機(jī)車三相異步電動機(jī)調(diào)速特性-異步電機(jī)調(diào)速概述

異步電機(jī)調(diào)速概述三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述一、直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的問題

長期以來，機(jī)車電傳動大多采用直流電動機(jī)系統(tǒng)——因?yàn)橹绷麟妱訖C(jī)的勵磁電流和電樞電流可以分別控制，其起動、調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制特性比較理想，并容易獲得良好的動態(tài)響應(yīng)。然而，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在換向器，不僅工藝復(fù)雜，體積及重量大，耗銅，價格昂貴，而且在運(yùn)行中，很容易產(chǎn)生換向火花甚至發(fā)生環(huán)火現(xiàn)象，故障率高，不便于維護(hù)。由于換向及環(huán)火這一類問題的存在，則要求電動機(jī)換向片之間的電壓不能過高，因而使得直流電動機(jī)的設(shè)計容量和高速時的利用功率受到限制，其高速利用功率只能達(dá)到額定功率的75%，單電機(jī)的設(shè)計容量也很難超過1000kw，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)機(jī)車向高速、大功率方向發(fā)展的要求。三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述

三相交流電動機(jī)，特別是鼠籠式異步電動機(jī)，由于其轉(zhuǎn)子上既沒有換向器，也沒有帶絕緣的繞組，根本不存在換向火花及環(huán)火等問題，因此，其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，能以更高的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)——克服了直流電動機(jī)固有的缺點(diǎn)，很早就引起了人們的極大注意，試圖將它用作鐵路機(jī)車的牽引電動機(jī)。只是限于當(dāng)時的變頻供電技術(shù)條件而無法實(shí)施。

20世紀(jì)50年代中期，法國國鐵曾在一臺樣車上裝置旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組進(jìn)行連續(xù)變頻調(diào)速，但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)組笨重龐大及效率低、成本高等原因而未能得到推廣。60年代，隨著電力電子技術(shù)的崛起與進(jìn)步和變頻調(diào)速裝置的研制成功，重新喚起了人們對交流調(diào)速傳動的重視。進(jìn)入70年代，因采用異步交流傳動系統(tǒng)的DE-2500型內(nèi)燃機(jī)車在原聯(lián)邦德國研制成功，交流傳動在牽引領(lǐng)域重新煥發(fā)出了前所未有的活力。

二、交流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述

進(jìn)入80年代，隨著電力電子器件和微電子技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)的應(yīng)用，交流傳動技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展并已日趨成熟，在各種機(jī)車、動車上獲得了推廣運(yùn)用。在這一時期，歐洲的交流傳動發(fā)展勢頭較猛，出現(xiàn)了諸如DE500系列、Di4型、ME1500型、DE6400型等典型的歐洲系列交流傳動內(nèi)燃機(jī)車。同時期，美國的內(nèi)燃機(jī)車制造廠家對交流傳動內(nèi)燃機(jī)車的投入采取了比較審慎的態(tài)度，僅在老機(jī)車改造方面作了一些嘗試。如GM公司的FLG型雙動源客運(yùn)機(jī)車改造，裝用ABB公司提供的交流傳動裝置及MICAS-S微機(jī)控制系統(tǒng)，第一批改造的該型機(jī)車10臺于1990年投入運(yùn)用。此外，GM公司還與德國西門子公司合作對F69PH型客運(yùn)機(jī)車進(jìn)行改造，裝用西門子提供的交流傳動裝置及SIBAS—16微機(jī)控制系統(tǒng)。

