一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法
【专利摘要】一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，在进行牵引时，当列车从静止开始牵引加速时，若干台直线感应电机采用接线方式I进行接线，直线感应电机电流维持为I0，I0为接线方式I下电机最大线电流；当直线感应电机线电压达到最高而不再上升，直线感应电机电流下降至I2时进入切换时刻点，I2为接线方式II下电机最大线电流；切换至接线方式II后，在重新达到牵引逆变器最高输出电压以前，维持电流为I2，直线感应电机重新进入恒力工作阶段；在进行制动时，过程与上述相同。本发明具有原理简单、操作简便、成本低廉等优点。
【专利说明】一种磁淳列车用直线感应电机牵引力提升方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及到磁悬浮车辆领域，特指一种适用于磁浮列车的直线感应电机牵 引力的提升方法。
【背景技术】
[0002] 磁浮列车作为一种有着广泛应用前景的未来绿色交通工具，越来越得以推广和 应用。按速度划分，磁浮列车分为高速和中低速磁浮列车，其中中低速磁浮列车是指速度 < 150km/h，适用于城市或城郊的交通工具。
[0003] 中低速磁浮列车一般米用U型悬浮电磁铁悬浮车体，直线感应电机牵引方式。直 线感应电机初级安装于车体上，通过在初级三相绕组施加三相电流，产生行波磁场，该磁场 在轨道次级感应板上感应涡流，次级涡流磁场与初级产生的磁场相互作用，产生列车前进 的牵引力。
[0004] 中低速磁浮列车的牵引系统一般由滤波电抗器、牵引逆变器和直线感应电机组 成。从地面供电站过来的DC1500V/750V直流电压，通过授流器提供到运动的车辆上。作为 牵引系统，DC1500V/750V直流电压通过滤波电抗器和牵引逆变器，变换为变频变压VVVF的 交流电压，提供给车载直线感应电机的初级。故此，直线感应电机是车载牵引逆变器的供电 负载。在配置上，一节车配置一台牵引逆变器；而一台牵引逆变器，为同一节车上的多台直 线感应电机同时供电。当列车速度较低时，维持电机电流为最大恒定电流；随着列车速度的 增加，电机供电频率增加，电机供电电压增加。当达到牵引逆变器的最大输出电压时，电机 电压无法再增加。此时，随着列车速度进一步增加，电机供电频率进一步增加，受最高电压 的限制，电机电流随列车速度增加而逐步减小，电机牵引力也逐步降低，从而列车在高速时 的牵引能力降低。故此，为了满足列车在整个线路上的运行时间要求，目前只能采用提高直 线感应电机设计功率和牵引逆变器容量的方法。但采用这种方法，除了要求大的车载直线 感应电机设计功率和牵引逆变器容量以外，同样导致地面变电站供电设备容量增加，这样 无疑引起了车载设备重量增加，直接导致列车运行能耗增加，同时引起整个磁浮列车系统 建设成本增加。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一 种原理简单、操作简便、成本低廉的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，在进行牵引时，当列车从静止开 始牵引加速时，若干台直线感应电机采用接线方式I进行接线，直线感应电机电流维持为 1〇, 1〇为接线方式I下电机最大线电流；当直线感应电机线电压达到最高而不再上升，直线 感应电机电流下降至12时进入切换时刻点，1 2为接线方式II下电机最大线电流。切换至 接线方式II后，在重新达到牵引逆变器最高输出电压以前，维持电流为1 2，直线感应电机重 新进入恒力工作阶段；在进行制动时，过程与上述相同；在上述过程中，所述接线方式I为 将若干个直线感应电机分成两组，通过接线令牵引逆变器对两组直线感应电机进行供电； 所述接线方式II为将若干个直线感应电机每两个分成一组，通过接线令牵引逆变器对多 组直线感应电机进行供电。
[0008] 作为本发明的进一步改进：在上述过程中，通过电流检测传感器实时检测直线感 应电机的电流，接收车辆牵引制动指令。
[0009] 作为本发明的进一步改进：在进行接线方式切换时，采用滞环切换方法，即选择合 适的电流公差△ ，当列车运行速度增加时，直线感应电机电流随之下降，当电流下降至 Ι2_Δ Imax时切换为接线方式II。
