中低速磁浮列車牽引性能研究

于青松

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)家軌道客車工程研究中心, 130062, 長(zhǎng)春∥正高級(jí)工程師)

1 中低速磁浮列車牽引系統(tǒng)簡(jiǎn)述

中低速磁浮列車采用三軌受流、四軌回流的方式獲取電能，以直線異步電機(jī)作為牽引設(shè)備，利用異步電機(jī)的行波磁場(chǎng)與地面感應(yīng)板的感生磁場(chǎng)之間的相互作用作為動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)列車的牽引和電制動(dòng)[1]。列車從受流器汲取高壓電能，經(jīng)高速斷路器、預(yù)充電電路、電抗器后，送入牽引逆變器；直流電能經(jīng)逆變后轉(zhuǎn)化為電壓和頻率均可調(diào)節(jié)的交流電能，輸出至直線電機(jī)三相繞組上，產(chǎn)生行波磁場(chǎng)。每套交流電傳動(dòng)系統(tǒng)由1臺(tái)牽引逆變器和10臺(tái)直線電機(jī)構(gòu)成，且10臺(tái)電機(jī)采用5串2并的連接方式[2]。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：U1、V1、W1、U2、V2、W2代表3組繞組的接線端子。圖1 中低速磁浮列車牽引系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Traction topology of medium-low speed maglev train

2 中低速磁浮列車阻力計(jì)算

磁浮列車由于沒(méi)有輪軌接觸，列車的阻力構(gòu)成也與傳統(tǒng)列車差別較大。目前的研究結(jié)果表明，中低速磁浮列車在平直軌道上運(yùn)行時(shí)的阻力主要由3部分構(gòu)成，分別是空氣阻力、電磁阻力和接觸阻力[3]。空氣阻力主要與列車斷面、車頭形狀、編組形式等因素有關(guān)；電磁阻力受F軌中的渦流影響較大；接觸阻力主要是指列車受流器與接觸軌的摩擦阻力，該阻力一般為定值，且其在總阻力中占比較小[4]。

本文牽引計(jì)算所用的阻力是根據(jù)目前中低速磁浮列車研究領(lǐng)域較為常用的阻力公式求得的。其中，空氣阻力Da(單位為N)為：

Da=(1.652+0.572n)v2

(1)

式中：

n——列車編組數(shù)量，節(jié)；

v——列車運(yùn)行速度，m/s。

電磁阻力Dm(單位為N)為：

(2)

式中：

W——列車質(zhì)量，t。

接觸阻力Dc為：

Dc=fk

(3)

式中：

f——受流器與接觸軌的摩擦阻力，一般計(jì)算取值為20 N/臺(tái)；

k——全列受流器數(shù)量，臺(tái)。

以3節(jié)編組中低速磁浮列車為例，其在不同載荷條件的質(zhì)量如表1所示。

表1 不同載荷條件下3節(jié)編組中低速磁浮列車的質(zhì)量Tab.1 Quality of 3 marshalling medium-low speed maglev train under different load conditions

根據(jù)式(1)—式(3)以及表1，求得不同載荷條件下列車在平直軌道上運(yùn)行時(shí)的阻力曲線如圖2所示。

圖2 不同載荷條件下磁浮列車在平直軌道上運(yùn)行時(shí)的阻力曲線Fig.2 Maglev train running resistance curves on straight line under different load conditions

3 中低速磁浮列車牽引及電制動(dòng)能力設(shè)計(jì)

3.1 列車動(dòng)力性能指標(biāo)要求

對(duì)于設(shè)計(jì)速度為120 km/h的中低速磁浮列車，根據(jù)列車的承載能力，通常AW2載荷條件下的動(dòng)力性能指標(biāo)不低于表2的要求[5]。

表2 設(shè)計(jì)速度為120 km/h的中低速磁浮列車動(dòng)力性能指標(biāo)要求Tab.2 Dynamic performance index requirements of a medium-low speed maglev train with design speed 120 km/h

3.2 列車牽引特性設(shè)計(jì)

根據(jù)列車的動(dòng)力性能要求，考慮列車運(yùn)行的實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)多次迭代計(jì)算后，確定列車的牽引特性。列車在AW2或AW3、接觸網(wǎng)壓DC 1 500 V、定轉(zhuǎn)子額定氣隙13 mm的條件(以下簡(jiǎn)為“額定狀態(tài)”)下，其最大起動(dòng)牽引力Fst2為111.7 kN；恒轉(zhuǎn)矩區(qū)列車運(yùn)行速度范圍為0～45 km/h；自然特性區(qū)列車運(yùn)行速度范圍為45～120 km/h，自然特性區(qū)起始點(diǎn)列車牽引力約為106.2 kN；單臺(tái)牽引電機(jī)的最大牽引功率約為46 kW，最大牽引電流約為431 A。

