第6期 丁荣军:交流传动机车牵引特性曲线与变流器—牵引电机系统的匹配
Mmax≈Ku1/[f1(x1σ+x2σ’)]式中:K——常数;
x1σ——定子漏抗;x2σ’——转子漏抗。
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M∝1/v的规律增加。在vmax以下的各个速度点,电机能够发出的转矩比恒功率所要求的大得多,电机在转
矩方面的设计能力没有得到充分利用;但对变流器而言,从起始速度v0到额定速度vN,电压随频率成正比提高,电机输出恒转矩,在vN点开始进入恒功区,之后逆变器输出电压不变,因此变流器几乎在整个速度范围内保持输出电流基本不变(若不考虑电机功率的影响),元件的容量得到了充分发挥。
2 变流器与牵引电机的容量匹配
变流器与牵引电机容量的合理匹配通常是指机车在运行过程中较好地发挥各自的设计容量。机车的牵引特性曲线一般可以分成2个区:即从启动到额定速度vN的恒力矩(或准力矩)区,以及从额定速度到最高
速度vmax的恒功区。在恒力矩区,逆变器的输出u/f为常数;在恒功区,牵引电机工作在磁场削弱工况。因此在不同的工况对逆变器和牵引电机的要求均有差异,于是出现了两者的容量匹配问题。
变流器和牵引电机的容量有许多种不同的组合方式,但归结起来可分为3种:(1)大变流器小电机匹配方式。如图1所示,牵引电机在额定速度点vN发出的转距近似等于它的最大力距(为与图3和图4一致,图1和图2的牵引电机力矩用机车的牵引力F表示);从vN到vmax的速度区内,逆变器输出电压保持不变,仅频率增加,牵引电机处于磁场削弱状态,电机转矩M∝1/v2,随速度的二次方下降,所以电机的转矩—转速特性偏离并处于恒功曲线P=M×v之下。若要使电机输出恒功率,则变流器的输出电压就不能保持恒定,而应当继续提高,且恒功区愈宽,电压提高就应该愈多。在这种情况下,变流器按启动时的最大电流Imax和最高速度时的电压umax进行设计。这时虽然得到了希望的恒功区,但逆变器的利用率差、费用大,容量没有得到充分发挥,因为最大电流和最高电压不会同时出现,电动机在整个速度范围内由于变流器提供足够的电流和电压,转矩特性得到了较好的利用。照这种牵引特性确定的变流器尺寸最大,而电动机的尺寸最小
。
图2 按vmax确定电动机尺寸时的特性曲线
(3)系统匹配方式。这种匹配方式介于上面的两者之间,即牵引电机和变流器所发挥的功率与设计容
量相比都不是最佳;然而在进行系统的设计时既充分考虑了两者之间的关系,又兼顾了机车的牵引性能,因此,从整体角度看是一个比较经济的系统。当然要做到这一点不是一件十分容易的事情,更何况对于有些机车来说无法同时兼顾变流器和牵引电机。下面以ICE和TGVEurostar两种机车的特性曲线为例来进行分析,力求从机车应用的角度寻找到一种最佳系统设计方法。
3 ICE和TGVEurostar两种机车的牵引特性曲线分析
图3和图4分别为ICE和TGVEurostar机车的牵引特性曲线,它们代表了两种不同的设计思想。其中ICE机车的牵引特性曲线具有一定的普遍意义。当速度低于约92km/h时,机车输出准恒力矩,92km/h后,进入恒功区。由于在92km/h速度点,变流器输出满电压,因此机车的颠覆力矩设定在机车的最高速度点,实际上属于大牵引电机小变流器方式。具有这种牵引性能的机车在整个速度范围内其牵引力较大,加速性能较好,不仅适合于客运,同时也适合货运。相比较而言,TGVEurostar机车的牵引特性曲线就显得有些不一般。该曲线共分成4段:
(1)低速启动时有较大的牵引力;
(2)23km/h～115km/h之间输出力矩随速度的增加而迅速下降;
(3)115km/h～200km/h之间机车保持较平的力矩特性;
(4)200km/h～300km/h之间机车输出恒功率。
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图1 按vN确定电动机尺寸时的特性曲线
(2)小逆变器大牵引电机匹配方式。如图2所示,牵引电机不是根据额定速度点vN,而是根据机车运行
的最高速度vmax确定尺寸的,也就是在vmax点发出的转矩恰好等于电动机的颠覆转矩时,机车提供所要求的牵引力。若从vN到vmax速度区内,随速度的增加,变流器的输出电压保持恒定,那么颠覆转矩从vmax开始按