模块3 交流传动技术《列车电力传动与控制》教学课件

《列车电力传动与控制》✩精品课件合集第X章XXXX模块3

交流传动技术第3章交流传动技术

3.1概述

3.2交流电力传动系统组成模式

3.3交流牵引电动机变频调速

3.4列车牵引特性与控制策略

2024/8/2243.1概述电气传动技术诞生于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。电气传动系统按照驱动电动机的电流制式，可分为直流传动系统与交流传动系统。根据负载对速度控制的运行要求，电气传动可分为恒速系统和调速系统。受当时科学技术的制约，交流平滑调速无法实施，直流电气传动用于高性能的调速系统，而交流传动多用于恒速系统或不平滑调速系统。长期以来，在调速传动领域内，大多采用直流电动机传动系统，因为直流电动机的磁场电流和电枢电流可以独立控制，其起动、调速性能和转矩控制特性都比较理想，并容易2024/8/225获得良好的动态响应。但是，直流电动机在结构上存在接触式的机械换向器，它不仅工艺复杂、价格昂贵，而且在运行中很容易产生换向火花和发生环火故障。另外，由于换向问题的存在，要求电动机各换向片之间的电压不能过高，这样使得直流电动机的设计容量和高速时的功率利用都受到限制，远远不能适应现代装备向高转速、大容量化方向发展的要求。上世纪70年代中期，全球发生能源危机，节约能源成为人们关注的问题。许多过去一般不调速的传动装置，如风机、泵类负载，为了减少无谓的电能损耗，也都采用了调速传动。这对交流电动机调速技术的发展起了很大的推动作用。上世纪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2024/8/226动调速技术取得了突破性的进展，快速进入了工程应用，促进了工业、交通领域技术装备的升级换代，显示出了强劲的发展态势，使交流传动平滑调速的技术特点，如调速范围宽、调速精度高、动态响应快和可在四象限运行等得到了充分体现。目前，交流传动已经作为一种无可置疑的系统，正在快速进入电气传动调速控制的各个领域，容量从数百瓦的伺服系统到数万千瓦级的大功率系统，从工业传动到现代列车牵引，从单机传动到多机协调运转，调速范围达到1:10万以上，调速精度可达10-4

级。西方发达国家已实现了产品的系列化，正在逐步取代直流调速系统。发达国家在轨道交通装备牵引动力领域，已实现了直流传动向交流传动系统的跨越与转换，并研制生产了大量性能优异的机车、动车组，正在发挥着重要作用。2024/8/2273.1.1电力牵引交流传动系统电力牵引作为电气传动的一个分支，过去一直采用直流电动机或脉流电动机牵引。近20年来，由于电力电子技术与大功率变流技术的日渐成熟、控制理论和控制技术的完善，使三相交流电动机在列车牵引中的应用得到了关键性突破，获得了极为迅速的发展。交流传动技术是一门综合技术，但其本质的特点是牵引电动机采用了三相交流异步笼式电动机，其一系列的优点都由此而表现出来。交流传动列车之所以成为现代列车发展的方向，正是由异步牵引电动机的特点和优点所决定的。1.三相异步电动机异军突起，成就了交流传动系统交流异步电动机传动系统与传统的串励直流电动机传动2024/8/228系统相比，在牵引性能(机械特性)、绝缘、耐热、耐潮、粘着、维修、效率、重量尺寸等诸多方面，都有优越之表现。

(1)良好的牵引性能调节控制交流传动系统的调频特性可显著提高机车起动转矩；合理地利用传动系统的调压、调频特性，可以实现宽范围的平滑调速，提高机车在高速区的功率利用、恒功率调速比。(2)异步牵引电动机构造简单，动力学性能好异步牵引电动机电动机是所有电动机中结构最简单的电动机，除轴承外没有其它机械接触部分，电动机转速可达到4000r/min以上，试验转速甚至可达7000r/min，这是直流电2024/8/229机望尘莫及的。直流牵引电动机转速因受换向条件和机械强度的限制，只能达到2500r/min左右。由于异步牵引电动机结构紧凑、重量轻，可采用特殊的悬挂装置，簧下重量小，对轨面的冲击力小，使其传动系统具有良好的动力学性能。(3)功率大、体小质轻异步牵引电动机没有换向器，在相同几何空间内，能够做到功率大、质量轻。与直流(脉流)牵引电动机相比，其单位质量千瓦数(kW/kg)是直(脉)流电动机的2~3倍，异步电动机的功率可达到1200～2000kW。德国12k型电力机车单轴功率为1840kW,是已应用异步牵引电动机中功率最大的，而采用1200kW～1600kW的居多；单位功率质量指标已从3kg/kW降到1.7kg/kW，在高速动车组上采用的异步牵引电动机，最好指标已达到了1kg/kW。正因为如此，才可使机车的牵引功率大大提高，从而可获得更大牵引力，再加上粘着性能好，能充分发挥机车的牵引能力。现以ND5型交—直传动机车与SD70MAC交流传动机车进行比较：车型传动方式柴油机标定功率kW起动牵引力kN持续速度km/h持续牵引力kNND5交—直2940533.622.2359.8SD70MAC交—直—交2980780.919.3609.8比较1.0131.4630.8691.694后者与前者相比，不论起动牵引力和持续牵引力都高出45%左右。表3--12024/8/2211

(4)动态性能和粘着利用好由于交流异步牵引电动机有较硬的自然特性，当某台电机发生空转时，随着转速的上升（上升值不大），转矩很快降低，具有很强的恢复粘着(机车粘着利用)的能力。由于异步电机具有很硬的机械特性，所以当进行粘着控制时，根据检测有关粘着控制的信号，准确、迅速地改变逆变器输出的电压和频率，寻求最佳工作点，使驱动系统既不发生空转，又能充分发挥最大的牵引力，实现最大可能的粘着利用。交流传动系统可实现各轴单独控制，若某台电动机发生空转时，可对其进行直接调节，这样能充分利用列车的粘着性能；而在交—直传动系统中，当某轴空转时，则需要使并联供电的所有各轴电动机卸载，这样就大大降低或中断了机2024/8/2212车牵引力。交流传动系统由于具有良好的特性和控制功能，其粘着系数利用已达到很高水平，起动粘着系数可达到0.45，全天候牵引粘着系数达0.32。交流传动系统所具有良好的粘着控制，对于交—直流传动系统是不可想象的。GE公司在其交—直流机车上，采用“SENTRY”粘着控制装置后，全天候粘着系数实测值为0.24～0.25，动力制动粘着系数为0.24。(5)可靠性高、维修简便交流异步牵引电动机无换向器、无电刷装置，除轴承外，无摩擦部件，密封性好，防潮、防尘、防雪性能好，绝缘性能和耐热性好。因此故障率低，可靠性高。控制装置采用模块结构，故障率也很低。电路系统中几乎全由无触点的2024/8/2213电子元件组成，所以不存在传统系统中经常发生的触点磨损、粘接、接触不良、机械卡滞等问题。交流传动列车配有完备的微机监视系统和故障诊断系统，可随时监视系统的技术状态，进行故障诊断。由此可知，交流传动系统的可靠性是很高的，维修量很小，且维修简便，维修费用低。现以德国E1200型机车和EA1000型机车比较，交流传动的E1200型机车的维修费仅为EA1000型机车的35%；E1200型机车的轮缘磨耗比EA1000型机车减少了53%。目前交流传动内燃机车大修周期为160～180万km，采用状态修，没有中修，机车故障率达到0.12件/10万km。交流传动电力机车的大修周期最高达到400万公里，交流传动EMU大修周期也达到480万km。2024/8/22142.电力牵引交流传动系统组成电力牵引交流传动系统主要由牵引变压器、交流牵引电动机和牵引变流器等组成，其主要组成如图3-1所示。电力牵引交流传动技术主要由核心层技术、辅助层技术和相关层技术三部分组成。核心层技术主要包括：牵引变流器技术、牵引控制及其网络控制技术、交流驱动电动机技术和牵引变压器技术。辅助层技术主要包括：冷却与通风技术、辅助变流器技术、控制电源技术、保护技术和电磁兼容与布线技术。相关层技术主要包括：司机操纵技术、车体轻量化技术、转向架技术、空气制动技术和高压侧检测技术。动力制动模块空气系统模块辅助变频器主变频器及电机驱动模块通讯模块电子设备

