內(nèi)燃機(jī)車電力傳動(dòng)牽引電機(jī)

內(nèi)燃機(jī)車電力傳動(dòng)（二）技術(shù)講座9/11/20231第一節(jié)

直流牽引電動(dòng)機(jī)一、直流牽引電動(dòng)機(jī)的工作原理

在交—直流電力傳動(dòng)裝置中，廣泛采用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)車車輛的牽引電動(dòng)機(jī)，它的工作原理與一般直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同。

圖2—1直流電動(dòng)機(jī)橫向剖面

圖2—2直流電動(dòng)縱向剖面1—主極線圈；2—主磁極；3—換向極線圈；1—吊環(huán)；2—機(jī)座，3—端蓋；4—風(fēng)扇；5—電樞繞組；4—換向極；5—電樞繞組；6—底腳；6—后壓圈；7—軸承；8—軸；9—電樞鐵芯；10—前壓圈；7—電樞槽；8—機(jī)座（磁軛）；9—電樞鐵芯；11—換向器壓圈；12—換向器；13—

電刷；14—刷握裝置；10—極靴。15—前端蓋；16—主極線圈；17—主極鐵芯。9/11/20232直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理主磁極：由勵(lì)磁磁勢(shì)建立主磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向：NS靜止的電刷（A和B）與換向器滑動(dòng)接觸，將直流電引入電樞線圈abcd電磁力定律：載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用電磁力大?。篺x=Bx

lis

電磁力的方向：由左手定則決定一對(duì)電磁力形成電磁轉(zhuǎn)矩Mx電磁感應(yīng)定律：運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體切割磁力線必感應(yīng)出電勢(shì)（電動(dòng)機(jī)中為反電勢(shì)）感應(yīng)電勢(shì)大?。篹=Bxlv

感應(yīng)電勢(shì)的方向：按右手定則決定換向器：其作用是使旋轉(zhuǎn)中的電樞線圈中電流換向，從而保證每個(gè)磁極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變，電機(jī)按一定方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。換向器改變電源正負(fù)極，或改變磁場(chǎng)方向時(shí)，電樞線圈所受的電磁力都將反向，電樞反向旋轉(zhuǎn)。fxfxexex9/11/20233具有八個(gè)線圈的直流電動(dòng)機(jī)在實(shí)際的直流電機(jī)中，電樞上都不只有一個(gè)線圈，而是有許多線圈均勻且牢固地嵌放在電樞鐵芯槽中。換向器由八個(gè)互相絕緣的換向片組成。八個(gè)線圈通過(guò)換向片聯(lián)接，構(gòu)成了一個(gè)閉合的繞組。位于磁極中性線上兩個(gè)電刷將閉合的繞組分成了兩個(gè)并聯(lián)的支路。所有的線圈都被利用來(lái)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢(shì)，其合成感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的大小取決于并聯(lián)支路線圈和總線圈數(shù)量的多少。

9/11/20234二、直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢(shì)

電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電勢(shì)是直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量變換所不可缺少的兩個(gè)要素。

