對(duì)中低速磁浮列車(chē)的直線牽引電機(jī)特性設(shè)定的初步意見(jiàn)

尹力明, 岑兆奇, 張曉杰

(1.上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司，上海 200233;2.上海南洋電機(jī)有限公司，上海 201802)

常導(dǎo)中低速磁浮列車(chē)在我國(guó)的研究歷史已有近30年的時(shí)間,自2000年開(kāi)始,陸續(xù)在長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)和四川青城山建設(shè)了2條試驗(yàn)樣車(chē)的試驗(yàn)線。從 2005年開(kāi)始,上海磁浮公司在上海臨港、北京磁浮公司在唐山客車(chē)廠又先后建設(shè)了1.7km和1.5km設(shè)置有道岔和檢修庫(kù)的實(shí)用工程樣車(chē)的試驗(yàn)線,開(kāi)展了多編組列車(chē)的全面技術(shù)試驗(yàn)、測(cè)試和運(yùn)行考核,并取得了非常有價(jià)值的應(yīng)用成果和工程化的經(jīng)驗(yàn)。2條試驗(yàn)線的運(yùn)行狀態(tài)如圖1所示。

在我國(guó),中低速磁浮列車(chē)的研究完全是獨(dú)立自主進(jìn)行的,列車(chē)上的全部設(shè)備和部件、網(wǎng)絡(luò)通訊和各種控制軟件,都是由我國(guó)工程技術(shù)專家和大學(xué)的教授們用自己的知識(shí)和智慧設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出來(lái)的,具有完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

圖1 中低速磁浮列車(chē)試驗(yàn)線

中低速磁浮列車(chē)的運(yùn)行,使用了交流直線牽引電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),這項(xiàng)牽引控制技術(shù)的實(shí)際運(yùn)用在我國(guó)還是一項(xiàng)新課題,需要不斷總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)內(nèi)在的規(guī)律和特點(diǎn),使其不斷地完善。

本文根據(jù)多年研發(fā)中低速磁浮列車(chē)的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐,提出了對(duì)直線牽引電機(jī)的牽引特性設(shè)定的看法和意見(jiàn)。

1 對(duì)某型直線電機(jī)使用情況的技術(shù)分析

某型交流直線感應(yīng)式牽引電機(jī)的技術(shù)條件如下:

(1)牽引電機(jī)滿足最大加速度、最大減速度、爬坡能力和故障狀態(tài)下的牽引要求;

(2)按負(fù)載持續(xù)率為60%周期工作制運(yùn)行;

(3)電機(jī)形式:單邊短初級(jí)直線感應(yīng)電機(jī);

(4)每輛中低速磁浮列車(chē)中設(shè)置10臺(tái)牽引電機(jī),5臺(tái)轉(zhuǎn)向架的懸浮模塊上分別安裝1臺(tái),10臺(tái)直線感應(yīng)牽引電機(jī)采用5串2并方式與牽引逆變器聯(lián)接;

(5)相繞組接法:Y型;

(6)額定磁路氣隙:15mm;

(7)每臺(tái)最大容量:130 kVA;

(8)電機(jī)最大牽引力:3.2 kN/臺(tái);

(9)電機(jī)機(jī)械間隙:11mm;

(10)次級(jí)反應(yīng)板厚:4mm;

(11)功率因數(shù):0.6;

(12)效率:0.7;

(13)電機(jī)極距:0.2025 m;

(14)電機(jī)極數(shù):9;

(15)電機(jī)額定電壓:220 V(對(duì)應(yīng)的電壓頻率為43Hz);

(16)電機(jī)質(zhì)量:不大于200 kg;

(17)電機(jī)輪廓尺寸:長(zhǎng)×寬×高＜2000mm×540mm×120mm。

中低速磁浮列車(chē)轉(zhuǎn)向架上安裝的直線牽引電機(jī)的外形圖如圖2所示。

圖2 中低速磁浮列車(chē)上安裝的直線牽引電機(jī)

城市軌道交通由于站間距短,要求列車(chē)的起動(dòng)加速度大,因此,為了均衡牽引電機(jī)的牽引特性,通常設(shè)置了恒力和恒功牽引的2個(gè)狀態(tài)和階段[1]57(見(jiàn)圖3)。

