城市轨道第三章

1、第三章第三章 城轨电力牵引与制动特城轨电力牵引与制动特性性 3.1 3.1 城轨直流传动牵引特性城轨直流传动牵引特性 3.2 3.2 城轨交流传动牵引特性城轨交流传动牵引特性 3.3 3.3 城轨电力牵引调速特性城轨电力牵引调速特性 3.4 3.4 城轨电气制动特性城轨电气制动特性 牵引特性牵引特性：指机车起动、运行时：指机车起动、运行时牵引力与速度的关系牵引力与速度的关系F=f(V)F=f(V) 。牵引：电机将电能牵引：电机将电能机械能，从而驱动电力机车及列车运行机械能，从而驱动电力机车及列车运行分析分析：电机电机的牵引特性的牵引特性机车机车牵引特性牵引特性一、直流牵引电动机特性一、直流牵引

2、电动机特性 电机学知：并励电机电机学知：并励电机“硬特性硬特性”（转矩变，（转矩变，n n变化小）变化小），串，串励电机励电机“软特性软特性”（转矩变，（转矩变，n n变化大）变化大）。1 1、运行性能、运行性能 必须具有电气、机械稳定性必须具有电气、机械稳定性。（1 1）机械稳定性）机械稳定性 特性曲线特性曲线1 1（串励电动机）、（串励电动机）、特性曲线特性曲线2 2（并励电动机）均负斜（并励电动机）均负斜率，而列车基本阻力曲线率，而列车基本阻力曲线W W0 0=f=f（V V）正斜率。）正斜率。可见可见：串、并励电动机均机械稳定串、并励电动机均机械稳定（按式（按式（2-72-7）判断）判

3、断）。 0n (V)M(F )D12.图图3-1 3-1 串、并励电动机机械特性串、并励电动机机械特性 （2 2）电气稳定性）电气稳定性 U UD D= =常量（直线）、电机常量（直线）、电机 曲线曲线（图（图3-23-2中中1 1为串励，为串励，2 2为并励）为并励）。 串励电动机串励电动机U U曲线斜率均正，按式（曲线斜率均正，按式（2-122-12）判断）判断稳定稳定。 RInCUDDDE 并励并励电动机电动机U U曲线在曲线在I ID D较小较小（B B附近）时斜率为正附近）时斜率为正稳定稳定；而；而I ID D较较大大（C C点附近）时斜率为负点附近）时斜率为负不稳不稳定定，则，则C

4、 C点是不稳定的点。点是不稳定的点。可见可见：串励有机械、电气稳定性串励有机械、电气稳定性，比，比并励更并励更适于电牵引适于电牵引。2 2、电动机间负载分配的影响、电动机间负载分配的影响 ABC12DIUDU.0 图图3-2 3-2 直流电动机直流电动机U U曲线曲线 机车各牵引电机特性有异、各动轮直径有异机车各牵引电机特性有异、各动轮直径有异电机间负载电机间负载分配不均。分配不均。（1 1）机车动轮直径相同而电机特性有差异）机车动轮直径相同而电机特性有差异 机车速度机车速度V V一定，轮径同一定，轮径同转速同，特性差异转速同，特性差异转矩转矩M M、电、电流流I ID D不同。不同。 串励串

5、励电机特性差异（电机特性差异（3-33-3（a a）图）引起的负载（）图）引起的负载（M M、I ID D）分分配不均配不均比并励式电动机（比并励式电动机（3-33-3（b b）图）图）小小。12(M)(n)MnM12MnDI1I12I20(a)(a)串励串励 (b)(b)并励并励 图图3-3 3-3 直流电动机特性不同时的负载分配直流电动机特性不同时的负载分配 动车动轮直径相同而电机特性有差异时，动车动轮直径相同而电机特性有差异时，串励电机优于并串励电机优于并励电机励电机。可见可见：（2 2）机车电机特性相同而动轮直径有差异）机车电机特性相同而动轮直径有差异 机车速度机车速度V V一定，特性

6、同、轮径不同一定，特性同、轮径不同转速不同转速不同转矩转矩M M、电流、电流I ID D不同。不同。 特性相同，在相同转速差下特性相同，在相同转速差下串励串励电机（电机（3-43-4（a a）图）的）图）的负载（负载（M M、I ID D）分配不均分配不均比并励电机（比并励电机（3-43-4（b b）图）图）小小。MnDI1I I20.2nn12MM1.MN.MnMnM12MDI1II202nn1(a)(a)串励串励 (b(b）并励）并励 图图3-4 3-4 轮径不同时直流电动机的负载分配轮径不同时直流电动机的负载分配3 3、电压波动对电机工作的影响、电压波动对电机工作的影响 网压波动网压波动

7、（如同一供电网下有机（如同一供电网下有机车降弓引起电压突变），而车降弓引起电压突变），而速度未速度未变变I ID D、F F冲击冲击。（导致电机工作条。（导致电机工作条件恶化和列车运行中的冲击）件恶化和列车运行中的冲击） 电机端压电机端压U U1 1，对应曲线，对应曲线n(Un(U1 1););变变化化U U2 2，对应，对应n(Un(U2 2) )。因电压波动。因电压波动时时间很短间很短，励磁电流来不及跟随变化励磁电流来不及跟随变化，可视，可视转矩特性转矩特性为为同一条曲线同一条曲线。 串励电机串励电机I ID D、F F冲击小冲击小（3-53-5（a a）图），并励电机的）图），并励电机的

8、I ID D、F F冲击大（冲击大（3-53-5（b b）图）。（因为串励电动机）图）。（因为串励电动机具有软特性）具有软特性）2U( )MnMnM12MnDI1II20n1U.( ).MMnM12MnDI1II202U( )nn1U( )(a)(a)串励串励(b)(b)并励并励图图3-5 3-5 直流电动机电压波动时直流电动机电压波动时电流和牵引力的变化电流和牵引力的变化浅析浅析：（1 1）串励串励电机的电机的I ID D、M M取决于外部负载，若运行阻力不变，取决于外部负载，若运行阻力不变，冲击冲击后将复原后将复原；而；而并励并励电机，若波动使电压电机，若波动使电压磁场磁场，I ID D将

