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,硏制出体积小、重量轻、功率大、效率髙的变 流装置—一静止逆变器,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 、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 l1-1所 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Sm为电 动机最大转距太时的临界转差率。其中:S=0-Sm。一段是电动机的稳定运行范围: 当S>Sm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
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 Sm 为电 动机最大转距太时的临界转差率。其中：S=0-Sm。一段是电动机的稳定运行范围； 当 S＞Sm 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冋的,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 (11-1) 4+r2+( 当y1<x1a+x2时忽略y1,则 T 3pU/1 (11-2) 4/(xn+z2x) 对于结构一定的电机,式(112)可写为 T (11-3) 由式(113)可见,异步电动机的最大转矩与成正比。若变频调速是 在U为常数条件下进行,则Tm随邱成反比例变化,其机械特性变化如图11-2 所 一J1增高 图11-2一定电压、不同频率时异步电动机的机械性能 T ∫增高 图11-3 气隙磁通、不同频率时异步电动机的机械性能
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： 2 1 2 2 1 1 1 2 1 4 ( ' ) 3 f r r x x pU Tm + + + = (11-1) 当 1 1 ＋ 2 时忽略 1 ，则： ( ) 2 / 1 1 2 1 4 3 + = f pU Tm （11-2） 对于结构一定的电机，式（11-2）可写为： 2 1 1 T = f U m KT （11-3） 由式（11-3）可见，异步电动机的最大转矩与 2 1 1 f U 成正比。若变频调速是 在 U1 为常数条件下进行，则 Tm 随 f1 2 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 为常数条件下进行,则变频调节过程中Tm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的变化而平移 异步电动机在低频条件下,Tm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: E (11-4) 44J, N, 4.44,KwI 在U1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U1等于常数条件下,气隙 磁通随f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
若变频调速是在 1 1 f U 为常数条件下进行，则变频调节过程中 Tm 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 f1 的变化而平移。 异步电动机在低频条件下，Tm 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： 1 1 1 1 1 1 1 1 4.44 4.44 f K N U f K N E w W m = = （11-4） 在 U1/f1 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 U1 等于常数条件下，气隙 磁通随 f1 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。 起动加速区 恒功区 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 /fi)2,U与f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。 U,,E1, IN ↑五 增大 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Il、电压U1、电势El、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ⅹ1和Ⅺ2。很小,这时
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n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U1,以克服n所产生电压降。在恒转矩下变频调节 时电机电压U1和定子电流I随频率f的变化曲线如图115所示。 异步电动机定子电流I1为 1≈-1 F1+r2/s)+j( (11-5 所以,恒磁通运行时,在不同的f下,定子电流I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U1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 定数值后将维持不变,或者电压不再正比于f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: T=ATn=常数 (11-6) 式中A一一电机额定转矩与最大转矩之比 将式(11-3)代人式(116),可得 AK7()2n=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,因 正比于f1,即可得 n,=kifi (l1-8)
电阻在阻抗中的比例相当大，忽略 r1 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 U1，以克服 r1 所产生电压降。在恒转矩下变频调节 时电机电压 U1 和定子电流 I1 随频率 f1的变化曲线如图 11-5 所示。 异步电动机定子电流 I1 为： 1 2 1 2 ) 2 1 2 ( ' / ) ( " ' r r s j x x U I I + + + − = 即 1 1 2 1 1 ' 1 2 f L L U I + • (11-5) 所以，恒磁通运行时，在不同的 f1 下，定子电流 I1 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 U1 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 f1 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： TNn = ATmn = 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 AKT 2 1 1 ( ) 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 n1，因 n1 正比于 f1，即可得： 1 1 1 n = K f （11-8）