第十一章 三相交流牵引电机

第十一章三相交流牵引电动机简介无换向器的三相交流电动机在制造成本、单位功率重量、运行维修等方面、比有换向器的直流电动机有一系列优点，特别是三相异步电动机结构最为简单、工作最为可靠以及具有优越的防空转性能。

近30年来，由于电子技术特别是大功率晶闸管变流技术的迅速发展，研制出体积小、重量轻、功率大、效率高的变流装置——静止逆变器，作为三相交流电动机的变频电源，使三相交流牵引电动机在铁路电力牵引中的应用取得了突破性进展。

由三相交流电动机的优点和直流电动机在牵引运用方面长期积累的经验以及电力交流技术的成就三者完美结合，而研制出来的新型三相交流电传动机车具有更大的牵引能力、更好的牵引特性和更高的经济技术指标。

因此，从发展远景来看，它将在未来牵引传动中占据主导地位。

本章结合机车牵引特点，对三相异步牵引电动机和晶闸管同步牵引电动机的运行原理及结构特点作一些介绍。

第一节三相异步牵引电动机一、异步电动机变频运行的机械特性由异步电机原理可知：在一定的电压和频率下，异步电动机的机械特性如图11-1所示。

图11-1 一定频率和电压下异步电动机的机械特性当异步电机作为电动机运行时，电机在0＜S＜1范围内运行，图中S m为电动机最大转距太时的临界转差率。

其中：S=0-S m。

一段是电动机的稳定运行范围；当S＞S m后，电动机的转矩将明显减少，使电动机转速越来越低，直到停转。

所以S=Sm--1一段是电动机不稳定运行区。

异步电动机在不同频率人下的机械特性曲线形状都相似，但其机械特性稳定运行的调速范围和最大转矩值是不同的，这种变化可用最大转矩和对应的临界转差率来表示。

由第九章已推导出三相异步电动机最大转矩为：[]221211121)'(43δδπxxrrfpUTm+++=(11-1)当σσχχγ211＋ππ时忽略1γ，则：()σσχχπ2/112143+=fpUTm（11-2）对于结构一定的电机，式（11-2）可写为：211T⎪⎪⎭⎫⎝⎛=fUKTm（11-3）由式（11-3）可见，异步电动机的最大转矩与211⎪⎪⎭⎫⎝⎛fU成正比。

若变频调速是在U1为常数条件下进行，则T m随f12成反比例变化，其机械特性变化如图11-2所示。

图11-2 一定电压、不同频率时异步电动机的机械性能图11-3 一定气隙磁通、不同频率时异步电动机的机械性能若变频调速是在⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛11f U 为常数条件下进行，则变频调节过程中T m 是一个常数，其机械特性的变化如图11-3所示，即机械特性几乎随f 1的变化而平移。

异步电动机在低频条件下，T m 不变的特性可以满足机车起动时具有较大而稳定不变的牵引力，而在高速运行时机车牵引力较小，使异步电动机输出功率可基本保持不变。

显然，这特性很适合铁路牵引动力的要求。

根据异步电动机定子绕组电压平衡方程，可得：1111111144.444.4N K f U N K f E W w m ==Φ （11-4） 在U 1/f 1为常数条件下，异步电动机气隙磁通是不变，若这时的磁通接近于饱和状态，可认为异步电动机工作在满磁场状态；在U 1等于常数条件下，气隙磁通随f 1增加而减少，则可认为异步电动机工作在磁场削弱状态。

假如异步电动机在正常工作时，突然降低定子的供电频率，转子的机械惯性将使其维持在高于旋转磁场同步转速的转速上，这时转差率为负值，电机进入发电机状态运行，将电机轴上的机械能转换成电能反馈给电网或消耗在制动电阻上。

