牽引電機(jī)

1　特點(diǎn)

　　隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，可以對交流牽引電機(jī)進(jìn)行平穩(wěn)可靠的無級調(diào)速，

　　牽引電機(jī)

　　調(diào)速范圍可達(dá)1：1000，比直流調(diào)速范圍更大，尤其是沒有了直流電機(jī)換向器的存在，因而克服了直流電機(jī)的許多弊端，交流牽引電機(jī)與直流電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡單可靠、體積小、重量輕，更適合車輛對電機(jī)的安裝空間和重量等方面的要求，更重要的是交流牽引電機(jī)因具有功率大、過載能力強(qiáng)、噪聲小、調(diào)速范圍寬(0～5000r/min左右)、再生制動(dòng)力巨大、可防止車輪打滑、可靠性高、維護(hù)方便、平穩(wěn)舒適、節(jié)電20～30%等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代城市軌道交通牽引機(jī)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選產(chǎn)品：

　　1、城市軌道交通用交流牽引電機(jī)。

　　2、輕電車軌用交流牽引電機(jī)。

　　3、地鐵用交流牽引電機(jī)。

2　發(fā)展

　　交流變頻牽引電機(jī)作為車輛驅(qū)動(dòng)的原動(dòng)機(jī)是國際上二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的先進(jìn)牽引技術(shù)。它以十分顯著的優(yōu)良特性在德、日、法等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家迅速發(fā)展，很快取代了傳統(tǒng)的直流牽引電機(jī)。

　　為了解決直流和脈流牽引電動(dòng)機(jī)的“轉(zhuǎn)向”問題，有些國家已在使用晶閘管無換向器式牽引電動(dòng)機(jī)和三相交流異步變頻牽引電動(dòng)機(jī)，并在試驗(yàn)以直線異步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的磁懸浮高速車輛。晶閘管無換向器式牽引電動(dòng)機(jī)是由一臺同步電動(dòng)機(jī)和一組晶閘管逆變器組成，用晶閘管和轉(zhuǎn)子位置檢測器來代替直流牽引電動(dòng)機(jī)的換向器和炭刷結(jié)構(gòu)。這種電動(dòng)機(jī)具有直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而沒有困難的“換向”問題。但晶閘管及其控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，所以電子元件直接影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行可靠性。三相交流異步變頻牽引電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低廉，是比較理想的牽引電動(dòng)機(jī)。但由于需用變頻調(diào)速，它的發(fā)展和應(yīng)用一度受到限制。60年代，大功率晶閘管變頻裝置的發(fā)展使異步電動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速。21世紀(jì)以來，各國已有較多機(jī)車和動(dòng)車采用三相交流異步變頻牽引電動(dòng)機(jī)。聯(lián)邦德國和日本在試驗(yàn)的磁懸浮高速車輛上采用直線異步電動(dòng)機(jī)。它的初級繞組敷設(shè)在地面導(dǎo)軌上，由地面的變頻電源供電以產(chǎn)生行波磁場，調(diào)節(jié)供電電源頻率就可改變磁懸浮高速車輛的速度。次級繞組就是反應(yīng)板，裝在車輛的構(gòu)架上。初級行波磁場和次級感應(yīng)電流的相互作用，不僅產(chǎn)生使車輛前進(jìn)的推力，而且還產(chǎn)生磁拉力以懸浮車輛，并在制動(dòng)工況時(shí)起著動(dòng)力制動(dòng)的作用。

3　分類

　　牽引電動(dòng)機(jī)

　　在機(jī)車或動(dòng)車上用于驅(qū)動(dòng)一根或幾根動(dòng)輪軸的電動(dòng)機(jī)。牽引電動(dòng)機(jī)有多種類型，如直流牽引電動(dòng)機(jī)、交流異步牽引電動(dòng)機(jī)和交流同步牽引電動(dòng)機(jī)等。直流牽引電動(dòng)機(jī)，尤其是直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)有較好調(diào)速性能和工作特性，適應(yīng)機(jī)車牽引特性的需要，獲得廣泛應(yīng)用。

　　牽引電動(dòng)機(jī)的工作原理與一般直流電動(dòng)機(jī)相同，但有特殊的工作條件：空間尺寸受到軌距和動(dòng)輪直徑的限制；在機(jī)車運(yùn)行通過軌縫和道岔時(shí)要承受相當(dāng)大的沖擊振動(dòng)；大、小齒輪嚙合不良時(shí)電樞上會產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)振動(dòng);在惡劣環(huán)境中運(yùn)用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牽引電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上也有許多要求，如要充分利用機(jī)體內(nèi)部空間使結(jié)構(gòu)緊湊，要采用較高級的絕緣材料和導(dǎo)磁材料，零部件需有較高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，整臺電機(jī)需有良好的通風(fēng)散熱條件和防塵防潮能力，要采取特殊的措施以應(yīng)付比較困難的“換向”條件以減少炭刷下的火花等。

