第二章 电力牵引特性

1、第二章第二章 电力牵引特性电力牵引特性 2.1 2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性 2.2 2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性 2.3 2.3 电力牵引的调速特性电力牵引的调速特性 2.4 2.4 电力牵引的起动特性电力牵引的起动特性 2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性 牵引特性牵引特性：指机车起动、运行时：指机车起动、运行时牵引力与速度的关系牵引力与速度的关系。（交、直）（交、直）牵引：电机将电能牵引：电机将电能机械能，从而驱动电力机车及列车运行机械能，从而驱动电力机车及列车运行分析分析：电机电机的牵引特性的牵引特性机车机车牵引特性牵引特性一、直流牵

2、引电动机特性一、直流牵引电动机特性 电机学知：并励电机电机学知：并励电机“硬特性硬特性”（转矩变，（转矩变，n n变化小）变化小），串，串励电机励电机“软特性软特性”（转矩变，（转矩变，n n变化大）变化大），并励更适于电力牵引，并励更适于电力牵引。1 1、运行性能、运行性能 必须具有电气、机械稳定性必须具有电气、机械稳定性。2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性（1 1）机械稳定性）机械稳定性 特性曲线特性曲线1 1（串励电动机）、（串励电动机）、特性曲线特性曲线2 2（并励电动机）均负斜（并励电动机）均负斜率，而列车基本阻力曲线率，而列车基本阻力曲线W W0 0=f=f（V V）

3、正斜率。）正斜率。可见：可见：串、并励电动机均机械稳定串、并励电动机均机械稳定（按式（按式（1-71-7）判断）判断）。 0n (V)M(F )D12.图图2-1 2-1 串、并励电动机机械特性串、并励电动机机械特性 （2 2）电气稳定性）电气稳定性 U UD D= =常量（直线）、电机常量（直线）、电机 曲线曲线（图（图2-22-2中中1 1为串励，为串励，2 2为并励）为并励）。 串励电动机串励电动机U U曲线斜率均正，按式（曲线斜率均正，按式（1-121-12）判断）判断稳定稳定。 RInCUDDDE2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性 并励并励电动机电动机U U曲线在曲线在

4、I ID D较小较小（B B附近）时斜率为正附近）时斜率为正稳定稳定；而；而I ID D较较大大（C C点附近）时斜率为负点附近）时斜率为负不稳不稳定定，则，则C C点是不稳定的点。点是不稳定的点。可见可见：串励有机械、电气稳定性串励有机械、电气稳定性，比，比并励更并励更适于电牵引适于电牵引。2 2、电动机间负载分配的影响、电动机间负载分配的影响 ABC12DIUDU.0 图图2-2 2-2 直流电动机直流电动机U U曲线曲线 机车各牵引电机特性有异、各动轮直径有异机车各牵引电机特性有异、各动轮直径有异电机间负载分电机间负载分配不均。配不均。（1 1）机车动轮直径相同而电机特性有差异）机车动轮

5、直径相同而电机特性有差异 机车速度机车速度V V一定，轮径同一定，轮径同转速同，特性差异转速同，特性差异转矩转矩M M、电流、电流I ID D不同。不同。2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性 串励串励电机特性差异（电机特性差异（2-32-3（a a）图）引起的负载（）图）引起的负载（M M、I ID D）分配不均分配不均比并励式电动机（比并励式电动机（2-32-3（b b）图）图）小小。12(M)(n)MnM12MnDI1I12I20(a)(a)串励串励 (b)(b)并励并励图图2-3 2-3 直流电动机特性不同时的负载分配直流电动机特性不同时的负载分配 动车动轮直径相同而电机特性

6、有差异时，动车动轮直径相同而电机特性有差异时，串励电机优于并串励电机优于并励电机励电机。可见可见：2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性（2 2）机车电机特性相同而动轮直径有差异）机车电机特性相同而动轮直径有差异 机车速度机车速度V V一定，特性同、轮径不同一定，特性同、轮径不同转速不同转速不同转矩转矩M M、电流、电流I ID D不同。不同。 特性相同，在相同转速差下特性相同，在相同转速差下串励串励电机（电机（2-42-4（a a）图）的）图）的负载（负载（M M、I ID D）分配不均分配不均比并励电机（比并励电机（2-42-4（b b）图）图）小小。 MnDI1I I20.2n

7、n12MM1.MN.MnMnM12MDI1II202nn1(a)(a)串励串励 (b(b）并励）并励 图图2-4 2-4 轮径不同时直流电动机的负载分配轮径不同时直流电动机的负载分配2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性3 3、电压波动对电机工作的影响、电压波动对电机工作的影响 网压波动网压波动（如机车通过两变电所供电（如机车通过两变电所供电交界处的电压突变）交界处的电压突变），而，而速度未变速度未变I ID D、F F冲击冲击。（导致电机工作条件恶化和列车运行中（导致电机工作条件恶化和列车运行中的冲击）的冲击） 电机端压电机端压U U1 1，对应曲线，对应曲线n n（U U1 1）

8、；）；变化变化U U2 2，对应，对应n n（U U2 2）。因电压波动）。因电压波动时间很短时间很短，励磁电流来不及跟随变化励磁电流来不及跟随变化，可视，可视转矩特性转矩特性为为同一条曲线同一条曲线。 串励电机串励电机I ID D、F F冲击小冲击小（2-52-5（a a）图）图），并励电机的，并励电机的I ID D、F F冲击大冲击大（2-52-5（b b）图）图）。（因为串励电动机具有软特性）（因为串励电动机具有软特性） 2U( )MnMnM12MnDI1II20n1U.( ).MMnM12MnDI1II202U( )nn1U( ) (a)(a)串励串励 (b)(b)并励并励 图图2-5