这样，机车在下坡或高速运行需要制动时，很容易实现再生制动或电阻制动。

而当电动机需要改变转向时，只需改变逆变器输出电源的相序即可实现。

上述分析表明，根据机车牵引的要求，只对异步电动机的电压、频率采取不同的调节方式，异步电动机同样具有起动牵引力大、调速范围宽、过载能强等优良的牵引性能。

当然，对异步电动机的变频调节必须遵循一定的规律，同时也应考虑控制手段的难易程度。

二、机车牵引中异步电动机的特性调节异步电动机作为铁路机车的牵引电动机，必须满足牵引性能的要求。

一般来说，电力机车的牵引运行可分为：起动加速区、恒功率输出区、提高速度区或恒电压区这三个运行调节区，如图11-4所示。

在机车起动加速阶段，一般要求牵引力尽可能接近粘着牵引力，以获得大而稳定的起动牵引力，这时异步动机应按恒转矩要求进行变频调节；起动后，随着速度的提高，牵引电动机输出功率也不断增大，起动过程结束，则希望牵引电动机按在各种运行速度下保持恒功率输出的要求进行变频调节。

为了满足机车起动和运行时牵引特性的要求，需要在调节频率的同时相应调节牵引电动机的电压。

下面简要分析异步牵引电动机工作在不同运行区的变频调节规律。

图11-4 机车牵引特性1．恒转矩特性的变频调节通常运行在固定频率下的三相异步电动机，其起动电流约为额定电流的5～6倍。

但由于此时转子的频率高、漏抗大、功率因数很低，所以起动转矩实际上并不大。

而采用变频调节时，则可使异步电动机在较低频率下起动，此时定、转子漏抗都很小，从而改善了转子的功率因数，增大了起动转矩。

一般来说，机车起动时，异步电动机低频起动电流大致为二倍额定电流的情况下，可使电机起动转矩为最大转矩的70%左右，并保持不变。

由于异步电动机最大转矩正比于（U1／f1）2，U1与f1之比通常称为“伏赫比”。

要使机车获得恒定的起动转矩，电机必须保持伏赫比不变，即电机的端电压随频率的提高而正比例增加，这时，电动机的气隙磁通也近似不变。

这就是机车起动加速区异步电动机变频调节规律。

图11-5 恒转矩调节特性（a）转矩T与定子频率的关系（b）电机电流I1、电压U1、电势E1、与定子频率的关系应当注意的是：电动机起动开始时，频率很低，因此X1σ和X2σ很小，这时电阻在阻抗中的比例相当大，忽略r 1会产生较大的误差。

若要保持磁通不变，则在起动时必须适当增加电压U 1，以克服r 1所产生电压降。

在恒转矩下变频调节时电机电压U 1和定子电流I 1随频率f 1的变化曲线如图11-5所示。

异步电动机定子电流I 1为：)2121221"()/'('δδx x j s r r U I I +++=-≈ 即21111'12L L f U I +•≈π (11-5) 所以，恒磁通运行时，在不同的f 1下，定子电流I 1维持不变，这时变频器在恒电流下运行，可以充分利用变频装置的容量，便变频装置的设计更为经济。

2．恒功率特性的变频调节在恒转矩运行中，随着电动机转速的上升，电压U 1的提高，电机输出功率增大。

但电压的提高受到电动机功率或变频器最大电压的限制，当电压升高到一定数值后将维持不变，或者电压不再正比于f 1上升。

此后异步牵引电动机将以恒功率输出为条件进行电压和频率的调节。

为使异步牵引电动机有恒定的输出功率，电压和频率的调节方式分为：恒功率变电压变频调节和恒功率恒电压变频调节两种。

（1）恒功率变电压变频调节恒额定功率运行时，牵引电动机的输出功率不变，即：==mn Nn AT T 常数 （11-6）式中A ——电机额定转矩与最大转矩之比。

将式（11-3）代人式（11-6），可得：=n f U AK T 211)(常数 （11-7） 在转差率很小的情况卜，转子转速n 可以近似地认为等于同步转速n 1，因n 1正比于f 1，即可得：111f K n = （11-8）Ｋ1为比例常数，将式（11-8）代人式（11-7），得出：=121fU常数或121U fK=（11-9）Ｋ2为比例常数。

