動車組異步牽引電動機系統(tǒng)

劉長志

動車組異步牽引電動機系統(tǒng)

劉長志

中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司四電設(shè)計院

異步牽引電動機作為高速動車組中電力牽引交流傳動與控制的一部分，通過分析旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生原理，電磁轉(zhuǎn)矩特性，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線，機械特性，電氣制動特性，改變電壓U1、磁極對數(shù)的調(diào)速方法，深入了解其工作原理和運行性能對牽引供電設(shè)計有很大幫助。

異步牽引電動機 旋轉(zhuǎn)磁場 電氣制動特性 牽引供電系統(tǒng)

0 引言

交流電機主要分為同步電機和異步電機兩大類，二者的工作原理和運行性能有較大區(qū)別。在交流傳動的動車中，牽引電動機大多采用異步電機，其結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，維護方便，效率較高，在變頻器的控制下實現(xiàn)動車牽引性能的調(diào)速要求，深入了解其工作原理和運行性能對牽引供電設(shè)計有很大幫助。

1 異步牽引電動機的基本原理

1.1 旋轉(zhuǎn)磁場

當對稱的三相交流電流通入定子鐵心上的對稱三相繞組時，就在定子內(nèi)建立起一個在空間連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，稱為旋轉(zhuǎn)磁場。

對稱三相電流——正弦波電流幅值相等、相位互差120°電角度：

A=ImsinωtB=Imsin(ωt－120°)C=Imsin(ωt－240°)

旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生原理如圖1。定子磁場隨著電流的交變在空間不斷旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速稱為同步轉(zhuǎn)速n1。

圖1 旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生原理

1.2 異步電動機的工作原理

當定子三相繞組中通入三相電流，則產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)速為n1、順時針方向的旋轉(zhuǎn)磁場。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場之間存在相對運動，必在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，其方向可用右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則感應(yīng)電勢在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力F，其方向可用左手定則確定。電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動。

為了在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間必須存在相對運動，則異步電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是小于同步轉(zhuǎn)速n1，故稱“異步電動機”。

轉(zhuǎn)差率:

異步電動機（轉(zhuǎn)子）轉(zhuǎn)速：

n=n1（1－S）=60f1（1－S）/p

式中：f1—定子頻率；f—轉(zhuǎn)子頻率；f2—轉(zhuǎn)差頻率；p—電機磁極對數(shù)；S—轉(zhuǎn)差率； n1=60f1/p，n1—同步轉(zhuǎn)速。

2 異步電動機調(diào)速

2.1 電磁轉(zhuǎn)矩特性

2.1.1異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T

異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T可用以下公式表示：

S—轉(zhuǎn)差率； n1—同步轉(zhuǎn)速；

n—轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速（r/min）；

R2—轉(zhuǎn)子電路電阻（Ω）；

XL2—轉(zhuǎn)子漏感抗， XL2=2πf2LL2=2πSf1LL2=SXL20。

2.1.2轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率曲線

圖2 異步電動機T=f(s)曲線

圖3 異步電動機I2、變化規(guī)律

2.1.3轉(zhuǎn)矩特性曲線上幾個主要參數(shù)

（1）起動轉(zhuǎn)矩Tq

起動轉(zhuǎn)矩Tq一般為額定轉(zhuǎn)矩Te的0.9～1.8倍，只有當Tq大于負載轉(zhuǎn)矩時，電動機才能起動。

（2）最大轉(zhuǎn)矩Tmax（顛覆轉(zhuǎn)矩）

利用數(shù)學(xué)上求極值的方法可以求得臨界轉(zhuǎn)差率SK與電機參數(shù)的關(guān)系，即令dS/dt=0，得

Tmax一般為額定轉(zhuǎn)矩Te的1.6~2.2倍。當負載轉(zhuǎn)矩大于Tmax時，電動機就要停車，即堵轉(zhuǎn)，俗稱“悶車”，此時電動機的電流立即增至額定值的6~7倍，將引起電機嚴重過熱甚至燒毀。

（3）額定轉(zhuǎn)矩Te

異步電動機在額定負載下穩(wěn)定運行時的輸出轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩Te，對于通用異步電動機的額定轉(zhuǎn)矩可根據(jù)銘牌上的額定功率Pe和額定轉(zhuǎn)速ne進行計算：

式中，Pe的單位為kW，ne的單位為r/min。

2.2 異步電動機的機械特性

當同步轉(zhuǎn)速n1不變時（f1不變），由n=n1（1－S），很容易將圖2所示的轉(zhuǎn)矩特性曲線T=f(s)轉(zhuǎn)換為常用的機械特性曲線T=f(n)，見圖4。

圖4 異步電動機機械特性

在nk＜n＜n1的穩(wěn)定區(qū)段內(nèi)，轉(zhuǎn)矩特性比較陡峭，轉(zhuǎn)速變化范圍不大，所以電機正常運行時的轉(zhuǎn)速n很接近于同步轉(zhuǎn)速n1，其額定轉(zhuǎn)差率Se很小，一般Se=0.04~0.06。硬特性：使異步電動機自動調(diào)速困難，但具有良好的防空轉(zhuǎn)性能。

異步電動機從轉(zhuǎn)差率S=1開始起動，隨著角速度ωm的不斷提高，S 逐漸減少。當轉(zhuǎn)差率S 減少到接近于0時，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。