電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式

Cm—轉(zhuǎn)矩常數(shù)，決定于電機(jī)的結(jié)構(gòu)；φ—磁通（Wb）；

Is—電樞電流（A）；M—電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）。

感應(yīng)電勢(shì)的計(jì)算公式

Ce—電動(dòng)勢(shì)常數(shù)決定于電機(jī)的結(jié)構(gòu)；φ—磁通（Wb）；

n—電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）；Es—感應(yīng)電勢(shì)（V）。

9/11/20235直流電機(jī)的可逆性在一定的條件下，直流電機(jī)既可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行又可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，由此應(yīng)用于機(jī)車上的牽引工況和電阻制動(dòng)工況。電動(dòng)機(jī)工況：克服反電勢(shì)，輸入電能，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。發(fā)電機(jī)工況：由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，輸出電能，即將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；而電磁轉(zhuǎn)矩的方向與拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反，稱為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。9/11/20236三、直流電機(jī)的基本方程式直流電機(jī)是傳動(dòng)系統(tǒng)中進(jìn)行機(jī)電能量變換的元件。直流電機(jī)的基本方程式是指直流電機(jī)電系統(tǒng)中的電壓平衡方程式、機(jī)械系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩平衡方程式以及功率平衡方程式。這些方程式綜合了電機(jī)內(nèi)部的電磁過(guò)程，同時(shí)也表達(dá)了電機(jī)外部的運(yùn)行特性及功率平衡關(guān)系。

9/11/20237（一）電壓平衡方程式對(duì)于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)

U=Us+UL=Cenφ+Is（Rs+RL)=Es+IsRD對(duì)于他勵(lì)電動(dòng)機(jī)U=Us=Cenφ+IsRs=Es+IsRs

由于RD值很小，電壓降IsRD不大，故U≈ES。

U——電源電壓（V）；Us——電樞繞組的端電壓（V）；UL——（UL=ILRL）勵(lì)磁繞組的端電壓（V）；ES——電樞反電勢(shì)（V）；Is——電樞電流（A）；IL——?jiǎng)?lì)磁電流（A）；Rs——電樞繞組電阻（Ω）；RL——?jiǎng)?lì)磁繞組電阻（Ω）；RD——（RD=RS+RL）電樞回路的電阻（Ω）。

9/11/20238（二）轉(zhuǎn)矩平衡方程式電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式：M—電磁轉(zhuǎn)矩，Mz—負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩，M0—空載阻力轉(zhuǎn)矩，—慣性轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件下的轉(zhuǎn)矩平衡方程式：則M=MZ+M0

一般M0

（由摩擦損耗和鐵磁損耗等引起）較小，故M≈MZ。9/11/20239（三）功率平衡方程式和電機(jī)效率電磁功率：無(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，在電功率EsIs與機(jī)械功率Mω能量變換過(guò)程中，能量守恒。在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，不可避免地會(huì)伴隨著各種各樣的損耗：機(jī)械損耗

ΔP機(jī)

電機(jī)軸承，電刷與換向器之間，旋轉(zhuǎn)部分與空氣之間存在的摩擦損耗。鐵損耗ΔP鐵

電樞鐵芯中由磁滯和渦流所引起的能量損耗一旦電機(jī)旋轉(zhuǎn)，不管它是否帶負(fù)載，機(jī)械損耗和鐵損耗就會(huì)存在，因此通常把這兩項(xiàng)損耗合起來(lái)叫做空載損耗ΔP空，即ΔP空=ΔP機(jī)+ΔP鐵銅損耗ΔP銅因?yàn)殡姌欣@組、勵(lì)磁繞組、電刷、電刷和換向器接觸處都存在電阻，合為RD，近似為銅導(dǎo)體電阻，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生銅損耗ΔP銅=I2RD。9/11/202310直流電機(jī)功率平衡關(guān)系根據(jù)能量守恒定律，電機(jī)的輸入、輸出和損耗之間存在一定的平衡關(guān)系。

對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)：電源輸入的功率

P1=P+ΔP銅

P—電機(jī)吸收的電磁功率輸出給負(fù)載的機(jī)械功率

P2=P-ΔP空功率平衡方程式

P1=P2+ΔP空+ΔP銅

電機(jī)效率η：衡量電機(jī)內(nèi)部損耗的大小

9/11/202311四、直流牽引電動(dòng)機(jī)的工作特性和速度調(diào)節(jié)

電傳動(dòng)機(jī)車是由牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，因此牽引電動(dòng)機(jī)的工作特性必須滿足機(jī)車牽引性能提出的要求。電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速是說(shuō)明電動(dòng)機(jī)工作特性的兩個(gè)重要的物理量，分別與機(jī)車牽引力和機(jī)車速度相對(duì)應(yīng)，因此，轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)速特性是電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)主要特性，是選用牽引電動(dòng)機(jī)的重要依據(jù)。（一）直流牽引電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性

