直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)研究與試驗(yàn)探討

陶偉平 馬洪崗

摘? 要：直線電機(jī)軌道交通具備建設(shè)成本低、受環(huán)境影響小、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來該交通形式在我國(guó)各城市的應(yīng)用日漸廣泛，相關(guān)研究也隨之大量涌現(xiàn)。牽引變流器、牽引直線電機(jī)均屬于直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)的核心構(gòu)成，二者與牽引控制難度較大、大功率直線感應(yīng)電機(jī)電磁計(jì)算困難等難題聯(lián)系緊密。基于此，本文將簡(jiǎn)單分析直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)，并圍繞直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入探討，希望研究?jī)?nèi)容能夠給相關(guān)從業(yè)人員以啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī)? 軌道交通牽引系統(tǒng)? 牽引直線電機(jī)? 牽引變流器

中圖分類號(hào)：U264.1+4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）07（b）-0067-03

Abstract： Linear motor rail transit has the advantages of low construction cost， little environmental impact and strong climbing ability. In recent years， this type of traffic has been widely used in various cities in our country， and a large number of related studies have emerged. Traction converter and traction linear motor are the core components of the traction system of linear motor rail transit. They are closely related to the difficulties of traction control and electromagnetic calculation of high-power linear induction motor. Based on this， this paper will simply analyze the traction system of linear motor rail transit， and conduct in-depth discussion around the operation test results of the traction system of linear motor rail transit， hoping that the research content can inspire relevant practitioners.

Key Words： Linear motor; Traction system of linear motor rail transit; Traction linear motor; Traction converter

直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的受關(guān)注程度近年來不斷提升，這種國(guó)產(chǎn)化需解決牽引控制難度較大等難題，本文研究主要圍繞國(guó)產(chǎn)化的相關(guān)探索展開。

1? 直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)分析

1.1 牽引直線電機(jī)分析

直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)采用三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為牽引直線電機(jī)，采用單邊短初級(jí)結(jié)構(gòu)形式，由初級(jí)及次級(jí)構(gòu)成，在車輛轉(zhuǎn)向架上安裝三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的初級(jí)，需將2臺(tái)直線電機(jī)初級(jí)懸掛于每臺(tái)轉(zhuǎn)向架上，同時(shí)在軌道上安裝次級(jí)[1]。采用嵌入槽中三相繞組與帶齒槽鐵心（高性能硅鋼片疊成）構(gòu)成的三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)初級(jí)，轉(zhuǎn)向架上的懸掛基于三點(diǎn)懸掛方式實(shí)現(xiàn)，3個(gè)懸掛端可將電機(jī)所產(chǎn)生的法向力及推力傳遞給車體[2]。作為強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變系統(tǒng)，三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的次級(jí)電阻和勵(lì)磁電感等重要參數(shù)直接受到車輛氣隙大小、速度的影響，電機(jī)的牽引特性也會(huì)同時(shí)受到影響。三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)面臨著次級(jí)反應(yīng)板集膚效應(yīng)、電磁氣隙大、邊端極“半填充槽”、橫縱向端部效應(yīng)等問題，這就使得圍繞三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)開展的特性計(jì)算和理論分析往往較為困難、復(fù)雜[3]，因此需要開展針對(duì)性的等效電路修正，由此三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的集膚效應(yīng)、初級(jí)端部半填充槽、縱向和橫向邊端效應(yīng)影響即可通過修正系數(shù)反映，如式（1）為每相磁化電抗縱向動(dòng)態(tài)端部效應(yīng)修正系數(shù)，式中的τ、G、pe、C1與C2、s分別為極距、品質(zhì)因數(shù)、等效極對(duì)數(shù)、過渡變量、滑差率[4]。

基于國(guó)產(chǎn)化探索可以發(fā)現(xiàn)，在大功率三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)研制完成后，需開展充分的試驗(yàn)測(cè)試，以此得出直流母線電壓750V時(shí)的推力-速度特性，及線電壓、電流-速度特性，同時(shí)還需要對(duì)6.5Hz啟動(dòng)頻率時(shí)三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的推力-速度特性進(jìn)行試驗(yàn)（堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)）[5]，對(duì)比國(guó)產(chǎn)化三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，550V的額定電壓、400A的持續(xù)電流、6.5Hz的啟動(dòng)頻率、650A的最大電流、200kW的額定功率與堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，由此可證明國(guó)產(chǎn)化三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)與電磁計(jì)算的有效性[6]。

