交流传动机车的牵引特性与控制策略

牵引电机的机械特性决定了机车的牵引特性，变频调速异步牵引电机的特性及基本理论是实现机车牵引/制动特性、牵引控制（转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制、PWM控制）、逆变器和电动机容量确定的基础。

一、机车牵引控制特性

机车牵引特性是指机车牵引力F随速度v变化的关系曲线F＝f (v)。通常情况下，异步牵引电动机的运行可分为恒转矩区和恒功率区。因此，交流传动机车牵引运行可分为3个区：起动加速区、恒功率运行区和提高速度区（自然特性区），这 3个运行调节区如图4.24所示。

在基频fN（50Hz）以下为起动加速（恒转矩）区，采用VVVF控制，通过控制变流器的输出使其输出电压与频率按正比例关系变化。在基频fN和最高控制频率fmc之间为恒功率运行区，采用恒压调频控制，由式（1.16）可知，牵引电机的磁通随着频率的升高而下降（电源电压保持额定值或最大值)，类似直流电机的弱磁调速。在起动加速区和恒功率区的交点处，VVVF控制结束，变流器输出达到额定电压或最大电压。

图4.24　交流传动电力机车牵引特性

1.起动加速区

若牵引电机的气隙磁通保持不变，则电动机可以在任何转速下提供很大的转矩。由式（4.6）可知，只要保持转差频率恒定，即可得到恒定的转矩。转差频率越接近临界转差频率，在整个速度范围内可获得的转矩就越大，这就是所谓的恒转矩特性。利用这一特性，可以满足机车以不变的牵引力起动的要求。

恒转矩运行中，随着电动机转速的上升，电压提高，牵引电动机的输出功率增加。但是电压的提高受到电动机功率或逆变器最大电压的限制，于是电压提高到一定的值后将维持不变，或者电压不再正比于f1上升。此后，电动机将以恒功率输出为条件进行电压和频率控制。

2.恒功率特性区

牵引电机的输出转矩可以近似地认为是电磁转矩 Tem和频率f1的乘积，即：

要使 P2＝常数，可以按照U1＝常数、f2/f1＝常数，以获得最大电动机与最小逆变器的匹配。目前，所有电力传动系统均采用大电机与小逆变器的匹配方式，使系统获得更高的性价比。

3.自然特性区

当逆变器输出频率超出最高控制频率fmc以后，若牵引电机定子端电压U1和转差频率f2均维持不变，机车将运行在自然特性区，可进一步提高运行速度。

二、不同控制方式下的牵引特性

交流传动电力机车的牵引特性曲线都是由低速起动区和高速运行区组成。为了充分利用黏着限制条件，低速起动区采用准恒速转矩控制，高速运行区由恒功率范围向高速区迁移。机车的控制方式有以下 4种，不同的控制方式，其牵引特性也不尽相同。

1.恒转矩和恒功率控制的牵引特性

在低速区段特性曲线平直，机车按照恒转矩（恒牵引力）起动，牵引电机工作在恒压频比（CVCF）供电方式下，起动电流大。恒压频比控制结束后，进入恒压恒功率区段运行。

这种牵引特性具有恒功率运行范围大，加速性能好的特点，适合于动车组。CRH5型动车就采用此种控制方式，其牵引特性曲线如图4.25所示。

2.黏着控制与恒功率控制的牵引特性

在低速区，牵引力随着机车速度的升高而下降，牵引力采用与黏着限制曲线相近的变化趋势，以充分利用轮轨之间的黏着条件，机车按照准恒转矩（恒牵引力）运行。在额定频率点转入恒压恒功率高速区段运行。

图4.25　CRH5型动车牵引特性

这种牵引特性的显著特点是起动牵引力大、加速快，是目前普遍采用的一种控制方式，不仅适用于客运、货运电力机车，而且也适用于高速电动车组。CRH3、CRH2型动车组就采用这种控制方式，CRH2型动车组牵引特性曲线如图4.26所示。

图4.26　CRH2型动车组牵引特性

3.恒转矩、黏着控制与恒功率控制的牵引特性

这种特性曲线由3段组成，在低速起动区采用恒转矩/恒牵引力控制，可获得较大的牵引力；当机车速度上升到低速时的一定值后，按照黏着限制条件的斜线进行控制，以充分利用轮轨之间的黏着条件，牵引力随速度的提高而下降，直到持续速度点；从持续速度点开始进入恒功率运行区，按照恒功率输出。

这种牵引特性具有起动牵引力大，恒牵引力持续时间很短；黏着控制阶段牵引力随速度上升而下降，牵引电动机电流也相应减小，恒功率区向高速度端移动，恒功率范围小等特点，非常适合于大功率货运电力机车的牵引特性。HXD1、HXD2型电力机车采用这种控制模式，如图4.27、图4.28所示。

图4.27　HXD1型电力机车牵引特性

图4.28　HXD2型电力机车牵引特性

4.恒牵引力与准恒速控制的牵引特性

机车牵引力由恒定牵引力、最大牵引力和准恒速牵引力 3部分组成。牵引力按照特性控制时，对恒定牵引力、最大牵引力和准恒速牵引力进行比较，取最小值作为输出牵引力的控制值送入变流器。

货运电力机车一般采用恒牵引力准恒速的牵引特性，短暂的恒牵引力控制可以获得很大的起动牵引力。准恒速控制将使机车牵引力按照准恒速关系（线性关系）下降。当速度达到持续速度时，进入恒功率控制阶段，恒功率区位于机车运行的高速度段，可以充分发挥机车在高速段的牵引能力。HXD3型电力机车就采用恒牵引力与准恒速特性控制，详见第七章第六节。