CN108599668A - 一种磁浮列车直线感应电机***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁浮列车直线感应电机***及其控制方法，电机***包括直线感应电机的短定子、三相绕组、动子轨道以及控制器等部分。将所有绕组通过多个由控制器控制的开关进行耦合，控制器则以检测逆变器输出相电流与电压的大小做为指令来操作开关改变绕组的连接方式。本发明的有益效果在于，通过分配多种不同的绕组连接状态，使电机在启动与低速运行阶段通过过载获得更大的推力与加速度，加速阶段能够更加充分地利用逆变器的输出容量，使得列车可以在更短的时间加速至最大速度，同时在最大速度处有更高的剩余加速度。

Description

一种磁浮列车直线感应电机***及其控制方法

技术领域

本发明涉及常导磁浮交通领域，具体涉及其驱动部分，特别是一种磁浮列车直线感应电机***及其控制方法。

背景技术

在人们对轨道交通的需求日益发展的今天，磁悬浮轨道交通技术以其中低速运行的低噪声性相比于地铁有着不可替代的优势。目前我国已经在湖南省长沙市建成一条时速100公里的低速磁浮商业运行线，运营状况良好稳定，同时多个地方政府也均有推广该技术的意向，这些现象证明了磁浮列车在轨道交通领域中的潜力。

中低速磁浮列车的驱动方式采用直线感应电机，相比于轮轨交通列车可以通过曲线半径更小的轨道以及提供更强的爬坡能力，同样直线感应电机在运行过程当中会存在其特有的边端效应，使电机入端磁场衰减，出端存在反向行波，这些现象均会导致电机的输出推力以及效率的减小，且随着电机速度增大，负面影响越严重。目前中低速磁浮中使用的直线感应电机的效率大约为60％～70％，相比于旋转异步电机有着较大的差距；另一方面，为了保证列车运行的安全性，磁浮***中使用的直线感应电机全部采用大气隙结构(最小11mm)，这导致了电机的功率因数较小。因此直线感应电机想要获得更大的推力与剩余加速度，势必需要更大的功耗以及采用更大容量的逆变器设备，这无疑会增加列车的制造成本与车载设备体积。

边端效应使由于直线感应电机结构的特殊性造成的，结构与控制策略的优化只能一定程度的减小而不能从本质上解决该效应。因此采用直线感应电机驱动的磁浮列车在最高运行速度以及加速度上都有着难以逾越的瓶颈，在这样的背景下，从供电端以及逆变器侧进行技术探索，在不改变现有逆变器容量的前提下提高其容量利用率，使电机在启动以及高速阶段都能保持更高的推力和剩余加速度，是一种相当合理的手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁浮列车直线感应电机***及其控制方法，在不改变逆变器容量的基础上，使列车在启动时以及低速段获得更大推力，在高速段有更多剩余加速度的方法，从而使列车加速时间与距离有效缩短。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种磁浮列车直线感应电机***，包括

左侧电机和右侧电机各n台；

每台左侧电机包括A相绕组LA、B相绕组LB和C相绕组LC，每台右侧电机包括A相绕组RA、B相绕组RB和C相绕组RC；

每台左侧电机的LA包括第一支路绕组和第二支路绕组，第一支路绕组的输入端通过支路第一触点KMX1连接到第二支路绕组的输入端，第一支路绕组的输出端通过支路第三触点KMX3连接到第二支路绕组的输出端，第一支路绕组的输出端还通过支路第二触点KMX2连接到第二支路绕组的输入端；

每台左侧电机的LB或LC与LA结构相同，每台右侧电机的RA、RB或RC与左侧电机的LA结构相同；

所有左侧电机的同相绕组串联后分别构成A相绕组LAL、B相绕组LBL和C相绕组LCL，所有右侧电机的同相绕组串联后分别构成A相绕组RAR、B相绕组RBR和C相绕组RCR；LAL、LBL和LCL的输入端分别连接到车载逆变器的A相、B相和C相输出端；

RAR的输入端通过交流接触器触点KM3连接到车载逆变器的A相输出端，RBR的输入端通过交流接触器触点KM2连接到车载逆变器的B相输出端，RCR的输入端通过交流接触器触点KM1连接到车载逆变器的C相输出端；RAR的输入端和RBR的输入端之间还设置有交流接触器触点KM7，RBR的输入端和RCR的输入端之间还设置有交流接触器触点KM6；

LAL的输出端连接到RAR的输出端，LBL的输出端连接到RCR的输出端，LCL的输出端连接到RBR的输出端；LAL的输出端和LCL的输出端之间还设置有交流接触器触点KM4，LCL的输出端和LBL的输出端之间还设置有交流接触器触点KM5；

