牵引电机温升试验方法及改善措施

万 艳，徐银飞，付小龙，陈 娟，文秧林

牵引电机温升试验方法及改善措施

万 艳1，徐银飞2，付小龙3，陈 娟4，文秧林4

（1. 中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲 412001；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；3. 株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412000；4. 大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室，湖南株洲 412001)

根据标准IEC60349及IEC61377的要求进行牵引电机温升试验，针对牵引电机温升值不符合要求问题，本文提出通过采用固定逆变器输入侧的直流电压，增加牵引电机的输入电压增加调制深度的措施改善牵引电机的温升。试验结果表明增加调制深度，能够降低牵引电机温升，使得牵引电机的温升符合要求。

牵引电机 温升试验 调制深度

0 引言

牵引电机在铁路干线电力机车、铁路内燃机车、以及各种城市轨道交通车辆上广泛应用。牵引电机需长期连续运行，若牵引电机发热或温度过高，必然会导致牵引电机上的非金属材料尤其是绝缘系统加速老化，降低绝缘性能，甚至损坏，从而引发电机烧毁或轴承卡死等安全事故。牵引电机温升试验主要是通过检测牵引电机额定运行时的绕组温升，以判定牵引电机在额定工况运行时各部分的发热情况。

当牵引电机的温升较高时，则需要通过优化牵引电机的控制策略降低电机的温升。本文主要从增加调制深度，即改变逆变器输入侧的直流电压和牵引电机的输入电压的比值来优化电机的温升。

1 牵引电机温升试验方法

根据标准IEC60349及IEC61377的要求进行牵引电机温升试验，控制牵引电机的逆变器为实际装车用的逆变器。首先，牵引电机在常温下静置24 h以上，测量的冷态电阻值1，并记录测量时刻的环境温度1。

然后进行热试验，牵引电机在额定电压、额定转速、额定负载下进行热试验。热试验应达到热稳定状态，即牵引电机的铁芯温度1小时内的变化不超过2 K；同时，每15 min记录试验最后1小时的牵引电机的冷却风温，取其平均值记为2。结束后停止电机供电的同时关断牵引电机的冷却系统。在断电的240 s内获取第1个热态电阻值，然后每隔10 s记录一次，连续测试5 min；最后通过外推法得到断电时刻牵引绕组的热态电阻值2。

根据以下公式计算牵引电机绕组的平均温升。

2 牵引电机的控制分析

牵引电机的控制由逆变器实现，目前对于功率开关器件一系列导通、关断的PWM控制是逆变器调制最为应用广泛的技术，其基本原理就是利用三角载波和调制波的交点作为驱动功率器件的开关信号。下图中，U()为逆变器输出电压的正弦控制波（调制波）；红色的波形为三角载波，绿色的波形则为逆变器输出的PWM波即牵引电机的输入波形。

图1 牵引电机控制信号的pwm调制过程

由图1中波形可以看出，在一个正弦调制周期里，三角载波可以看作有2N个区间，在1、3、5……2N-1区间其斜率是负值，在2、4、6……2N区间其斜率是正值。

设∈(1,2,......2N)，取=1，=1，进行归一化处理：根据上述波形特点可得到第段区间：

在i段区间内，三角载波的斜率为：

在第m段区间中点三角波所在的直线过横轴。

可以得到三角波在第i段区间内的直线方程：

可得到逆变器开关控制角的数学模型：设t为三角波与正弦波在第m段区间内的交点，则t满足下式

式中

利用傅里叶级数理论，可得到图1中逆变器输出电压波形的傅立叶系数，即基波与各次谐波的幅值Un的计算公式

由此推得逆变器输出电压的频谱是由频率调制比和调制深度来确定的。

频率调制比一定时，调制深度逐渐增大使得基波成分有增大趋势，谐波含量减少。

通过上述分析可知，在不引起电机磁通饱和的允许范围内，可通过增大逆变器调制深度的方法，降低谐波电压和电机负载谐波电流，从而改善牵引电机的运行温升，将该控制策略用于装车用的逆变器，则车辆实际运行过程中的温升也能够降低。

