直線電機軌道交通牽引系統研究與試驗探討

陶偉平 馬洪崗

摘? 要：直線電機軌道交通具備建設成本低、受環境影響小、爬坡能力強等優點，近年來該交通形式在我國各城市的應用日漸廣泛，相關研究也隨之大量涌現。牽引變流器、牽引直線電機均屬于直線電機軌道交通牽引系統的核心構成，二者與牽引控制難度較大、大功率直線感應電機電磁計算困難等難題聯系緊密。基于此，本文將簡單分析直線電機軌道交通牽引系統，并圍繞直線電機軌道交通牽引系統運行試驗結果進行深入探討，希望研究內容能夠給相關從業人員以啟發。

關鍵詞：直線電機? 軌道交通牽引系統? 牽引直線電機? 牽引變流器

中圖分類號：U264.1+4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）07（b）-0067-03

Abstract： Linear motor rail transit has the advantages of low construction cost， little environmental impact and strong climbing ability. In recent years， this type of traffic has been widely used in various cities in our country， and a large number of related studies have emerged. Traction converter and traction linear motor are the core components of the traction system of linear motor rail transit. They are closely related to the difficulties of traction control and electromagnetic calculation of high-power linear induction motor. Based on this， this paper will simply analyze the traction system of linear motor rail transit， and conduct in-depth discussion around the operation test results of the traction system of linear motor rail transit， hoping that the research content can inspire relevant practitioners.

Key Words： Linear motor; Traction system of linear motor rail transit; Traction linear motor; Traction converter

直線電機軌道交通牽引系統國產化的受關注程度近年來不斷提升，這種國產化需解決牽引控制難度較大等難題，本文研究主要圍繞國產化的相關探索展開。

1? 直線電機軌道交通牽引系統分析

1.1 牽引直線電機分析

直線電機軌道交通牽引系統采用三相直線感應電動機作為牽引直線電機，采用單邊短初級結構形式，由初級及次級構成，在車輛轉向架上安裝三相直線感應電動機的初級，需將2臺直線電機初級懸掛于每臺轉向架上，同時在軌道上安裝次級[1]。采用嵌入槽中三相繞組與帶齒槽鐵心（高性能硅鋼片疊成）構成的三相直線感應電動機初級，轉向架上的懸掛基于三點懸掛方式實現，3個懸掛端可將電機所產生的法向力及推力傳遞給車體[2]。作為強耦合、非線性的時變系統，三相直線感應電動機的次級電阻和勵磁電感等重要參數直接受到車輛氣隙大小、速度的影響，電機的牽引特性也會同時受到影響。三相直線感應電動機面臨著次級反應板集膚效應、電磁氣隙大、邊端極“半填充槽”、橫縱向端部效應等問題，這就使得圍繞三相直線感應電動機開展的特性計算和理論分析往往較為困難、復雜[3]，因此需要開展針對性的等效電路修正，由此三相直線感應電動機的集膚效應、初級端部半填充槽、縱向和橫向邊端效應影響即可通過修正系數反映，如式（1）為每相磁化電抗縱向動態端部效應修正系數，式中的τ、G、pe、C1與C2、s分別為極距、品質因數、等效極對數、過渡變量、滑差率[4]。

基于國產化探索可以發現，在大功率三相直線感應電動機研制完成后，需開展充分的試驗測試，以此得出直流母線電壓750V時的推力-速度特性，及線電壓、電流-速度特性，同時還需要對6.5Hz啟動頻率時三相直線感應電動機的推力-速度特性進行試驗（堵轉試驗）[5]，對比國產化三相直線感應電動機的技術參數可以發現，550V的額定電壓、400A的持續電流、6.5Hz的啟動頻率、650A的最大電流、200kW的額定功率與堵轉試驗結果基本吻合，由此可證明國產化三相直線感應電動機電磁設計與電磁計算的有效性[6]。