[0010] 作为本发明的进一步改进：在对四转向架磁浮列车进行接线方式切换时，修改牵 引逆变器的电机控制参数；当单台直线感应电机的定子绕组电阻为rs，则采用接线方式I 时，牵引逆变器的电机定子绕组电阻控制参数为Rsl = 2rs;当切换为接线方式II后，牵引逆 变器1的电机定子绕组电阻控制参数相应改变为Rsl = 〇. 5rs。 toon] 作为本发明的进一步改进：在对五转向架磁浮列车进行接线方式切换时，修改牵 引逆变器的电机控制参数；当单台直线感应电机的定子绕组电阻为rs，则采用接线方式I 时，牵引逆变器的电机定子绕组电阻控制参数为Rs2 = 2. 5rs;当切换为接线方式II后，牵引 逆变器的电机定子绕组电阻控制参数应相应改变为Rs2 = 〇. 4rs。
[0012] 作为本发明的进一步改进：在进行控制时，根据直线感应电机的设计参数，选择合 适的电机电缆接线切换时电机电流；当单台直线感应电机设计时允许最大线电流为Id，在 接线方式I时，牵引逆变器的最大输出供电电流为L = 2、；这样在切换为接线方式II时， 牵引逆变器能提供给单台直线感应电机的最大供电线电流为12 = 1〇/2 ;故在接线方式I 时，当单台直线感应电机的供电线电流下降至12时，将电机电缆连接切换为接线方式II。
[0013] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0014] 1、本发明原理简单、操作简便，可以在提升直线感应电机牵引力的同时，不改变车 载牵引设备，包括牵引逆变器和直线感应电机的硬件本身，故此，不会对车体重量造成大的 影响。
[0015] 2、本发明只需要另外配置一个连接线换接机构，实现容易，实现成本低廉。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是本发明方法的实施步骤示意图。
[0017] 图2是本发明实施的框架结构示意图。
[0018] 图3是磁浮列车用直线感应电机传统牵引特性示意图；其中图3a为线电流一速度 示意图；图3b为线电压一速度示意图；图3c为牵引力一速度示意图；图3d为电机输出机 械功率一速度不意图。
[0019] 图4是磁浮列车用直线感应电机传统制动特性示意图；其中图4a为线电流一速度 示意图；图4b为线电压一速度示意图；图4c为电制动力一速度示意图；图4d为电机输出 机械功率一速度不意图。
[0020] 图5是本发明在具体应用实例1中电机接线方式I的原理示意图。
[0021] 图6是本发明在具体应用实例1中电机接线方式II的原理示意图。
[0022] 图7是采用本发明后直线感应电机牵引特性示意图；其中图7a为线电流一速度示 意图；图7b为线电压一速度示意图；图7c为牵引力一速度示意图；图7d为电机输出机械 功率一速度不意图。
[0023] 图8是本发明中采用的电机电流滞环切换技术的原理示意图。
[0024] 图9是本发明在具体应用实例2中电机接线方式I的原理示意图。
[0025] 图10是本发明在具体应用实例2中电机接线方式II的原理示意图。
[0026] 图例说明：
[0027] 1、牵引逆变器；2、电缆连接线箱；3、连接线换接机构；4、电流检测传感器；5、车辆 牵引制动指令。
[0028] 参数符号说明：
[0029] L :接线方式I下电机最大线电流 L :牵引逆变器最大输出供电电流
[0030] 12 :接线方式II下电机最大线电流 λ 1_ :电机电流切换公差
[0031] % :为接线方式I下电机恒力与恒功拐点速度
[0032] Vi :为接线方式I与接线方式II切换速度
[0033] V2 :为接线方式II下电机恒力与恒功拐点速度
[0034] rs:电机定子绕组电阻
[0035] Rsl :四转向架下逆变器定子绕组电阻控制参数
[0036] Rs2 :五转向架下逆变器定子绕组电阻控制参数
【具体实施方式】
[0037] 以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0038] 基于电机调速的原理，当采用恒转差频率控制方式时，根据列车运行速度，在限压 限流条件下，磁浮列车牵引用直线感应电机分为"恒力"和"恒功"两个工作阶段。在恒力阶 段，电机电流维持恒定最大值不变，电机供电电压随着运行速度的增加而提高，电机牵引力 基本维持不变，而电机输出功率随着速度的增加而增加。当电机电压达到牵引逆变器1能 达到的输出最高电压时，进入恒功阶段；该阶段电机供电电压不再变化，电机电流将随着运 行速度的增加而降低，随之电机牵引力也随着速度增加而不断降低，电机输出功率随着速 度的增加也同时降低。
