第一章：牵引传动装置与技术

48
1. 基频以下调速
由式（3-1）可知，要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ， 使
Eg f1
常值
（3-2）
即采用恒值电动势频率比的控制方式。
49
然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的， 当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻 抗压降，而认为定子相电压 Us ≈ Eg，则得
交 流 电 网 变 流 器
频率电压可调的三相 交流电
频率电压恒定 的三相交流电
10
• 交-直-交传动系统 工作原理：将频率电压恒定的三相交流电变换成 直流电，再将直流电变换成频率电压可调的三相 交流电 广泛用于交通、工业、能源
交 流 电 网 变 流 器 频率电压恒定 的三相交流电
频率电压可调的三相 交流电
交 流 电 网 整 流 器
恒定 电压
可调节直流电压
8
• 直-交传动系统 工作原理：逆变器实现DC-AC变换并调节电压 在干线电力机车及内燃机车中采用
直 流 电 网 逆 变 器
恒定 电压
频率电压可调的三相 交流电
9
• 交-交传动系统 工作原理：变流器将频率电压恒定的三相交流电 变换成频率电压可调的三相交流电 在低频交流传动系统中如轧钢等
3
• 20世纪30年代，人们已经认识到变频调速是交流 电动机一种最理想的调速方法； • 60年代，随着电力电子技术的发展和变频调速装 置的研制成功，交流调速技术成为电动机调速的 发展方向； • 70年代中期，在世界范围内出现能源危机，节约 能源成为人们关注的问题；许多过去不调速的传 动装置，如风机、水泵等，也都采用了调速传动；
54
2. 基频以上调速
在基频以上调速时，频率应该从
f1N
向上升高，但定子电压Us 却不可能超过额定电
压UsN ，最多只能保持Us = UsN ，这将迫使磁 通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁 升速的情况。 把基频以下和基频以上两种情况的控制特
性画在一起，如下图所示。
55
• 机械特性情况的分析 ： '
42
异步电动机调速方法
变频调速
60 f n n1 (1 s) (1 s) p
变极调速 改变转差率调速
43
• 变极调速：有级的 • 变转差调速：不能改变电动机的同步速度，调速 范围有限，损耗大，效率低 • 变频调速：效率高，调速范围广，调节精度高， 目前应用最广泛，最有市场前景。
44
转轴两端通过轴承和端盖固定起来。
(4) 气隙
定 、转 子 之 间的间隙 ， 也是电机主磁路的组成部分。 气隙大小对异步电机的性 能影响很大。 为减小电机主磁路的磁阻 ，降低电机的励磁电流，提高 电机的功率因数，气隙应尽可 能小。 中、小型异步电机中，气 隙长度一般为0.2～1.5mm。
35
牵引电机采用三相鼠笼式异步电机的优越性：
型绕组和绕线型绕组。 转轴：整个转子部件的安装基础，又是力和机械 功率的传输部件，整个转子依靠转轴和轴承被支 撑在定子铁芯内腔内 .
30
转子铁心槽形
绕线式转子槽形
单鼠笼转子槽形
双鼠笼转子槽形
31
笼型绕组 ：在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一
根导体，在铁心两端放置两个端环，分别把所有的导体 伸出槽外部分与端环联接起来。可用铜条加铜端环制成 ；也可用铝浇铸的。对中大型电机为减小损耗、提高效 率，往往采用铜条焊接而成。
端盖（驱动端）
罩 壳（非驱动端）
异步电机外形图
异步电机结构图
26
三相异步电动机的结构：
定子： 1）定子铁心； 2）定子绕组； 3）机座； 转子： 1）转子铁心； 2）转子绕组 （笼型绕组、绕线型绕组）； 3）转轴； 端盖 气隙来自百度文库
27
(1) 定子 定子铁心：电机主磁路的组成部分，并嵌放定子 绕组。由厚度为 0.5mm 的硅钢片叠装而成。为了 嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制 若干个形状相同的槽。
式中：Eg —气隙磁通在定子每相中感应电动势的有 效值，单位为V； f1 —定子频率，单位为Hz；