由式（11-9）可见，为保持不同运行速度下输出功率不变，异步电动机的电压U1应随定子频率f1的平方根正比变化。

这就是保持异步牵引电动机工作在额定工况下输出功率恒定时所应遵循的变频调节规律。

所以，这种调节方式称为恒功率变电压变频调节，其牵引特性曲线如图11-6所示。

图11-6 异步电动机恒功率变压器电压变频调速时的牵引特性恒功率变电压变频调速成时异步牵引电动机的电压、电流和功率曲线如图11-7所示。

图11-7 恒功率变电压变频调速时的电压、电流和功率曲线电动机起动转矩约为1.6—1.8倍的额定转矩并保持不变。

转速增加时电压和功率正比增加，电流不变。

电动机起动结束进入恒功率运行区，电压按式（11-9）关系变化，电流随转速增加而减小，两者乘积保持恒定，作恒功率运行。

（2）恒功率恒电压变频调节机车运行时，保持异步电动机的电压和功率都不变的变频调速方法，称为恒电压变频调节。

根据恒功率条件ＡＴm n=常数，将式（11-9）代人可得：nfUAKT2121＝常数若转差率很小，将n1＝K1f1代人上式，可得：2112AK Uf=常数显然，在电压不变的情况下，电动机输出功率恒定的条件是：1Af=常数(11-10) 由式（11-10）可见，在恒功率恒电压条件下，频率调节的规律是：随着频率的增加，电机额定转矩与最大转矩之比A也应正比增加，即电机工作点越来越接近电动机的最大转矩。

为了保证电机正常工作，必须使最高频率时的工作转矩低于最大转矩。

图11-8所示为该种调频方式所得的牵引特性曲线。

图11-8 异步电动机恒功率、恒电压变频调速时的牵引特性曲线图11-9 恒功率恒电压变频调速时的电压、电流和功率曲线恒功率恒电压变频调速时异步牵引电动机的电压、电流和功率曲线如图11-9所示。

由于这种调节方式采用了逆变器输出电压恒定，所以转速增加时，电动机实际上随人的增加，维持在磁场削弱工况下运行，使定于电流不致下降（恒定），以保持电动机输出的功率不变。

以上是从两种极端情况来分析异步牵引电动机的变频调节规律，实际的最佳控制规律则应从异步牵引电动机和逆变器两方面的经济技术指标来考虑，以求得两者的最佳配合。

三、异步牵引自动机的结构特点异步牵引电动机就其外形看与一般直（脉）流牵引电动机相近，所不同的是机座上不需要换向器观察孔。

异步牵引电动机的内部结构与普通异步牵引电动机基本相同，其机座多采用钢板焊接结构，定子轭由电工钢片叠压而成。

电机的极数取决于最高定子频率，一般牵引逆变器在最高出电压时，最高频率不超过200Hz。

电机的极数一般取2p＝4、6、8极，电机功率大时，极数较多。

较大功率的异步牵引电动机定子格一般为开口槽，以便采用成形绕组，获得良好的绝缘性能，增强运行的可靠性。

异步牵引电动机的转子采用鼠笼式，鼠笼绕组用铝或铜硅铝合金铸成，当电机功率较大时（1000kW以上），则采用钢材料制成。

为了改善电机的起动性能，转子槽一般采用矩形槽，功率较大时，也采用梯形槽。

异步牵引电动机一般不用斜槽转子。

异步牵引电动机因安装空间限制，结构较为紧凑，为了节省轴向空间，电机一般不采用径向通风道，而采用轴向通风道。

机座上方有进风口，由专用通风机进行强迫通风冷却。

由于异步牵引电动机悬挂在转向架上，机车运行中电机将承受强烈的振动，迫使它加大空气隙，通常为1.5mm-2.5mm。