第四章 中低速磁浮列車的牽引控制系統(tǒng)

西南交通大學電氣工程學院郭小舟中低速磁浮車的牽引控制系統(tǒng)第1節(jié)磁浮列車與直線電機上海磁浮車（德國TR08）磁浮車是一種新的交通工具，研究的重點HSST磁浮車（日本）交大MST-1磁浮車青城山磁浮車國防科大磁浮車常導型磁浮列車利用電磁吸力實現(xiàn)懸浮磁浮列車利用直線電機實現(xiàn)牽引、制動直線電機的基本結(jié)構(gòu)直線電機可看作是將旋轉(zhuǎn)電機徑向剖開展平定子—初級，轉(zhuǎn)子—次級初級與次級長度不相等。短初級直線異步電機（HSST）長初級直線異步電機（西南交大）第2節(jié)直線異步電機（LIM）的控制特性LIM控制方式取決于其應(yīng)用場合。LIM控制策略與應(yīng)用目標相關(guān)由電磁場分析知，LIM的推力是LIM工作時除產(chǎn)生推力外還有垂向力。計算式為當氣隙磁場有x分量時,LIM垂向力還要增加一項這時,LIM的垂向力(也稱為法向力,磁拉力)為在討論電機的控制方式時,應(yīng)當了解電機初級中電流與頻率變化時電機推力和垂向力的變化規(guī)律1直線異步電機的等值電路直線異步電機也是異步電機。在低速情況下直線與旋轉(zhuǎn)電機是相近的可以用異步電機的等效電路的方法來分析LIM在等值電路中，定子邊即初級；轉(zhuǎn)子邊是次級。旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)矩對應(yīng)直線電機的推力電機在S=1處起動運行。當運行速度提高，推力也增大。越過峰值后，速度增高推力下降。從起動到峰值點前是不穩(wěn)定運行區(qū)域，峰值點后為穩(wěn)定區(qū)－∞推力F電動機發(fā)電機電磁制動S=1S=0＋∞推力-速度曲線LIM的特點由于終端效應(yīng)的原因，推力為零的點不在同步速對應(yīng)點當電機次級運行速度超過同步速后，電機工作于發(fā)電機狀態(tài)在越過峰值前為穩(wěn)定工作區(qū)；越過峰值點后，為不穩(wěn)定區(qū)在相同的初級電流和頻率下,處于發(fā)電狀態(tài)時的制動力比處于牽引狀態(tài)時的牽引力要大用等值電路概念時推力的表達式當按u/f=C控制時LIM的推力表達式010Hz20Hz30Hz40Hz當按U/f=C控制時LIM的推力特性LIM的推力與初級電源頻率的關(guān)系假定初級電壓大小不變，僅僅改變初級電壓的頻率。由推力計算式知，推力反比于初級頻率變化010Hz20Hz30Hz40HzLIM很大的初級阻抗削弱了電機的磁場。隨著頻率升高，初級電壓也增大，初級阻抗的影響相應(yīng)減小當按I1=C1，f2=C2控制時LIM的推力表達式當按I1=C1，f2=C2控制時LIM的推力特性010Hz20Hz30Hz40Hz由圖可知，推力為常數(shù)。推力的大小與初級頻率無關(guān)LIM的推力與初級電流的關(guān)系假定初級的頻率不變，只改變初級電流大小。由推力計算式知，推力正比于初級電流的平方這表明，控制初級電流可有效地控制推力推力F10I1I2實際LIM按恒電流恒轉(zhuǎn)差頻率控制時的特性速度m/s推力F010Hz20Hz30Hz40Hz電機推力并不嚴格為常數(shù)。原因是終端效應(yīng)的影響。此外，由于電機次級采用反應(yīng)板結(jié)構(gòu)也是一個原因當初級電流和頻率恒定時LIM的垂向力特性LIM在工作時除產(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)。法向力不容忽視，它可以超過推力數(shù)倍或數(shù)十倍在LIM中，初級產(chǎn)生的磁場與次級鐵軛產(chǎn)生吸力；初級磁場與反應(yīng)板的渦流作用產(chǎn)生斥力；初級產(chǎn)生的磁場與次級鐵軛的渦流作用產(chǎn)生斥力轉(zhuǎn)差頻率推力F渦流斥力磁場吸力電機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初級電流和轉(zhuǎn)差頻率恒定時LIM的垂向力特性當不考慮終端效應(yīng)等影響時，電機的法向力為常數(shù)。轉(zhuǎn)差頻率越大，法向力越小。法向力正比于初級電流的平方。