直流電動(dòng)機(jī)的工作特性表示當(dāng)不對(duì)電源電壓及勵(lì)磁電流進(jìn)行人為調(diào)節(jié)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩M隨電樞電流Is的變化關(guān)系。電機(jī)的工作特性因勵(lì)磁方式不同差別很大，所以討論時(shí)，既要應(yīng)用綜合電磁過(guò)程的有關(guān)方程式，又要注意到不同勵(lì)磁方式的特點(diǎn)。9/11/202312轉(zhuǎn)速特性電源電壓U=常數(shù)，勵(lì)磁電流不認(rèn)為調(diào)節(jié)：n=f(Is)

根據(jù)電壓平衡方程式得：

他勵(lì)（或并勵(lì)）電動(dòng)機(jī)：不對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行人為調(diào)節(jié)時(shí)，φ=常數(shù)，則

n=n0–KIs

式中—空載轉(zhuǎn)速，（很?。┐畡?lì)電動(dòng)機(jī)：IL=Is，φ隨Is而變化，若忽略電機(jī)磁路的飽和，可近似用φ=KfIL=KfIS，則

9/11/202313轉(zhuǎn)矩特性

電源電壓U=常數(shù)，勵(lì)磁電流不認(rèn)為調(diào)節(jié)：M=f(Is)

忽略空載轉(zhuǎn)矩M0，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩近似等于電磁轉(zhuǎn)矩，即M=CmφIs

他勵(lì)（或并勵(lì)）電動(dòng)機(jī)：不對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行人為調(diào)節(jié)時(shí)，φ=常數(shù)，則

M=CmφIs=C'mIs

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：同樣可設(shè)φ=KfIL=KfIS，則M=CmφIs=CmKfIS2

顯然，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)與他勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性截然不同，由特性曲線形狀來(lái)看，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有較大得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)范圍。9/11/202314機(jī)械特性

M=f（n）將轉(zhuǎn)速公式和轉(zhuǎn)矩公式聯(lián)立消去IS，便得到轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方程式：

他勵(lì)（或并勵(lì)）電動(dòng)機(jī)：在電壓U不變時(shí)，主極磁通φ也不變，其機(jī)械特性M=f(n)近似為一較陡負(fù)斜率的直線，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的較大變化，轉(zhuǎn)速僅有很小變化，這種特性稱為“硬特性”。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：φ隨電樞電流IS而變化，根據(jù)轉(zhuǎn)矩特性、轉(zhuǎn)速特性及磁化曲線之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可求出其機(jī)械特性，隨輸出力矩M的增加，轉(zhuǎn)速n迅速下降，這種特性稱為“軟特性”。

9/11/202315（二）牽引電動(dòng)機(jī)特性分析對(duì)串勵(lì)和他勵(lì)兩種型式得電機(jī)進(jìn)行比較，分析它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并確立選用牽引電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)考慮的因素及基本原則。

牽引調(diào)速性能：在內(nèi)燃機(jī)車上，牽引電動(dòng)機(jī)由恒功率電源供電，輸出電壓變化范圍有限，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的“軟特性”特點(diǎn)能使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)在電源電壓較小變化時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化，因而調(diào)速容易，調(diào)速范圍較寬。

