第四章中低速磁浮列车的牵引控制系统

1、西南交通大学电气工程学院西南交通大学电气工程学院郭小舟郭小舟中低速磁浮车的牵引控制系统中低速磁浮车的牵引控制系统第第1 1节节 磁浮列车与直线电机磁浮列车与直线电机上海磁浮车（德国上海磁浮车（德国TR08TR08）磁浮车是一种新的交通工具，研究的重点磁浮车是一种新的交通工具，研究的重点HSST HSST 磁浮车（日本）磁浮车（日本）交大交大MST-1MST-1磁浮车磁浮车青城山磁浮车青城山磁浮车国防科大磁浮车国防科大磁浮车 常导型磁浮列车利用电磁吸力实现悬浮常导型磁浮列车利用电磁吸力实现悬浮 磁浮列车利用直线电机实现牵引、制动磁浮列车利用直线电机实现牵引、制动直线电机的基本结构直线电机的基本结

2、构 直线电机可看作是将旋转电机径向剖开展平直线电机可看作是将旋转电机径向剖开展平 定子定子初级，转子初级，转子次级次级 初级与次级长度不相等。初级与次级长度不相等。短初级直线异步电机（短初级直线异步电机（HSST）长初级直线异步电机（西南交大）长初级直线异步电机（西南交大）第第2 2节节 直线异步电机（直线异步电机（LIMLIM）的控制特性）的控制特性LIMLIM控制方式取决于其应用场合。控制方式取决于其应用场合。LIMLIM控制策略与控制策略与应用目标相关应用目标相关由电磁场分析知，由电磁场分析知，LIMLIM的推力是的推力是dxbtxJFyLx),(Re2130*1LIMLIM工作时除产生

3、推力外还有垂向力。计算式为工作时除产生推力外还有垂向力。计算式为dxbbFyyLyRe213*301当气隙磁场有当气隙磁场有x x分量时分量时,LIM,LIM垂向力还要增加一项垂向力还要增加一项dxbtxJFxLy),(Re2130*12这时这时,LIM,LIM的垂向力的垂向力( (也称为法向力也称为法向力, ,磁拉力磁拉力) )为为21yyyFFF在讨论电机的控制方式时在讨论电机的控制方式时, ,应当了解电机初级中电应当了解电机初级中电流与频率变化时电机推力和垂向力的变化规律流与频率变化时电机推力和垂向力的变化规律1 1 直线异步电机的等值电路直线异步电机的等值电路 直线异步电机也是异步电机

4、。在低速情况下直直线异步电机也是异步电机。在低速情况下直线与旋转电机是相近的线与旋转电机是相近的可以用异步电机的等效电路的方法来分析可以用异步电机的等效电路的方法来分析LIMLIMSRmRsRrSXrXmXSUSIrImIrSEE在等值电路中，定子边即初级；转子边是次级。在等值电路中，定子边即初级；转子边是次级。旋转电机的转矩对应直线电机的推力旋转电机的转矩对应直线电机的推力电机在电机在S=1S=1处起动运行。当运行速度提高，推力也增处起动运行。当运行速度提高，推力也增大。越过峰值后，速度增高推力下降。从起动到峰大。越过峰值后，速度增高推力下降。从起动到峰值点前是不稳定运行区域，峰值点后为稳定

5、区值点前是不稳定运行区域，峰值点后为稳定区推力推力F电动机电动机发电机发电机电磁制动电磁制动S=1S=0推力推力- -速度曲线速度曲线LIMLIM的特点的特点由于终端效应的原因，推力为零的点不在同步速由于终端效应的原因，推力为零的点不在同步速对应点对应点当电机次级运行速度超过同步速后，电机工作于当电机次级运行速度超过同步速后，电机工作于发电机状态发电机状态在越过峰值前为稳定工作区；越过峰值点后，为在越过峰值前为稳定工作区；越过峰值点后，为不稳定区不稳定区在相同的初级电流和频率下在相同的初级电流和频率下, ,处于发电状态时的处于发电状态时的制动力比处于牵引状态时的牵引力要大制动力比处于牵引状态时

6、的牵引力要大用等值电路概念时推力的表达式用等值电路概念时推力的表达式12 fFVFPxsxem222)(3IsRPem222212222)(32)(3fIRsfIRFx22211122211112)()(XXSRRUI)/1 (11mXX当按当按u/f=Cu/f=C控制时控制时LIMLIM的推力表达式的推力表达式222111222111112)()(23XXsRRUsfRFx010Hz20Hz30Hz40Hz当按当按U/f=CU/f=C控制时控制时LIMLIM的推力特性的推力特性LIMLIM的推力与初级电源频率的关系的推力与初级电源频率的关系假定初级电压大小不变，仅仅改变初级电压的频假定初级电

