牽引電機的基本原理

牽引電動機是指產(chǎn)生機車或動車牽引動力的電動機。牽引電動機種類繁多，但它們都有一個對應(yīng)機車和動車的牽引力和速度關(guān)系的特性，即基本牽引特性，它們既可以代表機車或動車的性能，也可以通過車輛的動輪輪徑和傳動比的關(guān)系轉(zhuǎn)換成牽引電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

牽引電動機是驅(qū)動車輛動輪軸的主電動機，用于車輛的加速及制動。牽引電動機的定子繞組接通三相交流電，在定子空間將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場中將產(chǎn)生感應(yīng)電動機和感應(yīng)電流，從而使轉(zhuǎn)子受到電磁力的作用而轉(zhuǎn)動。

交流牽引電機的分類和各自特點

交流牽引電動機在額定頻率和額定電壓不變的條件下，其自然工作特性是指給定電動機的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T、定子功率因數(shù)cosφ1與輸出功率P2之間的變化關(guān)系，而自然機械特性是指電動機和轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的變化關(guān)系。常用的交流牽引電動機有以下幾類：

1．單相串勵換向器電動機

輸入電壓為單相低頻交流，通常只采用串勵，其自然運行特性與直（脈）流串勵電動機基本相同。它極數(shù)較多，加上換向問題解決不夠完善，只有歐洲部分國家在低頻牽引電網(wǎng)下使用。

2．三相異步電動機

（1）轉(zhuǎn)速特性n=f（P2）。在穩(wěn)定運行的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，當(dāng)P2增大時，電磁功率Pem和轉(zhuǎn)子繞組銅損PCu2也隨著增大，且PCu2比Pem增大略快，即轉(zhuǎn)差率s=PCu2/Pem略有增加。因此，轉(zhuǎn)速特性為略微下降的近似直線，這說明異步電動機的轉(zhuǎn)速特性呈硬特性。

（2）轉(zhuǎn)矩特性T=f（P2）。由T=CTΦI2=T0+P2/Ω可知，三相異步電動機與直（脈）流他勵電動機一樣，轉(zhuǎn)矩特性為呈上升趨勢的近似直線。

（3）定子功率因數(shù)特性cosφ1=f（P2）。空載時定子電流主要是勵磁分量，因此空載時很低。隨著P2的增大，轉(zhuǎn)子電流的有功分量增長，對應(yīng)的定子電流有功分量也增長，cosφ1很快上升。當(dāng)P2增至額定負(fù)載以后，由于轉(zhuǎn)差率s明顯增大，使轉(zhuǎn)子漏抗sX02增大，相對定子電流的無功分量也會增加，cosφ1反而逐漸減小。因此，定子功率因數(shù)特性呈彎曲線。

（4）機械特性n=f（T）。在穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，當(dāng)T增大時，轉(zhuǎn)子電流的有功分量I2cosφ2增大，表明轉(zhuǎn)差率s略有增大，機械特性是略微下降的近似直線。因而異步電動機的機械特性呈硬特性。

3．三相同步電動機

（1）轉(zhuǎn)速特性n=f（P2）和機械特性n=f（T）。由于同步電動機為交直流雙邊勵磁電動機，其轉(zhuǎn)速只取決于電樞電流頻率和電動機極對數(shù)，而與P2和T無關(guān)，轉(zhuǎn)速特性和機械特性為水平的絕對硬特性。

（2）轉(zhuǎn)矩特性T=f（P2）。由“電機學(xué)”知識可知，電磁功率Pem隨著輸出功率P2的增加而增加，由于其轉(zhuǎn)子同步角速度Ωr不變，轉(zhuǎn)矩特性呈直線上升。

（3）定子功率因數(shù)特性cosφ1=f（P2）。由“電機學(xué)”知識可知，處于過勵狀態(tài)的同步電動機將從電源吸取電容性電流，以利改善cosφ1。空載時主要是直流勵磁，在較小勵磁時，功率因數(shù)cosφ1即可高于異步電動機。隨著P2的增大，將在較大勵磁時才能使cosφ1較高。

圖11-3 常用牽引電動機工作特性

（a）三相異步電動機；（b）三相同步電動機

圖11-3 （a）、（b）分別示出了三相異步電動機和三相同步電動機的自然運行特性。可見，三相異步電動機比三相同步電動機的特性有更明顯的變化。