1.2 牽引變流器分析

直線電機(jī)軌道交通的本車的2臺(tái)直線電機(jī)（三相直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）供電由每臺(tái)牽引變流器負(fù)責(zé)，采用輸入電壓為750V的牽引變流器，三相可變頻變壓交流電可由此輸出。結(jié)合國(guó)產(chǎn)化探索可以發(fā)現(xiàn)，二電平電壓型直-交逆變電路屬于國(guó)產(chǎn)化牽引變流器常用主電路，包括電流傳感器、牽引控制單元和電壓、三相逆變功率電路、過壓斬波電路、直流電容環(huán)節(jié)、直流進(jìn)線環(huán)節(jié)、輔助設(shè)備（風(fēng)機(jī)、電源等）。分析國(guó)產(chǎn)化牽引變流器技術(shù)參數(shù)，其擁有1.3MVA的容量、2×400A的額定輸出電流、0～75Hz的輸出頻率范圍、1000Hz的最高開關(guān)頻率、額定DC750V的輸入電壓（波動(dòng)范圍為500～900V）。基于國(guó)產(chǎn)化牽引變流器主電路原理開展試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在其擁有1320A的輸出電流有效值時(shí)（峰值為1866A），該牽引變流器可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 牽引控制策略及其功能特點(diǎn)

結(jié)合國(guó)產(chǎn)化探索可以發(fā)現(xiàn)，高性能磁場(chǎng)定向控制方法在應(yīng)用中取得了不俗效果，基本控制流程如圖1所示。

高性能磁場(chǎng)定向控制方法可實(shí)現(xiàn)牽引力與勵(lì)磁的解耦控制，牽引力輸出的穩(wěn)定也能夠通過該方法得到保障?；谶吘壭?yīng)補(bǔ)償控制策略和參數(shù)在線辨識(shí)策略，力矩補(bǔ)償環(huán)節(jié)和磁鏈補(bǔ)償環(huán)節(jié)下控制特性受到的邊緣效應(yīng)影響得以消除。為驗(yàn)證控制策略，可設(shè)定相同的加速度并基于同樣的運(yùn)行工況開展對(duì)比試驗(yàn)，以此對(duì)傳統(tǒng)的牽引控制策略和本文研究的牽引控制策略進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的加速時(shí)間分別為9.57s、8.82s，最大級(jí)位平均加速度分別為0.883m/s2、0.995m/s2，對(duì)比控制效果可以發(fā)現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的牽引控制策略，本文研究的牽引控制策略可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的顯著提高。

2? 運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

基于本文研究的國(guó)產(chǎn)化直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)擁有100km/h的最高運(yùn)行速度，為直觀對(duì)比該系統(tǒng)與進(jìn)口系統(tǒng)，在4車編組的1列直線電機(jī)車輛上將原有進(jìn)口系統(tǒng)由國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)替代，開展3套進(jìn)口系統(tǒng)與1套國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)混用試驗(yàn)，以此驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)的替換性。結(jié)合試驗(yàn)可以確定，在0～20km加速度對(duì)比中，進(jìn)口、國(guó)產(chǎn)直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)的平均值分別為0.385m/s2、0.384m/s2，20～0km減速度對(duì)比分別為0.370m/s2、0.375m/s2，0～20km加減速度對(duì)比則分別為+1.35%、-0.26%。結(jié)合0～100km/h最高速度下直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)牽引制動(dòng)全過程試驗(yàn)波形進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在制動(dòng)、惰行、牽引、啟動(dòng)運(yùn)行全過程中，本文研究的國(guó)產(chǎn)化直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)可保證變流器輸出電流、直流電流、直流電壓保持穩(wěn)定，系統(tǒng)的牽引及電制動(dòng)控制效果由此得到證明。

在相同的工況下，國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)擁有與進(jìn)口設(shè)備相當(dāng)?shù)闹苿?dòng)性能、牽引性能，具備全面代替進(jìn)口系統(tǒng)能力。同時(shí)，使用國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)替換進(jìn)口系統(tǒng)的車輛在0～100km/h、0～55km/h的平均加速度分別為0.543m/s2、1.02m/s2，滿足車輛基本技術(shù)條件加速度要求。同時(shí)圍繞爬坡能力進(jìn)行試驗(yàn)，在0～10km/h速度范圍內(nèi)，使用國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)替換進(jìn)口系統(tǒng)的車輛存在大于0.50m/s2的平均加速，爬坡能力較強(qiáng)。

3? 結(jié)語

綜上所述，為更好推進(jìn)直線電機(jī)軌道交通牽引系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化，我國(guó)必須進(jìn)一步提升在新型軌道交通技術(shù)領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力，各類新技術(shù)、新設(shè)備的積極應(yīng)用也需要得到重點(diǎn)關(guān)注。

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