城軌電器PPT課件2.ppt

主編吳冰主審佟關(guān)林 中高職業(yè)院校城市軌道交通專業(yè)教學(xué)用書 城市軌道交通車輛電器 電子教案 緒論 三 城軌電器的工作條件及基本要求 一 電器的定義 二 牽引電器及分類 四 發(fā)展概況及趨勢(shì) 上篇電器基本理論 一 安全用電原則1 不靠近高壓帶電體 室外 高壓線 變壓器旁 不接觸低壓帶電體 2 不用濕手扳開關(guān) 插入或拔出插頭 3 安裝 檢修電器應(yīng)穿絕緣鞋 站在絕緣體上 且要切斷電源 4 禁止用銅絲代替保險(xiǎn)絲 禁止用橡皮膠代替電工絕緣膠布 5 在電路中安裝漏電保護(hù)器 并定期檢驗(yàn)其靈敏度 6 功率大的用電器一定要接地 單元1電器安全 二 電工安全操作規(guī)程1 電工必須熟悉車間的電氣線路和電氣設(shè)備的種類及性能 對(duì)電氣設(shè)備性能未充分了解 禁止冒險(xiǎn)作業(yè) 2 電工每日應(yīng)定期檢查電纜 電機(jī) 電控制臺(tái)等設(shè)備情況 檢查中發(fā)現(xiàn)問題 必須及時(shí)處理 檢查電機(jī)溫度時(shí) 先檢查無電后 再以手背試驗(yàn) 3 除臨時(shí)施工用電或臨時(shí)采取的措施外 不允許架臨時(shí)電線 不允許亂掛燈 亂接儀表工具和電焊機(jī)等應(yīng)用安全的開關(guān)和插座 原電氣線路不得擅自更改 4 按規(guī)定對(duì)電氣設(shè)備定期檢修保養(yǎng) 不用的電氣設(shè)備線路要徹底拆除 三 人體觸電的方式1 單相觸電2 兩相觸電3 跨步電壓觸電4 懸浮電路上的觸電 跨步電壓觸電 四 電流傷害人體的因素觸電時(shí)電流對(duì)人體的傷害程度與以下幾個(gè)因素有關(guān) 1 電流的大小2 電壓的高低3 頻率的高低4 時(shí)間的長短5 電流通過的路徑6 人體狀況 人體電阻的大小 五 安全電壓等級(jí)1 人體允許電流人體允許電流是指發(fā)生觸電后觸電者能自行擺脫電源 解除觸電危害的最大電流 通常情況下 男性為9毫安 女性為6毫安 在設(shè)備和線路裝有觸電保護(hù)設(shè)施的條件下 人體允許電流可達(dá)30毫安 2 安全電壓安全電壓是指不致使人直接致死或致殘的電壓 國家標(biāo)準(zhǔn) 安全電壓 GB3805 83 規(guī)定我國安全電壓額定值的等級(jí)為42V 36V 24V 12V和6V 應(yīng)根據(jù)作業(yè)場(chǎng)所 操作員條件 使用方式 供電方式 線路狀況等因素選用 復(fù)習(xí)與思考1 安全電壓最高是多少伏 2 凡在潮濕工作場(chǎng)所或在金屬容器內(nèi)使用手提式電動(dòng)用具或照明燈時(shí) 應(yīng)采用多少伏安全電壓 3 電壓相同的交流電和直流電 哪一種對(duì)人的傷害大 4 電氣設(shè)備著火 首先必須采取的措施是什么 5 電氣設(shè)備發(fā)生火災(zāi)時(shí) 可帶電滅火的器材是哪幾種 單元2電器的發(fā)熱與電動(dòng)力 一 概述溫升電器溫度升高后 其本身溫度與周圍環(huán)境溫度之差 稱為溫升 極限溫升因?yàn)殡娖鞯墓ぷ鳝h(huán)境直接影響電器的散熱過程 我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高環(huán)境溫度為 40 一般為35 即允許溫升 發(fā)熱溫度極限 40 2 1電器的發(fā)熱與散熱 二 電器的發(fā)熱短路電流導(dǎo)體的溫升Pt Gc W s P 電阻損耗功率 W t 發(fā)熱時(shí)間 s G 導(dǎo)體質(zhì)量 kg c 導(dǎo)體的比熱 W s kg 導(dǎo)體的溫升 磁滯與渦流損耗 W kg P 鐵磁材料的損耗 W kg 分別為磁滯 渦流損耗系數(shù) f 電源頻率 即磁通頻率 Hz Bm 磁通密度幅值 Wb m2 二 電器的散熱電器工作時(shí) 只要電器溫度高于周圍介質(zhì)及接觸零件的溫度 它便向周圍介質(zhì)散熱 所以發(fā)熱和散熱同時(shí)存在于電器發(fā)熱過程中 電器的散熱以傳導(dǎo) 對(duì)流與輻射三種基本方式進(jìn)行 計(jì)算公式式中P 散熱功率 W 綜合散熱系數(shù) W m2 S 有效散熱面積 m2 溫升 一 長期工作制時(shí)電器的發(fā)熱長期工作制是指電器通電后連續(xù)工作到發(fā)熱穩(wěn)定 此時(shí)溫升達(dá)到穩(wěn)定值 其特點(diǎn)是電器損耗所產(chǎn)生的熱量全部散發(fā)到周圍介質(zhì)中 Pdt 在dt時(shí)間內(nèi)電器總的發(fā)熱量 在dt時(shí)間內(nèi)電器的散熱量 加熱電器本身的熱量 通過計(jì)算可得 不難看出 這是一條上升的指數(shù)曲線 2 2不同工作制下電器的發(fā)熱 二 短時(shí)工作制及過載系數(shù)電器的短時(shí)工作制是指電器通電時(shí)間很短 溫升未達(dá)到穩(wěn)定就停止工作 并且下一次工作要等到電器冷卻到周圍介質(zhì)溫度 例如機(jī)車主斷路器中的分 合閘電磁鐵即屬于短時(shí)工作制情況 它分別僅在分 合閘時(shí)短時(shí)通電 分 合閘結(jié)束時(shí)就斷電 由以上分析可得出以下幾點(diǎn) 1 某電器在長期工作制下工作時(shí) 其穩(wěn)定溫升達(dá)到允許溫升 該電器若用于短時(shí)工作制時(shí) 允許超載運(yùn)行 這樣可使電器得到充分作用 2 該電器在短時(shí)工作制下 其功率 或電流 的過載倍數(shù)與發(fā)熱時(shí)間及時(shí)間常數(shù)T有關(guān) T越大 越小 過載倍數(shù)則越高 三 間斷工作制 反復(fù)短時(shí)工作制 間斷工作制是指電器在通電和斷電周期循環(huán)下的工作過程 通電時(shí)間內(nèi)溫度未達(dá)到穩(wěn)定值 斷電后又不能冷卻到周圍介質(zhì)溫度 多次重復(fù)通電后 電器可能達(dá)到穩(wěn)定溫升 間斷工作制的過載倍數(shù)與工作周期t及發(fā)熱時(shí)間有關(guān) t越大或越小 過載倍數(shù)就越大 四 短路時(shí)電器的發(fā)熱電器在通過工作電流時(shí) 在其工作制下 要經(jīng)受額定電流發(fā)熱的考驗(yàn) 若電路發(fā)生了短路故障 其短路電流遠(yuǎn)大于額定電流 當(dāng)保護(hù)電器還未將故障切除前 電器還必須能承受住一定時(shí)間內(nèi)短路電流的發(fā)熱考驗(yàn) 由于短路電流的時(shí)間很短 可以認(rèn)為是絕熱過程 即不考慮散熱 全部損耗都用來加熱電器 電器的熱穩(wěn)定性是指在一定時(shí)間內(nèi)能承受短路電流 或所規(guī)定的等值電流 的熱作用而不發(fā)生熱損壞的能力 例如不會(huì)因發(fā)熱而產(chǎn)生不允許的機(jī)械變形 觸頭處不會(huì)熔焊等 熱穩(wěn)定性以表示 稱為t秒時(shí)的熱穩(wěn)定電流 用有效值表示 一般時(shí)間采用1s 5s與10s為準(zhǔn)的熱穩(wěn)定電流I1 I5及I10 按照熱量相等的原則 同一電器不同時(shí)間的熱穩(wěn)定電流可以互相換算 換算公式為 2 3電器的熱穩(wěn)定性 一 載流導(dǎo)體的電動(dòng)力載流導(dǎo)體處在磁場(chǎng)中會(huì)受到力的作用 載流導(dǎo)體間相互也會(huì)受到力的作用 這種力稱為電動(dòng)力 電動(dòng)力的方向判斷可用左手定則或磁通管側(cè)壓力原理來進(jìn)行 2 4載流導(dǎo)體的電動(dòng)力及電動(dòng)穩(wěn)定性 環(huán)型導(dǎo)體和U型導(dǎo)體所受電動(dòng)力 電弧受到的電動(dòng)力 二 載流導(dǎo)體電動(dòng)力計(jì)算基礎(chǔ)和電動(dòng)穩(wěn)定性當(dāng)長為L并通有電流I的導(dǎo)體垂直置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的均勻磁場(chǎng)中時(shí) 作用在該導(dǎo)體上的電動(dòng)力F為F BILsin 三 觸頭電動(dòng)力觸頭閉合通過電流時(shí) 在觸頭間有電動(dòng)力存在 這是因?yàn)橛|頭表面不管加工怎樣平整 從微觀上看仍然是凹凸不平的 由于接觸面積遠(yuǎn)小于觸頭表面積 電流線在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生收縮 由此而引起觸頭間的電動(dòng)斥力 