第四章 中低速磁浮列車牽引控制系統(tǒng)

1、西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院郭小舟郭小舟中低速磁浮車的牽引控制系統(tǒng)中低速磁浮車的牽引控制系統(tǒng)第第1 1節(jié)節(jié) 磁浮列車與直線電機(jī)磁浮列車與直線電機(jī)上海磁浮車（德國(guó)上海磁浮車（德國(guó)TR08TR08）磁浮車是一種新的交通工具，研究的重點(diǎn)磁浮車是一種新的交通工具，研究的重點(diǎn)HSST HSST 磁浮車（日本）磁浮車（日本）交大交大MST-1MST-1磁浮車磁浮車青城山磁浮車青城山磁浮車國(guó)防科大磁浮車國(guó)防科大磁浮車 常導(dǎo)型磁浮列車?yán)秒姶盼?shí)現(xiàn)懸浮常導(dǎo)型磁浮列車?yán)秒姶盼?shí)現(xiàn)懸浮 磁浮列車?yán)弥本€電機(jī)實(shí)現(xiàn)牽引、制動(dòng)磁浮列車?yán)弥本€電機(jī)實(shí)現(xiàn)牽引、制動(dòng)直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直線電機(jī)的基本結(jié)

2、構(gòu) 直線電機(jī)可看作是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向剖開展平直線電機(jī)可看作是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向剖開展平 定子定子初級(jí)，轉(zhuǎn)子初級(jí)，轉(zhuǎn)子次級(jí)次級(jí) 初級(jí)與次級(jí)長(zhǎng)度不相等。初級(jí)與次級(jí)長(zhǎng)度不相等。短初級(jí)直線異步電機(jī)（短初級(jí)直線異步電機(jī)（HSST）長(zhǎng)初級(jí)直線異步電機(jī)（西南交大）長(zhǎng)初級(jí)直線異步電機(jī)（西南交大）第第2 2節(jié)節(jié) 直線異步電機(jī)（直線異步電機(jī)（LIMLIM）的控制特性）的控制特性LIMLIM控制方式取決于其應(yīng)用場(chǎng)合?？刂品绞饺Q于其應(yīng)用場(chǎng)合。LIMLIM控制策略與控制策略與應(yīng)用目標(biāo)相關(guān)應(yīng)用目標(biāo)相關(guān)由電磁場(chǎng)分析知，由電磁場(chǎng)分析知，LIMLIM的推力是的推力是dxbtxJFyLx),(Re2130*1LIMLIM工作時(shí)除產(chǎn)生

3、推力外還有垂向力。計(jì)算式為工作時(shí)除產(chǎn)生推力外還有垂向力。計(jì)算式為dxbbFyyLyRe213*301當(dāng)氣隙磁場(chǎng)有當(dāng)氣隙磁場(chǎng)有x x分量時(shí)分量時(shí),LIM,LIM垂向力還要增加一項(xiàng)垂向力還要增加一項(xiàng)dxbtxJFxLy),(Re2130*12這時(shí)這時(shí),LIM,LIM的垂向力的垂向力( (也稱為法向力也稱為法向力, ,磁拉力磁拉力) )為為21yyyFFF在討論電機(jī)的控制方式時(shí)在討論電機(jī)的控制方式時(shí), ,應(yīng)當(dāng)了解電機(jī)初級(jí)中電應(yīng)當(dāng)了解電機(jī)初級(jí)中電流與頻率變化時(shí)電機(jī)推力和垂向力的變化規(guī)律流與頻率變化時(shí)電機(jī)推力和垂向力的變化規(guī)律1 1 直線異步電機(jī)的等值電路直線異步電機(jī)的等值電路 直線異步電機(jī)也是異步電機(jī)

4、。在低速情況下直直線異步電機(jī)也是異步電機(jī)。在低速情況下直線與旋轉(zhuǎn)電機(jī)是相近的線與旋轉(zhuǎn)電機(jī)是相近的可以用異步電機(jī)的等效電路的方法來(lái)分析可以用異步電機(jī)的等效電路的方法來(lái)分析LIMLIMSRmRsRrSXrXmXSUSIrImIrSEE在等值電路中，定子邊即初級(jí)；轉(zhuǎn)子邊是次級(jí)。在等值電路中，定子邊即初級(jí)；轉(zhuǎn)子邊是次級(jí)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)直線電機(jī)的推力旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)直線電機(jī)的推力電機(jī)在電機(jī)在S=1S=1處起動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行速度提高，推力也增處起動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行速度提高，推力也增大。越過(guò)峰值后，速度增高推力下降。從起動(dòng)到峰大。越過(guò)峰值后，速度增高推力下降。從起動(dòng)到峰值點(diǎn)前是不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，峰值點(diǎn)后為穩(wěn)定