[0039] 电机的输出机械功率为：
[0040] P = FV
[0041] 其中F为牵引力，V为列车运行速度。
[0042] 如图3(图3a?图3d)所示为磁浮列车用直线感应电机在车辆牵引过程中的传统 工作特性曲线，如图4(图4a?图4d)所示为磁浮列车用直线感应电机在车辆制动过程中 的传统工作特性曲线。由图3和4可见，电机的最大输出功率出现在"恒力"和"恒功"两 个阶段的拐点位置；在其它运行速度时，电机输出功率均小于其最大功率。由于工程实际实 现时，为电机提供供电电源的牵引逆变器1和地面变电站设备必须根据电机最大功率来进 行容量设计，这样在大多数列车运行速度下，牵引逆变器1和地面变电站设备处于一个负 荷不足的工作状态，直接导致了供电资源的浪费和建设成本的增加。
[0043] 如图1和图2所示，本发明的一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，该方 法为：通过电流检测传感器4实时检测直线感应电机的电流，接收车辆牵引制动指令5 ;在 进行牵引时，当列车从静止开始牵引加速时，若干台直线感应电机采用接线方式I进行接 线，直线感应电机电流维持为Id，为接线方式I下电机最大线电流；当直线感应电机线电 压达到最高而不再上升，直线感应电机电流下降至1 2时进入切换时刻点，12为接线方式II 下电机最大线电流。切换至接线方式II后，在重新达到牵引逆变器1最高输出电压以前， 维持电流为12，直线感应电机重新进入恒力工作阶段。在进行制动时，过程与上述相同。在 上述过程中，所述接线方式I为将若干个直线感应电机分成两组，通过接线令牵引逆变器1 对两组直线感应电机进行供电；所述接线方式II为将若干个直线感应电机每两个分成一 组，通过接线令牵引逆变器1对多组直线感应电机进行供电。
[0044] 在较佳的实施例中，为了消除列车运行过程中，在切换电流点12附近可能出现的 来回切换，在切换时采用滞环切换方法（如图8所示），即选择合适的电流公差△ Imax，当列 车运行速度增加时，直线感应电机电流随之下降，当电流下降至Ι2-ΛΙ_时切换为接线方 式II。
[0045] 在较佳的实施例中，在进行接线方式切换时，可以进一步同时在软件上自动相应 修改牵引逆变器1的电机控制参数。
[0046] 在较佳的实施例中，在进行接线方式切换时，是利用一连接线换接机构3进行电 缆换接，即利用连接线换接机构3即可完成切换电机的连接方式。
[0047] 在较佳的实施例中，对于列车从高速开始下降的电制动过程，其切换方法与上述 方法类似，只是随着制动时间增长，列车运行速度减小，直线感应电机电流相应增加，当电 流增加至Ι 2+Λ Imax时进行切换。
[0048] 具体应用实例1 :以四转向架磁浮列车为例，四转向架磁浮列车每节车配置一台 牵引逆变器1和八台直线感应电机，由一台牵引逆变器1同时向直线感应电机Ml?M8供 电。传统上，八台直线感应电机采用如图5所示的接线方式I，即通过电缆连接线箱2分别 连接两组直线感应电机，每组直线感应电机均为四个。在DC1500V供电下，每台直线感应电 机上的供电交流线电压最高265V。
[0049] 采用本发明提出的第二种分组方式后，如图6所示，为连接方式II，即将直线感应 电机Ml?M8分成四组，其中M1-M2、M3-M4、M5-M6、M7-M8分别划为一组，并在组M1-M2与 组M3-M4、组M5-M6与组M7-M8之间设置连接线换接机构3。当列车运行速度较低时，采用 上述连接方式1(如图5);而当列车速度较高时，切换为连接方式II (如图6所示）。这样， 采用准SPWM调制，在同样的逆变器最大输出电压情况下，单台直线感应电机最高供电端电 压提高至530. 4V。
[0050] 由上可知，在牵引逆变器1容量（最大输出电流、最高输出电压）不变情况下，采 用本发明后，得到的直线感应电机牵引下的基本工作特性如图7所示。由图7可见，在车辆 运行由低至高的全速度范围，电机输出功率出现了两个峰值点；从而在全速度范围，电机平 均输出功率增大，电机牵引力增加，从而相应的车辆牵引能力得到提升，牵引逆变器1的装 机容量和直线感应电机自身牵引能力得到更好的发挥。
