張 景 霞

（國(guó)家電網(wǎng)技術(shù)學(xué)院應(yīng)急培訓(xùn)部，山東 泰安 271000）

前言

隨著我國(guó)高速動(dòng)車組的快速發(fā)展，對(duì)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求越來越高，牽引電機(jī)作為牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力輸出主件，其運(yùn)行品質(zhì)和安全決定了動(dòng)車組的性能和安全。高速動(dòng)車組速度的提升必然帶來牽引功率的增加，直接導(dǎo)致單臺(tái)電機(jī)功率的提升，而受到轉(zhuǎn)向架空間和載重的限制，電機(jī)設(shè)計(jì)的功率密度較高，熱負(fù)荷較大，同時(shí)還要求電機(jī)具備一定的升功率運(yùn)行能力[1-2]，這使得電機(jī)的熱問題成為電機(jī)設(shè)計(jì)必須解決的關(guān)鍵因素之一。

在電機(jī)運(yùn)行時(shí)熱問題的研究方面，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做過大量工作[3-8]，而在牽引電機(jī)特殊運(yùn)行工況和特殊通風(fēng)方式情況下熱問題研究工作較少，德國(guó)的H.Neudorfer針對(duì)不同冷卻結(jié)構(gòu)下軌道車輛牽引電機(jī)的液體冷卻的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析[9]。瑞典皇家工學(xué)院Y.K.Chin學(xué)者采用集總電路方法和有限元方法對(duì)永磁牽引電機(jī)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算分析并將仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[10]。

本文以一臺(tái)高速動(dòng)車組用牽引電機(jī)為例，分析了電機(jī)的運(yùn)行性能和牽引特性曲線，對(duì)額定工況下電機(jī)的溫度分布進(jìn)行了仿真分析，同時(shí)提高電機(jī)的輸出功率，研究功率提升對(duì)電機(jī)溫度分布的影響，并在溫升過高的情況下提出應(yīng)急通風(fēng)策略，降低電機(jī)溫升，提高電機(jī)運(yùn)行的安全性，為牽引電機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供一定的參考。

1 牽引電機(jī)性能的有限元分析

本文分析的牽引電機(jī)額定點(diǎn)的基本數(shù)據(jù)如表1所示，軸向強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子鐵心開有軸向通風(fēng)孔，從一端進(jìn)風(fēng)、另一端端蓋出風(fēng)，定子繞組絕緣采用200級(jí)絕緣材料。

而

表1 牽引電機(jī)的基本數(shù)據(jù)

此時(shí)求解向量場(chǎng)B的問題，轉(zhuǎn)化為一個(gè)求解Az的二維標(biāo)量泊松方程問題，使求解顯著簡(jiǎn)化[11]。

取牽引電機(jī)的一對(duì)極區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，建立電機(jī)的求解域模型如圖1所示，進(jìn)行電磁場(chǎng)分析。

圖1 牽引電機(jī)的求解域模型

圖2為牽引電機(jī)的磁場(chǎng)分布圖，額定狀態(tài)下電機(jī)供電電源頻率為142.3Hz，磁場(chǎng)分布均勻，定轉(zhuǎn)子軛部磁密也較高，材料利用率高，磁密分布如圖3所示。

圖2 牽引電機(jī)的磁場(chǎng)分布

通過電磁場(chǎng)計(jì)算的數(shù)據(jù)和磁路計(jì)算的公式求得牽引電機(jī)額定點(diǎn)性能如表2所示，并與給定值進(jìn)行了比較。從表中可以看出，計(jì)算值與給定值的誤差在3%以內(nèi)，滿足工程實(shí)際的要求。

2 牽引電機(jī)的牽引特性分析

高速動(dòng)車組牽引的運(yùn)行工況可以通過控制模式按照速度參數(shù)和對(duì)應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)功能自動(dòng)轉(zhuǎn)換，牽引電機(jī)的運(yùn)行性能應(yīng)與給定的牽引特性曲線相適應(yīng)。根據(jù)給定的牽引特性曲線，選取不同運(yùn)行工況時(shí)電機(jī)工作特性點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，其特性點(diǎn)的不同輸出值和性能如圖4所示。

