交流傳動機車旋輪問題初探

邢 軍，史向前，關(guān)大偉

（中國北車集團(tuán) 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(nèi)、電機車在鐵路系統(tǒng)的廣泛應(yīng)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(qū)動也從過去單一的直流串勵電動機，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鞔畡铍妱訖C驅(qū)動與交流逆變異步電動機驅(qū)動并存的驅(qū)動方式。驅(qū)動方式的改變，也給鐵路運輸裝備的維護(hù)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(zhuǎn)速隨負(fù)載電流而變化的特性，叫做速率特性，表達(dá)方式為

式中n為牽引電機轉(zhuǎn)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(nèi)阻（Ω）；Ce為牽引電機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速與電機電壓、電樞電流和磁通有關(guān)。如果U一定，而電機內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速隨負(fù)載變化很大，這種速率特性通常稱為“軟特性”。

1.2 轉(zhuǎn)矩特性

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

當(dāng)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(zhuǎn)矩M近似與電樞電流I的平方成正比。轉(zhuǎn)矩特性M＝f（I）為一拋物線。隨著電流的增大，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩特性有如下特點：

從電動機的轉(zhuǎn)速公式n＝可知，當(dāng)負(fù)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(zhuǎn)速n會相應(yīng)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(zhuǎn)矩M＝f（I）相應(yīng)增大，當(dāng)牽引力大于車輪的黏著力后，將會產(chǎn)生空轉(zhuǎn)。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(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，以防止機車在運行中出現(xiàn)空轉(zhuǎn)。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(yīng)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(zhuǎn)差率

異步電動機定子旋轉(zhuǎn)磁勢的轉(zhuǎn)速與電源頻率有嚴(yán)格的關(guān)系：

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

異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：

式中f2為轉(zhuǎn)差頻率（Hz）。

用海拔范圍(Elev)、每個柵格的氣候異質(zhì)性來測量生境異質(zhì)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(nèi)最高海拔與最低海拔之差)，精度為0.1°× 0.1°。氣候異質(zhì)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(nèi)的RMAT = MATmax- MATmin、RMAP = MAPmax- MAPmin。

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

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

2.2 轉(zhuǎn)矩特性

當(dāng)異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體時，在其中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中有電流流過。轉(zhuǎn)子電勢與旋轉(zhuǎn)磁場作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，從而把電能轉(zhuǎn)換成機械能，使電動機運行。

一般情況異步電動機電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩M與輸入電機的電流I成正比。

2.3 交流驅(qū)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(diào)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(zhuǎn)時，它的轉(zhuǎn)速n也不會超過定子頻率的同步轉(zhuǎn)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(zhuǎn)也容易恢復(fù)黏著，以滿足機車牽引的需求，具有良好的牽引性能。

3 結(jié)論分析

重點要討論的是異步電動機作為機車的驅(qū)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(zhuǎn)，要求同一臺機車的輪徑差必須保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。

交流異步電動機做為機車的驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)差率s變化的問題。

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

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

（3）假設(shè)n1＝n，則轉(zhuǎn)差率s＝0，此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不切割旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子中就沒有感應(yīng)電勢及電流，也不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)距。

可見，交流異步電動機在運行時，轉(zhuǎn)速n在0～n1的范圍內(nèi)變化，而轉(zhuǎn)差率s在1～0的范圍內(nèi)變化。

3.2 輪徑差造成的轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)差率為：

3.4 結(jié)束語

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

交流傳動內(nèi)燃機車由于機車輪徑差的機械原因造成的電機轉(zhuǎn)差率為：率的變化曲線，從曲線中可以分析出轉(zhuǎn)差率的變化不會造成個別電機轉(zhuǎn)矩的變化而造成空轉(zhuǎn)。直流傳動機車在檢修規(guī)程中要求“內(nèi)燃機車同臺機車輪徑差大于10”需要進(jìn)行旋輪；“電力機車同臺機車輪徑差大于12”需要進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)差率曲線

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

［2］吳大榕.電機學(xué)（第1版）［M］.北京：水利電力出版社，1979.

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