轨道交通车辆牵引电动机调速研究

轨道交通车辆牵引电动机调速研究

李康贵

身份证号码：440883199010305092

摘要：近年来，随着城市化进程的不断加快，轨道交通车辆已成为人们日常生活中最为常见的交通工具之一。要想使轨道交通车辆能够始终处于安全稳定的运行状态中，前提条件就是要对其牵引电动机进行科学合理的调速。本文也会通过数学模型的建立，对各种轨道交通车辆牵引电动机调速方法的优缺点作出对比分析，以便择优录取，从而为保障城市轨道交通车辆持久安全稳定运行提供可靠的参考依据。

关键词：轨道交通车辆；牵引电动机；调速方法

前言

轨道交通车辆在日常运行过程中，由于需要频繁启动和停止等操作，所以其对于牵引电动机的性能要求也是十分严格，如牵引和制动性能、过载能力、调速性能和起动转矩等，其中，尤以电动机的调速性能最为关键，其必须能够平滑而经济地调速，这样才能满足轨道交通车辆持久稳定运行需求。因此，在轨道交通车辆长期运营期间，合理选择牵引电动机调速方法十分必要。

1.交流电机调速方法

1.1改变电枢绕组电路的阻值调速方法

在额定条件下，该牵引机电动机调速方法会将不同阻值的电阻传入到转子电枢回路中来改变电动机的转速，进以使其机械特性发生相应的改变，具体如图一所示。在该图中，A点表示电枢绕组电路未串接电阻时的额定工作点，其对应的额定转速为nN、电动机输出转矩为T=TL。一般情况下，当总Ra瞬间增大时，在机械惯性作用下，电动机转速n和电枢电动势Ea不会出现突变的情况，但根据公式Ia=(U-Ea

)/Ra与T=CTɸIa可以得知，Ia和输出转矩T都会变小。而当牵引车电动机的机械特性由A点平移到A'点时，电动机的输出转矩T和转速n都会出现逐步下降的情况，直到B点时T=TL，电动机的转矩才能达到平衡，并按照小于nN的速度平稳运行。由此可见，改变电枢绕组电路的阻值调速方法具备以下几个特点：首先，电枢绕组电路中串接的电阻越多，电动机转速越慢，调速时就要尽可能在nN以下范围内进行调整；其次，调速后的牵引机电动机机械性能愈加柔和，但转速稳定性却相对降低，这样虽然会缩小调速范围，但使得无级调速难度有所提升，且功率损耗也是十分明显。

图一 改变电枢绕组电路阻值调速法的机械性能变化

1.2改变电枢绕组电路的电压调速方法

在额定条件下，该牵引机电动机调速方法主要通过改变电枢绕组电路的电压来实现对电动机转速的有效调整，进而使其机械性能发生一定的变化，具体如图二所示。在该图中，A点表示电枢绕组电压未改变时的额定工作点，其对应的额定转速为nN、电动机输出转矩为T=TL。当电枢回路电压U降低时，在机械惯性作用下，根据公式Ia=(U-Ea)/Ra与T=CTɸIa可以得知，Ia和输出转矩T都会变小，而当牵引车电动机的机械特性由A点平移到A'点时，电动机的输出转矩T和转速n都会逐步增大，直到B点时T=TL，电动机的转矩才能达到平衡，并按照小于nN的速度平稳运行。由此可见，改变电枢绕组电路的电压调速方法具备以下几个特点：首先，由于施加在电枢绕组上的电压低于额定工作电压UN，所以只能按照UN以下范围内的转速进行调整；其次，调速后的牵引机电动机机械性能硬度未发生改变，证明其转速受负载转矩变化的影响程度也是偏低，可以很好的保证牵引车电动机运行的平稳性，并真正达到无级调速的目的[1]。