圖3 牽引電機(jī)的磁密分布

表2 牽引電機(jī)額定工況性能計(jì)算值與給定值的對(duì)比

起動(dòng)區(qū)域：在起動(dòng)時(shí)刻要求電機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)電流要求在限定值以下。以 4.5Hz為例進(jìn)行起動(dòng)點(diǎn)的性能分析，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為2173.65N·m，定子電流為245.5A，與給定值誤差分別為0.12%和2.15%。低速階段牽引電機(jī)以恒轉(zhuǎn)矩恒磁通方式運(yùn)行，目的是平穩(wěn)快速地到達(dá)低壓恒功點(diǎn)，在這一階段電動(dòng)機(jī)一直以起動(dòng)電流和最大出力方式升速。圖 4中給出的 59.05Hz、89.05Hz為此階段的頻率點(diǎn)性能。

升壓恒功區(qū)域：當(dāng)列車速度升至一定值時(shí)，牽引電機(jī)功率達(dá)到額定值，由于此時(shí)電壓還沒達(dá)到額定值，牽引電機(jī)雖然以恒功率輸出，但輸出轉(zhuǎn)矩仍保持不變，為升壓恒功區(qū)，對(duì)動(dòng)車組來講屬于繼續(xù)以恒功率方式加速。以升壓恒功起始點(diǎn)90.1Hz為例進(jìn)行性能分析，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為 2172.02N·m，定子電流為 256.34A，與給定值誤差分別為1.2%和0.06%。這一階段電機(jī)仍以恒轉(zhuǎn)矩恒磁通方式運(yùn)行。圖4給出的135.1Hz為此階段的頻率點(diǎn)性能。

恒壓恒功區(qū)域：當(dāng)列車速度繼續(xù)上升，牽引電機(jī)的電壓達(dá)到額定值，牽引電機(jī)進(jìn)入恒壓恒功運(yùn)行工況，電機(jī)的額定點(diǎn)選擇在此區(qū)域。以恒壓恒功結(jié)束點(diǎn)192.7Hz為例進(jìn)行性能分析，電機(jī)轉(zhuǎn)矩為1002.76N·m，定子電流為 157.34A，與給定值誤差分別為 0.2%和0.14%，電機(jī)額定運(yùn)行點(diǎn)142.3Hz選擇在此階段。

圖4 牽引電機(jī)不同運(yùn)行特性點(diǎn)的性能

此外，高速動(dòng)車組為沖擊更高速時(shí)還要求牽引電機(jī)的輸出功率繼續(xù)增加，一般還具有升壓升功區(qū)域。

3 額定功率運(yùn)行時(shí)電機(jī)溫度場(chǎng)分布

對(duì)于強(qiáng)迫通風(fēng)的異步牽引電機(jī)，電機(jī)內(nèi)的熱量主要通過通風(fēng)孔內(nèi)的冷卻空氣散掉，鐵心段是溫升較高的區(qū)域，電機(jī)的最高溫度也出現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)，同時(shí)也需要確定受溫升影響最大的繞組絕緣層溫度在極限溫升內(nèi)。從以上的分析可以看出，鐵心段內(nèi)的流體速度基本均勻，在該區(qū)域內(nèi)流體沿軸向(由入風(fēng)口到出風(fēng)口)的散熱量呈遞減趨勢(shì)，也即該區(qū)域內(nèi)溫度沿軸向(由入風(fēng)口到出風(fēng)口)逐漸升高，但由于出風(fēng)口側(cè)的鐵心端面與空氣接觸，增加了散熱面積，靠近出風(fēng)口的鐵心散熱效果得到改善，使得鐵心段內(nèi)呈現(xiàn)兩端溫度低、中間溫度高的趨勢(shì)?？紤]到本電機(jī)通風(fēng)孔內(nèi)流速較大、鐵心段長(zhǎng)度較短的情況，鐵心段正中間的溫度最高，據(jù)此，可將三維傳熱計(jì)算簡(jiǎn)化為二維溫度場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 牽引電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算模型