9、大将大于电压未降低前的值（于电压未降低前的值（不能复原不能复原）。）。（2 2）串励串励的励磁绕组与电枢串，电流增长速度相同，因涡流影的励磁绕组与电枢串，电流增长速度相同，因涡流影响，磁通增长慢于电枢电流增长，但响，磁通增长慢于电枢电流增长，但电流冲击小电流冲击小；并励并励的励的励磁时间常数大于电枢时间常数，励磁电流增长远慢于电枢电磁时间常数大于电枢时间常数，励磁电流增长远慢于电枢电流增长，电枢反电势来不及增加，则开始阶段电枢流增长，电枢反电势来不及增加，则开始阶段电枢电流冲击电流冲击较大较大。 故故串励电机受电压波动影响小串励电机受电压波动影响小。4 4、防空转性能、防空转性能（1 1最大粘

10、着特性，最大粘着特性，2 2滑动摩擦，滑动摩擦，3 3并励特性并励特性，4 4串励特性）串励特性） 电机工作点电机工作点A A，速度，速度V V0 0。偶因破偶因破坏粘着坏粘着，曲线，曲线11降到降到11，相应，相应22降到降到22；V V0 0下，下，F FD D超过粘着超过粘着11限制限制发生滑动。发生滑动。AB1234DF0.1 V03VV2图图3-6 3-6 电机特性与空转的关系电机特性与空转的关系 牵引力沿牵引力沿3 3下降，滑动摩擦力沿下降，滑动摩擦力沿22变化，当达变化，当达B B点时相点时相等，等，滑动滑动速度上升到速度上升到V3V3；其后，滑动摩擦力大于牵引力，速；其后，滑动

11、摩擦力大于牵引力，速度度稳在稳在V3V3；原因消失，又；原因消失，又恢复恢复到原工作点到原工作点A A。 软特性，一旦粘着破坏，电机特性软特性，一旦粘着破坏，电机特性4 4在在22之上，牵引之上，牵引力大于滑动摩擦力，力大于滑动摩擦力，滑动滑动速度不断增加而速度不断增加而形成空转形成空转。并励电机并励电机：串励电机串励电机：故故：串励防空转不及并励电动机串励防空转不及并励电动机，且，且多台串联运行多台串联运行时，一台空时，一台空转，其反电势随转速的增加而增加转，其反电势随转速的增加而增加空转加剧空转加剧。二、电力牵引恒压牵引特性二、电力牵引恒压牵引特性 通过分析，恒电压下牵引特性曲线通过分析，

12、恒电压下牵引特性曲线F=f(V)F=f(V)，每一个端电，每一个端电压压U UD D，就对应一条牵引特性曲线，就对应一条牵引特性曲线F=f(V)F=f(V)。一、三相异步电动机特性一、三相异步电动机特性1 1、电动机间负载分配的影响、电动机间负载分配的影响 城轨电力牵引通常是每辆动车由城轨电力牵引通常是每辆动车由一台逆变器供电，多台异一台逆变器供电，多台异步电机并联运行步电机并联运行。例如日本城市轨道车辆最常用的。例如日本城市轨道车辆最常用的4MM4MM1INV1INV方式就是由一逆变器拖动四台异步电机并联运行。方式就是由一逆变器拖动四台异步电机并联运行。 多台异步电机并联运行要注意以下问题：

13、多台异步电机并联运行要注意以下问题：（1 1）动轮直径相同而电机特性有异动轮直径相同而电机特性有异 因异步电机因异步电机硬特性硬特性，若，若电机特性略有差异电机特性略有差异，就会，就会引起电机引起电机负载分配不匀负载分配不匀。见图。见图3-73-7所示。所示。 特性特性影响最大的因素是转子的电阻影响最大的因素是转子的电阻，应选择电阻分散性小，应选择电阻分散性小、温度变化率小、截面尺寸均匀的材料用作电机转子导体。、温度变化率小、截面尺寸均匀的材料用作电机转子导体。见图见图3-83-8所示。所示。图图3-7 3-7 电机特性差异引起负载分配不均电机特性差异引起负载分配不均图图3-8 3-8 电机转

14、子电阻的影响电机转子电阻的影响牵引工况牵引工况：轮径大（转速：轮径大（转速偏低）的负载偏大，轮偏低）的负载偏大，轮径小（转速偏高）的负径小（转速偏高）的负载偏小，见图载偏小，见图3-9所示。所示。制动工况制动工况：（与牵引相反：（与牵引相反）轮径大的负载偏小，）轮径大的负载偏小，轮径小的负载偏大，见轮径小的负载偏大，见图图3-9所示。所示。（2 2）电机特性相同而动轮轮径不同）电机特性相同而动轮轮径不同图图3-9 3-9 动轮轮径差异引起电机负载分配不匀动轮轮径差异引起电机负载分配不匀（3 3）负载分配不匀的程度与电机额定转差率有关）负载分配不匀的程度与电机额定转差率有关 额定转差率越小额定转

15、差率越小，负载分负载分配不匀越严重配不匀越严重，即使轮径差不，即使轮径差不大，也有较大的牵引力差。大，也有较大的牵引力差。 额定转差率大又额定转差率大又对电机对电机的的效率效率、温升温升和动车和动车性能不利性能不利。 【设电机以设电机以s s转差率运转，转差率运转，轮径差为轮径差为a a，则，则轮径大的轮径大的电机转速低电机转速低，将以（，将以（s+as+a）转差率运行，其转差率运行，其转矩转矩和和电流都电流都比规定值比规定值增加增加。其增加的比例。其增加的比例为：为： (s+a)(s+a)/ /s s】图图3-10 3-10 电机额定转差率的影响电机额定转差率的影响注意：注意：表表3-1 3

