電力機車牽引電機溫升偏高的分析與優化

阮國亮

摘 要：機車牽引電機由逆變器供電，牽引系統聯調試驗時，逆變器輸出的電流或電壓中均含有大量的高次諧波，使牽引電機定、轉子電流和高次諧波鐵損增加，從而使牽引電機定子繞組溫升增加。因此，牽引電機在進行逆變器供電溫升試驗時，經常出現繞組溫升偏高問題。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行了分析，提出了一種通過對牽引電機本體通風結構的優化，來實現定子繞組溫升有效控制的方法。

關鍵詞：牽引電機;定子繞組;溫升

引言

HXD1型電力機車在部分機務段投入運用以來，陸續出現6A系統走行部監測子系統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行檢測確認牽引電機各部件狀態良好，庫內頂輪檢測機車各電機軸承狀態良好，齒輪箱潤滑油位正常。本文結合蘭渝線線路數據、機車網絡系統數據、LKJ數據、6A系統走形部監測傳動端軸承溫度、溫升、環境溫度數據，對HXD1型電力機車牽引電機軸承溫升報警原因進行了分析，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主要由網側電路、牽引變壓器、主變流器、牽引電機等組成。在運行過程中，受電弓從接觸網上受流，單相交流高壓電經牽引變壓器降壓后傳入牽引變流器，整流逆變為三相交流電，最終進入牽引電機繞組。其中，牽引電機由大量的繞組線圈組成，是系統中最主要的阻性部件，也是系統工作過程中最大的發熱部件。因此，牽引電傳動系統的溫升試驗需要著重關注其變化。IEC60349-2：2010，GB755—2008，TB/T2519—1995等標準均對牽引電機裝車前和裝車后的溫升測試進行了相應的規定。據此，電力機車整車型式試驗中也相應地規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溫升，確認牽引設備在設計溫升限值內按規定負載周期運行的能力。

2電力機車牽引電機溫升偏高的分析與優化

2.1審核技術設計

審核技術設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，經全面、反復、多次深入分析，找到異常問題與技術設計的相關性，可有效為溫升和靜壓異常問題提供正確的解決方向。（1）電磁結構審核電磁結構審核包含電機總體數據，定、轉子沖片數據，定、轉子槽數據，定子線圈數據和轉子導條數據等。通過對該類數據進行梳理、分析，并比較本牽引電機電磁結構與原型機的差異，判斷電磁結構參數設計是否合理，是否存在由異常電磁結構設計導致的電機嚴重發熱。比如，該牽引電機相對原型機鐵心長度增加了140mm，對軸向通風散熱結構的電機而言，兩端冷卻效果的差異很大。（2）電磁參數審核電磁參數審核包含牽引電機額定電壓、電流、功率因數和效率等性能參數;磁通、磁密和滿載電勢標么值等磁負荷參數;電密、熱負荷和損耗等熱性能參數;電阻、電感和電抗等主電路參數等。通過對該類數據進行分析，并比較本牽引電機電磁參數與原型機的差異，確定哪些參數存在異常，從而影響電機的發熱和散熱。比如，該牽引電機在磁負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

通過對線路狀態的分析發現，蘭渝線下行存在約103km連續長大上坡道，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，且其中大多數坡道坡度為12.8‰，低于10‰的坡道長度6.63km。根據線路坡度情況進行了HXD1型機車牽引能力的計算，在該區間運行時，當牽引噸位超過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，在此困難區間內為維持列車均衡運行速度，機車需一直運行于滿級位牽引，牽引電機處于滿負荷運行狀態，當列車運行速度越低時牽引電機轉速越低，其電流越大，此時牽引電機損耗（主要為銅耗）越大，其發熱量變大，牽引電機、電機軸承的溫度也將持續升高。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，接觸網電壓應在25～26kV之間，被試機車牽引手柄在最高級位，陪試的負載機車處于再生制動并控制試驗列車速度在持續速度v運行下運行，使電機繞組溫度達到穩態。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、環境溫度、測試牽引電機出風口溫度等參數。在牽引電機繞組溫度達到穩態后，實施緊急制動停車，并分主斷路器，切斷接觸網供電，對牽引變流器中間直流環節進行快速放電。向被測牽引電機繞組送入30A左右的直流電流，連續（不少于5min）采集牽引電機繞組的電壓、電流值。溫度達到穩態的判斷原則為：①牽引電機出風口溫度的上升在最后1h內不超過2K;②被試機車持續工況運行達到3.5h以上。另外，為減少被測繞組內部熱量流失，提高測量準確度，并保證試驗安全性，被試機車斷電到開始測量熱態電阻的過程中應注意如下幾點：①在機車放電結束前禁止進行熱態電阻測量;②通過緊急制動按鈕來實現快速停車及斷電降弓，一方面可實現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生勵磁電流，也符合惡劣試驗條件的要求;③機車停穩后電機勵磁完全消除，方可接通直流電源、測量熱態電阻;④應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子孔和堵轉子孔兩種狀態分別進行堵轉子孔溫升試驗。驗證結果為：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。轉子側，導條溫升從104K增加至113K，溫升增加幅度不大，且溫升也較低。（2）進風口優化溫升試驗驗證使用相同的供電電源（正弦波供電）、對采用原進風口結構和優化后的進風口結構的同一臺牽引電機分別進行進風口優化溫升試驗。驗證結果為：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電機改造溫升結果

通過對其各種工況下的溫升分析，現對直驅電機傳動端和非傳動端端蓋換成了非絕緣端蓋，并進行最高轉速下的軸承溫升試驗。試驗條件：轉速706r/min、滿載、風量1.2m3/s、環溫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。

結語

牽引電機本體通風結構優化后，為了更接近實際工況，又進行了用逆變器供電的牽引電機繞組溫升試驗，該試驗結果顯示，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、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。

參考文獻：

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