（电机与电器专业论文）卧龙磁浮试验线驱动电机及其变频控制系统设计.pdf

浙江火学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hf a s ta n dc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe c o n o m yi nc h i n a ，i tw i l la r i s eal o to f d e m a n df o rf a s tt r a n s p o r t a t i o ni nt h ec o m i n gs e v e r a ld e c a d e s m a g l e vt r a n s p o r t a t i o n s y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs p e e d ，q u i c ks t a r t ，l o we n e r g y u s e ，l i t t l e e n v i r o n m e n ta f f e c ta n ds oo n n o wi ta t t r a c t sr e s e a r c h e r s i n t e r e s ta th o m e a n da b r o a d c h i n aw i t hav a s tt e r r i t o r ya n dal a r g ep o p u l a t i o n ，h a sap o t e n t i a l l o n g d i s t a n c e p a s s e n g e rt r a n s p o r tm a r k e t i tp r o v i d e st h eh i g h - s p e e dm a g l e vt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma d e v e l o p m e n t a ls p a c e t h es u c c e s so fm a g l e vt r a i ns y s t e mi ns h a n g h a il e tc h i n e s e p e o p l ee x p e r i e n c ei t sh i g hs p e e da n dc o m f o r tc o m p a r i n gt or a i l w a ys y s t e ma n dw e b e l i e v ei th a sap r o m i s i n gf u t u r ei nc h i n a a tt h es a m et i m e ，t h el o c a l i z a t i o no f m a g l e vt r a i ns y s t e mi so fg r e a ti m p o r t a n c et oo u rc h i n e s er e s e a r c h e r s t h i s p r o j e c t i s s p o n s o r e db yz h e j i a n gw o l o n g h o l d i n gc o m p a n ya n d a c c o m p l i s h e db yc o l l e g eo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i g no fz h e j i a n gu n i v e r s i t y b a s e do n t h es h a n g h a im a g l e vd e m o n s t r a t i o nl i n e ，t h ep a p e ri sf o c u s e do nt h et r a t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m t r a c t i o nt e c h n o l o g yi sak e yt e c h n o l o g yi nt h em a g l e vt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m i tp o w e r sm a g l e vt r a i ns y s t e m b a s e do nt h ep r o j e c t ，t h et h e s i sa n a l y s e st h e m o t o rm a g n e t i cf i e l dw i t hf e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) a n dd e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e m f o rt h em a g l e vt r a i n t h ec e n t r a lr e s e a r c hw o r k sa r eb e l o w ： ( 1 ) d oad e e pr e s e a r c