9、 2-5 直流电动机电压波直流电动机电压波动时电流和牵引力的变化动时电流和牵引力的变化 2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性浅析浅析：（1 1）串励串励电机的电机的I ID D、M M取决于外部负载，若运行阻力不变，取决于外部负载，若运行阻力不变，冲击冲击后将复原后将复原；而；而并励并励电机，若波动使电压电机，若波动使电压磁场磁场，I ID D将大将大于电压未降低前的值（于电压未降低前的值（不能复原不能复原）。）。（2 2）串励串励的励磁绕组与电枢串，电流增长速度相同，因涡流影的励磁绕组与电枢串，电流增长速度相同，因涡流影响，磁通增长慢于电枢电流增长，但响，磁通增长慢于电枢电流增长

10、，但电流冲击小电流冲击小；并励并励的励的励磁时间常数大于电枢时间常数，励磁电流增长远慢于电枢电磁时间常数大于电枢时间常数，励磁电流增长远慢于电枢电流增长，电枢反电势来不及增加，则开始阶段电枢流增长，电枢反电势来不及增加，则开始阶段电枢电流冲击电流冲击较大较大。 故故串励电机受电压波动影响小串励电机受电压波动影响小。 2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性4 4、防空转性能、防空转性能（1 1最大粘着特性，最大粘着特性，2 2滑动摩擦，滑动摩擦，3 3并励特性，并励特性，4 4串励特性）串励特性） 电机工作点电机工作点A A，速度，速度V V0 0。偶因破偶因破坏粘着坏粘着，曲线，曲线

11、11降到降到11，相应，相应22降到降到22；V V0 0下，下，F FD D超过粘着超过粘着11限制限制发生滑动。发生滑动。AB1234DF0.1 V03VV2 图图2-6 2-6 电机特性与空转的关系电机特性与空转的关系 牵引力沿牵引力沿3 3下降，滑动摩擦力沿下降，滑动摩擦力沿22变化，当达变化，当达B B点时相点时相等，等，滑动滑动速度上升到速度上升到V V3 3；其后，滑动摩擦力大于牵引力，速度；其后，滑动摩擦力大于牵引力，速度稳在稳在V V3 3；原因消失，又；原因消失，又恢复恢复到原工作点到原工作点A A。 软特性，一旦粘着破坏，电机特性软特性，一旦粘着破坏，电机特性4 4在在2

12、2之上，牵引之上，牵引力大于滑动摩擦力，力大于滑动摩擦力，滑动滑动速度不断增加而速度不断增加而形成空转形成空转。 并励电机并励电机：串励电机串励电机：2.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性故故：串励防空转不及并励电动机串励防空转不及并励电动机，且，且多台串联运行多台串联运行时，一台空时，一台空转，其反电势随转速的增加而增加转，其反电势随转速的增加而增加空转加剧空转加剧。综上分析综上分析：串励电机更适于作牵引电动机串励电机更适于作牵引电动机。二、电力牵引恒压牵引特性二、电力牵引恒压牵引特性 直流电动机转速（转分）直流电动机转速（转分） （2-1） 转矩转矩 （m） （2-2） 式中，式

13、中，CM为结构决定的常数，为结构决定的常数，M为铁耗与机械损耗引起的为铁耗与机械损耗引起的转矩损失。转矩损失。 （2-1）（1-6）有）有 （h） （2-3） 式中，常数式中，常数 DEDDDCRIUnMICMDDMDDVDDDEDDCCRIUCRIUDV100060DCCECV6010002.1 电力牵引直流传动特性电力牵引直流传动特性（2-22-2）（1-51-5）有）有 （）（）（2-42-4）式中，式中， 为常数，而电机铁耗、机械损耗和齿轮传动损耗为常数，而电机铁耗、机械损耗和齿轮传动损耗造成的牵引力损失造成的牵引力损失 （相对（相对F F小，一般计算忽略不计）小，一般计算忽略不计）。

14、故故 U UD D一定，将一定，将D D=f(I=f(ID D) )代入（代入（2-32-3）V=f(IV=f(ID D) )、代入（、代入（2-42-4）F=(IF=(ID D) )，再，再消掉消掉I ID D恒电压下恒电压下牵引特性曲线牵引特性曲线F=f(V)F=f(V)。 注注：每个：每个U UD D对应一条牵引特性曲线。对应一条牵引特性曲线。（如（如SSSS1 1型电力机车牵引变压器次边型电力机车牵引变压器次边多段抽头经整流可提供多段抽头经整流可提供3333个个U UD D值，故有值，故有3333条牵引特性曲线）条牵引特性曲线） FICMICDNFDDFDDMCC)(2DCNCMCCF

15、2DMNFCC22.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性一、交流牵引电动机特性一、交流牵引电动机特性1 1、电动机间负载分配的影响、电动机间负载分配的影响 电力牵引通常是每辆动车由电力牵引通常是每辆动车由一台逆变器供电，多台异步电一台逆变器供电，多台异步电机并联运行机并联运行。例如。例如CRH2CRH2动车组采用动车组采用4MM4MM1INV1INV方式，就是由一方式，就是由一逆变器拖动四台异步电机并联运行。逆变器拖动四台异步电机并联运行。 多台异步电机并联运行要注意以下问题：多台异步电机并联运行要注意以下问题：（1 1）动车）动车动轮直径相同而电机特性有差异动轮直径相同而电机特性有差