結(jié)合電磁場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果，確定溫度場(chǎng)計(jì)算模型中的熱源，根據(jù)流體流速確定相關(guān)散熱系數(shù)后，即可進(jìn)行溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算，初始溫度為40℃。

圖6為牽引電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)全域溫度分布圖，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條圓周處溫度最高，達(dá)到204.4℃，溫升164.4℃。

雖然牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)溫度最高，但由于轉(zhuǎn)子材料均為金屬件，耐高溫能力強(qiáng)，熱安全性主要集中在定子側(cè)，特別是定子絕緣的溫升，是電機(jī)安全運(yùn)行的決定因素。

圖6 牽引電機(jī)全域溫度分布

圖7為牽引電機(jī)定子槽的溫度分布，可以看出各槽內(nèi)的溫度分布均勻，定子繞組的溫度高。取單個(gè)定子槽進(jìn)行分析，等溫線分布如圖8（a）所示，此區(qū)域內(nèi)導(dǎo)體的溫度最高，為 162.06℃，溫升 122.06℃。槽內(nèi)絕緣層溫度分布如圖8（b）所示，最高溫度161.09℃，溫升 121.09℃，低于絕緣的極限溫升，絕緣層最大溫差為16.8℃。

圖7 牽引電機(jī)定子槽溫度分布

圖8 牽引電機(jī)定子單槽溫度分布

圖9 定子繞組和絕緣隨功率增加的溫度變化曲線

4 升功率運(yùn)行時(shí)應(yīng)急通風(fēng)策略

為了滿足高速動(dòng)車組運(yùn)行速度具有安全裕量的要求，需要考核超過牽引電機(jī)額定功率工況的溫升以保證列車的安全運(yùn)行，本文分析了電機(jī)分別運(yùn)行在660kW、720kW、780kW和840kW時(shí)的溫度分布，主要對(duì)絕緣、定子繞組和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的最高溫度進(jìn)行分析。

圖9為定子繞組和絕緣層的最高和最低溫度隨電機(jī)輸出功率增加的變化曲線。從圖中可以看出，電機(jī)輸出功率增加到780kW時(shí)絕緣層的溫度超過200℃的絕緣極限溫度限制。

為了降低牽引電機(jī)高功率運(yùn)行時(shí)的溫度，應(yīng)采用通風(fēng)應(yīng)急策略，適當(dāng)增加通風(fēng)風(fēng)量，分析電機(jī)的溫升情況。表3為分別增加5%、10%和25%通風(fēng)量時(shí)電機(jī)在780kW和840kW運(yùn)行時(shí)的定子繞組和絕緣的溫度極值。

表3 應(yīng)急通風(fēng)策略下電機(jī)高功率溫度極值

從表3可以看出，電機(jī)功率提升30%達(dá)到780kW運(yùn)行時(shí)，需要增加通風(fēng)量 10%才能使得絕緣溫度降低到極限溫度以下；電機(jī)功率提升40%達(dá)到840kW運(yùn)行時(shí)，需要增加通風(fēng)量 25%才能使得絕緣溫度降低到極限溫度以下。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)高速動(dòng)車組用牽引電機(jī)額定運(yùn)行工況的電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，并與給定值進(jìn)行比較，驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)牽引特性曲線的各特征點(diǎn)進(jìn)行了性能分析，與給定值相比，誤差在3%以內(nèi)，滿足工程實(shí)際要求?？紤]到牽引電機(jī)需要升功率運(yùn)行的特殊工況，對(duì)電機(jī)高功率運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，并對(duì)高功率運(yùn)行工況的通風(fēng)策略提出應(yīng)急方案，為牽引電機(jī)的熱負(fù)荷設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提出參考意見。

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