城轨牵引传动2-2交流电机

长期以来，牵引电传动大多采用直流牵引电机系使其起动、调速性能和转矩控制特性比较理想，并容易获得良好的动态性能。缺点：直流电机的结构复杂，存在换向器，它不仅工艺复杂，体发生环火现象，故障率高，不便于3 60变频调速装置的研制成功，唤起了人们对交流调速传动的重视。进入7发出了前所未有的。4 第二章牵引电机与运 交流电机主要分为同步电机和异步电机两大类，二者的工在交流传动的动车中，牵引电大多采用异步电机，结构简单，运行可靠，方便，效率较高，在变频器的控

鼠笼式电机（普遍应用5吊吊风接线风定子绕轴轴转转子铁芯和绕定子端底鼠笼型异步电机剖6

定子铁心：0.5m的硅钢片（圆形冲片，扇形冲片），叠装而成。为了嵌放定子78

成型单层，双层，绕组联结方散嵌线三相对称绕组在定子铁芯中的

形状相同的槽。铁心固定在转轴或转子支架上。整个转子铁心9

在转子铁心均匀分布的每个槽内各放置一根导体，在铁两端放置两个端环，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、

绕线型绕组与定子绕组相似、极数相同的三相对称绕组。一般接中接入附加电阻，以改善 的起动性能、调节其转速

定、转子之间的间隙，也气隙大小对异步电机的性能影响很大。气隙越大，磁阻越大。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，气隙较小交流牵引的气隙为1.0mm-异步 转动的一般原理是基于法拉第电磁感应定律和载流导在磁场中会受到电磁力的作用这两个基本定用一个简单的试验观察三相异步电 的工作原：当摇动磁铁笼形转子跟随转变会发生变化。故可得出如下结论：旋转磁场可拖动笼形转子转。 第二章牵引电机与运 NN磁场旋f1ef1einfS闭线f的方向：用左手定则确磁感应电e的方用右手定则确电电电电转转子绕转子绕组e对对称三相绕通入对称三相旋转磁（磁场能量电磁感应转子绕组在磁受到电磁力的作转子旋转起机械负旋转起 对称三相电流正弦波电流幅值相等、相位互差120ππZXY iCYXABZ BC 图2-定子磁场随着电流的交变在空间不断旋转，旋转的转速称为同步速n1π0 YXSN YXSNBZCYSNBZCYNSBZCYSNCYSNBZCYNSBZCYSNBZ 当定子三相绕组中通入三相电流，则产生一个转速为n1、顺时针方向的旋转磁场中产生感应电势，其方向可用右手定则确定。由于转子绕组转子导体中的感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力 图2-旋转磁场所感应的转子电流 2极电 4极电 6极电图2-不同磁极对数三相异步电机的旋转磁场 场之间必须存在相对运动，则异步电机转子转速n总是小于同步转速n1，故称“异步电”。

s

nf1f 异步 式中：f1—定子频率；f—转子频率；f2—转差频率；p—电机磁极对S—转差率；n1=60f1/p—同步转速1 T

RR

RR L

RR L

2

)L)2Cm—2S—转差率

φ—旋转磁场每极磁通cosφ2转子电路功率因数；E2—转子电势，E2=4.44k2W2f2φ=XL2—转子漏感抗，XL2=2πf2LL2=2πSf1LL2=SXL20 第二章牵引电机与运 若异步电外加电压U1及其频率f1均不变时，可知，磁通φ也可认为不变，R2与XL20都是常数，则电磁转矩T仅随转率S而变

图2-异步电T=f（S）曲

第二章牵引电机与运 起动转矩Tq：n=0（S=1） C L起动转矩Tq一般为额定转矩Te的0.9～1.8倍，只有当Tq大于负载转时，电才能起动最大转矩Tmax（转矩利用数学上求极值的方法可以求得临界转差率SK与电机参数的关系即令dS/dt=0X X

代入

C KL

202

La一般为额定转矩e1.6~2.2倍。当负载转矩大于a时，电就车称“”电值7 第二章牵引电机与运 额定转矩异步电在额定负载下稳定运行时的输出转矩称为额定转矩Te，对于通用异步电的额定转矩可根据铭牌上的 P Te e 9550e N 式中Pe的单位为kW，ne的单位为r/min 当同步转速n1不变时（f1不变），由n=n1（1－S），很容示的转矩特性曲线T=f(s)转换为常用的机械特性曲线T=f(n)T0

图2-异步 的机械特

不大，所以电机正常运行时的硬特性：使异步电自动调速困n难，但具有良好的防空转 断提高，S逐渐减少。当转差率S减少到接近于零时，进入线。当电的参数不变时，曲线的峰值（即电的转矩）与所施加的电压大小有关。不论是作为电或发电机，异步电只能在转差率接近于零的一个小的范围内保 异步电机由电状态进入发电机状态是很容易的，通过控当转差频率f20时为电状态，此时转子频率f′小于定子当f2<0时为发电机状态，此时转子频率f〞大于定子频率f1。转子相平衡的电流也是反向的，即从电机流向制动电阻或电T

