交流传动机车旋轮问题初探

邢 军，史向前，关大伟

（中国北车集团 大连机车车辆有限公司，辽宁大连116022）

随着一大批交流传动为主的“和谐”系列内、电机车在铁路系统的广泛应用，使我国的铁路运输装备有了长足的发展。机车的电力驱动也从过去单一的直流串励电动机，转变为直流串励电动机驱动与交流逆变异步电动机驱动并存的驱动方式。驱动方式的改变，也给铁路运输装备的维护保养带来了新变化。

1 直流串励电动机的特点

1.1 速率特性

直流串励电动机的转速随负载电流而变化的特性，叫做速率特性，表达方式为

式中n为牵引电机转速（r／min）；U为牵引电机的电压（V）；I为牵引电机的电流（A）；R为牵引电机内阻（Ω）；Ce为牵引电机结构常数（Ce＝）；Φ为牵引电机的每极磁通（Wb）。

式（1）为速率特性公式，从此公式中可看出，电动机的转速与电机电压、电枢电流和磁通有关。如果U一定，而电机内阻的数值又较小，所以它与电枢电流的乘积I R值也较小。对速率特性的影响不大。因此，速率特性主要决定于磁通Φ。因为串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，因此励磁电流就等于电枢电流。也就是说串励电动机的每极磁通Φ随着电枢电流I的变化而变化。由式（1）可见，如果电压U恒定，而磁路未饱和则串励电动机的转速与电枢电流成反比，其速率特性n＝f（I）为一条等边双曲线，它的转速随负载变化很大，这种速率特性通常称为“软特性”。

1.2 转矩特性

电动机的转矩随负载电流而变化的特性，叫做转矩特性，表达式为M＝f（I），串励电动机的电磁转矩公式为：

当电流增加时，在磁路尚未饱和的情况下，磁通Φ正比于I，因此串励电动机转矩M近似与电枢电流I的平方成正比。转矩特性M＝f（I）为一抛物线。随着电流的增大，转矩迅速加大。

1.3 串励牵引电动机的特性分析

由上可见，串励牵引电动机的速率特性和转矩特性有如下特点：

从电动机的转速公式n＝可知，当负载电压一定时，此方程式可变为I＝，在同一台机车运行中速度一定，如果轮径差过大，对于轮径大的轮对，转速n会相应减小，而牵引电动机电流I增大。

从公式（2）可知，随着电流I的增大，电机的转矩M＝f（I）相应增大，当牵引力大于车轮的黏着力后，将会产生空转。根据这一特性，装备串励牵引电动机的机车其轮径差必须保持在适当的范围内，以防止机车在运行中出现空转。因此要经常旋轮以保障机车的正常运行。

2 异步电动机的特点

随着大功率交流传动机车在铁路系统的广泛应用，交流异步牵引电动机将逐渐成为铁路系统的主力牵引装置。交流异步电动机与串励直流电动机相比，具有自己独立的特点。

2.1 异步电动机的转差率

异步电动机定子旋转磁势的转速与电源频率有严格的关系：

式中：n1为定子旋转磁势的转速（r／min）；f1为电源频率（Hz）；p为电机极对数。

异步电动机转子的转速为：

式中f2为转差频率（Hz）。

用海拔范围(Elev)、每个栅格的气候异质性来测量生境异质性。海拔范围根据科尔沁沙地数字高程模型(DEM)的数据计算(各栅格内最高海拔与最低海拔之差)，精度为0.1°× 0.1°。气候异质性因子[21]RMAT和RMAP分别为年均降水量(MAP)和年均温度(MAT)的范围，即每个栅格内的RMAT = MATmax- MATmin、RMAP = MAPmax- MAPmin。

我们知道靠异步电动机自身的力量永远不能把转子加速到同步速度，所以，人们称它为异步电动机。通常把转子速度和同步速度的差值Δn＝n1－n叫做转速差。如果转速差等于零，异步电动机转子就不可能感应电流，转子电流为零，不可能进行能量交换，因此对于异步电动机来说，转速差是一个重要的参数。人们习惯上用s来表示转速差：

s叫做异步电动机的转差率。通常异步电动机的额定转差率se＝0.03～0.1［3］，这就是说异步电动机转速通常接近于同步转速。

2.2 转矩特性

当异步电动机旋转磁场切割转子导体时，在其中产生感应电势，使转子导体中有电流流过。转子电势与旋转磁场作用而产生电磁转矩，使转子以转速n旋转，从而把电能转换成机械能，使电动机运行。