ho nl o n g - s t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o rf o rw o l o n g m a g l e ve x p e r i m e n t a ll i n e a n a l y s e st h em o t o rm a g n e t i cf i e l dw i t hf e m ( 2 ) i l l u s t r a t eb a s i cp r i n c i p l e so fu n i v e r s a li n v e r t e r ，i n t r o d u c ed e b u g g i n gm e t h o d s a n dp r o c e d u r e so fi t sm a i np a r a m e t e r sa n dl i s t p r o b l e m sf r e q u e n t l ym e td u r i n g d e b u g g i n ga n dt h es o l u t i o n sf o rt h ep r o b l e m sa r ea l s og i v e n f i n a l l y ，a l le x a m p l ei s g i v e nt oh e l pu n d e r s t a n dt h eu s eo fu n i v e r s a li n v e r t e r ( 3 ) t h ed e s i g no ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mf o rm a g l e vt r a i n a l s oas i n g l e m a s t e rp r o f i b u sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sa l s o d e s i g n e dt om a k eu pa u t o m a t i o n s y s t e m k e yw o r d s ：m a g l e vt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ， l o n g s t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， p r o f i b u sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 我国幅员辽阔，人口众多，经济正处起飞阶段，交通问题十分紧迫。随着我 国经济的持续快速发展和城镇化进程的加快，中长距离的客运市场潜力巨大，发展 高速交通系统势在必行。现今到未来的数十年，我国将持续产生大量的高速客运 交通需求，仅仅依靠航空、铁路和公路运输就难免要发生无法解决的瓶颈制约。 修建高速磁浮列车，造价合理，而且噪声小，占地面积小，是解决城市交通问题 的较好方案。 高速磁浮交通系统就是在这种大背景下应运而生。高速磁浮系统以其具有 的无接触运行、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等诸多优点成为大城市间 往来交通工具的一种较好的选择。 高速磁浮列车通常是由长定子直线同步电机驱动的。其自身的能耗低，不 使用化石燃料，可节约宝贵的石油天然气资源，缓解石油危机的压力；使用电力， 不排放任何有害物质，能有效保护沿线环境，对环境没有大的损害；安全度高， 没有脱轨的危险：减少土地耗用，缓解交通拥堵的压力。因此，高速磁浮系统能 有效地分流航空和汽车的需求，是比较适合我国国情的一种高速交通方式。高速 磁浮交通是交通领域一次新的革命，其发展将带动众多高新技术前沿的发展，又 将极大地推动新产业体系的形成和经济增长。随着科学技术的不断发展，高速磁 浮系统的技术性能、经济性等也应该可以得到较大的完善。我们相信高速磁浮交 通将成为2 1 世纪新型的大运量地面客运交通系统。 目前世界上许多发达国家都在开发、研制高速磁浮列车。7 0 年代以后，德 国和日本相继开始研究和试制常导吸浮型( e m s ) 和超导斥浮型( e d s ) 磁悬浮列 车。在取得一系列研究和实验成果后，1 9 9 0 年日本开始建造速度为5 0 0 k m h 、长 4 8 2 k m 的超导磁悬浮列车线路。此外德国、法国、美国、加拿大等国也在这方 面进行了众多项目的研制和开发。而日本研制的高速磁悬浮列车，在试验阶段已 创出磁悬浮列车的最高速度5 1 7 k m h 。这些试验已经表明，高速磁浮技术已经走向 成熟，并进入到实用阶段。 虽然我国于2 0 0 2 年1 2 月与德国磁浮国际公司合作建成了世界上第一条商业 运营的磁浮线，但我们应该看到，整个运行系统的设备包括车辆、运行控制系统、 牵引供电系统等全部都是德方技术。我国对磁浮技术的研究还处在起步阶段，离 德、日等磁浮技术先进国家尚有较大的差距。西南交通大学、国防科技大学等高 校已研制成功了数条低速磁浮试验线，但对高速磁浮相关试验的研究尚且不多。 高速磁浮交通技术是一个庞大的系统工程，涉及到电机、控制、信息技术、 计算机技术、材料科学、机械加工等诸多学科。目前，磁浮交通的核心技术被德、 同等发达国家所掌握。