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Sm为电动机最大转距太时的临界转差率。其中：S=0-Sm。一段是电动机的稳定运行范围；当S＞Sm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=Sm--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：  (11-1) 当时忽略，则：  （11-2） 对于结构一定的电机，式（11-2）可写为：  （11-3） 由式（11-3）可见，异步电动机的最大转矩与成正比。若变频调速是在U1为常数条件下进行，则Tm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 若变频调速是在为常数条件下进行，则变频调节过程中Tm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f1的变化而平移。 异步电动机在低频条件下，Tm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：  （11-4） 在U1/f1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U1等于常数条件下，气隙磁通随f1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，需要在调节频率的同时相应调节牵引电动机的电压。下面简要分析异步牵引电动机工作在不同运行区的变频调节规律。  图11-4 机车牵引特性 1．恒转矩特性的变频调节 通常运行在固定频率下的三相异步电动机，其起动电流约为额定电流的5～6倍。但由于此时转子的频率高、漏抗大、功率因数很低，所以起动转矩实际上并不大。而采用变频调节时，则可使异步电动机在较低频率下起动，此时定、转子漏抗都很小，从而改善了转子的功率因数，增大了起动转矩。一般来说，机车起动时，异步电动机低频起动电流大致为二倍额定电流的情况下，可使电机起动转矩为最大转矩的70%左右，并保持不变。由于异步电动机最大转矩正比于（U1／f1）2，U1与f1之比通常称为“伏赫比”。要使机车获得恒定的起动转矩，电机必须保持伏赫比不变，即电机的端电压随频率的提高而正比例增加，这时，电动机的气隙磁通也近似不变。这就是机车起动加速区异步电动机变频调节规律。  图11-5 恒转矩调节特性 （a）转矩T与定子频率的关系 （b）电机电流I1、电压U1、电势E1、与定子频率的关系 应当注意的是：电动机起动开始时，频率很低，因此X1σ和X2σ很小，这时电阻在阻抗中的比例相当大，忽略r1会产生较大的误差。若要保持磁通不变，则在起动时必须适当增加电压U1，以克服r1所产生电压降。在恒转矩下变频调节时电机电压U1和定子电流I1随频率f1的变化曲线如图11-5所示。 异步电动机定子电流I1为：  即  (11-5) 所以，恒磁通运行时，在不同的f1下，定子电流I1维持不变，这时变频器在恒电流下运行，可以充分利用变频装置的容量，便变频装置的设计更为经济。 2．恒功率特性的变频调节 在恒转矩运行中，随着电动机转速的上升，电压U1的提高，电机输出功率增大。但电压的提高受到电动机功率或变频器最大电压的限制，当电压升高到一定数值后将维持不变，或者电压不再正比于f1上升。此后异步牵引电动机将以恒功率输出为条件进行电压和频率的调节。 为使异步牵引电动机有恒定的输出功率，电压和频率的调节方式分为：恒功率变电压变频调节和恒功率恒电压变频调节两种。 （1）恒功率变电压变频调节 恒额定功率运行时，牵引电动机的输出功率不变，即： 常数 （11-6） 式中A——电机额定转矩与最大转矩之比。 