圖3 交流直線牽引電機(jī)的牽引特性

由圖3可見(jiàn),直線牽引電機(jī)在變頻調(diào)速系統(tǒng)(Variable Voltage and Varialbe Frequency,VVVF)牽引變流器的三相電壓的驅(qū)動(dòng)下,起動(dòng)時(shí)的電壓和頻率較低,盡管牽引力達(dá)到了設(shè)定值,但是電機(jī)的輸出功率并不大。此時(shí),電機(jī)尚未達(dá)到最大的輸出功率,可以由牽引變流器控制,保持電機(jī)的牽引力處于恒定狀態(tài),與電機(jī)的運(yùn)行速度無(wú)關(guān),即恒力狀態(tài)。當(dāng)交流直線牽引電機(jī)的速度達(dá)到電機(jī)的額定速度時(shí),電機(jī)的輸入電壓和頻率也達(dá)到額定值,牽引變流器的三相輸出電壓無(wú)法進(jìn)一步升高(受到接觸網(wǎng)的直流電壓幅值的限制),電機(jī)達(dá)到最大的輸出功率狀態(tài)。

交流牽引電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí),已經(jīng)考慮了在輸入電壓飽和時(shí),為充分發(fā)揮電機(jī)的牽引能力,有意設(shè)置了恒功牽引狀態(tài)。可見(jiàn),在這種牽引狀態(tài)下,交流直線牽引電機(jī)的輸出牽引力與電機(jī)運(yùn)行的速度成反比例,隨著電機(jī)運(yùn)行速度的增加,牽引力逐漸降低,引起列車(chē)在高速時(shí)的加速度也相應(yīng)地降低。為此,在考慮列車(chē)的牽引特性時(shí),需要加以重點(diǎn)關(guān)注。

在中低速磁浮列車(chē)上使用的交流直線牽引電機(jī)的初、次級(jí)之間的氣隙較大,故這種電機(jī)的功率因數(shù)和效率都較低(見(jiàn)電機(jī)的技術(shù)條件),因此,交流直線牽引電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的滑差也比交流旋轉(zhuǎn)牽引電機(jī)要大很多。

交流直線牽引電機(jī)的初級(jí)有鐵心和線圈,次級(jí)盡管設(shè)置了反應(yīng)鋁板,但是作為次級(jí)磁路的軌道,則是由低碳鋼鐵磁材料軋制而成,初、次級(jí)之間相當(dāng)于電磁鐵和銜鐵的關(guān)系。在直線電機(jī)的初級(jí)繞組通入交流電流時(shí),氣隙中的磁場(chǎng)將產(chǎn)生電磁法向吸力,對(duì)懸浮電磁鐵而言,相當(dāng)于追加了一個(gè)負(fù)載力。由于電機(jī)初級(jí)繞組的電流變化,電磁法向吸力對(duì)懸浮電磁鐵的作用相當(dāng)于增加了一個(gè)干擾力。交流旋轉(zhuǎn)牽引電機(jī)的次級(jí)轉(zhuǎn)子由軸承支撐,電機(jī)中的氣隙相對(duì)均勻,氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁吸力被相互抵消。這就是交流直線電機(jī)與交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的特性不同之處[2]。

交流直線電機(jī)的牽引特性和電氣參數(shù)如圖4所示。由于交流直線牽引電機(jī)的初、次級(jí)之間有一層反應(yīng)板,隨著電機(jī)運(yùn)行速度的提高,氣隙產(chǎn)生的電磁法向吸力將逐漸降低(反應(yīng)板產(chǎn)生的斥力與吸力相抵消,但是在電機(jī)達(dá)到最大速度時(shí),這個(gè)電磁吸力不可能完全抵消)。為了保證該電磁法向吸力的穩(wěn)定性,在牽引變流器的軟件設(shè)計(jì)時(shí),采用了12Hz的等滑差控制策略。

從圖4(a)可見(jiàn),電機(jī)的起動(dòng)牽引力約3.5 kN,在達(dá)到12 m/s(即實(shí)際運(yùn)行速度為43.2km/h)的速度時(shí),電機(jī)開(kāi)始進(jìn)入恒功區(qū)段,電機(jī)的牽引力約為3.2 kN。

圖4 電機(jī)的機(jī)械和電氣參數(shù)

從該直線電機(jī)的技術(shù)條件可知,其電氣的極距是0.2025 m。當(dāng)三相交流線電壓產(chǎn)生的同步移動(dòng)磁場(chǎng)交變一個(gè)周期時(shí),同步移動(dòng)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的距離為0.405 m。

此時(shí),考慮12Hz的等滑差頻率,電機(jī)同步移動(dòng)磁場(chǎng)的速度 vs應(yīng)該是實(shí)際運(yùn)行速度 v,再加上12Hz滑差產(chǎn)生的滑差速度vh,即vs=v+vh。

