（电机与电器专业论文）磁悬浮牵引供电系统的数值模拟.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep r o p u l s i o ns y s t e mi n c l u d e ss u b s t a t i o n s ，f e e d e rc a b l e ，s w i t c hs t a t i o n sa n ds t a t o rc a b l e e t c ，w h i c hr e f e r st ol o t so fp r o j e c ti n v e s t m e n t t oa v o i dt h er e p e a to fp r o j e c ta n dw a s t eo f i n v e s t ，t h er u n n i n gm o d eo ft h es y s t e ms h a l lb ee n s u r e df n s t l ya n dt h ev o l t a g e ，c u r r e n t ， f r e q u e n c ya n dt h es p e e do fv e h i c l es h a l lb ec a l c u l a t e da tt h ep e r i o do fp r o j e c td e s i g n i n gt o e n s u r et h eb a s i cp a r a m e t e r so ft h ep r o p u l s i o ns y s t e md e v i c e s f i r s t l y , t h ep r o p u l s i o n e m u l a t i o n t e c h n i q u eo ff o r e i g n a n dd o m e s t i cu r b a nr a i l t r a n s p o r t a t i o ni ss t u d i e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , t h ep r o p u l s i o ns y s t e ms t r u c t u r ei sa n a l y z e d ； a n dt h er e s i s t a n c eo fr u n n i n gv e h i c l ei n c l u d i n ga i rr e s i s t a n c e ，t h ew h i r l p o o lr e s i s t a n c e ，a n dt h e e q u i v a l e n tr e s i s t a n c eo fg e n e r a t o ra n dt h ec o m p o n e n to fg r a v i t yi ss t u d i e da n dt h em o d e lo f v e h i c l er e s i s t a n c ei sb u i l t t h ee q u i v a l e n tm o d e lo fl i n e a rm o t o ro fm a g l e vi sb u i l tt h r o u g ht h e s t u d y i n go ft h el i n e a rm o t o rb yw h i c ht h ei n p u tv o l t a g e ，p o w e ra n dt h ep o w e rf a c t o rc a nb e c a l c u l a t e d t h i r d l y , t h ee q u i v a l e n tt w o p o r tn e t w o r ki ss t u d i e da n dt h ee q u i v a l e n tm o d e li s b u i l t a tl a s t ，t h ep r o c e s so f t h en m n i n go f v e h i c l ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r b a s eo nt h er e s e a r c ha b o v e ，t h em o d e lo ft h ep r o p u l s i o ns y s t e mi sb u i l t t h r o u g ht h e m o d e l ，t h eo u t p u tv o l t a g e ，o u t p u tc u r r e n ta n dt h ep o w e rf a c t o rc a l lb ec a l c u l a t e db yi n p u tt h e p a r a