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编辑：葫芦岛矿用变压器厂家 日期：2019-01-11 人气：475
铁路牵引用葫芦岛矿用变压器的发展 核心提示： 我国铁路传动技术的发展，经历了由同步牵引到牵引，从22kW小功率到1224kW大功率，从模拟试验到传动机车问世这样一个不断探索的过程，整整两代人为之付出了艰苦的努力如今，我们基本上掌握我国铁路传动技术的发展，经历了由同步牵引到牵引，从22kW小功率到1224kW大功率，从模拟试验到传动机车问世这样一个不断探索的过程，整整两代人为之付出了艰苦的努力如今，我们基本上掌握了中大功率牵引[cityn矿用变压器ame]矿用变压器设计、制造、试验的一整套技术，终于拥有了具有自主知识产权的传动的、内燃机车这是我们应当引以为荣的。
本文就以牵引葫芦岛矿用变压器的研制为线索回首我国铁路传动技术的发展历程，并对牵引葫芦岛矿用变压器的现状及今后的发展方向、研究重点作详细阐述1发展历程我国铁路传动技术的研究开展得比较早。早在1972年株洲机车研究所就利用自身的优势，进行过电流源的10kW同步葫芦岛矿用变压器的模拟系统的研究试验表明：电流源的同步葫芦岛矿用变压器的电路比较简单，在1/3电网频率以下，可利用电源电压过零关断相应的晶闸管，实现换相；而超过1/3电网频率时利用反电势实现换柜而后又在模拟试验的基础上进一步设计研制过1 kW电流源的同步牵引葫芦岛矿用变压器系统，轴功率试验达到450kW但研究表明，同步牵引葫芦岛矿用变压器输出转矩脉动较大，不宜作牵引葫芦岛矿用变压器用。因此，我们开始进行电压源的10kW葫芦岛矿用变压器的模拟系统的研究，并设计了1台带有多个测量线圈的22kW试验葫芦岛矿用变压器利用该葫芦岛矿用变压器作牵引葫芦岛矿用变压器的牵引特性和制动特性的试验，从而导入了牵引葫芦岛矿用变压器早期设计理论的研究1984年开展YQD300牵引葫芦岛矿用变压器的300kW中功率交直交系统的研究1985年铁道部科学研究院等兄弟院校完成了100kW等级的交直交系统的试验研究株洲机车研究所在部领导支持下于1988年开始研制1000kW传动系统，1995年完成了JD103牵引葫芦岛矿用变压器1 025kW的综合试验，并装于我国首台AC4000传动机车上铁道部科教司1996年下达“专用铜合金及200级耐电晕绝缘结构”课题以后，牵引葫芦岛矿用变压器的研究工作在城轨、矿山、内燃和机车上取得了丰硕成果，尤其是2000年通过国家验收的200km/h的动力分散葫芦岛矿用变压器组用的JD106葫芦岛矿用变压器，它集中了产学研的进水平。
研究成果该葫芦岛矿用变压器经过日本三菱和株洲机车研迄今为止，我国铁路自行研制的牵引葫芦岛矿用变压器究所两次综合试验，证明其综合水平已经达到世界先已有21种之多。其中主要的几种如表1所示表1几种主要的牵引葫芦岛矿用变压器参数表电机型号最大功率/kW额定功率/kW启动转矩最高转速最高电压/V绝缘等级质量/kg应用试验台预研究内燃机车AC4000原型车空心轴传动动力车万向节传动动力车2我国铁路牵引葫芦岛矿用变压器的研究现状经过近30年的研究，目前我国铁路在牵引葫芦岛矿用变压器软件、新材料、新工艺等方面，已初步具有工程实用技术水平2.1软件方面21.1有限元计算*采用“AMFEM二维电磁场有限元计算软件”进行网格剖分，计算基波正弦情况下葫芦岛矿用变压器内的电磁场，求得定、转子的槽漏抗XS和XS2，激磁电抗Xm采用有限元法计算重要零部件的应力。