16、异 因异步电机因异步电机硬特性硬特性，若，若电机特性略有差异电机特性略有差异，就会，就会引起电机引起电机负载分配不匀负载分配不匀。见图。见图2-72-7所示。所示。 特性特性影响最大的因素是转子的电阻影响最大的因素是转子的电阻，应选择电阻分散性小，应选择电阻分散性小、温度变化率小、截面尺寸均匀的材料用作电机转子导体。、温度变化率小、截面尺寸均匀的材料用作电机转子导体。见图见图2-82-8所示。所示。2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性图图2-7 2-7 电机特性差异引起负载分配不均电机特性差异引起负载分配不均图图2-8 2-8 电机转子电阻的影响电机转子电阻的影响2.2 电力牵引交

17、流牵引特性电力牵引交流牵引特性牵引工况牵引工况：轮径大（转速偏：轮径大（转速偏低）的负载偏大，轮径小低）的负载偏大，轮径小（转速偏高）的负载偏小（转速偏高）的负载偏小，见图，见图2-9所示。所示。制动工况制动工况：（与牵引相反）：（与牵引相反）轮径大的负载偏小，轮径轮径大的负载偏小，轮径小的负载偏大，见图小的负载偏大，见图2-9所示。所示。（2 2）电机特性相同而动轮轮径不同）电机特性相同而动轮轮径不同图图2-9 2-9 动轮轮径差异引起电机负载分配不匀动轮轮径差异引起电机负载分配不匀2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性（3 3）负载分配不匀的程度与电机额定转差率有关）负载分配不匀

18、的程度与电机额定转差率有关 额定转差率越小额定转差率越小，负载分配负载分配不匀越严重不匀越严重，即使轮径差不大，即使轮径差不大，也有较大的牵引力差。也有较大的牵引力差。 额定转差率大额定转差率大又又对电机对电机的的效效率率、温升温升和动车和动车性能不利性能不利。 【设电机以设电机以s s转差率运转，转差率运转，轮径差为轮径差为a a，则，则轮径大的电轮径大的电机转速低机转速低，将以（，将以（s+as+a）转差）转差率运行，其率运行，其转矩转矩和和电流都电流都比规比规定值定值增加增加。其增加的比例为：。其增加的比例为： (s+a)/s(s+a)/s】图图2-10 2-10 电机额定转差率的影响电

19、机额定转差率的影响2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性表表2-1 2-1 电机额定转差率的影响电机额定转差率的影响2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性2 2、变频运行方式、变频运行方式 电力机车三相交流电力机车三相交流异步异步牵引牵引电动机电动机工作在工作在变频变频运行状态。运行状态。优点优点：可在：可在低频低频下下起动起动，改善转子功率因数，增大起动单位电，改善转子功率因数，增大起动单位电流和转矩。流和转矩。（通常，起动电流为额定电流两倍亦可获重载下的良好性能（通常，起动电流为额定电流两倍亦可获重载下的良好性能） 异步电动机感应电势异步电动机感应电势 （2-52-5）

20、 式中，式中，C C为电势常数，为电势常数，f f1 1为电源频率，为电源频率，m m为气隙磁通（或为气隙磁通（或1 1 ）。）。（1 1）恒磁通（）恒磁通（E E1 1/f/f1 1）运行方式）运行方式 由式（由式（2-52-5）知，）知，“E E1 1f f1 1”恒定恒定气隙气隙磁通恒定磁通恒定，从而，从而转矩转矩恒定恒定。（因为转矩（因为转矩M M m m）mCfE112.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性优点优点：在不同的：在不同的f f1 1下有下有M Mm m恒定恒定，适于恒转矩变速拖动适于恒转矩变速拖动。注意注意：磁通应恒定在接近饱和状态，以使电机铁磁材料得到充：磁通

21、应恒定在接近饱和状态，以使电机铁磁材料得到充分利用。分利用。（2 2）恒）恒“电压电压频率频率”（ U U1 1f f1 1）比运行）比运行 一般，定子绕组漏抗可忽略，有一般，定子绕组漏抗可忽略，有E E1 1UU1 1，则，则 由式（由式（2-52-5）知，）知，“U U1 1f f1 1”比恒定比恒定 m m恒定，从而恒定，从而转矩恒定转矩恒定。优点优点：只需逆变器提供线性的：只需逆变器提供线性的“U U1 1f f1 1”输出特性，输出特性，控制上易于实控制上易于实现现。注意注意：低频性能较差。：低频性能较差。（ f f1 1太太定子漏阻抗不能略，恒定子漏阻抗不能略，恒“U U1 1/f

22、/f1 1”控制将使定子电流急剧控制将使定子电流急剧磁磁通变通变转矩迅速转矩迅速 ）2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性（3 3）恒电流运行方式）恒电流运行方式 转差频率转差频率f f2 2恒定恒定，恒，恒“E E1 1/f/f1 1”（m m恒定恒定）则则定子定子I I1 1恒定恒定。 又又 （转矩分析）（转矩分析）M M仅取决于仅取决于I I1 1和和f f2 2，与，与f f1 1无关。无关。 恒恒I I1 1（及（及f f2 2）运行，从而）运行，从而转矩恒定转矩恒定（与（与f f1 1无关）。无关）。优点优点：恒：恒I I1 1，无过分电流波动，可控硅装置的容量利用充分，