我国要大力发展磁浮交通，科研人员就必须掌握开发自有 浙江大学硕士学位论文 知识产权的磁浮交通核心技术。磁浮列车的核心技术是悬浮与推进，并需要一套 复杂的自动控制系统。它的实现需要运用电子技术、电磁器件、直线电机、机械 结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术成果，因而国际上把磁浮列车 列为高技术产品。但对于已比较成熟的e m s 型磁浮列车来说，它是高技术产品， 却并非高价产品。它所依据的基础技术均属己成熟的技术，也不需要等待某一项 技术的突破或某种特殊材料与器件的出现，所有材料与器件都是国内市场上可买 到的商品。需要攻关的关键是组成系统的技术和实现工程化。这就必须对磁浮列 车的各个子系统进行深入研究。车辆及牵引供电子系统无疑是主要的研究对象之 一。 本课题是浙江大学电气工程学院与浙江卧龙集团合作的磁浮列车试验线项 目。本文研究的重点是卧龙磁浮试验线的车辆及牵引供电系统。本文对磁浮列车 试验线驱动电机及其变频控制系统的研究，相信对该技术的国产化具有较大的借 鉴意义。 1 2 长定子直线同步电机概述 本课题中磁浮列车属于常导吸浮型列车，由长定子直线同步电机驱动，下面 我们将把重点放在这种类型的磁浮列车上。 1 2 1 工作原理 常导吸浮型磁浮列车采用长定子直线同步电机作为推进系统和悬浮系统。磁 悬浮列车能够安全舒适的运行，长定子直线同步电机起到了举足轻重的作用。这 种电机结构紧凑，效率和功率因数都很高，是磁悬浮列车中的一个核心技术。图 1 1 是长定子直线同步电机的结构示意图，图1 1 a 是长定子直线同步电机的侧 向剖面图，图1 1 b 长定子直线同步电机初级及励磁磁铁结构示意图， 定子绕组一定子铁心j 图1 1 a 长定子直线同步电机的侧向剖面图 ) 一 ) j 浙江人学硕士学位论文 图1l b 长定子直线同步电机初级及励磁磁铁结构示意图 图1 1 长定子南线同步电机的结构示意图 图1l a 中上一部分是轨道部分，k 定了直线同步电机的电枢就安装在轨道 上。电枢铁芯分段组成，每一段采用一定长度o5 m m 硅钢片枯结组舍而成。电 枢铁芯上均匀分布了f 口槽整距分布。绕组采用集中绕组，这些主受是考虑到 丁艺的要求。绕组是多心的铝导线，预先成型，然后由专门的下线机器安装到槽 内。图1l b 中下一部分是车辆，悬浮磁铁就安装在车辆上，悬浮磁铁是一个r b 磁铁，励磁绕组安装在大槽内。另外悬浮磁铁的极靴上面还开有小槽，这些是放 置直线发电机绕组的地方。长定子直线同步电机的电枢、磁极的极距稍有不同， 相差电枢个槽距的十分之，这样可以削弱齿谐波。 长定子直线同步电机的电枢由地面的变电站提供频率可变的= 相交流电( 图 1 2 是长定子的三相绕组图) ，产生一个行波磁场( 称为电枢碰场) ，其速度与 电源的频率相当，类似于空问有一个电磁铁在移动。车辆上的励磁绕组通入直流 电将产生个磁性不变的磁场，它在空间的移动速度与车辆的速度相当。 图i2 三相绕组接线图 悬浮工作原理： 由图11 可见，初、次级之问在气隙磁场的作用下相互 吸引产生一个悬浮力( 在一般的直线电机中，称为单边磁拉力) ，显然它的大 小与气隙磁场和磁极面积有关。在磁极面积大小不变的情况下，它的大小与气隙 磁场密切有关，当气隙到达一定的大小后，由励磁磁场与电枢磁场合成的气隙磁 场必须产生与车辆重量相当的悬浮力，系统处于才能达到平衡状忐。因此要维持 浙江人学硕十学位论文 一定的气隙( 由气隙传感器测得) ，悬浮力要跟随车辆的重量而改变，这里可通 过调节悬浮磁铁的励磁电流来实现。在磁悬浮列中，车辆本身的重量大于乘客的 重量，所以气隙磁场变化不大，即励磁功率变化也不大。例如，上海t r 0 8 列车 端车的空车重5 2 9 t ，正常允许有效载重为9 i t ，载重为车重的1 7 2 ，中车的空 车重5 0 3 t ，正常允许有效载重为1 4 2 t ，载重为车重的2 8 2 3 ，可见励磁功率的 调节范围不是很大。对于常导悬浮系统而言，悬浮方向是一个非稳定平衡状态， 气隙的减小会使悬浮力增加，从而使气隙要进一步减小，如果控制系统不能及时 干预，就会发生车辆被吸到轨道上的故障，因此对整个控制系统而言，气隙大小 的检测非常重要。 推进工作原理：悬浮磁铁在气隙中产生的磁场同时也作为长定子直线同步电 机的励磁磁场，当它与电枢磁场同步时将产生一个水平推力，使车辆克服空气的 阻力以一定的速度运行。由此可见，电枢电流的频率一定要与车辆的运动速度相 配合，否则不能产生恒定的推力。因此车辆速度的检测非常重要，由它来决定电 枢电流的频率、大小；为了实现定子直轴电流为零的矢量控制方式，必须检测磁 极的位置( 即车辆的位置) ，以此来决定电流的相位。 长定子直线同步电机的悬浮系统与推进系统共用一个气隙磁场，如果在任意 功角情况下，调节一个变量势必引起另一个变量的变化，为了能够实现解耦控制， 必须使电枢反应减到最小，即气隙中的磁场由励磁电流所决定。尽管长定子直线 同步电机的正常运行气隙为1 0 m m ，电枢反应相对比较小一些，但肯定对气隙磁 场存在影响，电枢电流的变化还是会引起气隙磁场的变化，因此正常运行时控制 系统使气隙合成磁场轴线与悬浮磁极轴线正交，使电枢反应减到最小，可以使推 力实现最大化，也可使系统的悬浮力与推力的相互偶合程度减到最小，控制可以 分开调节。即在大气隙和定子直轴电流= 0 情况下，气隙中的磁场主要取决于 励磁磁场，电枢反应磁场的影响比较小，在励磁磁场保持不变时，气隙中的磁场 也基本不变，因此调节电枢电流的大小可以调节推力。 