牽引電動(dòng)機(jī)之間的負(fù)載分配：機(jī)車上幾臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行，由于電動(dòng)機(jī)的特性不可能完全一致，或者動(dòng)輪直徑不完全相等，都將引起電動(dòng)機(jī)之間負(fù)載分配的不均勻現(xiàn)象，個(gè)別電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載情況。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)由于具有“軟特性”，這種負(fù)載分配的不均勻性遠(yuǎn)較他勵(lì)電動(dòng)機(jī)為小。9/11/202316防空轉(zhuǎn)性能機(jī)車起動(dòng)或滿載爬坡時(shí)，常常因輪軌間得粘著破壞而發(fā)生個(gè)別動(dòng)輪個(gè)別動(dòng)輪空轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。此時(shí)若能迅速減小牽引電動(dòng)機(jī)的電流和輸出轉(zhuǎn)矩，就能使粘著條件恢復(fù)。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的“軟特性”不利于粘著條件的恢復(fù)。而他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的“硬特性”卻有利于防止動(dòng)輪空轉(zhuǎn)。

起動(dòng)性能及過(guò)載能力由于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性M=f(Is)近似地按電樞電流平方的比例增長(zhǎng)，因而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，適合機(jī)車起動(dòng)時(shí)較大起動(dòng)牽引力的要求。最大轉(zhuǎn)矩主要受短時(shí)允許的過(guò)載電流所引起的發(fā)熱限制，在相同得過(guò)載電流下，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩較他勵(lì)電動(dòng)機(jī)大。9/11/202317（三）牽引電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)

由于機(jī)車運(yùn)行條件比較復(fù)雜，經(jīng)常需要按照線路情況來(lái)選擇合適的運(yùn)行速度，這就要求牽引電動(dòng)機(jī)能夠在寬廣的范圍內(nèi)均勻而經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，而且調(diào)速設(shè)備應(yīng)簡(jiǎn)單，操作方便。根據(jù)轉(zhuǎn)速公式可知直流牽引電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：改變牽引電動(dòng)機(jī)的電源電壓U；調(diào)節(jié)牽引電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁；調(diào)節(jié)電樞回路的電阻RD。

其中，采用在電樞回路中串聯(lián)可調(diào)電阻的方法調(diào)速，方法雖然簡(jiǎn)單，但往往是有級(jí)地改變電阻值，因而調(diào)速不平穩(wěn)，同時(shí)附加調(diào)節(jié)電阻要損耗大量電能，將使?fàn)恳式档?。過(guò)去僅在小功率的機(jī)車和城市電車中采用。因此，在機(jī)車中不采用這種方法，而廣泛采用改變牽引電動(dòng)機(jī)的電源電壓以及削弱牽引電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)的調(diào)速方法。9/11/202318改變電源電壓調(diào)速

根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，如果忽略電樞回路的電壓降，可以認(rèn)為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與端電壓成正比，即

調(diào)速過(guò)程：當(dāng)牽引電動(dòng)機(jī)在電壓U1和某一負(fù)載轉(zhuǎn)矩M1（其相應(yīng)的電樞電流為I1）下以轉(zhuǎn)速n1穩(wěn)定運(yùn)行于a點(diǎn)時(shí)，為了調(diào)速，電源電壓由U1突然上升為U2，由于機(jī)車的機(jī)械慣性，機(jī)車速度和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都來(lái)不及變化，電樞反電動(dòng)勢(shì)Es也因之不變，根據(jù)電壓平衡方程式可知電樞電流Is必將突增，電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)由a點(diǎn)平移地跳到b點(diǎn)。此時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩M增大，引起電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之沿著電壓為U2的特性曲線上升。若負(fù)載轉(zhuǎn)矩M1仍未改變，隨著轉(zhuǎn)速的上升，電樞電流和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩逐漸減小，直到轉(zhuǎn)速升至n2、電樞電流重新等于I1，轉(zhuǎn)矩重新平衡（M=M1）為止，電動(dòng)機(jī)便將穩(wěn)定運(yùn)行在c點(diǎn)。9/11/202319削弱磁場(chǎng)調(diào)速

在串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)中，比較常用的削弱磁場(chǎng)的方法是在勵(lì)磁繞組兩端并聯(lián)一級(jí)或數(shù)級(jí)分路電阻。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變的條件下，削弱前、后的電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)相等，即得