16、-1 电机额定转差率的影响电机额定转差率的影响2 2、变频运行方式、变频运行方式 城轨牵引的三相交流城轨牵引的三相交流异步电动机异步电动机工作在工作在变频变频运行状态。运行状态。优点优点：可在低频下起动，改善转子功率因数，增大起动单位电：可在低频下起动，改善转子功率因数，增大起动单位电流和转矩。流和转矩。（通常，起动电流为额定电流两倍亦可获重载下的良好性能（通常，起动电流为额定电流两倍亦可获重载下的良好性能） 异步电动机感应电势异步电动机感应电势 （3-13-1） 式中，式中，C C为电势常数，为电势常数，f f1 1为电源频率，为电源频率，m m （或（或1 1 ）为气隙磁）为气隙磁通。通。

17、（1 1）恒磁通（）恒磁通（E E1 1/f/f1 1）运行方式）运行方式 由式（由式（3-13-1）知，）知，“E E1 1f f1 1”恒定恒定气隙气隙磁通恒定磁通恒定，从而，从而转矩转矩恒定恒定。（因为转矩（因为转矩M M m m）mCfE11优点优点：在不同的：在不同的f f1 1下有下有M Mm m恒定恒定，适于恒转矩变速拖动适于恒转矩变速拖动。注意注意：磁通应恒定在接近饱和状态，以使电机铁磁材料得到充：磁通应恒定在接近饱和状态，以使电机铁磁材料得到充分利用。分利用。（2 2）恒）恒“电压电压频率频率”（ U U1 1f f1 1）比运行）比运行 一般，定子绕组漏抗可忽略，有一般，定

18、子绕组漏抗可忽略，有E E1 1UU1 1，则，则 由式（由式（3-13-1）知，）知，“U U1 1f f1 1”比恒定比恒定 m m恒定，从而恒定，从而转矩恒定转矩恒定。优点优点：只需逆变器提供线性的：只需逆变器提供线性的“U U1 1f f1 1”输出特性，输出特性，控制上易于实控制上易于实现现。注意注意：低频性能较差。：低频性能较差。（ f f1 1太太定子漏阻抗不能略，恒定子漏阻抗不能略，恒“U U1 1/f/f1 1”控制将使定子电流急剧控制将使定子电流急剧磁磁通变通变转矩迅速转矩迅速 ）（3 3）恒电流运行方式）恒电流运行方式 转差频率转差频率f f2 2恒定恒定，恒，恒“E E

19、1 1/f/f1 1”（m m恒定恒定）则则定子定子I I1 1恒定恒定。 又又 （转矩分析）（转矩分析）M M仅取决于仅取决于I I1 1和和f f2 2，与，与f f1 1无关。无关。 恒恒I I1 1（及（及f f2 2）运行，从而）运行，从而转矩恒定转矩恒定（与（与f f1 1无关）。无关）。优点优点：恒：恒I I1 1，无过分电流波动，可控硅装置的容量利用充分，逆，无过分电流波动，可控硅装置的容量利用充分，逆变器设计更经济。变器设计更经济。3 3、运行性能、运行性能 异步电机应具有机械、电气稳定性。异步电机应具有机械、电气稳定性。 （1 1）机械稳定性）机械稳定性 异步电动机机械特性

20、曲线的斜率为负，异步电动机机械特性曲线的斜率为负，列车基本阻力曲线列车基本阻力曲线W W0 0=f=f（V V）斜率为正。）斜率为正。 机械机械上是上是稳定稳定的。的。 0Vmax V(n)M(F)图图3-11 3-11 异步电动机机械特性异步电动机机械特性 （2 2）电气稳定性）电气稳定性 分析知：异步电机的分析知：异步电机的电气电气是是稳定稳定（电机电压与电流、频率、调（电机电压与电流、频率、调节方式有关节方式有关分析较复杂，从略）分析较复杂，从略）。4 4、电压波动对电动机工作的影响、电压波动对电动机工作的影响 异步电机对瞬时过压、过流不敏感异步电机对瞬时过压、过流不敏感，因此电网电压的

21、波，因此电网电压的波动对电动机工作的动对电动机工作的影响不大影响不大。5 5、防空转性能、防空转性能 由图由图3-33-3知，知，异步电机机械特性较硬异步电机机械特性较硬类似直流并励电动类似直流并励电动机机防空转性能良好防空转性能良好。 二、交流异步电动机牵引特性二、交流异步电动机牵引特性（一）牵引特性（一）牵引特性 牵引特性牵引特性F=f(V)F=f(V)（即机械特性）、电气特性（即机械特性）、电气特性U=f(V)U=f(V)，有两，有两个运行调节区。（见图个运行调节区。（见图3-123-12）1 1、起动加速区、起动加速区124356770(F)(U)Vmax VU F曲线曲线1 12 2

22、：恒恒M M起动加速起动加速（V V线性增加）线性增加） 起动时，随起动时，随VV电机输出电机输出功率功率，起动终了的，起动终了的V V（曲线上（曲线上2 2）决定于供）决定于供馈能源所允许的长期功率。起动时电馈能源所允许的长期功率。起动时电机机恒恒M M运行运行，随着，随着V V的提高电机端电压的提高电机端电压U U上升上升到曲线上点到曲线上点5 5。图图3-12 3-12 异步传动机车电气机械特性异步传动机车电气机械特性 2 2、恒功率调速区、恒功率调速区F=f(V)F=f(V)曲线曲线2 24 4段段：恒功率调速恒功率调速（U=f(V)U=f(V)曲线恒定）曲线恒定） 因受网压或电机功率