一般情况异步电动机电磁转矩M写成：

式中cosβ为电机功率因数。

从公式（6）中可以看出异步电动机电磁转矩M与输入电机的电流I成正比。

2.3 交流驱动特性分析

由于异步电动机的功率较大，可以允许它在任何速度下持续运行，而且它对瞬时过电压、过电流不像串励牵引电动机那么敏感，可以实现大范围的平滑调速，充分发挥电动机的功率。同时，异步电动机的机械特性很硬，在机车运行时，若个别轮对由于粘着下降而发生空转时，它的转速n也不会超过定子频率的同步转速n1，即不会发生“飞速”。这时，由于轮对的滑动量很小，因此即使发生空转也容易恢复黏着，以满足机车牵引的需求，具有良好的牵引性能。

3 结论分析

重点要讨论的是异步电动机作为机车的驱动动力，它与串励牵引电动机相比对机车轮径差要求的差异，以及由此带来的优势。

前面已经谈到装备串励牵引电动机的机车为了防止机车在运行中出现空转，要求同一台机车的轮径差必须保持在适当的范围内。

交流异步电动机做为机车的驱动动力，则对同一台机车的轮径差不需要特别的要求，原因如下：

3.1 转差率分析

从公式⑸中可以看出交流异步电动机的自然特性中就存在着转差率s变化的问题。

（1）在电机刚启动时，转子转速n＝0，则s＝1，转子切割旋转磁场的相对速度为最大，转子中的电势及电流也最大。如果电动机产生的电磁转距足以克服机械负载的阻力转距，转子开始旋转，转速会不断上升。

（2）随着转子转速n的上升，转差率s减小，转子切割旋转磁场的相对速度变小，转子中的电势及电流也减小。在额定状态下，转差率s约为0.03～0.1之间。转子转速与同步转速相差并不很大。而空载时，因阻力距很小，转子转速n很高，转差率s则更小，约为0.004～0.007，可以认为转子转速近似等于同步转速。

（3）假设n1＝n，则转差率s＝0，此时转子导体不切割旋转磁场，转子中就没有感应电势及电流，也不产生电磁转距。

可见，交流异步电动机在运行时，转速n在0～n1的范围内变化，而转差率s在1～0的范围内变化。

3.2 轮径差造成的转差率差异

运用中的交流传动机车（以HXD3型电力机车为例）6个车轴的轮径是有差别的，设最大的轮径为d1，最小轮径为d2，走行部的齿轮传动比为i，机车以恒定速度v运行。

3.3 机械原因造成的车轮最大转差率

对于交流传动电力机车来说，最大轮径为d最＝1 250 mm，最小轮径为禁用轮径d禁＝1 190 mm，代入公式⑺，由于机车轮径差的机械原因造成的电机转差率为：

3.4 结束语

根据检修规程的要求，内燃机根据“3.1转差率分析”中的论述，交流异步电动机在工作中转差率s在1～0的范围内变化着，图1则给出了电动机转矩随转差

交流传动内燃机车由于机车轮径差的机械原因造成的电机转差率为：率的变化曲线，从曲线中可以分析出转差率的变化不会造成个别电机转矩的变化而造成空转。直流传动机车在检修规程中要求“内燃机车同台机车轮径差大于10”需要进行旋轮；“电力机车同台机车轮径差大于12”需要进行旋轮。但是，交流传动机车可以不按照直流传动机车的要求进行旋轮，只要同一车轴上的两个车轮的轮径差符合要求即可。

图1 异步电动机转矩—转差率曲线

［1］铁道部大连机车车辆工厂.东风B型内燃机车（第1版）［M］.北京：大连理工大学出版社，1989.

［2］吴大榕.电机学（第1版）［M］.北京：水利电力出版社，1979.

［3］刘宗富.电机学（第2版）［M］.北京：冶金工业出版社，1986.