2024/8/22163.交流电力传动技术在机车方面的应用三相交流传动技术用于机车动力牵引是从70年代开始的。1971年原西德研制了第一批DE2500型交流传动内燃机车，经试运行后，证实了三相交流机车的一系列重大优点：牵引力大、粘着利用好、制动性能优越、以及维修量小等。从而掀起了研究三相交流传动机车的热潮。1980年，原西德又将第一批E120型交流传动干线电力机车投入运行，这是交流传动机车发展史上的一个重要里程碑。近年来，已有多种型号的三相交流传动电力机车、交流电传动内燃机车和高速电动车组，相继在德国、法国、日本、美国、丹麦、挪威、瑞士、瑞典、意大利、奥地利、西班牙、韩国、中国及台湾地区等国铁路线上运行。2024/8/2217日本在1990年也研制成功了EF500型双流制交-直-交流电力机车样机和新干线300系的交-直-交高速电动车组。后又成功研制出500系、700系、800系等高性能交流传动高速动车组。从20世纪90年代开始，铁路发达国家已不再生产相控脉流电力机车和直流电传动的内燃机车，全部采用交流传动控制技术。从世界范围内来看，目前三相交流传动电力机车的技术研究中心在西欧，主要集中在西门子电气集团、法国阿尔斯通电气集团、庞巴迪公司、ABB电气集团。大功率交流传动内燃机车技术主要由美国GE公司、EMD公司掌控，其产品代表了当今内燃机车的最高水准，在国际市场上占有绝大多数分额，处于绝对垄断地位。2024/8/22184.交流电力牵引传动技术的发展方向交流传动是一门跨学科的技术，它涉及到电力电子器件、变流器、交流电动机、控制理论及微电子学在内的许多领域。经过20多年的发展，交流传动技术在工业及交通运输业中已开始得到广泛应用。但是，由于这一领域所具有的跨学科的特点，在系统控制理论上和许多实用技术上，还存在一些问题，有待进一步研究改进和提高，其发展前景可归纳为三个方面，物质基础、理论基础和技术手段。

(1)物质基础电力电子器件的发展是变流技术(传动技术)进步的物质基础。电力电子器件的发展已经历了三代：2024/8/2219

-普通晶闸管、快速晶闸管

-GTR(大功率晶体管)、GTO(门极可关断晶闸管)

-IGBT（GTR与MOSFET优点结合）IPM……

IGCT(集成门极换流晶闸管，IGBT与GTO结合)在器件复合化思路的基础上，工业先进国家正在向研制功率集成电路（PIC）的方向发展。在PIC（PowerIntegratedCircuit）器件中，把能承受高电压大电流的功率器件和起控制作用的逻辑电路（驱动电路、保护电路、检测电路等）以及温度自动控制电路等集成在一起，最后形成一个整体，构成称之为SmartPower装置，这可以算作第四代电力电子器件。2024/8/2220这种集成功率器件，使变流装置进一步向小型化、智能化和节能化方向发展，并促使传动调速与电子信息学科相结合，为机电一体化开辟了广阔前景，将成为其它各项高科技发展的基础。纵观电力电子器件发展过程，可以明显看出，电力电子器件主要沿着两大应用领域---大功率电力变换和智能化传动控制的方向发展。电力电子器件将进一步向高电压、大电流、高频、快关断、低耗易驱动以及复合化、模块化、智能化的方向发展。

附件1：全控型器件

GTR—GiantTransistor,是一种高电压、大电流的双极结型晶体管BipolarJunctionTransistor—BJT。GTR=BJT

FET--–FieldEffectTransistor场效应晶体管，分为绝缘栅型和结型。MetalOxideSemiconductorFET—MOSFET(PowerMOSFET)/绝缘栅型，属于N沟道增强型。MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的。特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快、工作频率高；热稳定性优于BJT；容量小、耐压低、应用功率小于10kW。

IGBT—Insulated-GateBipolarTransistor绝缘栅双极晶体管，结合了GTR和MOSFET的优点，驱动原理与MOSFET基本相同，是一种场控器件，其开通和关断由栅极和发射极间的电压uCE

决定的，当uCE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流，使IGBT导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管基极电流被切断，使IGBT关断。IGBT的开关速度低于MOSFET。开启电压uGE(th)

是IGBT实现电导调制而导通的最低栅射极电压，

uGE(th)随温度升高而略有下降，温度每升高一度，其值下降5mV左右。在25℃时，uGE(th)一般为2~6V。技术特征：IGBT开关速度高，开关损耗小。1000V以上时，IGBT的开关损耗只有GTR的1/10，与MOSFET相当；IGBT通态压降比VDMOSFET低，特别在电流较大区域。IGBT输入阻抗高，输入特性与MOSFET相当。在保持高开关频率下耐压和通流能力还可提高。2024/8/2223(2)理论基础控制策略的发展是变流技术(传动技术)进步的理论基础晶闸管移相整流控制PWM控制四象限脉冲整流控制磁场定向控制---矢量控制直接转矩控制……

(3)技术保证

现代控制手段的进步是变流技术(传动技术)进步的技术保证。曾经，由复杂的模拟-数字电路实现简单的控制功能。

现在，网络化控制、模块化结构、微机品质不断提升：2024/8/22248位—16位—32位--…；定点计算—浮点计算；高速数字信号处理器（DSP）为核心构筑实时控制器。