Ns —定子每相绕组串联匝数； kNs —基波绕组系数；
m —每极气隙磁通量，单位为Wb。
47
由式（3-1）可知，只要控制好 Eg 和
f1 ，便可达到控制磁通m 的目的，对此，
需要考虑基频（额定频率）以下和基频以 上两种情况。
28
定子绕组：构成电路部分。其作用是感应电动势、 流过电流、形成磁场，实现机电能量转换。
机座：固定和支 撑定子铁心。因 此要求有足够的 机械强度。
29
(2) 转子 转子铁心：电机主磁路的组成部分，并放置转子
绕组。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，在转
子外圆周上冲制均匀分布的形状相同的槽。
转子绕组：构成电路部分。有两种结构型式：笼
列车电气装备与系统
第一章
牵引传动控制技术
1
交流调速技术
•交流传动技术发展 •电力传动系统的分类
•变频调速异步电机的控制方式
•交流传动系统的控制技术
2
一、交流传动技术发展
• 电力传动诞生于19世纪，20世纪初被广泛应用于 工业、农业、交通运输和日常生活中。 • 执行机构由直流电动机驱动，则称为直流电气传 动系统，执行机构由交流电动机驱动，则称为交 流电气传动系统 • 根据负载对象的运行要求，电气传动可分为恒速 系统和调速系统
24
牵引传动系统
接触网 受电弓
牵 引
高 压 设 备
高压电器
主变压器
主变压器 牵引系统关系链 变流器
牵 引 变 流
四象限
中间电压
过压保护 牵引逆变器
网 侧 变 流 控 制 器 车 辆 控 制
牵引电机
再 生
牵引电机 牵 引 驱 动 齿轮箱
车轮
电 机 侧 变 流 控 制 器
钢 轨
25
风扇 转子
冷空气流
45
异步电机的变压变频调速系统一般简 称为变频调速系统。由于在调速时转差功 率不随转速而变化，调速范围宽，无论是 高速还是低速时效率都较高，在采取一定 的技术措施后能实现高动态性能，可与直 流调速系统媲美，因此现在应用面很广。
46
变频调速异步电机的控制方式
定子每相电动势
Eg 4.44 f1Ns kNS Φm （3-1）
11
三、交／直传动系统（韶山型电力机车） 组成：主整流装置＋直流（脉流）牵引电机
12
• 静止部分（定子） – 主磁极、励磁绕组、电刷、轴承、磁轭和电刷 装置等 • 旋转部分（转子、电枢） – 电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴等
13
14
15
16
17
18
19
• 速度调节方法：
U IR n Ke
• １、调节电枢电压 • ２、调节电枢电流 • ３、调节励磁电流
20
SS7E型电力机车整流调压电路原理图
21
22
• 直流电机换向、制动及在韶山机车上的应用：
23
四、交－直－交传动系统（交流传动电力机车及动 车组） 组成：牵引变流器＋三相异步牵引电动机 交流电机：同步、异步 异步：绕线式、鼠笼式
Us 常值 f1
这是恒压频比的控制方式。
（3-3）
50
但是，在低频时 Us 和 Eg 都较小，定子阻
抗压降所占的份量就比较显著，不能忽略。这时，
需要人为地把电压 Us 抬高一些，以便近似地补
偿定子压降。 带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于下
图中的 b 线，无补偿的控制特性则为a 线。
51
• 带压降补偿的恒压频比控制特性
60 f1 n1 p
转子转速n 转子的机械转速。
转差率s ---同步转速n1与转子转速n之差对 同步转速n1之比值
n1 n s n1
41
电磁制动状态 s>1 n<0
电动机状态 1>s>0 0<n<n1
发电机状态 s<0 n>n1
异步电机只有定子侧是外加电源的，转子侧的电动势和电
流，均是由气隙旋转磁场感应产生的，因此称作为“感应电机 ”，而这一感应作用，只有在转子与气隙旋转磁场不同步，即 “异步”－转差率s不等于0的情况下，才可以产生，因此“感 应电机”又称作“异步电机”。
37
三相异步电动机工作原理
定子加电源 U s 定子电流 I s 旋转磁通势F
气隙磁场 Bm 转子感应电动势 Er 转子电流 I r 和气隙磁场相互作用 电磁转矩 Tem 电动机转动起来




