CN104118333A - 一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法 - Google Patents

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Abstract

一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，在进行牵引时，当列车从静止开始牵引加速时，若干台直线感应电机采用接线方式I进行接线，直线感应电机电流维持为I0，I0为接线方式I下电机最大线电流；当直线感应电机线电压达到最高而不再上升，直线感应电机电流下降至I2时进入切换时刻点，I2为接线方式II下电机最大线电流；切换至接线方式II后，在重新达到牵引逆变器最高输出电压以前，维持电流为I2，直线感应电机重新进入恒力工作阶段；在进行制动时，过程与上述相同。本发明具有原理简单、操作简便、成本低廉等优点。

Description

一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法
技术领域
本发明主要涉及到磁悬浮车辆领域，特指一种适用于磁浮列车的直线感应电机牵引力的提升方法。
背景技术
磁浮列车作为一种有着广泛应用前景的未来绿色交通工具，越来越得以推广和应用。按速度划分，磁浮列车分为高速和中低速磁浮列车，其中中低速磁浮列车是指速度≤150km/h，适用于城市或城郊的交通工具。
中低速磁浮列车一般采用U型悬浮电磁铁悬浮车体，直线感应电机牵引方式。直线感应电机初级安装于车体上，通过在初级三相绕组施加三相电流，产生行波磁场，该磁场在轨道次级感应板上感应涡流，次级涡流磁场与初级产生的磁场相互作用，产生列车前进的牵引力。
中低速磁浮列车的牵引***一般由滤波电抗器、牵引逆变器和直线感应电机组成。从地面供电站过来的DC1500V/750V直流电压，通过授流器提供到运动的车辆上。作为牵引***，DC1500V/750V直流电压通过滤波电抗器和牵引逆变器，变换为变频变压VVVF的交流电压，提供给车载直线感应电机的初级。故此，直线感应电机是车载牵引逆变器的供电负载。在配置上，一节车配置一台牵引逆变器；而一台牵引逆变器，为同一节车上的多台直线感应电机同时供电。当列车速度较低时，维持电机电流为最大恒定电流；随着列车速度的增加，电机供电频率增加，电机供电电压增加。当达到牵引逆变器的最大输出电压时，电机电压无法再增加。此时，随着列车速度进一步增加，电机供电频率进一步增加，受最高电压的限制，电机电流随列车速度增加而逐步减小，电机牵引力也逐步降低，从而列车在高速时的牵引能力降低。故此，为了满足列车在整个线路上的运行时间要求，目前只能采用提高直线感应电机设计功率和牵引逆变器容量的方法。但采用这种方法，除了要求大的车载直线感应电机设计功率和牵引逆变器容量以外，同样导致地面变电站供电设备容量增加，这样无疑引起了车载设备重量增加，直接导致列车运行能耗增加，同时引起整个磁浮列车***建设成本增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、操作简便、成本低廉的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，在进行牵引时，当列车从静止开始牵引加速时，若干台直线感应电机采用接线方式I进行接线，直线感应电机电流维持为I0，I0为接线方式I下电机最大线电流；当直线感应电机线电压达到最高而不再上升，直线感应电机电流下降至I2时进入切换时刻点，I2为接线方式II下电机最大线电流。切换至接线方式II后，在重新达到牵引逆变器最高输出电压以前，维持电流为I2，直线感应电机重新进入恒力工作阶段；在进行制动时，过程与上述相同；在上述过程中，所述接线方式I为将若干个直线感应电机分成两组，通过接线令牵引逆变器对两组直线感应电机进行供电；所述接线方式II为将若干个直线感应电机每两个分成一组，通过接线令牵引逆变器对多组直线感应电机进行供电。
作为本发明的进一步改进：在上述过程中，通过电流检测传感器实时检测直线感应电机的电流，接收车辆牵引制动指令。
作为本发明的进一步改进：在进行接线方式切换时，采用滞环切换方法，即选择合适的电流公差ΔImax，当列车运行速度增加时，直线感应电机电流随之下降，当电流下降至I2-ΔImax时切换为接线方式II。
作为本发明的进一步改进：在对四转向架磁浮列车进行接线方式切换时，修改牵引逆变器的电机控制参数；当单台直线感应电机的定子绕组电阻为rs，则采用接线方式I时，牵引逆变器的电机定子绕组电阻控制参数为Rs1＝2rs；当切换为接线方式II后，牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数相应改变为Rs1＝0.5rs。
