交通驱动用单边直线感应电机稳动态特性等效电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种交通驱动用单边直线感应电机单相稳态分析等效电路及方法。本发明基于电机一维模型，建立气隙磁通密度方程，结合初级电流和边界条件，求解气隙和导板中各场量及复功率，进而利用场路复量功率相等原理，推导次级电阻和励磁电抗，从而建立单相等效电路，其采用五个校正参数分别校正纵向边端效应、横向边缘效应和半填充槽对次级电阻和互感的影响。基于功率守恒坐标变换原理，本发明进一步构建得到两相动态等效电路。本发明采用校正系数，有效修正直线感应电机纵向边端效应、横向边缘效应、半填充槽和气隙磁路饱和对电机互感、次级电阻、气隙等效磁势和等效气隙长度的影响，更准确地表征了直线感应电机的稳态和动态驱动特性，极大简化了直线感应电机的稳态和动态特性分析难度。
【专利说明】交通驱动用单边直线感应电机稳动态特性等效电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及直线感应电机电磁场分析【技术领域】，特别涉及一种用于交通驱动系统中的单边直线感应电机的单相稳态和两相动态等效电路及分析方法。
【背景技术】
[0002]目前城市交通牵引系统(如地铁和轻轨)多采用旋转感应电机(Rotary InductionMachine,简称RM)，它需齿轮箱等中间转换装置把旋转运动转化为直线运动，靠轮轨间黏着特性来传递牵引力。直线感应电机(Linear Induction Machine,简称LIM)牵引列车不需要转换装置，靠初次级的水平电磁推力直接牵引，不受黏着力的影响，它具有加减速度快，爬坡能力强，散热条件好，转弯半径小，选线灵活等优点。近年来，LIM牵引系统在大中型城市轨道交通领域广受关注，通常采用单边型短初级长次级的结构，具有很大的发展潜力。
[0003]但是，作为驱动系统的心脏，交通牵引LIM因为受初级磁路两端开断、初次级横向宽度不一致、次级涡流的因素影响，具有三相磁路非对称(端部半填充槽影响)、纵向边端效应(次级导体板感应涡流，导致电机互感随速度、滑差等因素而变化)、横向边缘效应(次级电阻导电率受电机滑差和初次级宽度不等等结构参数的影响)等缺点，给LIM的稳态和动态电磁和控制特性研究带来了很大的困难。因此，十分有必要深入研究如何建立合理的等效电路模型，以分析电机参数与电机力矩、功率因数、效率之间的制约关系，准确研究LIM在一定工况下的稳态特性和不同工况下的动态特性，进而对LIM进行合理的电磁优化设计，不断提高LIM的稳态和动态驱动性能。
[0004]当前LIM等效模型和驱动特性分析方法，主要包括电磁场计算法(场)和等值电路法(路)。电磁场计算法包括解析法和有限元法，它们从电磁场分布出发，综合考虑LIM的结构特殊性和非线性饱和等因素，对电机特性进行细致分析。然而，牵引LIM因涡流反应、宽速度范围和较长行程等特点，需要很大的网格剖分区域，或需采用特殊动态网格剖分技术，其电磁场计算耗时很大，数据处理十分繁琐。在不同工况下，边界条件设定和网格剖分均有讲究；若设置不合理，很难得到合理解(J.F.Gieras, Linear InductionDrives, Oxford: Clarendo n press, 1994.)。等值电路法，一般基于LIM的稳态模型,暂不考虑LIM特殊结构，首先沿用RIM的分析方法，选取一对极为求解区域，把绕组等效成正弦电流层，计算出理想化的电机模型；然后对LIM的特殊性质逐一进行校正。等效电路的建模思路清晰，简单易行，当前有3种模型得到广泛使用，其优缺点如下:
[0005](l)f(q)模型:仅考虑LIM纵向边端效应，假设次级导体板涡流从初级入端到出端呈指数衰减，采用f(q)函数(仅与初级长度和电机运行速度相关)校正电机互感的变化(J.Duncan, “Linear induction motor-equivalent-circuit model, ^Proc.1nst.Elect.Eng., vol.130, n0.1, pt.B, pp.51-57，Jan.1983.)。该模型可快速分析 LIM 稳态和动态特性，但因考虑因数太少，理论分析结果与实际值存在较大误差，同时不能用于电磁设计。
[0006](2)Pole-by-Pole模型:从LIM初级绕组分布入手，计算出气隙磁通密度表达式，进一步利用场量关系求解出互感、次级电阻等参数，建立起每对极下的LIM等效数学模型(C.A.Lu, A New Coupled-Circuit Model of A Linear Induction Motor andIts Application to Steady-State, Transient, Dynamic and Control Studies(PhDThesis), Canada:Queen University, 1993.)。该模型能同时分析电机稳态和动态驱动特性，也能用于电磁设计中，但缺点是计算精度受电机极数的影响较大，难以得到广泛应用。
