牽引電機

1　特點

　　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進行平穩(wěn)可靠的無級調(diào)速，

　　牽引電機

　　調(diào)速范圍可達1：1000，比直流調(diào)速范圍更大，尤其是沒有了直流電機換向器的存在，因而克服了直流電機的許多弊端，交流牽引電機與直流電機相比，結(jié)構(gòu)簡單可靠、體積小、重量輕，更適合車輛對電機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因具有功率大、過載能力強、噪聲小、調(diào)速范圍寬(0～5000r/min左右)、再生制動力巨大、可防止車輪打滑、可靠性高、維護方便、平穩(wěn)舒適、節(jié)電20～30%等優(yōu)點，成為現(xiàn)代城市軌道交通牽引機車驅(qū)動電機的首選產(chǎn)品：

　　1、城市軌道交通用交流牽引電機。

　　2、輕電車軌用交流牽引電機。

　　3、地鐵用交流牽引電機。

2　發(fā)展

　　交流變頻牽引電機作為車輛驅(qū)動的原動機是國際上二十世紀八十年代發(fā)展起來的先進牽引技術(shù)。它以十分顯著的優(yōu)良特性在德、日、法等經(jīng)濟發(fā)達國家迅速發(fā)展，很快取代了傳統(tǒng)的直流牽引電機。

　　為了解決直流和脈流牽引電動機的“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機和三相交流異步變頻牽引電動機，并在試驗以直線異步電動機為動力的磁懸浮高速車輛。晶閘管無換向器式牽引電動機是由一臺同步電動機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機的換向器和炭刷結(jié)構(gòu)。這種電動機具有直流電機的優(yōu)點而沒有困難的“換向”問題。但晶閘管及其控制系統(tǒng)相當復雜，所以電子元件直接影響電動機的運行可靠性。三相交流異步變頻牽引電動機結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，成本低廉，是比較理想的牽引電動機。但由于需用變頻調(diào)速，它的發(fā)展和應用一度受到限制。60年代，大功率晶閘管變頻裝置的發(fā)展使異步電動機能夠?qū)崿F(xiàn)變頻調(diào)速。21世紀以來，各國已有較多機車和動車采用三相交流異步變頻牽引電動機。聯(lián)邦德國和日本在試驗的磁懸浮高速車輛上采用直線異步電動機。它的初級繞組敷設(shè)在地面導軌上，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。次級繞組就是反應板，裝在車輛的構(gòu)架上。初級行波磁場和次級感應電流的相互作用，不僅產(chǎn)生使車輛前進的推力，而且還產(chǎn)生磁拉力以懸浮車輛，并在制動工況時起著動力制動的作用。

3　分類

　　牽引電動機

　　在機車或動車上用于驅(qū)動一根或幾根動輪軸的電動機。牽引電動機有多種類型，如直流牽引電動機、交流異步牽引電動機和交流同步牽引電動機等。直流牽引電動機，尤其是直流串勵電動機有較好調(diào)速性能和工作特性，適應機車牽引特性的需要，獲得廣泛應用。

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

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

　　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牽引電動機時，加在牽引電動機上的電壓為脈動電壓，因此這種牽引電動機稱為脈流牽引電動機。大功率脈流牽引電動機的“換向”條件更加困難。此外，電動機內(nèi)部還有一些附加損耗，從而引起電動機溫升，因此，脈流牽引電動機在設(shè)計和結(jié)構(gòu)上還要采取一定的特殊措施，以解決“換向”和溫升兩個突出的問題。

　　輔助電機

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

　　牽引發(fā)電機

　　專用于電力傳動內(nèi)燃機車，以供給牽引電動機電力的發(fā)電機，又稱主發(fā)電機。牽引發(fā)電機有直流和交流兩種。直流牽引發(fā)電機直接向直流牽引電動機供電。交流牽引發(fā)電機發(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機供電。交流整流電路是三相的，整流電壓雖然有脈動，但脈動量比較小，因此牽引電動機還被認為是一般的直流電動機。

4　原理

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

　　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，且信號不是嚴格的周期信號，傅里葉變換時，需要較長的時間窗。

　　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、要對基波有效值進行準確的、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）。實際上由于牽引變頻器的開關(guān)頻率較低，當開關(guān)頻率不是基波頻率整數(shù)倍時，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，假如當前的基波周期從第0個脈沖的開始時刻開始，將在第9個脈沖的1/3時刻結(jié)束，而下一個基波周期，將從第9個脈沖的1/3時刻開始，顯然，這兩個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（當開關(guān)頻率較高時，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)很難準確、穩(wěn)定的測量牽引變頻器輸出的電壓。[1]為了準確獲取電機的效率，應該采用低頻精度較高、帶微處理器的寬頻功率分析儀和準確級較高的變頻電量變送器/傳感器。