用有限元和等值电路法相结合的方法精确分析矩形波PWM电压对葫芦岛矿用变压器电磁场、谐波转矩的影响和热应力，解决了单独用有限元法或单独用等值电路法难以解决的问题为了产品的先进性与继承性，目前采用经过产品考验与行电机设计21.2用设计软件优化牵引葫芦岛矿用变压器参数*我们开发的优化设计软件的特点为优化设计算法采用了非线性规划的标准形式其中约束问题的算法采用了罚函数法；无约束问题的解法有模式搜索法共轭方向法、共轭梯度法及DEP法；一维算法有0.618法和多项式逼近法在牵引葫芦岛矿用变压器设计中选择恒功进入点的频率作为优化设计的基点。设计变量X=定子内径di1每槽导体数Z1定子线规aKb转子槽宽转子槽高以葫芦岛矿用变压器牵引特性、葫芦岛矿用变压器质量、葫芦岛矿用变压器启动电流、效率Z功率因数cosh最高恒功转速转差S最大外形尺寸注：*一一北方交通大学与株洲机车研究所研制报告摘录作为设计约束条件。
软件按模块方式处理输入数据通过磁路计算、参数计算、性能计算、优化计算4个模块按约束条件进行循环输出分表格模块和曲线模块两种方式或任选程序接口。本软件有任意选定变量接口的功能，并具有自动检查自变量是否出界的功能，这些都由优化设计接口的子程序完成目标函数与约束函数目标函数与约束函数的选项有：①生产成本、运行费用、材料用量和体积等；②电机5项性能指标；③电密、磁密、热负荷等参数；④铁心长度等几何参数。由此生成目标函数值f和约束值g，采用子程序bj（。f，g）进行分析。
21.3电机启动过程的计算机仿真*用Saber软件研究JD106牵引葫芦岛矿用变压器，对GTO和IGBT逆变器电机系统的启动过程进行计算机仿真，得到了在电机与逆变器之间不串或串电抗器的电机启动峰值电流根据JD106牵引葫芦岛矿用变压器设计数据，对GTO逆变器的电机来讲，启动时的电机线电压应为115.9V，因此，正弦调制波的调制深度为电机侧不串电抗器，最大峰值电流为335A，开关频率的电流峰峰值为55A；电机侧串0.895mH电抗器，最大峰值电流为323.3A，开关频率的电流峰峰值为44.电机侧串1.79mH电抗器，最大峰值电流为312.3A，开关频率的电流峰峰值为37A；电机侧串2.685mH电抗器，最大峰值电流为302.2A，开关频率的电流峰峰值为31A仿真计算表明：采用高开关频率为75th HzIGBT三点式电路电压上升率为2y制电路，可取消电机侧电抗器并降低最大峰值电流21.4不断完善牵引葫芦岛矿用变压器设计程序从1972年的第1台模拟葫芦岛矿用变压器开始，在带有多个测量线圈的22kW试验葫芦岛矿用变压器上，反复推敲论证葫芦岛矿用变压器的关键公式，形成了最初的设计程序。它与交直机车劈相机系统的葫芦岛矿用变压器设计程序相比有以下特点：（1）启动阶段的功率因数很高；（2）启动阶段的频率低；（3）电量间的相位差不能简化计算；（4）必须精确计算转子输入的电功率；（5）必须考虑高次谐波对葫芦岛矿用变压器性能的影响等等我们研究出ZPM100系列传动系统测试仪以后，对葫芦岛矿用变压器的谐波已能精确测量。因此我们分别按三个阶段对高次谐波进行精确计算，并用一个设计平台来解决牵引葫芦岛矿用变压器的设计，使程序逐一得到论证与完善。目前牵引葫芦岛矿用变压器的设计已经不是用单一的程序，而是用群组的方法，并按系统要求用数学模型进行模块化设计运用这种方式达到了理想效果，比如“先锋”号动车上的电机，按我们的设计程序得出的设计结果与实际测量结果误差不超过3%. 2电机损耗与逆变器输出的电压波形间的关系通过多次对牵引葫芦岛矿用变压器进行综合试验，并将试验结果用PWM测试仪进行谐波分析，得出如下结论：从牵引葫芦岛矿用变压器损耗角度分析，希望逆变器PWM控制的开关频率提高，在相同的谐波电压THD%值下，流过葫芦岛矿用变压器绕组的谐波电流相应减小，从而使定、转子尤其是转子的铜耗减小。这样，或者可以使葫芦岛矿用变压器功率加大，或者可以使葫芦岛矿用变压器体积减小。
