CN103269188B - 机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法，包括如下步骤：计算电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R；根据电压平衡方程式计算对应的M值；令M＝u*I，根据电动机的空载特性曲线，查取Ia对应的等效电流I1，计算I1对应的u值；根据机车电流分配k％，计算ΔI＝k％*Ia，计算等效电流I2＝Ia-ΔI；利用M＝u*I计算I2对应的M’值；根据电压平衡方程式，计算I2对应的电动机转速n’；计算n’与n之间的差值Δn＝|n-n’|，判断转速差Δn与机车电流分配k％之间的数量关系。本发明不需要进行繁琐、复杂的计算，也不需要利用计算机编程进行数据处理，通过简单的算术运算即可简便、快捷地得到机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配的定量关系。

Description

机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法

技术领域

本发明涉及机车牵引电动机技术领域，尤其是涉及一种机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法。

背景技术

直流或脉流牵引铁路机车在总装配完成后，为了检查铁路机车牵引电动机组的电流分配情况(即机车牵引电动机组中各个牵引电动机之间最大电流与最小电流的电流偏差，这些牵引电动机通常是串励电动机)，铁路机车通常需要进行厂内试运行，合格后，还需要进行铁路正线试运行，合格后才能将机车交用户使用。而同一台铁路机车上通常安装有6台或4台直流或脉流牵引电动机(以下简称电动机)，这些电动机需要根据出厂试验过程中得到的额定速率(通常是电动机在满磁场、额定电流和额定电压条件下运行时的转速)进行匹配，以便保证铁路机车各牵引电动机之间的电流分配(或称各牵引电动机之间的电流差异)符合规定的要求，一般而言，机车牵引电动机组的电流分配(以k％计，k≥0)要求不大于8％或10％(视工况而定)。机车牵引电动机组的电流分配与很多因素有关，包括机车上所安装的各个电动机之间的转速偏差、仪器仪表、分流器电缆长度、轮径大小等。为了确定机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配之间的关系，必须确定某一电流时电动机的转速。但在现有技术中，电动机的转速需要根据电动机的设计参数进行电磁计算，该判断方法首先需要计算某一电流下的磁通量，再根据电压平衡方程式计算电动机的转速。然后，根据机车电流分配要求，当电流变化k％后，再按照前述方法计算该变化后电流所对应的转速，从而得到两转速之间的差值，该差值与电流变化量k％之间的关系即可认为是机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配之间的数量关系。例如，对于串励直流电动机而言，电压平衡方程式为：

$n=\frac{U-\mathrm{Ia\ΣR}}{M},$ 公式中的M＝Ceφ， $\mathrm{Ce}=\frac{\mathrm{pN}}{60b},$

式中，n为电动机转速(单位为r/min)，U为电动机端电压(单位为V)，Ia为电枢电流(单位为A)，∑R为电枢回路总电阻(主极绕组电阻、换向极绕组电阻、电枢绕组电阻、补偿绕组等，单位为Ω)，φ为每极磁通量(单位为Wb)，Ce为电机常数，p为电机的磁极对数，N电枢绕组的有效导体数，b为电枢绕组的并联支路数。但是，按照这个公式计算非常麻烦，因为该判断方法需要使用到电动机的很多设计参数，其磁通量的计算非常烦琐复杂，通常需要利用计算机编程进行数据处理；并且在一般情况下，非电动机设计人员不知道电动机的设计参数φ和Ce是多大，更不知道如何进行计算、判断。

实际上，同台机车电动机之间的转速仅相差几转，影响微乎其微，由于无法彻底了解电动机组的转速偏差与电流分配之间的数量关系，导致在解决相关问题的时候，一旦出现有电流分配问题就怪罪于电动机的转速差异。虽然更换电动机可能解决电流分配问题，但转速差异只是影响电流分配的其中一个原因，主要原因并不一定是电动机转速差异造成的，从而就会出现判断偏颇或找不到问题的真正原因，这是不可想象的。因此，寻求一种判断机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配之间关系的简便、快捷的判断方法就很有必要了。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术存在的问题，提供一种在机车牵引电动机的其它条件完全相同的条件下，可以简便、快捷地计算出机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系之间的数量关系，为判断机车电流分配问题提供分析依据。