将式（11-3）代人式（11-6），可得： 常数 （11-7） 在转差率很小的情况卜，转子转速n可以近似地认为等于同步转速n1，因n1正比于f1，即可得：  （11-8） Ｋ1为比例常数，将式（11-8）代人式（11-7），得出： 常数 或  （11-9） Ｋ2为比例常数。由式（11-9）可见，为保持不同运行速度下输出功率不变，异步电动机的电压U1应随定子频率f1的平方根正比变化。这就是保持异步牵引电动机工作在额定工况下输出功率恒定时所应遵循的变频调节规律。所以，这种调节方式称为恒功率变电压变频调节，其牵引特性曲线如图11-6所示。  图11-6 异步电动机恒功率变压器电压变频调速时的牵引特性 恒功率变电压变频调速成时异步牵引电动机的电压、电流和功率曲线如图11-7所示。  图11-7 恒功率变电压变频调速时的电压、电流和功率曲线 电动机起动转矩约为1.6—1.8倍的额定转矩并保持不变。转速增加时电压和功率正比增加，电流不变。电动机起动结束进入恒功率运行区，电压按式（11-9）关系变化，电流随转速增加而减小，两者乘积保持恒定，作恒功率运行。 （2）恒功率恒电压变频调节 机车运行时，保持异步电动机的电压和功率都不变的变频调速方法，称为恒电压变频调节。根据恒功率条件ＡＴmn=常数，将式（11-9）代人可得： ＝常数 若转差率很小，将n1＝K1f1代人上式，可得： =常数 显然，在电压不变的情况下，电动机输出功率恒定的条件是： =常数 (11-10) 由式（11-10）可见，在恒功率恒电压条件下，频率调节的规律是：随着频率的增加，电机额定转矩与最大转矩之比A也应正比增加，即电机工作点越来越接近电动机的最大转矩。为了保证电机正常工作，必须使最高频率时的工作转矩低于最大转矩。图11-8所示为该种调频方式所得的牵引特性曲线。  图11-8 异步电动机恒功率、恒电压变频调速时的牵引特性曲线  图11-9 恒功率恒电压变频调速时的电压、电流和功率曲线 恒功率恒电压变频调速时异步牵引电动机的电压、电流和功率曲线如图11-9所示。 由于这种调节方式采用了逆变器输出电压恒定，所以转速增加时，电动机实际上随人的增加，维持在磁场削弱工况下运行，使定于电流不致下降（恒定），以保持电动机输出的功率不变。 以上是从两种极端情况来分析异步牵引电动机的变频调节规律，实际的最佳控制规律则应从异步牵引电动机和逆变器两方面的经济技术指标来考虑，以求得两者的最佳配合。 三、异步牵引自动机的结构特点 异步牵引电动机就其外形看与一般直（脉）流牵引电动机相近，所不同的是机座上不需要换向器观察孔。 异步牵引电动机的内部结构与普通异步牵引电动机基本相同，其机座多采用钢板焊接结构，定子轭由电工钢片叠压而成。电机的极数取决于最高定子频率，一般牵引逆变器在最高出电压时，最高频率不超过 200Hz。电机的极数一般取2p＝4、6、8极，电机功率大时，极数较多。较大功率的异步牵引电动机定子格一般为开口槽，以便采用成形绕组，获得良好的绝缘性能，增强运行的可靠性。 异步牵引电动机的转子采用鼠笼式，鼠笼绕组用铝或铜硅铝合金铸成，当电机功率较大时（1000kW以上），则采用钢材料制成。为了改善电机的起动性能，转子槽一般采用矩形槽，功率较大时，也采用梯形槽。异步牵引电动机一般不用斜槽转子。 异步牵引电动机因安装空间限制，结构较为紧凑，为了节省轴向空间，电机一般不采用径向通风道，而采用轴向通风道。机座上方有进风口，由专用通风机进行强迫通风冷却。由于异步牵引电动机悬挂在转向架上，机车运行中电机将承受强烈的振动，迫使它加大空气隙，通常为1.5mm-2.5mm。 异步牵引电动机转速由于不受换向条件等的限制，齿轮传动装置可选用较高的传动比，一般异步牵引电动机的传动比大于4。例如国产AC4000型交流传动电力机车中采用的1025kW异步牵引电动机，其传动比为4.4。 