悬浮磁极的极靴上还开有小槽，这是一个直线发电机，可以说系统对能量的 利用非常的巧妙，结构也很紧凑。长定子直线同步电机的电枢开了开口槽，齿槽 效应明显，气隙还存在许多谐波，这些都能在发电机线圈中产生感应电势，其中 由齿槽效应引起的电压是主要分量。感应电压在发电机的线圈产生电流，而且随 车速的增加而增加。所以，在车速比较低时，车上的设备是由蓄电池供电的，到 达一定的速度后，用电设备就由直线发电机来供电，并给蓄电池充电，保证下一 次起动时使用。在长定子直线同步电机的设计中我们要考虑悬浮磁极开槽对气隙 的影响。 1 2 2 结构特点 长定子直线电机铁心的2 维和3 维示意图，如图1 3 和图1 4 所示， 浙江大学硕十学位论文 图1 3 长定子直线电机铁心的2 维示意图 图1 4 长定子直线电机铁心的3 维示意图 1 3 磁悬浮列车概述 1 3 1 磁浮列车交通技术的发展 磁浮交通技术的发展经历了一个从理论提出到实际应用的漫长过程。从 1 9 2 2 年德国人h e r m a n nk e m p e r 提出电磁浮的原理到1 9 7 1 年德国第一辆磁浮原 理车试验线路投入试验运行，在这段近半个世纪的时间里磁浮列车技术发展缓 慢。此后，各国科学家，工业界人士开始关注磁浮列车的发展，磁浮列车技术发展日 益迅速。 1 9 7 5 年，t h y s s e nh e n s c h e l 公司率先实现了线路侧长定子直线同步电机驱动 的磁浮车运行。1 9 7 6 年，实现4 0 0 k m h 以上的速度。1 9 7 7 年，决定集中力量发 展长定子直线电机驱动的常导磁浮交通系统。1 9 9 1 年底，德国得出t r 系列磁浮 高速铁路系统技术己成熟的结论。 日本也是磁浮技术的开拓者之一。1 9 6 2 年，日本开始磁浮交通的研究工作。 1 9 7 2 年，第一辆电动磁浮原理车m l l 0 0 向公众展示。1 9 7 5 年，日本开始在九州 半岛上的宫崎附近建造试验设施。从1 9 7 7 到1 9 7 9 年，7 k m 长的试验线分段投入 使用。1 9 7 9 年，低温超导的m l 5 0 0 型磁浮列车不载人运行速度达到5 1 7 k m h 的 速度。1 9 8 0 年研制成的m l u 0 0 1 型磁浮列车，载新建的u 行线路上进行了9 年 的试验运行，总共进行了9 0 0 0 次试验运行，累计行驶了4 0 0 0 0 k m 。1 9 8 7 年，日 本研制了新的电动悬浮列车试验车m l u 0 0 2 ，可运载4 4 名乘客，设计车速为 4 2 0 k m h 。1 9 9 9 年4 月，五辆编组的m l x 0 1 型车实现了5 5 3 k m h 速度的载人运 行。1 9 9 9 年1 2 月，日本山梨磁浮列车创造了错车时相对时速为1 0 0 3 k m h 的世 界最高记录。 美国地广人稀，公路网和空中航线四通八达，长期忽视铁路发展。进入9 0 年代后，美国科技界、工业界对磁浮列车技术表现出十分浓厚的兴趣，大有急起 浙江人学硕+ 学位论文 直追之势。1 9 9 3 年5 月，第1 2 届国际磁浮列车会议在美国举行。美国国会拟定 拨款7 2 5 亿美元支持磁浮列车技术的发展，美国政府也成立n m i 组织( n m i o n a l m a g l e vi n i t i a t i v e ) ，拟分四个阶段发展此项技术。现已进行系统概念定义( s c d ) 研究。s c d 方案中，三个为e d s 型，一个为e m s 型。e m s 型的悬浮与推进系 统原理上与德国的t r a s p a i d 类似，但采用超导型的概念( 追求技术新) ，悬浮间 隙为4 厘米( 德国为l 厘米) ，时速超过5 0 0 公里( 追求速度快) 。1 9 9 3 年7 月开始 概念设计，1 9 9 5 年进入工程实验阶段，1 9 9 7 年7 月以后开始第四阶段，建造应 用线路。 基于我国幅员辽阔，人口众多的国情，磁浮列车技术的研究在中国也受到充分 重视。自8 0 年代初开始磁悬浮运行技术的探讨和基础研究，其中包括悬浮控制 技术研究、小型磁浮模型车和模型装置的研制和理论分析，以及1 8 吨载人磁浮 列车方案设计等。中国第一台磁浮列车原理模型诞生于1 9 8 9 年，该车属e m s 型，类似日本的h s s t 结构，车体重8 0 千克，由l i m ( 1 i n e a ri n d u c t i o nm o t o r ) 系统推进，运行速度可达1 0 米秒，曾在长沙、北京展出多次。从“八五 到 现在，磁浮列车技术的研究一直列入国家科技攻关项目，重点发展e m s ( e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n s i o n ) 型。2 0 0 1 年上海磁浮交通发展有限公司与由德国 西门子公司、蒂森快速列车系统公司和磁浮国际公司组成的联合体签署了上海 磁浮列车项目供货和服务合同。2 0 0 1 年3 月，该工程正式开工。2 0 0 2 年1 2 月， 世界第一条商业化运营的磁浮示范线在上海胜利通车，2 0 0 4 年5 月正式投入商业 试运行。该线路全长3 0 公里，连接浦东机场与龙阳车站。该线路运行四年多来， 经历了大风、积雪等恶劣天气的考验，其安全性和可靠性得到了验证。 