图二 改变电枢绕组电路的电压调速法的机械性能变化

1.3改变主磁极磁通调速方法

在额定条件下，该牵引机电动机调速方法主要通过改变励磁绕组电路的电压，来实现对牵引车电动机转速的有效调整，进而使其机械性能发生一定的变化，具体如图三所示。在该图中，A点表示励磁绕组电路未改变时的额定工作点，其对应的额定转速为nO，电动机输出转矩为T=TL。当施加在励磁绕组电路电压U降低时，主磁极磁通ɸ也会相对减弱，并且在机械惯性作用下，虽然电动机的转速n不会产生突变情况，但根据公式Ea=Ceɸn和Ia=(U-Ea)/Ra可以得知，Ea会逐步降低，而Ia和输出转矩T会逐渐增大。而当牵引车电动机的机械特性由A点平移到A'点时，电动机的输出转矩T>TL，且转速nO和Ea会随之上升，输出转矩T会逐步下降，直到T=TL，电动机的转矩才能达到平衡，并按照大于nO的速度来平稳运行。由此可见，改变主磁极磁通调速方法具备以下几个特点：首先，由于施加在励磁绕组电路上的电压低于额定工作电压U，所以就要按照高于额定转速nN以上的数值对牵引车电动机主磁极磁通进行调节；其次，调速后的牵引机电动机机械性能会随着磁通的不断减弱而愈加柔和，但若是磁通减弱程度较高时，电动机运行的稳定性也会大受影响。因此，为了避免这种情况的发生，就要严格把控电动机调速范围，使其不宜过大；最后，改变主磁极磁通调速方法在实际应用过程中，由于所用设备容量较小，且可以灵活控制，所以其产生的功率损耗也是十分偏低，可以很好的达到平滑无级调速的目的。

图三 改变主磁极磁通调速方法的机械性能变化

2.直流牵引电动机调速方法

2.1调压调速法

首先，斩波器调压调速法，即将斩波器串联在牵引直流电动机和直流电源之间，然后按照公式EO=E(ton/t)=αE计算出斩波器输出的平均电压。在该公式中，Ton表示导通时间、α表示斩波器的导通比、t表示斩波器斩波周期、E表示直流电源电压。随后还要根据实际情况，适当调整斩波器导通比α方法。例如，在斩波器导通时间或关闭时间不变的情况下，可以对斩波周期即频率作出适当调整。但若斩波器周期不变时，则要对斩波器的导通时间和斩波周期，即脉冲宽度和频率进行合理调整，这样才能使电动机的转速得到相应的改变。目前，在城市轨道交通车辆运行管理中，斩波器调压调速法有着很宽泛的应用范围；其次，串电阻调压调速法，即在牵引串励直流电动机和电源之间串接电阻，然后再依据串联电阻分压的原理对电阻阻值进行合理调整，并将调整后的电阻值作为直流电动机上的端电压，这样才能确保牵引车电动机的平稳调速。虽然该调速法易于工作人员的操作和控制，但是在实际运用过程中却会产生较大的电能损耗及成本浪费现象，并且电阻所产生的热度还会导致隧道温度上升，进而增加隧道风机和轨道车辆空调的负载；最后，绕组串并联调压调速法，即通过改变直流电动机绕组的连接方式来对加在直流电动机上的端电压进行合理调速。由于该调速方法只能实施有级调速，并且在应用过程中会增加直流电动机绕组复杂性，所以其在当前轨道交通车辆运行管理中的利用率也是相对偏低[2]。

2.2磁削调速法

该调速法主要是按照并联电阻分流的原理，通过在直流牵引电动机的主磁极绕组两端并联电阻，来减小其励磁电流和主磁极磁通量，这样才能达到合理调整电动机转速的目的。据相关实践证明，磁削调速法虽然应用范围狭窄，只能作为辅助手段来调速轨道交通车辆中的牵引车电动机，但是其在应用过程中所需的应用成本以及产生的能耗量却相对偏低。

结束语：

综上所述，对于轨道交通车辆而言，其牵引机电动机的平滑稳定运行对其整个车辆运行的稳定性和安全性有着很大的影响。所以，在轨道交通车辆长期运行过程中，必须定期对其进行全面的检查与维护，尤其是要根据实际情况，采取适宜的调速方法做好牵引机电动机调速工作，这样才能为车辆的持久稳定运行打下良好的基础。

参考文献

[1]李斌.SS6B型电力机车牵引电动机故障原因分析及应对措施[J]高速铁路与轨道交通适用版.2018,(02):17-18.

[2]朱华,吴祥,李玉初,等.一种轨道交通车辆用永磁牵引电动机[J].202

2,(09):20-21.