在故障位, 如果在故障位, 接到电制动命令后立即封锁触发脉冲。

TM 1型机车微机控制系统已完成施工设计, 网络通信已经完成试验室调试, 今年8月份第1、2台机车

已进行全面试验, 年底将完成12台TM 1型机车的制

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