5、區(qū)值點(diǎn)前是不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，峰值點(diǎn)后為穩(wěn)定區(qū)推力推力F電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)電磁制動(dòng)電磁制動(dòng)S=1S=0推力推力- -速度曲線速度曲線LIMLIM的特點(diǎn)的特點(diǎn)由于終端效應(yīng)的原因，推力為零的點(diǎn)不在同步速由于終端效應(yīng)的原因，推力為零的點(diǎn)不在同步速對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)點(diǎn)當(dāng)電機(jī)次級(jí)運(yùn)行速度超過(guò)同步速后，電機(jī)工作于當(dāng)電機(jī)次級(jí)運(yùn)行速度超過(guò)同步速后，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)發(fā)電機(jī)狀態(tài)在越過(guò)峰值前為穩(wěn)定工作區(qū)；越過(guò)峰值點(diǎn)后，為在越過(guò)峰值前為穩(wěn)定工作區(qū)；越過(guò)峰值點(diǎn)后，為不穩(wěn)定區(qū)不穩(wěn)定區(qū)在相同的初級(jí)電流和頻率下在相同的初級(jí)電流和頻率下, ,處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)的處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)的制動(dòng)力比處于牽引狀態(tài)時(shí)的牽引力要大制動(dòng)力比處于牽引狀態(tài)時(shí)

6、的牽引力要大用等值電路概念時(shí)推力的表達(dá)式用等值電路概念時(shí)推力的表達(dá)式12 fFVFPxsxem222)(3IsRPem222212222)(32)(3fIRsfIRFx22211122211112)()(XXSRRUI)/1 (11mXX當(dāng)按當(dāng)按u/f=Cu/f=C控制時(shí)控制時(shí)LIMLIM的推力表達(dá)式的推力表達(dá)式222111222111112)()(23XXsRRUsfRFx010Hz20Hz30Hz40Hz當(dāng)按當(dāng)按U/f=CU/f=C控制時(shí)控制時(shí)LIMLIM的推力特性的推力特性LIMLIM的推力與初級(jí)電源頻率的關(guān)系的推力與初級(jí)電源頻率的關(guān)系假定初級(jí)電壓大小不變，僅僅改變初級(jí)電壓的頻假定初級(jí)電

7、壓大小不變，僅僅改變初級(jí)電壓的頻率。由推力計(jì)算式知，推力反比于初級(jí)頻率變化率。由推力計(jì)算式知，推力反比于初級(jí)頻率變化010Hz20Hz30Hz40HzLIMLIM很大的初級(jí)阻抗削弱了電機(jī)的磁場(chǎng)。隨著頻率很大的初級(jí)阻抗削弱了電機(jī)的磁場(chǎng)。隨著頻率升高，初級(jí)電壓也增大，初級(jí)阻抗的影響相應(yīng)減小升高，初級(jí)電壓也增大，初級(jí)阻抗的影響相應(yīng)減小當(dāng)按當(dāng)按I I1 1=C=C1 1，f f2 2=C=C2 2控制時(shí)控制時(shí)LIMLIM的推力表達(dá)式的推力表達(dá)式222212222)(32)(3fIRsfIRFx2122222222)()2()2(23ILLRffRLFmmx122222)()(ILLsRLImm當(dāng)按當(dāng)按

8、I I1 1=C1=C1，f f2 2=C=C2 2控制時(shí)控制時(shí)LIMLIM的推力特性的推力特性010Hz20Hz30Hz40Hz由圖可知，推力為常數(shù)。推力的大小與初級(jí)頻率由圖可知，推力為常數(shù)。推力的大小與初級(jí)頻率無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)LIMLIM的推力與初級(jí)電流的關(guān)系的推力與初級(jí)電流的關(guān)系假定初級(jí)的頻率不變，只改變初級(jí)電流大小。由假定初級(jí)的頻率不變，只改變初級(jí)電流大小。由推力計(jì)算式知，推力正比于初級(jí)電流的平方推力計(jì)算式知，推力正比于初級(jí)電流的平方這表明，控制初級(jí)電流可有效地控制推力這表明，控制初級(jí)電流可有效地控制推力推力推力F10I1I2實(shí)際實(shí)際LIMLIM按恒電流恒轉(zhuǎn)差頻率控制時(shí)的特性按恒電流恒轉(zhuǎn)差頻率

