交流傳動機車旋輪問題初探

邢 軍，史向前，關大偉

（中國北車集團 大連機車車輛有限公司，遼寧大連116022）

隨著一大批交流傳動為主的“和諧”系列內、電機車在鐵路系統(tǒng)的廣泛應用，使我國的鐵路運輸裝備有了長足的發(fā)展。機車的電力驅動也從過去單一的直流串勵電動機，轉變?yōu)橹绷鞔畡铍妱訖C驅動與交流逆變異步電動機驅動并存的驅動方式。驅動方式的改變，也給鐵路運輸裝備的維護保養(yǎng)帶來了新變化。

1 直流串勵電動機的特點

1.1 速率特性

直流串勵電動機的轉速隨負載電流而變化的特性，叫做速率特性，表達方式為

式中n為牽引電機轉速（r／min）；U為牽引電機的電壓（V）；I為牽引電機的電流（A）；R為牽引電機內阻（Ω）；Ce為牽引電機結構常數(shù)（Ce＝）；Φ為牽引電機的每極磁通（Wb）。

式（1）為速率特性公式，從此公式中可看出，電動機的轉速與電機電壓、電樞電流和磁通有關。如果U一定，而電機內阻的數(shù)值又較小，所以它與電樞電流的乘積I R值也較小。對速率特性的影響不大。因此，速率特性主要決定于磁通Φ。因為串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，因此勵磁電流就等于電樞電流。也就是說串勵電動機的每極磁通Φ隨著電樞電流I的變化而變化。由式（1）可見，如果電壓U恒定，而磁路未飽和則串勵電動機的轉速與電樞電流成反比，其速率特性n＝f（I）為一條等邊雙曲線，它的轉速隨負載變化很大，這種速率特性通常稱為“軟特性”。

1.2 轉矩特性

電動機的轉矩隨負載電流而變化的特性，叫做轉矩特性，表達式為M＝f（I），串勵電動機的電磁轉矩公式為：

當電流增加時，在磁路尚未飽和的情況下，磁通Φ正比于I，因此串勵電動機轉矩M近似與電樞電流I的平方成正比。轉矩特性M＝f（I）為一拋物線。隨著電流的增大，轉矩迅速加大。

1.3 串勵牽引電動機的特性分析

由上可見，串勵牽引電動機的速率特性和轉矩特性有如下特點：

從電動機的轉速公式n＝可知，當負載電壓一定時，此方程式可變?yōu)镮＝，在同一臺機車運行中速度一定，如果輪徑差過大，對于輪徑大的輪對，轉速n會相應減小，而牽引電動機電流I增大。

從公式（2）可知，隨著電流I的增大，電機的轉矩M＝f（I）相應增大，當牽引力大于車輪的黏著力后，將會產(chǎn)生空轉。根據(jù)這一特性，裝備串勵牽引電動機的機車其輪徑差必須保持在適當?shù)姆秶鷥龋苑乐箼C車在運行中出現(xiàn)空轉。因此要經(jīng)常旋輪以保障機車的正常運行。

2 異步電動機的特點

隨著大功率交流傳動機車在鐵路系統(tǒng)的廣泛應用，交流異步牽引電動機將逐漸成為鐵路系統(tǒng)的主力牽引裝置。交流異步電動機與串勵直流電動機相比，具有自己獨立的特點。

2.1 異步電動機的轉差率

異步電動機定子旋轉磁勢的轉速與電源頻率有嚴格的關系：

式中：n1為定子旋轉磁勢的轉速（r／min）；f1為電源頻率（Hz）；p為電機極對數(shù)。

異步電動機轉子的轉速為：

式中f2為轉差頻率（Hz）。

用海拔范圍(Elev)、每個柵格的氣候異質性來測量生境異質性。海拔范圍根據(jù)科爾沁沙地數(shù)字高程模型(DEM)的數(shù)據(jù)計算(各柵格內最高海拔與最低海拔之差)，精度為0.1°× 0.1°。氣候異質性因子[21]RMAT和RMAP分別為年均降水量(MAP)和年均溫度(MAT)的范圍，即每個柵格內的RMAT = MATmax- MATmin、RMAP = MAPmax- MAPmin。

我們知道靠異步電動機自身的力量永遠不能把轉子加速到同步速度，所以，人們稱它為異步電動機。通常把轉子速度和同步速度的差值Δn＝n1－n叫做轉速差。如果轉速差等于零，異步電動機轉子就不可能感應電流，轉子電流為零，不可能進行能量交換，因此對于異步電動機來說，轉速差是一個重要的參數(shù)。人們習慣上用s來表示轉速差：

s叫做異步電動機的轉差率。通常異步電動機的額定轉差率se＝0.03～0.1［3］，這就是說異步電動機轉速通常接近于同步轉速。

2.2 轉矩特性

當異步電動機旋轉磁場切割轉子導體時，在其中產(chǎn)生感應電勢，使轉子導體中有電流流過。轉子電勢與旋轉磁場作用而產(chǎn)生電磁轉矩，使轉子以轉速n旋轉，從而把電能轉換成機械能，使電動機運行。