23、或逆变器输出电压所限，电机端压达因受网压或电机功率或逆变器输出电压所限，电机端压达最高后一般不再变。则高速区，最高后一般不再变。则高速区，U U不变不变，随，随f f1 1产生产生削磁削磁效效果果FF。注意注意：在最高速区可特意将逆变器输出电压提高到曲线的：在最高速区可特意将逆变器输出电压提高到曲线的77，使功率接近于额定功率。这是相对于直流牵引传动的显著优使功率接近于额定功率。这是相对于直流牵引传动的显著优点。点。（直流电机削磁受换向条件限制，带补偿绕组电机最高速时才有可（直流电机削磁受换向条件限制，带补偿绕组电机最高速时才有可能发出近能发出近80%80%的长时功率；而异步牵引则无此限制，且

24、在高速时能发挥长的长时功率；而异步牵引则无此限制，且在高速时能发挥长时功率。）时功率。） （二）异步电动机特性调节（二）异步电动机特性调节 因机车不断变速，而列车惯性大，使电机因机车不断变速，而列车惯性大，使电机f f1 1与电机实际旋与电机实际旋转频率相差过多，即超出临界转差率范围而导致不稳定运行转频率相差过多，即超出临界转差率范围而导致不稳定运行。因此，采用。因此，采用快速响应闭环系统快速响应闭环系统，直接控制电机，直接控制电机I I1 1和转差频和转差频率率f f2 2。1 1、异步电动机变频控制理论基础、异步电动机变频控制理论基础 交流电机感应电势交流电机感应电势 （3-23-2） 式

25、中，式中，E E1 1定子相电势，定子相电势，C C电机的电势常数。电机的电势常数。 对于异步电动机对于异步电动机mmwmwCffWkfkWE1111111144. 42图 21 异步电动机的等值电路 图 22 异步电动机的简化等值电路 等效电路等效电路简化简化 （图中标（图中标R R，后便退到用，后便退到用r r）由简化图可得：由简化图可得： （3-33-3）其功率为：其功率为： （3-43-4）转矩为：转矩为： (3-5)(3-5)式中，式中，p p极对数，极对数，m m定子相数，定子相数， 、 为每相归算到定子的转子电为每相归算到定子的转子电阻和漏电感，阻和漏电感，s s为转差率。（图中

26、标为转差率。（图中标R R）2/21212/21/2211/22/211)()/(/222LLsrrsrUfpmsrIfmppfPPMMMsrmIPM/22/2/2r/2L2/21212/211/21)()/(LLsrrUII浅析浅析：（1 1）恒）恒U U1 1、恒、恒f f1 1正弦供电异步电机机械特性正弦供电异步电机机械特性 对（对（3-53-5）分子分母同乘）分子分母同乘s s后，后， 当当s s很小很小，s s0 0，可近似为，可近似为 （3-63-6）即转矩即转矩M M正比于正比于转差率转差率s s，线性线性； 当当s s接近接近1 1时时, ,忽略分母忽略分母r r2 2 项有项

27、有 （3-73-7）即转矩即转矩M M反比于反比于转差率转差率s s，双曲线双曲线；当当s s在两段之间在两段之间时，直线逐渐过渡到双曲线。时，直线逐渐过渡到双曲线。（2 2）基频（）基频（f f1N1N）以下电压频率协调控制的机械特性）以下电压频率协调控制的机械特性恒恒U U1 1/f/f1 1控制控制 由式（由式（3-63-6）可得）可得 (3-8)(3-8)srsUpmM/21211sLLrsrUpmM1)(2/212121/21211211/21UmpMrs可见，基频以下恒可见，基频以下恒U U1 1/f/f1 1控制，同一控制，同一M M，s s1 1基本不变，则基本不变，则n=sn

28、=s1 1也基本不变，即机械特性平移，类似直流他励电机调速，但最也基本不变，即机械特性平移，类似直流他励电机调速，但最大转矩减小。大转矩减小。 按按dM/ds=0dM/ds=0可求出可求出s s值，再代入式（值，再代入式（3-53-5）可得：）可得： (3-9)(3-9)M MMaxMax随随f f1 1减小而减小减小而减小，需要补偿需要补偿U U1 1来提高转矩来提高转矩。恒恒E E1 1/f/f1 1控制控制（即（即恒恒m m 控制）控制） 由等效电路可得由等效电路可得 (3-10)(3-10)则转矩则转矩 (3-11)(3-11)2/212111111max)(12LLrrUmpM2/2

29、212/21/2)/(LsrEI2/22122/2/21211/22/212LsrrsEmpsrIfmpM 当当s s很小时，很小时，s s0 0， (3-12)(3-12)转矩转矩M M正比于正比于转差率转差率s s，线性线性；（；（近似近似） 当当s s接近接近1 1时，忽略分母时，忽略分母r r2 2 项项 (3-13)(3-13)即转矩即转矩M M反比于反比于转差率转差率s s，双曲线双曲线；二者间逐渐过渡。；二者间逐渐过渡。 可见类似恒可见类似恒U U1 1恒恒f f1 1控制，但控制，但线性范围更宽线性范围更宽。 按前述方法求最大转矩，在按前述方法求最大转矩，在 (3-14)(3-

30、14)有最大转矩有最大转矩 (3-15)(3-15)注注：最大转矩恒定，：最大转矩恒定，稳态性能优于稳态性能优于U U1 1/f/f1 1控制控制，这也是，这也是E E1 1/f/f1 1控制补控制补偿定子压降所追求的目的。偿定子压降所追求的目的。恒恒E E2 2/f/f1 1控制控制 U U1 1进一步提高，转子漏抗压降可忽略，则进一步提高，转子漏抗压降可忽略，则 （3-163-16）E E2 2为转子全磁通感应电势（满足为转子全磁通感应电势（满足4.444.44公式），消耗在公式），消耗在r r2 2 /s/s上。上。srsEpmM/21211sLsrEpmM12/21/2211/21/2