9、控制時(shí)的特性速度速度 m/s推力推力F010Hz20Hz30Hz40Hz電機(jī)推力并不嚴(yán)格為常數(shù)。原因是終端效應(yīng)的電機(jī)推力并不嚴(yán)格為常數(shù)。原因是終端效應(yīng)的影響。此外，由于電機(jī)次級(jí)采用反應(yīng)板結(jié)構(gòu)也影響。此外，由于電機(jī)次級(jí)采用反應(yīng)板結(jié)構(gòu)也是一個(gè)原因是一個(gè)原因當(dāng)初級(jí)電流和頻率恒定時(shí)當(dāng)初級(jí)電流和頻率恒定時(shí)LIMLIM的垂向力特性的垂向力特性LIMLIM在工作時(shí)除產(chǎn)生切向推力外還產(chǎn)生法向力。在工作時(shí)除產(chǎn)生切向推力外還產(chǎn)生法向力。從法向力公式知，其大小與磁密有關(guān)。法向力不從法向力公式知，其大小與磁密有關(guān)。法向力不容忽視，它可以超過(guò)推力數(shù)倍或數(shù)十倍容忽視，它可以超過(guò)推力數(shù)倍或數(shù)十倍02004006008001

10、00012001400160018001.00.80.60.40.20.0 F n 40AFnorm al(N ) F n 45As F n 60A在在LIMLIM中，初級(jí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與次級(jí)鐵軛產(chǎn)生吸力；中，初級(jí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與次級(jí)鐵軛產(chǎn)生吸力；初級(jí)磁場(chǎng)與反應(yīng)板的渦流作用產(chǎn)生斥力；初級(jí)產(chǎn)初級(jí)磁場(chǎng)與反應(yīng)板的渦流作用產(chǎn)生斥力；初級(jí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與次級(jí)鐵軛的渦流作用產(chǎn)生斥力生的磁場(chǎng)與次級(jí)鐵軛的渦流作用產(chǎn)生斥力轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)差頻率頻率推力推力F渦流斥力渦流斥力磁場(chǎng)吸力磁場(chǎng)吸力電機(jī)合成法向力電機(jī)合成法向力選擇合適的轉(zhuǎn)差頻率值可以使總法向力較小選擇合適的轉(zhuǎn)差頻率值可以使總法向力較小初級(jí)電流和轉(zhuǎn)差頻率恒定時(shí)初級(jí)電流和轉(zhuǎn)差頻率

11、恒定時(shí)LIMLIM的垂向力特性的垂向力特性當(dāng)不考慮終端效應(yīng)等影響時(shí)，電機(jī)的法向力為當(dāng)不考慮終端效應(yīng)等影響時(shí)，電機(jī)的法向力為常數(shù)。轉(zhuǎn)差頻率越大，法向力越小。法向力正常數(shù)。轉(zhuǎn)差頻率越大，法向力越小。法向力正比于初級(jí)電流的平方。大體上反比于轉(zhuǎn)差頻率比于初級(jí)電流的平方。大體上反比于轉(zhuǎn)差頻率5Hz10Hz15Hz20Hz初級(jí)初級(jí)電流電流LIMLIM的推力、法向力與轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系的推力、法向力與轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系在確定電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率值時(shí)，應(yīng)當(dāng)在吸力與推在確定電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率值時(shí)，應(yīng)當(dāng)在吸力與推力之間折衷。例如選取合適的力之間折衷。例如選取合適的f2f2值，使吸力在值，使吸力在系統(tǒng)容忍的范圍內(nèi)。系統(tǒng)容忍的范圍內(nèi)。

12、推力推力吸力吸力轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)差頻率推推力力吸吸力力F2=0HzF2=20Hz第第3 3節(jié)節(jié) LIMLIM的電流的電流- -轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制從上節(jié)分析知，采用電流轉(zhuǎn)差頻率控制方式可有從上節(jié)分析知，采用電流轉(zhuǎn)差頻率控制方式可有效地控制推力并將電機(jī)的法向力控制在不大的數(shù)效地控制推力并將電機(jī)的法向力控制在不大的數(shù)值上。所以，磁浮車大多均采用這種控制方式值上。所以，磁浮車大多均采用這種控制方式轉(zhuǎn)差頻率的確定是控制的關(guān)鍵轉(zhuǎn)差頻率的確定是控制的關(guān)鍵從推力速度特性曲線知，若用推力峰值附近的轉(zhuǎn)從推力速度特性曲線知，若用推力峰值附近的轉(zhuǎn)差頻率值進(jìn)行控制，可以使電機(jī)的推力最大。但差頻率值進(jìn)行控制，可以使電機(jī)的