逆变器输出的电压波形用“品”字形波代替矩形波，可消除三次谐波。频率越高谐波损耗越小。从葫芦岛矿用变压器角度讲采用六极葫芦岛矿用变压器比四极葫芦岛矿用变压器更为合理逆变器输出的频率、电压电流与葫芦岛矿用变压器的频率、转速、转矩、电压和电流密切相关。逆变器的开关频率在两者之间只是一个隐函数，是一个非常关键的参数，它决定了逆变器输出的电压的谐波分量和THD%值。开关频率高可抑制葫芦岛矿用变压器的谐波电流，降低葫芦岛矿用变压器损耗对逆变器来讲，开关频率高的元件损耗增加，但采用IGBTIPM元件以后，逆变器的冷却与开关频率的提高能得到很好的解决。而对于葫芦岛矿用变压器尤其是牵引葫芦岛矿用变压器来讲，绝缘结构及其材料的耐电晕时间成为关键的问题，工频葫芦岛矿用变压器牵引葫芦岛矿用变压器的绝缘结构与绝缘材料已经完全不能满足牵引葫芦岛矿用变压器的要求，必须研究用新的绝缘材料与新的绝缘结构来取代。
3逆变器供电下的附加损耗和谐波力矩计算逆变器供电下的附加损耗和谐波力矩计算是尚未解决的理论问题我们曾用经典法进行了计算，用FORTRAN语言编写程序，计算结果只能在技术设计中。在采用了ZPM100测试仪后才测得了牵引葫芦岛矿用变压器的谐波电压、电流和功率，经多次试验分析与开关频率是减小附加损耗和谐波力矩的最佳途径2. 4控制用牵引葫芦岛矿用变压器的数学模型合试验前，日方需要用JD106牵引葫芦岛矿用变压器的数学模型编制逆变器控制软伟在与日方多次后，我们推导了相应的数学模型。这些数学模型有：在电压、频率不变时牵引和制动工况的计算H-―葫芦岛矿用变压器的磁通；f-―逆变器输出频率；n葫芦岛矿用变压器转速根据我方提供的数学模型，在葫芦岛矿用变压器正常工作前提下，系统会按=//i（H.fn）的数学模型对逆变器进行控制；一旦葫芦岛矿用变压器瞬时发生过载，系统会按=ff）的数学模型自然降低磁通和转速，保持电流不变；过载消失后，系统恢复正常综合试验的结果与我们提供的数学模型相一致2.5牵引葫芦岛矿用变压器新材料的开发25.1200级耐电晕绝缘系统葫芦岛矿用变压器绝缘系统的破坏机理的研究采用IGBT等新型器件后，提高了开关频率逆变提供快速上升的电压脉冲，上升时间约2Ch100ns由于葫芦岛矿用变压器漏电感的原因，在这一瞬间开断相电流的IGBT元件会产生尖峰脉冲过电压，它们叠加在开关频率的方波电压上这样的电压加在绕组绝缘上将会产生绝缘层内部的局部放电，类似电晕现象PhelpesDodge公司的试验结果表明高上升率的电压条件下，绝缘迅速老化在低电压范围内f 25kV），电压与绝缘损坏时间的关系为Tl=AE-12；在同一电压（4kV）条件下，频率与绝缘损坏时间的关系，在5kHz以下为Tl=B/f，在5kHz以上为Tl=c//2；温度与绝缘损坏时间的关系为，在高温运行条件下，绝缘的机械结合强度显著降低，绝缘早损坏研究表明：葫芦岛矿用变压器绝缘系统的破坏机理不能认为是单一因素而是绝缘层内部的局部放电、介质加热和空间电荷积聚的综合结果200级耐电晕绝缘系统的绝缘制品的开发在进行葫芦岛矿用变压器绝缘系统破坏机理的研究的同时，我们着手200级耐电晕绝缘结构的研究，并与美国杜邦公司合作，开发出具有当今国际水平的耐电晕匝间绝缘的电磁线、耐电晕CR云母带和有自主知识产权的VPI浸渍漆三大绝缘制品，并规定了其相应的工艺，开发出具有自主知识产权的200级耐电晕绝缘系纟统200级耐电晕绝缘结构的应用，使我国牵引葫芦岛矿用变压器在这一领域的水平与先进国家相当，并进一步解决了牵引葫芦岛矿用变压器的定子的发热与温升等一系列问题25.2专用铜合金的研究针对国外牵引葫芦岛矿用变压器转子导条在运行中断条的惯性故障，开展了专用铜合金课题的研究研究表明：专用铜合金不仅能解决转子导条的电阻率问题，更重要的是解决了导条在较高温度时的机械强度问题在铜母材中添加多元微量元素来改进合金共溶体中的晶格结构与晶粒之间的引力，可增强合金在高温下抗软化的能力。