m e t e ro fl i n e ，i n f o r m a t i o no fs t a t i o n ，p a r a m e t e ro fm o t o ra n dt h ei n f o r m a t i o no ff e e d e r c a b l en e t w o r k t h ec a l c u l a t i o n so fp r o p u l s i o n 缸ec a r r i e du n d e rd o u b l ef e e d i n gm o d e ，s i n g l ef e e d i n g m o d e ，t h r e e s t e pm e t h o da n dt w o s t e pm e t h o d t h er e s u l ts h o w st h a tt h es i m u l a t i o ns y s t e m c a nc o m p l e t et h ew o r kw e l la n dh a sd e f i n i t ep r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：o p e r a t i o nm o d e ，t w o s t e pm e t h o d ，t h r e e - s t e pm e t h o d ，s i n 酉ef e e d i n g ，d o u b l e f e e d i n g ，t w o p o r tn e t w o r k 浙江大学硕士学位论文图目录 图目录 图2 - 1 两步法双端供电牵引供电系统结构图8 图2 - 2 三步法单端供电牵引供电系统结构图9 图3 - 1 列车运行过程的受力情况1 1 图3 - 2 坡道上列车运行过程中的受力情况1 2 图3 - 3 坡道上列车加速过程中的受力情况1 4 图3 - 4 典型直线电机示意图1 5 图3 - 5 长定子直线同步电动机剖面图1 5 图3 - 6 一个齿距内的气隙磁通密度分布1 8 图3 - 7 不分组的单层同心式绕组及其端部2 5 图3 - 8 变压器、滤波器2 7 图3 - 9 二端口2 7 图3 - 1 0 无源线性二端口的电压电流关系2 8 图4 - 1 车站参数信息3 5 图4 - 2 馈电网络信息3 6 图4 - 3 线路信息3 6 图4 - 4 电机参数信息3 7 图4 - 5 列车步进计算流程图3 8 图4 - 6 长定子直线同步电机的一相等效电路图。3 9 图4 - 7 力一一电转换计算流程图4 0 图4 - 8 两步法、双端供电下牵引系统结构图。4 0 图4 - 9 三步法、双端供电下牵引系统结构图4 l 图4 - 10 两乡法、单端供电下牵引系统结构图4 1 图4 - 1 1 三步法、单端供电下牵引系统结构图4 1 图4 - 1 2 计算流程图4 3 图5 - 1 线路坡度及限速4 9 图5 - 2 正常运行方式变电站及车站分布4 9 图5 - 3 故障运行方式下变电站及车站分布一5 1 浙江大学硕士学位论文 图目录 图5 - 4 列车运行速度5 2 图5 - 5 牵引变电所输出功率5 2 图5 - 6 列车运行速度5 3 图5 - 7 牵引变电所输出功率5 3 图5 - 8 列车运行速度5 4 图5 - 9 牵引变电所输出功率5 4 浙江大学硕士学位论文表目录 表目录 表5 - 1 车辆及电机参数4 6 表5 - 2 车站站位4 6 表5 - 3 线路坡度及限速4 6 表5 - 4 线路坡度及限速( 续1 ) 。4 7 表5 - 5 线路坡度及限速( 续2 ) 。4 8 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：勘翮易 签字日期：动哆年，二月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿叁堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：垮力硐鸟 签字日期：沙听年i 之月 j 7 日 导师签名锄 撕飙叫孙月7 日 致谢 本文的全部工作得到了导师方攸同教授的悉心指导和亲切关怀。方老师求真务实的 治学精神、渊博的知识、丰富的实践经验、勇于开拓的科学精神和平易近人的态度，使 我终身难忘，并将深深影响我以后的工作和学习，在此表示衷心的感谢! 同时也感谢方 老师几年来在生活上给予的关怀和照顾。 感谢我的父母，从我出生开始，无论我碰到多大的困难和挫折，他们都一直支持、 鼓励着我。感谢我的妻子盛家川，为了支持我工作和读书，在我攻读硕士研究生期间， 妻子含辛茹苦，承担了本应与我一起承担的一切，其间的艰苦、辛劳是难以用语言表达 的。感谢岳父、岳母，在我最忙碌的时候帮我照顾怀孕的妻子。感谢你们，是你们给予 了我这么多的快乐和动力! 同时也要感谢王立天总工程师，在我研究学习期间给了我很大的启发和帮助! 