第二节 晶闸管同步牵引电动机(＊) 一、直流电机行化为同步电机 电机是机--电能量转换的装置，它们都是以电磁感应定律e=Blv和电磁力定律f=Bli为工作基础的。而从磁场的观点来看，电机的运动是主磁场和电枢磁场相互作用和结果。 在直流电机中，主磁场F0由安装在定子上的主磁极通以励磁电流建立，所以F0在空间静止。电枢磁场Fa由电枢绕组中流过电流产生，由于电刷在空间位置固定不动，所以Fa在空间也是静止的，如图11-10所示。当电刷安装在几何中性线时，F0与Fa在空间相差ψ＝90o电角，即F0和Fa相互垂直，并始终保持相对位置不变。  图11-10 直流电机磁场示意图 在同步电机中，当定于三相对称绕组通过三相对称电流，产生定子旋转磁场Fa。而同步电机的磁极——转子由直流励磁，当同步电机稳定运行时，磁极（转子）的转速就是旋转磁场的同步转速。因而，这个旋转磁场称为机械旋转磁场F0，如图11-11所示。  图11-11 同步电机磁场示意图 由于F0和Fa都以同步转速旋转，这两个旋转磁场必然保持相对静止状态，可用一个ψ角来反映这两个磁场相对静止的角度。 由于电机的运动可看成是主磁场和电枢磁场相互作用的结果，因此，两个磁场之间的关系将在很大程度上决定电机的运行性能。 由直流电机换向基本原理可知，直流电机换向器和电刷的任务在于及时地使电枢电流改变方向，以始终保持主磁场F0和电枢磁场Fa的相对位置不变以获得转矩。那么，设想将直流电机的换向片减少到只有3片，如图11-12（b）所示，此时，除了电动机转矩有大的波动外，其他并无变化。再将定子变成旋转式的，即可得到旋转定子式直流电机，如图11-12（c）所示。若采用晶闸管元件来替代3个换向片，完成换向器的任务，可得到晶闸管同步牵引电动机，如图11-13所示。由图11-13可见，该系统既有通入三相交流电流的定子所产生的电枢磁场Fa，又有用直流电流励磁的转子所产生的主磁场F0，这两个磁场相互作用就会使电机轴上输出转矩。这里电枢电流的交变，对于直流电机是依靠机械变流器——换向器完成，而对于同步电机则是依靠电子变流器——晶闸管逆变器完成。所以，同步牵引电动机和直流电动机具有完全相同的调速特性，在特性分析时可按直流电机的方法处理。但是，其内部物理过程却和一般的同步电机一样，故电机结构和参数必须按同步电机要求设计。 图11-12 直流电机衍化为同步电机过程示意图 （a）直流电机；（b）三换向片直流电机；（c）旋转定子式三换向片直流电机。  图11-13 晶闸管同步牵引电机系统模型 二、晶闸管同步牵引电动机的构成原理 晶闸管同步牵引电动机是近年来正迅速发展的一种新型无级变速电机，由晶闸管逆变器、同步电动机、转子位置检测器及控制、触发电路等组成，如图11-14所示。图中假设已经存在直流电源为转子励磁，转子和接近开关式位置检测器的转盘用机械方法耦合在一起，转盘上有120o凸出部位。位置检测器的接近开关r1～r6每隔60o电角一个，固在定子上（图中未标出），接近开关上绕制有线圈。  图11-14 晶闸管同步牵引电动机原理图 晶闸管同步牵引电动机定子等效电路如图11-15所示，由该等效电路可列出电压方程式：  (11-11) 式中 UC——相电压； E。——空载反电势； I——相绕组电流； rａ——相绕组电阻； Xs——漏抗； Xａ——相绕组感抗。 而同步电机负载时的反电势为：  (11-12) 式（11-12）说明负载反电势是空载反电势和电枢电势共同作用的结果，合并式（11-12）和式（11-11）可得；  (11-13) 负载反电势是与同步电动机转速ｎ和气隙中的磁通φδ向成正比的，即： ∝ 则： ∝ (11-14) 由式（11-14）可见，晶闸管同步牵引电动机的调速方法和直流电动机一样，既可以调节端电压，也可调节主磁通。而其主磁场既可由单独电源供电，称为他励，也可以串入主电路，称为串励。  