本发明要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法，主要包括如下步骤：

S1，计算电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R；

S2，根据电动机满磁场运行时额定工作点的电流Ia、电压U、电枢回路总电阻∑R和电动机转速n，利用电压平衡方程式计算对应的M值；其中，所述的电压平衡方程式是：

$n=\frac{U-\mathrm{Ia\ΣR}}{M},$

S3，令M＝u*I，其中，u为常数，*表示相乘，根据电动机的空载特性曲线，查取Ia对应的等效电流I1，计算出I1条件下对应的u值；

S4，根据机车电流分配k％要求，计算电流变化量ΔI＝k％*Ia，其中，*表示相乘；并计算出电流变化后的等效电流I2值，其中I2＝Ia-ΔI；

S5，根据电动机的空载特性曲线，利用公式M＝u*I计算出等效电流I2条件下所对应的M’值；

S6，根据S2中所述的电压平衡方程式，计算等效电流I2条件下所对应的电动机转速n’；

S7，计算电动机转速n’与n之间的差值Δn，以绝对值表示，Δn＝|n-n’|，判断电动机转速差Δn与机车电流分配k％之间的数量关系。

在上述的S1中，将电动机冷态时测得的主极绕组电阻、换向极绕组电阻和电枢绕组电阻换算到基准工作温度时的电阻值，即为电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R。其中，绝缘等级为H级的电动机的基准工作温度为130℃，换算后所得的对应电阻值即为电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R。

进一步地，在上述的S2中，根据电动机满磁场运行时额定工作点的正转转速和反转转速，计算电动机转速的算术平均值，作为计算用的电动机转速n。

上述的电动机的空载特性曲线是通过如下方法得到的：电动机以空载运行，励磁绕组为他励方式，保持电动机转速为额定转速，逐步增加电动机的励磁电流，直到励磁电流达到电机最大工作电流时为止，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系，在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出上升曲线；然后逐步减小励磁电流到零，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出下降曲线；最后，以同一励磁电流值为基准，分别在上升曲线和下降曲线上测取对应的电枢电压值，取该两个电枢电压值的算术平均值作为该同一励磁电流所对应的电枢电压值；按照同一方法，获取若干个同一励磁电流所对应的电枢电压值的算术平均值后，根据对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中得到若干个点，将这若干个点用平滑线依次连接，得到该型电动机的空载特性曲线。

进一步地，所述的电动机的空载特性曲线还可以是通过如下方法得到的：电动机以空载运行，励磁绕组为他励方式，保持电动机转速为额定转速，逐步增加电动机的励磁电流，直到励磁电流达到电机最大工作电流时为止，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系，在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出上升曲线；然后逐步减小励磁电流到零，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出下降曲线；最后，以同一电枢电压值为基准，分别在上升曲线和下降曲线上测取对应的励磁电流值，取该两个励磁电流值的算术平均值作为该同一电枢电压值所对应的励磁电流值；按照同一方法，获取若干个同一电枢电压值所对应的励磁电流值的算术平均值后，根据对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中得到若干个点，将这若干个点用平滑线依次连接，得到该型电动机的空载特性曲线。

优选地，在上述电动机的空载特性曲线的测取过程中，根据对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中测取9-11个点，将这9-11个点用平滑线依次连接，得到该型电动机的空载特性曲线。

本发明的判断方法还可以是，在上述的S4中，利用电动机的空载特性曲线计算等效电流I2值，其中I2＝Ia+ΔI，其他计算同I2＝Ia-ΔI。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：不需要进行繁琐、复杂的磁通量的计算，也不需要利用计算机编程进行数据处理，更不需要使用到电动机的很多设计参数，即使非电动机设计人员不知道电动机的具体设计参数，也能根据本发明提供的判断方法，通过简单的算术运算即可简便、快捷地得到机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配的定量关系，提高了计算效率，节省了分析机车电流分配问题的判断时间。

附图说明

图1为机车牵引电动机的空载特性曲线(磁通量与励磁电流之间关系)。

图2为机车牵引电动机的空载特性曲线(电枢电压与励磁电流之间关系)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法，具体包括如下步骤：

首先，计算电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R。将电动机冷态时测得的主极绕组电阻、换向极绕组电阻和电枢绕组电阻换算到基准工作温度时的电阻值，该电阻值即为电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R。在本实施例中，绝缘等级为H级的电动机的基准工作温度为130℃，这时需要将电动机冷态时测得的主极绕组电阻、换向极绕组电阻和电枢绕组电阻换算到130℃时的电阻值，换算后所得的对应电阻值即为电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R。

其次，计算电动机基准工作温度时的M值。由于机车牵引电动机通常是串励直流电动机，对于串励直流电动机而言，可以根据电动机满磁场运行时额定工作点的电流Ia、电压U、电枢回路总电阻∑R和电动机转速n，利用如下电压平衡方程式计算对应的M值；该电压平衡方程式是：