復(fù)習(xí)與思考1 簡(jiǎn)述溫升和允許溫升的定義2 簡(jiǎn)述電器在不同工作制下的發(fā)熱情況3 簡(jiǎn)述電器的三種散熱方式的原理4 分析電器的觸頭所受電動(dòng)力的情況 單元3電弧及滅弧裝置 電弧的定義電弧是氣體放電的一種形式 氣體放電分為自持放電與非自持放電兩類 電弧屬于氣體自持放電中的弧光放電 試驗(yàn)證明 當(dāng)在大氣中開斷或閉合電壓超過10V 電流超過0 5A的電路時(shí) 在觸頭間隙 或稱弧隙 中會(huì)產(chǎn)生一團(tuán)溫度極高 亮度極強(qiáng)并能導(dǎo)電的氣體 稱為電弧 電弧的結(jié)構(gòu)分為3個(gè)區(qū)域 即近陰極區(qū) 近陽極區(qū)及弧柱區(qū) 電弧的分類電弧按其外形分為長弧與短弧 長短之別一般取決于弧長與弧徑之比 3 1概述 一 開斷電路時(shí)電弧產(chǎn)生的物理過程當(dāng)觸頭開斷 在觸頭間隙中有電弧燃燒時(shí) 電路仍然導(dǎo)通 這說明此時(shí)觸頭間隙的氣體由絕緣狀態(tài)變成了導(dǎo)電狀態(tài) 氣體呈導(dǎo)電狀態(tài)的原因是由于原來的中性氣體分解為電子和離子 即氣體被游離 此過程稱為氣體的游離過程 游離的幾種形式 陰極熱發(fā)射電子陰極冷發(fā)射電子碰撞游離熱游離 3 2電弧產(chǎn)生和熄滅的物理過程 二 電弧熄滅的物理過程當(dāng)電弧穩(wěn)定燃燒時(shí)是處在熱動(dòng)平衡狀態(tài) 此時(shí)不可能有電子和離子的積累 這說明電弧中發(fā)生氣體游離現(xiàn)象的同時(shí)還存在一個(gè)相反的過程 我們稱之為消游離 消游離就是正 負(fù)帶電粒子中和而變成中性粒子的過程 消游離的方式分為兩類 復(fù)合和擴(kuò)散 一 直流電弧的伏安特性二 直流電弧的熄滅1 消除穩(wěn)定燃燒點(diǎn)2 電弧兩端并聯(lián)電阻 3 3直流電弧及其熄滅條件 直流電弧及其伏安特性 一 交流電弧的伏安特性二 交流電弧的熄滅交流電弧電流通過零點(diǎn)時(shí) 由于電源停止供給電弧能量 熱游離迅速下降 為電弧的最終熄滅創(chuàng)造了最有利的條件 此時(shí)只要采取一定的消游離措施 使少量的剩余離子復(fù)合 就能防止電弧在下半周重燃 使電弧最終熄滅 因此 交流電弧比直流電弧容易熄滅 我們通常把利用電弧電流自然過零的特點(diǎn)進(jìn)行的熄弧稱為零點(diǎn)熄弧原理 3 4交流電弧及其熄滅條件 交流電弧及其伏安特性 一 磁吹滅弧磁吹滅弧是利用外加電動(dòng)力使電弧拉長以致熄滅的滅火方法 3 5熄滅電弧的方法及裝置 磁吹滅弧裝置示意圖1 磁吹鐵心 2 導(dǎo)弧角 3 滅弧罩 4 磁吹線圈 5 鐵夾板 6 靜觸頭 7 動(dòng)觸頭 8 絕緣套 二 滅弧罩滅弧滅弧罩是讓電弧與固體介質(zhì)相接觸 降低電弧溫度 從而加速電弧熄滅的比較常用的裝置 根據(jù)縫的寬度與電弧直徑之比可分為窄縫與寬縫 縫的寬度小于電弧直徑的稱窄縫 反之 大于電弧直徑的稱寬縫 根據(jù)縫的軸線與電弧軸線間的相對(duì)位置關(guān)系可分為縱縫與橫縫 1 縱縫滅弧罩2 橫縫滅弧罩 縱向窄縫式滅弧罩 縱向?qū)捒p式滅弧罩 橫向絕緣柵片式滅弧罩 三 油冷滅弧油冷滅弧是將電弧置于液體介質(zhì) 一般為變壓器油 中 電弧將油汽化 分解而形成油氣 油氣中主要成分是氫 在油中以氣泡的形式包圍電弧 氫氣具有很高的導(dǎo)熱系數(shù) 這就使電弧的熱量容易散發(fā) 另外 由于存在著溫度差 所以氣泡產(chǎn)生運(yùn)動(dòng) 又進(jìn)一步加強(qiáng)了電弧的冷卻 若再要提高其滅弧效果 可在油箱中加設(shè)一定機(jī)構(gòu) 使電弧定向發(fā)生運(yùn)動(dòng) 這就是油吹滅弧 由于電弧在油中滅弧能力比大氣中拉長電弧大得多 所以這種方法一般用于高壓電器中 如油開關(guān) 四 氣吹滅弧氣吹滅弧是利用壓縮空氣來熄滅電弧的 壓縮空氣作用于電弧 可以很好地冷卻電弧 提高電弧區(qū)的壓力 很快帶走殘余的游離氣體 所以有較高的滅弧性能 按照氣流吹弧的方向 它可以分為橫吹和縱吹兩類 縱吹滅弧裝置1 動(dòng)觸頭 2 滅弧室瓷罩 3 靜觸頭 4 壓縮空氣 5 電弧 五 橫向金屬柵片滅弧橫向金屬柵片又稱去離子?xùn)?它利用的是短弧滅弧原理 用磁性材料的金屬片置于電弧中 將電弧分成若干短弧 利用交流電弧的近陰極效應(yīng)和直流電弧的近極壓降來達(dá)到熄滅電弧的目的 橫向金屬柵片滅弧罩結(jié)構(gòu) 原理示意圖 a 電弧在橫向金屬柵中狀況 b 橫向金屬柵對(duì)電弧的作用 c 橫向金屬柵滅弧原理 1 入柵片前的電弧 2 金屬柵 3 入柵片后的電弧 六 真空滅弧真空滅弧是使觸頭電弧的產(chǎn)生和熄滅在真空中進(jìn)行 它是依據(jù)零點(diǎn)熄弧原理 以真空為熄弧介質(zhì)工作的 在真空中氣體很稀薄 電子的自由行程遠(yuǎn)大于觸頭間的距離 當(dāng)真空度為10 5mm汞柱時(shí) 電子的自由行程達(dá)43m 自由電子在弧隙中作定向運(yùn)動(dòng)時(shí)幾乎不會(huì)和氣體分子或原子相碰撞 不會(huì)產(chǎn)生碰撞游離 所以將觸頭置于真空中斷開時(shí)產(chǎn)生的電弧則是由于陰極發(fā)射電子和產(chǎn)生的金屬蒸氣被電離而形成的 當(dāng)電弧電流接近零時(shí) 陰極發(fā)射的電子和金屬蒸氣減少 弧隙中殘留的金屬蒸氣和等離子體向周圍真空迅速擴(kuò)散 這樣 弧隙可以在數(shù)微秒之內(nèi)由導(dǎo)電狀態(tài)恢復(fù)到真空間隙的絕緣水平 因此 在真空中觸頭有很高的介質(zhì)恢復(fù)速度 絕緣能力和分?jǐn)嚯娏鞯哪芰?復(fù)習(xí)與思考1 簡(jiǎn)述電弧的產(chǎn)生與熄滅的物理過程2 分析直流電弧和交流電弧熄滅的條件3 分析各種滅弧裝置或滅弧方法滅弧的原理 單元4觸頭 一 對(duì)觸頭的基本要求根據(jù)觸頭的工作情況 為了保證電器可靠工作和有足夠的壽命 對(duì)觸頭有如下要求 1 工作可靠 接觸電阻要小 2 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度 3 長期通過額定電流時(shí) 溫升不超過規(guī)定值 4 通過短路電流時(shí) 有足夠的電動(dòng)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性 5 有足夠抵抗外界腐蝕 如氧化 化學(xué)氣體腐蝕 的能力 6 壽命長 4 1概述 二 觸頭的分類觸頭可按以下方法分類 1 按觸頭工作情況可分為有載開閉和無載開閉兩種 2 按開斷點(diǎn)數(shù)目可分為單斷點(diǎn)式和雙斷點(diǎn)式觸頭 3 按觸頭正常工作位置可分為常開觸頭和常閉觸頭 4 按結(jié)構(gòu)和形狀可分為指形觸頭和橋式觸頭等 5 按觸頭相互運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可分為滑動(dòng)式和滾動(dòng)式兩種 6 按觸頭的接觸方式可分為面接觸 線接觸和點(diǎn)接觸三種 三 觸頭接觸面形式的選擇對(duì)于點(diǎn) 線 面三種接觸形式 它們各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合如下 1 點(diǎn)接觸點(diǎn)接觸觸頭是指兩個(gè)導(dǎo)體只在一點(diǎn)或者很小的面積上發(fā)生接觸的觸頭 如球面對(duì)球面 球面對(duì)平面 觸頭間是 點(diǎn) 與 點(diǎn) 的接觸 其散熱條件差 機(jī)械強(qiáng)度較弱 只適用于開斷負(fù)荷小的觸頭 如多用于10A以下的繼電器 2 面接觸面接觸是指兩個(gè)導(dǎo)體有著較廣的表面發(fā)生接觸 如平面對(duì)平面 其接觸面積和觸頭壓力均較大 此種形式應(yīng)用較少 僅用于大電流 接觸壓力大的場(chǎng)合 如固定母線接觸 大容量的接觸器和斷路器的主觸頭 閘刀開關(guān)等 3 線接觸線接觸是指兩個(gè)導(dǎo)體沿著線或較窄的面積發(fā)生的接觸 如圓柱對(duì)圓柱 圓柱對(duì)平面 在同一壓力條件下 線接觸的接觸電阻比前兩種較低 線接觸觸頭的制造 調(diào)整 裝配均比較方便 因而得到廣泛的采用 常用于幾十安至幾百安電流的中等容量的電器 如接觸器 自動(dòng)開關(guān)及高壓開關(guān)電器的主觸頭 四 觸頭的參數(shù)1 觸頭的結(jié)構(gòu)尺寸 主要是根據(jù)觸頭工作時(shí)的發(fā)熱條件確定 