模塊3 交流傳動(dòng)技術(shù)《列車電力傳動(dòng)與控制》教學(xué)課件

《列車電力傳動(dòng)與控制》?精品課件合集第X章XXXX模塊3

交流傳動(dòng)技術(shù)第3章交流傳動(dòng)技術(shù)

3.1概述

3.2交流電力傳動(dòng)系統(tǒng)組成模式

3.3交流牽引電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速

3.4列車牽引特性與控制策略

2024/8/2243.1概述電氣傳動(dòng)技術(shù)誕生于19世紀(jì)，20世紀(jì)初被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸和日常生活中。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)按照驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電流制式，可分為直流傳動(dòng)系統(tǒng)與交流傳動(dòng)系統(tǒng)。根據(jù)負(fù)載對(duì)速度控制的運(yùn)行要求，電氣傳動(dòng)可分為恒速系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)。受當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的制約，交流平滑調(diào)速無法實(shí)施，直流電氣傳動(dòng)用于高性能的調(diào)速系統(tǒng)，而交流傳動(dòng)多用于恒速系統(tǒng)或不平滑調(diào)速系統(tǒng)。長期以來，在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，大多采用直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，因?yàn)橹绷麟妱?dòng)機(jī)的磁場(chǎng)電流和電樞電流可以獨(dú)立控制，其起動(dòng)、調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制特性都比較理想，并容易2024/8/225獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但是，直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在接觸式的機(jī)械換向器，它不僅工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴，而且在運(yùn)行中很容易產(chǎn)生換向火花和發(fā)生環(huán)火故障。另外，由于換向問題的存在，要求電動(dòng)機(jī)各換向片之間的電壓不能過高，這樣使得直流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)容量和高速時(shí)的功率利用都受到限制，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代裝備向高轉(zhuǎn)速、大容量化方向發(fā)展的要求。上世紀(jì)70年代中期，全球發(fā)生能源危機(jī)，節(jié)約能源成為人們關(guān)注的問題。許多過去一般不調(diào)速的傳動(dòng)裝置，如風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，為了減少無謂的電能損耗，也都采用了調(diào)速傳動(dòng)。這對(duì)交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動(dòng)作用。上世紀(jì)90年代以來，隨著大功率電力電子器件和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術(shù)的應(yīng)用，交流傳2024/8/226動(dòng)調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，快速進(jìn)入了工程應(yīng)用，促進(jìn)了工業(yè)、交通領(lǐng)域技術(shù)裝備的升級(jí)換代，顯示出了強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)，使交流傳動(dòng)平滑調(diào)速的技術(shù)特點(diǎn)，如調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和可在四象限運(yùn)行等得到了充分體現(xiàn)。目前，交流傳動(dòng)已經(jīng)作為一種無可置疑的系統(tǒng)，正在快速進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域，容量從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)萬千瓦級(jí)的大功率系統(tǒng)，從工業(yè)傳動(dòng)到現(xiàn)代列車牽引，從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)速范圍達(dá)到1:10萬以上，調(diào)速精度可達(dá)10-4

級(jí)。西方發(fā)達(dá)國家已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的系列化，正在逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。發(fā)達(dá)國家在軌道交通裝備牽引動(dòng)力領(lǐng)域，已實(shí)現(xiàn)了直流傳動(dòng)向交流傳動(dòng)系統(tǒng)的跨越與轉(zhuǎn)換，并研制生產(chǎn)了大量性能優(yōu)異的機(jī)車、動(dòng)車組，正在發(fā)揮著重要作用。2024/8/2273.1.1電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)電力牽引作為電氣傳動(dòng)的一個(gè)分支，過去一直采用直流電動(dòng)機(jī)或脈流電動(dòng)機(jī)牽引。近20年來，由于電力電子技術(shù)與大功率變流技術(shù)的日漸成熟、控制理論和控制技術(shù)的完善，使三相交流電動(dòng)機(jī)在列車牽引中的應(yīng)用得到了關(guān)鍵性突破，獲得了極為迅速的發(fā)展。交流傳動(dòng)技術(shù)是一門綜合技術(shù)，但其本質(zhì)的特點(diǎn)是牽引電動(dòng)機(jī)采用了三相交流異步籠式電動(dòng)機(jī)，其一系列的優(yōu)點(diǎn)都由此而表現(xiàn)出來。交流傳動(dòng)列車之所以成為現(xiàn)代列車發(fā)展的方向，正是由異步牽引電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)所決定的。1.三相異步電動(dòng)機(jī)異軍突起，成就了交流傳動(dòng)系統(tǒng)交流異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)2024/8/228系統(tǒng)相比，在牽引性能(機(jī)械特性)、絕緣、耐熱、耐潮、粘著、維修、效率、重量尺寸等諸多方面，都有優(yōu)越之表現(xiàn)。

(1)良好的牽引性能調(diào)節(jié)控制交流傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)頻特性可顯著提高機(jī)車起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；合理地利用傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)壓、調(diào)頻特性，可以實(shí)現(xiàn)寬范圍的平滑調(diào)速，提高機(jī)車在高速區(qū)的功率利用、恒功率調(diào)速比。(2)異步牽引電動(dòng)機(jī)構(gòu)造簡(jiǎn)單，動(dòng)力學(xué)性能好異步牽引電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是所有電動(dòng)機(jī)中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的電動(dòng)機(jī)，除軸承外沒有其它機(jī)械接觸部分，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到4000r/min以上，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速甚至可達(dá)7000r/min，這是直流電2024/8/229機(jī)望塵莫及的。直流牽引電動(dòng)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。由于異步牽引電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，可采用特殊的懸掛裝置，簧下重量小，對(duì)軌面的沖擊力小，使其傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。(3)功率大、體小質(zhì)輕異步牽引電動(dòng)機(jī)沒有換向器，在相同幾何空間內(nèi)，能夠做到功率大、質(zhì)量輕。與直流(脈流)牽引電動(dòng)機(jī)相比，其單位質(zhì)量千瓦數(shù)(kW/kg)是直(脈)流電動(dòng)機(jī)的2~3倍，異步電動(dòng)機(jī)的功率可達(dá)到1200～2000kW。德國12k型電力機(jī)車單軸功率為1840kW,是已應(yīng)用異步牽引電動(dòng)機(jī)中功率最大的，而采用1200kW～1600kW的居多；單位功率質(zhì)量指標(biāo)已從3kg/kW降到1.7kg/kW，在高速動(dòng)車組上采用的異步牽引電動(dòng)機(jī)，最好指標(biāo)已達(dá)到了1kg/kW。正因?yàn)槿绱?，才可使機(jī)車的牽引功率大大提高，從而可獲得更大牽引力，再加上粘著性能好，能充分發(fā)揮機(jī)車的牽引能力?，F(xiàn)以ND5型交—直傳動(dòng)機(jī)車與SD70MAC交流傳動(dòng)機(jī)車進(jìn)行比較：車型傳動(dòng)方式柴油機(jī)標(biāo)定功率kW起動(dòng)牽引力kN持續(xù)速度km/h持續(xù)牽引力kNND5交—直2940533.622.2359.8SD70MAC交—直—交2980780.919.3609.8比較1.0131.4630.8691.694后者與前者相比，不論起動(dòng)牽引力和持續(xù)牽引力都高出45%左右。表3--12024/8/2211

(4)動(dòng)態(tài)性能和粘著利用好由于交流異步牽引電動(dòng)機(jī)有較硬的自然特性，當(dāng)某臺(tái)電機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，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(機(jī)車粘著利用)的能力。由于異步電機(jī)具有很硬的機(jī)械特性，所以當(dāng)進(jìn)行粘著控制時(shí)，根據(jù)檢測(cè)有關(guān)粘著控制的信號(hào)，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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)各軸單獨(dú)控制，若某臺(tái)電動(dòng)機(jī)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，可對(duì)其進(jìn)行直接調(diào)節(jié)，這樣能充分利用列車的粘著性能；而在交—直傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)某軸空轉(zhuǎn)時(shí)，則需要使并聯(lián)供電的所有各軸電動(dòng)機(jī)卸載，這樣就大大降低或中斷了機(jī)2024/8/2212車牽引力。交流傳動(dòng)系統(tǒng)由于具有良好的特性和控制功能，其粘著系數(shù)利用已達(dá)到很高水平，起動(dòng)粘著系數(shù)可達(dá)到0.45，全天候牽引粘著系數(shù)達(dá)0.32。交流傳動(dòng)系統(tǒng)所具有良好的粘著控制，對(duì)于交—直流傳動(dòng)系統(tǒng)是不可想象的。GE公司在其交—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(cè)值為0.24～0.25，動(dòng)力制動(dòng)粘著系數(shù)為0.24。(5)可靠性高、維修簡(jiǎn)便交流異步牽引電動(dòng)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。控制裝置采用模塊結(jié)構(gòu)，故障率也很低。電路系統(tǒng)中幾乎全由無觸點(diǎn)的2024/8/2213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。交流傳動(dòng)列車配有完備的微機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，可隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)，進(jìn)行故障診斷。由此可知，交流傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性是很高的，維修量很小，且維修簡(jiǎn)便，維修費(fèi)用低?，F(xiàn)以德國E1200型機(jī)車和EA1000型機(jī)車比較，交流傳動(dòng)的E1200型機(jī)車的維修費(fèi)僅為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%。目前交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車大修周期為160～180萬km，采用狀態(tài)修，沒有中修，機(jī)車故障率達(dá)到0.12件/10萬km。交流傳動(dòng)電力機(jī)車的大修周期最高達(dá)到400萬公里，交流傳動(dòng)EMU大修周期也達(dá)到480萬km。2024/8/22142.電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)組成電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)主要由牽引變壓器、交流牽引電動(dòng)機(jī)和牽引變流器等組成，其主要組成如圖3-1所示。電力牽引交流傳動(dòng)技術(shù)主要由核心層技術(shù)、輔助層技術(shù)和相關(guān)層技術(shù)三部分組成。核心層技術(shù)主要包括：牽引變流器技術(shù)、牽引控制及其網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、交流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)技術(shù)和牽引變壓器技術(shù)。輔助層技術(shù)主要包括：冷卻與通風(fēng)技術(shù)、輔助變流器技術(shù)、控制電源技術(shù)、保護(hù)技術(shù)和電磁兼容與布線技術(shù)。相關(guān)層技術(shù)主要包括：司機(jī)操縱技術(shù)、車體輕量化技術(shù)、轉(zhuǎn)向架技術(shù)、空氣制動(dòng)技術(shù)和高壓側(cè)檢測(cè)技術(shù)。動(dòng)力制動(dòng)模塊空氣系統(tǒng)模塊輔助變頻器主變頻器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊通訊模塊電子設(shè)備