磁場(chǎng)削弱前后得轉(zhuǎn)速關(guān)系：9/11/202320五、直流牽引電動(dòng)機(jī)的電樞反應(yīng)主磁極上的勵(lì)磁磁勢(shì)建立主磁場(chǎng)。當(dāng)電樞繞組中有電流時(shí)，由電樞磁勢(shì)建立電樞磁場(chǎng)，其軸線與主磁場(chǎng)軸線相互垂直，故又稱電樞磁場(chǎng)為交軸磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)使主磁場(chǎng)受到影響，電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)發(fā)生了變化，稱之為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的結(jié)果是：（1）電機(jī)氣隙中的合成磁場(chǎng)發(fā)生畸變；

（2）電機(jī)氣隙中的合成磁場(chǎng)有所削弱。嚴(yán)重的是由于磁場(chǎng)的畸變使電機(jī)換向條件惡化，容易產(chǎn)生火花。9/11/202321六、直流牽引電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)9/11/202322第二節(jié)同步牽引發(fā)動(dòng)機(jī)在交—直流電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車中，牽引發(fā)電機(jī)采用同步發(fā)電機(jī)，稱為同步牽引發(fā)電機(jī)。同步牽引發(fā)電機(jī)是根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿男D(zhuǎn)電機(jī)。同步電機(jī)有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是旋轉(zhuǎn)電樞式，另一種是旋轉(zhuǎn)磁極式。絕大多數(shù)的同步電機(jī)，特別是功率較大的電機(jī)，都采用旋轉(zhuǎn)磁極式的結(jié)構(gòu)。

9/11/202323一、同步牽引發(fā)電機(jī)的基本原理定子鐵芯中嵌有三相對(duì)稱繞組AX、BY、CZ，稱為電樞繞組，對(duì)稱條件是：這三組繞組的匝數(shù)和導(dǎo)線截面相等，在空間位置上互相距離120°電角度。轉(zhuǎn)子上繞有勵(lì)磁繞組，當(dāng)直流電流通過(guò)電刷和滑環(huán)送入勵(lì)磁繞組時(shí)，使轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生極性不變的N極和S極，在氣隙中形成一對(duì)磁極的主磁場(chǎng)。當(dāng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，則定子繞組與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在定子上的三相繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)波形大小和頻率均相同，相位互差120°電角度的三相對(duì)稱電勢(shì)。

9/11/202324感應(yīng)電勢(shì)同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三相交流感應(yīng)電勢(shì)是按正弦波形變化的，其大小一般用有效值表示。一臺(tái)電機(jī)共有2p個(gè)磁極，每對(duì)磁極下均對(duì)應(yīng)三相電樞繞組，同一相的繞組根據(jù)設(shè)計(jì)要求既可以互相串聯(lián)起來(lái)（增大電勢(shì)），也可以互相并聯(lián)起來(lái)組成一定數(shù)目的支路（增大電流）。設(shè)每一相繞組的總串聯(lián)匝數(shù)為W，則每相電勢(shì)有效值為：

E1=4.44WKrx·fφ1

式中—感應(yīng)電勢(shì)頻率，p—磁極對(duì)數(shù)，n—轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；