同時(shí)要考慮到它的機(jī)械強(qiáng)度與工作壽命等條件 2 觸頭的開距觸頭處于斷開位置時(shí) 動(dòng)靜觸頭之間的最小距離s稱為觸頭的開距 或行程 3 觸頭的超程觸頭的超程是指觸頭對(duì)完全閉合后 如果將靜觸頭移開 動(dòng)觸頭在觸頭彈簧的作用下繼續(xù)前移的距離r 4 觸頭的初壓力觸頭閉合后 其接觸處有一定的互壓力 稱為觸頭壓力 它是由調(diào)節(jié)觸頭彈簧預(yù)壓縮量來保證的 5 觸頭終壓力動(dòng) 靜觸頭閉合終了時(shí) 觸頭間的接觸壓力稱為終壓力FZ 它是由觸頭彈簧最終壓縮量來決定的 6 觸頭的研距動(dòng)觸頭和靜觸頭接觸過程中 觸頭接觸表面既有滾動(dòng) 又有滑動(dòng) 這種滾動(dòng)和滑動(dòng)稱為觸頭的研磨過程 由研磨所產(chǎn)生的距離稱為研距 一 接觸電阻的產(chǎn)生1 收縮電阻當(dāng)電流通過實(shí)際接觸面積時(shí) 電流只從接觸點(diǎn)上通過 在這些接觸點(diǎn)附近 迫使電流線發(fā)生收縮 由于有效接觸面積 即實(shí)際接觸面積 小于視在接觸面積 由此產(chǎn)生的附加電阻稱為收縮電阻 2 表面膜電阻由于種種原因 在觸頭的接觸表面上覆蓋著一層導(dǎo)電性很差的薄膜 例如金屬的氧化物 硫化物等 其導(dǎo)電性很差 也可能是落在接觸表面上的灰塵 污物或夾在接觸面間的油膜 水膜等 由此而形成的附加電阻 稱為表面膜電阻 4 2觸頭的接觸電阻 二 影響接觸電阻的因素影響接觸電阻的因素有接觸壓力 觸頭材料 觸頭溫度 觸頭表面情況 接觸形式及化學(xué)腐蝕等 1 接觸壓力的影響接觸壓力對(duì)接觸電阻的影響最大 當(dāng)接觸壓力很小時(shí) 接觸壓力微小的變化都會(huì)使接觸電阻值產(chǎn)生很大的波動(dòng) 2 觸頭材料的影響觸頭材料對(duì)接觸電阻的影響主要決定于觸頭材料的電阻系數(shù) 材料的抗壓強(qiáng)度 材料的化學(xué)性能等 3 觸頭溫度的影響觸頭的接觸電阻與它本身的金屬電阻一樣 也受溫度的影響 隨著觸頭溫度的升高 接觸電阻增加 4 觸頭表面情況的影響 三 減小接觸電阻的方法為了避免觸頭超過允許溫升 一方面要盡量減小接觸電阻 另一方面應(yīng)具有足夠的觸頭散熱面積 根據(jù)接觸電阻的形成原因 減小接觸電阻一般可采用下列方法 1 增加接觸點(diǎn)數(shù)目 選擇適當(dāng)?shù)慕佑|形式 用適當(dāng)?shù)姆椒庸そ佑|表面 并在接觸處加一定的壓力 均可使接觸點(diǎn)數(shù)目增加 2 選擇合適的材料 采用本身電阻系數(shù)小 且不易氧化或氧化膜電阻較小的材料作為接觸導(dǎo)體 或作為接觸面的覆蓋層 3 觸頭在開閉過程中應(yīng)具有研磨過程 以擦去氧化膜 4 經(jīng)常對(duì)觸頭清掃 使觸頭表面無油污 塵埃 保持干燥 一 產(chǎn)生振動(dòng)的原因觸頭在閉合過程中 觸頭間的碰撞 觸頭間的電動(dòng)斥力和銜鐵與鐵心的碰撞都可能引起觸頭的機(jī)械振動(dòng) 二 減小振動(dòng)的方法為了提高觸頭的使用壽命 必須減小觸頭的振動(dòng) 減小觸頭振動(dòng)有如下幾種方法 1 使觸頭具有一定的初壓力 2 降低動(dòng)觸頭的閉合速度 以減小碰撞動(dòng)能 3 減小動(dòng)觸頭的質(zhì)量 以減小碰撞動(dòng)能 從而減小觸頭的振幅 4 對(duì)于電磁式電器 減小銜鐵和靜鐵心碰撞時(shí)引起的磁系統(tǒng)的振動(dòng) 以減小觸頭的二次振動(dòng) 其方法是吸力特性與反力特性有良好的配合及鐵心具有緩沖裝置 4 3觸頭的振動(dòng) 一 觸頭磨損的原因觸頭在多次接通和斷開有載電路后 它的接觸表面將逐漸產(chǎn)生磨耗和損壞 這種現(xiàn)象稱為觸頭的磨損 觸頭磨損包括機(jī)械磨損 化學(xué)磨損和電磨損 機(jī)械磨損是在觸頭閉合和打開時(shí)研磨和機(jī)械碰撞所造成的 它使得觸頭接觸面產(chǎn)生壓皺 裂痕或塑性變形和磨損 化學(xué)磨損是由于周圍介質(zhì)中的腐蝕性氣體或蒸汽對(duì)觸頭材料浸蝕所造成的 它使得觸頭表面形成非導(dǎo)電性薄膜 致使接觸電阻變大 且不穩(wěn)定 甚至完全破壞了觸頭的導(dǎo)電性能 機(jī)械磨損和化學(xué)磨損一般很小 約占全部磨損的10 左右 觸頭的磨損主要取決于電磨損 在觸頭閉合電流時(shí)產(chǎn)生的電磨損 主要是由于觸頭碰撞引起的振動(dòng)所產(chǎn)生的 在觸頭開斷電流時(shí)所產(chǎn)生的電磨損 主要是由高溫電弧造成的 4 4觸頭的磨損 二 減小電磨損的方法1 減小觸頭開斷過程中的磨損 其方法如下 1 合理選擇滅弧系統(tǒng)的參數(shù) 2 對(duì)于交流電器 如交流接觸器 宜采用去離子?xùn)艤缁∠到y(tǒng) 利用交流電流通過自然零點(diǎn)時(shí)不再重燃而熄弧 減小觸頭的電磨損 3 采用熄滅火花的電路 以減小觸頭的電磨損 這種方法就是在弱電流觸頭電路中 在觸頭上并聯(lián)電阻 電容 以熄滅觸頭上的火花 這種火花熄滅電路對(duì)開斷小功率直流電路很有效 4 正確選用觸頭材料 例如 鎢 鉬的熔點(diǎn)和汽化點(diǎn)高 因此 鎢 鉬及其合金具有良好的抗磨損特性 2 減小觸頭閉合時(shí)的磨損觸頭閉合時(shí)的磨損主要是由于觸頭在閉合過程中的振動(dòng)所引起的 因此 為了減小觸頭的電磨損 必須減小觸頭的機(jī)械振動(dòng) 4 4觸頭的磨損 觸頭所采用的材料關(guān)系到觸頭工作的可靠性 尤其是對(duì)觸頭磨損影響甚大 根據(jù)各種電器的任務(wù)和使用條件的不同 對(duì)觸頭材料性能的要求亦不同 一般要求如下 1 電氣性能 要求材料本身的電阻系數(shù)小 接觸電阻小且在長期工作中能保持穩(wěn)定 要求生弧的最小電流大和最小電壓高 電子逸出功及游離電位大 2 熱性能 要求熔點(diǎn)高 導(dǎo)熱性好 熱容量大 3 機(jī)械性能 要有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和硬度 耐磨性好 4 化學(xué)性能 要具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性 在常溫下不易氧化 或者氧化物的電阻盡量小 耐腐蝕 此外 還要考慮材料的可加工性能好 價(jià)格便宜 經(jīng)濟(jì)適用 但實(shí)際上是不可能同時(shí)滿足以上各項(xiàng)要求的 而只能根據(jù)觸頭的工作條件及負(fù)荷的大小 滿足其主要的性能要求 觸頭材料分為三大類 即純金屬 合金和金屬陶冶材料 4 5觸頭的材料 復(fù)習(xí)與思考 1 簡(jiǎn)述觸頭接觸電阻產(chǎn)生的原因并提出減小方法 2 分析觸頭振動(dòng)的原因并提出減小方法 3 分析產(chǎn)生觸頭磨損的幾種原因 3 簡(jiǎn)述減小觸頭電磨損的方法 單元5傳動(dòng)裝置 一 電磁傳動(dòng)裝置的基本組成電磁傳動(dòng)裝置是一種通過電磁鐵把電磁能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能來驅(qū)使電器觸頭動(dòng)作的機(jī)構(gòu) 電磁鐵主要由吸引線圈和磁系統(tǒng)兩部分組成 磁系統(tǒng)一般由鐵芯 磁軛和銜鐵三部分組成 5 1電磁傳動(dòng)裝置 電磁鐵的工作原理1 銜鐵 2 極靴 3 線圈 4 鐵芯 5 磁軛 6 非磁性墊片 7 反力彈簧 8 調(diào)節(jié)螺釘 三 電磁鐵 電磁傳動(dòng)裝置 的分類1 按吸引線圈通電電流的性質(zhì) 可分為直流電磁鐵和交流電磁鐵 2 按吸引線圈與電路的連接方式 可分為并聯(lián)電磁鐵和串聯(lián)電磁鐵 3 按銜鐵的運(yùn)動(dòng)方式 可分為直動(dòng)式和轉(zhuǎn)動(dòng)式電磁鐵兩大類 4 按磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形狀 可分為U型 E型和螺管型 圖2 41中 a 和 g 為U型 b 和 c 為螺管型 d e f 均為E型 電空傳動(dòng)裝置是一種以電磁閥 電空閥 控制的壓縮空氣作為動(dòng)力 驅(qū)使觸頭按規(guī)定動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 它主要由電空閥和壓縮空氣驅(qū)動(dòng)裝置組成 一 電空閥電空閥是借電磁吸力來控制壓縮空氣管路的導(dǎo)通或關(guān)斷 從而達(dá)到遠(yuǎn)距離控制氣動(dòng)器械的目的 5 