一、项目基本技能
任务一 电力牵引系统概述
（一）电力牵引系统的基本概念
1.电力牵引系统
在交通运输工具中采用电动机驱动的电气传动部分，称为电力牵引系统。用于干线铁路机车车辆与城轨动车车辆的电动机，通常称为牵引电动机。它包括驱使机车或动车行驶的牵引电动机及供给牵引电动机电能的主发电机和其他辅助用电设备。
电力牵引系统以电动机为控制对象，通过开环或闭环控制系统对牵引电动机的牵引力和速度进行控制，从而实现对各类交通运输工具的运行控制。
任何运载工具的基本要求都是速度、安全和舒适。电力牵引控制系统的基本功能就是将人们对于运行的要求转化为对牵引电动机的控制参数，使牵引电动机按照人们所期望的运行方式运转工作。
2.牵引动力的配置
牵引动力的配置包括动力集中方式和动力分散方式，如图3-1和图3-2所示。
图3-1 动力集中方式
图3-2 动力分散方式
动力集中方式就是牵引动力装置都集中配置在一节被称为机车的车辆上。
动力分散方式是将牵引动力装置分散到多个称为动车的车辆上，并与其他无动力的车辆（称为拖车）组成一个单元。
3.牵引控制的要素
城市轨道交通以其安全、舒适、快捷、准时、运量大、占地少、无污染等特点备受城市管理者和市民的青睐，轨道交通电力牵引系统以速度、安全、舒适作为主要的控制目标，来满足轨道交通车辆的性能要求。
速度是轨道交通运输工具永恒的研究主题。城市轨道交通车辆作为一种便捷的交通工具，最根本的任务是承载旅客完成由甲地到乙地的运输任务。车辆运行的速度及其控制是城市轨道交通车辆完成运输任务的关键。城市轨道交通车辆的运行速度受多方面因素约束，如列车运行图、区间及车站信号、线路状况、列车上各功能设备的状态、乘客舒适度、行车安全性等，因此，对城市轨道交通车辆控制就是根据这些约束条件进行综合处理并形成最终的结果，即列车应该以何种方式或何种速度运行，并将这个决策贯彻于列车控制系统的每一个控制单元。目前我国列车运行速度及应用如表3-1所示。
表3-1 我国列车运行速度及应用
安全是轨道交通运输工具的最重要课题。城市轨道交通大部分与地面隔离，其特定的路权方式使系统安全可靠。此外，因为城市轨道交通具有运量大的特点，人们在设计、建设、管理以及资金的投入方面，对其安全特别重视。
舒适是乘客选择轨道交通列车的最主要原因。城市轨道交通有良好的环控体系和候车环境，乘客舒适性较好。
4.牵引基础
绝大多数城市轨道交通车辆属于轮轨式，即运行工况依赖于车轮和钢轨的相互作用力。在城市轨道交通车辆中，牵引动力由牵引电动机通过传动机构传递给动车的动力轮对（动轮），由车轮和钢轨的相互作用产生使车辆运行的反作用力，即轨道交通工具都是依赖车轮和钢轨之间相互作用从而使车辆运行的。因此，车轮和钢轨之间相互作用的理论是轨道交通牵引的基本理论，也是区别于其他种类运输方式的基本特点。
牵引基础的主要内容是动车的牵引特性、调速和制动原理、牵引运用的特点、动车牵引的运动规律、牵引计算及所有对牵引特性有影响的应用技术。根据物理学中摩擦的概念，轮轨之间的切向作用力就是摩擦力。最大静摩擦力是钢轨对车轮的反作用力的法向分力与静摩擦因数的乘积。但实际上，车轮和钢轨间切向作用力的最大值比物理学上的最大静摩擦力要小一些，情况也更复杂。在分析车辆轮轨相互作用时，引入两个重要的概念：“黏着”和“蠕滑”。
（1）黏着。
由于正压力（垂直载荷）而保持动轮与钢轨接触处相对静止的现象在轨道牵引制动理论中称为“黏着”。相应地，在黏着状态下轮轨间纵向水平作用力的最大值就称为黏着力。为了描述由黏着产生牵引力的这个现象，我们定义了一个参量，黏着力与轮轨间垂直载荷之比称为黏着系数，用以表示在一定的轴重下，动轮对所能获得轮周牵引力的大小。黏着系数用μ表示，即
式中：P——轮对的轴重；
Fi——由黏着产生的牵引力（由轮轨关系产生的蠕滑力）。
黏着系数μ并不是轮轨间传力关系的表述，只是客观上轮轨间所能传递的牵引力大小的表征，任何引起牵引力变化的现象都可以表示为黏着系数μ的变化，所以黏着系数μ是电力牵引控制系统的一个重要参量。
轮轨之间的黏着与静力学中的静摩擦的物理性质十分相似，但比物理上的“最大静摩擦力”要小得多。
如果牵引电动机的牵引切向力等于黏着力，轮轨之间没有相对滑动，动轮对做纯滚动运动。当轮轨间一旦出现牵引切向力大于黏着力的情况，轮轨间就会出现相对滑动，黏着状态被破坏。动轮和钢轨之间的相对运动由纯滚动变为既有滚动又有滑动。这种因牵引电动机的牵引切向力过大，而使轮轨接触点发生相对滑动的现象称为“空转”。空转会造成动轮踏面和轨面的剧烈磨耗。如果在列车起动时发生动车动轮“空转”，列车没能起动而驾驶员又没有及时采取措施减少动轮受到的力矩，甚至可以发生把钢轨的轨头磨掉，动轮陷入钢轨凹下的深坑内的严重事故，如图3-3所示。因此，牵引运行应尽量防止出现动轮的空转。
图3-3 空转后果
黏着与电牵引系统之间的关系：电牵引系统的根本目的是通过牵引电动机产生使列车前进的动力——牵引力，而牵引力的产生则取决于轮轨间的接触传力机制；电牵引系统与提高车辆的黏着系数μmax无关，但与实际应用中的平均黏着系数μp有关。电牵引系统通过控制手段可以提高应用黏着系数，提高列车的平均牵引力。
黏着控制：使动轮对在各种不同的条件下都能充分发挥其应有的牵引力，即充分利用黏着，能在工作点失去之后尽可能快地重新确定新的稳定运行工作点。
（2）蠕滑。
在动轮正压力的作用下，轮轨接触处产生弹性变形，形成椭圆形的接触面。从微观上看，两接触面是粗糙不平的。由于切向力的作用，动轮在钢轨上滚动时，车轮和钢轨的粗糙接触面产生新弹性变形，接触面间出现微量滑动，即“蠕滑”。蠕滑是滚动体的正常滑动。动轮在滚动过程中必然会产生蠕滑现象。伴随着蠕滑产生静摩擦力，轮轨之间才能传递切向力。由于蠕滑的存在，牵引时动轮的滚动圆周速度将比其前进速度高。这两种速度的差称为蠕滑速度。蠕滑现象如图3-4所示，图中阴影部分为滚动区。
图3-4 牵引工况轮轨接触处的弹性变形
轮轨之间不是纯滚动运动关系，而是带有微量滑动的滚动。而正是这种微量滑动，才使得轮轨之间产生摩擦传力（产生牵引力）。在一定的轮轨条件下，轮轨间允许传递的力有一个最大值。如果驱动力超过这个最大值，就将使轮轨的微量滑动成为宏观上的滑动，从而从根本上取消产生传力的基础。因此在任何时刻，各种运行条件下，维持轮轨间的微量滑动是保持机车牵引力的重要基础。
5.牵引特性
牵引力和制动力的形成。
牵引力是使列车产生前进运动的外力，其方向与运动方向相同；制动力是阻碍列车运动的外力，其方向与运动方向相反；阻力是列车运动中外界环境对车轮或车辆产生的阻碍其运动的力，其方向与运动方向相反。
机车运行中牵引力随机车速度变化的规律，即F＝f（v）称为机车牵引特性。牵引特性曲线如图3-5所示。用牵引特性计算列车的牵引、制动功率；牵引特性是计算列车牵引力和制动性能最重要的原始数据，是列车最重要的特性之一。
图3-5 牵引特性曲线
牵引工作区域的限制：最大电流限制——电动机的最大电流；黏着限制——可用黏着系数；最大功率限制——电动机的最大功率；构造速度限制——机车的最高速度。
6.电力牵引系统结构
牵引系统的功能——实现能量的转换，即实现电能到机械能的转换。如图3-6所示，电力牵引系统是由牵引变电所、接触网、牵引变压器、变流器、牵引电动机、控制保护屏等部分组成的。
7.电力牵引系统的供电制式