3 不同调制深度温升试验结果分析对比

采用三分频（频率调制比）控制牵引电机，逆变器输入侧的直流电压U固定不变，试验过程中通过更改牵引电机的输入电压（逆变器的输出电压），从而更改调制深度，进行不同调制深度下的温升试验，所有温升试验冷却风风量均相同。

表1为调制深度为0.70，牵引电机的电参数试验数据，对应的温升试验数据如表2所示。

表1 输入电压2400 V参数试验数据

表2 三分频控制牵引电机输入电压2400 V温升试验数据

采用外推法推算断电瞬间的热态电阻值的拟合曲线如图2所示。

图2 外推法推算断电瞬间的热态电阻值的拟合曲线

表3 输入电压2450 V电参数试验数据

表3所示为调制深度为0.71，牵引电机的电参数试验数据，对应的温升试验数据如表4所示。

表4 三分频控制牵引电机输入电压2450 V温升试验数据

采用外推法推算断电瞬间的热态电阻值的拟合曲线如图3所示。

图3 外推法推算断电瞬间的热态电阻值的拟合曲线

表5为调制深度为0.73，牵引电机的电参数试验数据，对应的温升试验数据如表6所示。

表5 输入电压2500 V电参数试验数据

表6 三分频控制牵引电机输入电压2500V温升试验数据

采用外推法推算断电瞬间的热态电阻值的拟合曲线如图4所示。

图4 外推法推算断电瞬间的热态电阻值的拟合曲线

如表7所示为调制深度为0.74，牵引电机的电参数试验数据，对应的温升试验数据如表8所示。

表7 输入电压2550 V电参数试验数据

表8 三分频控制牵引电机输入电压2550 V温升试验数据

采用外推法推算断电瞬间的热态电阻值的拟合曲线如图5所示。

图5 外推法推算断电瞬间的热态电阻值的拟合曲线

表9 牵引电机绕组平均温升

综合上述试验结果，在逆变器输入侧的直流电压为3460 V时不同调制深度（牵引电机输入电压）对应的牵引电机绕组平均温升如表9和图6所示。随着调制深度的增加，牵引电机的绕组平均温升下降。

图6 牵引电机绕组平均温升

4 结束语

按照标准IEC60349及IEC61377的要求进行牵引电机温升试验，本文提出固定变流器输入侧的直流电压，通过增加牵引电机输入电压增加调制深度优化牵引电机控制的措施，该控制措施用于装车用逆变器，使得牵引电机在实际运行过程中的温升由大于180 K将降至180 K以下，从而符合要求。

[1] 谭新元. 牵引逆变器SHEPWM控制技术的研究[J]. 中国电机工程学报, 2001, 21(09).

[2] 佟为明. PWM逆变器特定消谐式谐波抑制技术的研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学工学, 1999.

[3] 何玉辉. 电力机车交流牵引变流器控制[D]. 武汉: 华中科技大学, 2012.

Test and Improvement Method for Traction Motor Temperature Rise

Wan Yan1, Xu Yinfei2, Fu Xiaolong3, Chen Juan4, Wen Yanglin4

(1.CRRC Zhuzhou Locomotive Co, Ltd , Zhuzhou 412001, Hunan, China;2.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 3.Zhuzhou CRRC Times Elertric Co., Ltd, ZhuZhou, 412000, Hunan, China; 4. States Key Laboratory of Heavy Duty AC Drive Electric Locomotive Systems integration, Zhuzhou 412001, Hunan, China)

U262.4

A

1003-4862（2021）10-0055-04

2021-03-03

万艳（1986-），女，工程师。研究方向：轨道车辆测试。E-mail: 010200003519@crrcgc.cc