还包括分别控制KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6和KM7的交流接触器；

还包括分别控制每个相绕组中KMX1、KMX2和KMX3的交流接触器。

进一步地，所述交流接触器的触点类型为：KM1、KM2、KM3、KM4和KM5为常闭触点，KM6和KM7为常开触点，所有相绕组中的KMX1和KMX3为常闭触点，所有相绕组中的KMX2为常开触点。

一种磁浮列车直线感应电机***的控制方法，包括

列车启动后，通过交流接触器控制使得：KM1、KM2、KM3、KM4和KM5断开，KM6和KM7闭合，所有相绕组中KMX1和KMX3断开，所有相绕组中KMX2闭合；列车运行状态经过第一恒推力阶段，进入第一电压饱和阶段；

第一电压饱和阶段结束，通过交流接触器控制使得：KM1、KM2、KM3、KM4和KM5闭合，KM6和KM7断开，所有相绕组中KMX1和KMX3保持断开，所有相绕组中KMX2保持闭合；列车运行状态经过第二恒推力阶段，进入第二电压饱和阶段；

第二电压饱和阶段结束，通过交流接触器控制使得：KM1、KM2、KM3、KM4和KM5保持闭合，KM6和KM7保持断开，所有相绕组中KMX1和KMX3闭合，所有相绕组中KMX2断开；列车运行状态经过第三恒推力阶段，进入第三电压饱和阶段。

本发明的有益效果在于，通过分配多种不同的绕组连接状态，使电机在启动与低速运行阶段通过过载获得更大的推力与加速度，加速阶段能够更加充分地利用逆变器的输出容量，使得列车可以在更短的时间加速至最大速度，同时在最大速度处有更高的剩余加速度。

附图说明

图1为直线感应电机***的整体结构，包括所有电机绕组的连接方式、交流接触器触点

的分布以及接触器控制原理的示意图。

图2为电机***在正常运行速度范围内的机械特性曲线图。

图3(a)为电机***在正常运行过程当中车载逆变器输出端的电压、电流变化曲线。

图3(b)为电机***在正常运行过程当中每条支路绕组的电压、电流变化曲线。

图4为电机的矢量控制***部分示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和具体操作方法进一步详细描述，其中附图所描述示例为本发明所公开装置和方法的一个通用例子，即假设电机总数为2n台，定子上安装三相绕组，其中每相绕组包含2条支路绕组(即q＝1)，每条支路绕组匝数为p。

在目前我国所开发的常导中低速磁浮列车上，使用的电机绕组技术为“n串两并”的连接方式，即每节列车两侧的五台电机所有相绕组串联，然后将两条支路并联，同时将每相绕组的支路绕组全部串联(并联支路数为1)。这样的运行方式下，电机的低速恒推力运行阶段中，每条绕组支路分得电流为逆变器额定输出电流的一半；高速的电压饱和运行阶段中，每个绕组分得的电压为额定电压的n分之一。

图1所示的直线感应电机驱动***示意图中，假设车载逆变器的额定输出相电压为U_N，额定输出相电流为I_N；每节车安装一台车载逆变器，网侧母线直流电源为其供电；每节车左右两侧各安装n台直线感应电机提供驱动力。根据图1所呈现的一种示例性结构，依次描述列车从启动到高速运行过程中***各个组成部分的操作顺序以及工作原理；

首先，当列车开始启动，电机所有相绕组与其中包括的支路绕组均串联连接(即并联支路数为1，匝数为2p)，控制器开始接收传感器检测返回的逆变器输出相电流与电压大小信号，并通过判断其大小来决定是否对接触器开关触点进行动作；所有安装在绕组回路中，掌控其通断的接触器触点的类型为：KM1～KM5为常闭触点，所有相绕组中的KMX1、KMX3为常闭触点，KM6、KM7为常开触点，所有相绕组中的KMX2为常开触点。如此设置的主要目的是让列车启动时接触器带电，达到最高速后就断电，这样就避免了高速运行下接触器意外掉电带来的影响。

在启动与低速运行阶段，由于电机处于恒推力阶段1，逆变器输出相电流值等于I_N，接触器的全部触点处于激活状态，即KM1～KM5触点断开，所有相绕组中的KMX1、KMX3触点断开，KM6、KM7触点闭合，所有相绕组中的KMX2触点闭合。列车运行在如图2所示的恒推力阶段1中。此时十台电机的所有三相绕组为串联连接(“2n串联”)，同时支路绕组也全部串联，即相绕组并联支路数为1，匝数为2p。在逆变器额定输出的情况下每条支路绕组分得的电流都为I_N(传统“n串两并”模式下支路电流的两倍)，绕组的支路分得电压则随着运行速度增大迅速上升，如图3(b)所示，列车将获得两倍于常规“n串两并”连接方式下所输出的恒定推力启动；但是在此连接方式下，受限于车载逆变器的输出总电压，每台电机绕组支路最多分的电压，所以大加速的恒推力启动阶段不会持续很久，即会进入电压饱和阶段1；