轨道交通车辆有直流和交流两种供电制式。干线铁路采用25kV单相、工频交流电供电；因地铁和轻轨交通运输的速度要求不高，所以，常采用直流供电。直流供电的电压制式较多，其发展趋向是IEC标准中的DC600V、DC750V、DC1500V三种，我国国家标准《地铁直流供电系统》中规定采用DC750V（波动范围500～900V）和DC1500V（波动范围1000～1800V）两种。直流1500V或750V用于地铁和轻轨列车供电；直流600V，用于城市电车供电。长春轻轨采用750V的直流供电制式。
8.电力牵引系统的供电方式
我国电力牵引系统有接触网供电和接触轨（第三轨）供电两种方式。电动列车的受流方式依据供电方式的不同分为接触网受流和第三轨受流。接触网供电是通过沿轨道线路上空架设的特殊输电线向行走在线路上的电动列车不间断地供应电能。电动列车利用顶部的受电弓与接触网滑动摩擦而获得电能。接触轨供电是指在列车行走的两条路轨以外，再加上带电的钢轨（一般使用钢铝复合轨）。带电钢轨设于两轨之间或其中一轨的外侧。列车受流器（集电装置也叫集电靴或取流靴）在带电轨上接触滑行取得电能。通常城市轨道交通车辆在电网电压1500V时多采用架空接触网形式，由安装在车辆顶部的受电弓将接触网的电能引入底架下部高压箱中。当电网电压为750V及以下时，较多由第三轨受电。例如，北京地铁、天津轻轨采用DC750V电压，第三轨供电方式；如上海、广州地铁大部分线路采用DC1500V电压，高架接触网供电方式。两种供电方式分别如图3-7和图3-8所示。
图3-6 电力牵引系统结构组成
图3-7 第三轨供电
9.牵引电路
列车上的各种电气设备，通过电气线路互相连接起来，构成一个整体，实现列车的各项功能。列车电路的设计对于列车牵引、控制等各方面的性能有很大的影响，是列车电气系统中一个非常重要的组成部分。
牵引电路包括：主电路、辅助电路和控制电路（励磁电路）三部分。
图3-8 接触网供电
（1）主电路。
牵引系统实现功率传送的电路称为主电路。主电路将产生列车牵引力和制动力的各种电气设备连成一个电气系统，实现牵引功率的传输。它是牵引系统最重要的组成部分。它的结构决定牵引系统的类型，而且即使同一类型的机车或动车，如主电路的结构不同，也会在很大程度上决定该型机车或动车的基本特性。主电路的组成示意图如图3-9所示。
图3-9 主电路组成示意图
主电路有以下三种供电结构形式：
①车控方式（集中供电）。
车控方式下机车或动车的所有牵引电动机并联起来由一个电源（整流器或逆变器）供电。
②架控方式（混合供电）。
架控方式是一个转向架上的2台或3台牵引电动机并联后由一个整流器或逆变器供电。
③轴控方式（独立供电）。
轴控方式则是每一个牵引电动机均由一个独立的整流器或逆变器供电。
（2）辅助电路。
辅助电路将牵引系统中的各种辅助电气设备和辅助电源连成一个电气系统，成为保证牵引系统正常运转不可缺少的电气装置。主要包括空气压缩机装置、列车照明装置、空调装置和辅助逆变器等辅助电源装置。
辅助电路还可以包括旅客信息系统的供电、通信设备、自动门以及用来改善乘务人员和旅客工作和生活条件的设备。
（3）控制电路。
控制电路将主电路和辅助电路中各电气设备的控制装置、信号装置和控制电源连成一个电气系统，实现对列车的操纵和控制。控制电路普遍采用的是间接控制，司机通过司机控制器操纵各种低电压的控制电器，再通过这些电器的动作去改变主电路或辅助电路的工作状态，实现对机车运行的控制。主要包括：控制逻辑电路、信息（命令和状态）传送电路、信息显示（仪表）电路。
控制逻辑电路：控制逻辑电路由继电器、接触器、电子器件、逻辑控制单元等组成。通过顺序逻辑控制、控制联锁和互锁等电路实现“与”“或”等逻辑控制，从而确保正确形成牵引、制动等运行工况。
信息传送电路：信息传送电路采用DC110V电平控制，传送控制命令即牵引、制动指令以及各个电气设备的工作状态。信息传送电路有三种传送方式：直通线方式、串行通信方式、计算机网络通信方式。直通线方式是以DC110V电平为信号电平来传送信息，信号传送简单、直接、快速，单信号传送可靠性较好。这种传送方式需要大量的直通线来传送各种命令和设备状态，随着直通线数量的增加，其可靠性随之大幅度下降。采用PWM调制的方法可在一根直通线上传送多个信息，从而部分解决了信号量的问题，但需要增加调制解调器。串行通信方式彻底解决了通信量的问题。几根（2根或4根）串行通信线就可以传送所有的信息，可靠性也有较大的提高。常用的串行通信方式有RS-232和RS-485两种串行通信总线。串行通信方式的主要问题在于没有保证通信数据完整无缺的机制，即串行通信缺少数据安全的保障机制。计算机网络通信方式传输速度高、可靠性强、数据传输安全性好、传输距离长。列车上比较普遍应用的网络有TCN（IEC61375-1）、WORLDFIP（EN50170-3）和LONGWORKS（IEEE1473）。现场总线实际上是一种计算机网络通信的低级形式。三种方式可以在同一列车或机车上同时运用。传送的方式应该根据控制电路设计的需要而采用不同的方式。
信息显示电路：信息显示电路就是习惯上所谓的仪表电路。列车信息显示已经采用智能化的显示终端来补充和替代常规的仪表显示和显示电路，如图3-10所示。
10.电力牵引系统类型
电力牵引系统分为两大类：一类是采用直流牵引电动机的牵引系统，我们称之为直流牵引系统；另一类是采用交流异步牵引电动机的牵引系统，我们称之为交流牵引系统。
直流牵引系统和交流牵引系统在使用的电子电气装置、控制的策略和方法以及实现的技术手段方面都有很大的不同，在系统的性能方面也有很大的差别。
图3-10 信息仪表显示电路
（1）直流牵引系统。
直流牵引系统——牵引电动机为直流牵引电动机。
①交流-直流方式。
电力机车上装有降压变压器和大功率整流设备，可将高压电源降压，再整流成适合直流牵引电机应用的低压直流电。电动机的调速调压可以通过改变降压变压器的抽头或可控整流装置实现。这种牵引供电制式也称为工频单相交流制，是当今世界各国干线电气化铁路应用较普遍的牵引供电制式。我国干线电气化铁路即采用这种制式，其供电电压为25kV。其原理如图3-11所示。
图3-11 交流供电-整流-直流牵引电动机供电制式原理
②直流-直流方式。
动车由受电弓从接触网取得直流电，经断路器、启动电阻向直流牵引电动机供电，牵引电流经钢轨流回变电所。其原理如图3-12所示。北京地铁古城车辆段地铁动车主要是斩波调阻控制方式的直流-直流方式传动系统，如图3-12（A）所示；太平湖车辆段地铁动车主要是凸轮（机械）调阻控制的直流-直流方式传动系统，如图3-12（B）所示。
（2）交流牵引系统。
交流牵引系统——牵引电动机为交流牵引电动机。
①直流-交流方式。
交流异步电动机驱动的直-交型电动车组，由直流电网供电，由斩波器调压，通过逆变器完成三相交流电的变换，供给三相异步电动机；或者用逆变器一次完成调压调频的任务。其原理如图3-13所示。
图3-12 直流供电-斩波器-直流牵引电动机供电制式原理
图3-13 直流供电-逆变器-交流牵引电动机供电制式原理
电动车受电弓从接触网受流，通过高速断路器后，将高压直流电送入VVVF牵引逆变器。VVVF牵引逆变器采用PWM（脉宽调制模式），将高压直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电供给交流三相异步电动机，对电动机进行调速，实现列车的牵引、制动功能。
②交流-直流-交流方式。
