动车组异步牵引电动机系统

动车组异步牵引电动机系统

李吉夏宏程石子铜吴永生王晓婷

中车唐山机车车辆有限公司河北省唐山市063000

摘要：异步牵引的电动机是作为高速动车机组当中电力牵引交流传动和控制的重要组成部分，其是通过分析旋转磁场所产生的机动原理，在一定程度上电磁转矩的特点，转矩到转差率的曲线以及电气制动特征和机械特点、磁极对数的调速方式。本文主要是深入分析起动车组异步牵引电动机系统工作原理和其实际运行的性能针对牵引的供电设计进行探讨，予以有关单位参考与借鉴。

关键词：动车组；异步牵引；电动机系统；牵引供电系统

前言：

在一定程度上交流电机可以分为两个大的类型；第一个是异步电机，第二个是同步电机，这两者的工作原理与实际运行的性能是有着较大差别的。在交流传动的高速动车机组中，牵引的电动机通常都是使用的异步电机，因为异步电机的结构相对简单，在实际运行过程中其安全性和可靠性是相对较高的，效率较强，实际维护起来也是比较便利的，所以在变频器的实际控制下也是能够实现高速动车牵引性能的调速需求，笔者深入的分析动车组异步牵引电动机系统的工作原理和供电设计的相关内容。

一：异步牵引电动机的基本原理分析

1.1旋转磁场分析

在当对称的三相交流电流通进入到了定子铁心上的对称三相绕组时，就在定子内部建立一个完善的空间连续旋转磁场，这个过程被称之为旋转磁场。对称三相电流——正弦波电流幅值相等或者是相位互差的120°电角度；旋转磁场所产生的原理图（如下图一所示）。其中定子磁场是会伴随着电流的交变在实际的空间中去进行不断的旋转，其旋转的转速又被称之为同步的转速n1。

1.2异步电动机的工作原理分析

在当定子三相绕组中加入了三相电流，那么就会产生一个转速为顺时针方向旋转的n1磁场。当转子导体和旋转磁场这两者之间也是存在一定程度上的相对运动，该运动必然会在转子导体当中所产生出相应的感应电势，该电流的流经方向也是可以用右手进行确定的。因为转子的绕组一般都是闭合的，所以感应电势在转子导体当中也会出现相应的感应电流的。在当转子导体当中的旋转磁场与感应电流，这两者之间相互作用的时候就会产生电磁力F出现，该方向也是可以使用人们的左手去进行确定的。在一定程度上电磁力F的实际作用是在转子上形成相应的电磁转矩，这样能够让转子按照选择磁场顺时针的方向不断的转动。为了能够在转子导体当中产生有效的感应电流与感应电势，旋转磁场和转子这两者之间必须要存在理论上的相对运动，这样能够使异步电机的转子转速n小于同时转速中的n1，这种情况就被称为异步电动机实际运行。

1.3耐压强度和耐电晕能力

在一定程度上单位厚度的耐压强度是相对较高的，同时因为电机是逆变器所供能的，其还需要有相对较强的耐电晕能力以及耐爬电的能力。异步牵引电动机的绝缘系统有一个极为重要的要求就是其耐电晕能力以及耐爬电的能力必须要求在直流牵引电机当中是不可以或缺的。这种情况的出现也是因为，异步牵引电动机是有逆变器所提供电能的，在当逆变器换流过程中，会直接出现短时间的电压峰值，在当逆变器立即增加在定子绝缘上面。在当逆变器为电流源过程中，也会出现过电压为基波电压的有效数值的三到五倍左右。在当逆变器为电压源时，也会出现过电压约为基波电压的两倍多，在电压的峰值达到1200V/ms时，电压的尖峰会在绕组上面去形成不均匀的分布情况出现，在输入端的绕组所承受的电压也是相对较高的。

二：异步电动机的机械特性分析

在当同步转速为n1不变时期（f1也不会出现变化），在当n=n1时，就很容易的去将下图二当中的转矩特性曲线中的T=fs转换成为平常使用的机械特性的曲线t=fn，详情见下图三所示。