三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述

進(jìn)入90年代，交流傳動技術(shù)成為機(jī)車技術(shù)熱點(diǎn)、被認(rèn)為是現(xiàn)代機(jī)車的標(biāo)志而日益風(fēng)靡世界。美國交流機(jī)車市場異軍突起。1992年GM公司率先推出SD60MAC型交流傳動內(nèi)燃機(jī)車，之后又相繼推出SD70MAC、SD80MAC型交流傳動內(nèi)燃機(jī)車。而80年代一直默默無聲的GE公司也不甘示弱，相繼推出AC4000、AC6000型交流傳動內(nèi)燃機(jī)車。而且兩大公司均擁有大批訂貨，幾年來總計達(dá)千余臺。除德國、美國外，法國、意大利、西班牙、芬蘭、日本等國也可以生產(chǎn)交流傳動內(nèi)燃機(jī)車，并有許多國家開始批量訂購交流傳動內(nèi)燃機(jī)車。如1992年3月，印度鐵路已獲得ABB公司轉(zhuǎn)讓的交流傳動裝置生產(chǎn)許可證。1996年7月，印度鐵路與美國GM公司簽訂了一份獲得21臺2980kw交流傳動內(nèi)燃機(jī)車的合同：其中的首臺樣機(jī)由GM公司組裝，并于1998年4月交付印度鐵路試運(yùn)，其后的8臺機(jī)車在1998年9月以散件形式交付，然后由印度DLW工廠組裝，余下的12臺機(jī)車裝用更多的由印度本國制造的部件。三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述

我國發(fā)展交流傳動始于70年代，國內(nèi)有關(guān)科研院所、許多大專院校就開展了交流傳動技術(shù)的研究工作。進(jìn)入90年代，由于我國經(jīng)濟(jì)、技術(shù)發(fā)展的需要，再加上國外交流傳動技術(shù)的成熟運(yùn)用以及在研制、運(yùn)用方面大量可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)，我國的交流傳動技術(shù)的研究進(jìn)入了一個新的時期。國家“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項目的我國第一臺AC4000型大功率交流傳動電力機(jī)車（原型機(jī)），于1996年6月19日在株洲電力機(jī)車廠誕生，這標(biāo)志著我國機(jī)車交流傳動技術(shù)零的突破。該型機(jī)車經(jīng)過試運(yùn)行，并在西南交通大學(xué)國家牽引動力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的機(jī)車車輛滾動試驗(yàn)臺上進(jìn)行了全面的技術(shù)試驗(yàn)，為改進(jìn)和完善交流傳動機(jī)車獲取了寶貴的第一手技術(shù)資料。

“九五”期間，我國開始進(jìn)入交流傳動內(nèi)燃機(jī)車的實(shí)質(zhì)性研制階段。1997年，四方機(jī)車車輛廠承擔(dān)了我國第一臺交流傳動內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車的研制任務(wù)，于1999年9月完成試制。此后，各機(jī)車主要制造工廠都相繼研制出交流傳動內(nèi)燃機(jī)車。三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述三、異步牽引電動機(jī)的特點(diǎn)

交流傳動技術(shù)是一門綜合技術(shù)，但其本質(zhì)的特點(diǎn)是采用了異步牽引電動機(jī)。交流傳動機(jī)車之所以成為現(xiàn)代機(jī)車發(fā)展的方向，正是由異步牽引電動機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)所決定的。其主要特點(diǎn)是：

1、構(gòu)造簡單，動力學(xué)性能好異步電動機(jī)是所有電機(jī)中結(jié)構(gòu)最簡單的電動機(jī)，除軸承外，沒有其他機(jī)械接觸部分，電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到4000r/min以上，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速甚至可達(dá)6000r/min。這是直流電機(jī)所望塵莫及的，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速因受換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，只能達(dá)到2500r/min左右。由于異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時采用特殊的懸掛裝置，簧下重量小，對軌面的沖擊力小，使機(jī)車具有良好的動力學(xué)性能。三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述