除上述国家外，法国、韩国也都有研究计划。由上述可见，尽管磁浮列车有 明显的优点，但由于各国情况不同，所以对它的重视程度和发展路线也各不相同。 目前，依据我国的国情，我国磁浮技术的研究重点是e m s 常导吸浮型列车。卧 龙磁浮试验线属于这种类型。 1 3 2 磁浮列车的优点 由于实现了磁悬浮，车身与轨道脱离接触，因而磁浮列车具有许多的优点。 ( 1 ) 速度快。轮轨式列车点接触压力的典型数据是4 8 3 兆帕。而磁浮列车是 大面积悬浮支撑，单位面积受力的典型数据是6 9 - 3 4 5 千帕。普通列车的速度 主要是受限于轮轨间的粘性力，而磁浮列车的速度则受限于空气阻力。表1 1 列 出各类交通工具速度的典型数据： 浙江人学硕士学位论文 表1 1 各类交通工具速度的典型数据 高速列车磁浮( e m s )磁浮( e d s ) 汽车 飞机 平均速度 2 1 0 3 8 04 4 8 9 54 8 5 ( 公里时) 运行速度 2 6 04 0 04 8 0l l o8 5 2 ( 公里时) 由上可见，磁浮列车是陆上最快的交通工具，其速度仅次于飞机。 ( 2 ) 乘坐平稳舒适、噪音低。凡是乘坐过磁浮列车的人，都异口同声的称赞 乘坐平稳舒适。这是因为车身与轨道之间无接触，轨道不平度的影响可通过控制 系统被滤除。同时，磁浮列车的噪声也比较低。表1 2 列出各种地面交通工具噪 声情况。 表1 2 各种地面交通工具在不同速度下的噪声情况 高速列车磁浮列车汽车 1 0 0 ( 公里时) 8 2 分贝6 7 分贝7 6 分贝 2 5 0 ( 公里时)9 2 分贝 8 2 分贝 由表1 2 可见，磁悬浮列车的噪声属于低水平噪声。 ( 3 ) 占地面积小。磁浮列车路轨占地面积与普通列车相近，比高速公路占地 ，面积要小得多。每公里的占地面积，六车道高速公路为4 2 8 万平方米， 四车道 的为2 8 6 万平方米；而单向磁浮路轨仅为1 4 3 万平方米，若是高架路轨，则几 乎不占地面。此外，磁浮列车爬坡能力强，可达1 0 ，转弯半径比普通列车小， 例如t r 0 6 轨道时速2 1 6 公里的曲率半径为1 0 0 0 米，可适应修建磁浮路轨的地 段多，因而可减少隧道和山谷桥架等建筑费用。 ( 4 ) 能耗较低。高速磁浮列车通常在时速大于3 0 0 公里运行。有报告表明， 普通列车与磁浮列车的功耗在2 2 0 公里每小时的速度运行时基本上一致。再提高 时速，磁浮列车节能的优越性就明显了，而普通列车已无法达到这个速度。 ( 5 ) 安全可靠。磁浮列车( e m s 型) 悬浮高度大约l 厘米左右，万一悬浮系统 失效，应急车轮能支撑列车继续行进。另外，磁浮列车车体两侧像钳子一样卡住 路轨，不易出轨，比普通列车安全。 ( 6 ) 寿命长、维修费用低。这是显而易见的。 从综合效益考虑，磁浮列车是较有前途的一种交通工具。 1 3 3 磁浮列车类型及驱动方式 磁浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的高速列车系统。 它改变了传统轨道车辆依靠轮轨摩擦力推进的方式，采用磁力悬浮车体，直线电 机驱动技术，使列车浮起滑行，在交通技术发展上是一个重大突破。 1 ) 磁浮列车的类型 i 】i 人学硕+ 学位论文 i | 前磁浮列年根据悬浮机i 里的不尉1 ，要有两种相应的彤式： j 电磁悬浮( e m s ) 型 用一般导体线圈，以异性磁极相吸的原理一般山直线同步电机或直线感应 电动机驱动的，这样一种磁浮列车，常称为常导吸浮型磁浮列车，以德国的 t r a n s r a p i d 型( 图ij ) 及h 本的h s s t 型( 图l - 6 ) 磁浮列车为主要代表。 图l6n 本h s s t 列车截面圈 前者是由长定于直线同少电机驱动的，后者是由直线感应电机驱动的。时速 可根据需要设计为l o o k m h 或5 0 0 k m h 懋浮高度一般在l o m m 左右。电磁悬浮 型列车在车体e 装有电磁铁，路轨为一导磁体。电磁铁绕组中电流的大小根据间 隙传堪器的信号进行调节，使车体与路轨问保持定距离。悬浮力的大小与车速 浙汀人学硕1 学位硷殳 无关，任何牛速时均能保持稳定的悬浮力。小丁安全考虑，设有府急备用4 三轮。 它的悬浮和推进系统消耗的功率很小，一般为l 千瓦吨。结构、材料简单， 但车体较熏。 2 电动悬浮( e d s ) 型 用低温超导线圈，以同性磁极相斥原目! ，一般出同步直线电动机驱动的磁浮 列车，常称为超导斥浮型磁浮列车。以| 1 本的m l x 型( n - 17 ) 磁浮列车为t 要代表。 图17m l x 型超导磁浮列车断面简图 时速一般高速为多，即5 0 0 k r n h 以上，磁浮高度可达i o o m m 以卜。电动悬浮型列 车在车体内安装有超导线圈，轨道上分布有按一定规则排列的娅路铝环。当超导 线圈内通电时就产生强磁场，在列7 f 以一定速度前进时，该强磁场就在路轨的铝 环内产生感应电流，两者相互排斥而，“尘e 浮力。速度愈大这个排斥力就愈犬， 当速度超过一定值( 时速8 0 公里咀上1 时，列车就脱离路轨表面最大距离町迓 数十厘米咀上。其悬浮是自稳定的，尤须加任何主动控制( 见图1 _ 8m l x 型超导 磁浮列车悬浮与推进系统) 。采用超导线圈虽可减轻线幽结构的重嚣，但却要增 设超导所需的致冷系统，致冷电源也增加了功耗。这种结构的磁场若不加屏蔽， 会增加环境的电磁污染。