23、逆，无过分电流波动，可控硅装置的容量利用充分，逆变器设计更经济。变器设计更经济。3 3、运行性能、运行性能 异步电机应具有机械、电气稳定性。异步电机应具有机械、电气稳定性。 （1 1）机械稳定性）机械稳定性 异步电动机机械特性曲线的斜率为负，异步电动机机械特性曲线的斜率为负，列车基本阻力曲线列车基本阻力曲线W W0 0=f=f（V V）斜率为正。）斜率为正。 依式（依式（1-71-7），），机械机械上是上是稳定稳定的。的。 0Vmax V(n)M(F)图图2-11 2-11 异步电动机机械特性异步电动机机械特性 2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性（2 2）电气稳定性）电气稳定性

24、分析知：异步电机的分析知：异步电机的电气电气是是稳定稳定（电机电压与电流、频率、调（电机电压与电流、频率、调节方式有关节方式有关分析较复杂，从略）分析较复杂，从略）。4 4、电压波动对电动机工作的影响、电压波动对电动机工作的影响 异步电机对瞬时过压、过流不敏感异步电机对瞬时过压、过流不敏感，因此电网电压的波，因此电网电压的波动对电动机工作的动对电动机工作的影响不大影响不大。5 5、防空转性能、防空转性能 由图由图2-112-11知，知，异步电机机械特性较硬异步电机机械特性较硬类似直流并励电类似直流并励电动机动机防空转性能良好防空转性能良好。 2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性二、

25、电力牵引交流牵引特性二、电力牵引交流牵引特性（一）牵引特性（一）牵引特性 牵引特性牵引特性F=f(V)F=f(V)（即机械特性）、电气特性（即机械特性）、电气特性U=f(V)U=f(V)，有两，有两个运行调节区。（见图个运行调节区。（见图2-122-12）1 1、起动加速区、起动加速区124356770(F)(U)Vmax VU F曲线曲线1 12 2：恒恒M M起动加速起动加速（V V线性增加）线性增加） 起动时，随起动时，随VV电机输出电机输出功率功率，起动终了的，起动终了的V V（曲线上（曲线上2 2）决定于供）决定于供馈能源所允许的长期功率。起动时电馈能源所允许的长期功率。起动时电机机

26、恒恒M M运行运行，随着，随着V V的提高电机端电压的提高电机端电压U U上升上升到曲线上点到曲线上点5 5。图图2-12 2-12 异步传动机车电气机械特性异步传动机车电气机械特性 2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性2 2、恒功率调速区、恒功率调速区F=f(V)F=f(V)曲线曲线2 24 4段段：恒功率调速恒功率调速（U=f(V)U=f(V)曲线恒定）曲线恒定） 因受因受网压网压或或电机功率电机功率或或逆变器输出逆变器输出电压电压所限所限，电机端压，电机端压达达最高后最高后一般不再变。则高速区，一般不再变。则高速区，U U不变不变，随，随f f1 1产生产生削磁削磁效效果果F

27、F。注意注意：在最高速区可特意将逆变器输出电压提高到曲线的：在最高速区可特意将逆变器输出电压提高到曲线的77，使功率接近于额定功率。这是相对于直流牵引传动的显著优使功率接近于额定功率。这是相对于直流牵引传动的显著优点。点。（直流电机削磁受换向条件限制，带补偿绕组电机最高速时才有可（直流电机削磁受换向条件限制，带补偿绕组电机最高速时才有可能发出近能发出近80%80%的长时功率；而异步牵引则无此限制，且在高速时能发挥长的长时功率；而异步牵引则无此限制，且在高速时能发挥长时功率。）时功率。） 2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性（二）异步电动机特性调节（二）异步电动机特性调节 因机车不断

28、因机车不断变速变速，而列车，而列车惯性大惯性大，使电机，使电机f f1 1与电机实际旋与电机实际旋转频率相差过多（转频率相差过多（f f2 2大大），即超出临界转差率范围而导致不），即超出临界转差率范围而导致不稳定运行。因此，采用稳定运行。因此，采用快速响应闭环系统快速响应闭环系统，直接控制电机，直接控制电机I I1 1和转差频率和转差频率f f2 2。1 1、异步电动机变频控制理论基础、异步电动机变频控制理论基础 交流电机感应电势交流电机感应电势 （2-62-6） 式中，式中，E E1 1定子相电势，定子相电势，C C电机的电势常数。电机的电势常数。 对于异步电动机对于异步电动机mmwmwC

29、ffWkfkWE1111111144. 422.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性22 异步电动机的简化等值电路 简化简化 （图中标（图中标R R，公式中用，公式中用r r）由简化图可得：由简化图可得： （2-72-7）其功率为：其功率为： (2-8)(2-8)转矩为：转矩为： (2-9)(2-9)式中，式中，p p极对数，极对数，m m定子相数，定子相数， 、 为每相归算到定子的转子电为每相归算到定子的转子电阻和漏电感，阻和漏电感，s s为转差率。为转差率。（理想情况下，忽略理解损耗）（理想情况下，忽略理解损耗）2/21212/21/2211/22/211)()/(/222LLsr

30、rsrUfpmsrIfmppfPPMMMsrmIPM/22/2/2r/2L2/21212/211/21)()/(LLsrrUII图图2-13 2-13 异步电机等效电路异步电机等效电路2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性浅析浅析：（1 1）恒）恒U U1 1、恒、恒f f1 1正弦供电异步电机机械特性正弦供电异步电机机械特性 对（对（2-92-9）分子分母同乘）分子分母同乘s s后，后， 当当s s很小很小，s s0 0，可近似为，可近似为 （2-102-10）即转矩即转矩M M正比于正比于转差率转差率s s，线性线性； 当当s s接近接近1 1时时, ,忽略分母忽略分母r r2