交流传动的优越性将得到进一步体现----优越的运行性能显著的节能效果低运营维护成本良好的可靠性交流传动取代直流传动是电传动技术发展的必然趋势！

3.1.2交流传动系统分类交流传动系统应用范围较广，分类方式较多，可以按照功率等级、供电型式和车型来分类。供电方式功率等级列车类型2024/8/22263.2交流电力传动系统组成模式交流传动系统由牵引变流器、牵引电动机、微机网络控制单元等主要部分组成。交流电力传动系统组成模式主要有三种，即内燃机车交流传动系统、电力机车及动车组交流传动系统、地铁和城轨列车交流传动系统。3.2.1内燃机车交流传动系统内燃机车是自带能源的机车。由柴油机驱动三相同步发电机产生三相交流电，经二极管不可控整流器整流输出直流电压，逆变器将直流电变换成三相频率电压可调的交流电源驱动异步牵引电动机，实现对电动机转矩、转速的控制。微机控制装置通过控制发电机的励磁电流来控制直流电牵引电制动二极管整流桥逆变器制动电阻柴油机发电机组控制器图3.2内燃机车交流传动系统工作示意图压，使牵引发电机按照恒功率方式运行，保持柴油机输出功率不变。传动控制单元控制逆变器输出变频变压交流电源，来控制电动机输出给定的转矩。内燃机车交流传动系统在不同手柄级位、不同柴油机转速时，具有不同中间直流电压和不同功率限制。系统惯性大、调节速度慢。同一级位时，由于按照恒功率供电关系，中间直流电压波动大。动力制动采用电阻制动。目前制动能量通过电阻消耗，最终以热能的形式排向大气。2024/8/22293.2.2

电力机车、电动车组交流传动系统电力机车和电动车组均为外接能源的动力系统，其系统组成如图3—4所示，系统模块图如图3—5所示。通过受电弓将单相高压交流电源从接触网引入车内，经变压器降压，由传动控制单元控制四象限整流器完成交流到直流的变换，再控制逆变器完成直流到三相交流的VVVF(变压变频)变换，向异步牵引电动机供电，对其转矩、转速进行控制。牵引时，能量是从电网流向电动机，电能转化成机械能。制动时，过程相反，机械能转化成电能回馈电网。电力机车交流传动系统属于交-直-交流系统，中间直流电压恒定，波动小。电制动采用再生制动方式，功率因数接近于1。图3—5电力机车交流传动系统模块图

整流器将牵引变压器次边输入的单相交流电变为直流电。逆变器将中间直流电逆变为牵引电机所需要的可调频调压的三相交流电。中间直流电路为逆变器提供一个稳定的直流电压。排风阀（防滑器）压力传感器称重信号接触网制动控制装置司机制动控制器空气压缩机干燥装置制动单元车辆制动信息显示和监控装置再生制动牵引电动机EMU制动系统牵引变流器2024/8/22343.2.3地铁、城轨及中低速磁悬浮列车交流传动系统地铁、城轨及中低速磁悬浮列车都采用直流供电。直流电源通过受电弓或第三轨从电网引入，经高速断路器、滤波电抗器等高压电器再接入逆变器。在传动控制单元的控制下，逆变器将输入的直流电能变换成变频、变压的三相交流电，供给异步牵引电动机，实现对异步牵引电动机的控制，从而完成机电能量转换，达到调速目的。地铁、城轨列车采用的交流牵引电动机在结构上有两种形式，即旋转式和直线式，同为异步电动机，但牵引性质不同。普通旋转电动机驱动为粘着牵引，直线电动机驱动与磁悬浮列车相同，属于非粘着牵引。

1.旋转电动机驱动的地铁、城轨列车地铁、城轨列车交流传动系统组成如图3—6所示。地铁轻轨列车交流传动系统由于采用直流供电，电网电压波动范围较大。起动、制动频繁，加、减速度大。运行为间歇式，系统一般用小时制定额考核，而非持续定额。电制动优先采用再生制动，也可通过电阻吸收制动能量。2024/8/22362.直线电动机驱动的城轨列车系统在城市轨道列车中，采用直线电动机驱，可降低噪音、减小振动与磨耗，降低列车高度，减小土建施工量，有利于提高经济性。直线电动机一般分为直线同步电动机和直线感应电动机。直线同步电机LSM(LinerSynchronousMotor)中，导轨上的转子磁场与列车上的定子磁场同步运行，控制定子磁场的移动速度就可以准确控制列车的运行速度，德国的运捷TR和日本的ML系统均使用这种直线同步电机。直线感应电机LIM(LinerInductionMotor)中，转子磁场与定子磁场不同步运行，故也称为直线异步电动机。中低速2024/8/2237磁悬浮列车及城市轨道交通中一般使用直线感应电动机。直线电机结构相当于将旋转电机切割展开成直线状。感应直线电动机的电枢，相当于把感应式旋转电动机的定子切开、拉直。轨道上包覆的铝板，相当于旋转电机的鼠笼或杯形转子也被切开拉直。城市轨道交通用的直线电动机(LIM)定子（初级线圈）设置在车辆上的直线电机里，转子（次级线圈）设置在轨道上的感应板内。在直线电动机的定子三相绕组中通入频率和电压均可变的三相电压，气隙中将产生速度和运动方向都能改变的行波磁场。行波磁场切割轨道上的铝板，将产生感应电流，其与电枢磁场相作用，产生直线电机的驱动力。列车的运行工况2024/8/2238（牵引、惰行、制动）及运行速度完全由定子绕组中的移动磁场控制。直线电机的驱动属于非粘着驱动，不需要与轨道接触，并直接将牵引力作用于车辆，只要驱动力足够大，可以在很大的坡道上运行；将直线电机反向驱动，也可以产生制动力，没有机械摩擦，对轨道不产生磨损。起动加速性能好。转向架上不安装旋转电机和齿轮箱，空间大，易于采用径向转向架等技术。直线电动机驱动列车系统具有诸多优点：

安全可靠----依靠轮轨导向保证安全；

经济合理----站场及隧道土建规模小、轨道结构简单、2024/8/2239养护维修、运营费用低利用直线电机驱动可降低地板面高，减小限界尺寸绿色环保，低噪音、低磨耗、小振动。

存在的主要缺点：

效率不及旋转电机----由于直线电机气隙比旋转电机大，故其传动效率一般为70%左右，而旋转电机本身与驱动系统的总效率在90%左右；

调整机构复杂----由于存在轮轨磨耗等因素，为保证气隙，直线电机驱动车辆转向架需要设置复杂的调整机构。旋转型电机线性感应电机定子线圈转子线圈定子线圈（车辆侧）转子线圈（地面侧，反应作用板）四方股份正在测试中的地铁列车2008.10于青岛四方股份正在测试中的地铁列车轨道感应板(长转子)2008.10于青岛2024/8/22443.中低速磁浮列车交流传动系统磁浮列车主要由悬浮系统、导向系统和推进系统组成。

悬浮电磁铁安装在转向架上，形成车厢的第一系支撑。每台转向架有两个悬浮模块，分别安装了四只电磁铁和一台感应式直线电机。每个悬浮模块上的四只电磁铁组成两个支承单元，分别用两个斩波器和一套悬浮控制器实施悬浮控制，两个独立控制的电磁力分别作用在模块两端的1/4处。气隙传感器安装在悬浮模块最外侧的两只电磁铁的磁极端部。中低速磁浮列车推进系统为直—交流传动，牵引电动机采用直线异步电动机LIM。一般采用短定子、长转子结构。2024/8/22503.3交流牵引电动机变频调速3.3.1交流牵引电动机基础