感谢评阅、评议论文和答辩委员会的各位专家学者在百忙的工作中能给予指导。 最后，向多年来给予我理解、关心和支持的亲人和朋友们表示深深的谢意! 夺如鸱 2 0 0 9 年1 2 月1 日 浙江大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和研究意义 1 1 1 磁悬浮系统的发展 由于高速公路和航空事业发展，铁路面临着严重的挑战。因为传统的轮轨铁路是利 用车轮与钢轨的粘着力使列车前进的，而其粘着系数又随着速度的增加而减小，走行阻 力却随着速度的增加而加大。当速度超过粘着系数曲线和走行阻力曲线的交点时，速度 就不可能再进一步提高了。如果要想再进一步提高速度，同时又要做到更加安全、舒适， 减轻振动和噪音，减少能耗，降低运输成本，那么，传统铁路将是难以办到的。磁悬浮 系统作为一种新型的交通系统，依靠电磁力实现传统铁路中对车辆的支撑、导向和牵引 功能。由于运行的磁悬浮列车和线路之间无机械接触或减少了机械接触，因而可以突破 轮轨铁路中轮与轨之间的约束关系以及受电弓与接触网之间的约束关系，使磁悬浮列车 可以达到较高的速度( 4 0 0 k m h 一5 5 0 k m h ) 并保持较高的经济性。低速运行的磁悬浮系 统，在环境保护方面也比其它公共交通系统具有明显优势耵。 目前达到应用水平的高速磁悬浮系统是德国常导高速磁悬浮系统和日本超导高速 磁悬浮系统。德国磁悬浮系统的发展开始于19 6 9 年关于“高运力快速铁路系统”的研 究。德国联邦交通部、联邦铁路和德国工业界参与了这一目的在于探讨德国发展高速交 通系统的经济和技术可行性的研究项目。所研究的高速交通涉及到传统的轮轨系统高速 铁路技术和全新的磁悬浮铁路技术。为了建造第一段试验线路，德国工业界组成了磁悬 浮铁路t r a n s r a p i d 联合体。在德国西北部的e m s l a n d 地区建设试验线( 简称t v e ) 。第 一期工程包括2 1 5 k m 长的试验线路、试验中心和试验车。第一期工程在1 9 7 9 1 9 8 4 年 之间实施完成。1 9 8 3 年6 月随着t r 0 6 试验磁悬浮列车从试验中心大厅驶出，标志着试 验线第一段正式投入使用。1 9 8 5 年，磁悬浮铁路试验和规划委员会( m v p ) 作为试验设 施的所有者与经营者接管了试验设施。考虑到将来的实际应用，t r a n s r a p i d 系统以 4 0 0 k m h 以上速度，按实际运营要求连续运行的前提条件是一条闭合的环线试验线，因 此德国联邦研究与技术部1 9 8 4 年决定在t v e 扩建南环线，即试验线路的第二线路段。 南环线1 9 8 4 年开工，1 9 8 7 年竣工。至此，t v e 的试验线总长达3 1 5 k m 。同年，t r 0 6 磁 悬浮列车在试验线上达到4 0 6 k m h 的速度。1 9 8 8 年，试验速度提高到4 1 2 6 k m h 耵。 浙江大学硕士学位论文绪论 从1 9 8 6 年开始，德国开发面向应用的磁悬浮列车( t r 0 7 ) ，1 9 8 9 年该列车投入试验 线运行，1 9 9 3 年，t r 0 7 在载人试验运行中达到了4 5 0 k m h 的速度。由于线路长度的限 制，磁悬浮列车不允许再提高速度钔。 日本于1 9 6 2 年开始磁悬浮铁路的研究，1 9 7 7 年在南部九州简称7 k m 超导磁悬浮列 车试验线，即官崎试验线。宫崎试验线是单线，没有坡道和隧道，不能完全满足应用试 验要求。1 9 9 2 年在山梨县境内开始建设山梨试验线。1 9 9 7 年4 月，1 8 4 k m 长的山梨线 建成并进行试验运行。山梨县为双线，分别称为南线和北线。线路的8 7 在隧道内，变 电站和控制中心设在露天线路旁。1 9 9 7 年1 2 月，在不载人试验中，最到试验速度达到 5 5 0 k m h ，创下了地面交通速度的最高纪录。1 9 9 9 年4 月，载人运行试验速度达到 5 5 2 k m h ，再次刷新地面交通工具最高试验速度哺耵。 从6 0 年代开始，日本、德国、英国、前苏联、美国和中国等国也都先后投入力量 眼集中低速磁悬浮列车。在英国，为了将新建的伯明翰机场终端与国际博览会展区及火 车站连接起来，建造了一条6 2 0 m 长的磁悬浮铁路线，该线路与1 9 8 4 年投入载客运行。 这条线路是复线，轨道架设在6 m 高的钢结构线路上，来往运行3 辆有电磁支撑、导向 系统和直线电机驱动的小型磁悬浮列车，速度可达5 0 k m h 。磁悬浮列车车重约5 t ，具 有铝焊接底架和玻璃纤维强化塑料制成的车厢结构。1 9 9 6 年，由于故障率高，维护困难， 伯明翰磁悬浮铁路关闭停运。英国的磁悬浮铁路实际上没有发展为有市场价值的商业应 用系统射。 日本的h s s t x i t o n g 磁悬浮列车最初是由日航投资成立h s s t 公司研究开发，希望用 于机场到市区的快速轨道交通，后又于其它股东联合开发。