機車三相異步電動機調速特性-異步電機調速概述

異步電機調速概述三相異步電動機調速特性概述一、直流電動機調速系統(tǒng)的問題

長期以來，機車電傳動大多采用直流電動機系統(tǒng)——因為直流電動機的勵磁電流和電樞電流可以分別控制，其起動、調速性能和轉矩控制特性比較理想，并容易獲得良好的動態(tài)響應。然而，直流電機的結構復雜，存在換向器，不僅工藝復雜，體積及重量大，耗銅，價格昂貴，而且在運行中，很容易產生換向火花甚至發(fā)生環(huán)火現(xiàn)象，故障率高，不便于維護。由于換向及環(huán)火這一類問題的存在，則要求電動機換向片之間的電壓不能過高，因而使得直流電動機的設計容量和高速時的利用功率受到限制，其高速利用功率只能達到額定功率的75%，單電機的設計容量也很難超過1000kw，遠遠不能適應機車向高速、大功率方向發(fā)展的要求。三相異步電動機調速特性概述

三相交流電動機，特別是鼠籠式異步電動機，由于其轉子上既沒有換向器，也沒有帶絕緣的繞組，根本不存在換向火花及環(huán)火等問題，因此，其結構簡單、運行可靠，能以更高的轉速運轉——克服了直流電動機固有的缺點，很早就引起了人們的極大注意，試圖將它用作鐵路機車的牽引電動機。只是限于當時的變頻供電技術條件而無法實施。

20世紀50年代中期，法國國鐵曾在一臺樣車上裝置旋轉變頻機組進行連續(xù)變頻調速，但由于系統(tǒng)結構復雜、機組笨重龐大及效率低、成本高等原因而未能得到推廣。60年代，隨著電力電子技術的崛起與進步和變頻調速裝置的研制成功，重新喚起了人們對交流調速傳動的重視。進入70年代，因采用異步交流傳動系統(tǒng)的DE-2500型內燃機車在原聯(lián)邦德國研制成功，交流傳動在牽引領域重新煥發(fā)出了前所未有的活力。

二、交流電動機調速系統(tǒng)的發(fā)展三相異步電動機調速特性概述

進入80年代，隨著電力電子器件和微電子技術的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論和控制技術的應用，交流傳動技術取得了突破性的進展并已日趨成熟，在各種機車、動車上獲得了推廣運用。在這一時期，歐洲的交流傳動發(fā)展勢頭較猛，出現(xiàn)了諸如DE500系列、Di4型、ME1500型、DE6400型等典型的歐洲系列交流傳動內燃機車。同時期，美國的內燃機車制造廠家對交流傳動內燃機車的投入采取了比較審慎的態(tài)度，僅在老機車改造方面作了一些嘗試。如GM公司的FLG型雙動源客運機車改造，裝用ABB公司提供的交流傳動裝置及MICAS-S微機控制系統(tǒng)，第一批改造的該型機車10臺于1990年投入運用。此外，GM公司還與德國西門子公司合作對F69PH型客運機車進行改造，裝用西門子提供的交流傳動裝置及SIBAS—16微機控制系統(tǒng)。

三相異步電動機調速特性概述

進入90年代，交流傳動技術成為機車技術熱點、被認為是現(xiàn)代機車的標志而日益風靡世界。美國交流機車市場異軍突起。1992年GM公司率先推出SD60MAC型交流傳動內燃機車，之后又相繼推出SD70MAC、SD80MAC型交流傳動內燃機車。而80年代一直默默無聲的GE公司也不甘示弱，相繼推出AC4000、AC6000型交流傳動內燃機車。而且兩大公司均擁有大批訂貨，幾年來總計達千余臺。除德國、美國外，法國、意大利、西班牙、芬蘭、日本等國也可以生產交流傳動內燃機車，并有許多國家開始批量訂購交流傳動內燃機車。如1992年3月，印度鐵路已獲得ABB公司轉讓的交流傳動裝置生產許可證。1996年7月，印度鐵路與美國GM公司簽訂了一份獲得21臺2980kw交流傳動內燃機車的合同：其中的首臺樣機由GM公司組裝，并于1998年4月交付印度鐵路試運，其后的8臺機車在1998年9月以散件形式交付，然后由印度DLW工廠組裝，余下的12臺機車裝用更多的由印度本國制造的部件。三相異步電動機調速特性概述

我國發(fā)展交流傳動始于70年代，國內有關科研院所、許多大專院校就開展了交流傳動技術的研究工作。進入90年代，由于我國經濟、技術發(fā)展的需要，再加上國外交流傳動技術的成熟運用以及在研制、運用方面大量可供借鑒的經驗，我國的交流傳動技術的研究進入了一個新的時期。國家“八五”重點攻關項目的我國第一臺AC4000型大功率交流傳動電力機車（原型機），于1996年6月19日在株洲電力機車廠誕生，這標志著我國機車交流傳動技術零的突破。該型機車經過試運行，并在西南交通大學國家牽引動力重點實驗室的機車車輛滾動試驗臺上進行了全面的技術試驗，為改進和完善交流傳動機車獲取了寶貴的第一手技術資料。