大體上反比于轉(zhuǎn)差頻率5Hz10Hz15Hz20Hz初級電流LIM的推力、法向力與轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系在確定電機的轉(zhuǎn)差頻率值時，應(yīng)當在吸力與推力之間折衷。例如選取合適的f2值，使吸力在系統(tǒng)容忍的范圍內(nèi)。推力吸力轉(zhuǎn)差頻率推力吸力F2=0HzF2=20Hz第3節(jié)LIM的電流-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效地控制推力并將電機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)差頻率值進行控制，可以使電機的推力最大。但要受到如下因素的限制1垂向力的限制2受電機功率因數(shù)-效率乘積的限制。而這個參數(shù)與變流器的容量、體積與重量相關(guān)3受到速度檢測信號精度及控制誤差的限制當轉(zhuǎn)差頻率確定后，在一段頻率范圍內(nèi)，電機可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)差頻率恒電流運行。當初級頻率超過轉(zhuǎn)折值后，由于電機的定子電壓不能再增高而電機阻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，則減小了電機的輸入阻抗，定子電流可以維持在額定值。這表明在進行電流轉(zhuǎn)差頻率控制時，電機的轉(zhuǎn)差頻率f2在不同的區(qū)域內(nèi)有不同的變化規(guī)律電力牽引對推力-速度特性的要求在牽引時，需要在盡量短的時間內(nèi)將磁浮車由靜止狀態(tài)加速到高速狀態(tài)，然后電機以恒功率運行推力垂向力定子電壓定子電流轉(zhuǎn)差頻率轉(zhuǎn)折速度最大速度逆變器控制-電流轉(zhuǎn)差頻率控制方式牽引時再生制動時推力給定逆變器及控制LIM電流指令牽引開方F2給定電流檢測電壓控制-+速度頻率控制整流再生+-++電機次級測速PI調(diào)節(jié)速度信號系統(tǒng)由頻率控制、電流控制二個部分組成推力控制信號經(jīng)過變換成為電流指令；實際的電機電流與指令電流比較，決定是增大還是減小初級電壓：如果實際電流小于指令電流則增大初級電流、反之則減。電機電流反饋信號由傳感器檢測，經(jīng)過整流與濾波處理后送到PI調(diào)節(jié)器。頻率控制需要準確檢測電機的運行速度。速度信號經(jīng)處理后，送轉(zhuǎn)差頻率函數(shù)發(fā)生單元。在轉(zhuǎn)折點前轉(zhuǎn)差頻率為常數(shù)；在轉(zhuǎn)折點后轉(zhuǎn)差率為常數(shù)。電機初級頻率為速度與轉(zhuǎn)差頻率相加（牽引）或相減（再生）電壓與頻率信號送逆變器的PWM單元，產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖青城山磁浮車LIM控制方式F1iaibU1F1ΣI1變換Σ脈寬調(diào)制電路逆變器主電路速度反饋牽引力給定+-牽引/制動該系統(tǒng)與上一個系統(tǒng)是相同的。它也由頻率控制、電流控制二個部分組成。在低速時采用恒電流、恒轉(zhuǎn)差控制；當逆變器電壓滿開放，電壓不能再升高時，采用恒轉(zhuǎn)差率控制。電機牽引時轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生器的輸出信號為正；再生時為負。頻率控制的規(guī)則是：牽引時電機初級頻率為速度與轉(zhuǎn)差頻率相加，再生時為相減主要的功能單元是：PWM單元：產(chǎn)生電壓與頻率均可調(diào)的脈沖信號電流調(diào)節(jié)器：在轉(zhuǎn)折速度前，保持初級電流恒定速度檢測：電流轉(zhuǎn)差控制的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)差頻率函數(shù)發(fā)生器：牽引時為正值，再生為負青城山磁浮車LIM控制方式試驗結(jié)果F2=5Hz時法向力隨次級速度的變化曲線青城山磁浮車LIM控制方式試驗結(jié)果F2=15Hz時推力隨次級速度的變化曲線青城山磁浮車LIM控制方式試驗結(jié)果I1=60AF1=25Hz時推力實測值與理論計算值的比較1恒電流-恒滑差頻率控制方式能夠保證直線感應(yīng)電機產(chǎn)生恒定推力的同時使電機的法