長(zhǎng)期以來(lái)，牽引電傳動(dòng)大多采用直流牽引電機(jī)系使其起動(dòng)、調(diào)速性能和轉(zhuǎn)矩控制特性比較理想，并容易獲得良好的動(dòng)態(tài)性能。缺點(diǎn)：直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在換向器，它不僅工藝復(fù)雜，體發(fā)生環(huán)火現(xiàn)象，故障率高，不便于3 60變頻調(diào)速裝置的研制成功，喚起了人們對(duì)交流調(diào)速傳動(dòng)的重視。進(jìn)入7發(fā)出了前所未有的。4 第二章?tīng)恳姍C(jī)與運(yùn) 交流電機(jī)主要分為同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大類(lèi)，二者的工在交流傳動(dòng)的動(dòng)車(chē)中，牽引電大多采用異步電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，方便，效率較高，在變頻器的控

鼠籠式電機(jī)（普遍應(yīng)用5吊吊風(fēng)接線(xiàn)風(fēng)定子繞軸軸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子鐵芯和繞定子端底鼠籠型異步電機(jī)剖6

定子鐵心：0.5m的硅鋼片（圓形沖片，扇形沖片），疊裝而成。為了嵌放定子78

成型單層，雙層，繞組聯(lián)結(jié)方散嵌線(xiàn)三相對(duì)稱(chēng)繞組在定子鐵芯中的

形狀相同的槽。鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。整個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心9

在轉(zhuǎn)子鐵心均勻分布的每個(gè)槽內(nèi)各放置一根導(dǎo)體，在鐵兩端放置兩個(gè)端環(huán)，分別把所有的導(dǎo)體伸出槽外部分與端環(huán)聯(lián)接起來(lái)?？捎勉~條加銅端環(huán)制成；也可用鋁澆鑄的。對(duì)中大型電機(jī)為減小損耗、

繞線(xiàn)型繞組與定子繞組相似、極數(shù)相同的三相對(duì)稱(chēng)繞組。一般接中接入附加電阻，以改善 的起動(dòng)性能、調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速

定、轉(zhuǎn)子之間的間隙，也氣隙大小對(duì)異步電機(jī)的性能影響很大。氣隙越大，磁阻越大。為減小電機(jī)主磁路的磁阻，降低電機(jī)的勵(lì)磁電流，提高電機(jī)的功率因數(shù)，氣隙較小交流牽引的氣隙為1.0mm-異步 轉(zhuǎn)動(dòng)的一般原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律和載流導(dǎo)在磁場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用這兩個(gè)基本定用一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)觀察三相異步電 的工作原：當(dāng)搖動(dòng)磁鐵籠形轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)變會(huì)發(fā)生變化。故可得出如下結(jié)論：旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)可拖動(dòng)籠形轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)。 第二章?tīng)恳姍C(jī)與運(yùn) NN磁場(chǎng)旋f1ef1einfS閉線(xiàn)f的方向：用左手定則確磁感應(yīng)電e的方用右手定則確電電電電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)子繞組e對(duì)對(duì)稱(chēng)三相繞通入對(duì)稱(chēng)三相旋轉(zhuǎn)磁（磁場(chǎng)能量電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組在磁受到電磁力的作轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起機(jī)械負(fù)旋轉(zhuǎn)起 對(duì)稱(chēng)三相電流正弦波電流幅值相等、相位互差120ππZXY iCYXABZ BC 圖2-定子磁場(chǎng)隨著電流的交變?cè)诳臻g不斷旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速稱(chēng)為同步速n1π0 YXSN YXSNBZCYSNBZCYNSBZCYSNCYSNBZCYNSBZCYSNBZ 當(dāng)定子三相繞組中通入三相電流，則產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)速為n1、順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其方向可用右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力 圖2-旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所感應(yīng)的轉(zhuǎn)子電流 2極電 4極電 6極電圖2-不同磁極對(duì)數(shù)三相異步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 場(chǎng)之間必須存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是小于同步轉(zhuǎn)速n1，故稱(chēng)“異步電”。

s

nf1f 異步 式中：f1—定子頻率；f—轉(zhuǎn)子頻率；f2—轉(zhuǎn)差頻率；p—電機(jī)磁極對(duì)S—轉(zhuǎn)差率；n1=60f1/p—同步轉(zhuǎn)速1 T