2024/8/22163.交流電力傳動(dòng)技術(shù)在機(jī)車方面的應(yīng)用三相交流傳動(dòng)技術(shù)用于機(jī)車動(dòng)力牽引是從70年代開始的。1971年原西德研制了第一批DE2500型交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，經(jīng)試運(yùn)行后，證實(shí)了三相交流機(jī)車的一系列重大優(yōu)點(diǎn)：牽引力大、粘著利用好、制動(dòng)性能優(yōu)越、以及維修量小等。從而掀起了研究三相交流傳動(dòng)機(jī)車的熱潮。1980年，原西德又將第一批E120型交流傳動(dòng)干線電力機(jī)車投入運(yùn)行，這是交流傳動(dòng)機(jī)車發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑。近年來，已有多種型號(hào)的三相交流傳動(dòng)電力機(jī)車、交流電傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車和高速電動(dòng)車組，相繼在德國、法國、日本、美國、丹麥、挪威、瑞士、瑞典、意大利、奧地利、西班牙、韓國、中國及臺(tái)灣地區(qū)等國鐵路線上運(yùn)行。2024/8/2217日本在1990年也研制成功了EF500型雙流制交-直-交流電力機(jī)車樣機(jī)和新干線300系的交-直-交高速電動(dòng)車組。后又成功研制出500系、700系、800系等高性能交流傳動(dòng)高速動(dòng)車組。從20世紀(jì)90年代開始，鐵路發(fā)達(dá)國家已不再生產(chǎn)相控脈流電力機(jī)車和直流電傳動(dòng)的內(nèi)燃機(jī)車，全部采用交流傳動(dòng)控制技術(shù)。從世界范圍內(nèi)來看，目前三相交流傳動(dòng)電力機(jī)車的技術(shù)研究中心在西歐，主要集中在西門子電氣集團(tuán)、法國阿爾斯通電氣集團(tuán)、龐巴迪公司、ABB電氣集團(tuán)。大功率交流傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車技術(shù)主要由美國GE公司、EMD公司掌控，其產(chǎn)品代表了當(dāng)今內(nèi)燃機(jī)車的最高水準(zhǔn)，在國際市場(chǎng)上占有絕大多數(shù)分額，處于絕對(duì)壟斷地位。2024/8/22184.交流電力牽引傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向交流傳動(dòng)是一門跨學(xué)科的技術(shù)，它涉及到電力電子器件、變流器、交流電動(dòng)機(jī)、控制理論及微電子學(xué)在內(nèi)的許多領(lǐng)域。經(jīng)過20多年的發(fā)展，交流傳動(dòng)技術(shù)在工業(yè)及交通運(yùn)輸業(yè)中已開始得到廣泛應(yīng)用。但是，由于這一領(lǐng)域所具有的跨學(xué)科的特點(diǎn)，在系統(tǒng)控制理論上和許多實(shí)用技術(shù)上，還存在一些問題，有待進(jìn)一步研究改進(jìn)和提高，其發(fā)展前景可歸納為三個(gè)方面，物質(zhì)基礎(chǔ)、理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。

(1)物質(zhì)基礎(chǔ)電力電子器件的發(fā)展是變流技術(shù)(傳動(dòng)技術(shù))進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)。電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)歷了三代：2024/8/2219

-普通晶閘管、快速晶閘管

-GTR(大功率晶體管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)

-IGBT（GTR與MOSFET優(yōu)點(diǎn)結(jié)合）IPM……

IGCT(集成門極換流晶閘管，IGBT與GTO結(jié)合)在器件復(fù)合化思路的基礎(chǔ)上，工業(yè)先進(jìn)國家正在向研制功率集成電路（PIC）的方向發(fā)展。在PIC（PowerIntegratedCircuit）器件中，把能承受高電壓大電流的功率器件和起控制作用的邏輯電路（驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路、檢測(cè)電路等）以及溫度自動(dòng)控制電路等集成在一起，最后形成一個(gè)整體，構(gòu)成稱之為SmartPower裝置，這可以算作第四代電力電子器件。2024/8/2220這種集成功率器件，使變流裝置進(jìn)一步向小型化、智能化和節(jié)能化方向發(fā)展，并促使傳動(dòng)調(diào)速與電子信息學(xué)科相結(jié)合，為機(jī)電一體化開辟了廣闊前景，將成為其它各項(xiàng)高科技發(fā)展的基礎(chǔ)?？v觀電力電子器件發(fā)展過程，可以明顯看出，電力電子器件主要沿著兩大應(yīng)用領(lǐng)域---大功率電力變換和智能化傳動(dòng)控制的方向發(fā)展。電力電子器件將進(jìn)一步向高電壓、大電流、高頻、快關(guān)斷、低耗易驅(qū)動(dòng)以及復(fù)合化、模塊化、智能化的方向發(fā)展。

附件1：全控型器件

GTR—GiantTransistor,是一種高電壓、大電流的雙極結(jié)型晶體管BipolarJunctionTransistor—BJT。GTR=BJT

FET--–FieldEffectTransistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管，分為絕緣柵型和結(jié)型。MetalOxideSemiconductorFET—MOSFET(PowerMOSFET)/絕緣柵型，屬于N溝道增強(qiáng)型。MOSFET是用柵極電壓來控制漏極電流的。特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，需要的驅(qū)動(dòng)功率??；開關(guān)速度快、工作頻率高；熱穩(wěn)定性優(yōu)于BJT；容量小、耐壓低、應(yīng)用功率小于10kW。

IGBT—Insulated-GateBipolarTransistor絕緣柵雙極晶體管，結(jié)合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)原理與MOSFET基本相同，是一種場(chǎng)控器件，其開通和關(guān)斷由柵極和發(fā)射極間的電壓uCE

決定的，當(dāng)uCE(th)時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流，使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管基極電流被切斷，使IGBT關(guān)斷。IGBT的開關(guān)速度低于MOSFET。開啟電壓uGE(th)

是IGBT實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)調(diào)制而導(dǎo)通的最低柵射極電壓，

uGE(th)隨溫度升高而略有下降，溫度每升高一度，其值下降5mV左右。在25℃時(shí)，uGE(th)一般為2~6V。技術(shù)特征：IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。1000V以上時(shí)，IGBT的開關(guān)損耗只有GTR的1/10，與MOSFET相當(dāng)；IGBT通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別在電流較大區(qū)域。IGBT輸入阻抗高，輸入特性與MOSFET相當(dāng)。在保持高開關(guān)頻率下耐壓和通流能力還可提高。2024/8/2223(2)理論基礎(chǔ)控制策略的發(fā)展是變流技術(shù)(傳動(dòng)技術(shù))進(jìn)步的理論基礎(chǔ)晶閘管移相整流控制PWM控制四象限脈沖整流控制磁場(chǎng)定向控制---矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制……

(3)技術(shù)保證

現(xiàn)代控制手段的進(jìn)步是變流技術(shù)(傳動(dòng)技術(shù))進(jìn)步的技術(shù)保證。曾經(jīng)，由復(fù)雜的模擬-數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制功能。

現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)化控制、模塊化結(jié)構(gòu)、微機(jī)品質(zhì)不斷提升：2024/8/22248位—16位—32位--…；定點(diǎn)計(jì)算—浮點(diǎn)計(jì)算；高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心構(gòu)筑實(shí)時(shí)控制器。

交流傳動(dòng)的優(yōu)越性將得到進(jìn)一步體現(xiàn)----優(yōu)越的運(yùn)行性能顯著的節(jié)能效果低運(yùn)營維護(hù)成本良好的可靠性交流傳動(dòng)取代直流傳動(dòng)是電傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)！