在电压饱和阶段1，供电频率增大导致回路阻抗增大，在电压输出受限的情况下，逆变器输出的相电流与电机的输出推力都开始减小，电机由过载运行状态逐渐回到额定运行状态。当电流传感器检测到逆变器输出相电流大小减小至同时电压传感器检测到逆变器输出相电压为额定值U_N时(下文简称为“切换条件”)，控制器立即输出一个电平信号，关断可控硅晶闸管，使部分接触器触点回到未激活的状态。具体动作为闭合KM1～KM5触点，断开KM6、KM7触点，所有电机相绕组切换为“n串两并”，同时保持KMX1，KMX2以及KMX3触点的激活状态(KMX1、KMX3断开，KMX2闭合)，此时相绕组并联支路数与匝数不变，进入恒推力阶段2；

恒推力阶段2中，由图3(b)对比拐点前后电机的状态，可以发现单台电机的支路电流不变，故绕组连接方式切换后每台电机的感应电势也基本不变，此时反映在逆变器输出端部的总感应电势减小为原先的一半，如图3(a)所示，通过调整控制器输出的PWM信号立刻调整逆变器输出的总端电压，减小为原本的一半左右，即略大于这是为了保证逆变器输出电流可以快速上升但不会超过电机绕组可以承受的最大值，避免电机绕组电流过大而烧毁。由于逆变器输出电流在开关切换点处迅速上升，得以使绕组的支路电流与电机的输出推力在切换点处与整个恒推力阶段2中都将保持不变，列车再一次在恒定的推力下加速运行，在这个阶段，每条支路分得的电压随速度增大逐渐上升，一旦达到即进入电压饱和阶段2；

电压饱和阶段2中电机的特性变化与电压饱和阶段1基本相同，由于电压受限于逆变器输出容量，阻抗增大导致电机绕组电流与输出推力都会逐渐减小，当传感器检测到的逆变器相电流电压大小再次满足“切换条件”时，控制输出电平信号对剩余处于激活状态的接触器触点进行动作，使其全部由激活状态改变为非激活状态，即KM1～KM5触点保持闭合，KM6、KM7触点保持断开，所有相绕组中KMX1、KMX3触点闭合以及KMX2触点断开，结合图1可以看出每条相绕组中的所有支路绕组由开关动作前的串联状态变为了并联状态，此时每条相绕组并联支路数为2，支路绕组匝数为p，每条支路绕组分得电流减小为支路绕组连接状态切换后进入恒推力阶段3；

恒推力阶段3电机推力、绕组电压以及电流特性与恒定推力阶段1，2基本相同，不再过多赘述，当逆变器输出电压饱和，即进入电压饱和阶段3；

电压饱和阶段3中每条支路绕组分得电压为分得电流则随着电频率的增大而持续减小，直至运行到最高速度。同时为了保证列车在最高运行速度下能够有一定的剩余加速度来克服风阻，此时逆变器依然会输出较大的电流以提供足够的电磁推力。

前面所描述的示例中每相绕组包含2条支路绕组，即q＝1，该示例理论上可以扩展至q取任意值，取决于直线电机的槽面积、填充率、驱动负载以及最高速度等多种因素。当电机的相绕组包含2^q条支路绕组时，最多需要在绕组切换部分布置7+3×(2^q-1)个触点。

根据前面的描述，图3(a)中电压饱和阶段1结束进入恒推力阶段2的速度拐点处，由于逆变器输出电压饱和，可认为此时端电压即等于2n台电机感应电势的总和，一旦绕组(相绕组与支路绕组)连接方式由串联切为并联，反映在逆变器端部的总感应电势将减小一倍，此时如果不立刻减小逆变器输出端电压，则总电流将远远超过逆变器的额定电流I_N，进而烧毁电机与逆变器。所以在绕组连接方式切换后，控制器输出的PWM信号也要有相应的改变以保证单台电机的支路绕组电流与输出电磁推力能够平滑切换；