RR

RR L

RR L

2

)L)2Cm—2S—轉(zhuǎn)差率

φ—旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通cosφ2轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)；E2—轉(zhuǎn)子電勢(shì)，E2=4.44k2W2f2φ=XL2—轉(zhuǎn)子漏感抗，XL2=2πf2LL2=2πSf1LL2=SXL20 第二章?tīng)恳姍C(jī)與運(yùn) 若異步電外加電壓U1及其頻率f1均不變時(shí)，可知，磁通φ也可認(rèn)為不變，R2與XL20都是常數(shù)，則電磁轉(zhuǎn)矩T僅隨轉(zhuǎn)率S而變

圖2-異步電T=f（S）曲

第二章?tīng)恳姍C(jī)與運(yùn) 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq：n=0（S=1） C L起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tq一般為額定轉(zhuǎn)矩Te的0.9～1.8倍，只有當(dāng)Tq大于負(fù)載轉(zhuǎn)時(shí)，電才能起動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩Tmax（轉(zhuǎn)矩利用數(shù)學(xué)上求極值的方法可以求得臨界轉(zhuǎn)差率SK與電機(jī)參數(shù)的關(guān)系即令dS/dt=0X X

代入

C KL

202

La一般為額定轉(zhuǎn)矩e1.6~2.2倍。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于a時(shí)，電就車(chē)稱(chēng)“”電值7 第二章?tīng)恳姍C(jī)與運(yùn) 額定轉(zhuǎn)矩異步電在額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩稱(chēng)為額定轉(zhuǎn)矩Te，對(duì)于通用異步電的額定轉(zhuǎn)矩可根據(jù)銘牌上的 P Te e 9550e N 式中Pe的單位為kW，ne的單位為r/min 當(dāng)同步轉(zhuǎn)速n1不變時(shí)（f1不變），由n=n1（1－S），很容示的轉(zhuǎn)矩特性曲線(xiàn)T=f(s)轉(zhuǎn)換為常用的機(jī)械特性曲線(xiàn)T=f(n)T0

圖2-異步 的機(jī)械特

不大，所以電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的硬特性：使異步電自動(dòng)調(diào)速困n難，但具有良好的防空轉(zhuǎn) 斷提高，S逐漸減少。當(dāng)轉(zhuǎn)差率S減少到接近于零時(shí)，進(jìn)入線(xiàn)。當(dāng)電的參數(shù)不變時(shí)，曲線(xiàn)的峰值（即電的轉(zhuǎn)矩）與所施加的電壓大小有關(guān)。不論是作為電或發(fā)電機(jī)，異步電只能在轉(zhuǎn)差率接近于零的一個(gè)小的范圍內(nèi)保 異步電機(jī)由電狀態(tài)進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)是很容易的，通過(guò)控當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率f20時(shí)為電狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子頻率f′小于定子當(dāng)f2<0時(shí)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí)轉(zhuǎn)子頻率f〞大于定子頻率f1。轉(zhuǎn)子相平衡的電流也是反向的，即從電機(jī)流向制動(dòng)電阻或電T

SK

0n0

電

圖 異步 的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特異步 在進(jìn)行再生制動(dòng)或電阻制動(dòng)時(shí)，不論接到電端的是正相序電壓或是負(fù)相序的電壓，異步電都作為發(fā)電機(jī)工作，將機(jī)應(yīng)相反方向的電壓與電流。在定子中流過(guò)的用于平衡轉(zhuǎn)子電流也是反向的，功率從電流向電源。 如果電是正序電源電壓供電的，就必須使電轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)轉(zhuǎn)速是正的，電轉(zhuǎn)矩因?yàn)殡娧胤聪蛐D(zhuǎn)時(shí)，正向轉(zhuǎn)矩將提供制動(dòng)作用。由負(fù)載和慣性引起的機(jī)械功率變換所產(chǎn)生的電功率，以及從電源吸取的電功率都消耗在轉(zhuǎn)子回路的電阻上，所以這種制動(dòng)方式的效率 總的來(lái)說(shuō)，異步 對(duì)轉(zhuǎn)子采取的措施有：改變轉(zhuǎn)子電路中的電阻；在轉(zhuǎn)子電通常采用結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單的鼠籠式異步電 作為牽引電動(dòng)改變電壓U1