3.1.2交流傳動(dòng)系統(tǒng)分類交流傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用范圍較廣，分類方式較多，可以按照功率等級(jí)、供電型式和車型來分類。供電方式功率等級(jí)列車類型2024/8/22263.2交流電力傳動(dòng)系統(tǒng)組成模式交流傳動(dòng)系統(tǒng)由牽引變流器、牽引電動(dòng)機(jī)、微機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制單元等主要部分組成。交流電力傳動(dòng)系統(tǒng)組成模式主要有三種，即內(nèi)燃機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)、電力機(jī)車及動(dòng)車組交流傳動(dòng)系統(tǒng)、地鐵和城軌列車交流傳動(dòng)系統(tǒng)。3.2.1內(nèi)燃機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車是自帶能源的機(jī)車。由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)三相同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生三相交流電，經(jīng)二極管不可控整流器整流輸出直流電壓，逆變器將直流電變換成三相頻率電壓可調(diào)的交流電源驅(qū)動(dòng)異步牽引電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制。微機(jī)控制裝置通過控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來控制直流電牽引電制動(dòng)二極管整流橋逆變器制動(dòng)電阻柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組控制器圖3.2內(nèi)燃機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)工作示意圖壓，使?fàn)恳l(fā)電機(jī)按照恒功率方式運(yùn)行，保持柴油機(jī)輸出功率不變。傳動(dòng)控制單元控制逆變器輸出變頻變壓交流電源，來控制電動(dòng)機(jī)輸出給定的轉(zhuǎn)矩。內(nèi)燃機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)在不同手柄級(jí)位、不同柴油機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，具有不同中間直流電壓和不同功率限制。系統(tǒng)慣性大、調(diào)節(jié)速度慢。同一級(jí)位時(shí)，由于按照恒功率供電關(guān)系，中間直流電壓波動(dòng)大。動(dòng)力制動(dòng)采用電阻制動(dòng)。目前制動(dòng)能量通過電阻消耗，最終以熱能的形式排向大氣。2024/8/22293.2.2

電力機(jī)車、電動(dòng)車組交流傳動(dòng)系統(tǒng)電力機(jī)車和電動(dòng)車組均為外接能源的動(dòng)力系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成如圖3—4所示，系統(tǒng)模塊圖如圖3—5所示。通過受電弓將單相高壓交流電源從接觸網(wǎng)引入車內(nèi)，經(jīng)變壓器降壓，由傳動(dòng)控制單元控制四象限整流器完成交流到直流的變換，再控制逆變器完成直流到三相交流的VVVF(變壓變頻)變換，向異步牽引電動(dòng)機(jī)供電，對(duì)其轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。牽引時(shí)，能量是從電網(wǎng)流向電動(dòng)機(jī)，電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。制動(dòng)時(shí)，過程相反，機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能回饋電網(wǎng)。電力機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)屬于交-直-交流系統(tǒng)，中間直流電壓恒定，波動(dòng)小。電制動(dòng)采用再生制動(dòng)方式，功率因數(shù)接近于1。圖3—5電力機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)模塊圖

整流器將牽引變壓器次邊輸入的單相交流電變?yōu)橹绷麟姟Ｄ孀兤鲗⒅虚g直流電逆變?yōu)闋恳姍C(jī)所需要的可調(diào)頻調(diào)壓的三相交流電。中間直流電路為逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。排風(fēng)閥（防滑器）壓力傳感器稱重信號(hào)接觸網(wǎng)制動(dòng)控制裝置司機(jī)制動(dòng)控制器空氣壓縮機(jī)干燥裝置制動(dòng)單元車輛制動(dòng)信息顯示和監(jiān)控裝置再生制動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)EMU制動(dòng)系統(tǒng)牽引變流器2024/8/22343.2.3地鐵、城軌及中低速磁懸浮列車交流傳動(dòng)系統(tǒng)地鐵、城軌及中低速磁懸浮列車都采用直流供電。直流電源通過受電弓或第三軌從電網(wǎng)引入，經(jīng)高速斷路器、濾波電抗器等高壓電器再接入逆變器。在傳動(dòng)控制單元的控制下，逆變器將輸入的直流電能變換成變頻、變壓的三相交流電，供給異步牽引電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)異步牽引電動(dòng)機(jī)的控制，從而完成機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，達(dá)到調(diào)速目的。地鐵、城軌列車采用的交流牽引電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上有兩種形式，即旋轉(zhuǎn)式和直線式，同為異步電動(dòng)機(jī)，但牽引性質(zhì)不同。普通旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為粘著牽引，直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與磁懸浮列車相同，屬于非粘著牽引。

1.旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵、城軌列車地鐵、城軌列車交流傳動(dòng)系統(tǒng)組成如圖3—6所示。地鐵輕軌列車交流傳動(dòng)系統(tǒng)由于采用直流供電，電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍較大。起動(dòng)、制動(dòng)頻繁，加、減速度大。運(yùn)行為間歇式，系統(tǒng)一般用小時(shí)制定額考核，而非持續(xù)定額。電制動(dòng)優(yōu)先采用再生制動(dòng)，也可通過電阻吸收制動(dòng)能量。2024/8/22362.直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的城軌列車系統(tǒng)在城市軌道列車中，采用直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)，可降低噪音、減小振動(dòng)與磨耗，降低列車高度，減小土建施工量，有利于提高經(jīng)濟(jì)性。直線電動(dòng)機(jī)一般分為直線同步電動(dòng)機(jī)和直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。直線同步電機(jī)LSM(LinerSynchronousMotor)中，導(dǎo)軌上的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與列車上的定子磁場(chǎng)同步運(yùn)行，控制定子磁場(chǎng)的移動(dòng)速度就可以準(zhǔn)確控制列車的運(yùn)行速度，德國的運(yùn)捷TR和日本的ML系統(tǒng)均使用這種直線同步電機(jī)。直線感應(yīng)電機(jī)LIM(LinerInductionMotor)中，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)不同步運(yùn)行，故也稱為直線異步電動(dòng)機(jī)。中低速2024/8/2237磁懸浮列車及城市軌道交通中一般使用直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。直線電機(jī)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將旋轉(zhuǎn)電機(jī)切割展開成直線狀。感應(yīng)直線電動(dòng)機(jī)的電樞，相當(dāng)于把感應(yīng)式旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的定子切開、拉直。軌道上包覆的鋁板，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鼠籠或杯形轉(zhuǎn)子也被切開拉直。城市軌道交通用的直線電動(dòng)機(jī)(LIM)定子（初級(jí)線圈）設(shè)置在車輛上的直線電機(jī)里，轉(zhuǎn)子（次級(jí)線圈）設(shè)置在軌道上的感應(yīng)板內(nèi)。在直線電動(dòng)機(jī)的定子三相繞組中通入頻率和電壓均可變的三相電壓，氣隙中將產(chǎn)生速度和運(yùn)動(dòng)方向都能改變的行波磁場(chǎng)。行波磁場(chǎng)切割軌道上的鋁板，將產(chǎn)生感應(yīng)電流，其與電樞磁場(chǎng)相作用，產(chǎn)生直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。列車的運(yùn)行工況2024/8/2238（牽引、惰行、制動(dòng)）及運(yùn)行速度完全由定子繞組中的移動(dòng)磁場(chǎng)控制。直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)屬于非粘著驅(qū)動(dòng)，不需要與軌道接觸，并直接將牽引力作用于車輛，只要驅(qū)動(dòng)力足夠大，可以在很大的坡道上運(yùn)行；將直線電機(jī)反向驅(qū)動(dòng)，也可以產(chǎn)生制動(dòng)力，沒有機(jī)械摩擦，對(duì)軌道不產(chǎn)生磨損。起動(dòng)加速性能好。轉(zhuǎn)向架上不安裝旋轉(zhuǎn)電機(jī)和齒輪箱，空間大，易于采用徑向轉(zhuǎn)向架等技術(shù)。直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)列車系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：

安全可靠----依靠輪軌導(dǎo)向保證安全；

經(jīng)濟(jì)合理----站場(chǎng)及隧道土建規(guī)模小、軌道結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、2024/8/2239養(yǎng)護(hù)維修、運(yùn)營費(fèi)用低利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)可降低地板面高，減小限界尺寸綠色環(huán)保，低噪音、低磨耗、小振動(dòng)。

存在的主要缺點(diǎn)：

效率不及旋轉(zhuǎn)電機(jī)----由于直線電機(jī)氣隙比旋轉(zhuǎn)電機(jī)大，故其傳動(dòng)效率一般為70%左右，而旋轉(zhuǎn)電機(jī)本身與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總效率在90%左右；

調(diào)整機(jī)構(gòu)復(fù)雜----由于存在輪軌磨耗等因素，為保證氣隙，直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛轉(zhuǎn)向架需要設(shè)置復(fù)雜的調(diào)整機(jī)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)型電機(jī)線性感應(yīng)電機(jī)定子線圈轉(zhuǎn)子線圈定子線圈（車輛側(cè)）轉(zhuǎn)子線圈（地面?zhèn)?，反?yīng)作用板）四方股份正在測(cè)試中的地鐵列車2008.10于青島四方股份正在測(cè)試中的地鐵列車軌道感應(yīng)板(長轉(zhuǎn)子)2008.10于青島2024/8/22443.中低速磁浮列車交流傳動(dòng)系統(tǒng)磁浮列車主要由懸浮系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)組成。

懸浮電磁鐵安裝在轉(zhuǎn)向架上，形成車廂的第一系支撐。每臺(tái)轉(zhuǎn)向架有兩個(gè)懸浮模塊，分別安裝了四只電磁鐵和一臺(tái)感應(yīng)式直線電機(jī)。每個(gè)懸浮模塊上的四只電磁鐵組成兩個(gè)支承單元，分別用兩個(gè)斬波器和一套懸浮控制器實(shí)施懸浮控制，兩個(gè)獨(dú)立控制的電磁力分別作用在模塊兩端的1/4處。氣隙傳感器安裝在懸浮模塊最外側(cè)的兩只電磁鐵的磁極端部。中低速磁浮列車推進(jìn)系統(tǒng)為直—交流傳動(dòng)，牽引電動(dòng)機(jī)采用直線異步電動(dòng)機(jī)LIM。一般采用短定子、長轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。2024/8/22503.3交流牽引電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速3.3.1交流牽引電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)

