对中低速磁浮列车的直线牵引电机特性设定的初步意见

2011-05-01尹力明岑兆奇张晓杰

上海电气技术 2011年1期

尹力明, 岑兆奇, 张晓杰

(1.上海轨道交通设备发展有限公司，上海 200233;2.上海南洋电机有限公司，上海 201802)

常导中低速磁浮列车在我国的研究历史已有近30年的时间,自2000年开始,陆续在长沙国防科技大学和四川青城山建设了2条试验样车的试验线。从 2005年开始,上海磁浮公司在上海临港、北京磁浮公司在唐山客车厂又先后建设了1.7km和1.5km设置有道岔和检修库的实用工程样车的试验线,开展了多编组列车的全面技术试验、测试和运行考核,并取得了非常有价值的应用成果和工程化的经验。2条试验线的运行状态如图1所示。

在我国,中低速磁浮列车的研究完全是独立自主进行的,列车上的全部设备和部件、网络通讯和各种控制软件,都是由我国工程技术专家和大学的教授们用自己的知识和智慧设计和开发出来的,具有完全的自主知识产权。

图1 中低速磁浮列车试验线

中低速磁浮列车的运行,使用了交流直线牵引电机进行驱动,这项牵引控制技术的实际运用在我国还是一项新课题,需要不断总结和积累经验,发现内在的规律和特点,使其不断地完善。

本文根据多年研发中低速磁浮列车的经验和实践,提出了对直线牵引电机的牵引特性设定的看法和意见。

1 对某型直线电机使用情况的技术分析

某型交流直线感应式牵引电机的技术条件如下:

(1)牵引电机满足最大加速度、最大减速度、爬坡能力和故障状态下的牵引要求;

(2)按负载持续率为60%周期工作制运行;

(3)电机形式:单边短初级直线感应电机;

(4)每辆中低速磁浮列车中设置10台牵引电机,5台转向架的悬浮模块上分别安装1台,10台直线感应牵引电机采用5串2并方式与牵引逆变器联接;

(5)相绕组接法:Y型;

(6)额定磁路气隙:15mm;

(7)每台最大容量:130 kVA;

(8)电机最大牵引力:3.2 kN/台;

(9)电机机械间隙:11mm;

(10)次级反应板厚:4mm;

(11)功率因数:0.6;

(12)效率:0.7;

(13)电机极距:0.2025 m;

(14)电机极数:9;

(15)电机额定电压:220 V(对应的电压频率为43Hz);

(16)电机质量:不大于200 kg;

(17)电机轮廓尺寸:长×宽×高＜2000mm×540mm×120mm。

中低速磁浮列车转向架上安装的直线牵引电机的外形图如图2所示。

图2 中低速磁浮列车上安装的直线牵引电机

城市轨道交通由于站间距短,要求列车的起动加速度大,因此,为了均衡牵引电机的牵引特性,通常设置了恒力和恒功牵引的2个状态和阶段[1]57(见图3)。

图3 交流直线牵引电机的牵引特性

由图3可见,直线牵引电机在变频调速系统(Variable Voltage and Varialbe Frequency,VVVF)牵引变流器的三相电压的驱动下,起动时的电压和频率较低,尽管牵引力达到了设定值,但是电机的输出功率并不大。此时,电机尚未达到最大的输出功率,可以由牵引变流器控制,保持电机的牵引力处于恒定状态,与电机的运行速度无关,即恒力状态。当交流直线牵引电机的速度达到电机的额定速度时,电机的输入电压和频率也达到额定值,牵引变流器的三相输出电压无法进一步升高(受到接触网的直流电压幅值的限制),电机达到最大的输出功率状态。

交流牵引电机在设计时,已经考虑了在输入电压饱和时,为充分发挥电机的牵引能力,有意设置了恒功牵引状态。可见,在这种牵引状态下,交流直线牵引电机的输出牵引力与电机运行的速度成反比例,随着电机运行速度的增加,牵引力逐渐降低,引起列车在高速时的加速度也相应地降低。为此,在考虑列车的牵引特性时,需要加以重点关注。

在中低速磁浮列车上使用的交流直线牵引电机的初、次级之间的气隙较大,故这种电机的功率因数和效率都较低(见电机的技术条件),因此,交流直线牵引电机在运行时的滑差也比交流旋转牵引电机要大很多。