當(dāng)改變U1來(lái)調(diào)速時(shí)T0

圖2-

機(jī)械特性陡峭的穩(wěn)定cab、c，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速相差削弱了電機(jī)適應(yīng)負(fù)載變能力由n1=60f1/p可知，在電源頻率f1不變時(shí)，異步電 轉(zhuǎn)速n1與磁極對(duì)數(shù)p成反比，所以，改變定子繞組的磁極對(duì)數(shù)p可磁極對(duì)數(shù)變少級(jí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化也就有多少級(jí)，但變可靠性?！{(diào)速范圍受到限制，且為有級(jí)調(diào)速，動(dòng)車(chē)由n1=60f1/p可見(jiàn)，在磁極對(duì)數(shù)p一定的條件下，若能滑地改變f1，就可以平滑改變n1，從而平滑調(diào)節(jié)電機(jī)的 在動(dòng)車(chē)上，異步牽引 牽引電 的變頻調(diào)速只能采用另外的變頻裝置。在交-直- 圖 異步 的等值電 電流；I電機(jī)激磁電流E分別為一相定子感應(yīng)電勢(shì)和歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電S—轉(zhuǎn)差率，S=f2/f1R1、X1 組電阻及漏電抗 R2'、 —?dú)w算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻及漏電抗 (R'2jX' 定子漏電X12πf1L1；L1定子繞組的漏電轉(zhuǎn)子漏電抗：X'22πf1L'2L'2轉(zhuǎn)子繞組歸算到定子邊的漏電PemE'2I'2cos2 的電磁轉(zhuǎn)矩為T(mén)PempE'I' 2 2式中m電機(jī)定子相p— 的極對(duì)數(shù)cosφ2—轉(zhuǎn)子的功率因

n1— 的同步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速感應(yīng)電勢(shì)的公式 E'2=E1=ω1—— 的同步角速度2cos22

R'2/

2n1 2S

X

第二章?tīng)恳姍C(jī)與運(yùn) Pe=22T

I

R'2/

第一階段是普通功能型U/f控制方式的通用變頻器，該控制方式第二階段是高功能型的轉(zhuǎn)差頻率控制方式，其轉(zhuǎn)速需要閉環(huán)檢 異步電的每極磁通φm正比于E1/f1，在進(jìn)行頻率調(diào)度，這樣可以充分利用電機(jī)的鐵磁材料，充分發(fā)揮電機(jī)轉(zhuǎn)在一般情況下，定子繞組的漏阻抗所引起的電壓降與電機(jī)端電壓相比可以忽略，即可認(rèn)為U1≈E1，因此可按照U1/f1=常數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即只需要由變頻器提供線(xiàn)性的電圖 (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）恒電壓頻率比（U1/f1=常數(shù)）的控制方TT

TLD=kn2（風(fēng)泵

05

（牽引圖 恒電壓/頻率比下最大轉(zhuǎn)矩、起轉(zhuǎn)矩與定子頻率的

圖 恒電壓頻率比的機(jī)械特在低頻范圍內(nèi)，雖然定子漏電抗正比于頻率f1而降低，但定子電阻卻不隨頻率變化，這部分電阻壓降在低頻時(shí)構(gòu)成端電壓不可忽略的一部，使得氣隙磁通隨頻率下降而迅速減小，因而轉(zhuǎn)矩急劇下降低頻時(shí)由于Tm和Tst減小，限制了帶負(fù)載能力，只適用于風(fēng)機(jī)、水這一類(lèi)負(fù)載，因?yàn)榇祟?lèi)負(fù)載性質(zhì)是轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正按恒壓頻比（U1/f1=常數(shù)）的控制方式，在低頻時(shí)由于定子電阻R1下降，使最大力矩Tm下降，因而系統(tǒng)的低頻性能較差，不適用于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)要求恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行的一類(lèi)負(fù)載為了獲得不變的氣隙磁通，需要對(duì)電 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圖