交流异步电动机驱动的交-直-交型电动车组，由交流电网供电，经过变压器变压、整流装置整流，将整流后的电流送入VVVF牵引逆变器，VVVF牵引逆变器将直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电供给交流三相异步电动机，对电动机进行调速，实现列车的牵引、制动功能。其原理如图3-14所示。
图3-14 交流供电-整流-逆变器-交流牵引电动机
任务二 交流牵引传动系统概述
直流牵引电动机具有良好的牵引和制动性能，通过调节端电压和励磁，就可以很方便地调速。但是，直流牵引电动机的防空转性能较差，换向器与电刷结构存在换向困难、同等功率下电动机的体积和重量较大等一系列问题。随着功率晶闸管，特别是近年来全控型电力电子器件的迅速发展，可调压调频的逆变装置已经成功解决了交流电动机的调速问题。交流牵引系统是指采用由各种变流器供电的异步或同步电动机的牵引系统。20世纪80年代的整个十年中交流牵引系统迅速发展和成熟，90年代后欧洲各国相继停止了直流牵引系统的生产，交流牵引系统全面取代了直流牵引系统。我国对交流牵引系统的研究起步于20世纪70年代，90年代中期研制交流牵引系统的电力机车原型车AC4000，21世纪，我国已经相继开发生产了应用于“中华之星”等动车组的交流牵引系统和应用于地铁列车的交流牵引系统。
交流牵引系统的特点：
（1）具有优良的牵引特性和制动特性。
（2）装机功率大，牵引电动机功率可做到1000kW以上。
（3）重量轻，异步电动机与直流电动机的重量之比为1∶1.6。
（4）调速范围宽，一般均在160Hz以上。
（5）具备稳定性和快速的动态响应性能。
（6）谐波小，效率高，可靠性好。
交流牵引系统中的交流异步电动机结构简单、成本低、工作可靠、寿命长、通用性好、维修和运行费用低、防空转性能好，所以是一种理想的牵引电动机，在城市轨道交通领域中正在迅速取代直流牵引电动机。目前城市轨道交通车辆普遍采用的是交流异步电动机，尤其是三相笼型异步电动机，这种电动机非常经济、耐用、可靠，在工业上最为常用，通用性好。异步电动机采用VVVF控制，即直流电通过逆变器变为三相交流电，用电压和频率的变化来控制异步电动机的转速，获得最佳的调速性能，并实现再生制动。
（一）交流电动机
1.三相笼型异步电动机的结构
三相笼型异步电动机的结构组成如图3-15所示。主要由定子、转子、轴承、机壳、端盖和其他附件等构成。
图3-15 三相笼型异步电动机的结构组成
定子（静止部分）：由定子铁芯、定子绕组和机座组成，其结构如图3-16所示。
图3-16 三相笼型异步电动机定子结构
定子铁芯一般由0.35～0.5mm厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，其作用是作为电动机磁路的一部分，在铁芯的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。定子绕组由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同的绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。定子绕组的作用是作为电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。其作用是固定定子铁芯与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。
转子（旋转部分）：转子由转子铁芯和转子绕组两部分组成，其结构如图3-17所示。
图3-17 三相笼型异步电动机转子结构
三相异步电动机的转子铁芯所用材料与定子一样，由0.5mm厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁芯冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁芯。一般小型异步电动机的转子铁芯直接压装在转轴上，大中型异步电动机（转子直径在300～400mm）的转子铁芯则借助于转子支架压在转轴上。其作用是作为电动机磁路的一部分以及在铁芯槽内放置转子绕组。三相异步电动机的转子分为鼠笼式转子和绕线式转子。鼠笼式转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁芯，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100kW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。绕线式转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路连接。其特点是结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的启、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。三相异步电动机转子绕组的作用是切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。
三相异步电动机的其他附件主要包括：起支撑作用的端盖，连接转动部分与不动部分的轴承，保护轴承的轴承端盖和冷却电动机用的风扇。
2.三相异步电动机的工作原理
（1）旋转磁场。
如图3-18所示。在三相异步电动机定子铁芯槽中布置结构完全相同、在空间各相差120°电角度的三相定子绕组AX（U相）、BY（V相）、CZ（W相），三相绕组接成星形联结，向定子三相绕组中通入三相电流iA（iU）、iB（iV）、iC（iW），各相电流将在定子绕组中分别产生相应的磁场，由于三相交流电各相相位互差120°，因此在定子、转子与空气隙中产生一个沿定子内圆旋转的磁场，该磁场称为旋转磁场。
图3-18 三相笼型异步电动机工作原理图
旋转磁场的方向与三相电流的相序一致。如果三相电流的相序为正序（U→V→W），则旋转磁场顺时针旋转。只要任意调换电动机两相绕组所接交流电源的相序，旋转磁场即反转。
旋转磁场的旋转速度n1：
式中：f1——交流电的频率（Hz）；
p——电动机磁极对数；
n1——旋转磁场的转速，又称同步转速（r／min）。
（2）转子旋转原理。
如图3-19所示，为三相笼型异步电动机定子与转子剖面图。转子上的6个小圆圈表示自成闭合回路的转子导体。当向三相定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n0沿定子和转子内圆空间做顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以n1转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向以转速n旋转。
图3-19 三相异步电动机旋转原理
通过上述分析可以总结出电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120°电角度）通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。因此要改变三相异步电动机的旋转方向只需改变旋转磁场的转向即可。
（3）转差率s。
