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.上海南洋電機有限公司，上海 201802)

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

在我國,中低速磁浮列車的研究完全是獨立自主進(jìn)行的,列車上的全部設(shè)備和部件、網(wǎng)絡(luò)通訊和各種控制軟件,都是由我國工程技術(shù)專家和大學(xué)的教授們用自己的知識和智慧設(shè)計和開發(fā)出來的,具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)。

圖1 中低速磁浮列車試驗線

中低速磁浮列車的運行,使用了交流直線牽引電機進(jìn)行驅(qū)動,這項牽引控制技術(shù)的實際運用在我國還是一項新課題,需要不斷總結(jié)和積累經(jīng)驗,發(fā)現(xiàn)內(nèi)在的規(guī)律和特點,使其不斷地完善。

本文根據(jù)多年研發(fā)中低速磁浮列車的經(jīng)驗和實踐,提出了對直線牽引電機的牽引特性設(shè)定的看法和意見。

1 對某型直線電機使用情況的技術(shù)分析

某型交流直線感應(yīng)式牽引電機的技術(shù)條件如下:

(1)牽引電機滿足最大加速度、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%周期工作制運行;

(3)電機形式:單邊短初級直線感應(yīng)電機;

(4)每輛中低速磁浮列車中設(shè)置10臺牽引電機,5臺轉(zhuǎn)向架的懸浮模塊上分別安裝1臺,10臺直線感應(yīng)牽引電機采用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)每臺最大容量:130 kVA;

(8)電機最大牽引力:3.2 kN/臺;

(9)電機機械間隙:11mm;

(10)次級反應(yīng)板厚:4mm;

(11)功率因數(shù):0.6;

(12)效率:0.7;

(13)電機極距:0.2025 m;

(14)電機極數(shù):9;

(15)電機額定電壓:220 V(對應(yīng)的電壓頻率為43Hz);

(16)電機質(zhì)量:不大于200 kg;

(17)電機輪廓尺寸:長×寬×高＜2000mm×540mm×120mm。

中低速磁浮列車轉(zhuǎn)向架上安裝的直線牽引電機的外形圖如圖2所示。

圖2 中低速磁浮列車上安裝的直線牽引電機

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

圖3 交流直線牽引電機的牽引特性

由圖3可見,直線牽引電機在變頻調(diào)速系統(tǒng)(Variable Voltage and Varialbe Frequency,VVVF)牽引變流器的三相電壓的驅(qū)動下,起動時的電壓和頻率較低,盡管牽引力達(dá)到了設(shè)定值,但是電機的輸出功率并不大。此時,電機尚未達(dá)到最大的輸出功率,可以由牽引變流器控制,保持電機的牽引力處于恒定狀態(tài),與電機的運行速度無關(guān),即恒力狀態(tài)。當(dāng)交流直線牽引電機的速度達(dá)到電機的額定速度時,電機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),電機達(dá)到最大的輸出功率狀態(tài)。

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

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

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

交流直線電機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的初、次級之間有一層反應(yīng)板,隨著電機運行速度的提高,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,但是在電機達(dá)到最大速度時,這個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)計時,采用了12Hz的等滑差控制策略。

從圖4(a)可見,電機的起動牽引力約3.5 kN,在達(dá)到12 m/s(即實際運行速度為43.2km/h)的速度時,電機開始進(jìn)入恒功區(qū)段,電機的牽引力約為3.2 kN。

圖4 電機的機械和電氣參數(shù)

從該直線電機的技術(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)生的同步移動磁場交變一個周期時,同步移動磁場運動的距離為0.405 m。

此時,考慮12Hz的等滑差頻率,電機同步移動磁場的速度 vs應(yīng)該是實際運行速度 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)置在電機最高運行速度的一半左右。如,中低速磁浮列車的最高運行速度為100～110km/h,結(jié)構(gòu)速度為120km/h,故這個轉(zhuǎn)折速度應(yīng)該設(shè)置在60km/h左右為好。

按照上述計算原則,此時,交流直線牽引電機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。

中低速磁浮列車安裝了5臺轉(zhuǎn)向架,10臺交流直線牽引電機,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臺電機串聯(lián)的輸入交流線電壓的要求。

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

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

依據(jù)該交流直線牽引電機的技術(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)到了電機設(shè)計的基本使用要求。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,電機的機械輸出功率

沒有達(dá)到電機的設(shè)計功率。這也是列車在長時間運行后,電機本身溫度并不是很高的原因。

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

相對38.4 kW恒功條件下的理論輸出牽引力1.15 kN,提高了39.1%?？梢钥吹?在恒功階段,列車運行加速度的提高同時能夠減少起動過程中的運行距離。

2 對電機設(shè)計參數(shù)的修改

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

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

需要將電機在達(dá)到額定的AC 220 V輸入線電壓時的電機運行速度調(diào)整到60km/h(16.7 m/s)。再考慮12Hz時恒滑差的條件,此時電機的同步移動磁場的運行速度為64.86km/h,電機的輸入線電壓的頻率約為44.5Hz。