19 9 0 年在名古屋附近的大江 动工兴建1 5 k m 长的试验线，并于1 9 9 1 年5 月开始试运行。实现显得最大坡度为7 ， 最高运行速度为1 1 0 k m h 。1 9 9 3 年3 月，以运输省、建设声和其它单位的专家学者组成 的可行性研究委员会对试验结果进行了最后论证，考察了它的噪声、振动以及磁场的影 响，结论是：h s s t 是舒适的低污染交通系统，能够应付紧急情况，长期的运行试验证明 他是可靠的，并且由于悬浮的优点，试它的维修量降低。作为城市交通系统，h s s t 已经 达到实用阶段哺4 1 。 在前苏联，大约从2 0 世纪7 0 年代中期以来就已经从理论和实践方面研究电磁和永 磁悬浮技术。由于激动车辆的废气造成严重的环境负担，8 0 年代初开始在阿拉木图城区 制定磁悬浮铁路涉及方案。研究表明，磁悬浮铁路相对于地铁来说，建造费用较低。但 是，当时前苏联在悬浮和导向技术方面还存在问题，发展计划未能实现。到8 0 年代， 浙江大学硕士学位论文绪论 前苏联在莫斯科附近的腊绵斯卡娅的磁悬浮铁路试验设置中，一辆中1 8 t 的磁悬浮列车 在一条6 0 0 m 长的试验线上进行了试验运行。随着前苏联的解体，唯有面向应用的磁悬 浮铁路的研究和开发哺引。 美国从2 0 世纪6 0 年代初开始磁浮铁路的研究，1 9 7 5 年停止研究。1 9 8 9 年起又重 新开始评估磁悬浮列车的实用价值，又铁道总署、陆军工兵总部、能源部牵头，数家公 司和大学参加，历史4 年，定出4 个磁悬浮列车设计时速均为5 0 0 k m 的方案，其中3 个 方案为电动型。美国还对大城市间的1 6 条线进行技术经济评估，认为只有纽约一一波 士顿线能在短期内回收投资并能实现盈利。也曾有计划在佛罗里达州修建第一条由德国 制造的磁悬浮铁路；在宾夕法尼亚洲建造3 0 k m 的磁悬浮铁路。但这些计划均为实施。 美国政府在1 9 9 8 年预算投入1 0 亿美元用于规划和建造一条磁悬浮铁路。目前有美国联 邦铁路部门支持，寄希望于德国t r 技术的推广应用。另外一些非联邦政府资助，由地 方级公司开发的项目也在积极开展，如a m e ri c a nm a g l e vt e c h n o l o g y 公司在老多米尼 大学建设校园载客系统，正建造试验线和试验车。佛罗里达磁浮2 0 0 0 公司在研发高速 超导磁悬浮技术，采用超导磁体电动悬浮，直线通过电机驱动，适度可达4 8 0 k m h ，并 已经完成概念设计、经济分析，正进行部件研制陆钉。 加拿大在电动悬浮技术领域内开展研究和开发工作，有关研究与1 9 7 2 年在金士顿 女王大学开展起来。头几年里，研究了电动支撑、导向和驱动技术的基本性能和电动悬 浮车辆的动力学问题。接近2 0 世纪7 0 年代末期，建造了旋转试验台，用来对电动悬浮 系统和无铁芯长定子直线同步电机进行试验哺4 1 。 法国交通部和德国联邦研究与技术部的合作协定条款中灰顶了法国和德国的铁路 管理部门、公司和研究所要从事磁悬浮技术的合作开发工作。法国曾研究过一种用于城 市交通的磁悬浮铁路方案。其特点是，采用电磁式的支撑和导向系t o g h e 所谓的u 型线 性电机驱动，用于市交运输，车速可达1 5 0 k m h 。1 9 8 3 年至1 9 8 4 年间，在g r e n o b l e 附 近，通过旋转的直线电机试验台，对直线感应电机进行了试验，速度达到3 0 0 k m h 陆耵。 韩国于1 9 8 8 年至1 9 9 4 年进行过低速常到磁悬浮铁路的研究，曾于大田科技展览会 展出一辆磁悬浮列车和一段长度约5 0 0 m 的线路。磁悬浮列车试验运行速度达到6 0 k m h 。 韩国磁悬浮列车的结构和尺寸都与日本的h s s t l 0 0 型磁悬浮列车相近。韩国还对汉城至 釜山的高速交通选用轮轨和磁悬浮进行过经济技术讨论，最后决定引进法国的t g v 高速 铁路哺劓。 瑞士在2 0 时世纪7 0 年代提出瑞士地铁的概念。瑞士地铁是一地下管道旅客运输系 浙江大学硕士学位论文 绪论 统，高速高频地连接瑞士主要城市和地区，并进一步连接到欧洲主要城市。地下管道为 2 根5 m 内径管道，在管道内减小空气压力。车辆采用磁悬浮系统，由同步直线电机驱动， 速度达到5 0 0 k m h 。在1 9 8 9 年至1 9 9 3 年，进行了技术和经济初步可行性研究。9 0 年代 取得瑞士政府和工业界的支持，主要研究是由瑞士联邦工学院和9 0 家私人公司进行。 目前正在进行实验室研究和进一步论证哺钔。 我国幅员辽阔，人口众多，8 0 0 1 5o o k m 中长距离的客运市场潜力巨大。随着经济的 持续快速发展和社会的飞速进步，对高速客运交通的要求越来越强烈。高速磁浮交通系 统正好能满足这种要求，它有着较高的经济运行速度，不仅适合于相距几百公里至几千 公里的交通枢纽之间大运量快速客运交通，而且适合于相距几十公里至数百公里的中心 城市与附近重要城市之间的快速交通联系。与传统的轮轨相比，高速磁浮交通系统具有 无接触运行、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等许多的优点。