13、推力最大。但要受到如下因素的限制要受到如下因素的限制1 1 垂向力的限制垂向力的限制2 2 受電機(jī)功率因數(shù)受電機(jī)功率因數(shù)- -效率乘積的限制。而這個(gè)參效率乘積的限制。而這個(gè)參數(shù)與變流器的容量、體積與重量相關(guān)數(shù)與變流器的容量、體積與重量相關(guān)3 受到速度檢測(cè)信號(hào)精度及控制誤差的限制受到速度檢測(cè)信號(hào)精度及控制誤差的限制當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率確定后，在一段頻率范圍內(nèi)，電機(jī)可當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率確定后，在一段頻率范圍內(nèi)，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)差頻率恒電流運(yùn)行。以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)差頻率恒電流運(yùn)行。當(dāng)初級(jí)頻率超過(guò)轉(zhuǎn)折值后，由于電機(jī)的定子電壓當(dāng)初級(jí)頻率超過(guò)轉(zhuǎn)折值后，由于電機(jī)的定子電壓不能再增高而電機(jī)阻抗隨定子頻率的增高而增大，不能再增高而電機(jī)阻

14、抗隨定子頻率的增高而增大，定子電流就不可能恒定。由于推力與定子電流的定子電流就不可能恒定。由于推力與定子電流的平方成正比，推力將顯著下降。平方成正比，推力將顯著下降。若增大轉(zhuǎn)差頻率，則減小了電機(jī)的輸入阻抗，定若增大轉(zhuǎn)差頻率，則減小了電機(jī)的輸入阻抗，定子電流可以維持在額定值。子電流可以維持在額定值。這表明在進(jìn)行電流轉(zhuǎn)差頻率控制時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)差這表明在進(jìn)行電流轉(zhuǎn)差頻率控制時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率頻率f f2 2在不同的區(qū)域內(nèi)有不同的變化規(guī)律在不同的區(qū)域內(nèi)有不同的變化規(guī)律電力牽引對(duì)推力電力牽引對(duì)推力- -速度特性的要求速度特性的要求在牽引時(shí)，需要在盡量短的時(shí)間內(nèi)將磁浮車由靜在牽引時(shí)，需要在盡量短的時(shí)間內(nèi)將磁

15、浮車由靜止?fàn)顟B(tài)加速到高速狀態(tài)，然后電機(jī)以恒功率運(yùn)行止?fàn)顟B(tài)加速到高速狀態(tài)，然后電機(jī)以恒功率運(yùn)行推力推力垂向垂向力力定子電壓定子電壓定子電流定子電流轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)折速度轉(zhuǎn)折速度最大速度最大速度逆變器控制逆變器控制- -電流轉(zhuǎn)差頻率控制方式電流轉(zhuǎn)差頻率控制方式2/221xrvffff2212/fvfffxr牽引時(shí)牽引時(shí)再生制動(dòng)時(shí)再生制動(dòng)時(shí)推力推力給定給定逆變器逆變器及控制及控制LIM電流指令電流指令牽引牽引開方開方F2給定給定電流檢測(cè)電流檢測(cè)電壓控制電壓控制-+速度速度頻率控制頻率控制整流整流再生再生+-+電機(jī)次級(jí)電機(jī)次級(jí)測(cè)速測(cè)速PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)速度信號(hào)速度信號(hào)系統(tǒng)由頻率控制、電流控制二個(gè)部分組成系