交流牽引電動(dòng)機(jī)基本采用三相交流異步籠式電動(dòng)機(jī)，因此，其工作原理、結(jié)構(gòu)與普通三相異步電動(dòng)機(jī)基本相同。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、單機(jī)功率大、特性硬等特點(diǎn)，是很有發(fā)展前途的一種交流牽引電動(dòng)機(jī)。

1.交流牽引電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)交流牽引電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通三相異步籠式電動(dòng)機(jī)基本相同，主要由定子、轉(zhuǎn)子及氣隙三部分組成。（1）定子定子包括定子鐵芯、定子繞組、定子機(jī)座三部分。

2024/8/2252定子鐵芯是電動(dòng)機(jī)主磁路的一部分。為減少勵(lì)磁電流和鐵芯損耗，鐵芯由0.5mm的硅鋼片疊成。在定子鐵芯內(nèi)圓，均勻的沖有許多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組。牽引電動(dòng)機(jī)定子鐵心槽采用窄而深的矩形槽形，與普通異步電動(dòng)機(jī)采用的半閉口型、半開口型和開口型槽形不同。定子繞組是電動(dòng)機(jī)電路的一部分。它由AX、BY、CZ三相構(gòu)成，按照一定的規(guī)律對(duì)稱地嵌放在定子鐵心槽中。定子機(jī)座為定子鐵心提供安裝空間，是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械支撐部分，是否設(shè)置專門安裝機(jī)座，試需要而定。列車用異步牽引電動(dòng)機(jī)一般不采用專門機(jī)座，這樣，既可有利于散熱又可減輕重量。定子采用全迭片焊接結(jié)構(gòu)機(jī)座，機(jī)座由定子沖鐵芯疊片壓板壓板定子通風(fēng)孔

安全吊座支撐板懸掛吊座全疊片式定子結(jié)構(gòu)2024/8/2254片迭片和兩個(gè)支撐磁路的鑄鋼壓圈，通過拉板和吊掛焊接而成，焊接后有的產(chǎn)品需進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。有的產(chǎn)品不進(jìn)行退火處理，對(duì)于焊接后不進(jìn)行退火處理的電機(jī)機(jī)座，在設(shè)計(jì)中就要考慮消除應(yīng)力的方法；在制造中，對(duì)焊接工藝、人員資質(zhì)都有嚴(yán)格要求。

（2）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是主磁路的一部分，一般由0.5mm厚的冷軋硅鋼片和兩個(gè)壓板疊壓而成，然后熱套在轉(zhuǎn)軸上，采用過盈配合傳遞扭矩。轉(zhuǎn)軸的材料為優(yōu)質(zhì)合金鋼鍛造而成，具有較高的強(qiáng)度和抗沖擊韌性性能。同時(shí)，為了增大疊片結(jié)構(gòu)的過盈配合面積，滿足2024/8/2255傳遞較高的系統(tǒng)短路扭矩的要求，轉(zhuǎn)軸的鐵心位采用較大的直徑。轉(zhuǎn)子前后壓板和沖片上開有軸向通風(fēng)孔，改善了轉(zhuǎn)子的散熱。轉(zhuǎn)子前后壓板采用球墨鑄鐵或較為精確的模鍛制造。牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)。籠型轉(zhuǎn)子繞組是一個(gè)自行閉合的繞組，它由插入每個(gè)轉(zhuǎn)子槽中的金屬導(dǎo)條和兩端的環(huán)形端環(huán)構(gòu)成。籠型轉(zhuǎn)子采用銅條插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)、再將兩端與端環(huán)焊接的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)條和端環(huán)之間采用中頻感應(yīng)釬焊進(jìn)行焊接，可保證電機(jī)性能參數(shù)的一致性，解決了導(dǎo)條與端環(huán)的焊接質(zhì)量問題和轉(zhuǎn)子電阻分散性問題。轉(zhuǎn)子端環(huán)的材料要求具有較小的電阻溫度系數(shù)。牽引電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條材料采用強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定的高電阻銅合金材料，采用拉制工藝生產(chǎn)。2024/8/2256轉(zhuǎn)子上裝配有較為復(fù)雜的油封組件，目的是防止電機(jī)運(yùn)行時(shí)齒輪箱內(nèi)潤滑油進(jìn)入電機(jī)。為了減輕重量，不承受力的油封組件全采用鑄鋁件。為了預(yù)防軸承電流，牽引電動(dòng)機(jī)目前采用兩種軸承形式:●兩端采用絕緣軸承●非傳動(dòng)端用兩個(gè)接地電刷，兩端軸承為普通軸承。

（3）氣隙異步電動(dòng)機(jī)的氣隙一般為0.2--2mm。氣隙也是電動(dòng)機(jī)主磁路的一部分，氣隙大小對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的性能有很大的影響。為了降低電動(dòng)機(jī)的空載電流、提高功率因數(shù)，氣隙應(yīng)盡可能小。如果把異步電動(dòng)機(jī)看作變壓器，顯然氣隙愈小則定子和2024/8/2257轉(zhuǎn)子之間的相互感應(yīng)作用就愈強(qiáng)。但氣隙過小，將使裝配困難和運(yùn)行不可靠。因此，允許采用的最小氣隙是按加工可能及機(jī)械安全考慮，所能達(dá)到的最小值為限值。另一方面，若從磁場(chǎng)脈振所引起的附加損耗、因高次諧波磁場(chǎng)所引起的漏磁來看，氣隙稍大一點(diǎn)也有其有利的一面。為保證交流異步牽引電動(dòng)機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)能承受變頻器運(yùn)行產(chǎn)生的實(shí)際電壓沖擊，電動(dòng)機(jī)采用不低于H級(jí)絕緣結(jié)構(gòu)，并對(duì)電樞繞組的首末匝進(jìn)行加強(qiáng)，C（或200）級(jí)絕緣具有更高的耐溫等級(jí)，能進(jìn)一步發(fā)揮交流傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，提高了溫升裕度，延長了電動(dòng)機(jī)使用壽命。2024/8/2258

2.交流異步牽引電動(dòng)機(jī)工作原理感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理，在三相對(duì)稱定子繞組中通入三相對(duì)稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出電勢(shì)、產(chǎn)生電流，在轉(zhuǎn)子上形成電磁轉(zhuǎn)矩，對(duì)外輸出機(jī)械能拖動(dòng)負(fù)載。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是三相異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的前提條件。

（1）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的建立所謂旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，就是一種極性和大小不變，以某一種速度旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。根據(jù)理論分析和實(shí)踐證明，在三相對(duì)稱繞組中通入三相對(duì)稱電流將產(chǎn)生一種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。A—X、B—Y、C—Z三相繞組在空間彼此互差120°，均勻地分布在定子鐵心2024/8/2259內(nèi)圓周上，構(gòu)成了三相對(duì)稱繞組。這個(gè)對(duì)稱繞組的相序是由A→B→C。當(dāng)三相對(duì)稱繞組接入三相對(duì)稱電源時(shí)，則在繞組中產(chǎn)生三相對(duì)稱電流。各相電流的表達(dá)式為

由于三相電流是隨時(shí)間連續(xù)變化的，為了考察對(duì)稱三相電流產(chǎn)生的磁效應(yīng)，只能通過幾個(gè)特殊的瞬間（時(shí)刻）來說明問題。這里選擇0°、120°、240°、360°四個(gè)時(shí)刻，以兩極磁場(chǎng)為例進(jìn)行分析。對(duì)電流的正方向作出規(guī)定：當(dāng)電流從每相繞組的末端流2024/8/2260入、首端流出時(shí)，此電流的方向記為正，反之則記為為負(fù)，用符號(hào)⊙表示電流流出，表示流入。時(shí),，,按照設(shè)定的電流正方向，將各相電流的方向表示在各相線圈的剖面圖上，如圖3—13所示。從圖中可看出，Y、A、Z三個(gè)線圈邊中電流都從圖面流出，且Y、Z邊中的電流大小相等，根據(jù)右手螺旋定則，可知這三個(gè)線圈邊中電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)磁力線的分布必定是以A邊為中心，左右反向?qū)ΨQ，磁力線通過轉(zhuǎn)子時(shí)，其方向?yàn)閺南孪蛏?。同理，可確定出B、X、C三個(gè)線圈邊中，電流產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)磁力線的分布。整個(gè)磁場(chǎng)的磁力線分布左右對(duì)稱。因此，從磁力線的圖像看，和一對(duì)磁極產(chǎn)生2024/8/2262的磁力線一樣。用同樣的方法，可以作出這三個(gè)特定瞬間的電流方向與磁力線的分布情況，分別如圖3—15b、c、d所示。依次觀察圖3—15所示的四個(gè)特定瞬間的磁力線分布情況，可看出對(duì)稱三相電流通入對(duì)稱的三相繞組后建立的合成磁場(chǎng)，并不是靜止不動(dòng)的，而是猶如一對(duì)磁極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，其大小不變。從到的這幾個(gè)瞬間，三相電流相應(yīng)的變化了一個(gè)周期，三相電流建立的合成磁場(chǎng)在空間也相應(yīng)的轉(zhuǎn)過了電角度,即電流變化一次，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)。因此，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（r/s）與電流變化頻率的關(guān)系為2024/8/2263旋轉(zhuǎn)方向是從A相轉(zhuǎn)向B相、再轉(zhuǎn)向C相，即按A→B→C順序旋轉(zhuǎn)（圖中為逆時(shí)針方向），此轉(zhuǎn)向與三相繞組中電流變化的相序相同。如果A、B、C三相對(duì)稱繞組的每一相分別由兩個(gè)線圈串聯(lián)組成，即、，每個(gè)線圈的跨距為1/4圓周，用同樣的方法可確定，對(duì)稱三相電流所建立的合成磁場(chǎng)仍然是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這時(shí)磁場(chǎng)的磁極變?yōu)樗膫€(gè)，即兩對(duì)磁極，每對(duì)磁極占有的幾何空間為1/2圓周。當(dāng)電流變化一次時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)只轉(zhuǎn)過了1/2圓周，即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為。若將繞組按一定的規(guī)律布置，可得到三對(duì)、2024/8/2264四對(duì)或者對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，用相同的方法去觀察旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與磁極對(duì)數(shù)之間的關(guān)系是一種反比例關(guān)系，即具有對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電流每變化一次，磁場(chǎng)則轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)。三相交流電源的頻率為，極對(duì)數(shù)為的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為