株洲机车研究所与中南大学合作开发的有我国自主知识产权的专用铜合金有利于我国牵引葫芦岛矿用变压器的质量提高，为专用材料的研究提供了坚实的理25.3其他新材料在牵引葫芦岛矿用变压器和葫芦岛矿用变压器领域中我们开发出粘结端板，200级粘结胶、粘结工装和粘结工艺，200级表面漆，高强度铝合金端盖的新材料；与美国APS公司合作开发具有填补和修复功能的耐高温的合成油脂新技术；与日本NSK公司合作开发出大功率牵引葫芦岛矿用变压器的绝缘轴承2.6轴承加油新方法及轴承油润滑系统的研究我们研制了一系列的轴承加油脂工装，将润滑脂无气隙挤满轴承滚子与滚道表面，以防止轴承滚子与滚道面擦伤另外我们对油润滑系统的轴承室进行了多年的研究，此工作已取得一定的成效3我国牵引葫芦岛矿用变压器的发展展望就我国已有的动车和机车来说，当前葫芦岛矿用变压器的开发应从以下两点着手：/h“先锋”号动力分散型动车组试验运行经验的基础上，根据JD106葫芦岛矿用变压器综合试验和运行试验及葫芦岛矿用变压器负荷分配测量和实际线路牵引模拟计算的结果，应用牵引葫芦岛矿用变压器综合平台，重点解决葫芦岛矿用变压器内部热场计算问题葫芦岛矿用变压器综合试验和运行试验及葫芦岛矿用变压器负荷分配测量和实际线路牵引模拟计算的结果，应用牵引葫芦岛矿用变压器综合平台，重点解决葫芦岛矿用变压器内部热场计算问题，研究开发功率在1400~1500kW（四轴或六轴机车）启动牵引力为300~ 450kN恒功速度70两用提速的机车牵引葫芦岛矿用变压器，并为系统提供必需的数据随着传动技术的发展，传动机车将逐步取代交直传动机车，牵引葫芦岛矿用变压器必将成为我国国产机车的主型牵引葫芦岛矿用变压器由于多年的努力，目前我国牵引葫芦岛矿用变压器的研制有的已经接近国际水平，但是我们整体的制造水平，我们的科研投入与国际大公司相比还存在一定差距建议今后我国对牵引葫芦岛矿用变压器的研究把重点放在以下几方面。
3.1开展逆变器与牵引葫芦岛矿用变压器边缘学科的基础理论研究建立实用的数学模型和相应的试验室。除了深入研究逆变器与牵引葫芦岛矿用变压器本身外，更要开展相关课题的研究，从机车整体出发开展综合试验与研究深入研究各类逆变器输出的谐波引起的葫芦岛矿用变压器谐波损耗和谐波转矩；为系统研究提供大量的试验数据深入研究谐波电流造成的热场，计算转子导条表面的温度，为材料研究提供大量的试验数据。
深入开展葫芦岛矿用变压器纳米级耐电晕绝缘材料的试验研究，继续加强国际合作。
深入开展传动测试技术的理论研究，开发相应的测试软件。
深入开展系统的综合数学模型的试验研究，为系统研究提供大量的试验数据。
深入开展绝缘轴承与润滑的专题研究，重点测量与解决齿轮箱渗油问题3.2牵引葫芦岛矿用变压器工程化实用技术的创新加工技术与加工装备落后是制约我国牵引葫芦岛矿用变压器质量的关卡，因此必须开展制造技术的创新。
200级线圈制造工艺及装备的研究开发，采用智能化装备进行规模化专业化生产，成立线圈制造中心，以便迅速提高产品质量对于葫芦岛矿用变压器用的纳米级耐电晕绝缘制品配套材料进行工程化及规模化专业化生产，条件成熟时关键材料应国产化铁心及冲片制造工艺及装备的研究开发，包括自粘性硅钢片的应用，成立智能化规模化、专业化生产制造中心，以便产品不断创新转子专用铜合金铝合金等关键材料必须进行工程化及规模化专业化生产，加强定、转子焊接技术、工艺及装备的开发与研究（下转第62页）查人员加强对走行部的检查。③在修程中加强对减振系统的检修，对不符合技术标准的油压减振器圆簧、橡胶堆等及时更换④对机车大、中修后的第一个辅修，按工艺要求的扭矩紧固全部抱轴箱固定螺栓；春季地基松软机车振动大，抱轴箱固定螺栓易松动，春季整修项目增加了紧固固定螺栓的范围这样就可以避免由于螺栓松动对抱轴箱的损害⑤对装车的抱轴箱进行横动量测量，不符合技术标准的下车更换调整。