2電空傳動(dòng)裝置 閉式電空閥的原理結(jié)構(gòu)1 閥體 2 下閥門 3 6 閥塊 4 閥桿 2 電磁鐵 7 上閥門 8 反力彈簧 二 壓縮空氣驅(qū)動(dòng)裝置壓縮空氣驅(qū)動(dòng)裝置有氣缸式傳動(dòng)和薄膜式傳動(dòng)兩種 一 氣缸傳動(dòng)裝置 氣缸式傳動(dòng)裝置 a 單活塞氣缸傳動(dòng)裝置1 氣缸 2 活塞 3 活塞桿 4 彈簧 5 氣缸蓋 6 進(jìn)氣孔 b 雙活塞壓縮空氣驅(qū)動(dòng)裝置示意圖1 2 氣口 3 活塞 4 活塞桿 5 曲柄 6 轉(zhuǎn)鼓 7 靜觸頭 8 動(dòng)觸頭 二 薄膜傳動(dòng)裝置工作原理 當(dāng)氣孔進(jìn)入壓縮空氣時(shí) 壓迫薄膜 克服彈簧張力 使活塞桿右移 帶動(dòng)觸頭動(dòng)作 反之 則觸頭在彈簧的作用下打開 其特點(diǎn)是 動(dòng)作靈活 摩擦力和磨損較小 加工制作及維修方便 但活塞桿行程小 在低溫條件下 薄膜易開裂 需經(jīng)常更換 薄膜傳動(dòng)裝置原理結(jié)構(gòu)1 閥體 2 活塞 3 活塞桿 4 開斷彈簧 5 橡膠薄膜 復(fù)習(xí)與思考1 繪制電磁傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖并標(biāo)明各組成部分 2 簡(jiǎn)述電磁傳動(dòng)裝置的工作原理 3 簡(jiǎn)述電空傳動(dòng)裝置的工作原理 下篇電器設(shè)備單元6牽引電動(dòng)機(jī) 一 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成 其工作原理是基于電磁感應(yīng)的原理 圖中N S為一對(duì)主磁極 通過直流電源勵(lì)磁產(chǎn)生恒定磁場(chǎng) 勵(lì)磁繞組未畫出 圖中abcd線圈表示電樞繞組 1 2為兩個(gè)換向片 與電樞繞組相連 A B兩個(gè)電刷與外電路相連 6 1直流牽引電機(jī) 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖 a 初始位置 b 轉(zhuǎn)過180 后的位置 二 直流電動(dòng)機(jī)特性 2 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián) 勵(lì)磁電流與電樞電流相同 因此 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流較大 且負(fù)載變化時(shí) 勵(lì)磁電流隨電樞電流的變化而變化 主磁通若不考慮飽和 則有 K If KIa式中K為比例系數(shù) 將上式代入電磁轉(zhuǎn)矩公式 有T CT Ia CTK Ia2 2 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián) 勵(lì)磁電流與電樞電流相同 因此 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流較大 且負(fù)載變化時(shí) 勵(lì)磁電流隨電樞電流的變化而變化 主磁通若不考慮飽和 則有 K If KIa式中K為比例系數(shù) 將上式代入電磁轉(zhuǎn)矩公式 有T CT Ia CTK Ia2 三 直流電動(dòng)機(jī)在城軌車輛中應(yīng)用由于直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí) 其受到的干擾比他勵(lì)式電動(dòng)機(jī)小等優(yōu)勢(shì) 后面有具體的分析 而被廣泛應(yīng)用于城市軌道交通車輛中 一 城軌車輛中直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速由式可知 可通過改變牽引電動(dòng)機(jī)的端電壓Ud和改變牽引電動(dòng)機(jī)的主極磁通 兩種途徑來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 二 直流牽引電動(dòng)機(jī)的電制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)有機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩種方式 電氣制動(dòng)是指通過某種方法 讓電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向相反 從而形成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的一種方法 電制動(dòng)是利用牽引電動(dòng)機(jī)由牽引時(shí)的電動(dòng)狀態(tài)改為發(fā)電狀態(tài) 將已有的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?牽引電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的電能 如果利用電阻發(fā)熱使之轉(zhuǎn)化為熱能散掉 稱之為電阻制動(dòng)或能耗制動(dòng) 如果將電能重新反饋回電網(wǎng)中去加以利用 就稱之為再生制動(dòng)或回饋制動(dòng) 再生制動(dòng)原理 斬波調(diào)阻原理 三 牽引電動(dòng)機(jī)在城軌車輛應(yīng)用中的問題1 負(fù)載分配不均問題列車運(yùn)行時(shí) 為了充分利用動(dòng)車的功率及粘著重量 動(dòng)車上各臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)的負(fù)載應(yīng)該均勻分配 但實(shí)際上由于各臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)特性曲線的差異和動(dòng)輪直徑的差異不可避免地造成各牽引電動(dòng)機(jī)間負(fù)載分配不均勻的 1 由于牽引電動(dòng)機(jī)之間的特性差異引起的負(fù)載分配不均 由于牽引電動(dòng)機(jī)的特性差異引起的負(fù)載分配不均 a 串勵(lì) b 他勵(lì) 三 牽引電動(dòng)機(jī)在城軌車輛應(yīng)用中的問題 2 由于動(dòng)輪直徑的不同引起的負(fù)載分配不均如果兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的特性完全相同 而它們各自的動(dòng)輪直徑不同時(shí) 兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將會(huì)產(chǎn)生某些差異 設(shè)一臺(tái)的轉(zhuǎn)速為n1 另一臺(tái)的轉(zhuǎn)速為n2 從圖中的比較可以看出 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載分配不均勻程度比他勵(lì)電動(dòng)機(jī)小 動(dòng)輪直徑不同引起的負(fù)載分配不均 a 串勵(lì) b 他勵(lì) 三 牽引電動(dòng)機(jī)在城軌車輛應(yīng)用中的問題2 電壓波動(dòng)對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)工作的影響接觸網(wǎng)電壓經(jīng)常會(huì)發(fā)生波動(dòng) 例如當(dāng)動(dòng)車運(yùn)行經(jīng)過兩個(gè)牽引變電所供電的交界處時(shí) 供電電壓會(huì)發(fā)生突然變化 在動(dòng)車速度還來不及變化時(shí) 就可能產(chǎn)生較大的電流沖擊和牽引力沖擊 電壓波動(dòng)時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)電流和牽引力的變化 a 串勵(lì) b 他勵(lì) 三 牽引電動(dòng)機(jī)在城軌車輛應(yīng)用中的問題3 功率的利用問題圖中畫出了串勵(lì)和他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性M n 變換比例后 也就是動(dòng)車的牽引特性F 牽引電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與功率利用的關(guān)系 a 串勵(lì) b 他勵(lì) 三 牽引電動(dòng)機(jī)在城軌車輛應(yīng)用中的問題4 