在低速行驶时，列牟还需轮轨系统支撑，侧向稳定也要 另加控制设备。 。“”鼍罗絮罗” 臼正= 3 图18l , i l x 型超导磁浮列车悬浮 浙江大学硕士学位论文 2 ) 磁浮列车的驱动方式 目前，磁浮列车的驱动方式主要有直线感应电机( l i m ) ，直线同步电机 ( l s m ) ，以及直线磁阻电机( l r m ) 和z 字型单极直线同步电机。后两者很少采用。 直线感应电机也称短定子直线感应电机，主要用在日本的h s s t 系列。它 的初级绕组装在车体上，定子由硅钢片选成，横向开有许多齿槽，用于安放电机 绕组。次级采用低碳钢实心结构，架设在轨枕上，其上附设一层次级导体( 5 毫米 厚的铝板) 。当初级绕组加上三相交流电之后，在气隙空间形成一个平移磁场， 该磁场切割次级导体，在导体中产生感应电流。该感应电流形成的磁场与初级 绕组形成的平移磁场方向相反，从而在路轨与车体之间产生电磁推力。这种电机 的速度低于同步速度，一般用于中速( 1 0 0 - - 一2 0 0 公里时) 磁浮列车。 直线同步电机，主要用在德国的t r 系列和日本的m l x 系列。其初级绕组 沿轨道铺设，故称长定子。其定子结构与短定子类似。次级安装在车体上，为永 磁体或直流绕组，在气隙空间建立起一个恒定的直流磁场。当初级绕组加上三相 交流电后，与次级的直流磁场间产生电磁推力。这种电机的速度等于同步速度， 一般用于高速( 4 0 0 - - 5 0 0 公里时) 磁浮系统。这种电机需沿轨道铺设大量导电线 圈，并沿线建立许多变电站，用于区间供电。 本课题中卧龙磁悬浮列车试验线驱动电机采用的是长定子直线同步电机。因 而磁浮列车应属于常导吸浮型，试验线轨道长约3 0 0 米，长定子直线电机的定子 沿轨道两侧铺设。 1 4 本文的主要内容 本文结合卧龙磁浮列车试验线牵引供电系统设计子课题，对卧龙磁浮列车试 验线长定子直线同步电机及其变频控制系统进行了研究。内容涉及到长定子同步 直线电机磁场的有限元分析、通用变频器的选型及使用、以及牵引供电系统设计 等方面。全文共分为六章： 第一章：绪论，论述了课题的背景与意义，对磁浮列车和直线电机的发展概 况，磁浮列车的优点，常导吸浮型磁浮列车的工作原理作了必要的介绍。 第二章：卧龙磁浮试验线用长定子直线同步电机有限元分析。在本章中，首 先对电机电磁场的有限元法，电机电磁场有限元分析工具作了简单的介绍，然后 对磁浮试验线实际所采用的长定子电机进行了有限元分析，为长定子直线同步电 机的设计提供了依据。 第三章：磁浮列车牵引供电系统概述。在本章中，首先介绍了磁浮列车牵引 驱动的基本原理及其在磁浮交通系统中的作用。然后重点介绍了长定子的换步方 法及供电方式。最后介绍了牵引系统的构成及其作用。全章为卧龙磁浮试验线牵 引供电系统的设计提供了依据。 浙江人学硕士学位论文 第四章：卧龙磁浮试验线牵引供电系统的硬件设计及设备选型。在本章中， 首先介绍了卧龙磁浮列车试验线的概况，并给出了卧龙磁浮试验线实际的牵引供 电系统原理图。然后介绍了牵引供电系统的主要功能单元，并分别介绍了这些功 能单元的选型及应用方法。 第五章：卧龙磁浮试验线牵引供电系统的现场总线实现。在本章中，首先介 绍了现场总线技术的优点及目前比较流行的几种现场总线。然后重点介绍了 p r o f i b u s 现场总线。设计了s 7 4 0 0p l c 与m i c r o m a s t e r4 3 0 变频器之f n j 的通信 协议，并编写了通信程序。最后，将这套控制系统在磁浮试验线上得到了应用。 第六章：结束语。总结所做的工作及不足，并对以后的工作进行了展望。 浙江大学硕十学位论文 第二章卧龙磁浮试验线用长定子直线同步电机 有限元分析 2 1 电机电磁场的有限元法 电机在运行过程中，它的内部空间存在着电磁场。电机中电磁场在不同媒质 中的分布、变化以及与电流的交链情况，决定了电机的运行状态与性能。因此， 研究电机中的电磁场对分析和设计电机具有十分重要的意义。 求解电机电磁场问题的目的是在给定激励源和求解区域结构的条件下求出 其电磁场的空间分布和时间变化，为此需要计算有关的偏微分方程定解问题，这 一定解问题的数学表述一般包括以下内容： ( 1 ) 在求解区域内成立的电磁场方程； ( 2 ) 在区域边界上恰当的给定边界条件； ( 3 ) 对于瞬态问题，还应包括区域内各点待求场量的初始值。 2 1 1 电机电磁场的数理基础 电机内的一切电磁现象都可以用m a x w e l l 方程组来描述，对于普通电机中 的交变电磁场，在工频条件下由于其变化频率很低，电磁场的源点与场点间的距 离比电磁波的波长小得多，因此麦克斯韦方程中的位移电流可以忽略不计，即把 电机内部的电磁场归结为似稳电磁场问题。同时，电机中一般不存在静止的电荷， 特别是当不考虑磁场的时变性的时候，即只关心稳态磁场时，m a x w e l l 方程的微 分形式可以表示为： ，_ d f 耳：了 坊1 ，否：0 ( 2 - 1 ) b = p r h 在各向同性的媒质中，又有如下的电磁关系： d = g e 以= o e b = , u h 其中，日，召，分别是磁场强度、磁感应强度和源电流密度。以为相对 磁导率，风为真空的磁导率，为介电常数，盯为电导率。对于线性介质，它们 是常数；而对于非线性介质，它们则随场强的变化而变化。电机电磁场的分析与 计算可归结为上述偏微分方程的求解问题。引入矢量磁位a ，定义它为b = r o t a ， 加以库仑规范，可使矢量磁位a 与磁感应强度b 成单值对应关系。 