由電機(jī)的極距可知,vh=4.86 m/s,故

此刻交流輸入的線電壓的頻率約為41.63Hz。

為了提高交流直線牽引電機(jī)的牽引特性在恒功區(qū)段的相應(yīng)牽引力,恒力和恒功區(qū)段的轉(zhuǎn)折速度一般應(yīng)該設(shè)置在電機(jī)最高運(yùn)行速度的一半左右。如,中低速磁浮列車(chē)的最高運(yùn)行速度為100～110km/h,結(jié)構(gòu)速度為120km/h,故這個(gè)轉(zhuǎn)折速度應(yīng)該設(shè)置在60km/h左右為好。

按照上述計(jì)算原則,此時(shí),交流直線牽引電機(jī)的輸入三相線電壓的頻率應(yīng)該為53.15Hz,并且輸入的三相線電壓達(dá)到額定值交流AC 220 V。

中低速磁浮列車(chē)安裝了5臺(tái)轉(zhuǎn)向架,10臺(tái)交流直線牽引電機(jī),連接成5串兩并的形式。在線路的供電直流電壓為1.5 kV的標(biāo)準(zhǔn)條件下,牽引變流器逆變輸出的準(zhǔn)方波三相交流電壓的有效值可以達(dá)到1.1 kV,剛好滿足5臺(tái)電機(jī)串聯(lián)的輸入交流線電壓的要求。

依據(jù)該交流直線牽引電機(jī)的技術(shù)條件,10臺(tái)電機(jī)的總起動(dòng)牽引力可以達(dá)到3.2 kN/臺(tái)×10臺(tái)=32 kN。如果列車(chē)每輛車(chē)平均在AW2的載重條件下的總質(zhì)量為32 t,在恒力階段,列車(chē)的運(yùn)行加速度將可以達(dá)到1 m/s2,滿足城市軌道交通列車(chē)的基本技術(shù)條件。

在牽引力為32 kN的條件下,列車(chē)的速度達(dá)到60km/h(16.7 m/s),則單臺(tái)電機(jī)的機(jī)械輸出功率為

依據(jù)該交流直線牽引電機(jī)的技術(shù)條件,其視在功率為130 kVA,功率因數(shù)為0.6,效率為0.7,則其可輸出的有功功率為

達(dá)到了電機(jī)設(shè)計(jì)的基本使用要求。但是,如果牽引特性的恒力和恒功轉(zhuǎn)折速度為43.2km/h(12 m/s)時(shí),電機(jī)的機(jī)械輸出功率

沒(méi)有達(dá)到電機(jī)的設(shè)計(jì)功率。這也是列車(chē)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后,電機(jī)本身溫度并不是很高的原因。

在電機(jī)達(dá)到結(jié)構(gòu)速度為120km/h(33.3 m/s)時(shí),在53.3 kW的恒功條件下,此刻交流直線牽引電機(jī)的理論輸出牽引力約為

相對(duì)38.4 kW恒功條件下的理論輸出牽引力1.15 kN,提高了39.1%。可以看到,在恒功階段,列車(chē)運(yùn)行加速度的提高同時(shí)能夠減少起動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)行距離。

2 對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的修改

根據(jù)上節(jié)的理論分析可以看出,需要修改這臺(tái)電機(jī)的繞組參數(shù)。根據(jù)電機(jī)的電壓平衡關(guān)系式:

式中,U為電機(jī)的電壓;f為電機(jī)輸入電壓的頻率;w為定子繞組的元件匝數(shù);Φ為定子鐵芯每極中通過(guò)的磁通。

需要將電機(jī)在達(dá)到額定的AC 220 V輸入線電壓時(shí)的電機(jī)運(yùn)行速度調(diào)整到60km/h(16.7 m/s)。再考慮12Hz時(shí)恒滑差的條件,此時(shí)電機(jī)的同步移動(dòng)磁場(chǎng)的運(yùn)行速度為64.86km/h,電機(jī)的輸入線電壓的頻率約為44.5Hz。

相對(duì)于原來(lái)的電機(jī)恒功點(diǎn)的轉(zhuǎn)折速度43.2km/h(12 m/s),電機(jī)輸入額定的AC 220 V電壓時(shí)的同步移動(dòng)磁場(chǎng)的運(yùn)行速度應(yīng)該是48.06km/h,新的轉(zhuǎn)折速度提高了1.35倍。

2.1 改變相繞組的元件匝數(shù)