31、2 项有项有 （2-112-11）即转矩即转矩M M反比于反比于转差率转差率s s，双曲线双曲线；当当s s在两段之间在两段之间时，直线逐渐过渡到双曲线。时，直线逐渐过渡到双曲线。（2 2）基频（）基频（f f1N1N）以下电压频率协调控制的机械特性）以下电压频率协调控制的机械特性恒恒U U1 1/f/f1 1控制控制同一同一U U1 1及及f f1 1下的转矩特性下的转矩特性srsUpmM/21211SLLrsrUpmM1)(2/212121/21211图图2-14 2-14 异步电机特性曲线异步电机特性曲线2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性 属恒属恒U U1 1、恒、恒f f

32、1 1正弦供电，有上述同样的结论，即正弦供电，有上述同样的结论，即 当当s s很小很小，s s0 0，近似有转矩，近似有转矩M M正比于正比于转差率转差率s s，线性线性； 当当s s接近接近1 1时时, ,近似有转矩近似有转矩M M反比于反比于转差率转差率s s，双曲线双曲线； 当当s s在两段之间在两段之间时，直线逐渐过渡到双曲线。时，直线逐渐过渡到双曲线。保持保持U U1 1/f/f1 1=C=C下下U U1 1及及f f1 1变化时的转矩特性变化时的转矩特性 由式（由式（2-102-10）可得）可得 (2-12)(2-12)可见可见： a a、同一转矩、同一转矩M M下下，s s1 1

33、基本不变，则基本不变，则n=snn=sn1 1也基本不变，也基本不变，即机械即机械特性平移特性平移，类似直流他励电机调速。，类似直流他励电机调速。211/21UmpMrs2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性 b b、最大转矩、最大转矩M Mmaxmax随随U U1 1的减小而减小的减小而减小。因为。因为U U1 1太小时，漏抗不太小时，漏抗不能忽略，电流减小，转矩减小。能忽略，电流减小，转矩减小。 按按dM/dsdM/ds=0=0可求出可求出s s值，再代入式（值，再代入式（2-92-9）可得：）可得： (2-13)(2-13)M MMaxMax随随f f1 1减小（即减小（即U

34、U1 1减小）而减小减小）而减小，需要补偿需要补偿U U1 1来提高转矩来提高转矩。恒恒E E1 1/f/f1 1控制控制（即（即恒恒m m 控制）控制） 由等效电路可得由等效电路可得 (2-14)(2-14)则转矩则转矩 (2-15)(2-15)2/212111111max)(12LLrrUmpM2/2212/21/2)/(LsrEI2/22122/2/21211/22/212LsrrsEmpsrIfmpM2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性 当当s s很小时很小时，s s0 0， (2-16)(2-16)转矩转矩M M正比于正比于转差率转差率s s，线性线性；（；（近似近似）

35、当当s s接近接近1 1时，忽略分母时，忽略分母r r2 2 项项 ( (2-17)2-17)即转矩即转矩M M反比于反比于转差率转差率s s，双曲线双曲线；二者间逐渐过渡。；二者间逐渐过渡。 可见可见类似恒类似恒U U1 1恒恒f f1 1控制控制，但，但线性范围更宽线性范围更宽。 按前述方法求按前述方法求最大转矩最大转矩，在，在 (2-18)(2-18)有最大转矩有最大转矩 (2-19)(2-19)注注：最大转矩恒定，：最大转矩恒定，稳态性能优于稳态性能优于U U1 1/f/f1 1控制控制，这也是，这也是E E1 1/f/f1 1控制补控制补偿定子压降所追求的目的。偿定子压降所追求的目的

36、。恒恒E E2 2/f/f1 1控制控制 进一步提高，转子漏抗压降可忽略，则进一步提高，转子漏抗压降可忽略，则 （2-202-20）E E2 2为转子全磁通感应电势（满足为转子全磁通感应电势（满足4.444.44公式），消耗在公式），消耗在r r2 2 /s/s上。上。srsEpmM/21211SLsrEpmM12/21/2211/21/2Lrs/2211max12LEmpMsrEI/22/22.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性srSEpmsrsrEpmM/21212/22/2221)/(转矩为转矩为 （2-21）转矩转矩完全完全是一条直线，稳态性能最好是一条直线，稳态性能最好。

37、E1对应气隙磁通幅值对应气隙磁通幅值m m，E2对应转子磁通幅值对应转子磁通幅值2 2，恒恒E E2 2/f/f1 1正正是矢量控制遵循的原则是矢量控制遵循的原则。综上：综上： 恒恒U U1 1/f/f1 1控制控制最易实现最易实现，但低速带，但低速带负载能力有限负载能力有限，需对定子，需对定子电压进行电压进行补偿补偿，适于一般调速；，适于一般调速； 恒恒E E1 1/f/f1 1控制控制，可达恒磁通，改善了低速性能，线性范围较，可达恒磁通，改善了低速性能，线性范围较宽，但机械特性仍非线性，产生转矩能力受限；宽，但机械特性仍非线性，产生转矩能力受限； 恒恒E E2 2/f/f1 1控制控制，可

38、得，可得直流他励电机样的线性特性直流他励电机样的线性特性，较，较理想理想，动态动态恒定恒定2 2是矢量控制要实现的目标是矢量控制要实现的目标。2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性（3 3）基频（）基频（F F1N1N) )以上恒压变频的机械特性以上恒压变频的机械特性（恒功率）（恒功率） 基频基频f1N以上，以上，U1额定不变，转矩为额定不变，转矩为 (2-22)最大转矩为最大转矩为 (2-23)可见，可见， f1Mmax。 即：基频以上即：基频以上U1额定，额定，f1转速转速n，1 1势必势必 ，导致，导致最大转最大转矩减小矩减小，可认为输出，可认为输出功率基本不变功率基本不变，属