(r/min)式中——旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，也叫同步轉(zhuǎn)速。由此可證實(shí)，當(dāng)對(duì)稱的三相電流通入對(duì)稱的三相繞組時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小不變、轉(zhuǎn)速一定、轉(zhuǎn)向與三相對(duì)稱電流變化相序相同的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

（2）三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理三相異步電動(dòng)機(jī)的定子鐵心上嵌有對(duì)稱的三相繞組，轉(zhuǎn)子繞組由均勻分布在轉(zhuǎn)子鐵心槽中的金屬導(dǎo)條、導(dǎo)條兩端的短路銅環(huán)組成，即轉(zhuǎn)子繞組是一閉合（短路）繞組。當(dāng)三相對(duì)稱電源接入三相對(duì)稱繞組后，將在定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立同步轉(zhuǎn)速為的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子繞組被旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁力線所切割（磁力線切割導(dǎo)體），根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)、形成電流。若旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，根據(jù)右手定則，可以判斷出轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)電勢(shì)的方向,如圖2024/8/22663—15所示。如果不考慮導(dǎo)條中感應(yīng)電勢(shì)與電流的相位差，則電流的瞬時(shí)方向與感應(yīng)電勢(shì)的瞬時(shí)方向相同。根據(jù)電磁定律，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中將受到電磁力的作用，產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在該電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，也將會(huì)沿著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速為。此時(shí)若轉(zhuǎn)子與負(fù)載聯(lián)接后，轉(zhuǎn)子將克服負(fù)載的阻轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換，這就是三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理。三相異步電動(dòng)機(jī)是利用電磁感應(yīng)原理，通過定子中的三相對(duì)稱電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)2024/8/2267轉(zhuǎn)子電流因感應(yīng)而產(chǎn)生，故也叫感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。正常情況下，三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低或略高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），這是因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條上之所以能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵是導(dǎo)條與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這樣才能發(fā)生電磁感應(yīng)，產(chǎn)生電勢(shì)形成電流，從而產(chǎn)生電磁力。如果異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條之間不再有相對(duì)運(yùn)動(dòng),也就不可能在導(dǎo)條中感應(yīng)電勢(shì)，也不會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩來拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。因此異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)只能異步地轉(zhuǎn)動(dòng)，異步電動(dòng)機(jī)由此而得名。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差值稱為轉(zhuǎn)差，用2024/8/2268轉(zhuǎn)差率是表征感應(yīng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要參量。一般情況下，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率變化不大，空載時(shí)約為0.5%，額定負(fù)載時(shí)約為5%,牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率一般小于2%。在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，有時(shí)將轉(zhuǎn)差率換算為轉(zhuǎn)差頻率使用更方便。轉(zhuǎn)差頻率就是轉(zhuǎn)差對(duì)應(yīng)的頻率，即

表示。轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率，用表示，即

3.交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的等效電路

等效電路是交流異步電動(dòng)機(jī)分析計(jì)算的基本數(shù)學(xué)模型，真實(shí)的反映了電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的各種電磁過程與電磁現(xiàn)象，是電動(dòng)機(jī)的模擬電路。如圖3--16所示。2024/8/22704.交流異步牽引電機(jī)的工作特性異步牽引電動(dòng)機(jī)的工作特性是指定子電流、功率因數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩、效率、轉(zhuǎn)差頻率、輸出功率、輸出電壓等與輸入頻率（轉(zhuǎn)速）之間的關(guān)系，即異步牽引電動(dòng)機(jī)的工作特性可通過直接負(fù)載法求取，也可通過等效電路進(jìn)行計(jì)算。工作特性如圖3—A所示。負(fù)載變化時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性分析：頻率不變而負(fù)載變化時(shí)將引起轉(zhuǎn)速變化，其調(diào)節(jié)過程如3—B所示。頻率變化而轉(zhuǎn)速不變時(shí)，其調(diào)節(jié)過程如3—C所示。2024/8/2273

對(duì)于一臺(tái)已制成的電動(dòng)機(jī)，當(dāng)外加電壓和頻率一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩是轉(zhuǎn)差率的二次函數(shù)。

1.機(jī)械特性與運(yùn)行狀態(tài)分析

3.3.2交流異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系，，其機(jī)械特性如圖3—17所示。工作狀態(tài)電磁制動(dòng)反接制動(dòng)起動(dòng)點(diǎn)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)再生制動(dòng)特征雙端輸入能量，全部能量消耗在轉(zhuǎn)子回路中。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相反，轉(zhuǎn)速等于零，開始起動(dòng)。機(jī)械特性位于第一象限，磁場(chǎng)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同機(jī)械特性位于第二象限，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相同，表3--22024/8/2276

2.最大轉(zhuǎn)矩與臨界轉(zhuǎn)差率電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)差率求一階導(dǎo)數(shù),并令其等于零，所求得的轉(zhuǎn)矩即為最大轉(zhuǎn)矩。最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率稱為臨界轉(zhuǎn)差率。

由于，可忽略的影響得到近似表達(dá)式：

電機(jī)參數(shù)與電源參數(shù)已知時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩與定子繞組相電壓的平方成正比，與定子繞組電流頻率的平方成反比，與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)；而臨界轉(zhuǎn)差率則與轉(zhuǎn)子電阻成正比，與定子繞組相電壓無關(guān)。最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比稱為過載能力，用表示，即。一般=1.6~2.5。牽引電動(dòng)機(jī)KT=1.1~5.3.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性曲線中轉(zhuǎn)速等于零（轉(zhuǎn)差率等于1)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)參數(shù)及電源參數(shù)給定時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子相電壓的平方成正比，與轉(zhuǎn)子電阻的大小成正比，而與定轉(zhuǎn)子漏電抗成反比。

增大轉(zhuǎn)子回路電阻值，可以增大電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這一點(diǎn)對(duì)繞線式轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)非常有用，但對(duì)籠式轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)作用有限，只能采用高阻值的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料來改善起動(dòng)能力。對(duì)于籠型轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)能力用起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)考量，2024/8/2279可以通過三種方式對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，即改變電動(dòng)機(jī)繞組的極對(duì)數(shù)、改變轉(zhuǎn)差率和改變供電電源的頻率進(jìn)行調(diào)速。改變電動(dòng)機(jī)繞組的極對(duì)數(shù)調(diào)速，就是改變電機(jī)繞組的接法，它為有級(jí)調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，也叫串級(jí)調(diào)速，是在轉(zhuǎn)子回路中串電阻或串入附加電勢(shì)進(jìn)行調(diào)速，適合繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。顯然這兩種調(diào)速方法不適合于牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，唯有改變電源頻率調(diào)速適合于牽引電動(dòng)機(jī)調(diào)速。3.3.3交流異步牽引電動(dòng)機(jī)調(diào)速

根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式2024/8/2280

改變頻率調(diào)速，就是連續(xù)改變施加到異步電動(dòng)機(jī)上的供電電源的頻率，達(dá)到平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速之目的。變頻調(diào)速的首要條件是需要一套調(diào)節(jié)范圍較大的變頻電源，在一定頻率范圍內(nèi)，能夠連續(xù)改變輸出頻率供給牽引電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。在列車電力傳動(dòng)系統(tǒng)，無論是自備發(fā)電的內(nèi)燃機(jī)車系統(tǒng)、還是從工業(yè)民用電網(wǎng)取用電能的電力機(jī)車/EMU，對(duì)其交流電源直接進(jìn)行變頻，不能滿足列車牽引調(diào)速要求。只能采用變通的方法，首先將交流電源整流成為直流電源，并通過濾波穩(wěn)壓，獲得平直的直流電壓，再將直流電逆變?yōu)槿嘧儔鹤冾l的交流電，供給牽引電動(dòng)機(jī)，即交-直-交的調(diào)速方法，這是一種先進(jìn)而復(fù)雜的調(diào)速方法。能夠?qū)崿F(xiàn)頻繁的正、反轉(zhuǎn)，2024/8/2281起、制動(dòng)運(yùn)行，調(diào)速范圍廣，調(diào)速精度高，能夠獲得與直流調(diào)速相同的效果，是最有發(fā)展前途的一種調(diào)速方法。對(duì)于不同的負(fù)載，變頻調(diào)速可分為恒磁通調(diào)速和恒功率調(diào)速兩種。變頻調(diào)速時(shí)為了使勵(lì)磁電流和功率因數(shù)基本保持不變，希望磁通保持不變，電動(dòng)機(jī)的過載能力也保持不變；當(dāng)電壓調(diào)到一定時(shí)只能保持限定值，開始進(jìn)入磁削狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)恒功率調(diào)速。