該交流直線電機(jī)原來(lái)設(shè)計(jì)的每極相繞組的元件有3個(gè),短距系數(shù)為7/9,每個(gè)元件有3匝。如果保持定子槽中每相3根元件的總截面不變,把每個(gè)元件的匝數(shù)減少為2匝(同時(shí)提高每根導(dǎo)體的截面積),就可以實(shí)現(xiàn)既達(dá)到原額定輸入線電壓不變,又提高了恒力和恒功轉(zhuǎn)折速度(最高可達(dá)到72km/h)的有效結(jié)果,還保持了電機(jī)原設(shè)計(jì)的額定功率增加不多(達(dá)到60 kW)。在這種條件下,電機(jī)中的工作電流將增大1.5倍,需要考慮變頻器輸出模塊的電流承受能力。由于變頻器的逆變?cè)砗妥冾l變壓的輸出特性,其輸入的電功率還會(huì)保持基本不變。適當(dāng)?shù)靥岣吆懔秃愎Φ霓D(zhuǎn)折速度,如提高至72km/h,恒功功率為60 kW,對(duì)于實(shí)現(xiàn)中低速磁浮列車(chē)起動(dòng)加速度快的特點(diǎn)和性能,可以得到充分地體現(xiàn)。

依照輪軌列車(chē)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的牽引特性的使用條件,交流直線牽引電機(jī)在起動(dòng)時(shí),只要中低速磁浮列車(chē)的電磁鐵可以承載電機(jī)的電磁法向吸力,當(dāng)牽引工作制周期為60%,交流直線牽引電機(jī)可在30%的過(guò)載條件下工作,則電機(jī)恒力牽引區(qū)段的牽引力還可以加大。誠(chéng)然,由于交流直線牽引電機(jī)的全特性試驗(yàn)相對(duì)比較困難,可以在實(shí)車(chē)運(yùn)行的條件下,通過(guò)改變牽引變流器的控制算法,進(jìn)行這種過(guò)載試驗(yàn),以獲得實(shí)際的牽引特性的測(cè)試值和試驗(yàn)結(jié)果。

由此可見(jiàn),這種改變相繞組匝數(shù)的方式,技術(shù)上是可操作的。

2.2 改變每極相繞組的元件數(shù)

交流直線牽引電機(jī)在運(yùn)行時(shí),由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,端部效應(yīng)將產(chǎn)生阻力,相對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言,有3個(gè)極對(duì)電機(jī)的牽引力是沒(méi)有貢獻(xiàn)的,就像該臺(tái)電機(jī)(9極),只有3對(duì)極是有效的,故效率較低[3]。

如果每極每相繞組的元件數(shù)減至2,每個(gè)元件的匝數(shù)減至2,短距系數(shù)為5/6,則可以將電機(jī)的極數(shù)提高到13,形成了有效極增加到5對(duì)極的條件,可以增加電機(jī)輸出的機(jī)械功率和改善運(yùn)行條件。

在這種條件下,電機(jī)的極距減少到0.135 m,輸入的線電壓每變化一個(gè)周期,平移的氣隙磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)距離為0.27 m。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行數(shù)度達(dá)到120km/h的速度時(shí),考慮12Hz的滑差頻率,輸入的線電壓的頻率約為135Hz。對(duì)于現(xiàn)代的牽引變流器的功率模塊來(lái)講,其完全能夠滿足交流直線牽引電機(jī)對(duì)輸入電壓頻率的使用要求。

誠(chéng)然,如果采用這樣繞組設(shè)計(jì)的方法,原電機(jī)初級(jí)鐵心上開(kāi)的88個(gè)元件槽需要減少到83個(gè)。由于這只是一個(gè)設(shè)計(jì)方案,還是需要按照上述的電機(jī)運(yùn)行特性,進(jìn)行全面的電機(jī)磁路和電氣計(jì)算。

由于直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)所致,使疊繞組的2個(gè)端部的鐵心槽中只有半槽有元件導(dǎo)體,因此,這個(gè)區(qū)段的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度將減少一半。在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中,這種氣隙磁場(chǎng)分布會(huì)引起端部效應(yīng),產(chǎn)生電磁阻力。一般近似地認(rèn)為,交流直線感應(yīng)式直線電機(jī)的極數(shù)中,有3極是對(duì)牽引力不產(chǎn)生貢獻(xiàn)的。如9極電機(jī)有3對(duì)極、13極電機(jī)有5對(duì)極是有效的,電磁計(jì)算的磁場(chǎng)面積、電壓和牽引力的平衡關(guān)系,也只考慮這幾對(duì)極的條件。