[0051] 作为上述实例1，对于四转向架的磁浮列车，为实现本发明，在工程实际中采用以 下方法。该方法通过电机的电流检测传感器4,采用电流滞环切换技术（如图8所示），进 行电缆连接方式的切换；其具体步骤为：
[0052] (1)根据直线感应电机的设计参数，选择合适的电机电缆接线切换时电机电流；
[0053] 电机电流切换条件按下面方式选择：假定单台直线感应电机设计时允许最大线电 流为1〇,在接线方式I时，牵引逆变器1的最大输出供电电流为Ii = 2、；这样在切换为接 线方式II时，牵引逆变器1能提供给单台直线感应电机的最大供电线电流为12 = 1〇/2。故 此，在接线方式I时，当单台直线感应电机的供电线电流下降至12时，将电机电缆连接切换 为接线方式Π ，这里12即为电机电缆接线切换时的理想电机电流值点。
[0054] (2)当列车从静止开始牵引加速时，首先采用接线方式I，直线感应电机供电线电 压逐步升高，直线感应电机电流维持最大供电线电流1〇。当列车速度进一步增加时，直线感 应电机线电压达到最高而不再上升，而直线感应电机电流将逐步降低，当直线感应电机电 流下降至1 2时，进入切换的理论最佳时刻点。
[0055] (3)实际具体实现时，为了消除列车运行过程中，在切换电流点12附近可能出现的 来回切换，在切换时采用滞环切换方法（如图8所示），即选择合适的电流公差△ Imax，当列 车运行速度增加时，直线感应电机电流随之下降，当电流下降至ι2-λι_时切换为接线方 式II。
[0056] (4)当直线感应电机电流达到设定的切换电流时，进行接线切换；同时在软件上 自动相应修改牵引逆变器1的电机控制参数。以电机定子绕组电阻为例，牵引逆变器1的 电机控制参数设置方法如下：假定单台直线感应电机的定子绕组电阻为r s，则采用接线方 式I时，牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数为Rsl = 2rs ;当切换为接线方式II后， 牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数相应改变为Rsl = 〇. 5rs。
[0057] (5)切换为接线方式II后，可提供的单台直线感应电机最高线电压增加。在重新 达到牵引逆变器1最高输出电压以前，维持直线感应电机最大电流1 2，直线感应电机重新进 入恒力工作阶段。
[0058] (6)接线切换后，当直线感应电机端电压重新达到新的最高电压时，列车速度再增 力口，直线感应电机的电流再次降低，直线感应电机将再次进入恒功工作阶段。该阶段，维持 直线感应电机新的最高端电压不变。
[0059] (7)对于列车从高速开始下降的电制动过程，其切换方法与上述步骤⑴?（6)类 似，只是随着制动时间增长，列车运行速度减小，直线感应电机电流相应增加，当电流增加 至ι 2+δι_时进行切换。
[0060] 具体应用实例2 :以五转向架磁浮列车为例，每辆车配置一台牵引逆变器1和十台 直线感应电机，由一台牵引逆变器1同时向直线感应电机Ml?Μ10供电。传统上，十台电 机采用如图9所示的接线方式I。在DC1500V供电下，采用准SPWM调制，每台直线感应电机 上的供电交流线电压最高212. IV。
[0061] 采用本发明提出的接线方式II，将直线感应电机Ml?M10分成五组，其中M1-M2、 M3-M4、M5-M10、M9-M8、M7-M6 分别划为一组，并在组 M1-M2、M3-M4、M5-M10、M9-M8、M7-M6 之 间设置连接线换接机构3。当列车运行速度较低时，采用连接方式1(如图9所示）；而当列 车速度较高时，切换为本发明提出的连接方式II (如图10所示）。这样，在同样的牵引逆变 器1最大输出电压、准SPWM调制下，单台直线感应电机的最高供电端电压提高至530V。
[0062] 作为具体应用实例2,对于五转向架磁浮列车而言，其实施方法与四转向架磁浮列 车类似，只是切换前后，牵引逆变器1的电机控制参数设置略有不同，具体为：
[0063] 如假定单台直线感应电机的定子绕组电阻为&，则采用接线方式I (如图9)时，牵 引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数为Rs2 = 2. 5rs ;当切换为接线方式II (如图10) 后，牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参数应相应改变为Rs2 = 〇. 4rs。