對于每一個固定的供電頻率，都有一條對應(yīng)的類似曲線。當電動機的參數(shù)不變時，曲線的峰值（即電動機的顛覆轉(zhuǎn)矩）與所施加的電壓大小有關(guān)。不論是作為電動機或發(fā)電機，異步電動機只能在轉(zhuǎn)差率接近于0的一個小的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定工作：0＜S＜｜SK｜。

2.3 異步電動機的電氣制動

一般可以采用以下方法：再生制動、電磁制動器制動。

2.3.1再生制動（S＜0）

在進行再生制動時，不論接到電動機端的是正序電壓或是改變相序的電壓，異步電動機都作為發(fā)電機工作，把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，反饋到電源上去，即：在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)相反方向的電壓與電流。在定子中流過的用于平衡轉(zhuǎn)子安匝的電流也是反向的，功率從電動機流向電源。而轉(zhuǎn)子反向電流與旋轉(zhuǎn)磁場作用產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的制動轉(zhuǎn)矩。

2.3.2電磁制動器的運行（S＞１）

如果電動機是正序電源電壓供電的，就必須使電動機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。此時，旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子之間的相對轉(zhuǎn)速是正的，電動機轉(zhuǎn)矩也是正的，從電源吸取功率。因為電動機沿反向旋轉(zhuǎn)時，正向轉(zhuǎn)矩將提供制動作用。由負載和慣性引起的機械功率變換所產(chǎn)生的電功率，以及從電源吸取的電功率都消耗在轉(zhuǎn)子回路的電阻上，所以這種制動方式的效率極差。

2.4 異步電動機調(diào)速的基本方法

總的來說，異步電動機的調(diào)速可以從定子和轉(zhuǎn)子兩方面采取措施。從定子方面采取的措施有：變更加到定子繞組上的電壓U1；改變定子繞組的磁極對數(shù)；改變電源的供電頻率。從轉(zhuǎn)子方面采取的措施有：變更轉(zhuǎn)子電路中的電阻；在轉(zhuǎn)子電路中串聯(lián)一個或幾個附加電阻，實行所謂的串級調(diào)速。

通常采用結(jié)構(gòu)非常簡單的鼠籠式異步電動機作為牽引電動機，由于這種電機的轉(zhuǎn)子繞組是“短路繞組”，無法再在轉(zhuǎn)子上采取調(diào)速措施。

2.4.1改變電壓U1的調(diào)速

當改變U1來調(diào)速時，在機械特性陡峭的穩(wěn)定工作區(qū)，其平衡工況點分別為a、b、c，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速相差無幾?？梢娪酶淖僓1的方法來調(diào)速不但不能使轉(zhuǎn)速有多大的變化，反而使電機最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大的波動，削弱了電機適應(yīng)負載變化的能力。因此，不宜采用改變U1的方法作為異步電機的調(diào)速方法。

2.4.2改變磁極對數(shù)的調(diào)速

由f1=pn1/60可知，在電源頻率f1不變時，異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n1與磁極對數(shù)成反比，所以，改變定子繞組的磁極對數(shù)p可改變它的同步轉(zhuǎn)速n1，也就改變了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n。

磁極對數(shù)變更多少級，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化也就有多少級，但變化的極數(shù)受到限制，否則使換接電路過于復(fù)雜，以致喪失運用的可靠性。因此這種方法的調(diào)速范圍受到限制，且為有級調(diào)速，無法滿足動車在較寬的速度范圍內(nèi)平滑調(diào)速。

2.4.3改變頻率的調(diào)速

由n1=60f1/p可見，在磁極對數(shù)p一定的條件下，若能平滑地改變f1，就可以平滑改變n1，從而平滑調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速n，以滿足動車牽引電動機轉(zhuǎn)速從零到最大值的調(diào)速要求。

在動車上，異步牽引電動機由工頻牽引電網(wǎng)供電，異步牽引電動機的變頻調(diào)速只能采用另外的變頻裝置。在交-直-交傳動系統(tǒng)中，牽引逆變器是實現(xiàn)異步牽引電動機調(diào)速的變頻裝置。

3 異步電機的等值電路及轉(zhuǎn)矩表達式

異步電動機的等值電路如圖5所示。

圖5 異步電動機的等值電路

4 變頻調(diào)速的控制方式及其特性

異步電動機在進行變頻調(diào)速傳動時，需要根據(jù)負載特性要求對變頻器的電壓、電流及頻率進行適當?shù)目刂?。變頻調(diào)速控制方式的發(fā)展大體分為三個階段：

第一階段是普通功能型U/f控制方式的通用變頻器，該控制方式是轉(zhuǎn)速開環(huán)控制，不具有轉(zhuǎn)矩控制功能；

第二階段是高功能型的轉(zhuǎn)差頻率控制方式，其轉(zhuǎn)速需要閉環(huán)檢測，具有轉(zhuǎn)矩控制功能，能使電動機在恒磁通或恒功率下運行，能充分發(fā)揮電動機運行功率，其輸出靜態(tài)特性較U/f控制有較大的改進；

第三階段是高性能型矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制方式，可實現(xiàn)直流電動機的控制特性，具有較高的動態(tài)性能。

[1] 李益豐．DF8cJ交流傳動內(nèi)燃機車用JD123異步牽引電動機[J].機車電傳動，2006(3)：19-22．

[2] 李益豐．電動汽車異步驅(qū)動電動機的設(shè)計[J]．變流技術(shù)與電力牽引，2003(6)：35-38．

[3] 許實璋．電機學(xué)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1982．

[4] 陳世坤．電機設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1982．