交流直线牵引电机的初级有铁心和线圈,次级尽管设置了反应铝板,但是作为次级磁路的轨道,则是由低碳钢铁磁材料轧制而成,初、次级之间相当于电磁铁和衔铁的关系。在直线电机的初级绕组通入交流电流时,气隙中的磁场将产生电磁法向吸力,对悬浮电磁铁而言,相当于追加了一个负载力。由于电机初级绕组的电流变化,电磁法向吸力对悬浮电磁铁的作用相当于增加了一个干扰力。交流旋转牵引电机的次级转子由轴承支撑,电机中的气隙相对均匀,气隙磁场产生的电磁吸力被相互抵消。这就是交流直线电机与交流旋转电机的特性不同之处[2]。

交流直线电机的牵引特性和电气参数如图4所示。由于交流直线牵引电机的初、次级之间有一层反应板,随着电机运行速度的提高,气隙产生的电磁法向吸力将逐渐降低(反应板产生的斥力与吸力相抵消,但是在电机达到最大速度时,这个电磁吸力不可能完全抵消)。为了保证该电磁法向吸力的稳定性,在牵引变流器的软件设计时,采用了12Hz的等滑差控制策略。

从图4(a)可见,电机的起动牵引力约3.5 kN,在达到12 m/s(即实际运行速度为43.2km/h)的速度时,电机开始进入恒功区段,电机的牵引力约为3.2 kN。

图4 电机的机械和电气参数

从该直线电机的技术条件可知,其电气的极距是0.2025 m。当三相交流线电压产生的同步移动磁场交变一个周期时,同步移动磁场运动的距离为0.405 m。

此时,考虑12Hz的等滑差频率,电机同步移动磁场的速度 vs应该是实际运行速度 v,再加上12Hz滑差产生的滑差速度vh,即vs=v+vh。

由电机的极距可知,vh=4.86 m/s,故

此刻交流输入的线电压的频率约为41.63Hz。

为了提高交流直线牵引电机的牵引特性在恒功区段的相应牵引力,恒力和恒功区段的转折速度一般应该设置在电机最高运行速度的一半左右。如,中低速磁浮列车的最高运行速度为100～110km/h,结构速度为120km/h,故这个转折速度应该设置在60km/h左右为好。

按照上述计算原则,此时,交流直线牵引电机的输入三相线电压的频率应该为53.15Hz,并且输入的三相线电压达到额定值交流AC 220 V。

中低速磁浮列车安装了5台转向架,10台交流直线牵引电机,连接成5串两并的形式。在线路的供电直流电压为1.5 kV的标准条件下,牵引变流器逆变输出的准方波三相交流电压的有效值可以达到1.1 kV,刚好满足5台电机串联的输入交流线电压的要求。

依据该交流直线牵引电机的技术条件,10台电机的总起动牵引力可以达到3.2 kN/台×10台=32 kN。如果列车每辆车平均在AW2的载重条件下的总质量为32 t,在恒力阶段,列车的运行加速度将可以达到1 m/s2,满足城市轨道交通列车的基本技术条件。

在牵引力为32 kN的条件下,列车的速度达到60km/h(16.7 m/s),则单台电机的机械输出功率为

依据该交流直线牵引电机的技术条件,其视在功率为130 kVA,功率因数为0.6,效率为0.7,则其可输出的有功功率为

达到了电机设计的基本使用要求。但是,如果牵引特性的恒力和恒功转折速度为43.2km/h(12 m/s)时,电机的机械输出功率

没有达到电机的设计功率。这也是列车在长时间运行后,电机本身温度并不是很高的原因。

在电机达到结构速度为120km/h(33.3 m/s)时,在53.3 kW的恒功条件下,此刻交流直线牵引电机的理论输出牵引力约为

相对38.4 kW恒功条件下的理论输出牵引力1.15 kN,提高了39.1%。可以看到,在恒功阶段,列车运行加速度的提高同时能够减少起动过程中的运行距离。

2 对电机设计参数的修改

根据上节的理论分析可以看出,需要修改这台电机的绕组参数。根据电机的电压平衡关系式:

式中,U为电机的电压;f为电机输入电压的频率;w为定子绕组的元件匝数;Φ为定子铁芯每极中通过的磁通。

需要将电机在达到额定的AC 220 V输入线电压时的电机运行速度调整到60km/h(16.7 m/s)。再考虑12Hz时恒滑差的条件,此时电机的同步移动磁场的运行速度为64.86km/h,电机的输入线电压的频率约为44.5Hz。

相对于原来的电机恒功点的转折速度43.2km/h(12 m/s),电机输入额定的AC 220 V电压时的同步移动磁场的运行速度应该是48.06km/h,新的转折速度提高了1.35倍。