31、Lrs/2211max12LEmpMsrEI/22/2srsEpmsrsrEpmM/21212/22/2221)/(转矩为转矩为 （3-17）转矩转矩完全完全是一条直线，稳态性能最好是一条直线，稳态性能最好。 E1对应气隙磁通幅值对应气隙磁通幅值m m，E2对应转子磁通幅值对应转子磁通幅值2 2，恒恒E E2 2/f/f1 1正正是矢量控制遵循的原则是矢量控制遵循的原则。综上：综上： 恒恒U U1 1/f/f1 1控制控制最易实现最易实现，但低速带，但低速带负载能力有限负载能力有限，需对定子，需对定子电压进行电压进行补偿补偿，适于一般调速；，适于一般调速； 恒恒E E1 1/f/f1 1控制控

32、制，可达恒磁通，改善了低速性能，线性范围较，可达恒磁通，改善了低速性能，线性范围较宽，但机械特性仍非线性，产生转矩能力受限；宽，但机械特性仍非线性，产生转矩能力受限； 恒恒E E2 2/f/f1 1控制控制，可得，可得直流他励电机样的线性特性直流他励电机样的线性特性，较，较理想理想，动态动态恒定恒定2 2是矢量控制要实现的目标是矢量控制要实现的目标。（3 3）基频（）基频（F F1N1N) )以上恒压变频的机械特性以上恒压变频的机械特性 基频基频f1N以上，以上，U1额定不变，转矩为额定不变，转矩为 (3-18)最大转矩为最大转矩为 (3-19)可见，可见， f1Mmax。 即：基频以上即：基

33、频以上U1额定，额定，f1转速转速n，1 1势必势必 ，导致，导致最大转最大转矩减小矩减小，可认为输出功率基本不变，属，可认为输出功率基本不变，属弱磁通功率调速弱磁通功率调速。注意注意： 上述为正弦供电，上述为正弦供电，若含谐波若含谐波，机械特性扭曲，机械特性扭曲，机械损耗增机械损耗增加加。 异步电机调速有异步电机调速有两个独立调制量两个独立调制量。2/212122/211/221)()(LLsrsrrpmUMN22/2121211121max)(12LLrrUpmMN2 2、恒转矩特性（起动）、恒转矩特性（起动）（1 1）恒磁通、恒）恒磁通、恒f f2 2即可恒转矩即可恒转矩 前述前述恒恒E

34、 E1 1/f/f1 1控制、恒控制、恒E E2 2/f/f1 1控制控制都能实现恒转矩控制，特别是都能实现恒转矩控制，特别是后者是完全的线性。后者是完全的线性。M M与与f f1 1无关，仅由无关，仅由f f2 2决定，决定，f f2 2一定一定M M恒定恒定；对于对于不同不同f f2 2M M为一组与横轴平行的直线为一组与横轴平行的直线。 （见图（见图3-133-13（a)a)（2 2）最大恒转矩）最大恒转矩 解解dM/dfdM/df2 2=0=0，可得转子，可得转子临界转差频率临界转差频率f f2 2 （同式（同式（3-143-14） （3-203-20）注注: : 鼠笼异步电机的鼠笼异

35、步电机的f fm m为常数为常数； 在在f f2 2=f=fm m处有最大转矩处有最大转矩M Mm m（见（见（3-153-15）式）。）式）。/2/22 Lrfm恒转矩特性恒转矩特性: :在整个范围内发出最大转矩在整个范围内发出最大转矩M Mm m，满足机车以不变的，满足机车以不变的牵引力起动的要求（图牵引力起动的要求（图3-123-12中曲线的中曲线的1 12 2）。（通常，机车）。（通常，机车起动阶段要求电动机发出起动阶段要求电动机发出1.51.52 2倍的额定转矩）倍的额定转矩） 0MMmfm2f1f增大0f1I1U11E1EU1I1 (a) (b) (a) (b) 图图3-13 3-

36、13 恒转矩特性调节恒转矩特性调节 （3 3）恒转矩时的定子电流）恒转矩时的定子电流I I1 1 恒恒m m，近似，近似E E1 1ff1 1（线性）；恒（线性）；恒2 2，完全，完全E E2 2ff1 1（线性）。（线性）。 高频时，定子高频时，定子r r1 1可略，近似有可略，近似有U U1 1ff1 1（线性）；（线性）；低频时低频时r r1 1不不可略，可略，U U1 1相对相对有所提高有所提高。 定子定子I I1 1与与f f1 1无关无关（公式略）（公式略）, ,即保持即保持恒定不变恒定不变。 （曲线见图（曲线见图3-133-13（b b）所示）所示）3 3、恒功率特性（运行）、恒

37、功率特性（运行） 恒转矩运行，随恒转矩运行，随VUVU1 1到最大值（图到最大值（图3-123-12曲线上曲线上5 5点）点）, ,对应频率对应频率f f1N1N叫叫基准频率基准频率（或（或额定频率额定频率），其后维持），其后维持U U1 1不变进不变进入恒功率运行入恒功率运行（U U1 1/f f1 1不再恒定）不再恒定）。 f f1 1f f1N1N，高速电机的，高速电机的s s很小，相对于很小，相对于 /s/s可忽略可忽略r1、x1、 x2，则则U U1 1E E1、电流电流 ，由（，由（3-43-4）式得）式得 转矩转矩 （3-213-21） 同时，按同时，按dM/ds=0dM/ds=

38、0解得解得s sm m方法可解得方法可解得最大转矩最大转矩 （3-223-22）/2r1/221/21/2frfUsrUI12121/22fffUrpmM/21112121214LCLCfpmUMm（1 1）U U1 1不变，恒转差率不变，恒转差率S S（f f2 2/f/f1 1) )调节调节 U U1 1不变，不变，f f2 2与与f f1 1按比例变化按比例变化。由式。由式（3-223-22）知，）知，M Mm m1/f1/f1 1；而由式（；而由式（3-3-2121）知）知M1/fM1/f1 1( (图图3-143-14（a a）) )。工作点选择工作点选择：在：在最高转速最高转速（即