$n=\frac{U-\mathrm{Ia\ΣR}}{M},$

在上式中，n为电动机满磁场运行时额定工作点的转速，其单位为转/分，通常是采用电动机的典型速率进行取值计算，U为电动机端电压，其单位为V，Ia为电枢电流，其单位为A，∑R为电枢回路总电阻，其单位为Ω，具体包括主极绕组电阻、换向极绕组电阻、电枢绕组电阻、补偿绕组电阻等。将所述的具体取值代入电压平衡方程式中，即可计算出相应的M值。

在现有技术中，上述电压平衡方程式中的M＝Ceφ，

上式中，φ为每极磁通量，其单位为Wb，Ce为电动机常数，p为电动机的磁极对数，N为电枢绕组的有效导体数，b为电枢绕组的并联支路数。由此可知，M与φ是成正比例线性关系的。

由于磁通量φ的大小与励磁电流I的大小有关，但两者之间的关系为非线性关系，如图1所示。电动机的空载特性曲线就是电动机的励磁电流I与磁通量φ之间的关系曲线，但在电动机试验时，通常是以电动机的电枢电压U与励磁电流I之间的关系来反映磁通量φ与励磁电流I之间的关系，如图2所示。其中，电动机的空载特性曲线是通过如下方法得到的：电动机以空载运行，励磁绕组为他励方式，保持电动机转速为额定转速，逐步增加电动机的励磁电流，直到励磁电流达到电机最大工作电流时为止，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系，在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出上升曲线；然后逐步减小励磁电流到零，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出下降曲线；最后，以同一励磁电流值为基准，分别在上升曲线和下降曲线上测取对应的电枢电压值，取该两个电枢电压值的算术平均值作为该同一励磁电流所对应的电枢电压值；按照同一方法，获取若干个同一励磁电流所对应的电枢电压值的算术平均值后，根据对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中得到若干个点，将这若干个点用平滑线依次连接，即可得到该型电动机的空载特性曲线。为了计算的精确度更高，计算的最终结果更加可靠，可以在电动机的空载特性曲线的测取过程中，根据对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中测取尽量多的点数，通常是取9-11个点，将这9-11个点用平滑线依次连接，得到该型电动机的空载特性曲线。

从电动机的空载特性曲线上可以看到，磁化曲线与气隙线并非是完全重合的，而且，磁通量φ的大小与励磁电流I的大小有关，但两者之间的关系为非线性关系。根据机车电流分配k％要求，电流变化量ΔI为k％*Ia，Ia为电枢电流，磁通量φ与励磁电流I的非线性关系可以处理为线性关系，基于此，可以通过电动机的空载特性曲线中的工作电流为I时所对应的磁化曲线上的A点，经过A点作出平行于励磁电流轴线的水平线，使之与气隙线交于B点，从而将磁通量φ与励磁电流I之间的非线性关系转化为了线性关系。A点对应的工作电流I为额定工作点的电流Ia时，该B点所对应的励磁电流值即为电流Ia对应的等效电流I1，当电流I变为Ia-ΔI或Ia+ΔI时，可采用相同的方法查得对应的等效电流I2。

前面已经指出，M＝Ceφ，其中，Ce为常数，磁通量φ的大小与励磁电流I的大小线性相关，据此，可以根据电动机的空载特性曲线，令M＝u*I，其中，u为常数，*表示相乘，利用本公式计算出电流Ia所对应的等效电流I1条件下的u值。确定u值后，再根据机车电流分配k％要求，计算电流变化量ΔI＝k％*Ia，其中，*表示相乘；再利用电动机的空载特性曲线的线性关系，计算出等效电流I2值，其中I2＝Ia-ΔI；同理，利用公式M＝u*I计算出等效电流I2条件下所对应的M’值；再根据电压平衡方程式，计算出等效电流I2条件下所对应的电动机转速n’；最后，计算电动机转速n’与n之间的差值Δn，以绝对值表示，Δn＝|n-n’|，从而得到电动机转速差Δn与机车电流分配k％之间的数量关系。

作为另外一种具体实施方式，区别在于电动机转速n的计算方法不同，具体而言，根据电动机满磁场运行时额定工作点的正转转速和反转转速，计算电动机转速的算术平均值，作为计算用的电动机转速n。其他计算方法同上。

本发明所述的电动机的空载特性曲线也可以是通过如下方法得到：电动机以空载运行，励磁绕组为他励方式，保持电动机转速为额定转速，逐步增加电动机的励磁电流，直到励磁电流达到电机最大工作电流时时为止，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系，在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出上升曲线；然后逐步减小励磁电流到零，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出下降曲线；最后，以同一电枢电压值为基准，分别在上升曲线和下降曲线上测取对应的励磁电流值，取该两个励磁电流值的算术平均值作为该同一电枢电压值所对应的励磁电流值；按照同一方法，获取若干个同一电枢电压值所对应的励磁电流值的算术平均值后，根据对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中得到若干个点，将这若干个点用平滑线依次连接，得到该型电动机的空载特性曲线。其他计算方法同上。