图11-15 同步电动机等效电路 三、晶闸管同步牵引电动机的结构特点 由逆变器供电，并由转子位置检测器控制的晶闸管同步牵引电动机，就系统而言它具有直流电动机的调节性能；但就电动机本身而言，它只是一台自控调频调速的同步电动机。因此和普通同步电机有完全相同的结构。 晶闸管同步牵引电动机通常采用旋转磁极式同步电动机结构形式。旋转磁极式同步电机有凸极式和隐极式两种基本结构形式，如图11-16所示。  图11-16 同步电机基本结构形式 （a）凸极式；（b）隐极式 大功率牵引电动机需要在2000～2200r/min的转速下工作，所以晶闸管同步牵引电动机采用隐极式转子是唯一合理的结构。 晶闸管同步牵引电动机的定子机座和铁心结构与异步牵引电动机基本相同。定于绕组通常采用短矩双层波绕组，三相对称绕组做星形连接。 对于大功率的同步牵引电动机最好是将定于绕组做成在电气上彼此独立的两个Ｙ接，两个Ｙ形间相位差为30o电角，每个三相绕组由独立的逆变器供电，这样电枢绕组的相数就增加了一倍。 隐极式转子的极数通常取6～8极。转子铁心表面分布着嵌放励磁绕组的槽，转子槽数一般选得比定子槽数稍少一些。转子励磁绕组做成具有不同绕制方向的同心式多匝线圈结构，绕组在槽内部分用硬铝制槽楔固定，端部用玻璃丝带绑扎。为了改善晶闸管元件的换流条件，减少稳态时气隙磁通的脉动和十改善电动机的起动性能，在同步牵引电动机转子的表面装有阻尼绕组。隐极式转子的阻尼绕组导条布置在沿圆周均匀分布的齿冠上特制的孔（槽）内，铜质导条两端分别焊在两个铜制端板上组成了短路鼠笼形式的阻尼绕组。 小 结 三相交流牵引电动机有异步牵引电动机和晶闸管同步牵引电动机两种，就电动机而言，三相异步电动机最为简单，工作可靠，成本低廉；而从机车传动系统来看，同步传动系统工作可靠，成本较低。但随着快速大功率晶闸管性能的进一步提高和成本进一步降低，异步传动系统有着较大的吸引力。 异步牵引电动机变频调速是一种较合理和理想的调速方法。若变频调速在定子电压U1为常数的条件下进行，则最大转矩Ｔｍ在变频调节过程中随定子频率片成反比例变化；若变频调速在 U1／ｆ1为常数条件下进行，则其最大转矩 Ｔｍ在变频调节过程中是常数。 异步牵引电动机在变频调节过程中，若要使机车获得恒定转矩，必须保持定子电压U1和定子频率F1之比（伏赫比）不变。若要使机车获得恒定功率，可采用恒功率变电压变频调节，也可以采用恒功率恒电压变频调节。 异步牵引电动机的结构与普通异步电动机的结构基本相同，其外形与一般直（脉）流牵引电动机相近，但由于承受机车运行的动力作用，其定子与转子之间的空气隙较大。 若将直流电动机的换向片减少到3片，并调换电枢和磁极的位置，再用电子交流器——晶闸管逆变器代替机械变流器——换向器，用无接触式的位置检测器代替接触式的电刷来检测定子、转子的相对位置，即可得到晶闸管同步电动机。因此晶闸管同步牵引电动机由晶闸管逆变器、同步电动机和转子位置检测器等构成，有着与直流牵引电动机相同的调速性能。 晶闸管同步牵引电动机与普通同步电机结构相近。其转子采用隐极式，定子绕组采用短距双层波绕组，并做成在电气上彼此独立的两个Ｙ形连接的三相绕组，以增加相数。为了改善晶闸管的换流条件，提高电机的工作性能，转子表面装有阻尼绕组，阻尼绕组由铜质材料组成短路的鼠定形状。 复习思考题 1、在电力牵引传动中采用三相交流牵引电动机的主要优点是什么？ 2、异步牵引电动机变频调节时，其机械特性是如何变化的？ 3、试述异步牵引电动机恒转矩和恒功率变频调节的规律。 4、三相异步牵引电动机的结构有哪些特点？ 5、直流牵引电动机为什么可以衍化成同步牵引电动机？ 6 、简述直流牵引电动机衍化成同步牵引电动机的过程。 7、晶闸管同步牵引电动机由哪几部分构成，各部分具有什么功用？ 8 、简要说明晶闸管同步牵引电动机是如何实现转速调节的。