真空管道HTS磁浮列車實驗系統(tǒng)環(huán)形加速器設(shè)計

真空管道HTS磁浮列車實驗系統(tǒng)環(huán)形加速器設(shè)計在真空管道高溫超導(dǎo)磁浮實驗系統(tǒng)中，采用圓環(huán)形單邊長初級直線感應(yīng)電機驅(qū)動磁浮列車做高速環(huán)形運動，為了提高驅(qū)動系統(tǒng)的效率和功率因素，降低系統(tǒng)能耗及電源容量，直線電機采用分段供電技術(shù)。本文針對真空管道高溫超導(dǎo)磁浮實驗系統(tǒng)的高速運行，分析研究了直線電機分段供電原理及列車的安全運行狀況，設(shè)計完成了用于真空管道高溫超導(dǎo)磁浮實驗系統(tǒng)的環(huán)形分段供電加速器，并對加速器的響應(yīng)速度和安全監(jiān)控功能開展了測試，結(jié)果說明該加速器具有較高的響應(yīng)速度，控制系統(tǒng)能對小車的運行狀態(tài)做出準確的判斷和保護，為真空管道高溫超導(dǎo)磁浮交通系統(tǒng)的應(yīng)用提供設(shè)計參考。

當列車行駛速度超過400km/h后，會產(chǎn)生巨大的氣動阻力、振動和噪聲，不適宜載人運輸，為了克服空氣阻力及傳動摩擦帶來的影響，進一步提高列車的行駛速度，于是將真空管道與磁浮列車結(jié)合在一起形成了真空管道磁浮交通系統(tǒng)，該系統(tǒng)最早由美國佛羅里達的機械工程師戴?！W斯特研究設(shè)計并申請了專利(美國專利號:5950543)，20**年初，西南交通大學(xué)以超導(dǎo)與新能源研究開發(fā)中心(以下簡稱超導(dǎo)中心)和電氣學(xué)院為依托，組建“磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點實驗室”，開始了真空管道交通運輸系統(tǒng)的實驗探索研究，真空管道磁浮交通優(yōu)勢在于具有快速(理論速度可達第一宇宙速度)、方便、節(jié)能、安全和現(xiàn)實可行等特點。超導(dǎo)中心磁浮實驗室，自主設(shè)計搭建了第一代真空管道高溫超導(dǎo)(HTS)磁浮列車實驗系統(tǒng)，該磁浮系統(tǒng)采用直徑為3m的圓環(huán)形永磁單軌，為HTS列車提供導(dǎo)向和懸浮，使用單段直線感應(yīng)電機對列車開展驅(qū)動，通過該實驗平臺，開展了相關(guān)研究并初步獲取了一系列有價值的成果，由于受軌道半徑限制，列車實際只能在低速下運行，包括國內(nèi)相關(guān)單位報道的類似低速實驗環(huán)線，對于真空管道交通運輸系統(tǒng)研究而言，是沒有太大意義的，而目前對高速真空管道運輸?shù)南嚓P(guān)研究均以仿真模擬為主，未見有相關(guān)實驗和設(shè)備報道，所以為了進一步研究真空管道磁浮列車在高速下的運行特性，在原系統(tǒng)的根底上開展了第二代真空管道HTS磁浮實驗系統(tǒng)的設(shè)計研究，為了克服環(huán)形實驗線給列車帶來的強大離心力，考慮采用直徑6m的側(cè)掛圓環(huán)形永磁雙軌，為HTS列車提供導(dǎo)向和懸掛，使懸浮力提供向心力，并采用圓環(huán)形閉合長初級單邊直線電機對列車開展連續(xù)驅(qū)動，使列車在真空管道內(nèi)高速行駛。

為了使單邊長初級直線電機初級便于安裝和維護，對電機初級開展分段加工組裝，當電機采用雙層繞組時，其半填充槽可以通過相鄰初級段開展互補級聯(lián)，為了提高整個加速系統(tǒng)的效率和功率因素，降低系統(tǒng)對電源容量的要求，對直線電機開展分段并聯(lián)供電控制，通過傳感器檢測列車的位置，對列車行駛經(jīng)過的直線電機單元段開展供電控制，我們將供電部分的單元段認為是直線電機的有效部分，其它未供電定子鐵心僅作為電機的邊界，這樣的分段供電單邊長初級直線電機就可以等效為一個與列車保持相對靜止，而沿著圓環(huán)形側(cè)掛雙軌做高速環(huán)形運動的加速器。

1、直線電機分段供電原理

如圖1所示，是長初級直線電機分段供電系統(tǒng)原理示意圖，整個系統(tǒng)由電機正反轉(zhuǎn)模塊、三相固態(tài)繼電器陣列、光電開關(guān)陣列和長初級直線電機組成。一個三相固態(tài)繼電器(SSR)、一段直線電機(P)和一個光電開關(guān)(S)構(gòu)成一個電機模組，光電開關(guān)檢測列車的行駛位置，三相固態(tài)繼電器控制直線電機段的供電，若干模組拼接組合構(gòu)成完整的加速系統(tǒng)。

圖1長初級直線電機分段供電原理圖

4、結(jié)論

本文研究設(shè)計了用于高速真空管道磁浮實驗系統(tǒng)的環(huán)形加速器，分析了直線電機分段供電原理，給出了加速控制器原理框圖及軟件流程，完成了控制系統(tǒng)的集成和實驗測試，結(jié)果說明，在模擬磁浮列車高速行駛下，系統(tǒng)能準確快速的響應(yīng)，并能對列車的運行狀態(tài)開展安全監(jiān)控，同時能對故障電機段和非正常供電開展報警和保護，實現(xiàn)了主要的軟件功能，最后分析討論了磁浮列車在更高時速運行下對控制系統(tǒng)的硬件要求。

環(huán)形加速器可以對磁浮列車開展高效、穩(wěn)定的連續(xù)驅(qū)動