7、压大小不变，仅仅改变初级电压的频率。由推力计算式知，推力反比于初级频率变化率。由推力计算式知，推力反比于初级频率变化010Hz20Hz30Hz40HzLIMLIM很大的初级阻抗削弱了电机的磁场。随着频率很大的初级阻抗削弱了电机的磁场。随着频率升高，初级电压也增大，初级阻抗的影响相应减小升高，初级电压也增大，初级阻抗的影响相应减小当按当按I I1 1=C=C1 1，f f2 2=C=C2 2控制时控制时LIMLIM的推力表达式的推力表达式222212222)(32)(3fIRsfIRFx2122222222)()2()2(23ILLRffRLFmmx122222)()(ILLsRLImm当按当按

8、I I1 1=C1=C1，f f2 2=C=C2 2控制时控制时LIMLIM的推力特性的推力特性010Hz20Hz30Hz40Hz由图可知，推力为常数。推力的大小与初级频率由图可知，推力为常数。推力的大小与初级频率无关无关LIMLIM的推力与初级电流的关系的推力与初级电流的关系假定初级的频率不变，只改变初级电流大小。由假定初级的频率不变，只改变初级电流大小。由推力计算式知，推力正比于初级电流的平方推力计算式知，推力正比于初级电流的平方这表明，控制初级电流可有效地控制推力这表明，控制初级电流可有效地控制推力推力推力F10I1I2实际实际LIMLIM按恒电流恒转差频率控制时的特性按恒电流恒转差频率

9、控制时的特性速度速度 m/s推力推力F010Hz20Hz30Hz40Hz电机推力并不严格为常数。原因是终端效应的电机推力并不严格为常数。原因是终端效应的影响。此外，由于电机次级采用反应板结构也影响。此外，由于电机次级采用反应板结构也是一个原因是一个原因当初级电流和频率恒定时当初级电流和频率恒定时LIMLIM的垂向力特性的垂向力特性LIMLIM在工作时除产生切向推力外还产生法向力。在工作时除产生切向推力外还产生法向力。从法向力公式知，其大小与磁密有关。法向力不从法向力公式知，其大小与磁密有关。法向力不容忽视，它可以超过推力数倍或数十倍容忽视，它可以超过推力数倍或数十倍02004006008001

10、00012001400160018001.00.80.60.40.20.0 F n 40AFnorm al(N ) F n 45As F n 60A在在LIMLIM中，初级产生的磁场与次级铁轭产生吸力；中，初级产生的磁场与次级铁轭产生吸力；初级磁场与反应板的涡流作用产生斥力；初级产初级磁场与反应板的涡流作用产生斥力；初级产生的磁场与次级铁轭的涡流作用产生斥力生的磁场与次级铁轭的涡流作用产生斥力转差转差频率频率推力推力F涡流斥力涡流斥力磁场吸力磁场吸力电机合成法向力电机合成法向力选择合适的转差频率值可以使总法向力较小选择合适的转差频率值可以使总法向力较小初级电流和转差频率恒定时初级电流和转差频率

11、恒定时LIMLIM的垂向力特性的垂向力特性当不考虑终端效应等影响时，电机的法向力为当不考虑终端效应等影响时，电机的法向力为常数。转差频率越大，法向力越小。法向力正常数。转差频率越大，法向力越小。法向力正比于初级电流的平方。大体上反比于转差频率比于初级电流的平方。大体上反比于转差频率5Hz10Hz15Hz20Hz初级初级电流电流LIMLIM的推力、法向力与转差频率的关系的推力、法向力与转差频率的关系在确定电机的转差频率值时，应当在吸力与推在确定电机的转差频率值时，应当在吸力与推力之间折衷。例如选取合适的力之间折衷。例如选取合适的f2f2值，使吸力在值，使吸力在系统容忍的范围内。系统容忍的范围内。

12、推力推力吸力吸力转差频率转差频率推推力力吸吸力力F2=0HzF2=20Hz第第3 3节节 LIMLIM的电流的电流- -转差频率控制转差频率控制从上节分析知，采用电流转差频率控制方式可有从上节分析知，采用电流转差频率控制方式可有效地控制推力并将电机的法向力控制在不大的数效地控制推力并将电机的法向力控制在不大的数值上。所以，磁浮车大多均采用这种控制方式值上。所以，磁浮车大多均采用这种控制方式转差频率的确定是控制的关键转差频率的确定是控制的关键从推力速度特性曲线知，若用推力峰值附近的转从推力速度特性曲线知，若用推力峰值附近的转差频率值进行控制，可以使电机的推力最大。但差频率值进行控制，可以使电机的

13、推力最大。但要受到如下因素的限制要受到如下因素的限制1 1 垂向力的限制垂向力的限制2 2 受电机功率因数受电机功率因数- -效率乘积的限制。而这个参效率乘积的限制。而这个参数与变流器的容量、体积与重量相关数与变流器的容量、体积与重量相关3 受到速度检测信号精度及控制误差的限制受到速度检测信号精度及控制误差的限制当转差频率确定后，在一段频率范围内，电机可当转差频率确定后，在一段频率范围内，电机可以实现恒转差频率恒电流运行。以实现恒转差频率恒电流运行。当初级频率超过转折值后，由于电机的定子电压当初级频率超过转折值后，由于电机的定子电压不能再增高而电机阻抗随定子频率的增高而增大，不能再增高而电机阻