39、，属弱磁通功率调速弱磁通功率调速。注意注意： 上述为正弦供电，上述为正弦供电，若含谐波若含谐波，机械特性扭曲，机械特性扭曲，机械损耗增机械损耗增加加。 异步电机调速有异步电机调速有两个独立调制量两个独立调制量。2/212122/211/221)()(LLSrSrrpmUMN22/2121211121max)(12LLrrUpmMN2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性2 2、恒转矩特性（起动）、恒转矩特性（起动）（1 1）恒磁通、恒）恒磁通、恒f f2 2即可恒转矩即可恒转矩 前述前述恒恒E E1 1/f/f1 1控制、恒控制、恒E E2 2/f/f1 1控制控制都能实现恒转矩控制，

40、特别是都能实现恒转矩控制，特别是后者是完全的线性。后者是完全的线性。M M与与f f1 1无关，仅由无关，仅由f f2 2决定，决定，f f2 2一定一定M M恒定恒定；对于对于不同不同f f2 2M M为一组与横轴平行的直线为一组与横轴平行的直线。 （见图（见图2-152-15（a)a)（2 2）最大恒转矩）最大恒转矩 解解dM/dfdM/df2 2=0=0，可得转子，可得转子临界转差频率临界转差频率f f2 2为为 （同式（同式（2-182-18） （2-242-24）注意注意: :鼠笼异步电机的鼠笼异步电机的f fm m为结构决定的常数为结构决定的常数； 在在f f2 2=f=fm m处

41、有最大转矩处有最大转矩M Mm m（见（见（2-192-19）式）。）式）。/2/22 Lrfm2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性恒转矩特性恒转矩特性: :在整个范围内发出最大转矩在整个范围内发出最大转矩M Mm m，满足机车以不变的，满足机车以不变的牵引力起动的要求（图牵引力起动的要求（图2-122-12中曲线的中曲线的1 12 2）。（通常，机车）。（通常，机车起动阶段要求电动机发出起动阶段要求电动机发出1.51.52 2倍的额定转矩）倍的额定转矩） 0MMmfm2f1f增大0f1I1U11E1EU1I1 (a) (b) (a) (b) 图图2-15 2-15 恒转矩特性调节

42、恒转矩特性调节 （3 3）恒转矩时的定子电流）恒转矩时的定子电流I I1 1 恒恒m m，近似，近似E E1 1ff1 1（线性）；恒（线性）；恒2 2，完全，完全E E2 2ff1 1（线性）。（线性）。 频率较高时，定子频率较高时，定子r r1 1可略，近似有可略，近似有U U1 1ff1 1（线性）；（线性）；频率较频率较低时低时r r1 1不可略，不可略，U U1 1相对相对有所提高有所提高。 2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性 定子定子I I1 1与与f f1 1无关无关（公式略）（公式略）, ,即保持即保持恒定不变恒定不变。 （曲线见图（曲线见图2-132-13（b

43、b）所示）所示）3 3、恒功率特性（运行）、恒功率特性（运行） 恒转矩运行，随速度恒转矩运行，随速度VUVU1 1到最大值（图到最大值（图2-122-12曲线上曲线上5 5点）点）, ,对应频率对应频率f f1N1N叫叫基准频率基准频率（或（或额定频率额定频率），其后维持），其后维持U U1 1不不变进入恒功率运行变进入恒功率运行（U U1 1/f f1 1不再恒定）不再恒定）。 f f1 1f f1N1N，高速电机的，高速电机的s s很小，相对于很小，相对于 /s/s可忽略可忽略r1、x1、 x2，则则U U1 1E E1、电流电流 ，由（，由（2-82-8）式得）式得 转矩转矩 （2-25

44、2-25） 同时，按同时，按dM/dsdM/ds=0=0解得解得s sm m方法可解得方法可解得最大转矩最大转矩 （2-262-26）/2r1/221/21/2frfUsrUI12121/22fffUrpmM/21112121214LCLCfpmUMm2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性（1 1）U U1 1不变，恒转差率不变，恒转差率S S（f f2 2/f/f1 1) )调节调节 U U1 1不变，不变，f f2 2与与f f1 1按比例变化按比例变化。由式。由式（2-262-26）知，）知，M Mm m1/f1/f1 1；而由式（；而由式（2-2-2525）知）知M1/fM1

45、/f1 1( (图图2-162-16（a a）) )。工作点选择工作点选择：在：在最高转速最高转速（即（即f f1max1max）时）时保证有保证有最小允许过载能力最小允许过载能力（即最小转（即最小转矩裕度）处，则较低速时有较大的过矩裕度）处，则较低速时有较大的过载能力，保证电机在全部调速范围内载能力，保证电机在全部调速范围内稳定运行。稳定运行。 电机被低速状态所决定，电机被低速状态所决定，电机设计电机设计尺寸较大尺寸较大。 n0MnmaxMMmf1nAf11AfU1U1I1I10(a)(a) (b)(b) 图图2-16 U2-16 U1 1为常数的恒功率特性调节为常数的恒功率特性调节 2.2