相對于原來的電機恒功點的轉(zhuǎn)折速度43.2km/h(12 m/s),電機輸入額定的AC 220 V電壓時的同步移動磁場的運行速度應(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)

該交流直線電機原來設(shè)計的每極相繞組的元件有3個,短距系數(shù)為7/9,每個元件有3匝。如果保持定子槽中每相3根元件的總截面不變,把每個元件的匝數(shù)減少為2匝(同時提高每根導(dǎo)體的截面積),就可以實現(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,還保持了電機原設(shè)計的額定功率增加不多(達(dá)到60 kW)。在這種條件下,電機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。由于變頻器的逆變原理和變頻變壓的輸出特性,其輸入的電功率還會保持基本不變。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,對于實現(xiàn)中低速磁浮列車起動加速度快的特點和性能,可以得到充分地體現(xiàn)。

依照輪軌列車的旋轉(zhuǎn)電機的牽引特性的使用條件,交流直線牽引電機在起動時,只要中低速磁浮列車的電磁鐵可以承載電機的電磁法向吸力,當(dāng)牽引工作制周期為60%,交流直線牽引電機可在30%的過載條件下工作,則電機恒力牽引區(qū)段的牽引力還可以加大。誠然,由于交流直線牽引電機的全特性試驗相對比較困難,可以在實車運行的條件下,通過改變牽引變流器的控制算法,進(jìn)行這種過載試驗,以獲得實際的牽引特性的測試值和試驗結(jié)果。

由此可見,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)

交流直線牽引電機在運行時,由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,端部效應(yīng)將產(chǎn)生阻力,相對旋轉(zhuǎn)電機而言,有3個極對電機的牽引力是沒有貢獻(xiàn)的,就像該臺電機(9極),只有3對極是有效的,故效率較低[3]。

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

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

誠然,如果采用這樣繞組設(shè)計的方法,原電機初級鐵心上開的88個元件槽需要減少到83個。由于這只是一個設(shè)計方案,還是需要按照上述的電機運行特性,進(jìn)行全面的電機磁路和電氣計算。

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

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

圖5 9極繞組直線電機的氣隙磁密分布圖

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

中低速磁浮列車的轉(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個端部。因此,懸浮電磁鐵在運行時,端部相對于實心鐵磁材料制成的軌道,就有磁場進(jìn)入和退出的情況,產(chǎn)生電磁渦流,即電磁阻力。懸浮電磁鐵運動的速度越快,這個阻力將增大。這也是需要在列車高速運行中,保持直線電機的牽引力較大的原因。

圖6 8極繞組直線電機的氣隙磁密分布圖

3 交流直線牽引電機的電制動原則

直線電機與旋轉(zhuǎn)電機相同,改變電機的轉(zhuǎn)差為負(fù)值,也可以建立電氣制動的效果。由于次級的電勢與電源的電勢同方向,電機的功率可以達(dá)到額定功率2倍以上,電制動力也能夠達(dá)到起動牽引力的水平。由于此時的電機輸出功率較大,恒電制動力和恒功電制動的轉(zhuǎn)折速度可以更靠近結(jié)構(gòu)速度,電制動的特性曲線[1]57可用圖7來表示。如果列車最高運行速度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 交流直線牽引電機的電制動特性

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

圖8 “電氣-機械”轉(zhuǎn)換示意圖

由圖8可見,在這個轉(zhuǎn)換的時刻,電制動力的下降斜率要與機械制動力的上升斜率的絕對值相同,但是趨勢相反,從而保證總制動力保持不變,以減少列車的沖動。

在使用交流直線牽引電機來進(jìn)行中低速磁浮列車的牽引計算時,可以不再考慮輪軌列車旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量(這個轉(zhuǎn)動慣量的準(zhǔn)確計算十分困難,只能用列車的總質(zhì)量乘以1.03～1.05的系數(shù)來解決),只考慮列車單輛車的總質(zhì)量,計算起來相對簡化和方便很多,這是中低速磁浮列車的特殊之處。

4 結(jié) 語

中低速磁浮列車在我國的研究歷史不長,真正實現(xiàn)應(yīng)用型列車的在線試運行,也只有3年多的時間。不斷總結(jié)試驗中的經(jīng)驗和教訓(xùn),是建設(shè)載客運營線路之前必須認(rèn)真對待的事情,應(yīng)該引起研制各方的關(guān)注和重視。

相信在不久的將來,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,中低速磁浮列車必將進(jìn)入我國城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)之中,發(fā)揮其服務(wù)于社會的作用。

[1]葉云岳.直線電機原理與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2000:57.

[2]龍遐令.直線感應(yīng)電動機的理論和電磁設(shè)計方法[M].北京:科學(xué)出版社,2006:20.

[3]尹力明,劉俊燕,馮國強,等.交流變頻控制系統(tǒng)在城市軌道交通上的應(yīng)用[J].裝備機械,2010(2):44.