劉長(zhǎng)志

動(dòng)車組異步牽引電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

劉長(zhǎng)志

中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司四電設(shè)計(jì)院

異步牽引電動(dòng)機(jī)作為高速動(dòng)車組中電力牽引交流傳動(dòng)與控制的一部分，通過(guò)分析旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生原理，電磁轉(zhuǎn)矩特性，轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)差率曲線，機(jī)械特性，電氣制動(dòng)特性，改變電壓U1、磁極對(duì)數(shù)的調(diào)速方法，深入了解其工作原理和運(yùn)行性能對(duì)牽引供電設(shè)計(jì)有很大幫助。

異步牽引電動(dòng)機(jī) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 電氣制動(dòng)特性 牽引供電系統(tǒng)

0 引言

交流電機(jī)主要分為同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大類，二者的工作原理和運(yùn)行性能有較大區(qū)別。在交流傳動(dòng)的動(dòng)車中，牽引電動(dòng)機(jī)大多采用異步電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，效率較高，在變頻器的控制下實(shí)現(xiàn)動(dòng)車牽引性能的調(diào)速要求，深入了解其工作原理和運(yùn)行性能對(duì)牽引供電設(shè)計(jì)有很大幫助。

1 異步牽引電動(dòng)機(jī)的基本原理

1.1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

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

對(duì)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(chǎng)產(chǎn)生原理如圖1。定子磁場(chǎng)隨著電流的交變?cè)诳臻g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(chǎng)產(chǎn)生原理

1.2 異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

當(dāng)定子三相繞組中通入三相電流，則產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)速為n1、順時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，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(shì)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(chǎng)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(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電流，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間必須存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是小于同步轉(zhuǎn)速n1，故稱“異步電動(dòng)機(jī)”。

轉(zhuǎn)差率:

異步電動(dòng)機(jī)（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(jī)磁極對(duì)數(shù)；S—轉(zhuǎn)差率； n1=60f1/p，n1—同步轉(zhuǎn)速。

2 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速

2.1 電磁轉(zhuǎn)矩特性

2.1.1異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T

異步電動(dòng)機(jī)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(shí)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(dòng)機(jī)T=f(s)曲線

圖3 異步電動(dòng)機(jī)I2、變化規(guī)律

2.1.3轉(zhuǎn)矩特性曲線上幾個(gè)主要參數(shù)

（1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq一般為額定轉(zhuǎn)矩Te的0.9～1.8倍，只有當(dāng)Tq大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)才能起動(dòng)。

（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(jī)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(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于Tmax時(shí)，電動(dòng)機(jī)就要停車，即堵轉(zhuǎn)，俗稱“悶車”，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流立即增至額定值的6~7倍，將引起電機(jī)嚴(yán)重過(guò)熱甚至燒毀。

（3）額定轉(zhuǎn)矩Te

異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩Te，對(duì)于通用異步電動(dòng)機(jī)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(jìn)行計(jì)算：

式中，Pe的單位為kW，ne的單位為r/min。

2.2 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

當(dāng)同步轉(zhuǎn)速n1不變時(shí)（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(jī)械特性曲線T=f(n)，見圖4。

圖4 異步電動(dòng)機(jī)機(jī)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(jī)正常運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)自動(dòng)調(diào)速困難，但具有良好的防空轉(zhuǎn)性能。

異步電動(dòng)機(jī)從轉(zhuǎn)差率S=1開始起動(dòng)，隨著角速度ωm的不斷提高，S 逐漸減少。當(dāng)轉(zhuǎn)差率S 減少到接近于0時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

對(duì)于每一個(gè)固定的供電頻率，都有一條對(duì)應(yīng)的類似曲線。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)不變時(shí)，曲線的峰值（即電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)只能在轉(zhuǎn)差率接近于0的一個(gè)小的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定工作：0＜S＜｜SK｜。

2.3 異步電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)

一般可以采用以下方法：再生制動(dòng)、電磁制動(dòng)器制動(dòng)。

2.3.1再生制動(dòng)（S＜0）

在進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)，不論接到電動(dòng)機(jī)端的是正序電壓或是改變相序的電壓，異步電動(dòng)機(jī)都作為發(fā)電機(jī)工作，把機(jī)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(guò)的用于平衡轉(zhuǎn)子安匝的電流也是反向的，功率從電動(dòng)機(jī)流向電源。而轉(zhuǎn)子反向電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2.3.2電磁制動(dòng)器的運(yùn)行（S＞１）

如果電動(dòng)機(jī)是正序電源電壓供電的，就必須使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速是正的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也是正的，從電源吸取功率。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)沿反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，正向轉(zhuǎn)矩將提供制動(dòng)作用。由負(fù)載和慣性引起的機(jī)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(dòng)方式的效率極差。

2.4 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本方法

總的來(lái)說(shuō)，異步電動(dòng)機(jī)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(duì)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(gè)或幾個(gè)附加電阻，實(shí)行所謂的串級(jí)調(diào)速。

通常采用結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)作為牽引電動(dòng)機(jī)，由于這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是“短路繞組”，無(wú)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(dāng)改變U1來(lái)調(diào)速時(shí)，在機(jī)械特性陡峭的穩(wěn)定工作區(qū)，其平衡工況點(diǎn)分別為a、b、c，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速相差無(wú)幾?？梢娪酶淖僓1的方法來(lái)調(diào)速不但不能使轉(zhuǎn)速有多大的變化，反而使電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生較大的波動(dòng)，削弱了電機(jī)適應(yīng)負(fù)載變化的能力。因此，不宜采用改變U1的方法作為異步電機(jī)的調(diào)速方法。

2.4.2改變磁極對(duì)數(shù)的調(diào)速

由f1=pn1/60可知，在電源頻率f1不變時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1與磁極對(duì)數(shù)成反比，所以，改變定子繞組的磁極對(duì)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(duì)數(shù)變更多少級(jí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化也就有多少級(jí)，但變化的極數(shù)受到限制，否則使換接電路過(guò)于復(fù)雜，以致喪失運(yùn)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(jí)調(diào)速，無(wú)法滿足動(dòng)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(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)速n，以滿足動(dòng)車牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牧愕阶畲笾档恼{(diào)速要求。

在動(dòng)車上，異步牽引電動(dòng)機(jī)由工頻牽引電網(wǎng)供電，異步牽引電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速只能采用另外的變頻裝置。在交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)中，牽引逆變器是實(shí)現(xiàn)異步牽引電動(dòng)機(jī)調(diào)速的變頻裝置。

3 異步電機(jī)的等值電路及轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

異步電動(dòng)機(jī)的等值電路如圖5所示。

圖5 異步電動(dòng)機(jī)的等值電路

4 變頻調(diào)速的控制方式及其特性

異步電動(dòng)機(jī)在進(jìn)行變頻調(diào)速傳動(dòng)時(shí)，需要根據(jù)負(fù)載特性要求對(duì)變頻器的電壓、電流及頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?。變頻調(diào)速控制方式的發(fā)展大體分為三個(gè)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(cè)，具有轉(zhuǎn)矩控制功能，能使電動(dòng)機(jī)在恒磁通或恒功率下運(yùn)行，能充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)運(yùn)行功率，其輸出靜態(tài)特性較U/f控制有較大的改進(jìn)；

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(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的控制特性，具有較高的動(dòng)態(tài)性能。

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[3] 許實(shí)璋．電機(jī)學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982．

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