1.恒磁通調(diào)速當(dāng)電源電壓一定時(shí)，如果降低頻率，則主磁通要增大，基頻(額定頻率)以下主磁通增加勢(shì)必使主磁路過飽和，使勵(lì)2024/8/2282使主磁路過飽和，使勵(lì)磁電流急增，鐵心損耗也增加，這是不允許的。為此調(diào)頻時(shí)一定要調(diào)電勢(shì)，保持電勢(shì)與頻率的比值不變，即可保持主磁通不變。隨著頻率的降低，感應(yīng)電勢(shì)也要等比例相應(yīng)的下降，但感應(yīng)電勢(shì)難以檢測(cè)與控制。若用電壓代替感應(yīng)電勢(shì)進(jìn)行控制，即保持，將產(chǎn)生一定的誤差。當(dāng)頻率較高時(shí)，，根據(jù)最大電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)式可知，繞組電阻可以忽略不計(jì)，由此所產(chǎn)生的誤差較小，一般能夠滿足工程需要。從電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力來看，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩及負(fù)載能力基本維持不變；當(dāng)頻率很低時(shí)，電壓也下降到很低，這時(shí)電動(dòng)機(jī)漏電抗相應(yīng)減小了很多，與定子電阻相比差別不大，定子電阻的影響不容忽略。2024/8/2283若繼續(xù)按照恒壓頻比控制，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將會(huì)急劇下降，甚至?xí)霈F(xiàn)拖不動(dòng)的情況。為此在低頻區(qū)要改變控制方式，使電壓下降速度低于頻率下降速度，這樣可使控制接近于恒電勢(shì)頻率比，使電動(dòng)機(jī)仍保持一定的負(fù)載能力。根據(jù)等效電路，電磁轉(zhuǎn)矩可表示為：（3--7）2024/8/2284

由此可見，當(dāng)磁通不變時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與供電頻率無關(guān)，只與轉(zhuǎn)差頻率成正比關(guān)系。若采取措施保持轉(zhuǎn)差頻率不變，則電磁轉(zhuǎn)矩將維持恒定，這種調(diào)速方法也叫作恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這種恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特別適合于列車的起動(dòng)階段，產(chǎn)生恒定的牽引力，起動(dòng)過程平穩(wěn)，可獲得較大的起動(dòng)加速度。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式（3--7)，可計(jì)算出最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率（3--8）在調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，故有2024/8/2285

令可得到轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)差頻率和最大轉(zhuǎn)矩：（3--9）（3--10）（3--11）2024/8/2286若令式（3--9）除以式（3--11）并進(jìn)行整理，可以得到恒磁通運(yùn)行時(shí)的實(shí)用轉(zhuǎn)矩表示式對(duì)于給定電動(dòng)機(jī)而言，在銘牌和技術(shù)資料中將給出：額定功率(kW)、額定轉(zhuǎn)速(r/min)及過載能力在額定狀態(tài)下，輸出轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩相差較小，即可忽略空載阻轉(zhuǎn)矩的影響，近似以輸出轉(zhuǎn)矩代替（3--12）2024/8/2287電磁轉(zhuǎn)矩，故實(shí)用表達(dá)式表示為：式中----額定輸出轉(zhuǎn)矩，。

----額定轉(zhuǎn)差頻率，。----過載能力，。由此可計(jì)算出

（4--13）（4--14）2024/8/2288

將最大轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩

進(jìn)行比較，都是正比于磁通(即

）的平方，但是的大小卻與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，而僅反比于轉(zhuǎn)子漏感。對(duì)給定的電機(jī)而言，可視為常數(shù)。故按照恒定的進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，不同頻率下其最大轉(zhuǎn)矩的數(shù)值保持不變。而最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差頻率將與轉(zhuǎn)子電阻成正比。若忽略集膚效應(yīng)的影響，轉(zhuǎn)子電阻也為定值，即在不同的

下，的值是相同的，其機(jī)械特性曲線實(shí)際上是一簇平行的直線，如圖3--21所示。這種調(diào)速方法與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速特性類似，它可在調(diào)頻范圍

注意：實(shí)際控制時(shí)，采取的控制方式，將使得。當(dāng)高頻輸出時(shí)，由于，電阻壓降相對(duì)較小，可忽略不計(jì)，故有、內(nèi)獲得不變的過載倍數(shù)。同時(shí)由于其轉(zhuǎn)差特性較硬，故效率較高。2024/8/2290當(dāng)牽引電動(dòng)機(jī)恒磁通運(yùn)行時(shí)，定子電流可根據(jù)等值電路圖3--17求出式中----轉(zhuǎn)子總電感，此式表明，由于為常數(shù)，所以定子電流只與轉(zhuǎn)差頻（3--15）2024/8/2291率有關(guān)，而與定子頻率無關(guān)。若調(diào)節(jié)時(shí)保持不變，則在不同的下，的大小及相位都是固定不變的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)按恒磁通運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的端電壓應(yīng)如何變化？由等值電路圖3--17可知，電動(dòng)機(jī)輸入端電壓為感應(yīng)電勢(shì)和定子電壓降的向量和，即恒磁通運(yùn)行時(shí)，因隨頻率直線變化，由上式可見，僅與和有關(guān)。又從式（3--15）已知，只取決于轉(zhuǎn)差頻率，所以最終即為和的函數(shù)。（3--16）2024/8/2292對(duì)于給定的電動(dòng)機(jī)，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的要求利用式（3--13）可求出相應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率，由式（3--15）進(jìn)而求得相應(yīng)的電流，最后代入式（3--16）確定電動(dòng)機(jī)所需要的端電壓。對(duì)應(yīng)于一定的轉(zhuǎn)差頻率，可以求出電機(jī)端電壓與定子頻率函數(shù)關(guān)系，如圖3--22中的實(shí)線所示。圖中虛線表示常數(shù)，實(shí)線與虛線相比，可以看出電動(dòng)機(jī)在低頻時(shí)為保持磁通一定時(shí)需要增高的電壓。隨著頻率的降低，特別是在低頻段，漏電抗變得較小，與定子電阻很接近，這時(shí)電阻的影響較2024/8/2294大，其作用不可忽視，這將使得最大轉(zhuǎn)矩下降很快，降低了電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力。為了保證電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力基本不變，需要改變控制策略。圖3-23表示了恒壓頻比控制時(shí)的機(jī)械特性，在高頻段，隨著輸入頻率的降低，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也在相應(yīng)降低，電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩基本保持不變，而臨界轉(zhuǎn)差頻率在增加。當(dāng)頻率下降到很低時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩也下降很快，如f14時(shí)最大轉(zhuǎn)矩已降低到了，最大轉(zhuǎn)矩已下降到有可能不足以拖動(dòng)負(fù)載的程度。這時(shí)若使U1與f1不再按原高頻段的比例變化，適當(dāng)提高定子電壓，對(duì)定子壓降進(jìn)行補(bǔ)償，使U1下降的速度小于f1降低的速度，隨著頻率的下降而有所增大，電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩將會(huì)增大到，這樣將提高了低頻輸出時(shí)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力，滿足在低速狀態(tài)下牽引負(fù)載需要。2024/8/2296

2.恒功率調(diào)速在恒磁通控制中，隨著頻率和轉(zhuǎn)速的上升，電壓也相應(yīng)提高，電動(dòng)機(jī)的輸出功率增大。但電壓的提高受到電動(dòng)機(jī)功率或逆變器最大電壓的限制。通常調(diào)節(jié)頻率大于基準(zhǔn)頻率時(shí)，即當(dāng)電壓提高到一定數(shù)值后維持不變或?qū)⒉辉僬扔谏仙撕箅妱?dòng)機(jī)開始磁通減小，將進(jìn)入恒功率控制方式。根據(jù)等效電路，可導(dǎo)出電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式：（3--17）2024/8/2297

在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差率很小，，的影響可以忽略不計(jì)，，電磁轉(zhuǎn)矩公式可改寫為：其中

進(jìn)入恒功率控制階段，電壓已較高且達(dá)到了一定數(shù)值，（3--20）（3--19）（3--18）2024/8/2298由此可看出，若使電動(dòng)機(jī)按恒功率運(yùn)行，電壓與頻率的調(diào)節(jié)可采用兩種不同的方式，即、的調(diào)節(jié)方式和、的調(diào)節(jié)方式?，F(xiàn)予以分別討論：（3--21）（3--22），故或式中----常數(shù)。2024/8/2299

(1)

、(電壓不變轉(zhuǎn)差率為常數(shù))的調(diào)速方法

在此調(diào)速方法下，由于轉(zhuǎn)差率，定子輸入頻率越高，相應(yīng)的轉(zhuǎn)差頻率和臨界轉(zhuǎn)差頻率越大。當(dāng)輸入頻率較高時(shí)，與電抗相比可以忽略定子電阻的影響，則最大轉(zhuǎn)矩可表示為此表達(dá)式說明：最大轉(zhuǎn)矩近似與輸入頻率(定子頻率)的平方成反比，即（3--23）不同輸入頻率時(shí)最大轉(zhuǎn)矩的包絡(luò)線如圖3--24a所示。2024/8/22101

