鐵道機車專業(yè)教學資源庫武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院主講：李星澤《高速動車組技術(shù)》課程武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學院李星澤交流電動機概述目錄CONTENTS01三相異步電機優(yōu)點02三相異步感應(yīng)電機的組成及原理03三相異步電動機的機械特性04三相異步電動機的調(diào)速控制三相異步電機優(yōu)點同直流電機相比，三相異步電機有著顯著的優(yōu)越性能和經(jīng)濟指標，其持續(xù)功率大而體積小、重量輕。具體地說有以下優(yōu)點：（1）功率大、體積小、重量輕。由于沒有換向器和電刷裝置，可以充分利用空間，同時在高速范圍內(nèi)因不受換向器電機中電抗電勢及片間電壓等換向條件的限制，可輸出較大的功率，再生制動時也能輸出較大的電功率，這對于發(fā)展高速運輸是十分重要的；（2）結(jié)構(gòu)簡單、牢固，維修工作量少。三相交流牽引電機沒有換向器和電刷裝置，無需檢查換向器和更換電刷，電機的故障大大降低。特別是鼠籠形異步電機，轉(zhuǎn)子無絕緣，除去軸承的潤滑外，幾乎不需要經(jīng)常進行維護；三相異步電機優(yōu)點（3）良好的牽引特性。由于其機械特性較硬，有自然防空轉(zhuǎn)的性能，使黏著利用率提高。另外，三相交流異步電機對瞬時過電壓和過電流不敏感（不存在換向器的環(huán)火問題），它在起動時能在更長的時間內(nèi)發(fā)出更大的啟動轉(zhuǎn)矩。合理設(shè)計三相交流牽引電機的調(diào)頻、調(diào)壓特性，可以實現(xiàn)大范圍的平滑調(diào)速，充分滿足動車組運行需要；（4）功率因數(shù)高，諧波干擾小。其電源側(cè)可采用四象限變流器，可以在較廣范圍內(nèi)保持動車組電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近于1，電流波形接近于正弦波，在再生制動時也是如此，從而減小電網(wǎng)的諧波電流，這對改善電網(wǎng)的供電條件、減小通信信號干擾、改善電網(wǎng)電能質(zhì)量和延長牽引變電站之間的距離十分有利。因此，CRH系列動車組基本采用三相異步電動機作為牽引動力。三相異步感應(yīng)電機的組成及原理1、三相異步感應(yīng)電機組成三相異步感應(yīng)電機主要由兩部分組成。固定部分稱為定子，旋轉(zhuǎn)部分稱為轉(zhuǎn)子。在定子和轉(zhuǎn)子之間有很小的間隙，稱為氣隙。此外，在定子兩端還有端蓋，在轉(zhuǎn)子軸上套有軸承。（1）三相異步感應(yīng)電機的定子三相異步感應(yīng)電機的定子由定子鐵芯、定子繞組和機座三部分構(gòu)成。定子鐵芯的作用是作為電機中磁路的部分和放置定子繞組。為了減少旋轉(zhuǎn)磁場在鐵芯中引起的損耗，鐵芯一般采用導磁性良好的電工硅鋼片疊成。為了嵌放定子繞組，在定子鐵芯內(nèi)圓沖出許多形狀相同的槽。定于繞組是電機的電路部分，其主要作用是感應(yīng)電動勢，通過電流以實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。定子繞組的槽內(nèi)布置分為單層和雙層兩種。定子繞組由高強度絕緣材料包圓銅線（或鋁線）繞成，經(jīng)過槽口分散潛入槽內(nèi)，與鐵芯之間必須可靠絕緣。三相異步感應(yīng)電機的組成及原理（2）三相異步感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子三相異步感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵芯也是作為電機中磁路的一部分，由硅鋼片疊成。轉(zhuǎn)子繞組的作用是感應(yīng)電動勢、流過電流和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)形式有籠型和繞線型兩種。三相異步感應(yīng)電機的組成及原理（3）三相異步感應(yīng)電機的氣隙三相異步感應(yīng)電機的定子與轉(zhuǎn)子之間必須有一氣隙。感應(yīng)電機的特點在于它的氣隙很小，在中、小型感應(yīng)電機中，氣隙一般為0.2～1.5mm。氣隙大小對感應(yīng)電機的性能有很大影響。為了降低電機的空載電流和提高電機的功率因數(shù)，氣隙應(yīng)盡可能的小。如果把感應(yīng)電機看作變壓器，顯然，氣隱越小則定子和轉(zhuǎn)子之間的相互感應(yīng)作用就越好。但是氣隙過小，將使裝配困難和運行不可靠，因此允許采用的最小氣隙是手加工可能性及機械安全考慮所能達到的最小值所限制。另一方面，若從磁場脈振所引起的附加損耗與因高次諧波磁場所引起的漏磁來看，氣隙稍大點也有其有利的一面。三相異步感應(yīng)電機的組成及原理2、三相異步感應(yīng)電機的原理三相異步感應(yīng)電機的特點在于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不同，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1的差額（n1－n）對同步轉(zhuǎn)速n1的比值稱為轉(zhuǎn)差率，以s表示。轉(zhuǎn)差率s是感應(yīng)電機運行時的一個重要物理量。