2、功率大，牽引力大由于異步牽引電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min，所以能夠做到功率大、重量輕，其單位重量功率（kw/kg）是直流電機(jī)的2~3倍。在機(jī)車結(jié)構(gòu)所提供的空間條件下，異步牽引電動機(jī)功率可達(dá)到1400kW~2000kW，這可使機(jī)車的牽引功率和牽引力大大提高，并且粘著性能好，能充分發(fā)揮機(jī)車的牽引能力。以ND5型交-直傳動機(jī)車與SD60MAC交流傳動機(jī)車進(jìn)行比較：ND5型機(jī)車的柴油機(jī)標(biāo)定功率為2940kw，起動牽引力為533.6kN，持續(xù)速度為22.2km/h時的持續(xù)牽引力為359.8kN。SD60MAC機(jī)車的柴油機(jī)標(biāo)定功率為2835kw，起動牽引力為781kN，持續(xù)速度為20.5km/h時的持續(xù)牽引力為521kN。后者與前者相比，不論起動牽引力和持續(xù)牽引力都高出45%左右。三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述

3、粘著性能好

由于異步電機(jī)具有機(jī)械硬特性，所以當(dāng)某臺電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時，隨著轉(zhuǎn)速的上升（上升值不大），轉(zhuǎn)矩很快降低，具有很強(qiáng)的恢復(fù)粘著的能力。

當(dāng)進(jìn)行粘著控制時，根據(jù)檢測有關(guān)粘著控制信號，準(zhǔn)確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點(diǎn)，使驅(qū)動系統(tǒng)既不發(fā)生空轉(zhuǎn)，又能充分發(fā)揮最大的牽引力，實(shí)現(xiàn)最大可能的粘著利用。交流傳動可實(shí)現(xiàn)各軸單獨(dú)控制，若某臺電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時，可調(diào)節(jié)某臺電機(jī)，這樣能充分利用機(jī)車的粘著性能；而在交-直傳動系統(tǒng)中，某軸空轉(zhuǎn)時，則需要使所有各軸電機(jī)卸載，這就大大降低了機(jī)車牽引力。由于上述特性和良好的控制功能，交流傳動系統(tǒng)的粘著系數(shù)可以利用得很高。如1992年美國鐵路協(xié)會（AAR）在向四家機(jī)車制造廠提出的26臺交流傳動機(jī)車投標(biāo)建議書中提出的粘著指標(biāo)是：起動粘著系數(shù)0.45，全天候牽引粘著系數(shù)為0.32（而GE公司在交-直流機(jī)車上，采用“SENTRY”粘著控制裝置后，全天候粘著系數(shù)實(shí)測值為0.24～0.25），動力制動粘著系數(shù)為0.24。三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述

4、可靠性高、維修簡便

交流異步牽引電動機(jī)無換向器、無電刷裝置，除軸承外，無摩擦部件，密封性好，防潮、防塵、防雪性能好，絕緣性能和耐熱性好。因此故障率低，可靠性高。控制裝置是模塊結(jié)構(gòu)，故障率也很低。電路系統(tǒng)中幾乎全由無觸點(diǎn)的電子元件組成，所以不存在傳統(tǒng)系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生的觸點(diǎn)磨損、粘接、接觸不良、機(jī)械卡滯等問題。據(jù)美國伯靈頓北方鐵路介紹，該公司直流牽引電動機(jī)的大修期一般在40萬km～48萬km，而交流牽引電動機(jī)的大修期可高達(dá)120萬km～160萬km。此外，交流傳動機(jī)車配有完備的微機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，可隨時監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷。——交流傳動系統(tǒng)的可靠性很高，維修量很小，且維修簡便，維修費(fèi)用大降低。如德國的交流傳動的E1200型機(jī)車的維修費(fèi)僅為交-直流傳動的EA1000型機(jī)車的35%；E1200型機(jī)車的輪緣磨耗比EA1000型機(jī)車減少了53%。

三相異步電動機(jī)調(diào)速特性概述5、效率高、利用率高、使用靈活性強(qiáng)

交流傳動系統(tǒng)的總效率約為0.90，而交-直流傳動系統(tǒng)的總效率約為0.86。根據(jù)有關(guān)測量數(shù)據(jù)表明，采用交流傳動的內(nèi)燃機(jī)車與直流傳動比較，在發(fā)揮相同功率時節(jié)省燃料10%～25%。由可靠性、耐久性和易于維修的結(jié)合，使交流傳動機(jī)車