交流牵引电动机基本采用三相交流异步笼式电动机，因此，其工作原理、结构与普通三相异步电动机基本相同。具有结构简单、运行可靠、单机功率大、特性硬等特点，是很有发展前途的一种交流牵引电动机。

1.交流牵引电动机的结构交流牵引电动机的结构与普通三相异步笼式电动机基本相同，主要由定子、转子及气隙三部分组成。（1）定子定子包括定子铁芯、定子绕组、定子机座三部分。

2024/8/2252定子铁芯是电动机主磁路的一部分。为减少励磁电流和铁芯损耗，铁芯由0.5mm的硅钢片叠成。在定子铁芯内圆，均匀的冲有许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。牵引电动机定子铁心槽采用窄而深的矩形槽形，与普通异步电动机采用的半闭口型、半开口型和开口型槽形不同。定子绕组是电动机电路的一部分。它由AX、BY、CZ三相构成，按照一定的规律对称地嵌放在定子铁心槽中。定子机座为定子铁心提供安装空间，是电动机的机械支撑部分，是否设置专门安装机座，试需要而定。列车用异步牵引电动机一般不采用专门机座，这样，既可有利于散热又可减轻重量。定子采用全迭片焊接结构机座，机座由定子冲铁芯叠片压板压板定子通风孔

安全吊座支撑板悬挂吊座全叠片式定子结构2024/8/2254片迭片和两个支撑磁路的铸钢压圈，通过拉板和吊挂焊接而成，焊接后有的产品需进行去应力退火处理。有的产品不进行退火处理，对于焊接后不进行退火处理的电机机座，在设计中就要考虑消除应力的方法；在制造中，对焊接工艺、人员资质都有严格要求。

（2）转子转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是主磁路的一部分，一般由0.5mm厚的冷轧硅钢片和两个压板叠压而成，然后热套在转轴上，采用过盈配合传递扭矩。转轴的材料为优质合金钢锻造而成，具有较高的强度和抗冲击韧性性能。同时，为了增大叠片结构的过盈配合面积，满足2024/8/2255传递较高的系统短路扭矩的要求，转轴的铁心位采用较大的直径。转子前后压板和冲片上开有轴向通风孔，改善了转子的散热。转子前后压板采用球墨铸铁或较为精确的模锻制造。牵引电动机的转子为笼型结构。笼型转子绕组是一个自行闭合的绕组，它由插入每个转子槽中的金属导条和两端的环形端环构成。笼型转子采用铜条插入转子槽内、再将两端与端环焊接的结构。导条和端环之间采用中频感应钎焊进行焊接，可保证电机性能参数的一致性，解决了导条与端环的焊接质量问题和转子电阻分散性问题。转子端环的材料要求具有较小的电阻温度系数。牵引电动机导条材料采用强度高、性能稳定的高电阻铜合金材料，采用拉制工艺生产。2024/8/2256转子上装配有较为复杂的油封组件，目的是防止电机运行时齿轮箱内润滑油进入电机。为了减轻重量，不承受力的油封组件全采用铸铝件。为了预防轴承电流，牵引电动机目前采用两种轴承形式:●两端采用绝缘轴承●非传动端用两个接地电刷，两端轴承为普通轴承。

（3）气隙异步电动机的气隙一般为0.2--2mm。气隙也是电动机主磁路的一部分，气隙大小对异步电动机的性能有很大的影响。为了降低电动机的空载电流、提高功率因数，气隙应尽可能小。如果把异步电动机看作变压器，显然气隙愈小则定子和2024/8/2257转子之间的相互感应作用就愈强。但气隙过小，将使装配困难和运行不可靠。因此，允许采用的最小气隙是按加工可能及机械安全考虑，所能达到的最小值为限值。另一方面，若从磁场脉振所引起的附加损耗、因高次谐波磁场所引起的漏磁来看，气隙稍大一点也有其有利的一面。为保证交流异步牵引电动机绝缘结构能承受变频器运行产生的实际电压冲击，电动机采用不低于H级绝缘结构，并对电枢绕组的首末匝进行加强，C（或200）级绝缘具有更高的耐温等级，能进一步发挥交流传动系统的优势，提高了温升裕度，延长了电动机使用寿命。2024/8/2258

2.交流异步牵引电动机工作原理感应电动机是利用电磁感应原理，在三相对称定子绕组中通入三相对称电流产生旋转磁场，在转子绕组中感应出电势、产生电流，在转子上形成电磁转矩，对外输出机械能拖动负载。旋转磁场是三相异步电动机实现机电能量转换的前提条件。

（1）旋转磁场的建立所谓旋转磁场，就是一种极性和大小不变，以某一种速度旋转的磁场。根据理论分析和实践证明，在三相对称绕组中通入三相对称电流将产生一种旋转磁场。A—X、B—Y、C—Z三相绕组在空间彼此互差120°，均匀地分布在定子铁心2024/8/2259内圆周上，构成了三相对称绕组。这个对称绕组的相序是由A→B→C。当三相对称绕组接入三相对称电源时，则在绕组中产生三相对称电流。各相电流的表达式为

由于三相电流是随时间连续变化的，为了考察对称三相电流产生的磁效应，只能通过几个特殊的瞬间（时刻）来说明问题。这里选择0°、120°、240°、360°四个时刻，以两极磁场为例进行分析。对电流的正方向作出规定：当电流从每相绕组的末端流2024/8/2260入、首端流出时，此电流的方向记为正，反之则记为为负，用符号⊙表示电流流出，表示流入。时,，,按照设定的电流正方向，将各相电流的方向表示在各相线圈的剖面图上，如图3—13所示。从图中可看出，Y、A、Z三个线圈边中电流都从图面流出，且Y、Z边中的电流大小相等，根据右手螺旋定则，可知这三个线圈边中电流产生的合成磁场磁力线的分布必定是以A边为中心，左右反向对称，磁力线通过转子时，其方向为从下向上。同理，可确定出B、X、C三个线圈边中，电流产生的合成磁场磁力线的分布。整个磁场的磁力线分布左右对称。因此，从磁力线的图像看，和一对磁极产生2024/8/2262的磁力线一样。用同样的方法，可以作出这三个特定瞬间的电流方向与磁力线的分布情况，分别如图3—15b、c、d所示。依次观察图3—15所示的四个特定瞬间的磁力线分布情况，可看出对称三相电流通入对称的三相绕组后建立的合成磁场，并不是静止不动的，而是犹如一对磁极旋转产生的磁场，其大小不变。从到的这几个瞬间，三相电流相应的变化了一个周期，三相电流建立的合成磁场在空间也相应的转过了电角度,即电流变化一次，旋转磁场转过一转。因此，旋转磁场的转速（r/s）与电流变化频率的关系为2024/8/2263旋转方向是从A相转向B相、再转向C相，即按A→B→C顺序旋转（图中为逆时针方向），此转向与三相绕组中电流变化的相序相同。如果A、B、C三相对称绕组的每一相分别由两个线圈串联组成，即、，每个线圈的跨距为1/4圆周，用同样的方法可确定，对称三相电流所建立的合成磁场仍然是一个旋转磁场。这时磁场的磁极变为四个，即两对磁极，每对磁极占有的几何空间为1/2圆周。当电流变化一次时，旋转磁场只转过了1/2圆周，即旋转磁场的转速为。若将绕组按一定的规律布置，可得到三对、2024/8/2264四对或者对磁极的旋转磁场，用相同的方法去观察旋转磁场的转速与磁极对数之间的关系是一种反比例关系，即具有对磁极的旋转磁场，电流每变化一次，磁场则转过转。三相交流电源的频率为，极对数为的旋转磁场的转速为