一般情況異步電動機電磁轉矩M寫成：

式中cosβ為電機功率因數(shù)。

從公式（6）中可以看出異步電動機電磁轉矩M與輸入電機的電流I成正比。

2.3 交流驅動特性分析

由于異步電動機的功率較大，可以允許它在任何速度下持續(xù)運行，而且它對瞬時過電壓、過電流不像串勵牽引電動機那么敏感，可以實現(xiàn)大范圍的平滑調速，充分發(fā)揮電動機的功率。同時，異步電動機的機械特性很硬，在機車運行時，若個別輪對由于粘著下降而發(fā)生空轉時，它的轉速n也不會超過定子頻率的同步轉速n1，即不會發(fā)生“飛速”。這時，由于輪對的滑動量很小，因此即使發(fā)生空轉也容易恢復黏著，以滿足機車牽引的需求，具有良好的牽引性能。

3 結論分析

重點要討論的是異步電動機作為機車的驅動動力，它與串勵牽引電動機相比對機車輪徑差要求的差異，以及由此帶來的優(yōu)勢。

前面已經(jīng)談到裝備串勵牽引電動機的機車為了防止機車在運行中出現(xiàn)空轉，要求同一臺機車的輪徑差必須保持在適當?shù)姆秶鷥取?/p>

交流異步電動機做為機車的驅動動力，則對同一臺機車的輪徑差不需要特別的要求，原因如下：

3.1 轉差率分析

從公式⑸中可以看出交流異步電動機的自然特性中就存在著轉差率s變化的問題。

（1）在電機剛啟動時，轉子轉速n＝0，則s＝1，轉子切割旋轉磁場的相對速度為最大，轉子中的電勢及電流也最大。如果電動機產(chǎn)生的電磁轉距足以克服機械負載的阻力轉距，轉子開始旋轉，轉速會不斷上升。

（2）隨著轉子轉速n的上升，轉差率s減小，轉子切割旋轉磁場的相對速度變小，轉子中的電勢及電流也減小。在額定狀態(tài)下，轉差率s約為0.03～0.1之間。轉子轉速與同步轉速相差并不很大。而空載時，因阻力距很小，轉子轉速n很高，轉差率s則更小，約為0.004～0.007，可以認為轉子轉速近似等于同步轉速。

（3）假設n1＝n，則轉差率s＝0，此時轉子導體不切割旋轉磁場，轉子中就沒有感應電勢及電流，也不產(chǎn)生電磁轉距。

可見，交流異步電動機在運行時，轉速n在0～n1的范圍內變化，而轉差率s在1～0的范圍內變化。

3.2 輪徑差造成的轉差率差異

運用中的交流傳動機車（以HXD3型電力機車為例）6個車軸的輪徑是有差別的，設最大的輪徑為d1，最小輪徑為d2，走行部的齒輪傳動比為i，機車以恒定速度v運行。

3.3 機械原因造成的車輪最大轉差率

對于交流傳動電力機車來說，最大輪徑為d最＝1 250 mm，最小輪徑為禁用輪徑d禁＝1 190 mm，代入公式⑺，由于機車輪徑差的機械原因造成的電機轉差率為：

3.4 結束語

根據(jù)檢修規(guī)程的要求，內燃機根據(jù)“3.1轉差率分析”中的論述，交流異步電動機在工作中轉差率s在1～0的范圍內變化著，圖1則給出了電動機轉矩隨轉差

交流傳動內燃機車由于機車輪徑差的機械原因造成的電機轉差率為：率的變化曲線，從曲線中可以分析出轉差率的變化不會造成個別電機轉矩的變化而造成空轉。直流傳動機車在檢修規(guī)程中要求“內燃機車同臺機車輪徑差大于10”需要進行旋輪；“電力機車同臺機車輪徑差大于12”需要進行旋輪。但是，交流傳動機車可以不按照直流傳動機車的要求進行旋輪，只要同一車軸上的兩個車輪的輪徑差符合要求即可。

圖1 異步電動機轉矩—轉差率曲線

［1］鐵道部大連機車車輛工廠.東風B型內燃機車（第1版）［M］.北京：大連理工大學出版社，1989.

［2］吳大榕.電機學（第1版）［M］.北京：水利電力出版社，1979.

［3］劉宗富.電機學（第2版）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1986.