如图4所示为直线感应电机的矢量控制框图，通常列车上的直线电机使用恒滑频、转子磁链定位的矢量控制方法，转子磁链给定值查表确定，而给定转子磁链表则应在电机出厂前通过实验由电机的机械以及电流特性曲线计算得到。为了在切换点处保证支路电流平滑过渡，同时逆变器输出总电流不会增大超过I_N，应使给定转子磁链表在速度拐点以后保持恒定，以保证励磁电流I_d不会突变；又由于速度给定值保证了推力电流I_q不会突变，故切换点前后每台电机的单个支路绕组电流保持不会突变，且切换后逆变器的输出电流再次提高到I_N。图2中单台电机绕组在串联/并联模式下运行的机械特性曲线可以看出，传统的“n串两并”绕组连接模式，在列车启动以及低速运行下无法获得大推力，导致列车加速时间与加速距离较长；如果采用“2n串联”的连接模式，则会缩短电机的恒推力运行阶段，相绕组与支路绕组的单一连接方式都具有一定缺陷。本发明提出的绕组连接方式切换方法，基于多种连接方式的优点，对比传统“n串两并”模式，不改变逆变器容量的前提下电机的机械特性曲线的覆盖面积增加了图2中所示的阴影部分，可以有效增大列车的启动加速度与逆变器容量的利用率；此外，对比图2中的几种模式的特性曲线，不难看出绕组连接方式切换模式下最高速度处的剩余加速度均要大于传统的“2n串联”或者“n串两并”模式，这意味着该方法不仅可以有效减小列车的加速总时间，还可以提高电机最高速度处的剩余加速度。

上述针对示例性实施例的具体描述中，只提及了两种绕组的切换连接方式，事实上只要能够使电机在允许范围内过载的绕组连接方式理论上都可以在本发明提出的方法中使用，本领域的技术人员将理解，前面描述的实施例只是为了帮助读者理解本发明的原理，而本发明的保护范围并不局限于这一种示例性实施例。凡是根据上述描述作出各种可能的替换以及改变的实施例，都被认为属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (3)

1.一种磁浮列车直线感应电机***，其特征在于，包括

左侧电机和右侧电机各n台；

每台左侧电机包括A相绕组LA、B相绕组LB和C相绕组LC，每台右侧电机包括A相绕组RA、B相绕组RB和C相绕组RC；

每台左侧电机的LA包括第一支路绕组和第二支路绕组，第一支路绕组的输入端通过支路第一触点KMX1连接到第二支路绕组的输入端，第一支路绕组的输出端通过支路第三触点KMX3连接到第二支路绕组的输出端，第一支路绕组的输出端还通过支路第二触点KMX2连接到第二支路绕组的输入端；

每台左侧电机的LB或LC与LA结构相同，每台右侧电机的RA、RB或RC与左侧电机的LA结构相同；

所有左侧电机的同相绕组串联后分别构成A相绕组LAL、B相绕组LBL和C相绕组LCL，

所有右侧电机的同相绕组串联后分别构成A相绕组RAR、B相绕组RBR和C相绕组RCR；

LAL、LBL和LCL的输入端分别连接到车载逆变器的A相、B相和C相输出端；

RAR的输入端通过交流接触器触点KM3连接到车载逆变器的A相输出端，RBR的输入端通过交流接触器触点KM2连接到车载逆变器的B相输出端，RCR的输入端通过交流接触器触点KM1连接到车载逆变器的C相输出端；RAR的输入端和RBR的输入端之间还设置有交流接触器触点KM7，RBR的输入端和RCR的输入端之间还设置有交流接触器触点KM6；

LAL的输出端连接到RAR的输出端，LBL的输出端连接到RCR的输出端，LCL的输出端连接到RBR的输出端；LAL的输出端和LCL的输出端之间还设置有交流接触器触点KM4，LCL的输出端和LBL的输出端之间还设置有交流接触器触点KM5；

还包括分别控制KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6和KM7的交流接触器；

还包括分别控制每个相绕组中KMX1、KMX2和KMX3的交流接触器。

2.如权利要求1所述的一种磁浮列车直线感应电机***，其特征在于，所述交流接触器的触点类型为：KM1、KM2、KM3、KM4和KM5为常闭触点，KM6和KM7为常开触点，所有相绕组中的KMX1和KMX3为常闭触点，所有相绕组中的KMX2为常开触点。

3.一种磁浮列车直线感应电机***的控制方法，其特征在于，包括

列车启动后，通过交流接触器控制使得：KM1、KM2、KM3、KM4和KM5断开，KM6和KM7闭合，所有相绕组中KMX1和KMX3断开，所有相绕组中KMX2闭合；列车运行状态经过第一恒推力阶段，进入第一电压饱和阶段；

第一电压饱和阶段结束，通过交流接触器控制使得：KM1、KM2、KM3、KM4和KM5闭合，KM6和KM7断开，所有相绕组中KMX1和KMX3保持断开，所有相绕组中KMX2保持闭合；列车运行状态经过第二恒推力阶段，进入第二电压饱和阶段；

第二电压饱和阶段结束，通过交流接触器控制使得：KM1、KM2、KM3、KM4和KM5保持闭合，KM6和KM7保持断开，所有相绕组中KMX1和KMX3闭合，所有相绕组中KMX2断开；列车运行状态经过第三恒推力阶段，进入第三电压饱和阶段。