39、（即f f1max1max）时）时保证有保证有最小允许过载能力最小允许过载能力（即最小转（即最小转矩裕度）处，则较低速时有较大的过矩裕度）处，则较低速时有较大的过载能力，保证电机在全部调速范围内载能力，保证电机在全部调速范围内稳定运行。稳定运行。 电机被低速状态所决定，电机被低速状态所决定，电机设计电机设计尺寸较大尺寸较大。 n0MnmaxMMmf1nAf11AfU1U1I1I10(a)(a) (b)(b) 图图3-14 U3-14 U1 1为常数的恒功率特性调节为常数的恒功率特性调节 定子电流定子电流I I1 1：保持：保持U U1 1不变，不变，I I1 1近似为常数（与近似为常数（与f

40、f1 1无关）。无关）。（见图（见图3-3-1414（b b）。）。I I1 1为激磁与转子归算电流的矢量和，主要是后者（公式略）为激磁与转子归算电流的矢量和，主要是后者（公式略）（2 2）f f2 2不变，恒不变，恒U U1 1/f/f1 1调节调节 f f2 2不变，而不变，而U U1 1与与f f1 1按比例变化按比例变化。 由式（由式（3-213-21）、（）、（3-223-22）知，）知，M Mm m与与M M都反比于都反比于f f1 1，呈双曲线，呈双曲线形状（图形状（图3-153-15（a a）。）。n0MnmaxMMmf1nAf11AfU1U1I1I10U1AI1AA(a) (

41、b)(a) (b) 图图3-15 3-15 不变的恒功率特性调节不变的恒功率特性调节 工作点选择工作点选择：在：在最低转速最低转速时有时有最小允许的过载能力最小允许的过载能力处，则高速处，则高速时也有适度的转矩裕度，使电机整个调速范围内稳定运行。时也有适度的转矩裕度，使电机整个调速范围内稳定运行。 充分利用了电机功率，充分利用了电机功率，电机设计尺寸较小电机设计尺寸较小。定子电流定子电流I I1 1：U U1 1保持正比于保持正比于 变化变化，分析知，分析知I I1 1反比于反比于 变化变化（图图2-152-15（b b）。注意注意：第一种第一种有较大的电机设计尺寸，但在恒有较大的电机设计尺寸

42、，但在恒U U1 1、I I1 1下工作，可下工作，可控硅装置容量得到充分利用，逆变器有较小的设计尺寸，故控硅装置容量得到充分利用，逆变器有较小的设计尺寸，故称之为称之为最大电动机最小逆变器方案最大电动机最小逆变器方案；第二种第二种有较小的电机设有较小的电机设计尺寸，但逆变器需满足计尺寸，但逆变器需满足U U1max1max、I I1max1max要求，尽管二者不会同时要求，尽管二者不会同时出现，但逆变器的设计容量为二者的乘积，则逆变器有较大出现，但逆变器的设计容量为二者的乘积，则逆变器有较大的设计尺寸，故称之为的设计尺寸，故称之为最小电动机最大逆变器方案最小电动机最大逆变器方案。（交流传。（

43、交流传动一般用前者）动一般用前者） 1f1f 城轨电力牵引的起动、调速、制动三种基本运行状态，实城轨电力牵引的起动、调速、制动三种基本运行状态，实质都是调速，只是起动、制动为调速的特殊形式而已。质都是调速，只是起动、制动为调速的特殊形式而已。基本要求基本要求：调速范围宽、平稳性好、经济且简单、方便、可靠：调速范围宽、平稳性好、经济且简单、方便、可靠一、直流传动牵引的调速一、直流传动牵引的调速 调城轨动车组的速度就是调电动机的转速。调城轨动车组的速度就是调电动机的转速。（一）直流串励电动机的调速方法（一）直流串励电动机的调速方法 直流电动机转速（转分）直流电动机转速（转分） （3-23） （3-

44、23）（2-6）有列车速度）有列车速度 （h） （3-24） 式中，常数式中，常数 DEDDDCRIUnDVDDDEDDCCRIUCRIUDV100060DCCECV601000 式（式（3-23）给出了直流串励电机的转速特性。可见，调电）给出了直流串励电机的转速特性。可见，调电机转速的方法：调端压、回路电阻、主极磁通。机转速的方法：调端压、回路电阻、主极磁通。1、改变电机端电压、改变电机端电压UD 改变电机端压调速是直流传动最常用方法，改变电机端压调速是直流传动最常用方法，城轨电牵常用城轨电牵常用。（1）电机联接调压）电机联接调压 多台牵引电机多台牵引电机串、并联串、并联来改变端压。来改变端

45、压。特点特点：无能耗，但属：无能耗，但属有级调速有级调速（23级），且电机间级），且电机间连线复杂连线复杂，早期地铁用，如北京地铁，早期地铁用，如北京地铁JB-4型，一节动力车型，一节动力车4台电机起动台电机起动、低速时串联，高速时二串两并。、低速时串联，高速时二串两并。起动、低速阶段起动、低速阶段 起动和低速阶段，电机转速低，要求电机端压要小。所以起动和低速阶段，电机转速低，要求电机端压要小。所以，采用，采用二个机组接成二个机组接成串联串联。高速阶段高速阶段 高速阶段，电机转速高，要求电机端压要大。所以，采用高速阶段，电机转速高，要求电机端压要大。所以，采用二个机组接成二个机组接成并联并联。