作为本发明的进一步改进：在对五转向架磁浮列车进行接线方式切换时，修改牵引逆变器的电机控制参数；当单台直线感应电机的定子绕组电阻为rs，则采用接线方式I时，牵引逆变器的电机定子绕组电阻控制参数为Rs2＝2.5rs；当切换为接线方式II后，牵引逆变器的电机定子绕组电阻控制参数应相应改变为Rs2＝0.4rs。
作为本发明的进一步改进：在进行控制时，根据直线感应电机的设计参数，选择合适的电机电缆接线切换时电机电流；当单台直线感应电机设计时允许最大线电流为I0，在接线方式I时，牵引逆变器的最大输出供电电流为I1＝2I0；这样在切换为接线方式II时，牵引逆变器能提供给单台直线感应电机的最大供电线电流为I2＝I0/2；故在接线方式I时，当单台直线感应电机的供电线电流下降至I2时，将电机电缆连接切换为接线方式II。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明原理简单、操作简便，可以在提升直线感应电机牵引力的同时，不改变车载牵引设备，包括牵引逆变器和直线感应电机的硬件本身，故此，不会对车体重量造成大的影响。
2、本发明只需要另外配置一个连接线换接机构，实现容易，实现成本低廉。
附图说明
图1是本发明方法的实施步骤示意图。
图2是本发明实施的框架结构示意图。
图3是磁浮列车用直线感应电机传统牵引特性示意图；其中图3a为线电流—速度示意图；图3b为线电压—速度示意图；图3c为牵引力—速度示意图；图3d为电机输出机械功率—速度示意图。
图4是磁浮列车用直线感应电机传统制动特性示意图；其中图4a为线电流—速度示意图；图4b为线电压—速度示意图；图4c为电制动力—速度示意图；图4d为电机输出机械功率—速度示意图。
图5是本发明在具体应用实例1中电机接线方式I的原理示意图。
图6是本发明在具体应用实例1中电机接线方式II的原理示意图。
图7是采用本发明后直线感应电机牵引特性示意图；其中图7a为线电流—速度示意图；图7b为线电压—速度示意图；图7c为牵引力—速度示意图；图7d为电机输出机械功率—速度示意图。
图8是本发明中采用的电机电流滞环切换技术的原理示意图。
图9是本发明在具体应用实例2中电机接线方式I的原理示意图。
图10是本发明在具体应用实例2中电机接线方式II的原理示意图。
图例说明：
1、牵引逆变器；2、电缆连接线箱；3、连接线换接机构；4、电流检测传感器；5、车辆牵引制动指令。
参数符号说明：
I0：接线方式I下电机最大线电流    I1：牵引逆变器最大输出供电电流
I2：接线方式II下电机最大线电流   ΔImax：电机电流切换公差
V0：为接线方式I下电机恒力与恒功拐点速度
V1：为接线方式I与接线方式II切换速度
V2：为接线方式II下电机恒力与恒功拐点速度
rs：电机定子绕组电阻
Rs1：四转向架下逆变器定子绕组电阻控制参数
Rs2：五转向架下逆变器定子绕组电阻控制参数
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
基于电机调速的原理，当采用恒转差频率控制方式时，根据列车运行速度，在限压限流条件下，磁浮列车牵引用直线感应电机分为“恒力”和“恒功”两个工作阶段。在恒力阶段，电机电流维持恒定最大值不变，电机供电电压随着运行速度的增加而提高，电机牵引力基本维持不变，而电机输出功率随着速度的增加而增加。当电机电压达到牵引逆变器1能达到的输出最高电压时，进入恒功阶段；该阶段电机供电电压不再变化，电机电流将随着运行速度的增加而降低，随之电机牵引力也随着速度增加而不断降低，电机输出功率随着速度的增加也同时降低。
电机的输出机械功率为：
P＝FV
其中F为牵引力，V为列车运行速度。
如图3(图3a～图3d)所示为磁浮列车用直线感应电机在车辆牵引过程中的传统工作特性曲线，如图4(图4a～图4d)所示为磁浮列车用直线感应电机在车辆制动过程中的传统工作特性曲线。由图3和4可见，电机的最大输出功率出现在“恒力”和“恒功”两个阶段的拐点位置；在其它运行速度时，电机输出功率均小于其最大功率。由于工程实际实现时，为电机提供供电电源的牵引逆变器1和地面变电站设备必须根据电机最大功率来进行容量设计，这样在大多数列车运行速度下，牵引逆变器1和地面变电站设备处于一个负荷不足的工作状态，直接导致了供电资源的浪费和建设成本的增加。
如图1和图2所示，本发明的一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，该方法为：通过电流检测传感器4实时检测直线感应电机的电流，接收车辆牵引制动指令5；在进行牵引时，当列车从静止开始牵引加速时，若干台直线感应电机采用接线方式I进行接线，直线感应电机电流维持为I0，I0为接线方式I下电机最大线电流；当直线感应电机线电压达到最高而不再上升，直线感应电机电流下降至I2时进入切换时刻点，I2为接线方式II下电机最大线电流。切换至接线方式II后，在重新达到牵引逆变器1最高输出电压以前，维持电流为I2，直线感应电机重新进入恒力工作阶段。在进行制动时，过程与上述相同。在上述过程中，所述接线方式I为将若干个直线感应电机分成两组，通过接线令牵引逆变器1对两组直线感应电机进行供电；所述接线方式II为将若干个直线感应电机每两个分成一组，通过接线令牵引逆变器1对多组直线感应电机进行供电。