因此，高速磁浮交 通系统是2 1 世纪具用竞争力的现代大容量高速客运交通系统，而我国正迫切需要建设 高速交通系统，磁悬浮列车当然就成为选择的重要方案。 1 9 9 9 年国家在进行京沪高速铁路预可行性研究论证时，部分专家建议采用高速磁浮 技术。这是基于德国的高速常导磁浮试验线t v e 已经有了1 0 几年的安全运行，运行里 程数超过6 0 万公里，而且德国政府也宣布高速磁浮交通系统技术已经成熟等情况下。 经过论证，专家们最后达成共识，先建设一条商业运行示范线。经过对北京、上海、深 圳三个地区进行比选后，于2 0 0 0 年6 月确定在上海建设。2 0 0 2 年该线投入试运行。 我国国防科技大学的磁浮技术研究工作始于19 8 0 年，先后研制过几个小型磁浮实 验系统。1 9 8 9 年，集悬浮导向与推进为一体，研制成功中越8 0 k g 的小型磁浮模型样车， 可在1 0 m 长的轨道上往复运行。通过科技攻关，1 9 9 5 年研制成单转向架磁浮列车系统。 1 1 2 研究意义 磁悬浮的原理是通过对车载的悬浮电磁铁励磁而产生可控制的电磁场，电磁铁与轨 道上长定子直线电机定子铁芯相互吸引，将列车向上吸起，并通过控制悬浮励磁电流的 大小来保证稳定的悬浮间隙。同时，磁悬浮供电系统通过牵引变电所、馈电电缆以及沿 线分布的开关站向长定子绕组提供电流，用以牵引列车运行。从原理上，牵引供电系统 是磁悬浮列车正常运行的基础。 牵引供电系统中包括牵引变电所、馈电电缆、开关站以及定子电缆等设备，涉及大 量的工程投资。为避免工程的反复以及工程投资的浪费，在工程设计阶段，需要预先规 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 定系统的运行方式，并需要对规定的运行方式下的电压、电流，频率以及对应列车运行 速度等情况进行计算，借以确牵引供电系统中各设备的基本参数。 常导高速磁悬浮牵引系统中，由于采用长定子同步电机技术，一个牵引区间只能有 一列车运行，考虑到长大干线列车追踪间隔的要求，就需要结合线路、区间限速曲线、 列车特性以及各种阻力曲线，通过模拟计算，确定列车在各区间运行的时间。借以校核 牵引系统的配置能否满足列车追踪间隔的要求。 综上所述，无论是确定磁悬浮牵引供电系统的设备容量还是计算列车运行时间、校 验列车追踪间隔，都需要对列车在区间运行时的情况进行模拟。因此，建立精确的模型， 研究磁悬浮牵引供电系统，具有十分重要的意义。 1 2 磁悬浮列车分类和主要特点 磁悬浮列车从悬浮的原理上可分为电磁悬浮( e m s - - - - e l e c t r o m a g n e t i c ) 和电动悬 浮( e d s - - - - e l e c t r o d y n a m i c - s u s p e n s i o n ) 。所谓电磁悬浮就是对车载的、置于导轨下 方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电磁场，电磁铁与轨道上的铁磁性构件相互吸引，将列 车向上拉起并悬浮于轨道上，电磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙一般约为8 - 1 0 m m 。列车 通过直线电机来牵引行走，通过控制悬浮电磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮气隙“4 1 。 电动悬浮就是当列车运动时，车载磁体运动磁场在安装于线路上的悬浮线圈中产生 感应电流，两者相互作用，产生一个向上的磁力将列车悬浮于路面一定高度。 德国的t r a n s r a p i d 磁悬浮系统属于电磁悬浮，但没有采用超导技术，而是采用普 通导体通电励磁，产生电磁悬浮力和导向力，因而又称常导磁悬浮列车系统钔。 磁悬浮列车按照直线电机定子的长短可分为短定子直线电机驱动的磁悬浮列车和 长定子直线电机驱动的磁悬浮列车。短定子直线电机是将当年鬼子绕组安装在车体的底 部，通过向磁浮列车提供变压变频的电源，由车上的短定子产生行波磁场；轨道上安装 长转子，这种结构多为直线异步牵引电动机的驱动系统。由于列车通过受流器供电，而 告诉受流困难使列车运行速度、异步电动机的功率因数以及效率均受到限制，因此该系 统仅用于低速小功率短距离的电力牵引。长定子直线同步电机驱动的磁悬浮列车的底部 安装直线电机的转子，轨道上安装同步电机的长定子绕组。磁浮列车内部对转子的供电 相对简单，不受高速运行的影响。采用这种直线同步电机驱动，适合于高速、大功率、 长距离的电力牵引。德国的常导高速磁悬浮系统就采用长定子直线同步电机原理：由车 上提供转子励磁电流，使转子吸引轨道下方的磁导体，使列车浮起，沿线轨道下方敷设 浙江大学硕士学位论文 绪论 的长定子提供行波磁场，驱动列车运行。