[发明专利]宽频电源下的异步电动机限流软起动方法

说明书

技术领域

本发明属于内燃机车技术领域，尤其涉及一种宽频电源下的异步 电动机限流软起动方法。

背景技术

在已有技术中，内燃机车冷却风扇的驱动方法有静液压传动、跳 波变频交流传动、变极调速及逆变器变频调速等多种方式。

静液压传动方式是传动系统由柴油机通过两万向轴连接后齿轮 箱，后齿轮箱连接静液压泵，通过液压马达驱动冷却风扇。这种冷却 风扇驱动方法具有机械故障多、系统维修量大、占用空间大、重量高、 效率低、经济性差等缺点，在使用中，温度调节阀发生故障时会引起 柴油机冷却水温(油温)过高故障，影响机车的正常运行，因此传统 的冷却风扇驱动方法已经越来越不适应现代铁路运输的需要。

跳波变频交流传动方式是系统将电源电压部分阻断并重新组合， 产生一个脉动的电流周波和脉动的电磁转矩，尤其是在1/2全速下， 三相电压矢量空间夹角分别60°、150°、150°，电动机在严重不对称 的三相电压下运行，其过载能力和效率降低，性能恶化，并且有局部 (如某一相绕组)过热的危险，因此采用此方案必须提高电动机的容 量和散热能力。另外脉动的电磁转矩将严重影响转子和轴承的使用寿 命。

变极调速方式是通过变换异步电动机绕组极数从而改变同步转 速进行调速。在控制电机极对数发生变化的过程中，三相电源不是连 续的供应给电动机，而是先切断三相电源，等待电动机电枢绕组的反 电势降为零，再通过接触器的切换进行变极控制。如果在切断三相电 源后，立即进行变极控制，输入电压与电动机电枢绕组的反电势将产 生叠加作用而出现很大的电流冲击，甚至高于全转速直接起动时的电 流冲击，严重威胁机械和电气设备的安全。因此要先切断三相电源， 等待电动机反电势降为零，再进行变极控制，在此情况下，当电动机 从1/2全速变到全速时，风扇的转速将首先因失去动力而迅速下降， 变极时，冲击电流也会很大。另外进行变极控制的过程中，需要三个 交流接触器进行切换，如果采用高、低温两个冷却风扇，则需要六个 交流接触器，有触点电器大大增加，不利于系统的可靠性。

逆变器变频调速方式，可实现精确的转速控制，风扇电动机的转 速可根据水温的变化自动调节。电动机起动为软起动，起动电流小， 工作电流随风扇转速的增加逐渐增大，达到额定转速时，工作电流为 额定电流，对电器及机械系统冲击小。但是，逆变器的投入成本高， 对防护等级、散热条件和维护保养的要求很高。在逆变器供电条件下， 三相异步电动机电压为非正弦波，其中含有的高次谐波会使电机产生 附加的铜耗、铁耗以及杂散损耗。谐波还会引起电机转矩脉动，噪音 增加。在高频开关频率下运行时，转子中会产生明显的集肤效应。附 加损耗和集肤效应使电机稳定运行时的温升显著增加。另外普通的二 电平和三电平PWM电压源型逆变器由于输出电压跳变台阶较大，相电 压的跳变达到直流母线电压的一半，会产生较大的dv/dt。较大的 dv/dt会影响电机的绝缘。所以对这种电动机的要求较高，电动机的 成本也很高。

内燃机车的冷却风扇属于风机型负载，负载转矩的大小与转速N 的平方成正比，T_L＝kn²，式中k为比例常数，风机的转矩特性曲线 如图1所示。驱动风扇的异步电动机的机械特性曲线如附图2所示。 通过将异步电动机的机械特性曲线和风机的转矩特性曲线进行对比， 可以看出在供电频率不变，调节供电电压从零逐渐升到最大值过程 中，电动机的电磁转矩与其绕组所加电压的平方成正比，电动机的电 磁转矩也逐渐增大，机械特性由软变硬，这正好适应风机转矩过零点 的特性。但是，已有技术的三相全控整流、调压的触发脉冲由相位控 制专用芯片如(TC787DS)产生，由于采用时间比例积分的方式产生 驱动脉冲信号，已有技术的晶闸管软起动装置仅适应50Hz或60Hz定 频电源，只允许电源频率在小范围内变化，由于内燃机车的交流发电 机发电频率随柴油机转速变化而变化，一般柴油机转速变化范围为 400r/mim～1000r/mim，交流发电机的发电频率为40％～100％的额定 频率。在40％～100％的额定频率变化的电源供电条件下，这种控制方 式无法适应在变频变压供电条件下的内燃机车冷却风扇电机软起动 的要求。

发明内容

本发明的目的就是克服上述现有技术之不足，提供一种结构简 单、体积小、重量轻、维护方便、性能优良、可靠性高、经济性好的 宽频电源下的异步电动机限流软起动方法。