　　牽引電動(dòng)機(jī)有兩種懸掛方式。一種是牽引電動(dòng)機(jī)和動(dòng)輪軸連接的懸掛方式，稱為抱軸式懸掛或半懸掛。采用這種懸掛方式時(shí)，動(dòng)輪通過軌縫和道岔所產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)會直接傳給牽引電動(dòng)機(jī)。抱軸式懸掛適用于結(jié)構(gòu)速度低于120公里/小時(shí)的機(jī)車車輛。另一種是架承式懸掛(或稱全懸掛)。采用這種懸掛方式時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)固定懸掛在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，在牽引電動(dòng)機(jī)軸端和小、大齒輪之間加入各種彈性連接元件，以減小沖擊振動(dòng)的影響。架承式懸掛適用于結(jié)構(gòu)速度高于120公里/小時(shí)的機(jī)車車輛。

　　在用牽引變壓器降壓經(jīng)硅整流器或大功率晶閘管整流后供電給直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)時(shí)，加在牽引電動(dòng)機(jī)上的電壓為脈動(dòng)電壓，因此這種牽引電動(dòng)機(jī)稱為脈流牽引電動(dòng)機(jī)。大功率脈流牽引電動(dòng)機(jī)的“換向”條件更加困難。此外，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部還有一些附加損耗，從而引起電動(dòng)機(jī)溫升，因此，脈流牽引電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上還要采取一定的特殊措施，以解決“換向”和溫升兩個(gè)突出的問題。

　　輔助電機(jī)

　　電力機(jī)車上的輔助電機(jī)可用直流電動(dòng)機(jī)，也可用三相交流異步電動(dòng)機(jī)。用直流電動(dòng)機(jī)作為輔助電機(jī)時(shí)，須由專用的硅整流器供電。用三相交流異步輔助電動(dòng)機(jī)時(shí)，須由靜止變相、變頻裝置或?qū)Ｓ玫?span id="ygqiis0" class='hrefStyle'>旋轉(zhuǎn)電機(jī)供給三相電源。這種專用的旋轉(zhuǎn)電機(jī)稱為劈相機(jī)，可以把單相交流電變?yōu)槿嘟涣麟姟?/p>

　　牽引發(fā)電機(jī)

　　專用于電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車，以供給牽引電動(dòng)機(jī)電力的發(fā)電機(jī)，又稱主發(fā)電機(jī)。牽引發(fā)電機(jī)有直流和交流兩種。直流牽引發(fā)電機(jī)直接向直流牽引電動(dòng)機(jī)供電。交流牽引發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)硅整流器整流后再向直流牽引電動(dòng)機(jī)供電。交流整流電路是三相的，整流電壓雖然有脈動(dòng)，但脈動(dòng)量比較小，因此牽引電動(dòng)機(jī)還被認(rèn)為是一般的直流電動(dòng)機(jī)。

4　原理

　　牽引電機(jī)通常采用變頻器供電。對試驗(yàn)測試設(shè)備的功能及性能指標(biāo)提出了較高的要求：

　　1、要求測試設(shè)備具有較寬的帶寬，并且在較寬的頻率范圍內(nèi)均能獲取較高的測量精度；

　　2、部分試驗(yàn)基波頻率可能低于5Hz，常規(guī)測量儀表不能穩(wěn)定讀數(shù)；

　　3、變頻器開關(guān)頻率較低，諧波含量豐富，且信號不是嚴(yán)格的周期信號，傅里葉變換時(shí)，需要較長的時(shí)間窗。

　　要正確測量牽引變頻器輸出的基波電壓有效值，必須注意：

　　1、采用正確的變頻電量測量裝置。電壓、電流傳感器及儀表應(yīng)該有合理的帶寬、正確的測量模式（基波有效值模式）、輸出頻率下滿足準(zhǔn)確級要求等等。

　　2、牽引變頻器顯示的基波有效值（接近理論值）與實(shí)際測量結(jié)果一致的前提是開關(guān)頻率（載波頻率）足夠高（至少大于基波頻率的20倍）。實(shí)際上，牽引變頻器的開關(guān)頻率往往比較低，一般低于1KHz，而基波頻率較高，所以并不滿足該條件。

　　3、要對基波有效值進(jìn)行準(zhǔn)確的、穩(wěn)定的測量，前提是變頻器輸出為周期信號（傅里葉變換針對周期信號）。實(shí)際上由于牽引變頻器的開關(guān)頻率較低，當(dāng)開關(guān)頻率不是基波頻率整數(shù)倍時(shí)，其輸出信號不是周期信號。例如：開關(guān)頻率為500Hz，基波頻率為60Hz，假如當(dāng)前的基波周期從第0個(gè)脈沖的開始時(shí)刻開始，將在第9個(gè)脈沖的1/3時(shí)刻結(jié)束，而下一個(gè)基波周期，將從第9個(gè)脈沖的1/3時(shí)刻開始，顯然，這兩個(gè)基波周期不是一樣的信號，也就是說，變頻器輸出并非周期信號（當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，這種非周期性的表現(xiàn)相對較弱）。

　　小結(jié)：基于上述原因，一般的測量系統(tǒng)很難準(zhǔn)確、穩(wěn)定的測量牽引變頻器輸出的電壓。[1]為了準(zhǔn)確獲取電機(jī)的效率，應(yīng)該采用低頻精度較高、帶微處理器的寬頻功率分析儀和準(zhǔn)確級較高的變頻電量變送器/傳感器。