16、統(tǒng)由頻率控制、電流控制二個(gè)部分組成推力控制信號(hào)經(jīng)過(guò)變換成為電流指令；實(shí)際的電機(jī)推力控制信號(hào)經(jīng)過(guò)變換成為電流指令；實(shí)際的電機(jī)電流與指令電流比較，決定是增大還是減小初級(jí)電電流與指令電流比較，決定是增大還是減小初級(jí)電壓：如果實(shí)際電流小于指令電流則增大初級(jí)電流、壓：如果實(shí)際電流小于指令電流則增大初級(jí)電流、反之則減。反之則減。電機(jī)電流反饋信號(hào)由傳感器檢測(cè)，經(jīng)過(guò)整流與濾波電機(jī)電流反饋信號(hào)由傳感器檢測(cè)，經(jīng)過(guò)整流與濾波處理后送到處理后送到PIPI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。頻率控制需要準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行速度。速度信號(hào)頻率控制需要準(zhǔn)確檢測(cè)電機(jī)的運(yùn)行速度。速度信號(hào)經(jīng)處理后，送轉(zhuǎn)差頻率函數(shù)發(fā)生單元。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前經(jīng)處理后，送轉(zhuǎn)差頻

17、率函數(shù)發(fā)生單元。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前轉(zhuǎn)差頻率為常數(shù)；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后轉(zhuǎn)差率為常數(shù)。轉(zhuǎn)差頻率為常數(shù)；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后轉(zhuǎn)差率為常數(shù)。電機(jī)初級(jí)頻率為速度與轉(zhuǎn)差頻率相加（牽引）或相電機(jī)初級(jí)頻率為速度與轉(zhuǎn)差頻率相加（牽引）或相減（再生）電壓與頻率信號(hào)送逆變器的減（再生）電壓與頻率信號(hào)送逆變器的PWMPWM單元，單元，產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖青城山磁浮車青城山磁浮車LIMLIM控制方式控制方式F1iaibU1F1I1速度反饋速度反饋牽引力給定牽引力給定+-牽引牽引/制動(dòng)制動(dòng)該系統(tǒng)與上一個(gè)系統(tǒng)是相同的。它也由頻率控制、該系統(tǒng)與上一個(gè)系統(tǒng)是相同的。它也由頻率控制、電流控制二個(gè)部分組成。在低速時(shí)采用恒電流、恒電流控制二個(gè)

18、部分組成。在低速時(shí)采用恒電流、恒轉(zhuǎn)差控制；當(dāng)逆變器電壓滿開放，電壓不能再升高轉(zhuǎn)差控制；當(dāng)逆變器電壓滿開放，電壓不能再升高時(shí)，采用恒轉(zhuǎn)差率控制。電機(jī)牽引時(shí)轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生時(shí)，采用恒轉(zhuǎn)差率控制。電機(jī)牽引時(shí)轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生器的輸出信號(hào)為正；再生時(shí)為負(fù)。器的輸出信號(hào)為正；再生時(shí)為負(fù)。頻率控制的規(guī)則是：牽引時(shí)電機(jī)初級(jí)頻率為速度與頻率控制的規(guī)則是：牽引時(shí)電機(jī)初級(jí)頻率為速度與轉(zhuǎn)差頻率相加，再生時(shí)為相減轉(zhuǎn)差頻率相加，再生時(shí)為相減主要的功能單元是：主要的功能單元是： PWMPWM單元：產(chǎn)生電壓與頻率均可調(diào)的脈沖信號(hào)單元：產(chǎn)生電壓與頻率均可調(diào)的脈沖信號(hào)電流調(diào)節(jié)器：在轉(zhuǎn)折速度前，保持初級(jí)電流恒定電流調(diào)節(jié)器：在轉(zhuǎn)折速度前，保

19、持初級(jí)電流恒定速度檢測(cè)：電流轉(zhuǎn)差控制的基礎(chǔ)速度檢測(cè)：電流轉(zhuǎn)差控制的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)差頻率函數(shù)發(fā)生器：牽引時(shí)為正值，再生為負(fù)轉(zhuǎn)差頻率函數(shù)發(fā)生器：牽引時(shí)為正值，再生為負(fù)青城山磁浮車青城山磁浮車LIMLIM控制方式試驗(yàn)結(jié)果控制方式試驗(yàn)結(jié)果F2=5HzF2=5Hz時(shí)法向力隨次級(jí)速度的變化曲線時(shí)法向力隨次級(jí)速度的變化曲線 02468101205010015020025030035040002468101205010015020025030035040001234567891011120501001502002503003504000123456789101112050100150200250300350400Fnormal(N)Vx(m/s) Fn40A Fn45A Fn50A Fn60A123456789101112050100150200250300123456789101112050100150200250300123456789101112050100150200250300Fthrust(N)Vx(m/s) Ft60A Ft50A Ft40A青城山磁浮車青城山磁浮車L