由于一般情况下，机车牵引电动机组的电流分配(以k％计，k≥0)要求不大于8％或10％，因此，作为另外一种具体实施方式，也可以利用电动机的空载特性曲线计算等效电流I2值，其中I2＝Ia+ΔI。其他计算方法同上。

综上所述，本发明提供的判断方法不需要进行繁琐、复杂的磁通量φ的计算，也不需要利用计算机编程进行数据处理，更不需要使用到电动机的很多设计参数，例如电动机磁极对数p、电枢绕组的有效导体数N、电枢绕组的并联支路数b，因此，避免了利用公式计算电动机常数Ce，此法对于非电动机设计人员而言，即使不知道电动机的具体设计参数，也可利用电动机的空载特性曲线及相应的理论知识，将磁通量φ与励磁电流I的非线性关系处理为线性关系，通过简单的算术运算即可简便，快捷地得到机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配的定量关系，提高了计算效率，节省了分析机车电流分配问题的判断时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，应当指出的是，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法，其特征在于：所述的判断方法主要包括如下步骤：

S1，计算电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R；

S2，根据电动机满磁场运行时额定工作点的电流Ia、电压U、电枢回路总电阻∑R和电动机转速n，利用电压平衡方程式计算对应的M值；其中，所述的电压平衡方程式是：

$n=\frac{U-\mathrm{Ia\ΣR}}{M};$

S3，令M＝u*I，其中，u为常数，*表示相乘，根据电动机的空载特性曲线，查取Ia对应的等效电流I1，计算出I1条件下对应的u值；

S4，根据机车电流分配k％要求，计算电流变化量△I＝k％*Ia，其中，*表示相乘；并计算出电流变化后的等效电流I2值，其中I2＝Ia-△I；

S5，根据电动机的空载特性曲线，利用公式M＝u*I计算出等效电流I2条件下所对应的M’值；

S6，根据S2中所述的电压平衡方程式，计算等效电流I2条件下所对应的电动机转速n’；

S7，计算电动机转速n’与n之间的差值△n，以绝对值表示，△n＝∣n-n’∣，判断电动机转速差△n与机车电流分配k％之间的数量关系；

其中，所述的电动机的空载特性曲线通过如下方法得到：电动机以空载运行，励磁绕组为他励方式，保持电动机转速为额定转速，逐步增加电动机的励磁电流，直到励磁电流达到电机最大工作电流时为止，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系，在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出上升曲线；然后逐步减小励磁电流到零，根据励磁电流与电枢电压的数值对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中作出下降曲线；最后，以同一励磁电流值为基准，分别在上升曲线和下降曲线上测取对应的电枢电压值，取该两个电枢电压值的算术平均值作为该同一励磁电流所对应的电枢电压值；按照同一方法，获取若干个同一励磁电流所对应的电枢电压值的算术平均值后，根据对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中得到若干个点，将这若干个点用平滑线依次连接，得到该型电动机的空载特性曲线。

2.根据权利要求1所述的机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法，其特征在于：所述的S1中，将电动机冷态时测得的主极绕组电阻、换向极绕组电阻和电枢绕组电阻换算到基准工作温度时的电阻值，即为电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R。

3.根据权利要求2所述的机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法，其特征在于：所述的S1中，将电动机冷态时测得的主极绕组电阻、换向极绕组电阻和电枢绕组电阻换算到基准工作温度时的电阻值，其中，绝缘等级为H级的电动机的基准工作温度为130℃，换算后所得的对应电阻值即为电动机基准工作温度时的电枢回路总电阻∑R。

4.根据权利要求1所述的机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法，其特征在于：所述的S2中，根据电动机满磁场运行时额定工作点的正转转速和反转转速，计算电动机转速的算术平均值，作为计算用的电动机转速n。

5.根据权利要求1所述的机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法，其特征在于：在电动机的空载特性曲线的测取过程中，根据对应关系在电枢电压-励磁电流二维坐标系中测取9-11个点，将这9-11个点用平滑线依次连接，得到该型电动机的空载特性曲线。

6.根据权利要求1所述的机车牵引电动机组的转速偏差与电流分配关系的判断方法，其特征在于：所述的S4中，利用电动机的空载特性曲线计算等效电流I2值，其中I2＝Ia+△I。