中低速磁浮列車牽引系統(tǒng)按列車載荷從AW0到AW2條件下的牽引力大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使列車在不同載荷條件下始終保持起動(dòng)加速度基本不變。AW3條件下列車的牽引特性與AW2時(shí)一致。

3.3 列車電制動(dòng)特性設(shè)計(jì)

同樣地，根據(jù)列車的減速性能要求，為了最大限度地利用電制動(dòng)，盡可能地將恒制動(dòng)力起始點(diǎn)后移。結(jié)合異步直線電機(jī)過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，最終設(shè)定的轉(zhuǎn)折點(diǎn)的列車運(yùn)行速度為105 km/h，遠(yuǎn)大于牽引工況下的45 km/h。這是因?yàn)殡娭苿?dòng)過(guò)程中逆變器的輸出側(cè)電壓不受列車牽引系統(tǒng)供電電壓的限制，故可發(fā)揮該系統(tǒng)的能力，使其實(shí)現(xiàn)一定程度的提升。最終確定列車額定狀態(tài)下的最大電制動(dòng)力Fb2為110.8 kN，自然特性區(qū)列車運(yùn)行速度范圍為120～105 km/h，恒電制動(dòng)區(qū)列車運(yùn)行速度范圍為105～8 km/h，單臺(tái)牽引電機(jī)最大電制動(dòng)功率約為110 kW，單臺(tái)牽引電機(jī)最大制動(dòng)電流約為430 A。

列車牽引系統(tǒng)按列車載荷對(duì)AW0到AW2條件下的電制動(dòng)力大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，超過(guò)AW2載荷時(shí)，按照AW2載荷發(fā)揮，電制動(dòng)不足部分由液壓制動(dòng)補(bǔ)充。

根據(jù)計(jì)算分析，得到整車牽引力/電制動(dòng)力特性曲線，如圖3所示。

圖3 中低速磁浮列車整車牽引力-電制動(dòng)力特性曲線Fig.3 Traction and electrical braking force characteristic curves of medium-low speed maglev train

3.4 列車牽引及制動(dòng)能力校核

根據(jù)上述列車牽引力/電制動(dòng)力特性曲線，在平直軌道、額定狀態(tài)下，列車在各運(yùn)行速度范圍內(nèi)的平均加速度和減速度，如表3所示。

由表3可知，列車各運(yùn)行速度范圍內(nèi)的加速性能指標(biāo)均滿足表2的要求；列車僅靠電制動(dòng)可滿足運(yùn)行速度為120～8 km/h時(shí)的平均減速度不小于1.1 m/s2的要求；列車運(yùn)行速度為8～0 km/h范圍內(nèi)需要液壓制動(dòng)介入，以滿足列車全速域范圍內(nèi)制動(dòng)減速度不小于1.1 m/s2的要求。

表3 中低速磁浮列車在平直軌道、額定狀態(tài)下的平均加/減速度Tab.3 Average acceleration and deceleration of medium-low speed maglev train on straight line under rated state

4 列車的故障運(yùn)行與救援能力

為了應(yīng)對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種故障，需分工況對(duì)列車的故障運(yùn)行與救援能力進(jìn)行核算。根據(jù)3節(jié)列車牽引與電制動(dòng)能力設(shè)計(jì)結(jié)果，得出結(jié)論見(jiàn)表4。

表4 列車故障運(yùn)行與救援能力校核結(jié)果Tab.4 Check results of train fault operation and rescue capability

由于故障工況3無(wú)法實(shí)現(xiàn)列車的救援，為了提升列車的救援能力，列車牽引系統(tǒng)增設(shè)高加速模式。在高加速模式下，列車?yán)脿恳到y(tǒng)的短時(shí)過(guò)載能力，最大限度地提升其牽引力[6]，以實(shí)現(xiàn)車輛的坡道起動(dòng)。高加速模式下列車的牽引力特性曲線，如圖4所示。

由圖4可知，在該模式下，列車的起動(dòng)牽引力設(shè)定為121 kN。據(jù)此對(duì)故障工況3重新進(jìn)行核算，其起動(dòng)加速度約為0.084 3 m/s2，滿足列車實(shí)現(xiàn)救援的條件要求。

圖4 列車在高加速模式下的牽引力特性曲線Fig.4 Traction force characteristics curve of train in high accelerating mode

5 結(jié)語(yǔ)

本文以3節(jié)編組中低速磁浮列車為例，對(duì)其牽引和電制動(dòng)性能進(jìn)行了探討分析，經(jīng)計(jì)算求得了一個(gè)能夠滿足列車各種工況運(yùn)行需求的牽引特性解，并對(duì)該解進(jìn)行了故障工況核算。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某些工況下，列車救援能力無(wú)法滿足需求時(shí)，對(duì)列車牽引力特性曲線進(jìn)行調(diào)整，利用牽引系統(tǒng)的過(guò)載能力實(shí)現(xiàn)空車對(duì)超員故障列車的坡道救援。中低速磁浮列車牽引性能的研究具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。