1.2 牽引變流器分析

直線電機軌道交通的本車的2臺直線電機（三相直線感應電動機）供電由每臺牽引變流器負責，采用輸入電壓為750V的牽引變流器，三相可變頻變壓交流電可由此輸出。結合國產化探索可以發現，二電平電壓型直-交逆變電路屬于國產化牽引變流器常用主電路，包括電流傳感器、牽引控制單元和電壓、三相逆變功率電路、過壓斬波電路、直流電容環節、直流進線環節、輔助設備（風機、電源等）。分析國產化牽引變流器技術參數，其擁有1.3MVA的容量、2×400A的額定輸出電流、0～75Hz的輸出頻率范圍、1000Hz的最高開關頻率、額定DC750V的輸入電壓（波動范圍為500～900V）。基于國產化牽引變流器主電路原理開展試驗可以發現，在其擁有1320A的輸出電流有效值時（峰值為1866A），該牽引變流器可實現長時間穩定運行。

1.3 牽引控制策略及其功能特點

結合國產化探索可以發現，高性能磁場定向控制方法在應用中取得了不俗效果，基本控制流程如圖1所示。

高性能磁場定向控制方法可實現牽引力與勵磁的解耦控制，牽引力輸出的穩定也能夠通過該方法得到保障。基于邊緣效應補償控制策略和參數在線辨識策略，力矩補償環節和磁鏈補償環節下控制特性受到的邊緣效應影響得以消除。為驗證控制策略，可設定相同的加速度并基于同樣的運行工況開展對比試驗，以此對傳統的牽引控制策略和本文研究的牽引控制策略進行對比，進口、國產直線電機軌道交通牽引系統在實際應用中的加速時間分別為9.57s、8.82s，最大級位平均加速度分別為0.883m/s2、0.995m/s2，對比控制效果可以發現，相較于傳統的牽引控制策略，本文研究的牽引控制策略可實現動態響應的顯著提高。

2? 運行試驗結果

基于本文研究的國產化直線電機軌道交通牽引系統運行試驗可以發現，該系統擁有100km/h的最高運行速度，為直觀對比該系統與進口系統，在4車編組的1列直線電機車輛上將原有進口系統由國產化系統替代，開展3套進口系統與1套國產化系統混用試驗，以此驗證國產化系統的替換性。結合試驗可以確定，在0～20km加速度對比中，進口、國產直線電機軌道交通牽引系統的平均值分別為0.385m/s2、0.384m/s2，20～0km減速度對比分別為0.370m/s2、0.375m/s2，0～20km加減速度對比則分別為+1.35%、-0.26%。結合0～100km/h最高速度下直線電機軌道交通牽引系統牽引制動全過程試驗波形進行分析可以發現，在制動、惰行、牽引、啟動運行全過程中，本文研究的國產化直線電機軌道交通牽引系統可保證變流器輸出電流、直流電流、直流電壓保持穩定，系統的牽引及電制動控制效果由此得到證明。

在相同的工況下，國產化系統擁有與進口設備相當的制動性能、牽引性能，具備全面代替進口系統能力。同時，使用國產系統替換進口系統的車輛在0～100km/h、0～55km/h的平均加速度分別為0.543m/s2、1.02m/s2，滿足車輛基本技術條件加速度要求。同時圍繞爬坡能力進行試驗，在0～10km/h速度范圍內，使用國產系統替換進口系統的車輛存在大于0.50m/s2的平均加速，爬坡能力較強。

3? 結語

綜上所述，為更好推進直線電機軌道交通牽引系統國產化，我國必須進一步提升在新型軌道交通技術領域的自主創新能力，各類新技術、新設備的積極應用也需要得到重點關注。

參考文獻

[1] 楊雄，張鳳閣，王秀平.軌道交通用初級永磁型直線電機電磁特性分析[J].電氣工程學報，2018，13（5）：1-7.

[2] 崔霆銳，宗立明，李熙.直線電機地鐵車輛牽引系統國產化應用研究[J].電機與控制應用，2018，45（4）：61-66，89.

[3] 黃書榮，徐偉，胡冬.軌道交通用直線感應電機發展狀況綜述[J]. 新型工業化，2015（1）.

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[6] 黃學翾.直線電機地鐵車輛如何降低制動磨耗[J].城市軌道交通研究，2016，19（5）：112-113.