(r/min)式中——旋转磁场的转速，也叫同步转速。由此可证实，当对称的三相电流通入对称的三相绕组时，必然会产生一个大小不变、转速一定、转向与三相对称电流变化相序相同的旋转磁场。

（2）三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的定子铁心上嵌有对称的三相绕组，转子绕组由均匀分布在转子铁心槽中的金属导条、导条两端的短路铜环组成，即转子绕组是一闭合（短路）绕组。当三相对称电源接入三相对称绕组后，将在定、转子之间的气隙中建立同步转速为的旋转磁场。转子绕组被旋转磁场磁力线所切割（磁力线切割导体），根据电磁感应定律，在转子导条内会产生感应电势、形成电流。若旋转磁场按逆时针方向旋转，根据右手定则，可以判断出转子导体中感应电势的方向,如图2024/8/22663—15所示。如果不考虑导条中感应电势与电流的相位差，则电流的瞬时方向与感应电势的瞬时方向相同。根据电磁定律，转子导条在旋转磁场中将受到电磁力的作用，产生一个逆时针方向的电磁转矩，转子在该电磁转矩的作用下，也将会沿着逆时针方向旋转，其转速为。此时若转子与负载联接后，转子将克服负载的阻转矩带动负载运转，从而实现了机电能量的转换，这就是三相异步电动机的工作原理。三相异步电动机是利用电磁感应原理，通过定子中的三相对称电流产生旋转磁场，并与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁转矩，以进行能量转换。三相异步电动机的转2024/8/2267转子电流因感应而产生，故也叫感应电动机。正常情况下，三相异步电动机的转子转速总是略低或略高于旋转磁场的转速（同步转速），这是因为异步电动机转子导条上之所以能产生电磁转矩，关键是导条与旋转磁场之间存在着相对运动，这样才能发生电磁感应，产生电势形成电流，从而产生电磁力。如果异步电动机转子转速等于同步转速，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动,也就不可能在导条中感应电势，也不会产生电磁转矩来拖动负载运转。因此异步电动机的转子与旋转磁场只能异步地转动，异步电动机由此而得名。旋转磁场的转速与转子转速之差值称为转差，用2024/8/2268转差率是表征感应电动机运行状态的一个重要参量。一般情况下，异步电动机的转差率变化不大，空载时约为0.5%，额定负载时约为5%,牵引电动机的转差率一般小于2%。在交流传动系统中，有时将转差率换算为转差频率使用更方便。转差频率就是转差对应的频率，即

表示。转差与同步转速的比值称为转差率，用表示，即

3.交流异步牵引电动机的等效电路

等效电路是交流异步电动机分析计算的基本数学模型，真实的反映了电动机运行中的各种电磁过程与电磁现象，是电动机的模拟电路。如图3--16所示。2024/8/22704.交流异步牵引电机的工作特性异步牵引电动机的工作特性是指定子电流、功率因数、电磁转矩、效率、转差频率、输出功率、输出电压等与输入频率（转速）之间的关系，即异步牵引电动机的工作特性可通过直接负载法求取，也可通过等效电路进行计算。工作特性如图3—A所示。负载变化时的转矩特性分析：频率不变而负载变化时将引起转速变化，其调节过程如3—B所示。频率变化而转速不变时，其调节过程如3—C所示。2024/8/2273

对于一台已制成的电动机，当外加电压和频率一定时，电磁转矩是转差率的二次函数。

1.机械特性与运行状态分析

3.3.2交流异步电动机机械特性交流异步牵引电动机的机械特性是指转差率与转矩间的关系，，其机械特性如图3—17所示。工作状态电磁制动反接制动起动点电动机发电机再生制动特征双端输入能量，全部能量消耗在转子回路中。转子转向与旋转磁场方向相反，转速等于零，开始起动。机械特性位于第一象限，磁场转向与转子转向相同机械特性位于第二象限，旋转磁场与转子转向相同，表3--22024/8/2276

2.最大转矩与临界转差率电磁转矩对转差率求一阶导数,并令其等于零，所求得的转矩即为最大转矩。最大转矩对应的转差率称为临界转差率。

由于，可忽略的影响得到近似表达式：

电机参数与电源参数已知时，最大转矩与定子绕组相电压的平方成正比，与定子绕组电流频率的平方成反比，与转子电阻无关；而临界转差率则与转子电阻成正比，与定子绕组相电压无关。最大转矩与额定转矩之比称为过载能力，用表示，即。一般=1.6~2.5。牵引电动机KT=1.1~5.3.起动转矩机械特性曲线中转速等于零（转差率等于1)时的电磁转矩称为起动转矩。

当电动机参数及电源参数给定时，起动转矩与定子相电压的平方成正比，与转子电阻的大小成正比，而与定转子漏电抗成反比。

增大转子回路电阻值，可以增大电动机的起动转矩。这一点对绕线式转子电动机非常有用，但对笼式转子电动机作用有限，只能采用高阻值的转子导条材料来改善起动能力。对于笼型转子电动机，起动能力用起动转矩倍数考量，2024/8/2279可以通过三种方式对异步电动机进行调速，即改变电动机绕组的极对数、改变转差率和改变供电电源的频率进行调速。改变电动机绕组的极对数调速，就是改变电机绕组的接法，它为有级调速；改变转差率调速，也叫串级调速，是在转子回路中串电阻或串入附加电势进行调速，适合绕线转子异步电动机。显然这两种调速方法不适合于牵引电动机的调速，唯有改变电源频率调速适合于牵引电动机调速。3.3.3交流异步牵引电动机调速