SK

0n0

电

图 异步 的转矩-转速特异步 在进行再生制动或电阻制动时，不论接到电端的是正相序电压或是负相序的电压，异步电都作为发电机工作，将机应相反方向的电压与电流。在定子中流过的用于平衡转子电流也是反向的，功率从电流向电源。 如果电是正序电源电压供电的，就必须使电转子反转。此时，旋转磁场和转子之间的相对转速是正的，电转矩因为电沿反向旋转时，正向转矩将提供制动作用。由负载和惯性引起的机械功率变换所产生的电功率，以及从电源吸取的电功率都消耗在转子回路的电阻上，所以这种制动方式的效率 总的来说，异步 对转子采取的措施有：改变转子电路中的电阻；在转子电通常采用结构非常简单的鼠笼式异步电 作为牵引电动改变电压U1

当改变U1来调速时T0

图2-

机械特性陡峭的稳定cab、c，对应的转速相差削弱了电机适应负载变能力由n1=60f1/p可知，在电源频率f1不变时，异步电 转速n1与磁极对数p成反比，所以，改变定子绕组的磁极对数p可磁极对数变少级，转子转速的变化也就有多少级，但变可靠性。——调速范围受到限制，且为有级调速，动车由n1=60f1/p可见，在磁极对数p一定的条件下，若能滑地改变f1，就可以平滑改变n1，从而平滑调节电机的 在动车上，异步牵引 牵引电 的变频调速只能采用另外的变频装置。在交-直- 图 异步 的等值电 电流；I电机激磁电流E分别为一相定子感应电势和归算到定子侧的转子感应电S—转差率，S=f2/f1R1、X1 组电阻及漏电抗 R2'、 —归算到定子侧的转子电阻及漏电抗 (R'2jX' 定子漏电X12πf1L1；L1定子绕组的漏电转子漏电抗：X'22πf1L'2L'2转子绕组归算到定子边的漏电PemE'2I'2cos2 的电磁转矩为TPempE'I' 2 2式中m电机定子相p— 的极对数cosφ2—转子的功率因

n1— 的同步转转速感应电势的公式 E'2=E1=ω1—— 的同步角速度2cos22

R'2/

2n1 2S

X

第二章牵引电机与运 Pe=22T

I

R'2/

第一阶段是普通功能型U/f控制方式的通用变频器，该控制方式第二阶段是高功能型的转差频率控制方式，其转速需要闭环检 异步电的每极磁通φm正比于E1/f1，在进行频率调度，这样可以充分利用电机的铁磁材料，充分发挥电机转在一般情况下，定子绕组的漏阻抗所引起的电压降与电机端电压相比可以忽略，即可认为U1≈E1，因此可按照U1/f1=常数来进行调节，即只需要由变频器提供线性的电图 (12S)2(12S)2(XX'212

TmpI'2R'/

Tmp(U1

mp(U1

(SR1R'2)S2(X1X'2Sf1

(SRR')S2f2(2L2L' Sm mp(U1R1(1R1(1R)2(2L2f1L'21f1

R2R2 2L2111L'21 mp(U1 f1 (RR')2f2(2L2L' （一）恒电压频率比（U1/f1=常数）的控制方TT

TLD=kn2（风泵

05

（牵引图 恒电压/频率比下最大转矩、起转矩与定子频率的

图 恒电压频率比的机械特在低频范围内，虽然定子漏电抗正比于频率f1而降低，但定子电阻却不随频率变化，这部分电阻压降在低频时构成端电压不可忽略的一部，使得气隙磁通随频率下降而迅速减小，因而转矩急剧下降低频时由于Tm和Tst减小，限制了带负载能力，只适用于风机、水这一类负载，因为此类负载性质是转矩与转速的平方成正按恒压频比（U1/f1=常数）的控制方式，在低频时由于定子电阻R1下降，使最大力矩Tm下降，因而系统的低频性能较差，不适用于在一定的调速范围内要求恒转矩运行的一类负载为了获得不变的气隙磁通，需要对电 按比值E1/f1(R'/S(R'/S)2X222

I'2 TmpE1 1

f2 2(2fL' EE

C2

f2 2(2fL'

fm

mp(E1 T0图

在调频范围内获得恒定的过载倍数Km=Tm/T。II

R'2/SjX 1

R'2

f2转差频率f2，而与定子频率f1无关。若保持f2不变，则在不由于1是电 内部电势，难以直接检测与控制，通常只能控制电机的端电压U1。那么，在恒磁通运行时，端电压应如何变化？由等值可知，端电压为感应电势和定子电压降的矢量和，即UE(RjX