在調(diào)頻范圍內(nèi)獲得恒定的過(guò)載倍數(shù)Km=Tm/T。II

R'2/SjX 1

R'2

f2轉(zhuǎn)差頻率f2，而與定子頻率f1無(wú)關(guān)。若保持f2不變，則在不由于1是電 內(nèi)部電勢(shì)，難以直接檢測(cè)與控制，通常只能控制電機(jī)的端電壓U1。那么，在恒磁通運(yùn)行時(shí)，端電壓應(yīng)如何變化？由等值可知，端電壓為感應(yīng)電勢(shì)和定子電壓降的矢量和，即UE(RjX

U1、 1

f1

j2f1L1)I當(dāng)恒力矩控制時(shí)，E1/f1=常數(shù)f2恒定，I1也恒定，由此得出的（f1）為控制系統(tǒng)中電壓函數(shù)發(fā)生 U/f設(shè)計(jì)的依據(jù)

圖2-電機(jī)電壓U1、電勢(shì)E1、電流I1與頻率f1通常在頻率調(diào)節(jié)大于基準(zhǔn)頻率（f1＞f1N）U1提高到一定數(shù)值后將維持不變，或者不再正比于f1此后 將以恒功率輸出為條件進(jìn)行電壓和頻率的控制R'2/(R'/S)2X'R'2/(R'/S)2X'221E1(R'/(R'/S)2X222

cos2當(dāng)S很小時(shí)，同樣可以忽略X‘2項(xiàng)，故有I'

E1

且在恒功率范圍內(nèi)，U1已提高到一定數(shù)值，可認(rèn)為U1≈E1，故TmpEI (U1)22 1 實(shí)現(xiàn)恒功率的條件U1功率TfK(1) KU1

2sff ff （1）U1不變，S=f2/f1=由于f1較高，與電抗相比可忽略R1的影響，則最大轉(zhuǎn)矩

1U f21 U f21

2(LL' 圖 在該方式下，Tm與T的比值是變化的，如圖示的陰影部分。 在最高轉(zhuǎn)速nmax時(shí)，保證有最小允許的過(guò)載能力；而在低速但逆變器在恒電壓和恒電流下工作，整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)裝置容

Tm

U1 1 f2(LL' 圖 在該種方式下，電機(jī)具有不變的過(guò)載系數(shù)，電機(jī)的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)可以選擇在恒功范圍的最低轉(zhuǎn)速nA時(shí)具有最小允許的過(guò)載能力。這樣即使在高速運(yùn)行時(shí)仍然有適度的轉(zhuǎn)矩裕量，使在整個(gè)恒功調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，并能較充分地利用電機(jī)的功率，因而電但逆變器則需滿(mǎn)足最高電壓和最大電流的要求，盡管兩個(gè)數(shù)值在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)，但逆變器的設(shè)計(jì)容量應(yīng)為最通常稱(chēng)這一方案為最小電和最大逆變器TCC恒區(qū)DT′′恒功區(qū)速力s

B

恒磁 恒電圖2-4-1轉(zhuǎn)矩裕量

圖2-4-2對(duì)較少，因而漏抗較小。電負(fù)荷型電機(jī)的磁通較小，因而鐵心體積較小，重量較輕；但定線(xiàn)圈的導(dǎo)體數(shù)較多，因而漏抗大，最大電磁轉(zhuǎn)矩根據(jù)城市軌道交通車(chē)輛的性能要求，可采用不同的電磁負(fù)荷分要求恒功范圍大的電機(jī)，其最大電磁轉(zhuǎn)矩也較大，屬于磁負(fù)荷型要求恒功范圍小的電機(jī)，其最大電磁轉(zhuǎn)矩較小，屬于電負(fù)荷型 變壓變頻控制有集中控制和分別控制兩種方式，各有利弊 分別控制運(yùn)優(yōu)點(diǎn)可克服集中控制時(shí)由于輪徑差異和異步 特性不一致產(chǎn)生粘著力降低或空轉(zhuǎn)、滑行的問(wèn)題當(dāng)某個(gè)逆變器出現(xiàn)故障，還有其他幾個(gè)逆變器照常工作，車(chē)輛仍可繼續(xù)運(yùn)行在防空轉(zhuǎn)防滑行采用降功率來(lái)抑制空轉(zhuǎn)或滑行時(shí)，只涉?zhèn)€別軸，所以功率損失也小缺點(diǎn)分別控制方式所用的元器件及控制裝置增多，相應(yīng)會(huì)增加故障投資因此，城市軌道車(chē)輛普遍采用牽引電機(jī)并聯(lián)的集中控制方式1、異步牽引