根据异步电动机的转速公式2024/8/2280

改变频率调速，就是连续改变施加到异步电动机上的供电电源的频率，达到平滑调节转速之目的。变频调速的首要条件是需要一套调节范围较大的变频电源，在一定频率范围内，能够连续改变输出频率供给牵引电动机，实现无级调速。在列车电力传动系统，无论是自备发电的内燃机车系统、还是从工业民用电网取用电能的电力机车/EMU，对其交流电源直接进行变频，不能满足列车牵引调速要求。只能采用变通的方法，首先将交流电源整流成为直流电源，并通过滤波稳压，获得平直的直流电压，再将直流电逆变为三相变压变频的交流电，供给牵引电动机，即交-直-交的调速方法，这是一种先进而复杂的调速方法。能够实现频繁的正、反转，2024/8/2281起、制动运行，调速范围广，调速精度高，能够获得与直流调速相同的效果，是最有发展前途的一种调速方法。对于不同的负载，变频调速可分为恒磁通调速和恒功率调速两种。变频调速时为了使励磁电流和功率因数基本保持不变，希望磁通保持不变，电动机的过载能力也保持不变；当电压调到一定时只能保持限定值，开始进入磁削状态，实现恒功率调速。

1.恒磁通调速当电源电压一定时，如果降低频率，则主磁通要增大，基频(额定频率)以下主磁通增加势必使主磁路过饱和，使励2024/8/2282使主磁路过饱和，使励磁电流急增，铁心损耗也增加，这是不允许的。为此调频时一定要调电势，保持电势与频率的比值不变，即可保持主磁通不变。随着频率的降低，感应电势也要等比例相应的下降，但感应电势难以检测与控制。若用电压代替感应电势进行控制，即保持，将产生一定的误差。当频率较高时，，根据最大电磁转矩达式可知，绕组电阻可以忽略不计，由此所产生的误差较小，一般能够满足工程需要。从电动机负载能力来看，此时电动机的最大转矩及负载能力基本维持不变；当频率很低时，电压也下降到很低，这时电动机漏电抗相应减小了很多，与定子电阻相比差别不大，定子电阻的影响不容忽略。2024/8/2283若继续按照恒压频比控制，电动机的最大转矩将会急剧下降，甚至会出现拖不动的情况。为此在低频区要改变控制方式，使电压下降速度低于频率下降速度，这样可使控制接近于恒电势频率比，使电动机仍保持一定的负载能力。根据等效电路，电磁转矩可表示为：（3--7）2024/8/2284

由此可见，当磁通不变时，电磁转矩与供电频率无关，只与转差频率成正比关系。若采取措施保持转差频率不变，则电磁转矩将维持恒定，这种调速方法也叫作恒转矩调速。这种恒转矩调速特别适合于列车的起动阶段，产生恒定的牵引力，起动过程平稳，可获得较大的起动加速度。根据电磁转矩公式（3--7)，可计算出最大转矩和临界转差率（3--8）在调速时，转差率很小，故有2024/8/2285

令可得到转子的临界转差频率和最大转矩：（3--9）（3--10）（3--11）2024/8/2286若令式（3--9）除以式（3--11）并进行整理，可以得到恒磁通运行时的实用转矩表示式对于给定电动机而言，在铭牌和技术资料中将给出：额定功率(kW)、额定转速(r/min)及过载能力在额定状态下，输出转矩与电磁转矩相差较小，即可忽略空载阻转矩的影响，近似以输出转矩代替（3--12）2024/8/2287电磁转矩，故实用表达式表示为：式中----额定输出转矩，。

----额定转差频率，。----过载能力，。由此可计算出

（4--13）（4--14）2024/8/2288

将最大转矩与电磁转矩

进行比较，都是正比于磁通(即

）的平方，但是的大小却与转子电阻无关，而仅反比于转子漏感。对给定的电机而言，可视为常数。故按照恒定的进行调节时，不同频率下其最大转矩的数值保持不变。而最大转矩对应的临界转差频率将与转子电阻成正比。若忽略集肤效应的影响，转子电阻也为定值，即在不同的

下，的值是相同的，其机械特性曲线实际上是一簇平行的直线，如图3--21所示。这种调速方法与他励直流电动机调压调速特性类似，它可在调频范围

注意：实际控制时，采取的控制方式，将使得。当高频输出时，由于，电阻压降相对较小，可忽略不计，故有、内获得不变的过载倍数。同时由于其转差特性较硬，故效率较高。2024/8/2290当牵引电动机恒磁通运行时，定子电流可根据等值电路图3--17求出式中----转子总电感，此式表明，由于为常数，所以定子电流只与转差频（3--15）2024/8/2291率有关，而与定子频率无关。若调节时保持不变，则在不同的下，的大小及相位都是固定不变的。当电动机按恒磁通运行时，电动机的端电压应如何变化？由等值电路图3--17可知，电动机输入端电压为感应电势和定子电压降的向量和，即恒磁通运行时，因随频率直线变化，由上式可见，仅与和有关。又从式（3--15）已知，只取决于转差频率，所以最终即为和的函数。（3--16）2024/8/2292对于给定的电动机，根据转矩的要求利用式（3--13）可求出相应的转差频率，由式（3--15）进而求得相应的电流，最后代入式（3--16）确定电动机所需要的端电压。对应于一定的转差频率，可以求出电机端电压与定子频率函数关系，如图3--22中的实线所示。图中虚线表示常数，实线与虚线相比，可以看出电动机在低频时为保持磁通一定时需要增高的电压。随着频率的降低，特别是在低频段，漏电抗变得较小，与定子电阻很接近，这时电阻的影响较2024/8/2294大，其作用不可忽视，这将使得最大转矩下降很快，降低了电动机的负载能力。为了保证电动机的负载能力基本不变，需要改变控制策略。图3-23表示了恒压频比控制时的机械特性，在高频段，随着输入频率的降低，电动机的转速也在相应降低，电动机最大转矩基本保持不变，而临界转差频率在增加。当频率下降到很低时，最大转矩也下降很快，如f14时最大转矩已降低到了，最大转矩已下降到有可能不足以拖动负载的程度。这时若使U1与f1不再按原高频段的比例变化，适当提高定子电压，对定子压降进行补偿，使U1下降的速度小于f1降低的速度，随着频率的下降而有所增大，电动机的最大转矩将会增大到，这样将提高了低频输出时电动机的负载能力，满足在低速状态下牵引负载需要。2024/8/2296

2.恒功率调速在恒磁通控制中，随着频率和转速的上升，电压也相应提高，电动机的输出功率增大。但电压的提高受到电动机功率或逆变器最大电压的限制。通常调节频率大于基准频率时，即当电压提高到一定数值后维持不变或将不再正比于上升，此后电动机开始磁通减小，将进入恒功率控制方式。根据等效电路，可导出电磁转矩的物理表达式：（3--17）2024/8/2297

在闭环控制系统中，转差率很小，，的影响可以忽略不计，，电磁转矩公式可改写为：其中

进入恒功率控制阶段，电压已较高且达到了一定数值，（3--20）（3--19）（3--18）2024/8/2298由此可看出，若使电动机按恒功率运行，电压与频率的调节可采用两种不同的方式，即、的调节方式和、的调节方式。现予以分别讨论：（3--21）（3--22），故或式中----常数。2024/8/2299

(1)