38
1
Us


Is


F (n )
1

Ir

Ir
Er
Bm

Tem
32
与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕 组。一般接成星形。将三相绕组的三个引出线分别接到转轴 上三个滑环上，再通过电刷与外电路接通。绕线型转子的特 点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善 电动机的起动性能、调节其转速。
绕线型绕组：
33 33
三相绕线型异步电动机的结构
34
（3）端盖
3 pU12 Tem ' 2 2 f R2 ' 2 R ( X X 1 1 2) s ' R2 R2' 1 sm ' 2 ' X1 X 2 f R12 X1 X 2
Tmax 3 p U1 f 3 p U12 1 1 4 f R R 2 X X ' 2 4 f 2 2 ( L1 L'2 ) f 2 1 2 1 1
Us
UsN
b —带定子压降补偿
a —无补偿
O
恒压频比控制特性
f 1N
f1
52
• U1/f =常数近似的机械特性：
n f11
U1 补偿
补偿后
f12
f14 0 f13
T
Tmax
0
f
U1/f=常数
若把电压-频率控制中的电压Us相对地再提高 一些，把转子漏抗上的压降抵消，就得到恒转子 全磁通控制，此状态下电动机特性最好，是高性 能交流调速系统的目标，它的控制实现可用矢量 控制。
• • • • • • 结构简单 粘着性好 功率大，牵引力大 可靠性好，维修简单 动力性能、制动性能好 功率因数高，谐波干扰小
36
异步电机的工作原理
• 异步电动机转动的一般原理是基于法拉第电磁感应定律和 载流导体在磁场中会受到电磁力的作用这两个基本因素。 • 用一个简单的试验观察三相异步电动机的工作原理：当摇 动磁铁时，笼形转子跟随转动；如果摇把方向发生改变， 笼形转子方向也会发生变化。故可得出如下结论：旋转磁 场可拖动笼形转子转动。
异步电动机模型
n( n1 )
39
对称三相绕组 通入对称三相电流
三相 交流 电能
转子绕组中 产生 e 和 i
转子绕组在磁场中 受到电磁力的作用
电磁 转矩
旋转磁场 （磁场能量）
感 应
转子旋转起来 磁感线切割 转子绕组
机械负载 旋转起来
40
异步电机的转差率
同步转速n1---定子绕组中流过频率为f1的三相对 称电流，在气隙中产生的基波旋转磁场相对于 定子绕组的转速为n1。该转速大小取决于电流 的频率f1和绕组的极对数p，转向为从超前电流 相绕组转向滞后电流相绕组。
4
• 90年代以来，随着大功率电力电子器件和微电子 技术的飞速发展，以及现代控制理论和控制技术 的应用，交流传动调速技术取得了突破性的进展， 逐步具备了调速范围宽、稳速精度高、动态响应 快以及可作四象限运行等优良的技术性能。 • 目前，交流传动已经作为一种完全被肯定的系统， 大举进入电气传动调速控制的各个领域。
5
二、电力传动系统的分类
• • • • • 直-直传动系统 交-直传动系统 直-交传动系统 交-交传动系统 交-直-交传动系统
6
• 直-直传动系统 工作原理：直流斩波实现直流电压调节 在地铁机车、工矿机车等传动系统中采用
直 流 电 网
恒定 电压
斩 波 器
可调节直流电压
7
• 交-直传动系统 工作原理：整流器实现AC-DC变换并调节电压 在干线电力机车及内燃机车中采用
• 在进行电机调速时，常须考虑的一个重要 因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为 额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利 用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增 大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大 的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏 电机。 • 因此，在调频调速时，需要同时改变加在 电机上的电压（ＶＦ＋ＶＶ）
2
R2 s
• 机械特性：
n f14
f14>f13>f12>f11 f13 f12
f11=fN
T
0
• 变压变频控制特性
Us
UsN ΦmN
Φm
恒转矩调速
恒功率调速
Us
Φm
O
f1N
异步电机变压变频调速的控制特性
f1
58
如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到 额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上 随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒 定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频 以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调 速”。