粘著重量的利用問題具有硬特性的牽引電動(dòng)機(jī) 產(chǎn)生空轉(zhuǎn)的可能性較小 電動(dòng)機(jī)特性與空轉(zhuǎn)的關(guān)系 a 串勵(lì) b 他勵(lì)1 最大粘著力特性 2 滑動(dòng)摩擦力特性 3 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性 4 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)較軟的機(jī)械特性 5 串勵(lì)電動(dòng)機(jī)很軟的機(jī)械特性 一 交流異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)工作時(shí) 定子通入三相交流電流之后 在定子繞組中將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 此旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電流 從而使轉(zhuǎn)子受到旋轉(zhuǎn)電磁力矩的作用而轉(zhuǎn)動(dòng)起來 1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組是空間對(duì)稱的三相繞組 通入三相對(duì)稱交流便會(huì)在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 6 2交流牽引電動(dòng)機(jī) 一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及對(duì)應(yīng)波形 a t 0 b t 120 c t 240 d t 360 2 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)原理三相定子繞組中通入交流電后 便在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下 轉(zhuǎn)子將作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)而在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向可根據(jù)右手螺旋法則來判斷 由于轉(zhuǎn)子本身為一閉合電路 所以在轉(zhuǎn)子繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電流 稱為轉(zhuǎn)子電流 電流方向與電動(dòng)勢(shì)的方向一致 即上面流出 下面流進(jìn) 三相異步電動(dòng)機(jī)工作原理圖 二 交流異步電動(dòng)機(jī)的特性1 交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性由下圖所示的電動(dòng)機(jī)的等效電路得以下計(jì)算公式 交流異步電動(dòng)機(jī)等效電路 由于電子繞組本身的阻抗壓降比電源電壓要小得多 即可以近似認(rèn)為電源電壓U1與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1相等 即U1 E1 4 44f1K1N1 6 10 式中 f1為三相電源頻率 K1為定子繞組系數(shù) 與定子繞組結(jié)構(gòu)有關(guān) 略小于1 N1為定子每相繞組的匝數(shù) 為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的每極磁通 通常指忽略漏磁后每極主磁通的最大值 m 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2 4 44f2K2N2 4 44sf1K2N2 sE20 6 11 式中K2為轉(zhuǎn)子繞組系數(shù) 與轉(zhuǎn)子繞組結(jié)構(gòu)有關(guān) 略小于1 f20為起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子繞阻的頻率 與定子頻率f1相等 轉(zhuǎn)子電流為 6 13 電磁轉(zhuǎn)矩T CT I2cos 2 6 15 將由6 10到6 13式推得的 和I2表達(dá)式 代入式 6 15 由于交流異步電動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度很接近 即轉(zhuǎn)差率s很小 故比 都大得多 因此異步電動(dòng)機(jī)的力矩可近似用下式表示 轉(zhuǎn)子每相的電阻和靜止時(shí)的感抗通常也是常數(shù) 因此 當(dāng)電源電壓一定時(shí) 電磁轉(zhuǎn)矩為轉(zhuǎn)差率的函數(shù) 即T f s 其曲線稱為異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性曲線 如下圖所示 三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性 2 交流異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性將上圖順時(shí)針轉(zhuǎn)過90 并把轉(zhuǎn)差率s變換成轉(zhuǎn)速n 便可得到如圖6 21所示的n和T的關(guān)系曲線 稱為異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線 圖中的Tst為電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TN為額定轉(zhuǎn)矩 nN為額定轉(zhuǎn)速 Tm為最大轉(zhuǎn)矩 nm為產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)速 該轉(zhuǎn)速并不是最高轉(zhuǎn)速 三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 三 交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率公式可知 可通過以下三種方法進(jìn)行調(diào)速 改變定子繞組的磁極對(duì)數(shù)p 變極調(diào)速 改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s 方法有改變電源電壓調(diào)速和繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速等 改變供電電網(wǎng)的頻率f1 變頻調(diào)速 為了得到與直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)類似的牽引特性 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制有以下幾種方法 U 恒定控制 恒功率控制 恒電壓控制和恒轉(zhuǎn)差頻率控制 1 U 恒定控制2 恒轉(zhuǎn)差頻率控制3 恒功率控制4 恒電壓控制 四 交流異步牽引電動(dòng)機(jī)在動(dòng)車中的應(yīng)用 一 異步牽引電動(dòng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行變壓變頻控制有集中控制和分別控制兩種方式 集中控制方式原理圖分別控制方式原理圖 二 負(fù)載分配不均的理論分析由于異步電動(dòng)機(jī)的硬特性 電動(dòng)機(jī)電氣特性或動(dòng)輪輪徑略有差異 就會(huì)引起電動(dòng)機(jī)負(fù)載分配不勻 1 電動(dòng)機(jī)電氣特性的不同引起的負(fù)載分配不均 電動(dòng)機(jī)特性差異引起電動(dòng)機(jī)負(fù)載分配不均 2 動(dòng)輪直徑的不同引起的負(fù)載分配不均由于動(dòng)輪輪徑不同 也會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)負(fù)載分配不勻的情況 如圖6 29所示 牽引工況時(shí) 輪徑大的電動(dòng)機(jī)負(fù)擔(dān)的負(fù)載偏大 輪徑小的負(fù)載偏小 制動(dòng)工況則相反 輪徑大的負(fù)載偏小 輪徑小的負(fù)載偏大 動(dòng)輪輪徑差異引起電動(dòng)機(jī)負(fù)載分配不均 三 