[0064] 依据本发明的基本原理和思路，对于其他数量的转向架而言，也可以依例进行推 理得到，因此，其均应属于本发明的保护范围。
[0065] 以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例， 凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本【技术领域】的 普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护 范围。
【权利要求】
1. 一种磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征在于，在进行牵引时，当列车 从静止开始牵引加速时，若干台直线感应电机采用接线方式I进行接线，直线感应电机电 流维持为1〇, 1〇为接线方式I下电机最大线电流；当直线感应电机线电压达到最高而不再上 升，直线感应电机电流下降至12时进入切换时刻点，1 2为接线方式II下电机最大线电流； 切换至接线方式II后，在重新达到牵引逆变器最高输出电压以前，维持电流为1 2，直线感应 电机重新进入恒力工作阶段；在进行制动时，过程与上述相同；在上述过程中，所述接线方 式I为将若干个直线感应电机分成两组，通过接线令牵引逆变器对两组直线感应电机进行 供电；所述接线方式II为将若干个直线感应电机每两个分成一组，通过接线令牵引逆变器 对多组直线感应电机进行供电。
2. 根据权利要求1所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征在于，在 上述过程中，通过电流检测传感器实时检测直线感应电机的电流，接收车辆牵引制动指令。
3. 根据权利要求1所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征在于，在 进行接线方式切换时，采用滞环切换方法，即选择合适的电流公差△ ，当列车运行速度 增加时，直线感应电机电流随之下降，当电流下降至Ι2-Λ 1_时切换为接线方式II。
4. 根据权利要求1或2或3所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征 在于，在对四转向架磁浮列车进行接线方式切换时，修改牵引逆变器的电机控制参数；当单 台直线感应电机的定子绕组电阻为r s，采用接线方式I时，牵引逆变器的电机定子绕组电阻 控制参数为Rsl = 2rs ;当切换为接线方式II后，牵引逆变器1的电机定子绕组电阻控制参 数相应改变为Rsl = 〇· 5rs。
5. 根据权利要求1或2或3所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征 在于，在对五转向架磁浮列车进行接线方式切换时，修改牵引逆变器的电机控制参数；当单 台直线感应电机的定子绕组电阻为r s，则采用接线方式I时，牵引逆变器的电机定子绕组电 阻控制参数为Rs2 = 2. 5rs ;当切换为接线方式II后，牵引逆变器的电机定子绕组电阻控制 参数应相应改变为Rs2 = 〇. 4rs。
6. 根据权利要求1或2或3所述的磁浮列车用直线感应电机牵引力提升方法，其特征 在于，在进行控制时，根据直线感应电机的设计参数，选择合适的电机电缆接线切换时电机 电流；当单台直线感应电机设计时允许最大线电流为1〇,在接线方式I时，牵引逆变器的最 大输出供电电流为Ii = 2、；这样在切换为接线方式II时，牵引逆变器能提供给单台直线 感应电机的最大供电线电流为I2 = Ic/2 ;故在接线方式I时，当单台直线感应电机的供电 线电流下降至12时，将电机电缆连接切换为接线方式II。
【文档编号】B60L13/03GK104118333SQ201410352745
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月23日 优先权日:2014年7月23日
【发明者】刘少克, 刘思恺, 吴峻, 胡助理, 曾欣欣 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学