由异步电动机的旋转原理可知：只有当转子的转速与磁场的转速出现转速差，才会感应出转子电流，从而产生转矩。有转速差是异步电动机旋转的必要条件，异步的名称也由此而来。旋转磁场的同步转速n1与电动机转子实际转速n之差与旋转磁场的同步转速n1之比称为转差率：
转差率s是分析异步电动机运行情况的主要参数，它可以表示异步电动机的各种运行状态。
①三相异步电动机作为电动机运行。
在电动机刚启动时，转子转速n＝0，则s＝1，转子切割旋转磁场的相对速度最大，转子中的电势及电流也最大。电动机转速会逐渐上升，随着转子转速n上升，转差率s减小，转子切割旋转磁场的相对速度减小，转子中的电势及电流也减小。在额定状态下，异步电动机的转差率s很小，为0.015～0.060。当n＝n1时，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感应，也不会产生电磁转矩。
可见，作为电动机运行时，转速n在0～n1的范围内变化，而转差率s则在1～0之间变化，即当0＜s＜1时，电机处于电动机状态。
②三相异步电动机作为发电机运行。
当s＜0时，转子转速n高于同步转速n1，电磁转矩与转子转速方向相反，为制动转矩，电机从转子轴上吸取机械能，通过电磁感应由定子向逆变器及电网输出电功率，此时电动机处于发电机状态。
对于干线电动车、地铁动车，如果电动机在正常运转时，突然降低定子的供电频率，转子的机械惯性将使之维持在高于旋转磁场的转速上，这时转差率s为负值，进入发电机状态。电动机转轴上的机械能变成电能回馈给电网或消耗在电阻上。在动车下坡或高速运行需要制动时极易实现上述运行状态，称为再生制动或电阻制动。
③三相异步电动机在电磁制动状态下运行。
当s＞1时，转子转速n与同步转速n1方向相反，电磁转矩与转子转速方向相反，为制动转矩，电机一方面从转子轴上吸取机械能，同时又从电网吸收电功率，这两部分功率消耗在转子回路的电阻上，电机处于电磁制动状态。
对于干线电动车、地铁动车，如果电动机在正常运转时，突然改变定子的相序，即可获得这种状态，此时电动机将急剧趋于停转。而电源若不及时断开，则转子将继续加速至相反的方向旋转，电机处于电磁制动状态下运行。
（二）三相鼠笼式异步牵引电动机
1.三相鼠笼式异步牵引电动机概述
直流牵引电动机具有良好的牵引和制动性能，通过调节端电压和励磁，就可以很方便地调速。但是，直流牵引电动机的防空转性能较差，换向器与电刷结构存在换向困难、同等功率下电动机的体积和重量较大等一系列问题。城市轨道交通车辆普遍采用的是交流异步牵引电动机，采用VVVF控制，即直流电通过逆变器变为三相交流电，用电压和频率的变化来控制异步电动机，获得最佳的调速性能，并实现再生制动。一般来说，采用三相鼠笼式异步牵引电动机具有以下优点：
（1）单位比功率大、体积小、重量轻。
（2）结构简单、牢固，维修工作量大大减少。
（3）有良好的牵引性能。合理地设计三相异步牵引电动机的调频、调压特性，可以实现大范围的平滑调速，充分满足动车的运行需要。同时其硬的机械特性，有自然防空转的性能，使黏着性能提高。另外，三相异步牵引电动机对瞬时过电压和过电流很不敏感，它在启动时能在更长的时间内发出大的启动力矩。
（4）在电动车上可以节省若干电器，并有利于实现自动控制。三相异步牵引电动机转向的改变以及从牵引到再生制动状态的转变，无须变换动车的主电路，而仅仅通过控制系统改变变频器任意两相可控硅元件的触发顺序即可使电动机反转。当动车进入再生状态时，对于三相异步牵引电动机，此时无须转换主电路，只是通过控制逆变器的频率，使电动机超同步状态运行即可实现再生，以上为无触点转换，省去了相关的开关电器等。
（5）采用直-交传动的电力动车，可以采用VVVF逆变器控制地铁车辆。它可以使电动机从电网所取的电流十分接近正弦波形，在广泛的负载范围内使动车的功率系数接近于1。在减小对于通信信号的谐波干扰和充分利用电网的传输功率方面有重要意义。
VVVF技术是指通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。目前的变频系统还采用微机控制技术，它可根据电动机负载的变化实现自动、平滑地增速或减速。VVVF逆变器控制轨道车辆有以下主要优点：
①采用异步电动机，VVVF无触点控制，维修作业显著减少。
②牵引系统小型化。
③再生率高达35%，节电效果显著。
④黏着性能提高，可充分利用黏着性能。
目前采用VVVF逆变器控制的变压变频调速系统由于其效率高、性能好，调速时同时调节电压和频率，电动机的机械特性基本平行移动，而转差率不变，成为当前交流调速系统的主要发展方向，我国的地铁和轻轨车辆基本上采用VVVF变压变频调速方式，如北京城轨13号线、武汉轻轨1号线、广州地铁2号线等。
2.VVVF逆变器对动车车辆的控制
在城市轨道交通电动车组中多是采用可调电源的异步电动机。无论采用什么控制方法，从转矩调节的物理过程来说，归根到底只有变频调节和变压调节两种，这两种方法可以各自单独使用，但对于牵引一类的场合，大都联合使用。
首先，如果异步电动机在单纯变压调节的情况下，其转矩-转速特性曲线的位置和形状不变，但随着电压的平方而缩小或放大。在调节过程中，改变端电压，直到给定的速度点上发出负载所要求的转矩。这种调节方式方法简单，但不适合于牵引应用。这是因为：第一，供电电压不允许超过电动机的额定电压，电动机的转速仅能在小于额定值的小范围内变化，当改变逆变电压时，随着电压的增减速度也随之增减，但由于同步转速不变，平衡点仅有稍许变化，而速度不会产生太大的变化；第二，由于转矩随速度的平方而减小，而转子电流随转速的一次方而减小，所以，电动机在相同的热负载下，输出的功率较小；第三，最大转矩随供电电压的平方而下降，所以在低速运行时，为确保电动机不过热，负载转矩随转速而减小，这不符合牵引电动机的特性要求。
其次，在牵引传动中，大都是采用变频变压联合调节方式，以满足大启动转矩和宽恒功率区的要求。在变频调节时，如果供电电压不变，减少频率将引起磁通增加，导致电动机磁饱和，从而使电流畸变，损耗增加，噪声加大，反之，增加频率将引起磁通减少，电动机发挥转矩的能力下降。所以，在额定转速下，一般按恒磁通要求进行调节；而在额定转速以上，异步电动机将在恒电压下工作，即保持电压为常数。
因此，为了控制速度必须改变电源的频率。同步速度与电源频率成正比变化，而转矩具有随电源频率增加而减少的趋势。所以，仅仅提高电源的频率，电动机也未必能够提高转速。
综上所述：异步电动机的速度控制要依靠电源电压U1、电源频率f1和转差频率f2（转子电动势的频率，因与转差率s成正比，所以又称它为转差频率）这三个因素来进行。地铁、轻轨车辆牵引普遍采用调频调压控制，即所谓的VVVF控制。
（1）直-交变频调压的基本原理。
所谓直-交就是把直流供电经过逆变器变为交流电。逆变器是交流牵引系统中最重要的组成部分，是能量转换中的一个重要环节，逆变器不但实现直流到交流的变换，而且还需要实现牵引特性曲线上的牵引力（牵引电动机的转矩）要求。其外形结构如图3-20所示。
图3-20 逆变器外形结构
根据中间直流环节电源性质的不同有两种类型的逆变器，即电压型逆变器和电流型逆变器。
牵引系统中目前均采用电压型逆变器。电压型牵引逆变器的基本电路如图3-21所示。
图3-21 电压型牵引逆变器的基本电路
由6个开关组成了一个三相桥式电路。交替打开和关断这6个开关，就可以在输出端得到相位各相差120°（电气角）的三相交流电源。该电源的频率由开关频率决定，而幅值则等于直流电源的幅值。(https://www.daowen.com)
