论文

三相异步牵引电动机变频调速
郝宏民
（平遥同妙机车有限公司 031100）
摘要:随着电力电子技术、微电子技术、计算机技术以及自动控制技术的飞速发
展，交流调速日趋完善，大有取代直流调速的趋势。

变频调速已被公认为最理想、最具发展前途的调速方式之一。

本文主要介绍三相异步牵引电动机变频调速。

关键词:变频调速；三相异步牵引电动机。

1.概述
交流电动机主要包括同步电动机和异步电动机两种。

如果三相交流电机的转子转速n 与定子电流的频率f 满足方程式 n=60f
p
这种电机称为同步电机。

同步电动机的调速靠改变供电电压的频率或改变定子绕组极对数改变其同步转速。

我国电力系统的频率规定为50Hz ，电机极对数又为整数，所以，同步电动机的转速n 与极对数p 成严格的对应关系，如p=1，2，3，4…，n=3000，1500，1000，750r/min ，…。

同步电机主要用作发电机，也可以用作电动机，但没有异步电动机用的广泛。

异步电动机的转速为
n 1=n （1－s ）=60f
p （1－s ）
因此，要调节异步电动机转速，可以从改变下列参数入手，即 （1）改变转差率s ；
（2）改变定子绕组极对数p ； （3）改变供电电源频率f 。

改变供电频率来调节异步电动机的转速是比较理想的。

它不仅宜于作运行时的调速，又可用作起动电机。

用异步电动机牵引，同样必须满足牵引性能上的要求。

在起动加速阶段，牵引电动机在低速低频下工作，并应保持黏着条件许可下的恒定大转矩，称之为恒转矩变频调速。

当机车处于运行阶段时，则希望牵引电动机在各种运行速度下保持功率不变，称之为恒功率变频调速。

因此只用调节供电电源频率的方法来调节牵引电动机的转速，不能满足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地调节电动机的电压才能满足上述牵引性能上的要求。

2.恒转矩变频调速（从额定频率向下调）
机车起动时一般尽可能使牵引力接近黏着牵引力。

黏着牵引力随着机车速度的
增加而稍有下降，大致上可认为是一个恒定值。

机车起动时允许牵引电动机的起动转矩比额定转矩大 1.6~1.8倍左右。

而异步电动机的最大转矩一般是额定转矩的2~2.5倍。

所以起动时可以令电机的起动转矩为最大转矩的70%左右，并保持不变。

三相异步电动机每相电压
U1≈E1=4.44f1W1KωΦ1U1
f1
≈4.44W1KωΦ1
如果改变电源频率时还保持电源电压为额定值，则随着f1下降，气隙每极磁通Φ1增加。

电动机磁路本来就进入刚饱和状态，Φ1增加，磁路过饱和，励磁电流会急剧增加，这是不允许的。

因此，降低电源频率时，必须同时降低电源电压。

当降低电源频率f1时，保持U1
f1
=常数，则气隙每极磁通Φ1≈常数，这时电动
机的电磁转矩为：
M＝3p U12
r2′
S
2πf1〔（r1+r2′
S）
2+（x
1+x2′）
2〕
＝3p
2π
(
U1
f1
)2
f1
r2′
S
（r1+
r2′
S）
2+（x
1+x2′）
2
最大转矩处dM
ds＝0
M m＝
3p U12
4πf1〔r1+r12+（x1+x2′）2〕
＝3p
4π
(
U1
f1
)2
f1
r1+r12+（x1+x2′）2
式中 r1、x1——定子绕组的电阻、电抗
r2′、x2′——转子绕组的归算电阻、电抗f1——定子频率
U1——电动机电压
P —定子极对数 S —转差率
考虑到频率相对较高时，x 1+x 2′＞＞r 1而略去r 1，x 1+x 2′=2πf 1（L 1+L 2′），对于一定的电机L 1、L 2′都是常数，上式化简为
M m ＝K(
U 1f 1
)
2
式中 K =3p 8π2
（L 1+L 2′）
由于 Mm ＝λMe
M e ＝K
U 1
2 λf 1
2
因此，如频率变为f 1′，定子相电压、额定转矩及过载倍数相应地变为Ux ′、Me ′、λ′，则频率变化前后额定转矩之比为：
Me ′Me =(Ux ′Ux )2 (f 1f 1′)2（λλ′
）
为使频率变化前后电机具有同样的过载能力，即λ=λ′，则定子电压应根据
下列规律来调节：
Ux ′Ux =f 1′
f 1
Me ′
Me
对于恒转矩调速Me ′=Me
Ux ′f 1′=Ux
f 1
=定值 由此可见，恒转矩变频调速时，如果能保持“伏赫比（Ux
f 1
=定值）不变，则可
保证调速过程中电机的过载能力保持不变，同时可满足磁通Φ基本不变的要求。

起动开始时，频率和转速都很低。

定子绕组的电抗x 1 和转子绕组的归算电抗
x 2′都很小，这时电阻在阻抗中所占的比例相当大，因此电阻不能忽略不计。

如果
保持磁通不变，必须适当地增加定子电压来克服r 1所产生的电压降。

起动过程中电动机处于过载状态，尽管低频时铁耗比较小，但也不可以长期运
行。

3.恒功率变频调速（从额定频率向上调）
升高电源电压是不允许的，因此升高频率向上调速时，只能保持电压不变，频率越高，磁通越低，是一种降低磁通升速的方法。

保持电压不变，升高频率时，电动机电磁转矩为
M ＝3p U 12 r 2′S 2πf 1〔（r 1+ r 2′S ）2
+（x 1+x 2′）2〕
由于f 1较高，r 1比x 1、x 2′及r 2′
s 都小很多，故最大转矩M m 及s m 分别为
M m ＝3p U 12
4πf 1〔r 1+ r 12+（x 1+x 2′）2〕
≈3p U 124πf 1 1x 1+x 2′ ∝1
f 12
s m ＝r 2′ r 12+（x 1+x 2′）2〕 ≈r 2′
x 1+x 2′ ＝r 2′2πf 1（L 1+L 2′） ∝1f 1
因此，升高频率时，M m 、s m 减小，最大转矩对应的转速降落为 △n m ＝s m n 1≈r 2′2πf 1（L 1+L 2′）
60f
p ＝常数
恒功率运行时牵引电动机的输出功率不变，随着频率的增加，电机的工作点越来越接近电机的最大转矩。

这时电机的转差率也相应加大，越来越接近最大转矩下的转差率。

为了保证牵引电动机的正常工作，必须使最高频率（和转速）时的电机转矩低于最大转矩。

结语
三相异步牵引电动机变频调速系统必须满足牵引性能上的要求。

在起动加速阶段，采用恒转矩变频调速。

当机车处于运行阶段时，实现恒功率变频调速。

参考文献
1.电机与拖动基础 李发海 王岩 编著
2.牵引电机。