中低速磁浮列車牽引性能研究

于青松

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心, 130062, 長春∥正高級工程師)

1 中低速磁浮列車牽引系統簡述

中低速磁浮列車采用三軌受流、四軌回流的方式獲取電能，以直線異步電機作為牽引設備，利用異步電機的行波磁場與地面感應板的感生磁場之間的相互作用作為動力，實現列車的牽引和電制動[1]。列車從受流器汲取高壓電能，經高速斷路器、預充電電路、電抗器后，送入牽引逆變器；直流電能經逆變后轉化為電壓和頻率均可調節的交流電能，輸出至直線電機三相繞組上，產生行波磁場。每套交流電傳動系統由1臺牽引逆變器和10臺直線電機構成，且10臺電機采用5串2并的連接方式[2]。其拓撲結構如圖1所示。

注：U1、V1、W1、U2、V2、W2代表3組繞組的接線端子。圖1 中低速磁浮列車牽引系統拓撲圖Fig.1 Traction topology of medium-low speed maglev train

2 中低速磁浮列車阻力計算

磁浮列車由于沒有輪軌接觸，列車的阻力構成也與傳統列車差別較大。目前的研究結果表明，中低速磁浮列車在平直軌道上運行時的阻力主要由3部分構成，分別是空氣阻力、電磁阻力和接觸阻力[3]。空氣阻力主要與列車斷面、車頭形狀、編組形式等因素有關；電磁阻力受F軌中的渦流影響較大；接觸阻力主要是指列車受流器與接觸軌的摩擦阻力，該阻力一般為定值，且其在總阻力中占比較小[4]。

本文牽引計算所用的阻力是根據目前中低速磁浮列車研究領域較為常用的阻力公式求得的。其中，空氣阻力Da(單位為N)為：

Da=(1.652+0.572n)v2

(1)

式中：

n——列車編組數量，節；

v——列車運行速度，m/s。

電磁阻力Dm(單位為N)為：

(2)

式中：

W——列車質量，t。

接觸阻力Dc為：

Dc=fk

(3)

式中：

f——受流器與接觸軌的摩擦阻力，一般計算取值為20 N/臺；

k——全列受流器數量，臺。

以3節編組中低速磁浮列車為例，其在不同載荷條件的質量如表1所示。

表1 不同載荷條件下3節編組中低速磁浮列車的質量Tab.1 Quality of 3 marshalling medium-low speed maglev train under different load conditions

根據式(1)—式(3)以及表1，求得不同載荷條件下列車在平直軌道上運行時的阻力曲線如圖2所示。

圖2 不同載荷條件下磁浮列車在平直軌道上運行時的阻力曲線Fig.2 Maglev train running resistance curves on straight line under different load conditions

3 中低速磁浮列車牽引及電制動能力設計

3.1 列車動力性能指標要求

對于設計速度為120 km/h的中低速磁浮列車，根據列車的承載能力，通常AW2載荷條件下的動力性能指標不低于表2的要求[5]。

表2 設計速度為120 km/h的中低速磁浮列車動力性能指標要求Tab.2 Dynamic performance index requirements of a medium-low speed maglev train with design speed 120 km/h

3.2 列車牽引特性設計

根據列車的動力性能要求，考慮列車運行的實際情況，經過多次迭代計算后，確定列車的牽引特性。列車在AW2或AW3、接觸網壓DC 1 500 V、定轉子額定氣隙13 mm的條件(以下簡為“額定狀態”)下，其最大起動牽引力Fst2為111.7 kN；恒轉矩區列車運行速度范圍為0～45 km/h；自然特性區列車運行速度范圍為45～120 km/h，自然特性區起始點列車牽引力約為106.2 kN；單臺牽引電機的最大牽引功率約為46 kW，最大牽引電流約為431 A。

中低速磁浮列車牽引系統按列車載荷從AW0到AW2條件下的牽引力大小進行自動調整，使列車在不同載荷條件下始終保持起動加速度基本不變。AW3條件下列車的牽引特性與AW2時一致。

3.3 列車電制動特性設計

同樣地，根據列車的減速性能要求，為了最大限度地利用電制動，盡可能地將恒制動力起始點后移。結合異步直線電機過載能力強的特點，最終設定的轉折點的列車運行速度為105 km/h，遠大于牽引工況下的45 km/h。這是因為電制動過程中逆變器的輸出側電壓不受列車牽引系統供電電壓的限制，故可發揮該系統的能力，使其實現一定程度的提升。最終確定列車額定狀態下的最大電制動力Fb2為110.8 kN，自然特性區列車運行速度范圍為120～105 km/h，恒電制動區列車運行速度范圍為105～8 km/h，單臺牽引電機最大電制動功率約為110 kW，單臺牽引電機最大制動電流約為430 A。

列車牽引系統按列車載荷對AW0到AW2條件下的電制動力大小進行自動調整，超過AW2載荷時，按照AW2載荷發揮，電制動不足部分由液壓制動補充。

根據計算分析，得到整車牽引力/電制動力特性曲線，如圖3所示。

圖3 中低速磁浮列車整車牽引力-電制動力特性曲線Fig.3 Traction and electrical braking force characteristic curves of medium-low speed maglev train

3.4 列車牽引及制動能力校核

根據上述列車牽引力/電制動力特性曲線，在平直軌道、額定狀態下，列車在各運行速度范圍內的平均加速度和減速度，如表3所示。

由表3可知，列車各運行速度范圍內的加速性能指標均滿足表2的要求；列車僅靠電制動可滿足運行速度為120～8 km/h時的平均減速度不小于1.1 m/s2的要求；列車運行速度為8～0 km/h范圍內需要液壓制動介入，以滿足列車全速域范圍內制動減速度不小于1.1 m/s2的要求。

表3 中低速磁浮列車在平直軌道、額定狀態下的平均加/減速度Tab.3 Average acceleration and deceleration of medium-low speed maglev train on straight line under rated state

4 列車的故障運行與救援能力

為了應對列車運行過程中可能出現的各種故障，需分工況對列車的故障運行與救援能力進行核算。根據3節列車牽引與電制動能力設計結果，得出結論見表4。

表4 列車故障運行與救援能力校核結果Tab.4 Check results of train fault operation and rescue capability

由于故障工況3無法實現列車的救援，為了提升列車的救援能力，列車牽引系統增設高加速模式。在高加速模式下，列車利用牽引系統的短時過載能力，最大限度地提升其牽引力[6]，以實現車輛的坡道起動。高加速模式下列車的牽引力特性曲線，如圖4所示。

由圖4可知，在該模式下，列車的起動牽引力設定為121 kN。據此對故障工況3重新進行核算，其起動加速度約為0.084 3 m/s2，滿足列車實現救援的條件要求。

圖4 列車在高加速模式下的牽引力特性曲線Fig.4 Traction force characteristics curve of train in high accelerating mode

5 結語

本文以3節編組中低速磁浮列車為例，對其牽引和電制動性能進行了探討分析，經計算求得了一個能夠滿足列車各種工況運行需求的牽引特性解，并對該解進行了故障工況核算。當發現某些工況下，列車救援能力無法滿足需求時，對列車牽引力特性曲線進行調整，利用牽引系統的過載能力實現空車對超員故障列車的坡道救援。中低速磁浮列車牽引性能的研究具有較高的工程應用價值。