46、（2）斩波器调压斩波器调压 由于可控硅的问世，利用斩波器可方便地对直流电压进行由于可控硅的问世，利用斩波器可方便地对直流电压进行调节，因而城轨电牵引的直流传动得到广泛应用。调节，因而城轨电牵引的直流传动得到广泛应用。 只要斩波周期只要斩波周期T T远小于电机的机电时间常数远小于电机的机电时间常数，则电机转速，则电机转速不受电压断续的影响，且由电压平均值决定。不受电压断续的影响，且由电压平均值决定。特点特点：能耗小，：能耗小，无级调速无级调速，2020世纪世纪8080、9090年代城市年代城市地铁地铁采用。采用。 如上海一号线。如上海一号线。上海城轨一号线上海城轨一号线2 2、改变电机回路电阻、

47、改变电机回路电阻R R 电机回路中串电阻来调速。电机回路中串电阻来调速。特点特点：电阻：电阻耗能耗能，效率降低效率降低；电阻；电阻分段分段调，造成牵引力调，造成牵引力冲击冲击。（1 1）凸轮变阻控制）凸轮变阻控制 通过通过凸轮控制凸轮控制装置转动凸轮，使接触器装置转动凸轮，使接触器接入或切除电阻接入或切除电阻来改变电阻值，达到调节牵引电机端压，从而调速。来改变电阻值，达到调节牵引电机端压，从而调速。 有级调速有级调速，如北京地铁，如北京地铁BJ-4BJ-4型，牵引型，牵引2 2位、位、3 3位时的调速。位时的调速。（2 2）斩波调阻控制）斩波调阻控制 通过可控硅斩波器来短接或不短接回路电阻，从

48、而改变通过可控硅斩波器来短接或不短接回路电阻，从而改变回路电阻值，达到调节牵引电机端端压，从而调速。回路电阻值，达到调节牵引电机端端压，从而调速。 无级调速无级调速，如北京地铁，如北京地铁BJ-6BJ-6型。型。000)1 (RRTtRoff斩波调阻原理斩波调阻原理原理电路原理电路 斩波器工作周期斩波器工作周期T=TonToff，斩波器导通（，斩波器导通（Ton时间）时时间）时R0被短路，即被短路，即R0=0；斩波器关断时（；斩波器关断时（Toff时间）时间）R0被接入主回路被接入主回路。则可求得接入主电路的平均电阻为：。则可求得接入主电路的平均电阻为： 式中，式中，为斩波器中主可控硅的导通比

49、。为斩波器中主可控硅的导通比。 通常采取通常采取定频调宽定频调宽来调阻。来调阻。斩波调阻控制调速斩波调阻控制调速 据上式，调斩波器导通比据上式，调斩波器导通比就调节了电机主回路电阻，也就调节了电机主回路电阻，也就调节电机端压就调节电机端压U UD D，从而达到，从而达到调调节电机转速节电机转速n n。3 3、改变电机主极磁通、改变电机主极磁通D D 即调主极磁势，通常是削弱磁场。即调主极磁势，通常是削弱磁场。（1 1）主磁极绕组并电阻）主磁极绕组并电阻 即在主磁极绕组两端并联分流电阻，削弱磁场来提速。即在主磁极绕组两端并联分流电阻，削弱磁场来提速。特点特点：有级有级削磁调速。削磁调速。 因分流

50、电阻值小，能耗小，控制方便，故广为应用。因分流电阻值小，能耗小，控制方便，故广为应用。 （2 2）主磁极绕组并可控硅）主磁极绕组并可控硅 即在主磁极绕组两端并联可控硅，通过开断可控硅来分流即在主磁极绕组两端并联可控硅，通过开断可控硅来分流，削弱磁场来提速。，削弱磁场来提速。特点特点：可无级可无级削磁调速。削磁调速。（二）恒压磁场削弱调速（二）恒压磁场削弱调速 电机额压（电流未达额值）下削磁电机额压（电流未达额值）下削磁调速、改变转矩特调速、改变转矩特性，是高速区调速并提高功率及转矩的有效方法。性，是高速区调速并提高功率及转矩的有效方法。1 1、磁场削弱系数、磁场削弱系数 励磁削弱的程度，用励磁

51、削弱的程度，用表示表示 （3-253-25） 式中，式中， 为削磁后的主极磁势，为削磁后的主极磁势， 为削磁前的主极磁势。为削磁前的主极磁势。注注：磁路不饱和时可用磁通代替磁势。：磁路不饱和时可用磁通代替磁势。 2 2、磁场削弱方法、磁场削弱方法（1 1）改变励磁绕组匝数）改变励磁绕组匝数 励磁绕组分段抽头，电枢电流流过全绕组为全磁场，励磁绕组分段抽头，电枢电流流过全绕组为全磁场， )()(IWIW)(IW)(IW 流过部分绕组为削磁。流过部分绕组为削磁。 （3-26-26） 式中，式中，W为全励磁绕组匝数，为全励磁绕组匝数， 为削磁后绕组匝数，为削磁后绕组匝数，ID为电为电机电枢电流。机电枢

52、电流。优点优点：精确精确（匝数比）；（匝数比）；缺点缺点：电机：电机结构复杂结构复杂，削磁，削磁级数有限级数有限（23级）；一次过渡到级）；一次过渡到最深削磁，有很大的电流冲击和牵引力最深削磁，有很大的电流冲击和牵引力冲击冲击。（城轨电牵不。（城轨电牵不采用）采用） （2）改变励磁电流）改变励磁电流 励磁绕组固定，改变励磁电流，削磁系数为励磁绕组固定，改变励磁电流，削磁系数为 （3-27-27） 式中，式中， 为削磁后的励磁电流。为削磁后的励磁电流。 WWWIWIDDWDDIIWIWII电阻分流法电阻分流法 励磁绕组并电阻分流。由图示电路可得励磁绕组并电阻分流。由图示电路可得 式中，式中，RL