在较佳的实施例中，为了消除列车运行过程中，在切换电流点I2附近可能出现的来回切换，在切换时采用滞环切换方法(如图8所示)，即选择合适的电流公差ΔImax，当列车运行速度增加时，直线感应电机电流随之下降，当电流下降至I2-ΔImax时切换为接线方式II。
在较佳的实施例中，在进行接线方式切换时，可以进一步同时在软件上自动相应修改牵引逆变器1的电机控制参数。
在较佳的实施例中，在进行接线方式切换时，是利用一连接线换接机构3进行电缆换接，即利用连接线换接机构3即可完成切换电机的连接方式。
在较佳的实施例中，对于列车从高速开始下降的电制动过程，其切换方法与上述方法类似，只是随着制动时间增长，列车运行速度减小，直线感应电机电流相应增加，当电流增加至I2+ΔImax时进行切换。
具体应用实例1：以四转向架磁浮列车为例，四转向架磁浮列车每节车配置一台牵引逆变器1和八台直线感应电机，由一台牵引逆变器1同时向直线感应电机M1～M8供电。传统上，八台直线感应电机采用如图5所示的接线方式I，即通过电缆连接线箱2分别连接两组直线感应电机，每组直线感应电机均为四个。在DC1500V供电下，每台直线感应电机上的供电交流线电压最高265V。
采用本发明提出的第二种分组方式后，如图6所示，为连接方式II，即将直线感应电机M1～M8分成四组，其中M1-M2、M3-M4、M5-M6、M7-M8分别划为一组，并在组M1-M2与组M3-M4、组M5-M6与组M7-M8之间设置连接线换接机构3。当列车运行速度较低时，采用上述连接方式I(如图5)；而当列车速度较高时，切换为连接方式II(如图6所示)。这样，采用准SPWM调制，在同样的逆变器最大输出电压情况下，单台直线感应电机最高供电端电压提高至530.4V。
由上可知，在牵引逆变器1容量(最大输出电流、最高输出电压)不变情况下，采用本发明后，得到的直线感应电机牵引下的基本工作特性如图7所示。由图7可见，在车辆运行由低至高的全速度范围，电机输出功率出现了两个峰值点；从而在全速度范围，电机平均输出功率增大，电机牵引力增加，从而相应的车辆牵引能力得到提升，牵引逆变器1的装机容量和直线感应电机自身牵引能力得到更好的发挥。
作为上述实例1，对于四转向架的磁浮列车，为实现本发明，在工程实际中采用以下方法。该方法通过电机的电流检测传感器4，采用电流滞环切换技术(如图8所示)，进行电缆连接方式的切换；其具体步骤为：
(1)根据直线感应电机的设计参数，选择合适的电机电缆接线切换时电机电流；
电机电流切换条件按下面方式选择：假定单台直线感应电机设计时允许最大线电流为I0，在接线方式I时，牵引逆变器1的最大输出供电电流为I1＝2I0；这样在切换为接线方式II时，牵引逆变器1能提供给单台直线感应电机的最大供电线电流为I2＝I0/2。故此，在接线方式I时，当单台直线感应电机的供电线电流下降至I2时，将电机电缆连接切换为接线方式II，这里I2即为电机电缆接线切换时的理想电机电流值点。
(2)当列车从静止开始牵引加速时，首先采用接线方式I，直线感应电机供电线电压逐步升高，直线感应电机电流维持最大供电线电流I0。当列车速度进一步增加时，直线感应电机线电压达到最高而不再上升，而直线感应电机电流将逐步降低，当直线感应电机电流下降至I2时，进入切换的理论最佳时刻点。
(3)实际具体实现时，为了消除列车运行过程中，在切换电流点I2附近可能出现的来回切换，在切换时采用滞环切换方法(如图8所示)，即选择合适的电流公差ΔImax，当列车运行速度增加时，直线感应电机电流随之下降，当电流下降至I2-ΔImax时切换为接线方式II。
(4)当直线感应电机电流达到设定的切换电流时，进行接线切换；同时在软件上自动相应修改牵引逆变器1的电机控制参数。以电机定子绕组电阻为例，牵引逆变器1的电机控制参数设置方法如下：假定单台直线感应电机的定子绕组电阻为rs，则采用接线方式I时，牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数为Rs1＝2rs；当切换为接线方式II后，牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数相应改变为Rs1＝0.5rs。
(5)切换为接线方式II后，可提供的单台直线感应电机最高线电压增加。在重新达到牵引逆变器1最高输出电压以前，维持直线感应电机最大电流I2，直线感应电机重新进入恒力工作阶段。
(6)接线切换后，当直线感应电机端电压重新达到新的最高电压时，列车速度再增加，直线感应电机的电流再次降低，直线感应电机将再次进入恒功工作阶段。该阶段，维持直线感应电机新的最高端电压不变。
(7)对于列车从高速开始下降的电制动过程，其切换方法与上述步骤(1)～(6)类似，只是随着制动时间增长，列车运行速度减小，直线感应电机电流相应增加，当电流增加至I2+ΔImax时进行切换。