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外牵引仿真技术研究现状 国外城市轨道交通系统发展得较早，牵引计算的理论和实践的成果也比较多，因为 牵引计算理论可以作为列车操纵模拟、列车运行仿真、列车自动停车、列车自动驾驶的 基础理论，所以在这些领域中，牵引计算理论都得到了发展。国外比较成熟的系统有北 美的ra ilsim 系统、欧洲的trainstaf 系统和日本的ut ras 系统 等。 北美的ra ilsim 系统是北美铁路常用的一套铁路牵引计算与运行模拟软件， 它以tps 为基础，可以精确地模拟许多种铁路系统中多平列车的运行。 欧洲的trai nstar 系统是一个机车工程师辅助系统，它提供了新一代的智 能列车控制系统，将导航系统技术和列车模拟技术相结合，为机车工程师提供了智能辅 助系统。 日本的ut ras 系统是日本交通控制实验室在20 世纪80 年代开始研制的新 一代具有通用意义的铁路牵引计算与模拟系统，在20 世纪90 年代开始得到应用。该 系统从研究新干线的交通控制系统出发，可以进行列车牵引计算、列车模型对运营的影 响分析、延误恢复及分析、不同通信信号制式的影响分析、多列车运行能力及效果评价 等。 由于磁悬浮系统与轮轨铁路以及地铁等轨道交通相比，在供电方式以及供电系统结 构上具有很大的区别。需要针对磁悬浮牵引供电系统的特点进行研究，建立数学模型， 编制有有针对性的软件，计算列车在线路上运行时对应牵引变电所各变流器单元的输出 功率、输出电压、电流以及相角等电气参数。 1 3 2 国内牵引仿真技术研究现状 国内对于牵引计算的研究相对落后于国外，但是发展速度很快，从最初采用该旅法 进行人工计算，发展到现在的多列车模型为基础的自动计算。而且列车的运行模型己经 开始应用于列车自动运行和自动控制之中。对于国内牵引计算仿真系统研究的发展可以 分为概率法手工计算和建立模型的详细电算方法两个发展阶段。详细的电算方法鉴于单 计算方法的局限性，根据国外经验和我国的实际情况，我国在大秦线级重载列车研究中 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 自行编制的计算机牵引计算软件已采用了列车动力学模型。该模型除具有一般电算方法 所共有的优点：计算速度快和精度高以外，还具有下述优点对列车可按实际编组情况进 行逐辆编组的详细计算，包括对不同车型、制动机和缓冲装置、空重车辆的混合编组均 可模拟对线路断面包括坡道和曲线均可精确模拟，而勿需简化换算。 我国对于高速磁悬浮系统的牵引计算的研究起步较晚。且尚未有工程应用。 1 - 4 本论文的研究内容及研究目 1 4 1 研究目的 本文的研究目的主要是以下几个方面： 1 、通过分析磁悬浮列车运行特点以及牵引供电系统的结构特点建立列车运行过程 仿真模型和算法，并通过计算机来实现。 2 、通过对列车运行过程的仿真计算，可以研究牵引分区的划分，确定牵引变电所 的布点、牵引变电所变流器模块的容量等参数。 3 、在对单列车运行过程的仿真计算结果的基础上，可以进一步研究各主变电所的 瞬时负荷，从而为确定主变电所及外部电源的容量提供先决条件。 1 4 2 研究内容 为进行列车运行过程的仿真计算，需要对以下几项内容进行研究： 1 、列车运行阻力分析 2 、直线电机模型 3 、供电网络模型 4 、列车运行步进要求 浙江大学硕士学位论文磁悬浮牵引供电系统结构 第2 章磁悬浮牵引供电系统结构 2 1 牵引供电方式 牵引供电系统根据运行控制系统o c s 的要求，对大功率电力电子变流系统的输出电 压和电流的幅值、频率和相位进行实时的调节，分段的对磁浮列车所在的长定子直线电 机供电，从而实现对磁浮列车牵引力的有效控制，完成列车起动、恒速运行及制动停车 等各种运行要求，使磁浮列车严格地按照设定的路程一速度曲线高速、安全和舒适的运 行。 如图2 - 1 所示，牵引供电系统由牵引变电所( 包括牵引模块、输入开关和输出开关 等) 、馈电电缆、定子开关站和定子绕组电缆构成。由主变电所提供的工频电源经过牵 引变电所降压、整流、逆变、升压后，向馈电电缆输出变压、变频电流。馈电电缆将牵 引变电所输出的电流送至沿线分布的定子开关站。由定子开关站根据列车的位置确定向 哪一定子段送电。 图2 - 1 为一个典型的两步法双边供电方式下的牵引供电系统结构图，除双边供电 外，还有单边供电方式，即整个牵引区间由一座牵引变电所供电。此外，还有三步法供 电方式，三步法供电方式下，每个牵引变电所牵引模块由三套变流器单元组成，每行轨 道对应三回馈电电缆。图2 - 2 为一典型三步法单边供电方式下的牵引供电系统结构图。 图2 - 1 两步法双端供电牵引供电系统结构图 浙江大学硕士学位论文 磁悬浮牵引供电系统结构 图2 - 2 三步法单端供电牵引供电系统结构图 2 2 牵引变电所 牵引模块由多个变流器单元组成。当定子段换接采用三步法时，每个牵引模块由三 个变流器单元组成，i 当采用两步法时，牵引模块包括两个变流器单元。另外根据牵引功 率模块容量与用途不同，变流器单元又分高功率、中功率、和低功率三种。高功率模块 适应于牵引能力要求高的场合，例如某些距离较长或具有长大坡道的牵引供电区间、需 要较大爬坡能力的场合。