、(电压不变转差率为常数)的调速方法

在此调速方法下，由于转差率，定子输入频率越高，相应的转差频率和临界转差频率越大。当输入频率较高时，与电抗相比可以忽略定子电阻的影响，则最大转矩可表示为此表达式说明：最大转矩近似与输入频率(定子频率)的平方成反比，即（3--23）不同输入频率时最大转矩的包络线如图3--24a所示。2024/8/22101

根据式（3—22），恒功率运行时实际要求的电磁转矩只是反比的变化，故和的比值是随成反比例变化，即电动机的过载能力发生变化。在最高频率点，过载能力最小，要求KT>1.1。随着频率降低而过载能力在增大,当频率下降至基频附近时，过载能力达到最大,KT=2～5。为了保证电动机在全部恒功率范围内能稳定运行，其系统的工作点只能这样选择：在最高输入频率（最高转速）时，保证电动机具有最低的过载能力；在低输入频率时，特别是在恒功率范围的持续转速以下，电动机的过载能力相对富裕。为保证电动机在最高输入频率时按照恒功率运行必需的最低过载能力，电动机的设计尺寸和容量实际上只能由低2024/8/22102频(低速)状态的过载能力来决定，只能选取较大的数值。因此，在这种恒功率控制方式下，就牵引电动机本身而言，功率并不能得到充分地利用。此时，电流将如何变化？根据式(3--18)，因为在恒功率控制时转差率较小、电压较高，故、，可将转子电流近似表示为：而励磁电流则为（3--24）（3--25）2024/8/22103在相位上滞后于转子电流接近90°，且。若忽略的影响，电动机电流将由所决定，电动机的电流可近似为常数。对于逆变器而言，按照恒电压、恒电流方式工作，其变化规律如图3—24b所示。这种调节方式属于恒电压调节，电动机的设计尺寸、容量较大，而逆变器工作在恒电压、恒电流条件下，其容量始终得到了充分地利用，具有较小的设计尺寸。这种恒功率调节方式称为最大电动机与最小逆变器方案。目前在列车电力牵引传动领域，主要采用此方案。2024/8/22104

（2）时的调节方式根据式(3—23),若，可以看出，最大转矩与成反比，呈双曲线变化，即。不同频率下的包络线如图3--25a所示。这种调节方式，使电动机的过载能力保持不变，即。若电动机的设计工作点选在恒功率范围内的最低转速处时，则有最小允许的过载能力。这样在高速时仍然具有适度的过载能力，使系统能够在恒功率调速范围内稳定运行，并能够充分利用电动机的功率。电动机的功率由运行区域内最低转速点的参数决定，电动机的设计尺寸较小。因为，电动机端电压的调节规律为（为比例系数）。若已知恒转矩与恒功率运行转换点的电压为、频率为，则有关系。和为已知，便可计算出不同输入频率时的电压值，其关系曲线如图3—25b所示。电动机中各电流与频率之间的关系可通过式（3--24）和式（3--25）导出：（3--26）2024/8/22107由此可见，定子电流仅与成反比例关系变化，其变化曲线如图3—25b所示。这种控制方式为输入恒转差频率调节，电动机的设计尺寸与容量较小，电动机的功率得到了充分利用。而逆变器需要满足最大电流和最高电压的要求，其容量由最大电流和最高电压来决定，元器件规格较大，必然使得设计尺寸较大。因此，称此方式为最小电动机与最大逆变器方式。

（3）恒功率调节方式比较比较恒功率控制的两种方式，各有优点。从可调节的恒功率范围而言,恒转差频率调节的恒功率范围要宽广一些。2024/8/22108第一种恒电压调节方案中，电动机有较大的设计尺寸，但就电机逆变器而言，它在恒电压和恒电流下工作，整个运行过程中开关元件的容量得到最充分的利用，因而逆变器本身有较小的设计尺寸。通常称这种方案为最大电动机和最小逆变器方案。第二种恒转差频率的调节方案中，电动机的设计尺寸较小，但逆变器则需满足最高电压和最大电流输出的要求，尽管这两个参数值在整个运行过程中不会同时出现，但逆变器的设计容量应为最高电压与最大电流的乘积，由此确定的元器件规格偏大、设计尺寸较大，能力富裕未能充分利用。通常称此方案为最小电动机和最大逆变器的方案。2024/8/22109在恒功率控制的两种方式中，若从牵引电动机和逆变器的角度来看，二者性能都不能同时达到最优，很难兼顾。若从传动系统的角度来看，需要将牵引电动机与逆变器作为一个整体来考量，对其性能进行优化，合理匹配以整体性能最佳作为目标。为此，工程应用中都是以性价比最高为依据，采用恒电压控制方式，使逆变器工作状态最优，充分发挥其能力，以牵引电动机能力不能充分利用为代价，获得传动系统性能最佳。目前，轨道列车交流传动系统都采用大电动机小逆变器的匹配方案。调速方式调速比效果效率适应负载变极调速鼠笼式变换极对数2:1～4:1不平滑高恒转矩恒功率转差调速调定子电压1.5:1～10:1不平滑低恒转矩转差离合器3:1～10:1平滑低恒转矩绕线式调转子电阻2:1不平滑低恒转矩机械式串级2:1平滑较高恒转矩电气串级2:1～4:1平滑较高恒转矩变频调速鼠笼调定子频率2:1～10:1平滑高恒转矩恒功率绕线调转子频率4:1～20:1平滑高恒转矩恒功率

异步电动机各种调速方法性能比较表3--32024/8/221113.3.4异步牵引电动机与变流器的匹配优化在变流器与异步牵引电动机组成的传动系统中，如何对变流器和异步电动机进行合理匹配确定容量，关系到系统的运行性能与经济性。不同的运行要求，变流器和牵引电动机的容量可以有不同的匹配组合。功率较小的电动机可以和较大功率的变流器匹配，功率较大的电动机也可以和较小功率的变流器匹配。因此在确定交流传动系统的性能参数和结构尺寸时，在保证运行性能的前提下对系统进行优化，以合理匹配变流器和异步牵引电动机容量、使系统成本最低作为优化的基本目标。1.牵引电动机与变流器的容量确定牵引电动机作为变流器的负载，而变流器作为牵引电动2024/8/22112机的电源，应满足对牵引电动机在各工况下的供电要求，两者只有合理确定其容量，有利于提高传动系统的效能。在最高转速相同的情况下，牵引电动机容量主要由最大允许转矩和最大允许损耗决定。在确定交流异步牵引电动机的容量时，可暂不考虑电动机因电压等级不同在绕组绝缘结构上的差异。最大允许损耗在很大程度上受到运行方式、冷却方式以及绝缘材料寿命要求的影响，也暂不作考虑。所以，牵引电动机的功率及主要结构尺寸取决于最大允许转矩。牵引电动机的最大转矩Tmax与最大气隙磁通密度Bmax和定子有功电流线负载最大值Amax之积成正比关系，即

(3-33)式（3-33）表明，提高定子有功电流线负荷、增大气隙磁密均2024/8/22113有助于提高电动机的最大转矩。必须要指出，若进一步提高电流线负载可能引起传动系统颠覆，或降低系统防止颠覆的最低安全性。因此，为确保系统防止颠覆的最低安全性，定子电流线负荷与气隙磁通密度之比不允许超过规定的最大值。