具体应用实例2：以五转向架磁浮列车为例，每辆车配置一台牵引逆变器1和十台直线感应电机，由一台牵引逆变器1同时向直线感应电机M1～M10供电。传统上，十台电机采用如图9所示的接线方式I。在DC1500V供电下，采用准SPWM调制，每台直线感应电机上的供电交流线电压最高212.1V。
采用本发明提出的接线方式II，将直线感应电机M1～M10分成五组，其中M1-M2、M3-M4、M5-M10、M9-M8、M7-M6分别划为一组，并在组M1-M2、M3-M4、M5-M10、M9-M8、M7-M6之间设置连接线换接机构3。当列车运行速度较低时，采用连接方式I(如图9所示)；而当列车速度较高时，切换为本发明提出的连接方式II(如图10所示)。这样，在同样的牵引逆变器1最大输出电压、准SPWM调制下，单台直线感应电机的最高供电端电压提高至530V。
作为具体应用实例2，对于五转向架磁浮列车而言，其实施方法与四转向架磁浮列车类似，只是切换前后，牵引逆变器1的电机控制参数设置略有不同，具体为：
如假定单台直线感应电机的定子绕组电阻为rs，则采用接线方式I(如图9)时，牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数为Rs2＝2.5rs；当切换为接线方式II(如图10)后，牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数应相应改变为Rs2＝0.4rs。
依据本发明的基本原理和思路，对于其他数量的转向架而言，也可以依例进行推理得到，因此，其均应属于本发明的保护范围。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征在于，在进行牵引时，当列车从静止开始牵引加速时，若干台直线感应电机采用接线方式I进行接线，直线感应电机电流维持为I0，I0为接线方式I下电机最大线电流；当直线感应电机线电压达到最高而不再上升，直线感应电机电流下降至I2时进入切换时刻点，I2为接线方式II下电机最大线电流；切换至接线方式II后，在重新达到牵引逆变器最高输出电压以前，维持电流为I2，直线感应电机重新进入恒力工作阶段；在进行制动时，过程与上述相同；在上述过程中，所述接线方式I为将若干个直线感应电机分成两组，通过接线令牵引逆变器对两组直线感应电机进行供电；所述接线方式II为将若干个直线感应电机每两个分成一组，通过接线令牵引逆变器对多组直线感应电机进行供电。
2.根据权利要求1所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征在于，在上述过程中，通过电流检测传感器实时检测直线感应电机的电流，接收车辆牵引制动指令。
3.根据权利要求1所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征在于，在进行接线方式切换时，采用滞环切换方法，即选择合适的电流公差ΔImax，当列车运行速度增加时，直线感应电机电流随之下降，当电流下降至I2-ΔImax时切换为接线方式II。
4.根据权利要求1或2或3所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征在于，在对四转向架磁浮列车进行接线方式切换时，修改牵引逆变器的电机控制参数；当单台直线感应电机的定子绕组电阻为rs，采用接线方式I时，牵引逆变器的电机定子绕组电阻控制参数为Rs1＝2rs；当切换为接线方式II后，牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数相应改变为Rs1＝0.5rs。
5.根据权利要求1或2或3所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征在于，在对五转向架磁浮列车进行接线方式切换时，修改牵引逆变器的电机控制参数；当单台直线感应电机的定子绕组电阻为rs，则采用接线方式I时，牵引逆变器的电机定子绕组电阻控制参数为Rs2＝2.5rs；当切换为接线方式II后，牵引逆变器的电机定子绕组电阻控制参数应相应改变为Rs2＝0.4rs。
6.根据权利要求1或2或3所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征在于，在进行控制时，根据直线感应电机的设计参数，选择合适的电机电缆接线切换时电机电流；当单台直线感应电机设计时允许最大线电流为I0，在接线方式I时，牵引逆变器的最大输出供电电流为I1＝2I0；这样在切换为接线方式II时，牵引逆变器能提供给单台直线感应电机的最大供电线电流为I2＝I0/2；故在接线方式I时，当单台直线感应电机的供电线电流下降至I2时，将电机电缆连接切换为接线方式II。
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