根據(jù)s的正負和大小可以判斷感應(yīng)電機運行于電動機、發(fā)電機以及電磁制動中的哪一個狀態(tài)。（1）電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同而轉(zhuǎn)速n小于同步轉(zhuǎn)速n1時，感應(yīng)電機作為電動機運行。此時有旋轉(zhuǎn)磁場感應(yīng)與定子和轉(zhuǎn)子導體中的電動勢方向可由磁通和導體之間的相對運動用右手定則確定。三相異步感應(yīng)電機的組成及原理2、三相異步感應(yīng)電機的原理（2）發(fā)動機狀態(tài)如果用原動機將感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子加速，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n可高于同步轉(zhuǎn)速n1，此時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，n大于n1，故轉(zhuǎn)差率s變成負的，磁場切割轉(zhuǎn)子導體的方向與電動機狀態(tài)時相反。（3）電磁制動狀態(tài)如果由于外力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩把感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子拖向反著旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動，則旋轉(zhuǎn)磁場將以高于同步轉(zhuǎn)速的速度切割轉(zhuǎn)子導體，而切割的方向則和電動機狀態(tài)相同。因此，這時各種電動勢、電流、電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向都和電動機狀態(tài)時一樣。這時電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，但與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，即與轉(zhuǎn)矩方向相反，因此對外力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩起制動作用。這時，外力必須克服這個制動轉(zhuǎn)矩，才能把轉(zhuǎn)子拖向反著旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動，對轉(zhuǎn)子供給機械功率。三相異步電動機的機械特性根據(jù)電機學原理，在忽略空間和時間諧波、忽略磁飽和、忽略鐵損的三個假定條件下異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路如圖所示。圖中Rs為定子每相電阻；R′s為折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻；L1s為定子每相漏感；L1r為折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感；Lm為定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電感；Us為定子相電壓；ω1為供電角頻率；s為轉(zhuǎn)差率。由上述等效電路可導出電機電流簡化公式如下：三相異步電動機的機械特性式（5-5-2）就是異步電動機的機械特性方程式。它表明，當轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比。不同電壓下的機械特性如圖5-5-2所示，圖中，UsN表示額定定子電壓。圖5-5-2異步電動機機械特性三相異步電動機的調(diào)速控制三相電動機的調(diào)速可分為改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速、改變極對數(shù)調(diào)速及改變供電頻率調(diào)速三類。其中，改變轉(zhuǎn)差率的方法又可以通過調(diào)節(jié)定子電壓、轉(zhuǎn)子電阻轉(zhuǎn)差電壓等方法來實現(xiàn)。目前，通過可控硅控制的變頻調(diào)速方式是調(diào)速控制的主流。牽引電機的調(diào)節(jié)運行特性可分為三個調(diào)節(jié)區(qū)：啟動加速區(qū)、恒功率輸出區(qū)Ⅰ和恒功率輸出區(qū)Ⅱ。（1）啟動加速區(qū)如果電機的磁通保持不變，則電機可以在任何轉(zhuǎn)速下發(fā)揮較大的轉(zhuǎn)矩。電機保持磁通恒定的控制方式有：恒磁通控制、恒電壓頻率比控制、恒轉(zhuǎn)子全磁通控制等。（2）恒功率輸出區(qū)Ⅰ通過改變電機特性曲線，把傳統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)矩與恒功段的轉(zhuǎn)換點提前，保持電機磁通不變，在恒功的最初階段電機電壓繼續(xù)保持增加，而轉(zhuǎn)差頻率下降，電流下降，轉(zhuǎn)矩隨定子頻率成反比變化，即恒功恒磁階段。三相異步電動機的調(diào)速控制（3）恒功率輸出區(qū)Ⅱ當牽引電機電壓提高到最大數(shù)值后，可認為Us≈Es，則可得到式（5-5-