圖5為9極電機(jī)的電樞三相繞組和氣隙磁密的分布圖,可以看出,2個(gè)端部磁極的磁密相對(duì)中部磁極的磁密要低一半左右。

圖5 9極繞組直線電機(jī)的氣隙磁密分布圖

如果電機(jī)的繞組只有8極,則電機(jī)產(chǎn)生牽引力貢獻(xiàn)的磁極只有5極,相對(duì)總極數(shù)而言,所占比例將減少,會(huì)影響電機(jī)的輸出效率。依直線電機(jī)的常規(guī)設(shè)計(jì)原則,為電機(jī)提供牽引貢獻(xiàn)的極對(duì)數(shù)應(yīng)該大于3對(duì)極(6極)為好,可以提高電機(jī)的牽引效率。圖6為電機(jī)的電樞三相繞組和氣隙磁密的分布圖。

中低速磁浮列車(chē)的轉(zhuǎn)向架模塊上,安裝了4只串接的懸浮電磁鐵。但是,由于轉(zhuǎn)向架考慮在彎道上要打折,為此,每側(cè)懸浮模塊之間需要保持一定的間隔,這就造成了懸浮電磁鐵的不連續(xù),有10個(gè)端部。因此,懸浮電磁鐵在運(yùn)行時(shí),端部相對(duì)于實(shí)心鐵磁材料制成的軌道,就有磁場(chǎng)進(jìn)入和退出的情況,產(chǎn)生電磁渦流,即電磁阻力。懸浮電磁鐵運(yùn)動(dòng)的速度越快,這個(gè)阻力將增大。這也是需要在列車(chē)高速運(yùn)行中,保持直線電機(jī)的牽引力較大的原因。

圖6 8極繞組直線電機(jī)的氣隙磁密分布圖

3 交流直線牽引電機(jī)的電制動(dòng)原則

直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)電機(jī)相同,改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差為負(fù)值,也可以建立電氣制動(dòng)的效果。由于次級(jí)的電勢(shì)與電源的電勢(shì)同方向,電機(jī)的功率可以達(dá)到額定功率2倍以上,電制動(dòng)力也能夠達(dá)到起動(dòng)牽引力的水平。由于此時(shí)的電機(jī)輸出功率較大,恒電制動(dòng)力和恒功電制動(dòng)的轉(zhuǎn)折速度可以更靠近結(jié)構(gòu)速度,電制動(dòng)的特性曲線[1]57可用圖7來(lái)表示。如果列車(chē)最高運(yùn)行速度vmax=120km/h,則恒功轉(zhuǎn)折速度vzp可以設(shè)置在100km/h左右。恒電制動(dòng)力Fzd與牽引特性中的恒牽引力相當(dāng)。

圖7 交流直線牽引電機(jī)的電制動(dòng)特性

由于交流直線牽引電機(jī)的電制動(dòng)力在列車(chē)即將停止階段難以進(jìn)行精確定位控制,為此,列車(chē)盡管也是需要充分利用電制動(dòng)能力進(jìn)行減速度控制,但是在最后的速度小于10km/h時(shí),還是要實(shí)施“電氣-機(jī)械”制動(dòng)轉(zhuǎn)換,如圖8所示。圖中,vzp1為電氣-機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)換速度,vpmax為列車(chē)最高運(yùn)行速度。

圖8 “電氣-機(jī)械”轉(zhuǎn)換示意圖

由圖8可見(jiàn),在這個(gè)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻,電制動(dòng)力的下降斜率要與機(jī)械制動(dòng)力的上升斜率的絕對(duì)值相同,但是趨勢(shì)相反,從而保證總制動(dòng)力保持不變,以減少列車(chē)的沖動(dòng)。

在使用交流直線牽引電機(jī)來(lái)進(jìn)行中低速磁浮列車(chē)的牽引計(jì)算時(shí),可以不再考慮輪軌列車(chē)旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(這個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的準(zhǔn)確計(jì)算十分困難,只能用列車(chē)的總質(zhì)量乘以1.03～1.05的系數(shù)來(lái)解決),只考慮列車(chē)單輛車(chē)的總質(zhì)量,計(jì)算起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)化和方便很多,這是中低速磁浮列車(chē)的特殊之處。

4 結(jié) 語(yǔ)

中低速磁浮列車(chē)在我國(guó)的研究歷史不長(zhǎng),真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型列車(chē)的在線試運(yùn)行,也只有3年多的時(shí)間。不斷總結(jié)試驗(yàn)中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),是建設(shè)載客運(yùn)營(yíng)線路之前必須認(rèn)真對(duì)待的事情,應(yīng)該引起研制各方的關(guān)注和重視。

相信在不久的將來(lái),在總體研發(fā)單位的組織和各分供設(shè)備制造商的努力下,中低速磁浮列車(chē)必將進(jìn)入我國(guó)城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)之中,發(fā)揮其服務(wù)于社會(huì)的作用。

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