53、为励磁绕组电阻，为励磁绕组电阻，R为分流电阻。代入式（为分流电阻。代入式（3-27）得）得 （3- -28） DLIRRRILMIDI1K2KR2RR1. .LRRR图图3-16 电阻分流削弱磁场电阻分流削弱磁场 优点优点：励磁绕组：励磁绕组结构简单结构简单，削磁，削磁调节方便调节方便，能耗小。能耗小。注意注意：、实际中，、实际中，并并固定分流电阻固定分流电阻R0，以，以改善改善电机电机换向换向。、同机车同机车各牵引各牵引电机电机的分流电阻一致、的分流电阻一致、一致一致、削磁一致。、削磁一致。 、为稳定工作状态为稳定工作状态下所得，下所得，过度状态过度状态时应充分时应充分考虑考虑励磁励磁绕组的

54、绕组的电感作用电感作用。 防止一次性削磁过深产生电流、牵引力冲击，常防止一次性削磁过深产生电流、牵引力冲击，常分级削磁分级削磁。考虑控制的复杂及附加设备多少，。考虑控制的复杂及附加设备多少，一般为二到三级一般为二到三级。如。如BJ-BJ-4 4型一级削磁型一级削磁0.650.65、二级削磁、二级削磁0.450.45；上海一号线一级削磁。；上海一号线一级削磁。可控硅分流法可控硅分流法 对励磁用对励磁用可控硅分流可控硅分流，为，为无级削磁无级削磁。注意注意：（1 1）恒压削磁恒压削磁，电枢电流，电枢电流I ID DMM机车机车P P和和FF机车机车VV。因此，直流传动牵引普遍采用削磁来提高机车的因

55、此，直流传动牵引普遍采用削磁来提高机车的P P和和V V。（2 2）高速大电流高速大电流下下过分削磁过分削磁，会使电抗电势超过允许值，且主，会使电抗电势超过允许值，且主极磁场严重扭曲，换向器片间电位分布不均，极磁场严重扭曲，换向器片间电位分布不均，易产生火花甚易产生火花甚至环火至环火。所以。所以有削磁限有削磁限minmin，对脉流牵引电机，对脉流牵引电机minmin不小于不小于0.350.350.40.4。二、交流传动调速二、交流传动调速1、交流异步电动机的调速方法、交流异步电动机的调速方法（1）改变电机的端电压）改变电机的端电压 （电机学知）异步电动机近似有（电机学知）异步电动机近似有MU。

56、 外部负载转矩不变，端压外部负载转矩不变，端压U变变转矩转矩M变变n变，从而调速。变，从而调速。特点特点： 优点优点：简单、造价低。：简单、造价低。 缺点缺点：电压低，最大转矩降低，：电压低，最大转矩降低，可调范围不宽可调范围不宽；同时，；同时，调压过调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低效率较低；可可控硅调压控硅调压的电压、电流的电压、电流畸变严重畸变严重。应用应用：适于：适于100kw以下，以下，城轨电牵不用城轨电牵不用。 （2 2）改变电机的极对数）改变电机的极对数 异步电动机同步转速为异步电动机同步转速为： （3-293-29）

57、改变电机极对数改变电机极对数p p可调电机转速可调电机转速特点：特点： 优点优点：较硬的机械特性，：较硬的机械特性，稳定性良好稳定性良好；无转差损耗，；无转差损耗，效率高效率高。 缺点缺点：通常改变：通常改变多段定子绕组多段定子绕组来改变来改变p p，电机，电机构造复杂构造复杂；有级有级调速调速，级数少；改变，级数少；改变p p时时需切断电源需切断电源。应用应用：适于不需无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降：适于不需无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等，机、起重设备、风机、水泵等， 城轨不用城轨不用。 pfn1160（3 3）转子绕组串电阻调速）转子绕组串电阻

58、调速 绕线式绕线式异步电动机，转子绕组经滑环每相异步电动机，转子绕组经滑环每相串入外部电阻串入外部电阻变阻调速变阻调速（串入电阻越大（串入电阻越大速度越低）。速度越低）。特点特点：电阻：电阻耗能，效率低耗能，效率低；有级有级调速；机械调速；机械特性特性较较软软。应用应用：城轨：城轨电牵不用电牵不用。（4 4）串级调速）串级调速 绕线式绕线式异步电动机转子回路中异步电动机转子回路中串入串入可调节的可调节的附加电势附加电势来改来改变电机的转差，从而实现调速。变电机的转差，从而实现调速。特点特点：转差功率被串入的附加电势所吸收，多用：转差功率被串入的附加电势所吸收，多用可控硅串级调可控硅串级调速速将

59、将其反馈电网，但将将其反馈电网，但功率因数偏低功率因数偏低，谐波谐波影响影响较大较大 。应用应用：适于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机等，：适于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机等，城城轨电牵不用轨电牵不用。（5 5）变频调速）变频调速 改变电机供电频率改变电机供电频率f f1 1调速（运行及起动）。通过逆变器实调速（运行及起动）。通过逆变器实现现VVVFVVVF。特点特点：效率高效率高，调速中没有附加损耗；，调速中没有附加损耗；调速范围大调速范围大，特性硬；，特性硬；便于倒转和便于倒转和再生制动再生制动；特别是具有很高的精确度、灵敏度和；特别是具有很高的精确度、灵敏度和稳定性。但技

60、术复杂、造价高、维护检修困难。稳定性。但技术复杂、造价高、维护检修困难。 应用应用：城轨电牵城轨电牵。（大铁路。（大铁路“交交- -直直- -交交”系统）系统）2 2、恒转矩和恒功率变频调速、恒转矩和恒功率变频调速（1 1）恒转矩变频调速（基频以下）恒转矩变频调速（基频以下） 起动加速时，恒磁通（即起动加速时，恒磁通（即E E1 1/f/f1 1不变）、恒不变）、恒E E2 2/f/f1 1、恒、恒U U1 1/f/f1 1调节，通过调节，通过调调节电机电源的节电机电源的U U1 1、f f1 1来实现。来实现。 注意注意：起动时起动时n n很低很低f f1 1、U U1 1都很低，定子电阻、