在电机的电磁场分析中，由于电机结构的对称性，往往将实际电机的三维场 浙江大学硕士学位论文 求解问题简化成与电机轴垂直的一个二维平面场的求解问题。这样方程中的，只 有z 轴方向上的分量，因而磁场只有x 和l ，方向的分量，a 只有z 轴分量，记 a = 彳。此时 色：i o 4 ，b ：一罢( 2 - 2 ) 考虑铁磁材料饱和效应引起的非线性时，上述矢量方程可以简化成在一个标 量化非线性泊松方程： 旦o x ( 去丝o xr ( 去务一以 亿3 ， i l + l l = 一 、。7 p r p o) 匆弘r p oa ) ) z 当方程组所描述的电磁场初值已知或者场的边界所处的物理状况己知时， 式中矢量磁位彳具有唯一解。在电机电磁场中一般是没有初始条件，但边界条件 确定的边值问题。一般常用的边界条件为第一类和第二类边界条件。考虑边界条 件及其对电机电磁场所作的二维稳态场的简化，一般电机电磁场问题可用式( 2 4 ) 所示的边界问题表示： q ：旦o x f i 上t , t o 丝o x ) + 号( 去考) = 一正) a y p r 却) 2 s ：a = 鸽( 2 - 4 ) s 2 p r p o 掣：一4 , d 硝 式中q 为电机电磁场求解区域，- , 为磁场强度的切向分量，s ，是分别为 卜= 儿去伽卅卜一1 2 ( 一q p 讲一 ( 2 - 5 ) 【s ：a = 4 求解单元，并通过构造插值函数，确定单元内任意一点的位函数a ( x ，y ) 和离散 节点的磁位4 ，4 ，厶之间的关系。常用的剖分单元为一阶线性三角形单元。若单 元内各点的磁位a ( x ，y ) 是x , y 的线性函数，将它对五少求偏导，并代入式( 2 - 5 ) ，并 对其关于4 ，a s ，以分别求偏导，可以得到对一个节点的单元分析表达式： 浙江大学硕士学位论文 ( 2 6 ) a 睨 洲。 a w e a a j a w e a a m ( k l i k v = l 七。k l j l k m ik 州三：一妻=tk，。t么，一t尸，。 其中， k 】。为单元系数矩阵， p l 为由边界条件确定的边界向量。 对求解区域中的所有单元进行同样的单元分析，就可以得到整个区域的联立 非线性离散化方程组，这也是最后要加以计算的数学表达式，形如式( 2 7 ) ： 【k q a i q = p q ( 2 - 7 ) 至此，电机电磁场问题以转化为一个纯数学问题，求解的方法有很多，目前 最为常用的为牛顿一拉斐逊迭代法及其改进法。求出各离散节点的矢量磁位彳 后，进行相应的转换，就可得到电机设计人员最终关心的磁密、磁通以及转矩等 参数，达到设计和评价电机的目的。 2 1 2 有限元法概述 有限元法是应用最广泛、适应性最强的一种数值计算方法，也是电磁场计算 中常用的分析方法。有限单元的思想最早由c o u r a n t 于1 9 4 3 年提出。二十世纪 五十年代初期，由于工程分析的需要，有限元法在复杂的航空结构分析中最先得 到应用，而有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 这个名称则由c l o u g h 于19 6 0 年在其著作中首先提出。四十多年来，以变分原理为基础建立起来的有限元法， 因其理论依据的普遍性，不仅广泛地被应用于各种结构工程，而且作为一种非常 有效的数值分析方法已被普遍推广并成功地用来解决其他工程领域地问题，如热 传导、渗流、流体力学、土壤力学、机械零件强度分析、电磁场工程问题等等。 1 9 6 5 年，w i n s l o w 首先将有限元法应用于电气工程问题，其后，1 9 6 9 年 s i l v e s t e r 将有限元法推广应用于时谐电磁场问题。发展至今，对于电气工程领域， 有限元法已经成为各种电磁场、电磁波工程问题定量分析与优化设计的主导数值 分析方法，并且无一例外地是构成各种先进、实用计算软件包的基础。 传统的有限元法以变分原理为基础，把所要求解的微分方程型数学模型 边值问题，首先转化为相应的变分问题，即泛函极值问题；然后，利用剖分插值， 离散化变分问题为普通多元函数的极值问题，即最终归结为一组多元的代数方程 组，解之即得到待求边值问题的数值解。可以看出，有限元法的核心在于剖分插 值，它是将所研究的连续场分割为有限个单元，然后用比较简单的插值函数来表 示每个单元的解，但是，它并不要求每个单元的试探解都满足边界条件，而是在 全部单元总体合成后再引入边界条件。这样，就有可能对于内部和边界上的单元 浙江大学硕十学位论文 采用同样的插值函数，使方法构造极大地得到简化。此外，由于变分原理的应用， 使第二、第三类及不同煤质分界面上的边界条件作为自然边界条件在总体合成时 将隐含地得到满足，也就是说，自然边界条件将被包含在泛函达到极值的要求之 中，不必单独列出，而唯一需要考虑的仅是强制边界条件( 第一类边界条件) 的处 理，这就进一步简化了方法的构造。 到目前为止，有限元法用于求解二维电磁场问题己经卓有成效，特别是应用 三角形单元的一阶方法，已广泛的应用于电机工程的各个领域。 