牽引電機

隨著交流變頻調速技術的日益成熟，可以對交流牽引電機進行平穩可靠的無級調速，調速範圍可達1：1000，比直流調速範圍更大，尤其是沒有了直流電機換向器的存在，因而克服了直流電機的許多弊端，交流牽引電機與直流電機相比，結構簡單可靠、體積小、重量輕，更適合車輛對電機的安裝空間和重量等方面的要求，更重要的是交流牽引電機因具有功率大、過載能力強、雜訊小、調速範圍寬(0～5000r/min左右)、再生制動力巨大、可防止車輪打滑、可靠性高、維護方便、平穩舒適、節電20～30%等優點，成為現代城市軌道交通牽引機車驅動電機的首選產品：

1、城市軌道交通用交流牽引電機。

2、輕電車軌用交流牽引電機。

3、地鐵用交流牽引電機。

交流變頻牽引電機作為車輛驅動的原動機是國際上二十世紀八十年代發展起來的先進牽引技術。它以十分顯著的優良特性在德、日、法等經濟發達國家迅速發展，很快取代了傳統的直流牽引電機。

為了解決直流和脈流牽引電動機的“轉向”問題，有些國家已在使用晶閘管無換向器式牽引電動機和三相交流非同步變頻牽引電動機，並在試驗以直線非同步電動機為動力的磁懸浮高速車輛。晶閘管無換向器式牽引電動機是由一台同步電動機和一組晶閘管逆變器組成，用晶閘管和轉子位置檢測器來代替直流牽引電動機的換向器和炭刷結構。這種電動機具有直流電機的優點而沒有困難的“換向”問題。但晶閘管及其控制系統相當複雜，所以電子元件直接影響電動機的運行可靠性。三相交流非同步變頻牽引電動機結構簡單，工作可靠，成本低廉，是比較理想的牽引電動機。但由於需用變頻調速，它的發展和應用一度受到限制。60年代，大功率晶閘管變頻裝置的發展使非同步電動機能夠實現變頻調速。21世紀以來，各國已有較多機車和動車採用三相交流非同步變頻牽引電動機。聯邦德國和日本在試驗的磁懸浮高速車輛上採用直線非同步電動機。它的初級繞組敷設在地面導軌上，由地面的變頻電源供電以產生行波磁場，調節供電電源頻率就可改變磁懸浮高速車輛的速度。次級繞組就是反應板，裝在車輛的構架上。初級行波磁場和次級感應電流的相互作用，不僅產生使車輛前進的推力，而且還產生磁拉力以懸浮車輛，並在制動工況時起著動力制動的作用。

在機車或動車上用於驅動一根或幾根動輪軸的電動機。牽引電動機有多種類型，如直流牽引電動機、交流非同步牽引電動機和交流同步牽引電動機等。直流牽引電動機，尤其是直流串勵電動機有較好調速性能和工作特性，適應機車牽引特性的需要，獲得廣泛應用。

牽引電動機的工作原理與一般直流電動機相同，但有特殊的工作條件：空間尺寸受到軌距和動輪直徑的限制；在機車運行通過軌縫和道岔時要承受相當大的衝擊振動；大、小齒輪嚙合不良時電樞上會產生強烈的扭轉振動；在惡劣環境中運用，雨、雪、灰沙容易侵入等。因此牽引電動機在設計和結構上也有許多要求，如要充分利用機體內部空間使結構緊湊，要採用較高級的絕緣材料和導磁材料，零部件需有較高的機械強度和剛度，整台電機需有良好的通風散熱條件和防塵防潮能力，要採取特殊的措施以應付比較困難的“換向”條件以減少炭刷下的火花等。

牽引電動機有兩種懸掛方式。一種是牽引電動機和動輪軸連接的懸掛方式，稱為抱軸式懸掛或半懸掛。採用這種懸掛方式時，動輪通過軌縫和道岔所產生的衝擊振動會直接傳給牽引電動機。抱軸式懸掛適用於結構速度低於120公里/小時的機車車輛。另一種是架承式懸掛(或稱全懸掛)。採用這種懸掛方式時牽引電動機固定懸掛在轉向架構架上，在牽引電動機軸端和小、大齒輪之間加入各種彈性連接元件，以減小衝擊振動的影響。架承式懸掛適用於結構速度高於120公里/小時的機車車輛。

在用牽引變壓器降壓經硅整流器或大功率晶閘管整流后供電給直流串勵牽引電動機時，加在牽引電動機上的電壓為脈動電壓，因此這種牽引電動機稱為脈流牽引電動機。大功率脈流牽引電動機的“換向”條件更加困難。此外，電動機內部還有一些附加損耗，從而引起電動機溫升，因此，脈流牽引電動機在設計和結構上還要採取一定的特殊措施，以解決“換向”和溫升兩個突出的問題。

電力機車上的輔助電機可用直流電動機，也可用三相交流非同步電動機。用直流電動機作為輔助電機時，須由專用的硅整流器供電。用三相交流非同步輔助電動機時，須由靜止變相、變頻裝置或專用的旋轉電機供給三相電源。這種專用的旋轉電機稱為劈相機，可以把單相交流電變為三相交流電。

專用於電力傳動內燃機車，以供給牽引電動機電力的發電機，又稱主發電機。牽引發電機有直流和交流兩種。直流牽引發電機直接向直流牽引電動機供電。交流牽引發電機發出的三相交流電經硅整流器整流后再向直流牽引電動機供電。交流整流電路是三相的，整流電壓雖然有脈動，但脈動量比較小，因此牽引電動機還被認為是一般的直流電動機。

牽引電機通常採用變頻器供電。對試驗測試設備的功能及性能指標提出了較高的要求：

1、要求測試設備具有較寬的帶寬，並且在較寬的頻率範圍內均能獲取較高的測量精度；

2、部分試驗基波頻率可能低於5Hz，常規測量儀錶不能穩定讀數；

3、變頻器開關頻率較低，諧波含量豐富，且信號不是嚴格的周期信號，傅里葉變換時，需要較長的時間窗。

要正確測量牽引變頻器輸出的基波電壓有效值，必須注意：

1、採用正確的變頻電量測量裝置。電壓、電流感測器及儀錶應該有合理的帶寬、正確的測量模式（基波有效值模式）、輸出頻率下滿足準確級要求等等。

2、牽引變頻器顯示的基波有效值（接近理論值）與實際測量結果一致的前提是開關頻率（載波頻率）足夠高（至少大於基波頻率的20倍）。實際上，牽引變頻器的開關頻率往往比較低，一般低於1KHz，而基波頻率較高，所以並不滿足該條件。

3、要對基波有效值進行準確的、穩定的測量，前提是變頻器輸出為周期信號（傅里葉變換針對周期信號）。實際上由於牽引變頻器的開關頻率較低，當開關頻率不是基波頻率整數倍時，其輸出信號不是周期信號。例如：開關頻率為500Hz，基波頻率為60Hz，假如當前的基波周期從第0個脈衝的開始時刻開始，將在第9個脈衝的1/3時刻結束，而下一個基波周期，將從第9個脈衝的1/3時刻開始，顯然，這兩個基波周期不是一樣的信號，也就是說，變頻器輸出並非周期信號（當開關頻率較高時，這種非周期性的表現相對較弱）。

小結：基於上述原因，一般的測量系統很難準確、穩定的測量牽引變頻器輸出的電壓。

為了準確獲取電機的效率，應該採用低頻精度較高、帶微處理器的寬頻功率分析儀和準確級較高的變頻電量變送器/感測器。