46、 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性定子电流定子电流I I1 1：保持：保持U U1 1不变，不变，I I1 1近似为常数（与近似为常数（与f f1 1无关）。无关）。（见图（见图2-2-1616（b b）。）。I I1 1为激磁与转子归算电流的矢量和，主要是后者（公式略）为激磁与转子归算电流的矢量和，主要是后者（公式略）（2 2）f f2 2不变，恒不变，恒U U1 12/f/f1 1调节调节 f f2 2不变，而不变，而U U1 12 2与与f f1 1按比例变化按比例变化。 由式（由式（2-252-25）、（）、（2-262-26）知，）知，M Mm m与与M M都反比于都反比于f

47、 f1 1，呈双曲线，呈双曲线形状（图形状（图2-172-17（a a）。）。n0MnmaxMMmf1nAf11AfU1U1I1I10U1AI1AA(a) (b)(a) (b) 图图2-17 2-17 不变的恒功率特性调节不变的恒功率特性调节 2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性工作点选择工作点选择：在：在最低转速最低转速时有时有最小允许的过载能力最小允许的过载能力处，则高速处，则高速时也有适度的转矩裕度，使电机整个调速范围内稳定运行。时也有适度的转矩裕度，使电机整个调速范围内稳定运行。 充分利用了电机功率，充分利用了电机功率，电机设计尺寸较小电机设计尺寸较小。定子电流定子电流I

48、I1 1：U U1 1保持保持 变化变化，分析知，分析知I I1 11/1/ 变化变化（图图2-152-15（b b）。注意注意：第一种第一种有较大的电机设计尺寸，但在恒有较大的电机设计尺寸，但在恒U U1 1、I I1 1下工作，可下工作，可控硅装置容量得到充分利用，逆变器有较小的设计尺寸，故控硅装置容量得到充分利用，逆变器有较小的设计尺寸，故称之为称之为最大电动机最小逆变器方案最大电动机最小逆变器方案；第二种第二种有较小的电机设有较小的电机设计尺寸，但逆变器需满足计尺寸，但逆变器需满足U U1max1max、I I1max1max要求，尽管二者不会同时要求，尽管二者不会同时出现，但逆变器的

49、设计容量为二者的乘积，则逆变器有较大出现，但逆变器的设计容量为二者的乘积，则逆变器有较大的设计尺寸，故称之为的设计尺寸，故称之为最小电动机最大逆变器方案最小电动机最大逆变器方案。（交流传。（交流传动一般用前者）动一般用前者） 1f1f2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性三、典型电力机车牵引特性三、典型电力机车牵引特性1 1、HXHXD D1C1C牵引特性牵引特性图图2-18 HX2-18 HXD D1C1C牵引特性曲线牵引特性曲线2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性2 2、HXHXD D3C3C牵引特性牵引特性这是这是23

50、t23t轴重的牵引特性（轴重的牵引特性（25t25t轴重类似），运行级轴重类似），运行级N N在在1 11212级。级。图图2-19 HX2-19 HXD D3C3C牵引特性曲线牵引特性曲线2.2 电力牵引交流牵引特性电力牵引交流牵引特性由特性曲线可知由特性曲线可知： 当机车速度当机车速度V V10km/h10km/h时，机车时，机车F Fm m限制在限制在520kN520kN；当货运机；当货运机车速度车速度10km/h10km/hV V70km/h70km/h（客运（客运62km/h62km/h）时，机车）时，机车F Fm m按按F=544.8-2.48VF=544.8-2.48V（客运（客

51、运F=544.8-2.85VF=544.8-2.85V）线性限制；进入加速）线性限制；进入加速区，当货运机车区，当货运机车V V70km/h70km/h（客运（客运62km/h62km/h）时）时, ,机车机车F Fm m按按F=25920/V(F=25920/V(客运客运F=23040/V)F=23040/V)进行限制，直到机车进行进行限制，直到机车进行120km/h120km/h限速为止，此区段为机车功率限制区。限速为止，此区段为机车功率限制区。 （对于（对于25t25t轴重货运轴重货运，V V10km/h10km/h时时F Fm m限制在限制在570kN570kN；10km/h10km/

52、hV V65km/h65km/h时时F Fm m按按F=600.9-3.09VF=600.9-3.09V线性限制；加速区，线性限制；加速区，V V65km/h65km/h时时F Fm m按按F=25920/VF=25920/V进行限制，直到进行限制，直到120km/h120km/h限速为止，限速为止，功率限制区）功率限制区）2.3 电力牵引的调速特性电力牵引的调速特性 电力牵引的起动、调速、制动三种基本运行状态，实质都电力牵引的起动、调速、制动三种基本运行状态，实质都是调速，只是起动、制动为调速的特殊形式而已。是调速，只是起动、制动为调速的特殊形式而已。基本要求基本要求：调速范围宽、平稳性好、

53、经济及简单、方便、可靠。：调速范围宽、平稳性好、经济及简单、方便、可靠。一、直流传动机车调速一、直流传动机车调速 调电力牵引机车速度就是调电动机的转速。调电力牵引机车速度就是调电动机的转速。（一）直流串励电动机的调速方法（一）直流串励电动机的调速方法 式（式（2-1）给出了直流串励电机的转速特性。调电机转速的）给出了直流串励电机的转速特性。调电机转速的方法：调端压、回路电阻、主极磁通。方法：调端压、回路电阻、主极磁通。1、改变电机端电压、改变电机端电压UD（1）直流网压直流网压 多台牵引电机多台牵引电机串、并联串、并联来改变端压。无能耗，但属来改变端压。无能耗，但属有级有级调速调速（23级），