2.1 改变相绕组的元件匝数

该交流直线电机原来设计的每极相绕组的元件有3个,短距系数为7/9,每个元件有3匝。如果保持定子槽中每相3根元件的总截面不变,把每个元件的匝数减少为2匝(同时提高每根导体的截面积),就可以实现既达到原额定输入线电压不变,又提高了恒力和恒功转折速度(最高可达到72km/h)的有效结果,还保持了电机原设计的额定功率增加不多(达到60 kW)。在这种条件下,电机中的工作电流将增大1.5倍,需要考虑变频器输出模块的电流承受能力。由于变频器的逆变原理和变频变压的输出特性,其输入的电功率还会保持基本不变。适当地提高恒力和恒功的转折速度,如提高至72km/h,恒功功率为60 kW,对于实现中低速磁浮列车起动加速度快的特点和性能,可以得到充分地体现。

依照轮轨列车的旋转电机的牵引特性的使用条件,交流直线牵引电机在起动时,只要中低速磁浮列车的电磁铁可以承载电机的电磁法向吸力,当牵引工作制周期为60%,交流直线牵引电机可在30%的过载条件下工作,则电机恒力牵引区段的牵引力还可以加大。诚然,由于交流直线牵引电机的全特性试验相对比较困难,可以在实车运行的条件下,通过改变牵引变流器的控制算法,进行这种过载试验,以获得实际的牵引特性的测试值和试验结果。

由此可见,这种改变相绕组匝数的方式,技术上是可操作的。

2.2 改变每极相绕组的元件数

交流直线牵引电机在运行时,由于其结构的特殊性,端部效应将产生阻力,相对旋转电机而言,有3个极对电机的牵引力是没有贡献的,就像该台电机(9极),只有3对极是有效的,故效率较低[3]。

如果每极每相绕组的元件数减至2,每个元件的匝数减至2,短距系数为5/6,则可以将电机的极数提高到13,形成了有效极增加到5对极的条件,可以增加电机输出的机械功率和改善运行条件。

在这种条件下,电机的极距减少到0.135 m,输入的线电压每变化一个周期,平移的气隙磁场的运动距离为0.27 m。当电机运行数度达到120km/h的速度时,考虑12Hz的滑差频率,输入的线电压的频率约为135Hz。对于现代的牵引变流器的功率模块来讲,其完全能够满足交流直线牵引电机对输入电压频率的使用要求。

诚然,如果采用这样绕组设计的方法,原电机初级铁心上开的88个元件槽需要减少到83个。由于这只是一个设计方案,还是需要按照上述的电机运行特性,进行全面的电机磁路和电气计算。

由于直线电机的结构所致,使叠绕组的2个端部的铁心槽中只有半槽有元件导体,因此,这个区段的气隙磁场强度将减少一半。在电机运行过程中,这种气隙磁场分布会引起端部效应,产生电磁阻力。一般近似地认为,交流直线感应式直线电机的极数中,有3极是对牵引力不产生贡献的。如9极电机有3对极、13极电机有5对极是有效的,电磁计算的磁场面积、电压和牵引力的平衡关系,也只考虑这几对极的条件。

图5为9极电机的电枢三相绕组和气隙磁密的分布图,可以看出,2个端部磁极的磁密相对中部磁极的磁密要低一半左右。

图5 9极绕组直线电机的气隙磁密分布图

如果电机的绕组只有8极,则电机产生牵引力贡献的磁极只有5极,相对总极数而言,所占比例将减少,会影响电机的输出效率。依直线电机的常规设计原则,为电机提供牵引贡献的极对数应该大于3对极(6极)为好,可以提高电机的牵引效率。图6为电机的电枢三相绕组和气隙磁密的分布图。

中低速磁浮列车的转向架模块上,安装了4只串接的悬浮电磁铁。但是,由于转向架考虑在弯道上要打折,为此,每侧悬浮模块之间需要保持一定的间隔,这就造成了悬浮电磁铁的不连续,有10个端部。因此,悬浮电磁铁在运行时,端部相对于实心铁磁材料制成的轨道,就有磁场进入和退出的情况,产生电磁涡流,即电磁阻力。悬浮电磁铁运动的速度越快,这个阻力将增大。这也是需要在列车高速运行中,保持直线电机的牵引力较大的原因。

图6 8极绕组直线电机的气隙磁密分布图

3 交流直线牵引电机的电制动原则

直线电机与旋转电机相同,改变电机的转差为负值,也可以建立电气制动的效果。由于次级的电势与电源的电势同方向,电机的功率可以达到额定功率2倍以上,电制动力也能够达到起动牵引力的水平。由于此时的电机输出功率较大,恒电制动力和恒功电制动的转折速度可以更靠近结构速度,电制动的特性曲线[1]57可用图7来表示。如果列车最高运行速度vmax=120km/h,则恒功转折速度vzp可以设置在100km/h左右。恒电制动力Fzd与牵引特性中的恒牵引力相当。