在当nk<n<n1的稳定区间范围之内，转矩的特征就是比较陡的，转速的实际变化范围也相对较小，因此在异步电机正常的运行时间段的转速n时非常接近同步转矩n1的，其自身的额定转速的差率se也是相对较小的，通常情况下Se都是等于0.5左右的。在一定程度上其硬特征会让一步电动机的自动调速相对困难，但是其自身也是具有相对i较好的防电机出现空转的这种性能。在当异步电动机从转差率的S=1时，电动机就会自动的开启，但是伴随着角的速度不断上涨，S也会呈现不断下降的趋势。在当转差率在S减少到了接近零时，该异步电动机就会呈现出一个比较稳定的运行状态。

在针对每一个固定的供电频率中，都会有一条比较对应的类型曲线图。在当电动机的相关参数一直保持在不变的情况下时，该电动机系统的曲线峰值也会和所增加的电压大小有着较大的关系。

2.1电磁制动器的实际运行S>1

若是异步电动机是属于正序电源电压供电时，是需要让电动机的转子出现反转的情况。与此同时，旋转磁场与转子这两者之间的相对转速也是顺时针方向运行的，电动机的转矩也是呈现顺时针方向的，这样能够从电源吸收的功率去进行。因为异步电动机是沿着逆时针方向所旋转的，所以顺时针的转矩也将会给其提供一定的制动作用。由于惯性所引起的机械功率的不断变换所出现的电功率，和从电源中所吸收而来的电功率的消耗都是消耗的转子回路中的电阻，因此这种制动的方法效率也是相对较差的。

2.2异步电动机调速的基本方法分析

异步电动机的调速是可以从转子和定子这两个方面来采取相应的针对措施。从黄钻方面能够采取的措施包含了：第一变更转子电路当中的电阻；第二是在转子的电路当中去串联多个附加的电阻，这样是能够实现串级的调速作用。。从定子方面能够采取的措施有下面几个方面：第一是有效的改变定子的绕组磁极的对数；第二是变更加到定子绕组上的电压；第三是有效的改变电源的供电频率。通常情况下所采用的相关结构都是极为简单的鼠笼式异步电动机来作为牵引电动机，在一定程度上因为这种类型的电动机的转子绕组是短路绕组，是很难去针对转子上面采取针对性的调速措施的。

2.3改变电压U1的调速

在当改变U1来进行调速故从横着，机械特性陡的稳定工作区域中，其自身的平衡工作实况点可以分为A、B、C三个点，其所对应的转速之间的差距也是较小的。因此充分利用改变U1的方式来进行异步电动机的调速，不但能够让转速的出现变化，还能够让一步电动机的最大转矩出现比较大的波动，从而起到减弱电动机的适应负载变化的荷载。所以，在一定程度上是不能够采用改变U1的方式去作为电动机的调速方式。

三：变频调速的控制方法及其特征分析

异步电动机在进行变频调速传动过程中，是需要根据荷载的特征去要求对变频器的电流以及电压进行控制的。变频调速控制方式的发展可以分为下面两个阶段：

第一是高功能型的转差频率的控制方法，其有关转速所需要有效的闭环检测，在具有转矩控制功能中，能够让异步电动机在磁场中通过恒功率下进行正常运行，这样是能够有效的将电动机的运行功率发挥到最大，其输出的静态特征在U/F的控制下也是有较大的完善。

第二个阶段是高性能型直接转矩控制方式与矢量控制控制方式，这两种方式都能够实现直流电动机的控制特征，其也具有较强的动态性能。

结语：

总而言之，在动车组异步牵引电动机系统分析中，可以将其分为异步电机和同步电机两个类型。上述针对异步电机做出了详细的分析，并且在当前动车中，所采用的大多都是一部电机，因为异步电机的结构相对交单，效率较高，并且在实际运行中的可靠性也相对较高，通过对电动机的调速控制方法进行详细的分析，希望能够给予该行业研究人员给予理论帮助。

参考文献：

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