“九五”期間，我國開始進入交流傳動內燃機車的實質性研制階段。1997年，四方機車車輛廠承擔了我國第一臺交流傳動內燃調車機車的研制任務，于1999年9月完成試制。此后，各機車主要制造工廠都相繼研制出交流傳動內燃機車。三相異步電動機調速特性概述三、異步牽引電動機的特點

交流傳動技術是一門綜合技術，但其本質的特點是采用了異步牽引電動機。交流傳動機車之所以成為現(xiàn)代機車發(fā)展的方向，正是由異步牽引電動機的特點和優(yōu)點所決定的。其主要特點是：

1、構造簡單，動力學性能好異步電動機是所有電機中結構最簡單的電動機，除軸承外，沒有其他機械接觸部分，電機轉速可達到4000r/min以上，試驗轉速甚至可達6000r/min。這是直流電機所望塵莫及的，直流電機轉速因受換向條件和機械強度的限制，只能達到2500r/min左右。由于異步電動機結構緊湊、重量輕，同時采用特殊的懸掛裝置，簧下重量小，對軌面的沖擊力小，使機車具有良好的動力學性能。三相異步電動機調速特性概述

2、功率大，牽引力大由于異步牽引電動機結構簡單、轉速可達4000r/min，所以能夠做到功率大、重量輕，其單位重量功率（kw/kg）是直流電機的2~3倍。在機車結構所提供的空間條件下，異步牽引電動機功率可達到1400kW~2000kW，這可使機車的牽引功率和牽引力大大提高，并且粘著性能好，能充分發(fā)揮機車的牽引能力。以ND5型交-直傳動機車與SD60MAC交流傳動機車進行比較：ND5型機車的柴油機標定功率為2940kw，起動牽引力為533.6kN，持續(xù)速度為22.2km/h時的持續(xù)牽引力為359.8kN。SD60MAC機車的柴油機標定功率為2835kw，起動牽引力為781kN，持續(xù)速度為20.5km/h時的持續(xù)牽引力為521kN。后者與前者相比，不論起動牽引力和持續(xù)牽引力都高出45%左右。三相異步電動機調速特性概述

3、粘著性能好

由于異步電機具有機械硬特性，所以當某臺電機發(fā)生空轉時，隨著轉速的上升（上升值不大），轉矩很快降低，具有很強的恢復粘著的能力。

當進行粘著控制時，根據(jù)檢測有關粘著控制信號，準確、迅速地改變逆變器輸出的電壓和頻率，尋求最佳工作點，使驅動系統(tǒng)既不發(fā)生空轉，又能充分發(fā)揮最大的牽引力，實現(xiàn)最大可能的粘著利用。交流傳動可實現(xiàn)各軸單獨控制，若某臺電機發(fā)生空轉時，可調節(jié)某臺電機，這樣能充分利用機車的粘著性能；而在交-直傳動系統(tǒng)中，某軸空轉時，則需要使所有各軸電機卸載，這就大大降低了機車牽引力。由于上述特性和良好的控制功能，交流傳動系統(tǒng)的粘著系數(shù)可以利用得很高。如1992年美國鐵路協(xié)會（AAR）在向四家機車制造廠提出的26臺交流傳動機車投標建議書中提出的粘著指標是：起動粘著系數(shù)0.45，全天候牽引粘著系數(shù)為0.32（而GE公司在交-直流機車上，采用“SENTRY”粘著控制裝置后，全天候粘著系數(shù)實測值為0.24～0.25），動力制動粘著系數(shù)為0.24。三相異步電動機調速特性概述

4、可靠性高、維修簡便

交流異步牽引電動機無換向器、無電刷裝置，除軸承外，無摩擦部件，密封性好，防潮、防塵、防雪性能好，絕緣性能和耐熱性好。因此故障率低，可靠性高?？刂蒲b置是模塊結構，故障率也很低。電路系統(tǒng)中幾乎全由無觸點的電子元件組成，所以不存在傳統(tǒng)系統(tǒng)中經常發(fā)生的觸點磨損、粘接、接觸不良、機械卡滯等問題。據(jù)美國伯靈頓北方鐵路介紹，該公司直流牽引電動機的大修期一般在40萬km～48萬km，而交流牽引電動機的大修期可高達120萬km～160萬km。此外，交流傳動機車配有完備的微機監(jiān)視系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)，可隨時監(jiān)視系統(tǒng)的技術狀態(tài)，進行故障診斷?！涣鱾鲃酉到y(tǒng)的可靠性很高，維修量很小，且維修簡便，維修費用大降低。如德國的交流傳動的E1200型機車的維修費僅為交-直流傳動的EA1000型機車的35%；E1200型機車的輪緣磨耗比EA1000型機車減少了53%。

三相異步電動機調速特性概述5、效率高、利用率高、使用靈活性強

交流傳動系統(tǒng)的總效率約為0.90，而交-直流傳動系統(tǒng)的總效率約為0.86。根據(jù)有關測量數(shù)據(jù)表明，采用交流傳動的內燃機車與直流傳動比較，在發(fā)揮相同功率時節(jié)省燃料10%～25%。由可靠性、耐久性和易于維修的結合，使交流傳動機車