交流牽引電動(dòng)機(jī)與普通異步電動(dòng)機(jī)的不同點(diǎn)與一般工業(yè)用交流異步電動(dòng)機(jī)相比 交流異步牽引電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)上有如下特點(diǎn) 1 為減小轉(zhuǎn)矩不平衡 額定轉(zhuǎn)差率通常設(shè)計(jì)得比一般異步電動(dòng)機(jī)大 約為3 為了確保所需的轉(zhuǎn)差率 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條使用高電阻 高強(qiáng)度的銅鋅合金材料 為了盡量抑制熱膨脹 端環(huán)采用低電阻的純銅 為了提高轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度和可靠性 將轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)焊牢后 還在端環(huán)上加裝保持環(huán) 為保證各電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩特性相近 選擇電阻分散性小 溫度變化率小 截面尺寸均勻的導(dǎo)條材料 并左軸端設(shè)置高精度的轉(zhuǎn)速檢測(cè)器 以便對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確控制 2 來自逆變電路的電流高次諧波分量較大 為防止集膚效應(yīng)引起的交流電阻增大而增加溫升 采取了減小導(dǎo)體截面積 限制繞組導(dǎo)體高度的措施 例如增加定子線圈的并聯(lián)支路數(shù) 線圈斷面形狀謅于扁平 3 異步電動(dòng)機(jī)無換向器 允許提高額定轉(zhuǎn)速 縮小體積 減輕重量 因而減速器采用盡可能大的傳動(dòng)比 4 適當(dāng)加大氣隙 由于牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣 無法避免砂塵和垃圾侵入 為便于拆裝 氣隙通常為同樣大小的普通異步電動(dòng)機(jī)的兩倍 5 加大通風(fēng)量 改善散熱效果 并留有一定的溫度裕量 考慮電流諧波分量損耗 電動(dòng)機(jī)表面和進(jìn)出風(fēng)口濾網(wǎng)污染使散熱效果變差 應(yīng)有30 50 的溫度裕量 6 定子加強(qiáng)防塵 耐振的結(jié)構(gòu) 適當(dāng)增加定子有效材料 提高轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度 一 直線異步電動(dòng)機(jī) LinearInductionMotor 的工作原理簡(jiǎn)單地說 將旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)軸向切開 沿水平方向展開 就可以得到直線電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 見圖6 31 由于用直線運(yùn)動(dòng)取代了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 稱之為直線電動(dòng)機(jī) 直線電動(dòng)機(jī)也可分為直線異步電動(dòng)機(jī) LIM 直線同步電動(dòng)機(jī) LSM 和直線直流電動(dòng)機(jī) LDCM 在城市軌道交通中 以LIM應(yīng)用較多 6 3直線牽引電動(dòng)機(jī) 直線異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖 一 直線異步電動(dòng)機(jī)的分類 圖6 33和1 按結(jié)構(gòu)分類可分為平板形單邊式 見圖6 32a 平板形雙邊式 見圖6 32b 圓筒形 見圖6 34 2 按電源分類可分為三相電源和二相電源 3 按動(dòng)體分類可分為短初級(jí)方式 以初級(jí)作為動(dòng)體 見圖6 32 和短次級(jí)方式 以次級(jí)作為動(dòng)體 見圖6 33 圖6 32短初級(jí)平板形直線異步電動(dòng)機(jī)示意圖 圖6 33短次級(jí)平板形單邊式直線異步電動(dòng)機(jī)示意圖 圖6 34圓筒形直線異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式示意圖 二 直線異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)1 直線異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)直線異步電動(dòng)機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子組成 定子也由沖上齒槽的電工鋼片疊成 槽里也同樣嵌有繞組 轉(zhuǎn)子大多采用非磁性體 銅板或鋁板 和磁性體 鋼板 構(gòu)成的復(fù)合金屬板 以兼具兩者優(yōu)點(diǎn) 可以是定子移動(dòng) 也可以是轉(zhuǎn)子移動(dòng) 為了避免與動(dòng)體概念的混淆 本書以后將定子稱為初級(jí) 轉(zhuǎn)子稱為次級(jí)導(dǎo)體 次級(jí)只有感應(yīng)電流的流動(dòng) 不需要外界供電 初級(jí)和次級(jí)導(dǎo)體之間有一定距離即氣隙 一般說來 要比旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的氣隙大 2 直線異步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)當(dāng)初級(jí)繞組通入三相或二相交流電時(shí) 在直線電動(dòng)機(jī)的長度方向產(chǎn)生行波磁場(chǎng) traUelingmagneticfield 這與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) rotatingmagneticfield 的原理相同 以時(shí)間t和距離x作為函數(shù)變量的磁通密度B如式6 18所示 6 18 式中 電源角頻率 t 時(shí)間 x 定子表面上的距離 極距 二 直線異步電動(dòng)機(jī)的特性 一 基本特性1 推力一速度特性2 速度一時(shí)間特性直線異步電動(dòng)機(jī)的速度隨時(shí)間以指數(shù)函數(shù)規(guī)律增加 其特性可表示為 2 23 圖6 38所示為T 1時(shí)的直線異步電動(dòng)機(jī)速度一時(shí)間特性 實(shí)際上時(shí)間常數(shù)T隨負(fù)荷質(zhì)量等因素而變化 3 推力一氣隙特性圖6 39表示直線異步電動(dòng)機(jī)的推力F隨氣隙g變化的特性 氣隙小對(duì)電動(dòng)機(jī)特性和工作穩(wěn)定性有利 但為了保證在長距離運(yùn)動(dòng)中 初 次級(jí)不致相擦 通常直線異步電動(dòng)機(jī)的氣隙要比旋轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)大 一般旋轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的極距氣隙比為 g 10左右 而直線異步電動(dòng)機(jī)的 g 20左右 因而LIM的效率和功率因數(shù)都較低 速度 時(shí)間特性 推力 速度特性 推力 氣隙特性 二 邊緣效應(yīng)1 靜態(tài)縱向邊緣效應(yīng)鐵心和繞組的不連續(xù) 使得各相的互感不相等 即使電源是對(duì)稱的三相交流電壓 由于三相繞組在空間位置不對(duì)稱 在各相繞組中也將產(chǎn)生不對(duì)稱電流 利用對(duì)稱分量法將得到順序 逆序和零序電流 因而在氣隙中出現(xiàn)脈振磁場(chǎng)和反向行波磁場(chǎng) 運(yùn)行過程中將產(chǎn)生阻力和增大附加損耗 這種效應(yīng)當(dāng)初 次級(jí)相對(duì)靜止時(shí)也存在 因而稱為靜態(tài)縱向邊緣效應(yīng) 縱向即磁場(chǎng)移動(dòng)的方向 2 動(dòng)態(tài)縱向邊緣效應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)的初 次級(jí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) 