根據(jù)式（3—22），恒功率運(yùn)行時(shí)實(shí)際要求的電磁轉(zhuǎn)矩只是反比的變化，故和的比值是隨成反比例變化，即電動(dòng)機(jī)的過載能力發(fā)生變化。在最高頻率點(diǎn)，過載能力最小，要求KT>1.1。隨著頻率降低而過載能力在增大,當(dāng)頻率下降至基頻附近時(shí)，過載能力達(dá)到最大,KT=2～5。為了保證電動(dòng)機(jī)在全部恒功率范圍內(nèi)能穩(wěn)定運(yùn)行，其系統(tǒng)的工作點(diǎn)只能這樣選擇：在最高輸入頻率（最高轉(zhuǎn)速）時(shí)，保證電動(dòng)機(jī)具有最低的過載能力；在低輸入頻率時(shí)，特別是在恒功率范圍的持續(xù)轉(zhuǎn)速以下，電動(dòng)機(jī)的過載能力相對(duì)富裕。為保證電動(dòng)機(jī)在最高輸入頻率時(shí)按照恒功率運(yùn)行必需的最低過載能力，電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸和容量實(shí)際上只能由低2024/8/22102頻(低速)狀態(tài)的過載能力來決定，只能選取較大的數(shù)值。因此，在這種恒功率控制方式下，就牽引電動(dòng)機(jī)本身而言，功率并不能得到充分地利用。此時(shí)，電流將如何變化？根據(jù)式(3--18)，因?yàn)樵诤愎β士刂茣r(shí)轉(zhuǎn)差率較小、電壓較高，故、，可將轉(zhuǎn)子電流近似表示為：而勵(lì)磁電流則為（3--24）（3--25）2024/8/22103在相位上滯后于轉(zhuǎn)子電流接近90°，且。若忽略的影響，電動(dòng)機(jī)電流將由所決定，電動(dòng)機(jī)的電流可近似為常數(shù)。對(duì)于逆變器而言，按照恒電壓、恒電流方式工作，其變化規(guī)律如圖3—24b所示。這種調(diào)節(jié)方式屬于恒電壓調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸、容量較大，而逆變器工作在恒電壓、恒電流條件下，其容量始終得到了充分地利用，具有較小的設(shè)計(jì)尺寸。這種恒功率調(diào)節(jié)方式稱為最大電動(dòng)機(jī)與最小逆變器方案。目前在列車電力牽引傳動(dòng)領(lǐng)域，主要采用此方案。2024/8/22104

（2）時(shí)的調(diào)節(jié)方式根據(jù)式(3—23),若，可以看出，最大轉(zhuǎn)矩與成反比，呈雙曲線變化，即。不同頻率下的包絡(luò)線如圖3--25a所示。這種調(diào)節(jié)方式，使電動(dòng)機(jī)的過載能力保持不變，即。若電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)選在恒功率范圍內(nèi)的最低轉(zhuǎn)速處時(shí)，則有最小允許的過載能力。這樣在高速時(shí)仍然具有適度的過載能力，使系統(tǒng)能夠在恒功率調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并能夠充分利用電動(dòng)機(jī)的功率。電動(dòng)機(jī)的功率由運(yùn)行區(qū)域內(nèi)最低轉(zhuǎn)速點(diǎn)的參數(shù)決定，電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸較小。因?yàn)?，電?dòng)機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)規(guī)律為（為比例系數(shù)）。若已知恒轉(zhuǎn)矩與恒功率運(yùn)行轉(zhuǎn)換點(diǎn)的電壓為、頻率為，則有關(guān)系。和為已知，便可計(jì)算出不同輸入頻率時(shí)的電壓值，其關(guān)系曲線如圖3—25b所示。電動(dòng)機(jī)中各電流與頻率之間的關(guān)系可通過式（3--24）和式（3--25）導(dǎo)出：（3--26）2024/8/22107由此可見，定子電流僅與成反比例關(guān)系變化，其變化曲線如圖3—25b所示。這種控制方式為輸入恒轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸與容量較小，電動(dòng)機(jī)的功率得到了充分利用。而逆變器需要滿足最大電流和最高電壓的要求，其容量由最大電流和最高電壓來決定，元器件規(guī)格較大，必然使得設(shè)計(jì)尺寸較大。因此，稱此方式為最小電動(dòng)機(jī)與最大逆變器方式。

（3）恒功率調(diào)節(jié)方式比較比較恒功率控制的兩種方式，各有優(yōu)點(diǎn)。從可調(diào)節(jié)的恒功率范圍而言,恒轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)的恒功率范圍要寬廣一些。2024/8/22108第一種恒電壓調(diào)節(jié)方案中，電動(dòng)機(jī)有較大的設(shè)計(jì)尺寸，但就電機(jī)逆變器而言，它在恒電壓和恒電流下工作，整個(gè)運(yùn)行過程中開關(guān)元件的容量得到最充分的利用，因而逆變器本身有較小的設(shè)計(jì)尺寸。通常稱這種方案為最大電動(dòng)機(jī)和最小逆變器方案。第二種恒轉(zhuǎn)差頻率的調(diào)節(jié)方案中，電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸較小，但逆變器則需滿足最高電壓和最大電流輸出的要求，盡管這兩個(gè)參數(shù)值在整個(gè)運(yùn)行過程中不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，但逆變器的設(shè)計(jì)容量應(yīng)為最高電壓與最大電流的乘積，由此確定的元器件規(guī)格偏大、設(shè)計(jì)尺寸較大，能力富裕未能充分利用。通常稱此方案為最小電動(dòng)機(jī)和最大逆變器的方案。2024/8/22109在恒功率控制的兩種方式中，若從牽引電動(dòng)機(jī)和逆變器的角度來看，二者性能都不能同時(shí)達(dá)到最優(yōu)，很難兼顧。若從傳動(dòng)系統(tǒng)的角度來看，需要將牽引電動(dòng)機(jī)與逆變器作為一個(gè)整體來考量，對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化，合理匹配以整體性能最佳作為目標(biāo)。為此，工程應(yīng)用中都是以性價(jià)比最高為依據(jù)，采用恒電壓控制方式，使逆變器工作狀態(tài)最優(yōu)，充分發(fā)揮其能力，以牽引電動(dòng)機(jī)能力不能充分利用為代價(jià)，獲得傳動(dòng)系統(tǒng)性能最佳。目前，軌道列車交流傳動(dòng)系統(tǒng)都采用大電動(dòng)機(jī)小逆變器的匹配方案。調(diào)速方式調(diào)速比效果效率適應(yīng)負(fù)載變極調(diào)速鼠籠式變換極對(duì)數(shù)2:1～4:1不平滑高恒轉(zhuǎn)矩恒功率轉(zhuǎn)差調(diào)速調(diào)定子電壓1.5:1～10:1不平滑低恒轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差離合器3:1～10:1平滑低恒轉(zhuǎn)矩繞線式調(diào)轉(zhuǎn)子電阻2:1不平滑低恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械式串級(jí)2:1平滑較高恒轉(zhuǎn)矩電氣串級(jí)2:1～4:1平滑較高恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速鼠籠調(diào)定子頻率2:1～10:1平滑高恒轉(zhuǎn)矩恒功率繞線調(diào)轉(zhuǎn)子頻率4:1～20:1平滑高恒轉(zhuǎn)矩恒功率

異步電動(dòng)機(jī)各種調(diào)速方法性能比較表3--32024/8/221113.3.4異步牽引電動(dòng)機(jī)與變流器的匹配優(yōu)化在變流器與異步牽引電動(dòng)機(jī)組成的傳動(dòng)系統(tǒng)中，如何對(duì)變流器和異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行合理匹配確定容量，關(guān)系到系統(tǒng)的運(yùn)行性能與經(jīng)濟(jì)性。不同的運(yùn)行要求，變流器和牽引電動(dòng)機(jī)的容量可以有不同的匹配組合。功率較小的電動(dòng)機(jī)可以和較大功率的變流器匹配，功率較大的電動(dòng)機(jī)也可以和較小功率的變流器匹配。因此在確定交流傳動(dòng)系統(tǒng)的性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，在保證運(yùn)行性能的前提下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以合理匹配變流器和異步牽引電動(dòng)機(jī)容量、使系統(tǒng)成本最低作為優(yōu)化的基本目標(biāo)。1.牽引電動(dòng)機(jī)與變流器的容量確定牽引電動(dòng)機(jī)作為變流器的負(fù)載，而變流器作為牽引電動(dòng)2024/8/22112機(jī)的電源，應(yīng)滿足對(duì)牽引電動(dòng)機(jī)在各工況下的供電要求，兩者只有合理確定其容量，有利于提高傳動(dòng)系統(tǒng)的效能。在最高轉(zhuǎn)速相同的情況下，牽引電動(dòng)機(jī)容量主要由最大允許轉(zhuǎn)矩和最大允許損耗決定。在確定交流異步牽引電動(dòng)機(jī)的容量時(shí)，可暫不考慮電動(dòng)機(jī)因電壓等級(jí)不同在繞組絕緣結(jié)構(gòu)上的差異。最大允許損耗在很大程度上受到運(yùn)行方式、冷卻方式以及絕緣材料壽命要求的影響，也暫不作考慮。所以，牽引電動(dòng)機(jī)的功率及主要結(jié)構(gòu)尺寸取決于最大允許轉(zhuǎn)矩。牽引電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax與最大氣隙磁通密度Bmax和定子有功電流線負(fù)載最大值A(chǔ)max之積成正比關(guān)系，即

(3-33)式（3-33）表明，提高定子有功電流線負(fù)荷、增大氣隙磁密均2024/8/22113有助于提高電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。必須要指出，若進(jìn)一步提高電流線負(fù)載可能引起傳動(dòng)系統(tǒng)顛覆，或降低系統(tǒng)防止顛覆的最低安全性。因此，為確保系統(tǒng)防止顛覆的最低安全性，定子電流線負(fù)荷與氣隙磁通密度之比不允許超過規(guī)定的最大值。

對(duì)于變頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)具有較低的損耗，可獲得的最大轉(zhuǎn)矩可表示為

