第十一章 三相交流牵引电机

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S m为电动机最大转距太时的临界转差率。其中：S=0-S m。一段是电动机的稳定运行范围；当S＞S m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=S

m

--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：

[]22

1

2

1

1

1

2

1

)

'

(

4

3

δ

δ

πx

x

r

r

f

pU

T

m

+

+

+

=(11-1)

当

σ

σ

χ

χ

γ

2

1

1

＋

ππ时忽略

1

γ，则：

()σ

σ

χ

χ

π2/

1

1

2

1

4

3

+

=

f

pU

T

m

（11-2）对于结构一定的电机，式（11-2）可写为：

2

1

1

T⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

=

f

U

K

T

m

（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T m随f12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⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛11f U 为常数条件下进行，则变频调节过程中T m 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 1的变化而平移。

异步电动机在低频条件下，T m 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

111111144.444.4N K f U N K f E W w m ==Φ （11-4） 在U 1/f 1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U 1等于常数条件下，气隙磁通随f 1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