U1、 1

f1

j2f1L1)I当恒力矩控制时，E1/f1=常数f2恒定，I1也恒定，由此得出的（f1）为控制系统中电压函数发生 U/f设计的依据

图2-电机电压U1、电势E1、电流I1与频率f1通常在频率调节大于基准频率（f1＞f1N）U1提高到一定数值后将维持不变，或者不再正比于f1此后 将以恒功率输出为条件进行电压和频率的控制R'2/(R'/S)2X'R'2/(R'/S)2X'221E1(R'/(R'/S)2X222

cos2当S很小时，同样可以忽略X‘2项，故有I'

E1

且在恒功率范围内，U1已提高到一定数值，可认为U1≈E1，故TmpEI (U1)22 1 实现恒功率的条件U1功率TfK(1) KU1

2sff ff （1）U1不变，S=f2/f1=由于f1较高，与电抗相比可忽略R1的影响，则最大转矩

1U f21 U f21

2(LL' 图 在该方式下，Tm与T的比值是变化的，如图示的阴影部分。 在最高转速nmax时，保证有最小允许的过载能力；而在低速但逆变器在恒电压和恒电流下工作，整个运行范围内装置容

Tm

U1 1 f2(LL' 图 在该种方式下，电机具有不变的过载系数，电机的设计工作点可以选择在恒功范围的最低转速nA时具有最小允许的过载能力。这样即使在高速运行时仍然有适度的转矩裕量，使在整个恒功调速范围内稳定运行，并能较充分地利用电机的功率，因而电但逆变器则需满足最高电压和最大电流的要求，尽管两个数值在整个运行范围内不会同时出现，但逆变器的设计容量应为最通常称这一方案为最小电和最大逆变器TCC恒区DT′′恒功区速力s

B

恒磁 恒电图2-4-1转矩裕量

图2-4-2对较少，因而漏抗较小。电负荷型电机的磁通较小，因而铁心体积较小，重量较轻；但定线圈的导体数较多，因而漏抗大，最大电磁转矩根据城市轨道交通车辆的性能要求，可采用不同的电磁负荷分要求恒功范围大的电机，其最大电磁转矩也较大，属于磁负荷型要求恒功范围小的电机，其最大电磁转矩较小，属于电负荷型 变压变频控制有集中控制和分别控制两种方式，各有利弊 分别控制运优点可克服集中控制时由于轮径差异和异步 特性不一致产生粘着力降低或空转、滑行的问题当某个逆变器出现故障，还有其他几个逆变器照常工作，车辆仍可继续运行在防空转防滑行采用降功率来抑制空转或滑行时，只涉个别轴，所以功率损失也小缺点分别控制方式所用的元器件及控制装置增多，相应会增加故障投资因此，城市轨道车辆普遍采用牵引电机并联的集中控制方式1、异步牵引

逆变器

~~2逆变器

~3~3~4逆变器 逆变器

牵引电MMMM图2-4-32、异步牵引 牵引电M

MM图2-4-43、异步牵引

~1逆变器~1

~~2逆变器

牵引电MMMM图2-4-5异步牵引 城市轨道交通车辆通常是每辆动车由一台逆变器供电，多台异步电机并联运行。例如 城市轨道车辆最常用的4MM／1IN方式就是由一台逆变器拖动四台异步电机并联运数台异步电机并联运行要注意以下问（1）由于异步电机的硬特性——电机电气特性略有差异，就会引起电机负载分配不匀。对异步电机特性影响最大的因素是转子的电阻，应临界转差频

f

R2L'2电机电机电机0

图2-4-6电机特性差异引起

图2-4-7电机转子电阻的影响牵引工况时：轮径大（转速偏低）的负载偏大，轮径小（转速偏高）的负载偏小制动工况则相反：轮径大的负载偏小，轮径小的负载偏电转电转转牵引轮轮径径大轮径大再生转图2-4-额定转差率越小，负载分配不匀越严重，即使轮径差不大，也会较大的牵引力差但额定转差率大又对电机的效率、温升和动车性能不设电机以s％转差率运转，轮径差为±a％，则轮径大的电机转速（a）％（a）／s转矩转矩效率温度轮径差轮径差图2-

fs额定转表2-1电机额定转差率的影响大小电效低高电温高低差好小大大小为了防止坡道起动时车辆后退，异步电机的转差频率fs随动车后退速度增加，但由于逆变器允许电流等限制，电流不能增以保证进方向上产生需要的转矩，实现坡道安全起动。 号在检测滑行时——应选取其中转速最高的作为基准信号了提高防止空转和滑行系统的灵敏度，通常还检测电机转 从防空转和滑行性能出发，在控制轮径差的同时，城市轨道

由于调速过程中调制频率不断变化，特别是当调制脉冲数转 左右的GTO逆变电路产生的噪音在听觉范围内，可以通过控制方式减小噪音波动，改进对噪音的感觉。 、IPM逆变电路为减小转矩不平衡，额定转差率通常设计得比一般异步 ，约为3％；为了确保所需的转差率，转子导条使用高