中功率模块适应于运行速度较小的供电区间，而低功率模块一 般应用于最大速度为l o k m h 的维修基地内列车移动。 高功率模块包括：整流变压器、整流器、直流环节、制动斩波器及制动电阻、逆交 器、输出变压器； 中功率模块包括：整流变压器、整流器、直流环节、制动斩波器及制动电阻、逆变 器； 低功率模块包括：整流器、直流环节、制动斩波器及制动电阻、逆变器，i 由于高功率模块及中功率模块功率较大，其电源应直接从主变电所2 0 k v 母线上取， 而低功率模块功率较小，其电源一般直接取自车站或维修基地降压交电所的4 0 0 v 交流 电。 输出变压器采用自冷干式、三相五柱式变压器，避免了三次谐波引起的变压器本体 温升。每个变频器组有一套输出变压器。 9 浙江大学硕士学位论文磁悬浮零引供电系统结构 中功率模块变频器组中只有一台逆变器且没有输出变压器，采用电抗器输出。 逆变器输出电源频率与列车速度的关系晡5 1 ： v = 2 f c 俨0 2 5 8 m 2 3 馈电电缆 牵引模块馈电电缆( 简称馈电电缆) 负责向沿线定子开关站供电，每回馈电电缆由 三相电缆组成。 2 4 定子开关站 定子开关站是将一个牵引供电分区( 两个牵引变电所间) 划分为若干个供电区域( 定 子段) ，使一个牵引区域等效为一组较短的定子段，因此牵引模块驱动的将是一个较小 的电动机，以减少线路损耗。而数个驱动装置的交替切换，可保证机车的正常平稳运行。 定子开关站主要由中性点接触器柜、进线电缆柜及馈线接触器柜组成，根据沿线定子绕 组的分段型式及连接需要，这三种设备数量不同将构成不同类型的定子开关站。 2 5 定子绕组电缆 定子绕组电缆指嵌于轨道两侧定子铁心槽中用以形成行波磁场的三相电缆，这种行 波磁场用于对机车进行牵引或制动。为了提高直线同步电机的效率，三相定子绕组电缆 布置在轨道两侧并分成长度相等的定子段，只有磁悬浮列车经过时，才通过定子开关站 对该定子段进行供电。 l o 浙江大学硕士学位论文牵引供电计算理论分析 第3 章牵引供电计算理论分析 3 1 列车运行受力分析 3 1 1 概述 对磁悬浮列车运行过程中的各个运行状态的计算研究，是分析列车运行过程的基 础。因此，本章对列车运行过程的研究，主要以牵引计算理论为基础，对列车在运行过 程中所受到的各种力和计算方法进行研究。 列车牵引计算以列车的纵向运动为计算对象，并以非稳态运动的牵引和制动工况为 重点，对列车进行受力分析，通过对各种力的计算研究来确定列车的运行速度、运行时 间以及计算列车的制动率、制动时间和制动距离等。因此，牵引计算涉及到列车的牵引、 制动以及线路情况等多方面的因素，是一个复杂的系统工程问题。 3 1 2 列车运行过程的受力分析 磁悬浮列车是按照一定数量进行编组，在运行过程中，列车的编组一般不再变化。 所以，可以假定整个列车是一个质量集中的质点，通过对该质点的受力分析来研究列车 的运动规律，如图3 - 1 所示。 1 支撑力n 鲁墅生 j 重力g v 图3 - 1 列车运行过程的受力情况 列车在运行中主要包括以下几种力： 1 、牵引力f 2 、阻力f 3 、重力g 塑堕 浙江大学硕士学位论文 牵引供电计算理论分析 4 、线路对列车的支撑力( 转子与轨道导磁部件及定子之间的作用力) 在磁悬浮列车的运行过程中，这四种力是影响列车运行的基本力。其中线路的支撑 力与列车重力以及列车在运行过程中的竖向冲击力构成一对平衡力，使得列车在竖直方 向上存在很小的振动，由于磁悬浮列车上的转子与线路之间的气隙始终保持1o m m 左右， 所以可以认为垂直于线路的力达到平衡。 由他们矢量相叠加而产生的合力推动列车运行。牵引力与阻力满足以下公式： f - f - - m a ( 3 1 ) 如图3 - 2 可以看出，当列车运行于坡道时，重力g 的一个分量将成为阻力( 上坡时 阻力为正，下坡时阻力为负值) 步 f 妒埘 胡垄三一 图3 - 2 坡道上列车运行过程中的受力情况 其中f 坡道与重力g 满足以下公式： 厶道= g x s i n q ( 3 2 ) 重力g 与支撑力n 之间满足以下公式： g x s i n 妒= n ( 3 3 ) 当缈 o 时，列车处于上坡状态，厶道 o ，表示列车的重力有阻碍列车前行的倾向； 当妒 o 时，列车处于下坡状态，厶道 o ，表示列车的重力有使列车加速下滑的倾向。 3 1 3 列车运行过程的阻力分析 磁悬浮列车运行过程中所受的阻力包括四部分：空气阻力、涡流阻力厶漉、发电机 产生的制动力厶电机以及坡道上重力的分量厶道。列车运行总阻力与这四部分阻力满足 1 2 浙江大学硕士学位论文牵引供电计算理论分析 以下关系“1 ： 蠢阻力- - f 气+ 翥流+ 电机+ 坡道 ( 3 4 ) 其中：厶气一一空气阻力； 矗流一一涡流阻力 厂发电机一一发电机产生的制动力 上述四部分力中，坡道在2 1 2 中已经论述，此处不再赘述。以下对空气阻力厶气、涡流 阻力氏流、发电机产生的制动力厶电机三部分进行分析。 