次級(jí)導(dǎo)體板在行波磁場(chǎng)方向上的渦流分布是不對(duì)稱的 圖2 42 這使得初級(jí)進(jìn)入端的磁場(chǎng)削弱 離開端的磁場(chǎng)加強(qiáng) 這種當(dāng)初 次級(jí)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的磁場(chǎng)和渦流分布的畸變稱為動(dòng)態(tài)縱向邊緣效應(yīng) 運(yùn)動(dòng)速度越高 動(dòng)態(tài)縱向邊緣效應(yīng)越顯著 使行波磁場(chǎng)方向上的推力分布不均勻 起減小推力的作用 3 橫向邊緣效應(yīng)城市軌道交通車輛應(yīng)用的直線電動(dòng)機(jī) 大多是次級(jí)導(dǎo)體板的寬度小于初級(jí)鐵心的寬度 因而在橫向的邊緣區(qū)域磁場(chǎng)削弱 造成空載氣隙磁場(chǎng)橫向分布的不均勻 這是第一類橫向邊緣效應(yīng) 通常采用氣隙系數(shù)來表示氣隙磁通密度的最大值與鐵心寬度范圍內(nèi)磁通密度的平均值之比 以簡(jiǎn)化考慮了第一類橫向邊緣效應(yīng)的定量計(jì)算 三 直線異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 一 優(yōu)點(diǎn)1 直線電動(dòng)機(jī)最主要的優(yōu)點(diǎn)是直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)而不需要中間轉(zhuǎn)換裝置 2 起動(dòng)推力大 可實(shí)現(xiàn)大范圍的加速和減速 零部件不受離心力的作用 直線速度不受限制 3 直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)和次級(jí)的結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單 特別是次級(jí) 有時(shí)甚至可直接利用部分設(shè)備本體或運(yùn)行軌道 可在條件惡劣 潮濕 粉塵 有害氣體 的環(huán)境中使用 4 總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 扁平型部件高度低 噪聲小 重量輕 維修容易 5 短初級(jí)平板型直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)長 因而散熱面大 熱負(fù)荷可以取得較高 二 缺點(diǎn)1 效率和功率因數(shù)低 一般在0 6 0 65左右 通常直線異步電動(dòng)機(jī)的極距 汽隙比要比旋轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)大一倍左右 初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙大 需要的磁化電流大 所以空載電流大 邊緣效應(yīng)特別是縱向邊緣效應(yīng)減小了驅(qū)動(dòng)推力 增大了損耗 2 除驅(qū)動(dòng)推力外 直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)和次級(jí)間有吸引力 因而必須增加構(gòu)架強(qiáng)度 3 應(yīng)滿足長距離保持一定氣隙的精度要求 三 直線異步電動(dòng)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn) 一 優(yōu)點(diǎn)1 直線電動(dòng)機(jī)最主要的優(yōu)點(diǎn)是直接產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)而不需要中間轉(zhuǎn)換裝置 2 起動(dòng)推力大 可實(shí)現(xiàn)大范圍的加速和減速 零部件不受離心力的作用 直線速度不受限制 3 直線電動(dòng)機(jī)的初級(jí)和次級(jí)的結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單 特別是次級(jí) 有時(shí)甚至可直接利用部分設(shè)備本體或運(yùn)行軌道 可在條件惡劣 潮濕 粉塵 有害氣體 的環(huán)境中使用 4 總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 扁平型部件高度低 噪聲小 重量輕 維修容易 5 短初級(jí)平板型直線電動(dòng)機(jī)的次級(jí)長 因而散熱面大 熱負(fù)荷可以取得較高 二 缺點(diǎn)1 效率和功率因數(shù)低 一般在0 6 0 65左右 通常直線異步電動(dòng)機(jī)的極距 汽隙比要比旋轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)大一倍左右 初級(jí)和次級(jí)之間的氣隙大 需要的磁化電流大 所以空載電流大 邊緣效應(yīng)特別是縱向邊緣效應(yīng)減小了驅(qū)動(dòng)推力 增大了損耗 2 除驅(qū)動(dòng)推力外 直線電動(dòng)機(jī)初級(jí)和次級(jí)間有吸引力 因而必須增加構(gòu)架強(qiáng)度 3 應(yīng)滿足長距離保持一定氣隙的精度要求 復(fù)習(xí)與思考 1 簡(jiǎn)述直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 工作原理及其調(diào)速方法 2 簡(jiǎn)述交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu) 工作原理及特性 3 分析交流牽引電動(dòng)機(jī)的基本調(diào)速方式及其調(diào)速原理 4 簡(jiǎn)述直線電動(dòng)機(jī)的工作原理及其在軌道交通中的應(yīng)用 單元7逆變裝置 逆變電路是將直流電源變換成交流電源的一種電力變換電路 集成所有逆變電路器件及相關(guān)設(shè)備的裝置稱為逆變裝置或逆變器 依據(jù)逆變器使用的電力系統(tǒng)的不同可分為牽引逆變器 工作于牽引供電系統(tǒng) 和輔助逆變器 工作于輔助供電系統(tǒng) 7 1牽引逆變器 逆變器內(nèi)部主要有兩個(gè)核心電路組成 逆變環(huán)節(jié)和斬波環(huán)節(jié) 逆變電路的作用是在牽引工況下工作于逆變狀態(tài) 相控角大于90 將接觸網(wǎng)或第三軌輸送給車輛的DC1500V或DC750V電源變換成VVVF的三相交流電源供牽引電機(jī)使用 并進(jìn)行牽引電機(jī)的調(diào)速 而在電制動(dòng)工況下 使相控角工作于0 90 使電路工作于整流狀態(tài) 將牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作發(fā)出的三相交流電整流成直流電回饋給電網(wǎng)或消耗在制動(dòng)電阻上 在電阻制動(dòng)階段 可通過調(diào)整斬波環(huán)節(jié)的開通時(shí)間來改變制動(dòng)電阻值的大小 從而實(shí)現(xiàn)在較寬的速度范圍內(nèi)獲取較大制動(dòng)力矩的控制目的 逆變器內(nèi)部主要有兩個(gè)核心電路組成 逆變環(huán)節(jié)和斬波環(huán)節(jié) 逆變電路的作用是在牽引工況下工作于逆變狀態(tài) 相控角大于90 將接觸網(wǎng)或第三軌輸送給車輛的DC1500V或DC750V電源變換成VVVF的三相交流電源供牽引電機(jī)使用 并進(jìn)行牽引電機(jī)的調(diào)速 而在電制動(dòng)工況下 使相控角工作于0 90 使電路工作于整流狀態(tài) 將牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)工作發(fā)出的三相交流電整流成直流電回饋給電網(wǎng)或消耗在制動(dòng)電阻上 在電阻制動(dòng)階段 可通過調(diào)整斬波環(huán)節(jié)的開通時(shí)間來改變制動(dòng)電阻值的大小 從而實(shí)現(xiàn)在較寬的速度范圍內(nèi)獲取較大制動(dòng)力矩的控制目的 一 元器件介紹1 IGBT的結(jié)構(gòu)和基本工作原理 1 IGBT的基本結(jié)構(gòu)IGBT是三端器件 它的三個(gè)極為漏極 D 柵極 G 和源極 S 有時(shí)也將IGBT的漏極稱為集電極 C 源極稱為發(fā)射極 E 2 