VVVF控制的工作频率范围一般斩波调制是0～100Hz。当频率较低时，矩形波较长，在一段时间内相当于直流，这样会造成牵引电动机的磁路饱和，产生相当大的冲击电流，为了防止磁路饱和，在逆变过程中，将采用斩波调制的方法，将矩形波变成若干段矩形波，波形如图3-22所示。经过斩波调制即保证了逆变频率和电压，防止牵引电动机的磁路饱和产生冲击电流。
图3-22 电压型逆变器的输出波形及斩波调制多段矩形波
（2）由VVVF逆变器控制异步牵引电动机。
三相异步牵引电动机需要施加三相交流电压，所以必须把从接触网或第三轨受取的直流变成交流。为了控制车辆用的异步电动机，必须改变三相交流电的电压和频率，即需要可变电压、可变频率的VVVF逆变器。
（3）用逆变器把直流变换成交流。
直流变换成交流，在原理上由三相逆变器的IGBT开关按照规定的顺序进行开、关操作，即可向异步电动机供给三相交流电。
（4）旋转方向的切换。
在VVVF逆变器中，改变半导体开关的触发顺序，即可改变相序，从而使异步电动机的旋转方向反向。
（5）牵引-再生制动的切换。
当异步电动机旋转时把转差率转变成负值，电动机将产生制动作用，而且通过VVVF逆变器将把制动电流变成直流而形成再生制动电流。
所谓把转差率转变成负值，就是要使逆变器的频率小于电动机的旋转频率。因此，只要单纯控制逆变器的频率即可实现牵引-再生制动的切换。
（6）交流电压的控制。
在VVVF逆变器中，需要改变输出电压和频率，控制开关（IGBT）的频率即可控制电源的频率，电压的控制则采取PWM控制方法。增减逆变器输出电压的手段是采用控制平均电压的方法。与斩波的情况类似，以适当地把开关（IGBT）接通和断开的方法，切除一定的电压，使电压改变，把此方法称为PWM控制。
PWM控制是把一定幅值的电压进行斩波，增减其脉冲的宽度即可改变其平均电压。就是说，脉冲的宽度越小，其平均电压就越小；另外，改变输出线间电压半周内的脉冲数也可控制输出电压。应用这种PWM控制，适当选取脉冲的数量和宽度，即可得到近似的正弦波，如图3-23所示。
图3-23 通过改变脉冲宽度来调节输出电压的大小
PWM方法不仅实现了在改变频率的同时调整了电压，而且可以使逆变器输出电压的高次谐波分量大大减小，因此获得普遍的运用。这就是称为VVVF的逆变器。
（7）车辆的控制——VVVF控制城轨车辆的速度。
从牵引应用的要求出发，列车要求在起动过程中有均匀的加速力和加速度，以实现平稳起动，也就是需要按恒转矩起动。在恒转矩起动过程中保持气隙磁通恒定是必要的，且一般可以使气隙磁通等于额定磁通，以获得定子电流恒定为额定电流。当列车达到额定速度进入稳定运行时，为了使牵引系统的设备容量和能力得到充分利用，则要求在任何速度点上都达到额定功率值，即按恒功率运行。异步电动特性可以分为三个区间：恒转矩、恒功率和恒电压，如图3-24所示。
图3-24 牵引异步电动机的工作区
在VVVF逆变器控制异步电动机的情况下，控制逆变器的输出电压和频率即可得到各种特性，即需控制三个因素：逆变电压（U1）、逆变频率（f1）和转差频率（f2）。由f2正负符号的切换即可进行牵引与再生制动的转换。即f2＞0（0＜s＜1时，f2＝sf1＞0）时牵引；f2＜0（s＜0）时再生制动。控制U1／f1或f1即可得到电动机所需的牵引特性。
为了得到同直流串励电动机类似的牵引特性，地铁动车异步电动机的变频调速控制有以下几种方法：U1／f1恒定控制、恒转差频率控制、恒功率控制和恒电压控制。
U1／f1恒定控制：U／f恒定控制可以在较大的速度范围内输出恒定转矩。车辆的速度与电源频率基本成正比，而车辆的速度与电动机的反电动势也是正比例关系，电源电压应当与车辆的速度即电源频率成正比，也就是保持U1／f1恒定。但是，逆变电路输出电压的最大值受电网电压的限制，采用这种控制方法得到的速度范围不是无限的。它相当于应用直流串励电动机的车辆用调节电阻来控制主电动机的端电压得到的速度范围。在低频时要适当加大电压，即增大U／f值以保持气隙磁通不变，进而保持恒定转矩输出。U1／f1恒定控制较多的应用于简单的开环调速系统中。
恒转差频率控制：是逆变电路的输出电压达到最大值以后，仅仅改变逆变电路的输出频率的控制方法。
恒功率控制：恒转差频率控制时，随着速度的增加，转矩急剧下降，如果设计时转差频率对于最大值留有余地，则在速度增加的同时增加转差频率，可以防止转矩下降过多。即电源电压恒定、转差频率与电源频率成正比，输入电流基本恒定，称为恒功率控制。这种方式等效于直流串励电动机消弱磁场控制。
恒电压控制：U1／f1恒定控制时，即使逆变电路输出电压为最大，如果输出电流、转差频率到最大转矩对应点还有余量，可以用恒转矩控制扩大速度范围。
以上的方法只是用于开环控制系统。如果采用闭环系统，则可使E1／f1为常数，这样在包括低频在内的整个频率范围内都可得到恒磁通运行。
目前，用于城市轨道交通车辆的闭环控制系统有转差-电流控制、矢量控制及直接转矩控制等。
3.闭环控制系统控制方式
对于轨道交通牵引系统来说，最主要的是要求牵引系统在一个相当宽度的范围内，对每个速度都提供相应的合适的力矩值。牵引逆变器只有两个控制变量，即电压和频率。
逆变器控制可以划分成两大类，即直接力矩控制法和间接力矩控制法。间接力矩控制法中主要包括滑差控制和磁场定向控制。
（1）转差控制（滑差频率-电流控制）。
在稳态条件下建立定子电流幅值、转差频率与电动机转速、转矩的数学关系，由此推算出各种运行条件下的转差频率，再由转差频率和电动机转速计算出定子频率，根据电压与频率的线性关系得到电动机端电压。由转速、转矩计算出的定子电流给定值与实际反馈值形成电流闭环控制，补偿电动机端电压。
（2）矢量控制（磁场定向控制）。
磁场定向控制，也称矢量控制。这种方法是采用坐标变换的方法，把电动机的三相电流、电压、磁链变换到以转子磁场定向的M、T二相坐标系中。这个二相坐标系的M轴（磁化轴）沿着转子磁链方向；而与M轴垂直的T轴则与转子电流的方向重合。三相电流经变换后，它的M轴分量就是产生转子磁通的磁化电流；而它的T轴分量与I2成正比，代表了电动机的转矩。由于在M-T坐标系中两者没有耦合关系，因此电动机的转矩控制可以通过分别对定子电流的这两个分量独立控制来实现，这种情况与直流电动机的调速控制完全相似，其向量图如图3-25所示。矢量控制的优点是在保持磁通一定的情况下，控制转矩电流分量，即使转矩目标值急剧变化时也不至于产生显著的振荡和超调，从而实现快速动态响应控制，调速范围宽，使电动机转矩迅速变化到目标值，从而大大提高对空转和滑行控制的效率。其缺点是向量变换、计算均比较复杂。
图3-25 矢量控制向量图
（3）直接转矩控制。
磁场定向的控制方法有直接控制和间接控制两种。直接磁场定向控制法，是直接测量电机气隙磁通，以确定转子磁通向量的大小和位置；间接控制法是检测电机电压和电流等参数，计算出磁通的大小和位置。
直接转矩控制将逆变器的控制模式与牵引电动机的性能作为一个整体，建立磁链和逆变器开关模式之间的关系，通过逆变器开关的控制，获得一个准圆形的气隙磁场，既能实现磁链的幅值控制，又能实现电动机转矩的控制。将磁链调节器和转矩调节器连接起来，共同控制逆变器的开关状态，既保证电动机的磁链矢量近似为一旋转的圆，又能使电动机的转矩快速跟随转矩的给定值而变化，从而使调速系统获得很高的动态性能。
磁场定向控制系统的结构比较复杂，对电机转子参数的变化反应敏感，能在零速度时实现磁场定向，通常需要在控制系统中加入复杂的电机参数在线辨识功能，才能达到理想的控制性能。
