阮國亮

摘 要：機車牽引電機由逆變器供電，牽引系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗時，逆變器輸出的電流或電壓中均含有大量的高次諧波，使?fàn)恳姍C定、轉(zhuǎn)子電流和高次諧波鐵損增加，從而使?fàn)恳姍C定子繞組溫升增加。因此，牽引電機在進(jìn)行逆變器供電溫升試驗時，經(jīng)常出現(xiàn)繞組溫升偏高問題。本文對一臺大功率交流傳動電力機車牽引電機逆變器供電繞組溫升偏高問題進(jìn)行了分析，提出了一種通過對牽引電機本體通風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，來實現(xiàn)定子繞組溫升有效控制的方法。

關(guān)鍵詞：牽引電機;定子繞組;溫升

引言

HXD1型電力機車在部分機務(wù)段投入運用以來，陸續(xù)出現(xiàn)6A系統(tǒng)走行部監(jiān)測子系統(tǒng)牽引電機傳動端軸承溫升報警問題，但機車回段后對走行部進(jìn)行檢測確認(rèn)牽引電機各部件狀態(tài)良好，庫內(nèi)頂輪檢測機車各電機軸承狀態(tài)良好，齒輪箱潤滑油位正常。本文結(jié)合蘭渝線線路數(shù)據(jù)、機車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)、LKJ數(shù)據(jù)、6A系統(tǒng)走形部監(jiān)測傳動端軸承溫度、溫升、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，對HXD1型電力機車牽引電機軸承溫升報警原因進(jìn)行了分析，同時為快速解決HXD1型電力機車牽引電機傳動端軸承溫升報警問題提供有效的措施及方案。

1溫升試驗的必要性

電力機車牽引電傳動系統(tǒng)主要由網(wǎng)側(cè)電路、牽引變壓器、主變流器、牽引電機等組成。在運行過程中，受電弓從接觸網(wǎng)上受流，單相交流高壓電經(jīng)牽引變壓器降壓后傳入牽引變流器，整流逆變?yōu)槿嘟涣麟?，最終進(jìn)入牽引電機繞組。其中，牽引電機由大量的繞組線圈組成，是系統(tǒng)中最主要的阻性部件，也是系統(tǒng)工作過程中最大的發(fā)熱部件。因此，牽引電傳動系統(tǒng)的溫升試驗需要著重關(guān)注其變化。IEC60349-2：2010，GB755—2008，TB/T2519—1995等標(biāo)準(zhǔn)均對牽引電機裝車前和裝車后的溫升測試進(jìn)行了相應(yīng)的規(guī)定。據(jù)此，電力機車整車型式試驗中也相應(yīng)地規(guī)定了牽引電機溫升試驗項目，主要測量牽引電動機繞組裝車后的持續(xù)溫升，確認(rèn)牽引設(shè)備在設(shè)計溫升限值內(nèi)按規(guī)定負(fù)載周期運行的能力。

2電力機車牽引電機溫升偏高的分析與優(yōu)化

2.1審核技術(shù)設(shè)計

審核技術(shù)設(shè)計對牽引電機定子繞組溫升偏高問題的源頭定位作用明顯，經(jīng)全面、反復(fù)、多次深入分析，找到異常問題與技術(shù)設(shè)計的相關(guān)性，可有效為溫升和靜壓異常問題提供正確的解決方向。（1）電磁結(jié)構(gòu)審核電磁結(jié)構(gòu)審核包含電機總體數(shù)據(jù)，定、轉(zhuǎn)子沖片數(shù)據(jù)，定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)據(jù)，定子線圈數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)據(jù)等。通過對該類數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、分析，并比較本牽引電機電磁結(jié)構(gòu)與原型機的差異，判斷電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計是否合理，是否存在由異常電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)致的電機嚴(yán)重發(fā)熱。比如，該牽引電機相對原型機鐵心長度增加了140mm，對軸向通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的電機而言，兩端冷卻效果的差異很大。（2）電磁參數(shù)審核電磁參數(shù)審核包含牽引電機額定電壓、電流、功率因數(shù)和效率等性能參數(shù);磁通、磁密和滿載電勢標(biāo)么值等磁負(fù)荷參數(shù);電密、熱負(fù)荷和損耗等熱性能參數(shù);電阻、電感和電抗等主電路參數(shù)等。通過對該類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并比較本牽引電機電磁參數(shù)與原型機的差異，確定哪些參數(shù)存在異常，從而影響電機的發(fā)熱和散熱。比如，該牽引電機在磁負(fù)荷和原型機一致的情況下，因工作頻率不同，鐵耗相差約3倍。