54、电路级），电路连线复杂连线复杂，一般，一般不用不用。（早期地铁用）。（早期地铁用）2.3 电力牵引的调速特性电力牵引的调速特性 斩波斩波器器调压调压。能耗小，。能耗小，无级调速无级调速，现代直流电力机车，现代直流电力机车（如早期城市（如早期城市地铁地铁）上采用。）上采用。（2 2）“交交- -直直”电力机车电力机车 改变主改变主变压器变压器输出电压输出电压调压调压。有级调速有级调速（级数多），（级数多），在在早期的早期的SSSS1 1电力机车上采用。电力机车上采用。 可控硅整流调压可控硅整流调压。无级无级调速，调速，SSSS电力机车广为采用。电力机车广为采用。2 2、改变电机回路电阻、改变电机

55、回路电阻R R 电机回路串电阻来调速。电阻电机回路串电阻来调速。电阻损耗损耗，效率降低效率降低；电阻；电阻分分段段调，造成牵引力调，造成牵引力冲击冲击。电力机车。电力机车不采用不采用。（早期地铁用）（早期地铁用）3 3、改变电机主极磁通、改变电机主极磁通D D 即调主极磁势，即调主极磁势，主磁极主磁极绕组绕组并电阻分流并电阻分流，即削弱磁场。，即削弱磁场。分流电阻值小，能耗小，也不笨重，故广为应用。分流电阻值小，能耗小，也不笨重，故广为应用。 2.3 电力牵引的调速特性电力牵引的调速特性（二）恒压磁场削弱调速（二）恒压磁场削弱调速 电机额压（电流未达额值）下削磁电机额压（电流未达额值）下削磁调

56、速、改变转矩特调速、改变转矩特性，是高速区调速并提高功率及转矩的有效方法。性，是高速区调速并提高功率及转矩的有效方法。1 1、磁场削弱系数、磁场削弱系数 励磁削弱的程度，用励磁削弱的程度，用表示表示 （2-272-27） 式中，式中， 为削磁后的主极磁势，为削磁后的主极磁势， 为削磁前的主极磁势。为削磁前的主极磁势。注注：磁路不饱和时可用磁通代替磁势。：磁路不饱和时可用磁通代替磁势。 2 2、磁场削弱方法、磁场削弱方法（1 1）改变励磁绕组匝数）改变励磁绕组匝数 励磁绕组分段抽头，电枢电流流过全绕组为全磁场，励磁绕组分段抽头，电枢电流流过全绕组为全磁场， )()(IWIW)(IW)(IW2.3

57、 电力牵引的调速特性电力牵引的调速特性 流过部分绕组为削磁。流过部分绕组为削磁。 （2-28-28） 式中，式中，W为全励磁绕组匝数，为全励磁绕组匝数， 为削磁后绕组匝数，为削磁后绕组匝数，ID为电为电机电枢电流。机电枢电流。优点优点：精确精确（匝数比）；（匝数比）；缺点缺点：电机：电机结构复杂结构复杂，削磁，削磁级数有限级数有限（23级）；一次过渡到级）；一次过渡到最深削磁，有很大的电流冲击和牵引力最深削磁，有很大的电流冲击和牵引力冲击冲击。（直流电力机。（直流电力机车不采用）车不采用） （2）改变励磁电流）改变励磁电流 励磁绕组固定，改变励磁电流，削磁系数为励磁绕组固定，改变励磁电流，削磁

58、系数为 （2-29-29） 式中，式中， 为削磁后的励磁电流。为削磁后的励磁电流。 WWWIWIDDWDDIIWIWII2.3 电力牵引的调速特性电力牵引的调速特性电阻分流法电阻分流法 励磁绕组并电阻分流。由图示电路可得励磁绕组并电阻分流。由图示电路可得 式中，式中，RL为励磁绕组电阻，为励磁绕组电阻，R为分流电阻。代入式（为分流电阻。代入式（2-29）得）得 （2- -30） DLIRRRILMIDI1K2KR2RR1. .LRRR图图2-20 电阻分流削弱磁场电阻分流削弱磁场 优点优点：励磁绕组：励磁绕组结构简单结构简单，削磁，削磁调节方便调节方便，能耗小。能耗小。注意注意：、实际中，、实

59、际中，并并固定分流电阻固定分流电阻R0，以，以改善改善电机电机换向换向。、同机车同机车各牵引各牵引电机电机的分流电阻一致、的分流电阻一致、一致一致、削磁一致。、削磁一致。 2.3 电力牵引的调速特性电力牵引的调速特性 、为稳定工作状态为稳定工作状态下所得，下所得，过度状态过度状态时应充分时应充分考虑考虑励磁绕励磁绕组的组的电感作用电感作用。例如例如，网压网压波动突增波动突增I ID D突增突增，而，而励磁励磁绕组（电感）电流绕组（电感）电流不突增不突增，则突增的大部分经分流电阻流过，造成电机的，则突增的大部分经分流电阻流过，造成电机的反电势不足反电势不足，加速加速电枢电枢电流增加电流增加而严重

60、过载，甚至会而严重过载，甚至会引起电机环火引起电机环火。因。因此，在分流支路串入适当电感，即此，在分流支路串入适当电感，即磁感应分流法磁感应分流法，如我国，如我国SSSS3 3型机车。型机车。另另：削磁一次性过深，电流、牵引力冲击，故常用：削磁一次性过深，电流、牵引力冲击，故常用分级削磁分级削磁。考虑控制的复杂及附加设备多少，考虑控制的复杂及附加设备多少，一般为三级一般为三级。如。如SSSS1 1机车，机车，接接R R1 1时时1 1=70=70，接，接R R2 2时时2 2=54=54，R R2 2、R R1 1均接时均接时3 3=45=45。可控硅分流法可控硅分流法 对励磁利用对励磁利用可