任务三 直流牵引传动系统与直线电机的应用
（一）直流牵引电动机的结构与工作原理
电机中存在着磁路和电路，电和磁的联系可通过电磁感应定律来分析。由电磁感应定律可知：导体切割磁力线将在导体中产生感应电动势；由电磁力定律可知：通电导体在磁场内会受到电磁力的作用。城市轨道交通车辆的牵引电机就是利用这两种电磁效应，实现电能与机械能的相互转换，即把电能转变成车辆的机械能。
直流牵引系统采用直流牵引电动机作为驱动电机。直流串励牵引电动机具有启动性能好、调速范围大、调速方法简单、过载能力强、功率充分利用、控制直接简单灵活等优点，因此在直流传动系统中一直作为各种铁道车辆的主要牵引动力。我国的韶山（SSx）系列电力机车和东风型（DFx）内燃机车采用的都是直流牵引系统。北京第一条地铁线使用的列车和上海的地铁1号线列车采用的也是直流牵引系统。
1.直流电动机的工作原理
直流电动机的工作原理如图3-26所示。在图中，线圈连着换向片，换向片固定于转轴上，随电动机轴一起旋转，换向片之间及换向片与转轴之间均互相绝缘，它们构成的整体称为换向器。电刷A、B在空间上固定不动。在电动机的两电刷端加上直流电压，由电刷和换向器将电能引入电枢线圈中，并保证了同一个极下线圈边中的电流始终是一个方向，继而保证了该极下线圈边所受的电磁力方向不变，保证了电动机能连续地旋转，以实现将电能转换成机械能以拖动生产机械，这就是直流电动机的工作原理。注意：每个线圈边中的电流方向是交变的。
图3-26 直流电动机的工作原理
2.直流电动机的结构
直流电动机的结构如图3-27所示。电机要实现机电能量变换，电路和磁路之间必须有相对运动。所以旋转电机具备静止的和旋转的两大部分。静止和旋转部分之间有一定大小的间隙，称为气隙。
静止的部分称为定子，作用是产生磁场和作为电机的机械支撑。包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承、电刷装置等。励磁电动机的主磁极由主磁极铁芯和主磁极绕组两部分组成。旋转部分称为转子或电枢，包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴和风扇等。用来感应电动势和通过电流，实现能量转换，是电路的主要部分。
3.直流电动机按励磁方式分类
励磁方式是指直流电动机主磁场产生的方式。直流电动机主磁场的获得通常有两类：一类是由永久磁铁产生；另一类利用给主磁极绕组通入直流电产生。前者称为永磁电动机；后者称为励磁电动机。根据主磁极绕组与电枢绕组连接方式的不同，励磁电动机可分为他励、并励、串励、复励几种形式，如图3-28所示。
他励直流电机：励磁回路的电流由外电源供给，与电枢回路没有电的联系。
并励直流电机：励磁回路与电枢回路是并联的。励磁回路两端的电压就是电枢回路两端的电压。
图3-27 直流电动机的结构
图3-28 励磁方式原理图
串励直流电机：励磁回路与电枢回路是串联的。励磁回路的电流与电枢回路的电流相等。
复励直流电机：主极有两个励磁绕组，其一与电枢绕组并联，另一个和电枢绕组串联。
4.直流牵引电动机与电动列车牵引特性分析
电动列车牵引力与电动机转矩、电动列车速度及电动机转速都成正比例关系，因而电动列车的牵引特性曲线F＝f（v）与电动机的机械特性n＝f（T）只是坐标比例尺不同，形状类似于双曲线。
电动列车运行时，必须具有机械上和电气上的稳定性。
（1）机械稳定性。
机械稳定性是指列车正常运行时，由于偶然的原因引起速度发生微量的变化后，电动列车本身能恢复到原有的稳定运行状态。由不同励磁方式直流电动机的机械特性曲线可知，除减复励电动机以外，串励、他励、加复励的直流牵引电动机均能满足稳定性条件，在列车牵引时均具有机械稳定性。
（2）电气稳定性。
电气稳定性是指列车正常运行时，由于偶然的原因引起电流发生微量的变化后，电动列车本身能恢复到原有的电平衡状态。串励电动机在任何负载情况下，均具有电气稳定性；他励电动机一般情况下也具有电气稳定性，在大电枢电流时，可能进入电气的不稳定状态。
5.牵引电动机之间的负载分配
列车运行时，有几台牵引电动机并联运行，为了能充分利用电动列车的功率及黏着重量，要求各牵引电动机的负载分配要均匀。但是，由于各牵引电动机的特性有差异和制造的分散性，以及机车动轮直径不完全相同等原因，实际上各牵引电动机负载分配是不均匀的。
如图3-29所示为牵引电动机特性有差异时的负载分配情况。从图中可以看出两台特性稍有差异的串励（或并励）牵引电动机，装在一台机车上并联运行时，即使动轮直径相同，电动机转速相同，电动机的负载电流和转矩均有差别。由图3-29（a）可以看出，串励牵引电动机具有较软的特性，在同一运行速度下的负载电流I1和I2差值比较小。并励牵引电动机特性较硬，如图3-29（b）所示，负载电流I1和I2差值要比串励牵引电动机大得多。
图3-29 牵引电动机特性有差异时的负载分配
（a）串励；（b）并励
如果两台牵引电动机的特性完全相同，而各自驱动的动轮直径稍有不同，机车运行时两台电动机的转速将产生差异，图3-30所示为动轮直径有差异时负载分配情况。设一台电动机转速为n1，另一台电动机转速为n2，由相同转速差异引起的负载电流I1和I2的差值，串励牵引电动机比并励牵引电动机小。
因此，就牵引电动机之间的负载分配而言，串励牵引电动机优于并励牵引电动机，但串励牵引电动机对轮对直径的选配要求较高。
图3-30 动轮直径有差异时牵引电动机的负载分配
（a）串励；（b）并励
6.电压波动对牵引电动机工作的影响
机车运行时，接触网网压会经常发生波动，当电压突然变化时，由于列车的机械惯性，机车的速度来不及变化，牵引电动机就可能承受较大电流和牵引力的冲击。并励电动机由于特性较硬，电流和牵引力的冲击都比串励电动机大得多，这将使牵引电动机工作条件恶化，并引起列车运行中的冲动。另外，当牵引电动机的外加电压突然增加时，并励电动机由于励磁电路电流不变，励磁线圈匝数较多，因此电动机励磁回路电流增长速度要比电枢电路电流增长速度慢得多，电枢反电势不能及时增加，在过渡过程开始阶段，会造成电枢电流冲击过大。而串励电动机励磁绕组与电枢绕组串联，电流增长速度相同，虽有磁极铁芯内涡流的影响，磁通增长速度稍慢于电枢电流的增长速度，但所引起的电流冲击比并励电动机小得多。因此，就电压波动对牵引电动机工作的影响而言，串励牵引电动机优于他励牵引电动机。
7.功率的利用
串励牵引电动机的功率利用较好，能在各种运行条件下充分发挥机车的功率，同时能合理地利用机车上与牵引功率有关的各种电气设备的容量。
8.防空转性能
机车在重载起动或爬坡时，常会发生黏着破坏而使动轮空转，导致机车牵引力下降。空转时，动轮转速迅速上升，使机车走行部分受到损坏，影响使用寿命；如转速超过牵引电动机最大转速时，还可能造成电机损坏等严重故障。因此，要求牵引电动机应具有良好的防空转性能，当出现动轮空转时，轮对牵引力应随着转速的增高急剧下降，使黏着迅速恢复。并励电动机特性较硬，牵引力随转速上升而大幅下降，轮周牵引力很快低于黏着牵引力，使黏着迅速恢复；而串励牵引电动机特性较软，牵引力下降很小，转速将继续上升，黏着不易恢复，形成空转。
9.自调节性能
由图3-31可见，并励牵引电动机转速随着负载的增加下降很小，而串励牵引电动机转速却随着负载的增加下降很多。因此，串励牵引电动机的牵引力和速度能够按照机车运行条件自动进行调节，在重载或上坡时，随着机车速度的降低，串励牵引电动机的转矩自动增大，使机车发挥较大的牵引力；在轻载或平道运行时，机车牵引力减小，使机车具有较高的速度，即串励牵引电动机自调节性能好。