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的， 只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几 何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相 连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小( 网 络越细) 则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增 大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包 含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方 程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式， 其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态 变量的离散关系，从而形成单元矩阵( 结构力学中称刚度阵或柔度阵) 。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。对工程应用而言， 重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好， 畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程( 联合方程组) ， 反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条 件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数( 可能的话) 连续性建立在 结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联 立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量 的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并 确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建 立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简 便提取信息，了解计算结果。 浙江大学硕+ 学位论文 2 1 3 商用有限元软件的介绍 5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展。由于当时理论尚处于 初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在 工程上普及。到6 0 年代末7 0 年代初出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、 用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程 强有力的分析工具。 由于商用软件仅需使用者对所需计算的问题作出答复，作为输入，便能获得 所需结果，并能在此基础上进行进一步的开发使用，而并不需要了解有限元法求 解的详细过程，如网格剖分、方程形成与求解等，更不需要掌握有关的技巧，因 此，满足了不同层次使用者的需要，最大限度地为他们减轻了繁琐地工作量。此 外，这类软件在后处理方面做了大量地工作，使得计算结果的可视化程度大大提 高，使用户能够在设计阶段就能对电磁设备中电磁场的分布与各种性能指标达到 一目了然的程度，易于进行方案修正及优化设计。 目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都 发挥着重要作用。当前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分析 软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、a d i n a 、a l g o r 和a n s o f l 等。 下一节里将介绍一下本文中使用的电机电磁场有限元分析软件a n s o f l m a x w e l l2 d 3 d 。 2 2 有限元软件a n s o f tm a x w e l l2 d 3 d 2 2 1 软件介绍 m a x w e l l2 d 3 d 软件是美国a n s o f l 公司开发的大型电磁场有限元分析软件， 目前，最新版本l o 0 。m a x w e l l 现已广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空 航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、造船、轻工、地矿、水利、日用 家电等一般工业及科学研究。 m a x w e l l2 d 3 d 是a n s o f l 机电系统设计解决方案的重要组成部分。m a x w e l l 2 d 是一个功能强大、结果精确、易于使用的二维电磁场有限元分析软件。它包 括电场、静磁场、涡流场、瞬态场和温度场分析模块，可以用来分析电机、传感 器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故 障工况的特性。它所包含的自上而