(3-34)變流器作為牽引電動(dòng)機(jī)的電源，其輸出要滿足電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中最大電流與最高電壓之需求。變流器工作容量要按照最大電流與最高電壓來考慮，應(yīng)等于輸出最大電流和最高電壓的乘積，但最大電流主要受半導(dǎo)體器件允許的最高溫度限制，最高電壓受到半導(dǎo)體開關(guān)器件允許的電場(chǎng)強(qiáng)度所限制。按牽引電動(dòng)機(jī)最大2024/8/22114電流、電壓要求所確定的容量只代表變流器的能力(極限),與實(shí)際使用中是否同時(shí)出現(xiàn)電流和電壓的最大值無關(guān)。也就是說，變流器的容量、成本費(fèi)用是由電流和電壓最大值的乘積所決定，變流器的電流和電壓的實(shí)際瞬時(shí)值之積或?qū)嶋H輸出的有功功率也只是其能力的一部分。2.逆變器與牽引電動(dòng)機(jī)的匹配

根據(jù)牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性，拖動(dòng)負(fù)載在低速區(qū)要求具有足夠的加速轉(zhuǎn)矩，以保證系統(tǒng)快速而平穩(wěn)的起動(dòng)，盡快進(jìn)入運(yùn)行區(qū)段，發(fā)揮傳動(dòng)系統(tǒng)的效能。進(jìn)入運(yùn)行區(qū)段，速度達(dá)到額定速度以上，將運(yùn)行在恒功率狀態(tài)，輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比例關(guān)系變化。在恒功率運(yùn)行時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)與變流器之間有兩種極端的調(diào)節(jié)方式，電動(dòng)機(jī)與變流器二者只能有一個(gè)工2024/8/22115作在最佳狀態(tài)，其能力得到充分利用。無論選擇誰工作在最佳狀態(tài)，必有一個(gè)其能力得不到充分利用，要做出讓步、犧牲。這其實(shí)是牽引電動(dòng)機(jī)與變流器二者中爭(zhēng)奪最佳運(yùn)行方式的問題，也是一種綜合性能、性價(jià)比的博弈。在保證列車牽引性能的前提下，按照經(jīng)濟(jì)性原則權(quán)衡，變流器工作在最佳狀態(tài)，按照恒電壓恒電流輸出，使其能力得到充分利用，更有利于提高性價(jià)比。因此，列車電力傳動(dòng)系統(tǒng)基本都采用大電動(dòng)機(jī)與小逆變器的匹配方式。當(dāng)列車速度為vmax時(shí)，牽引電動(dòng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩輸出，其電磁轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)容量計(jì)算以此時(shí)的參數(shù)作為依據(jù)，其能力在此時(shí)被得到充分利用，且有適當(dāng)?shù)倪^載能力，一般要求此處的過載能力KTmin≥1.1。2024/8/22116從vb到vmax的速度區(qū)間內(nèi)，逆變器的輸出頻率增加而輸出電壓保持恒定。從vmax開始隨著速度（頻率f1）的降低，牽引電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩按照增大，逐漸偏離恒功率()所要求的轉(zhuǎn)矩值,且比恒功率要求的轉(zhuǎn)矩大得多，此時(shí)過載能力變?yōu)?/p>

（3-35）由式（3-35）可知，隨著變流器輸出頻率降低，牽引電動(dòng)機(jī)的過載能力逐漸增大。因此，在vmax以下的各速度點(diǎn)上，電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)矩方面的設(shè)計(jì)能力都沒有得到充分利用，只在最大速度點(diǎn)vmax得到了充分利用。對(duì)逆變器來說，從起動(dòng)開始到vb，電壓隨頻率成正比提高，在vb時(shí)電壓達(dá)到最高，輸出額定功率。在vb到vmax間，2024/8/22117逆變器以恒功率方式運(yùn)行，輸出電壓始終維持最高電壓不變，即恒電壓、恒電流方式輸出，其能力充分了利用。這種匹配方式，牽引電動(dòng)機(jī)在工作區(qū)速度范圍內(nèi)，能力沒有被充分利用，容量、體積尺寸較大。但逆變器在最有利的工作方式下運(yùn)行，設(shè)計(jì)參數(shù)較小。被稱為小逆變器和大電動(dòng)機(jī)的匹配，相對(duì)于其他匹配方式，也是一種最經(jīng)濟(jì)的匹配方式。匹配方式如圖3-26所示。不同車型、不同用途的列車，其牽引特性相類似，只是在具體工作點(diǎn)的選擇上有所差異，恒功率運(yùn)行范圍不同。盡管都是采用大電動(dòng)機(jī)與小逆變器的匹配方式，采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗裕蛇m當(dāng)減小電動(dòng)機(jī)的能力富裕，降低電動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷，使得匹配更加合理、更經(jīng)濟(jì)。隨著恒功率區(qū)運(yùn)行范圍的擴(kuò)大，逆變器、電動(dòng)機(jī)不被充分利用的程度都會(huì)隨之增加。所以，根據(jù)實(shí)際運(yùn)用需要合理的選擇恒功率區(qū)的寬度，對(duì)于系統(tǒng)優(yōu)化，特別是提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性來說，是十分重要的。對(duì)于交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，尤其是高速列車牽引傳動(dòng)，如高速電力機(jī)車、高速動(dòng)車組，其恒功率調(diào)速比(持續(xù)運(yùn)行范圍)可達(dá)到。2024/8/221193.3.5大電動(dòng)機(jī)小逆變器匹配方式下的控制特性異步牽引電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行VVVF調(diào)速時(shí)，總是希望每極磁通保持不變，以充分利用電動(dòng)機(jī)磁路能力。如果磁通太小，磁路鐵心沒有發(fā)揮出應(yīng)有的能力，造成磁資源的浪費(fèi)；如果磁通太強(qiáng)，鐵心將飽和、勵(lì)磁電流激增，鐵心損耗增大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱。異步牽引電動(dòng)機(jī)是一種單端勵(lì)磁的電機(jī)，其勵(lì)磁電流作為定子電流的一部分，很難直接分離出來，磁通也不能直接控制，故保持磁通不變是很困難的。因此，異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速必然要采用間接的方法，頻率與電壓協(xié)同控制，以充分發(fā)揮磁路的能力，獲得良好的運(yùn)行特性。異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，必然要調(diào)節(jié)電壓，根據(jù)電壓的2024/8/22120可調(diào)范圍，可以分為兩個(gè)階段：額定電壓以下和額定電壓。在額定電壓以下，按照恒電勢(shì)頻率比即可保證磁通不變，電動(dòng)機(jī)將按照恒轉(zhuǎn)矩特性輸出；當(dāng)電壓升高到額定電壓時(shí)，繼續(xù)提高電壓的可能小已很小，一般保持額定電壓運(yùn)行，此時(shí)提高頻率將使磁通減小，

處于磁削運(yùn)行，類似于直流牽引電動(dòng)機(jī)的磁削調(diào)速，電動(dòng)機(jī)按照恒功率特性輸出。異步牽引電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行區(qū)域可分為恒磁通運(yùn)行區(qū)和磁削運(yùn)行區(qū)，對(duì)應(yīng)的輸出特性分別為恒轉(zhuǎn)矩特性和恒功率特性。恒轉(zhuǎn)矩特性與恒功率特性的交接點(diǎn)，一般在額定頻率(基頻)處。因此，異步牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速時(shí)的輸出特性可用基頻來分界，基頻以下為恒磁通調(diào)速，基頻以上為磁削調(diào)速。2024/8/22121由于設(shè)計(jì)理念的差異，對(duì)恒功率控制也有所不同，以額定頻率為界，可以滯后也可提前進(jìn)入恒壓區(qū)，這樣可獲得不同的恒壓頻比。從起動(dòng)到，逆變器按照恒壓頻比輸出，牽引電動(dòng)機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。恒功率區(qū)為，在此區(qū)域，有三種控制方式，即完全恒壓恒功、滯后恒壓恒功、提前恒壓恒功。若三種控制方式的恒壓頻比分別定義為、、，則有

1.完全恒壓恒功(在額定頻率點(diǎn)電壓恒壓)完全恒壓恒功，即在點(diǎn)達(dá)到額定電壓,如圖3—27所示。2024/8/22122電動(dòng)機(jī)在整個(gè)恒功范圍電壓恒定，電流值相對(duì)較高，由于受磁路、效率、損耗的影響，電流在恒功率最低頻率點(diǎn)(額定頻率)達(dá)到最大，因此電動(dòng)機(jī)的溫升最高點(diǎn)在額定頻率點(diǎn)，而不是持續(xù)點(diǎn)。ALSTOM的電動(dòng)機(jī)(CRH5、HXD2）就屬于該情況。

2.滯后恒壓恒功率(在f1N之后進(jìn)入恒壓)在f1N

時(shí)，逆變器仍然以恒壓頻比輸出，電壓低于額定電壓，為升壓恒功；當(dāng)電壓在點(diǎn)進(jìn)入恒壓段后，變?yōu)楹銐汉愎?。此控制方式的恒壓頻比小于額定恒壓頻比，中途還可二次升壓，這樣電動(dòng)機(jī)的電流可相對(duì)減少，電動(dòng)機(jī)的最高溫升點(diǎn)在持續(xù)點(diǎn)。如圖3--28中實(shí)線所示。HXN3內(nèi)燃機(jī)車采用的牽引電動(dòng)機(jī)EMDA2938-5屬于此情況。2024/8/221233.提前恒壓恒功率(在點(diǎn)提前進(jìn)入恒壓