图3-31 直流牵引电动机的转速特性
1—并（他）励；2—串励；3—积复励
由以上几点分析可以看出，具有软特性的直流串励电动机用作电力牵引主要有以下4个方面的优点：
（1）直流串励电动机自调节性能较好，即它的牵引力和速度能够按照机车运行条件自动进行调节，在负载过重或上坡时，直流串励电动机能发挥较大的牵引力，在轻载或平道运行时，它又有较高的速度，以便于提高动车的通过能力。
（2）直流串励牵引电动机的功率利用较好，直流串励牵引电动机转速随着牵引力的增大而自动地降低，在同样牵引力变化下，它的功率变化最小，接近于恒功率运行，能够合理地利用机车上与牵引功率有关的各种电气设备的容量。
（3）直流串励牵引电动机有较大的启动牵引力，因而在相同的牵引条件下，所要求的电动机容量可以降低，电动机重量可以减小。在直流牵引电动机中，直流串励牵引电动机的单位牵引力的重量最小。
（4）在并联工作时负载分配较均匀，可以防止个别牵引电动机在运行时发生严重过载现象。
基于以上几点，作为机车的牵引动力，串励牵引电动机被广泛地应用于电力机车上。
但是，机车上采用串励牵引电动机也存在缺点，主要为：个别传动时，容易发生空转；电气制动时，由于串励发电机特性不稳定，需要将励磁绕组改接为他励。
10.直流串励牵引电动机的调速
调节直流串励牵引电动机转速的常见方法有：改变牵引电动机的端电压U调速；改变牵引电动机的主极磁通Ф调速。
（1）改变牵引电动机的端电压U调速——调压调速。
①改变牵引电动机的联结法调速，如串并联的方式。由于联结的方式有限，所以可调的电压等级也有限，同时使电动机的连接复杂，现代城市轨道交通车辆一般不用此法。
②凸轮变阻控制调压调速。在电动机回路串接电阻，即通过转动凸轮，使有关接触器接入或切除启动电阻来改变电阻值，以达到调节牵引电动机端电压的目的。串入启动电阻要消耗电能，并不经济，在较早的城市轨道交通车辆中有所应用。
③斩波调阻控制调压调速。
将晶闸管或GTO功率元件组成的斩波器作为电子开关，与启动电阻并联，通过斩波器定频调宽或定宽调频控制方式，调节接入主回路的电阻值以改变牵引电动机的端电压。这种方法应用已久，也要消耗电能，并不经济。
④斩波调压调速。
在电动机与电源之间串接斩波器，调节斩波器的导通比来改变电动机的端电压。斩波调压控制可以实现无触点、无级调速，使车辆平稳运行，可靠性也大大提高；无须启动电阻，并可实现再生制动，大大节约电能，降低了运营成本。现代城市轨道交通车辆普遍采用这种调速方法。
（2）改变牵引电动机的主极磁通Ф调速。
一般电机的额定磁通已经设计得使铁芯接近饱和，因此，改变磁通只能在额定磁通下减弱磁通，所以又称为消弱磁场调速或磁消调速。普遍采用主磁极（励磁）绕组上并联分路电阻的方法，使电流的一部分流经分路电阻，从而减少励磁电流、磁势和磁通。一般是在牵引电动机端电压已经达到额定电压，而牵引电动机电流比额定电流小时实施。这是一种辅助调速手段，磁场削弱的目的是扩大速度运行范围，充分利用功率。这种调速方法设备简单、控制方便、功率损耗小，可以提高电动机的转速，是直流牵引电动机常用的调速方法之一。为扩大调速范围，直流串励牵引电动机常把几种方法配合使用。如地铁电动车组常采用电枢串接电阻和弱磁调速，铁路电力机车常采用改变电压和弱磁调速。
11.直流传动系统的调速控制与电气制动
直流传动的城市轨道交通车辆，其调速控制方式一般有两种基本形式：变阻控制和斩波调压控制。
斩波控制调速是一种经济的调速手段，随着电子技术的不断发展及大功率全控型电力电子器件的出现，斩波器的结构得以简化，所以在直流传动的城市轨道交通车辆调压线路中已广泛采用由门极关断晶闸管或绝缘栅双极性晶体管器件组成的大功率斩波器。
12.牵引电动机的电气制动
电动车辆的电气制动是建立在电动机工作的可逆性基础上的。在牵引工况时，电动机从接触网吸收电能，将电能转换为机械能，产生牵引力，使列车加速或在上坡的线路上以一定的速度运行；在制动工况时，列车停止从接触网受电，电动机改为发电机工况，将列车运行的机械能转换为电能，产生制动力，使列车减速或在下坡的线路上以一定的限速度运行。车辆进行电气制动时，首先应该是再生制动，即向供电网反馈电能。如果触网电压过高或同一供电区段无其他车辆吸收反馈能量，则电路转为电阻制动，把能量消耗在电阻器上。直流牵引电动机的电气制动可分为电阻制动（或能耗制动）和再生制动（或反馈制动）。
电制动时牵引电动机所产生的电能，如果利用电阻使之转化为热能耗散掉，则称之为电阻制动（或能耗制动）。如果将电能重新反馈回电网中去加以利用，就称之为再生制动（或反馈制动）。
（二）直线电机及其应用
从1825年世界第一条铁路出现算起，轨道交通已有180年的历史。快速轨道交通的牵引方式历经蒸汽牵引、内燃牵引、电力牵引等阶段，目前在世界范围内又发展出直线电机牵引的交通方式，包括磁悬浮铁路、直线电机轮轨交通等。1840年惠斯登制作出略具雏形的直线电机，20世纪60年代英国的莱思韦特在直线电机基础理论研究方面取得了重大突破，1975年，在英国设计出了一条直线电机牵引的轮轨列车试验线路。然而，直线电机成功地用于轨道交通却是在磁悬浮列车上首先实现的。由于磁悬浮列车不能再依靠车轮驱动，所以很自然地采用了直接通过电磁力驱动列车的直线电机。
1.直线电机的基本结构
传统的轮轨接触式铁路，车辆所获得的牵引力、导向力和支撑力都是依靠轮轨相互作用获得，电传动内燃机车或电力机车的牵引力均来自传统的旋转电机。直线电机交通系统使用直线电机来获得牵引动力。直线电机可看作是将旋转电机从转子中心沿径向剖开展平，这样旋转电机则变为直线电机。或者认为直线电机是直径无限大的旋转电机。这时定子中的旋转磁场将变为直线移动磁场，车辆将随着直线电机磁场的移动而向前运动，如图3-32所示。
图3-32 由旋转电机演变为直线电机的过程
直线异步电机可以认为是旋转电机在结构方面的一种演变，它可看作是将一台旋转电机沿径向剖开，然后将电机的圆周展成直线。由定子演变而来的一侧称为初级或原边，有直线放置的三相对称绕组；由转子演变而来的一侧称为次级或副边，是一块金属导体，没有绕组。
2.直线电机的分类
（1）按直线电机结构形式划分。
按直线电机结构形式可分为扁平型、圆筒形或管型等，扁平型直线电机是一种扁平的矩形结构的直线电机，它有单边型和双边型之分。如果仅在一边安放初级，对于这样的结构形式称为单边型直线电机，这种电机最大的缺点是存在一个很大的法向力，而大多数情况下法向力是我们不希望存在的，如果在次级的两边都装上初级，那么这个法向力可以相互抵消，这样的结构形式称为双边型直线电机，双边型直线电机的缺点浪费材料，成本高，占用空间大。
由于在运动时初级与次级之间要做相对运动，可以是定子移动，也可以是转子移动，为保证两级之间的磁耦合，即保证在所需行程范围内初级与次级之间的耦合保持不变，在制造时将初级与次级制造成不同的长度。直线电机可以是短初级长次级，也可以是长初级短次级。考虑到制造成本、运行费用，目前一般均采用短初级长次级。次级只有感应电流的流动，不需要外界供电。初级与次级导体之间有一定的距离即气隙，一般来说，直线电机的气隙比旋转电机的气隙大。
（2）按直线电机的磁场是否同步划分。