2.2牽引性能影響分析

通過對線路狀態(tài)的分析發(fā)現(xiàn)，蘭渝線下行存在約103km連續(xù)長大上坡道，其中坡度13‰的坡道長為69.88km，最長坡道為11.95km，大于10‰小于13‰的坡道為24.41km，且其中大多數(shù)坡道坡度為12.8‰，低于10‰的坡道長度6.63km。根據(jù)線路坡度情況進(jìn)行了HXD1型機車牽引能力的計算，在該區(qū)間運行時，當(dāng)牽引噸位超過3500t列車運行均衡速度低于機車恒功速度65km/h，由此可見機車牽引噸位較大時，在此困難區(qū)間內(nèi)為維持列車均衡運行速度，機車需一直運行于滿級位牽引，牽引電機處于滿負(fù)荷運行狀態(tài)，當(dāng)列車運行速度越低時牽引電機轉(zhuǎn)速越低，其電流越大，此時牽引電機損耗（主要為銅耗）越大，其發(fā)熱量變大，牽引電機、電機軸承的溫度也將持續(xù)升高。因此，機車牽引噸位、線路情況、運行時間對牽引電機傳動端軸承溫度具有較大的影響。

2.3運行試驗過程

運行試驗過程中，接觸網(wǎng)電壓應(yīng)在25～26kV之間，被試機車牽引手柄在最高級位，陪試的負(fù)載機車處于再生制動并控制試驗列車速度在持續(xù)速度v運行下運行，使電機繞組溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)。試驗過程中，記錄牽引電機電流電壓、牽引變壓器繞組電壓電流及列車速度、環(huán)境溫度、測試牽引電機出風(fēng)口溫度等參數(shù)。在牽引電機繞組溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，實施緊急制動停車，并分主斷路器，切斷接觸網(wǎng)供電，對牽引變流器中間直流環(huán)節(jié)進(jìn)行快速放電。向被測牽引電機繞組送入30A左右的直流電流，連續(xù)（不少于5min）采集牽引電機繞組的電壓、電流值。溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)的判斷原則為：①牽引電機出風(fēng)口溫度的上升在最后1h內(nèi)不超過2K;②被試機車持續(xù)工況運行達(dá)到3.5h以上。另外，為減少被測繞組內(nèi)部熱量流失，提高測量準(zhǔn)確度，并保證試驗安全性，被試機車斷電到開始測量熱態(tài)電阻的過程中應(yīng)注意如下幾點：①在機車放電結(jié)束前禁止進(jìn)行熱態(tài)電阻測量;②通過緊急制動按鈕來實現(xiàn)快速停車及斷電降弓，一方面可實現(xiàn)最快速度斷電停車減少熱量損耗，另一方面牽引電機在快速降弓后產(chǎn)生勵磁電流，也符合惡劣試驗條件的要求;③機車停穩(wěn)后電機勵磁完全消除，方可接通直流電源、測量熱態(tài)電阻;④應(yīng)保證機車斷電開始時刻到開始測量之間的時間差盡量短，IEC60349-2建議不超過45s。

2.4驗證

（1）堵轉(zhuǎn)子孔溫升試驗驗證使用相同的供電電源（正弦波供電）、對同一臺牽引電機未堵轉(zhuǎn)子孔和堵轉(zhuǎn)子孔兩種狀態(tài)分別進(jìn)行堵轉(zhuǎn)子孔溫升試驗。驗證結(jié)果為：定子繞組平均溫升降低7.7K，最高溫升降低18.2K，鐵心溫升降低21.4K，溫升降低效果明顯。轉(zhuǎn)子側(cè)，導(dǎo)條溫升從104K增加至113K，溫升增加幅度不大，且溫升也較低。（2）進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化溫升試驗驗證使用相同的供電電源（正弦波供電）、對采用原進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后的進(jìn)風(fēng)口結(jié)構(gòu)的同一臺牽引電機分別進(jìn)行進(jìn)風(fēng)口優(yōu)化溫升試驗。驗證結(jié)果為：繞組平均溫升降低0.8K，最高溫升降低7.9K，鐵心溫升降低5.4K。繞組最高溫升降低效果明顯。

2.5電機改造溫升結(jié)果

通過對其各種工況下的溫升分析，現(xiàn)對直驅(qū)電機傳動端和非傳動端端蓋換成了非絕緣端蓋，并進(jìn)行最高轉(zhuǎn)速下的軸承溫升試驗。試驗條件：轉(zhuǎn)速706r/min、滿載、風(fēng)量1.2m3/s、環(huán)溫15.1℃，通過試驗（如表7）可以看出傳送端軸承溫升為43.8K;非傳動端軸承溫升53.1K，可以看出軸承溫度符合要求。

結(jié)語

牽引電機本體通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，為了更接近實際工況，又進(jìn)行了用逆變器供電的牽引電機繞組溫升試驗，該試驗結(jié)果顯示，定子繞組平均溫升由197K降低至179K，定子繞組最高溫升由222K降低至192K，繞組溫升降低明顯。采用上述分析方法可系統(tǒng)、有效解決牽引電機在逆變器供電條件下的繞組溫升偏高問題，提供了一種有效的工程解決方案，具有一定的借鑒性和推廣性。

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