1 ) 空气阻力h 们 空气阻力是包括轮轨列车、汽车在内所有运行车辆所共有的，列车高速运行时，空 气阻力占运行阻力的主要部分。在不考虑侧向缝合隧道空气压力造成空气阻力增加时， 列车空气阻力计算式如下所示： 厶气= 2 8 ( 0 5 3 要+ 0 3 ) v 2 ( n )( 3 5 ) 其中：v 一一列车运行速度 n 一一列车节数 2 ) 涡流阻力 磁悬浮列车在运行过程中，长定子与两侧导轨之间的涡流产生涡流阻力，其中长定 子铁芯是由矽钢片叠成的，涡流很小，可忽略不计。列车涡流阻力计算如下式所示们： 岛流= ( o 1 v o 5 + o 0 2 v o 7 ) ( 1 )( 3 6 ) 3 ) 发电机产生的制动力 列车车载电网通过位于车上悬浮电磁铁极靴上的直线发电机供电，列车高速运行 时，悬浮电磁铁磁场由于定子铁芯齿槽所产生的高频磁场分量在直线发电机线圈中产生 感生电流，从而存在于列车前进方向相反的制动力。列车直线发电机供电产生制动力计 算如下式所示h 旬： 矗电机= 0 ( n )( v 2 0 k m h ) 厶电机2n 7 3 1 0 3 ( n )( 2 0 k m h v 7 0 k m h ) 电机= n ( 1 4 6 矿一0 2 ) 1 0 3 ( n )( 7 0 k m h v 5 0 0 k m h ) ( 3 7 ) 当列车运行于坡道上时，列车牵引力克服列车所受的阻力，使列车产生平行于线路 1 1 浙江大学硕士学位论文 牵引供电计算理论分析 的方向的加速度，如图3 - 3 所示。 图3 - 3 坡道上列车加速过程中的受力情况 牵引力与阻力之间满足以下关系： 厶引一肩力= m a 厶引2f 阻力+ m a = 压气+ 厶流+ 厶电机+ 厶道+ m a ( 3 8 ) 其中：m 一一列车总质量 a 一一列车加速度 3 2 直线同步电机模型分析 3 2 1 概述 德国常导磁悬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。长定子 直线同步电机对磁悬浮列车的安全舒适的运行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。 直线同步电动机与直线感应电动机一样，也是由相同的旋转电动机演化而来的，其 工作原理与普通的旋转电动机相同。六十年代后它作为高速地面运输的推进装置以及八 十年代后作为提升装置的动力而变得重要起来。与普通同步电机一样，它具有多相电枢 绕组和直流激磁的磁场。直流磁场的激磁方式可以是常规式的，也可以由超导体激磁绕 组来激磁，还可以采用永磁体。虽然从原理上看，直线同步电动机作为电枢移动式或是 磁场移动式都可以，但似乎后一种型式更实用些。在直线同步电动机中，定子绕组产生 的气隙行波磁场和磁极磁场的共同作用，气隙磁场对磁极动子产生电磁推力。若定子固 定不动，则转子在这个电磁推力的作用下就沿着行波磁场运动的方向作直线运动。磁极 移动的速度与行波磁场的移动速度一致。如图3 - 4 所示。 1 4 浙江大学硕士学位论文牵引供电计算理论分析 转子 冬型塑 - - 二 数 定子 图3 4 典型直线电机示意图 图3 5 是长定子直线同步电机的结构剖面图7 1 ，其中定子部分安装于轨道上，不可 移动；转子部分安装于车辆底部，可由定子产生的行波磁场驱动。定子铁芯分段组成， 每一段采用一定长度硅钢片粘结组合而成。定子铁芯上均匀分布了开口槽，整距分布。 绕组采用集中绕组，这些主要是考虑到工艺的要求。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。悬浮磁铁是一个电磁铁，励磁绕组安装在转子大槽 内。另外悬浮磁铁的极靴上面还开有小槽，这些是直线发电机的绕组安放的地方。长定 子直线同步电机的定子、转子的极距稍有不同，这样可以削弱齿谐波。 定子绕组定子铁芯 图3 - 5 长定子直线同步电动机剖面图 长定子直线同步电机的定子由地面变电站提供频率可变的三相交流电。这时将产生 一个行波磁场，其速度由电源的频率以及定子极距决定。车辆上的励磁绕组通入直流电 将产生一个磁性不变的磁场，它在空间的移动速度与车辆的速度相当。 正常运行时，长定子直线电机定子的磁场和转子的磁场相互吸引，产生一个悬浮力 ( 在一般的直线电机中，称为单边磁拉力) ，显然它的大小与相互作用的两个磁场大小 有关，在磁场大小不变的情况下，它的大小与气隙的大小密切有关，当气隙到达一定的 大小后，产生的悬浮力与车辆的重量相当，系统处于稳定平衡状态。因此要维持一定的 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。这就是磁悬浮列车的悬浮工作原理。对系统而言，气隙大小的检 测非常重要。 长定子直线同步电机的悬浮系统与推进系统共同形成一个气隙磁场，如果在任意功 浙江大学硕士学位论文牵引供电计算理论分析 角情况下，调节一个变量势必引起另一个变量的变化，为了能够实现解偶控制，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 ，电枢反应气隙的影响