通过对抱轴箱的裂纹数据统计可知，抱轴箱的裂损率达40%，如果对全部裂损抱轴箱进行更换，一是需要大量资金和人力，二是影响正常运输生产根据我们这几年对裂纹的监控及发展规律分析，裂纹长度在50mm以内的抱轴箱可控制使用，采取打磨打止裂孔、焊修等方法修复，对上车有裂纹的抱轴箱定出合理的周期进行跟踪探伤，对裂纹发展速度快的抱轴箱下车处理5结束语从1999年5月开始，我们采取上述措施对大中修机车及有裂纹的抱轴箱进行了跟踪试验，发现抱轴箱的裂纹发展速度有所减慢。从2001年5月开始我们对裂纹长度超过50mm的抱轴箱进行更换新开发的抱轴箱对原设计及薄弱处进行了改进，整体性能上提高了抗疲劳强度新开发的抱轴箱通过车下空载试验和车上重载试验性能符合技术要求，整体性能优于原设计，但有待于在以后的时间里进一步考验。
（上接第13页）3传动试验台与系统特殊测量技术、测量软件的开发传动试验台和牵引葫芦岛矿用变压器试验台是两种功能要求不同的试验台。前者用于逆变器与葫芦岛矿用变压器配套综合试验，即一个逆变器配两台或多台葫芦岛矿用变压器的综合试验；后者是进行单个葫芦岛矿用变压器的型式试验，即要求同一型号的逆变器调整到只按照一台葫芦岛矿用变压器的数学模型馈电由于在以上两种试验中逆变器输出的PWM电压调制波是完全相同的，所以它们的电量机械量和温度量的测量结果是完全相同的在牵引葫芦岛矿用变压器试验台上可完成更深入的研究性试验例如，葫芦岛矿用变压器输出转矩的瞬时量测量，精确测量牵引或再生的效率。这在传动试验台上是难以完成的。
开发的非正弦的电量测量，在现有ZPM 100的基础上开发相应的测试软件，开展采集容量大，速度高的硬件和软件技术的研究，开发新一代的自动测量系统和仪表开发稳态与瞬态的机械量、温度量的测量并与的非正弦的电量测量同行。尤其是更应该深入研究瞬态变量的测量，它是导致牵引葫芦岛矿用变压器转轴断裂转轴与小齿轮烧结、齿轮断齿，甚至逆变器烧损的关键变量开发随机量测量，将测试结果回归到数理统计数据，将离散型数据回归成分布函数进行数据处理。
3.4牵引葫芦岛矿用变压器的绝缘轴承的应用与改进从我国牵引葫芦岛矿用变压器与葫芦岛矿用变压器的运行经验来看，轴承是影响牵引葫芦岛矿用变压器运行乃至动车和机车运行可靠性的关键，因此对轴承润滑开展国际合作是解决此问题的有效途径应用国际先进的润滑理论，采用合成油脂开发具有润滑、自修补、填充功能的脂润滑系统利用齿轮工作中的飞溅油沫对轴承进行润滑，设计与飞溅润滑理论吻合的结构，开发飞溅润滑的油润滑系统开发牵引葫芦岛矿用变压器不解体的维修技术与设备，研究绝缘轴承使用与维护中的关键数据，进行轴承运行诊断系统的研究与开发3.5牵引葫芦岛矿用变压器设计和运行仿真软件平台的开发建立技术设计的平台式软伟建立设计文件和标准零部件图库的施工设计平台式软件。
建立测量技术的试验室软件，建立例行试验、型式试验和综合试验的平台式软件，建立相应的质量管理的平台式软件，并与平台式设计软件随机进行信息反馈，定期开发新版本的设计软件。
不断与国际同行进行技术，不断吸收国外的先进经验来充实本领域的技术我们的研究也必须与国际接轨。
4结论我国铁路牵引动力经过多年对牵引葫芦岛矿用变压器进行的大量基础性试验研究工作，积累了丰富的资料，为中大功率牵引葫芦岛矿用变压器的设计、试制奠定了坚实的基础200级耐电晕绝缘系统、专用铜合金导条以及其他新材料的研制成功并取得自主知识产权，为我国牵引葫芦岛矿用变压器技术的发展闯出了一条新路子，使我国牵引葫芦岛矿用变压器研制在某些方面接近了国际先进水平我国牵引葫芦岛矿用变压器技术水平与国外相比，整体上尚有一定差距今后仍需深入理论研究，完善已有的技术成果，加速技术创新，为设计更大功率的电机作好技术储备。