逆變器

~~2逆變器

~3~3~4逆變器 逆變器

牽引電MMMM圖2-4-32、異步牽引 牽引電M

MM圖2-4-43、異步牽引

~1逆變器~1

~~2逆變器

牽引電MMMM圖2-4-5異步牽引 城市軌道交通車(chē)輛通常是每輛動(dòng)車(chē)由一臺(tái)逆變器供電，多臺(tái)異步電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。例如 城市軌道車(chē)輛最常用的4MM／1IN方式就是由一臺(tái)逆變器拖動(dòng)四臺(tái)異步電機(jī)并聯(lián)運(yùn)數(shù)臺(tái)異步電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行要注意以下問(wèn)（1）由于異步電機(jī)的硬特性——電機(jī)電氣特性略有差異，就會(huì)引起電機(jī)負(fù)載分配不勻。對(duì)異步電機(jī)特性影響最大的因素是轉(zhuǎn)子的電阻，應(yīng)臨界轉(zhuǎn)差頻

f

R2L'2電機(jī)電機(jī)電機(jī)0

圖2-4-6電機(jī)特性差異引起

圖2-4-7電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的影響牽引工況時(shí)：輪徑大（轉(zhuǎn)速偏低）的負(fù)載偏大，輪徑?。ㄞD(zhuǎn)速偏高）的負(fù)載偏小制動(dòng)工況則相反：輪徑大的負(fù)載偏小，輪徑小的負(fù)載偏電轉(zhuǎn)電轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)牽引輪輪徑徑大輪徑大再生轉(zhuǎn)圖2-4-額定轉(zhuǎn)差率越小，負(fù)載分配不勻越嚴(yán)重，即使輪徑差不大，也會(huì)較大的牽引力差但額定轉(zhuǎn)差率大又對(duì)電機(jī)的效率、溫升和動(dòng)車(chē)性能不設(shè)電機(jī)以s％轉(zhuǎn)差率運(yùn)轉(zhuǎn)，輪徑差為±a％，則輪徑大的電機(jī)轉(zhuǎn)速（a）％（a）／s轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩效率溫度輪徑差輪徑差圖2-

fs額定轉(zhuǎn)表2-1電機(jī)額定轉(zhuǎn)差率的影響大小電效低高電溫高低差好小大大小為了防止坡道起動(dòng)時(shí)車(chē)輛后退，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率fs隨動(dòng)車(chē)后退速度增加，但由于逆變器允許電流等限制，電流不能增以保證進(jìn)方向上產(chǎn)生需要的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)坡道安全起動(dòng)。 號(hào)在檢測(cè)滑行時(shí)——應(yīng)選取其中轉(zhuǎn)速最高的作為基準(zhǔn)信號(hào)了提高防止空轉(zhuǎn)和滑行系統(tǒng)的靈敏度，通常還檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn) 從防空轉(zhuǎn)和滑行性能出發(fā)，在控制輪徑差的同時(shí)，城市軌道

由于調(diào)速過(guò)程中調(diào)制頻率不斷變化，特別是當(dāng)調(diào)制脈沖數(shù)轉(zhuǎn) 左右的GTO逆變電路產(chǎn)生的噪音在聽(tīng)覺(jué)范圍內(nèi)，可以通過(guò)控制方式減小噪音波動(dòng)，改進(jìn)對(duì)噪音的感覺(jué)。 、IPM逆變電路為減小轉(zhuǎn)矩不平衡，額定轉(zhuǎn)差率通常設(shè)計(jì)得比一般異步 ，約為3％；為了確保所需的轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條使用高