对于变频调速异步牵引电动机具有较低的损耗，可获得的最大转矩可表示为

(3-34)变流器作为牵引电动机的电源，其输出要满足电动机运行中最大电流与最高电压之需求。变流器工作容量要按照最大电流与最高电压来考虑，应等于输出最大电流和最高电压的乘积，但最大电流主要受半导体器件允许的最高温度限制，最高电压受到半导体开关器件允许的电场强度所限制。按牵引电动机最大2024/8/22114电流、电压要求所确定的容量只代表变流器的能力(极限),与实际使用中是否同时出现电流和电压的最大值无关。也就是说，变流器的容量、成本费用是由电流和电压最大值的乘积所决定，变流器的电流和电压的实际瞬时值之积或实际输出的有功功率也只是其能力的一部分。2.逆变器与牵引电动机的匹配

根据牵引电动机运行特性，拖动负载在低速区要求具有足够的加速转矩，以保证系统快速而平稳的起动，尽快进入运行区段，发挥传动系统的效能。进入运行区段，速度达到额定速度以上，将运行在恒功率状态，输出转矩与转速成反比例关系变化。在恒功率运行时，牵引电动机与变流器之间有两种极端的调节方式，电动机与变流器二者只能有一个工2024/8/22115作在最佳状态，其能力得到充分利用。无论选择谁工作在最佳状态，必有一个其能力得不到充分利用，要做出让步、牺牲。这其实是牵引电动机与变流器二者中争夺最佳运行方式的问题，也是一种综合性能、性价比的博弈。在保证列车牵引性能的前提下，按照经济性原则权衡，变流器工作在最佳状态，按照恒电压恒电流输出，使其能力得到充分利用，更有利于提高性价比。因此，列车电力传动系统基本都采用大电动机与小逆变器的匹配方式。当列车速度为vmax时，牵引电动机以最大转矩输出，其电磁转矩等于最大转矩，电动机容量计算以此时的参数作为依据，其能力在此时被得到充分利用，且有适当的过载能力，一般要求此处的过载能力KTmin≥1.1。2024/8/22116从vb到vmax的速度区间内，逆变器的输出频率增加而输出电压保持恒定。从vmax开始随着速度（频率f1）的降低，牵引电动机最大转矩按照增大，逐渐偏离恒功率()所要求的转矩值,且比恒功率要求的转矩大得多，此时过载能力变为

（3-35）由式（3-35）可知，随着变流器输出频率降低，牵引电动机的过载能力逐渐增大。因此，在vmax以下的各速度点上，电动机在转矩方面的设计能力都没有得到充分利用，只在最大速度点vmax得到了充分利用。对逆变器来说，从起动开始到vb，电压随频率成正比提高，在vb时电压达到最高，输出额定功率。在vb到vmax间，2024/8/22117逆变器以恒功率方式运行，输出电压始终维持最高电压不变，即恒电压、恒电流方式输出，其能力充分了利用。这种匹配方式，牵引电动机在工作区速度范围内，能力没有被充分利用，容量、体积尺寸较大。但逆变器在最有利的工作方式下运行，设计参数较小。被称为小逆变器和大电动机的匹配，相对于其他匹配方式，也是一种最经济的匹配方式。匹配方式如图3-26所示。不同车型、不同用途的列车，其牵引特性相类似，只是在具体工作点的选择上有所差异，恒功率运行范围不同。尽管都是采用大电动机与小逆变器的匹配方式，采用适当的控制策略，可适当减小电动机的能力富裕，降低电动机的热负荷，使得匹配更加合理、更经济。随着恒功率区运行范围的扩大，逆变器、电动机不被充分利用的程度都会随之增加。所以，根据实际运用需要合理的选择恒功率区的宽度，对于系统优化，特别是提高系统经济性来说，是十分重要的。对于交流牵引传动系统，尤其是高速列车牵引传动，如高速电力机车、高速动车组，其恒功率调速比(持续运行范围)可达到。2024/8/221193.3.5大电动机小逆变器匹配方式下的控制特性异步牵引电动机在进行VVVF调速时，总是希望每极磁通保持不变，以充分利用电动机磁路能力。如果磁通太小，磁路铁心没有发挥出应有的能力，造成磁资源的浪费；如果磁通太强，铁心将饱和、励磁电流激增，铁心损耗增大，导致电动机过热。异步牵引电动机是一种单端励磁的电机，其励磁电流作为定子电流的一部分，很难直接分离出来，磁通也不能直接控制，故保持磁通不变是很困难的。因此，异步电动机的变频调速必然要采用间接的方法，频率与电压协同控制，以充分发挥磁路的能力，获得良好的运行特性。异步电动机变频调速时，必然要调节电压，根据电压的2024/8/22120可调范围，可以分为两个阶段：额定电压以下和额定电压。在额定电压以下，按照恒电势频率比即可保证磁通不变，电动机将按照恒转矩特性输出；当电压升高到额定电压时，继续提高电压的可能小已很小，一般保持额定电压运行，此时提高频率将使磁通减小，

处于磁削运行，类似于直流牵引电动机的磁削调速，电动机按照恒功率特性输出。异步牵引电动机的运行区域可分为恒磁通运行区和磁削运行区，对应的输出特性分别为恒转矩特性和恒功率特性。恒转矩特性与恒功率特性的交接点，一般在额定频率(基频)处。因此，异步牵引电动机的调速时的输出特性可用基频来分界，基频以下为恒磁通调速，基频以上为磁削调速。2024/8/22121由于设计理念的差异，对恒功率控制也有所不同，以额定频率为界，可以滞后也可提前进入恒压区，这样可获得不同的恒压频比。从起动到，逆变器按照恒压频比输出，牵引电动机工作在恒转矩区。恒功率区为，在此区域，有三种控制方式，即完全恒压恒功、滞后恒压恒功、提前恒压恒功。若三种控制方式的恒压频比分别定义为、、，则有

1.完全恒压恒功(在额定频率点电压恒压)完全恒压恒功，即在点达到额定电压,如图3—27所示。2024/8/22122电动机在整个恒功范围电压恒定，电流值相对较高，由于受磁路、效率、损耗的影响，电流在恒功率最低频率点(额定频率)达到最大，因此电动机的温升最高点在额定频率点，而不是持续点。ALSTOM的电动机(CRH5、HXD2）就属于该情况。

2.滞后恒压恒功率(在f1N之后进入恒压)在f1N

时，逆变器仍然以恒压频比输出，电压低于额定电压，为升压恒功；当电压在点进入恒压段后，变为恒压恒功。此控制方式的恒压频比小于额定恒压频比，中途还可二次升压，这样电动机的电流可相对减少，电动机的最高温升点在持续点。如图3--28中实线所示。HXN3内燃机车采用的牵引电动机EMDA2938-5属于此情况。2024/8/221233.提前恒压恒功率(在点提前进入恒压