由旋转电机的工作原理可知，定子磁场和转子磁场既可以同步运行，也可以不同步运行。如果定子磁场和转子磁场同步运行，通常作为发电机使用，而如果定子磁场和转子磁场不同步运行，通常作为电动机使用。与旋转电机类似，依据初级磁场和次级磁场是否同步可将直线电机划分为直线同步电机和直线感应电机两大类型。
直线同步电机一般采用长定子技术，定子线圈（初级线圈）安装在导轨上，而转子线圈（次级线圈）安装在车辆上。导轨上的定子磁场与车辆上的转子磁场同步运行，控制定子磁场的移动速度就可以控制列车的运行速度。高速、超高速磁悬浮铁路一般使用该种长定子直线同步电机。
直线感应电机一般采用短定子技术，定子线圈（初级线圈）安装在车辆上，而转子部分安装在导轨上。导轨上的转子磁场与车辆上的定子磁场不同步运行，故也称之为直线异步电机。中低速磁悬浮铁路及直线电机轮轨交通一般使用该种短定子直线异步电机。
3.直线电机的工作原理
直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看成是由一台旋转电机按径向剖开，并展成平面而成。
直线异步电机与旋转异步电机不仅在结构上相类似，而且直线电机的工作原理也与旋转电机相似。当在直线异步电机的初级绕组通入三相交流对称正弦电流时，便在气隙中产生磁场，该气隙磁场在直线电机的长度方向上呈正弦分布。当电流随时间变化时，气隙磁场将按照一定相序排列方向沿直线运动，称为行波磁场。行波磁场的移动速度与旋转磁场在定子内圆表面上的线速度是一样的，称为同步转速。次级金属板可以看成有无数并列安置的导条，次级导条在行波磁场切割下，将感应出电动势并产生电流，该电流与气隙中的磁场相作用就产生电磁推力。在这个推力作用下，如果初级固定不动，则次级在推力作用下就顺着行波磁场运动的方向做直线运动，次级运动的速度即为电机的运动速度；反之，则初级做直线运动，如图3-33所示。
同旋转电机相类似，如果对换任意两相的电源线，即改变三相电源的相序，则可以实现直线电机的反向运行，根据这一原理，可使直线电机做往复直线运动。
次级运动的速度即电机的运动速度随着电源频率的变化而变化，通过调整电源频率f即可改变异步电机的速度，进而调整车辆的运行速度。
图3-33 直线异步电机与旋转电机的基本工作原理
直线同步电机的初级绕组与直线异步电机的一样，是直线放置的三相绕组；但直线同步电机的次级绕组装有集中式绕组，通以直流电流，是励磁绕组。当初级绕组通入三相交流对称正弦电流和次级励磁绕组接直流电源时，三相绕组产生的行波磁场与次级励磁绕组产生的直流磁场相互作用，使次级受到与行波磁场行进方向相同的电磁力作用，故次级可沿行波磁场方向做直线运动，其速度是同步速度。
同样，改变通入初级绕组三相电源的相序，可以实现直线电机的反向运行；通过调整电源频率f即可改变异步电机的运动速度。
轨道交通系统的直线同步电机几乎无例外地采用长定子，这是因为同步电机转子励磁功率远小于定子，所以把功率较小的励磁绕组安装在车上，可以由谐波发电机与电池给转子励磁绕组供电或采用超导线圈，不用接触轨或接触网，从而可实现高速运行。
除此之外，直线同步电机不仅能产生水平方向的电磁推力，还能产生垂直方向的电磁力，可以克服重力的作用，将次级悬浮起来。因而是磁悬浮列车较为理想的拖动装置。同步电机的优点之一是功率因数大，效率较高，因而比较适合大气隙、大功率电机，所以高速磁悬浮列车主要采用直线同步电机。
4.直线异步电机特性
（1）推力-速度特性。
将直线异步电机的推力-速度特性与异步旋转电机的特性相比较，则转差率s为
式中：s——转差率；
vs——同步转速；
v——电机的转速。
在电机运行状态下，s在0和1之间。异步旋转电机的转矩最大值发生处转差率较低，而直线异步电机的最大推力在高转差率处，即s≈1处。可见直线异步电机启动推力大，高速区域的推力小，比较适合动车的驱动要求。
（2）速度-时间特性。
直线异步电机的速度随时间以指数函数的规律增加。
（3）推力-气隙特性。
气隙小对电机特性和工作稳定性有利。但是为了保证在长距离运行中，初、次级不至于相擦，通常直线电机的气隙比旋转电机的气隙大。因而，直线异步电机的效率和功率因数都较低。
（4）边缘效应。
直线异步电机不像旋转电机是闭合圆环结构，而是长直的、两端开断的结构。由于动体长度有限，存在着始端和终端，引起了边缘效应（端部效应），这是直线异步电机和旋转电机的基本差异。直线异步电机的纵向（磁场移动的方向）和横向都存在边缘效应。边缘效应会减少驱动推力，在运行过程中产生阻力增大附加损耗。
5.直线异步电机的优缺点
优点：
（1）直线异步电机最主要的优点是直接产生直线运动而不需要中间转换装置。
（2）启动推力大，可实现大范围的加速和减速，零部件不受离心力的作用，直线速度不受限制。
（3）直线异步电机的初级和次级结构都很简单，特别是次级，有时甚至可直接利用部分设备本体或运营轨道。可在条件恶劣的环境中使用。
（4）总体结构简单，扁平型部件高度低，噪声小，重量轻，维修容易。
（5）短初级平板形直线电机的次级长，因而散热面大，热负荷可以取得较高。
当直线异步电机运用在交通运输方面时，用其驱动的地铁车辆还具有以下优点：
（1）驱动不受黏着限制。
（2）对复杂地形的适应性较强，爬坡能力强，拐弯半径小，有利于轨道交通选线；
减少了隧道横断面的面积，使得工程造价低。
缺点：
（1）效率和功率因数低。通常直线电机的初级和次级之间的气隙较大，需要的磁化电流大，所以空载电流大；边缘效应特别是纵向边缘效应减少了驱动推力，增大了损耗。
（2）除驱动推力外，直线电机初级和次级之间有吸引力，因而必须增加架构强度。
为满足长距离，对保持一定气隙的精度要求较高。
6.直线感应电机轨道系统简介
由直线异步电机驱动的轮轨系统车辆是利用车轮起支承导向作用，与传统轮轨系统相似，但在牵引方面却采用了车载短定子直线异步电机驱动，当初级线圈通以三相交流电时，由于感应而产生电磁力，直接驱动车辆前进，改变磁场移动方向，车辆的运动方向也随之改变。车辆平稳运行时，定子与反应板（感应轨）之间的气隙保持在10mm左右。该系统走行部件的配置如图3-34所示。
图3-34 直线电机轮轨交通车辆走行部件配置
7.车载短定子直线异步电动机驱动特点
（1）定子在车上，单边激磁，因此需要接触网／轨或直线变压器供电。
（2）转子在地面，采用感应板（实心、无绕组），结构简单，经济。
（3）采用接触网／轨供电时，运行速度受到限制。
直线感应电机轨道系统主要有以下特征：发车间隔短，使用移动闭塞系统，采用直线电机驱动，钢轮钢轨，轻型车辆，设备高冗余度。
8.直线牵引电动机在动车中的应用
直线牵引电动机应用于城市轨道交通车辆时，初级可以设置在车上，也可以设置在地面上，分别称为车载初级式和地面初级式。
直线牵引电动机没有旋转部件，不需要齿轮、轴承，不接触就可以传递动力。在城市轨道交通车辆上，利用直线牵引电动机来实现非黏着控制驱动，突破了动轮和轨道之间依靠黏着传递动力的种种限制。同时可降低车辆高度，减少了隧道横断面的面积，使得工程造价低。
对客流量很大的线路，为了减轻动车重量，实现地面对动车的全面控制，采用沿线路敷设线圈的地面初级式异步直线牵引电动机比较有利。
9.地面初级式异步直线牵引电动机驱动的特点
（1）定子在地面励磁，因此不需要接触网／轨或直线变压器供电，但定子有三相绕组，系统成本较高。
（2）转子在车上，采用感应板（实心、无绕组），结构简单，车体轻。
（3）定子可隐蔽供电，非常安全。为了节省材料或简化供电，对于要求不高的场合，长定子可以做成分段的，当然，这要损失一部分牵引力。