φ1—每極磁通量，KrZ—繞組系數(shù)（決定于繞組的短距和分布）當(dāng)采用Y接法時(shí)，線電勢(shì)為；當(dāng)采用Δ接法時(shí)，線電勢(shì)即等于相電勢(shì)。為了消除三次諧波電勢(shì)，現(xiàn)代三相發(fā)電機(jī)大多采用Y接法。9/11/202325二、同步牽引發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中通入直流勵(lì)磁電流，由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)——轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（主磁場(chǎng)），依次切割定子槽中的三相繞組，并在繞組中感應(yīng)出三相對(duì)稱交流電勢(shì)。如果三相繞組不接負(fù)載（I=0），則此時(shí)的感應(yīng)電勢(shì)為空載電勢(shì)：E0=4.44fWKr2φ0當(dāng)電樞繞組接通對(duì)稱的三相負(fù)載，便有三相對(duì)稱電流流過(guò)，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)——定子磁場(chǎng)，或稱電樞磁場(chǎng)。電樞電流是由感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的，故它們的頻率相同，電樞繞組的極對(duì)數(shù)總是與轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)相等，因此電樞磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同，并且以相同的方向同步旋轉(zhuǎn)，兩者之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，“同步電機(jī)”由此而得名。電樞磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的影響稱做電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)與電樞電流的大小有關(guān)，此外還與負(fù)載的性質(zhì)（即電阻性、電感性及電容性）有關(guān)。電樞反應(yīng)將會(huì)使轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（主磁場(chǎng)）發(fā)生畸變和去磁，從而影響同步發(fā)電機(jī)電樞繞組中感應(yīng)電勢(shì)的大小以及發(fā)電機(jī)的各種運(yùn)行性能。9/11/202326（一）當(dāng)ψ=0°（純電阻）的電樞反應(yīng)負(fù)載性質(zhì)不同，空載電勢(shì)和電流的相位差也不相同，因此使電樞磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相對(duì)位置不同。用ψ表示電樞電流I滯后于空載電E0的電角度，稱為同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)功率因數(shù)角。ψ角決定于負(fù)載阻抗和發(fā)電機(jī)定子繞組的阻抗之和，則當(dāng)ψ不同時(shí)，就有不同的電樞反應(yīng)。

交軸電樞反應(yīng)：使磁場(chǎng)發(fā)生畸變，這必將引起定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)及端電壓發(fā)生變化。

FL—?jiǎng)?lì)磁磁勢(shì)，F(xiàn)S—電樞磁勢(shì)，F(xiàn)h—?dú)庀吨械暮铣纱艅?shì)9/11/202327（二）當(dāng)ψ=90°（純電感）的電樞反應(yīng)直軸電樞反應(yīng)：起去磁作用，它使氣隙合成磁通減小，從而降低了發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)和端電壓。（三）當(dāng)0＜ψ＜90°（電阻+電感）的電樞反應(yīng)

電樞反應(yīng)對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的作用可以看作是上述兩種電樞反應(yīng)情況的綜合，其結(jié)果是既使氣隙合成磁場(chǎng)畸變又使勵(lì)磁場(chǎng)去磁。實(shí)際中常屬于此種情況。

9/11/202328三、同步牽引發(fā)電機(jī)的特性同步牽引發(fā)電機(jī)的特性是指：發(fā)電機(jī)在對(duì)稱負(fù)載及恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行情況下，各個(gè)量之間的變化關(guān)系。主要有空載特性、短路特性、負(fù)載特性、外特性和調(diào)節(jié)特性。

從運(yùn)行的角度看，外特性和調(diào)節(jié)特性是主要的運(yùn)行特性，根據(jù)這些特性，可以判斷發(fā)電機(jī)的工作是否正常，以便及時(shí)進(jìn)行調(diào)整?？蛰d特性、負(fù)載特性和短路特性則是檢驗(yàn)發(fā)電機(jī)基本性能的重要依據(jù)。

9/11/2023291、空載特性

空載特性是指發(fā)電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，端電壓U0（即E0）隨著轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流IL變化的關(guān)系，即U0=f(IL)或E0

=f(IL)

由空載電勢(shì)E0=4.44WKrzfφ0可知，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，感應(yīng)電勢(shì)的頻率f不變，故空載電勢(shì)E0僅正比于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁通φ0，因此空載特性曲線的形狀與發(fā)電機(jī)磁化曲線φ0=f（IL）相似，反映了發(fā)電機(jī)最基本的電與磁的關(guān)系。9/11/2023302、外特性同步發(fā)電機(jī)的外特性是指當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n、勵(lì)磁電流IL、負(fù)載功率因數(shù)cos恒定不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓U隨負(fù)載電流I之間的變化關(guān)系，即U=f(I)當(dāng)I