IGBT的工作原理IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同 它是一種壓控型器件 其開通和關(guān)斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的 當(dāng)UGE為正且大于開啟電壓UGE th 時(shí) MOSFET內(nèi)形成溝道 并為晶體管提供基極電流使其導(dǎo)通 當(dāng)柵極與發(fā)射極之間加反向電壓或不加電壓時(shí) MOSFET內(nèi)的溝道消失 晶體管無基極電流 IGBT關(guān)斷 1 靜態(tài)特性IGBT的轉(zhuǎn)移特性描述的是集電極電流IC與柵射電壓UGE之間的關(guān)系 IGBT的輸出特性也稱伏安特性 它描述的是以柵射電壓為參考變量時(shí) 集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關(guān)系 圖7 3IGBT的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性 a 轉(zhuǎn)移特性 b 輸出特性 2 動(dòng)態(tài)特性 圖7 4IGBT的開關(guān)過程 4 IGBT的主要參數(shù) 集電極 發(fā)射極額定電壓UCES 這個(gè)電壓值是廠家根據(jù)器件的雪崩擊穿電壓而規(guī)定的 是柵極 發(fā)射極短路時(shí)IGBT能承受的耐壓值 即UCES值小于等于雪崩擊穿電壓 柵極 發(fā)射極額定電壓UGES IGBT是電壓控制器件 靠加到柵極的電壓信號(hào)控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷 而UGES就是柵極控制信號(hào)的電壓額定值 目前 IGBT的UGES值大部分為 20V 使用中不能超過該值 額定集電極電流IC 該參數(shù)給出了IGBT在導(dǎo)通時(shí)能流過管子的持續(xù)最大電流 二 三相逆變電路的原理分析1 三相逆變電路的基本工作原理右圖為一個(gè)由IGBT構(gòu)成的三相橋式逆變電路 該電路可以看做是由IGBT構(gòu)成的可控電路與二極管構(gòu)成的不可控電路的反并聯(lián) 其中可控電路用來實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變 不可控電路為感性負(fù)載電流提供續(xù)流回路 完成無功能量的續(xù)流或反饋 因此與IGBT并聯(lián)的六個(gè)二極管D1 D6稱為續(xù)流二極管或反饋二極管 C為濾波電容器 也稱支撐電容 180度導(dǎo)通型逆變電路的分析過程 圖7 7180 導(dǎo)通型三相逆變器的輸出波形 a 相電壓波形 b 線電壓波形 180度導(dǎo)通型逆變電路的波形圖 120度導(dǎo)通型逆變電路的波形圖 圖7 8120 導(dǎo)通型三相逆變器的輸出波形 a 相電壓波形 b 線電壓波形 1 PWM控制的基本原理在采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論 沖量 脈沖的面積 相等而形狀不同窄脈沖 如圖7 9所示 分別加在具有慣性環(huán)節(jié)的輸入端 其輸出響應(yīng)波形基本相同 也就是說盡管脈沖形狀不同 但只要脈沖在面積相等 其作用的效果基本相同 這就是PWM控制的重要理論依據(jù) 如圖7 10所示 一個(gè)正弦半波完全可以用等幅不等寬的脈沖列來等效 但必須做到正弦半波所等分的6塊陰影面積與相對(duì)應(yīng)的6個(gè)脈沖列的陰影面積相等 其作用的效果就基本相同 對(duì)于正弦波的負(fù)半周 用同樣方法可得到PWM波形來取代正弦負(fù)半波 2 脈寬調(diào)制 PWM 型逆變電路工作原理 2 單相橋式PWM變頻電路工作原理電路如圖7 11所示 采用GTR作為逆變電路的自關(guān)斷開關(guān)器件 設(shè)負(fù)載為電感性 控制方法可以有單極性與雙極性兩種 圖7 11單相橋式PWM變頻電路 1 單極性PWM控制方式工作原理如圖7 12所示 把所希望輸出的正弦波作為調(diào)制信號(hào)ur 把接受調(diào)制的等腰三角形波作為載波信號(hào)uc 對(duì)逆變橋V1 V4的控制方法是 當(dāng)ur正半周時(shí) 讓V1一直保持通態(tài) V2保持?jǐn)鄳B(tài) 在ur與uc正極性三角波交點(diǎn)處控制V4的通斷 在ur uc各區(qū)間 控制V4為通態(tài) 輸出負(fù)載電壓uo Ud 在uruc各區(qū)間 控制V3為斷態(tài) 輸出負(fù)載電壓uo 0 此時(shí)負(fù)載電流可以經(jīng)過VD4與V2續(xù)流 逆變電路輸出的uo為PWM波形 如圖7 12所示 uof為uo的基波分量 由于在這種控制方式中的PWM波形只能在一個(gè)方向變化 故稱為單極性PWM控制方式 2 雙極性PWM控制方式工作原理電路仍然是圖7 11 調(diào)制信號(hào)ur仍然是正弦波 而載波信號(hào)uc改為正負(fù)兩個(gè)方向變化的等腰三角形波 如圖7 13所示 對(duì)逆變橋V1 V4的控制方法是 在ur正半周 當(dāng)ur uc的各區(qū)間 給V1和V4導(dǎo)通信號(hào) 而給V2和V3關(guān)斷信號(hào) 輸出負(fù)載電壓uo Ud 在uruc的各區(qū)間 給V1和V4導(dǎo)通信號(hào) 而給V2與V3關(guān)斷信號(hào) 輸出負(fù)載電壓uo Ud 3 三相橋式PWM變頻電路的工作原理三相橋式PWM逆變電路由U相調(diào)制波ymU U相電壓指令 三角載波正側(cè)和負(fù)側(cè)的大小關(guān)系 得到PWM信號(hào)Gsw取得 的信號(hào) 為降低諧波 相載波ycV 與ycU錯(cuò)開180 的相位 獲得PWM控制信號(hào)Gsw的方法與U相相同 三 斬波電路原理1 基本工作原理在城市軌道交通車輛牽引逆變器中 與逆變電路并聯(lián)有一個(gè)斬波電路支路 如圖7 1所示 該電路的作用是通過控制斬波電路開關(guān)器件的相控角 來控制斬波電路的占空比 從而控制制動(dòng)電阻大小 可用式7 1來計(jì)算制動(dòng)電阻的大小 四 城軌車輛所用逆變器的結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)1 逆變器的結(jié)構(gòu)逆變器的最主要部件是大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件 大功率電力電子器件都需要用散熱器冷卻 IGBT的散熱器有多種形式 目前主要有兩種 一種是翅片式散熱器 一種是熱管散熱器 圖7 18翅片式整體散熱片 圖7 19熱管散熱器 2 逆變器的主要技術(shù)參數(shù) 1 輸人電壓范圍 對(duì)于額定網(wǎng)壓DCl500V的系統(tǒng) 一般為1000 1800V 在低電壓時(shí) 1500V 列車降功率運(yùn)行 電制動(dòng)時(shí) 高于設(shè)定值 一般是1800V 只允許電阻制動(dòng) 2 輸出電壓 0 Ud Ud 額定輸入電壓 3 額定值 容量 輸入電流 輸出電流 4 最大值 牽引時(shí)最大輸出容量與電流 制動(dòng)時(shí)最大輸出容量與電流 5 頻率 輸出頻率 基波 功率電子器件最高開關(guān)頻率 6 額定點(diǎn)輸出效率 7 絕緣耐壓 8 保護(hù)等級(jí) IPXX 9 冷卻方式 一 城軌車輛輔助供電系統(tǒng)電客列車輔助供電系統(tǒng)主要為除牽引系統(tǒng)以外的所有用電設(shè)備提供電源的供電系統(tǒng) 其供電的主要負(fù)載有 列車空調(diào) 客室照明 設(shè)備通風(fēng)冷卻 電器電子裝置 蓄電池充電等 輔助供電系統(tǒng)包括輔助逆變器 低壓電源裝置 蓄電池和相關(guān)的電氣設(shè)備 如隔離開關(guān) 接觸器 熔斷器 故障轉(zhuǎn)換裝置 也稱 擴(kuò)展供電轉(zhuǎn)換裝置 等 DCl500V觸網(wǎng)電流經(jīng)受電弓 列車導(dǎo)線和隔離二極管向每節(jié)車的輔助逆變器饋電 其中A車和B C車上的輔助逆變器有所不同 A車上的逆變器輸出DCll0V和三相AC380V 50Hz兩種電源 DCll0V向蓄電池充電 并提供整列車DCll0V控制電源 三相AC380V 50Hz向列車提供照明及通風(fēng)電源 考慮到逆變器可能發(fā)生故障 所以每個(gè)A車逆變器負(fù)擔(dān)50 的列車照明和通風(fēng) B C車上的逆變器只輸出三相AC380V