14、抗随定子频率的增高而增大，定子电流就不可能恒定。由于推力与定子电流的定子电流就不可能恒定。由于推力与定子电流的平方成正比，推力将显著下降。平方成正比，推力将显著下降。若增大转差频率，则减小了电机的输入阻抗，定若增大转差频率，则减小了电机的输入阻抗，定子电流可以维持在额定值。子电流可以维持在额定值。这表明在进行电流转差频率控制时，电机的转差这表明在进行电流转差频率控制时，电机的转差频率频率f f2 2在不同的区域内有不同的变化规律在不同的区域内有不同的变化规律电力牵引对推力电力牵引对推力- -速度特性的要求速度特性的要求在牵引时，需要在尽量短的时间内将磁浮车由静在牵引时，需要在尽量短的时间内将磁

15、浮车由静止状态加速到高速状态，然后电机以恒功率运行止状态加速到高速状态，然后电机以恒功率运行推力推力垂向垂向力力定子电压定子电压定子电流定子电流转差频率转差频率转折速度转折速度最大速度最大速度逆变器控制逆变器控制- -电流转差频率控制方式电流转差频率控制方式2/221xrvffff2212/fvfffxr牵引时牵引时再生制动时再生制动时推力推力给定给定逆变器逆变器及控制及控制LIM电流指令电流指令牵引牵引开方开方F2给定给定电流检测电流检测电压控制电压控制-+速度速度频率控制频率控制整流整流再生再生+-+电机次级电机次级测速测速PI调节调节速度信号速度信号系统由频率控制、电流控制二个部分组成系

16、统由频率控制、电流控制二个部分组成推力控制信号经过变换成为电流指令；实际的电机推力控制信号经过变换成为电流指令；实际的电机电流与指令电流比较，决定是增大还是减小初级电电流与指令电流比较，决定是增大还是减小初级电压：如果实际电流小于指令电流则增大初级电流、压：如果实际电流小于指令电流则增大初级电流、反之则减。反之则减。电机电流反馈信号由传感器检测，经过整流与滤波电机电流反馈信号由传感器检测，经过整流与滤波处理后送到处理后送到PIPI调节器。调节器。频率控制需要准确检测电机的运行速度。速度信号频率控制需要准确检测电机的运行速度。速度信号经处理后，送转差频率函数发生单元。在转折点前经处理后，送转差频

17、率函数发生单元。在转折点前转差频率为常数；在转折点后转差率为常数。转差频率为常数；在转折点后转差率为常数。电机初级频率为速度与转差频率相加（牵引）或相电机初级频率为速度与转差频率相加（牵引）或相减（再生）电压与频率信号送逆变器的减（再生）电压与频率信号送逆变器的PWMPWM单元，单元，产生相应的控制脉冲产生相应的控制脉冲青城山磁浮车青城山磁浮车LIMLIM控制方式控制方式F1iaibU1F1I1速度反馈速度反馈牵引力给定牵引力给定+-牵引牵引/制动制动该系统与上一个系统是相同的。它也由频率控制、该系统与上一个系统是相同的。它也由频率控制、电流控制二个部分组成。在低速时采用恒电流、恒电流控制二个

18、部分组成。在低速时采用恒电流、恒转差控制；当逆变器电压满开放，电压不能再升高转差控制；当逆变器电压满开放，电压不能再升高时，采用恒转差率控制。电机牵引时转差频率发生时，采用恒转差率控制。电机牵引时转差频率发生器的输出信号为正；再生时为负。器的输出信号为正；再生时为负。频率控制的规则是：牵引时电机初级频率为速度与频率控制的规则是：牵引时电机初级频率为速度与转差频率相加，再生时为相减转差频率相加，再生时为相减主要的功能单元是：主要的功能单元是： PWMPWM单元：产生电压与频率均可调的脉冲信号单元：产生电压与频率均可调的脉冲信号电流调节器：在转折速度前，保持初级电流恒定电流调节器：在转折速度前，保

19、持初级电流恒定速度检测：电流转差控制的基础速度检测：电流转差控制的基础转差频率函数发生器：牵引时为正值，再生为负转差频率函数发生器：牵引时为正值，再生为负青城山磁浮车青城山磁浮车LIMLIM控制方式试验结果控制方式试验结果F2=5HzF2=5Hz时法向力随次级速度的变化曲线时法向力随次级速度的变化曲线 02468101205010015020025030035040002468101205010015020025030035040001234567891011120501001502002503003504000123456789101112050100150200250300350400Fnormal(N)Vx(m/s) Fn40A Fn45A Fn50A Fn60A123456789101112050100150200250300123456789101112050100150200250300123456789101112050100150200250300Fthrust(N)Vx(m/s) Ft60A Ft50A Ft40A青城山磁浮车青城山磁浮车L