=0時(shí)，端電壓U就等于空載電勢(shì)E0。當(dāng)有負(fù)載后，端電壓U由于電樞反應(yīng)的去磁作用以及電樞繞組的阻抗壓降而開(kāi)始下降。但這時(shí)磁路很飽和，所以電樞反應(yīng)的去磁作用并未使端電壓顯著下降。隨著電樞電流I的進(jìn)一步增加，電樞反應(yīng)的去磁作用逐步加強(qiáng)，使電機(jī)磁路離開(kāi)飽和狀態(tài)，端電壓U隨著I的增加迅速下降。U下降到零時(shí)的電流稱為穩(wěn)態(tài)時(shí)的短路電流。

隨著勵(lì)磁電流IL和轉(zhuǎn)速n的下降，外特性曲線逐漸下移，與橫坐軸的交點(diǎn)也左移。9/11/202331

3、負(fù)載特性當(dāng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n、電樞電流I和功率因數(shù)cos

都是恒定不變時(shí)，發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流IL與端電壓U之間的關(guān)系，稱為同步發(fā)電機(jī)的負(fù)載特性，即U=f(IL）。負(fù)載特性與空載特性曲線形狀相似，但對(duì)應(yīng)于同一勵(lì)磁電流IL下，電樞電流I愈大，則電樞反應(yīng)的去磁作用愈強(qiáng)，因而端電壓就愈低。

9/11/2023324、短路特性當(dāng)同步發(fā)電機(jī)電樞繞組的三相接線端A、B、C全部短路時(shí)，端電壓U等于零，此時(shí)流過(guò)電樞繞組的電流稱為短路電流IdL。在電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定值，三相維持短路情況下的短路電流IdL與勵(lì)磁電流IL之間的關(guān)系稱為發(fā)電機(jī)的短路特性即IdL=f(IL)。發(fā)電機(jī)在短路狀態(tài)時(shí)磁路是不飽和的，因此短路電流IdL=f(IL)呈一條直線，且與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。9/11/202333四、同步牽引發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)9/11/202334四、同步牽引發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)9/11/202335第三節(jié)三相異步牽引電動(dòng)機(jī)交流電機(jī)主要分為同步電機(jī)和異步電機(jī)兩大類，二者的工作原理和運(yùn)行性能有較大區(qū)別。同步電機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)，而異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)。在交流電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車中，牽引電動(dòng)機(jī)通常采用異步電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，效率較高，在變頻器的控制下實(shí)現(xiàn)機(jī)車牽引性能的調(diào)速要求。

9/11/202336一、異步牽引電動(dòng)機(jī)的基本原理

（一）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)當(dāng)對(duì)稱的三相交流電流通入定子鐵心上的對(duì)稱三相繞組時(shí)，就在定子內(nèi)建立起一個(gè)在空間連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，稱為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。對(duì)稱三相電流：iA=ImsinωtiB=Imsin(ωt—120°）iC=Imsin(ωt—240°）9/11/202337旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生原理圖8-7一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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)速稱為同步轉(zhuǎn)速no9/11/202338（二）異步電動(dòng)機(jī)的工作原理圖8-10異步電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖當(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no、順時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，必在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，其方向可用右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則感應(yīng)電勢(shì)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流。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F，其方向可用左手定則確定。電磁力F作用在轉(zhuǎn)子上形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。為了在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電流，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(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no，故稱“異步電動(dòng)機(jī)”。轉(zhuǎn)差率：9/11/202339二、異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本方法1、電磁轉(zhuǎn)矩特性電磁轉(zhuǎn)矩T公式

（5-1）式中Cm—電機(jī)結(jié)構(gòu)常數(shù)；φ—旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)每極磁通（wb）；I2—轉(zhuǎn)子電流（A）；cos—轉(zhuǎn)子電路功率因數(shù)；