【发明内容】
[0007]本发明的技术目的在于提供一种单边LIM单相稳态分析等效电路、两相动态分析等效电路及方法，采用相关校正系数，有效修正LIM纵向边端效应、横向边缘效应、半填充槽和气隙磁路饱和对电机互感、次级电阻、气隙等效磁势和等效气隙长度的影响，更准确地表征了 LIM稳动态特性，极大简化了 LIM稳动态特性分析难度。
[0008]一种交通驱动用单边直线感应电机单相稳态分析等效电路，包括单相第一支路、单相第二支路和单相第三支路，单相第二支路和单相第三支路并联后再与单相第一支路串联形成回路；
[0009]单相第一支路由电机初级单相电阻Rs和初级单相漏感Lls串联而成，单相第二支路由电机次级单相漏感Llr和次级单相校正电阻瓦串联而成，单相第三支路由电机初级单
相等效铁损电阻RFe和单相校正励磁电感串联而成；
[0010]所述次级单相校正电阻見的阻值为，所述单相校正励磁电感Zml的
电感值为Atll=KC人i，其中，Rr为电机次级单相等效电阻，S为电机滑差，Lml为电机单相
励磁电感，Cr为次级电阻横向边缘效应校正系数，Kr为励磁电抗横向边缘效应校正系数，Cx为次级电阻纵向边端效应校正系数，Kx为励磁电抗纵向边端效应校正系数；
[0011]所述电机次级单相等效电阻Rr由电机次级的导体板电阻R2stert和背铁电阻R2Badt并联而成；
[0012]所述励磁电抗的横向边缘效应校正系数I
【权利要求】
1.一种交通驱动用单边直线感应电机单相稳态分析等效电路，其特征在于，包括单相第一支路、单相第二支路和单相第三支路，单相第二支路和单相第三支路并联后再与单相第一支路串联形成回路； 单相第一支路由电机初级单相电阻Rs和初级单相漏感Lls串联而成，单相第二支路由电机次级单相漏感Llr和次级单相校正电阻瓦串联而成，单相第三支路由电机初级单相等效铁损电阻RFe和单相校正励磁电感Am1串联而成； 所述次级单相校正电阻足的阻值为
2.如权利要求1所述的单相稳态分析等效电路，其特征在于，采用磁密饱和系数Kli对交通驱动用单边直线感应电机的电磁等效气隙进行校正，即所述等效电磁气隙=KliKs (gm+d)，Ks为气隙系数，Kli为磁密饱和系数，gm为机械气隙长度，d为次级导体板厚度。
3.如权利要求1或2所述的单相稳态分析等效电路，其特征在于，考虑初级端部半填充槽对电机气隙等效磁动势产生削弱，对电机实际极数P进行校正，其校正结果表示为
4.交通驱动用单边直线感应电机两相动态分析等效电路，其特征在于，包括d轴等效电路和q轴等效电路； 所述d轴等效电路包括d轴第一支路、d轴第二支路和d轴第三支路，d轴第二支路与d轴第三支路并联后再与d轴第一支路串联形成回路；所述其d轴第一支路由电机初级单相电阻Rs、初级q轴感应电势Udl的负极、初级q轴感应电势Udl的正极和初级单相漏感Lls依次串联而成；所述d轴第二支路由电机次级单相漏感Ly次级q轴滑差感应电势Ud2的正极、次级q轴滑差感应电势Ud2的负极和次级两相校正电阻足2依次串联而成；d轴第三支路由电机两相校正励磁电感--2构成； 所述q轴等效电路包括q轴第一支路、Q轴第二支路和q轴第三支路，q轴第二支路与q轴第三支路并联后再与q轴第一支路串联形成回路；所述q轴第一支路由电机初级单相电阻Rs、初级d轴感应电势Uql的正极、初级d轴感应电势Uqi的负极和初级单相漏感Lls依次串联而成；q轴第二支路由电机次级单相漏感Ly次级d轴滑差感应电势Uq2的负极、次级d轴滑差感应电势Uq2的正极和次级两相校正电阻見2串联而成；q轴第三支路由电机两相校正励磁电感^m2构成； 所述次级两相校正电阻尾2的阻值为々,2所述两相校正励磁电感Zm2的电感值力?,,ρ =KxCxLm，其中，Lni为电机两相励磁电感，&为电机次级单相等效电阻；(；为次级电阻横向边缘效应校正系数，Kr为励磁电抗横向边缘效应校正系数，Cx为次级电阻纵向边端效应校正系数，Kx为励磁电抗纵向边端效应校正系数； 所述电机次级单相等效电阻Rr由电机次级的导体板电阻R2shrat和背铁电阻R2Badt并联而成；....sG Df + Dl 所述励磁电抗的横向边缘效应校正系数f = L 2 ~
/jr^+isG)- M 所述励磁电抗的纵向边端效应校正系m = pT^l{sCjy- D'd0 ,.vcy{Rc2rn+im:rnl 所述次级电阻横向边缘效应校正系数c; =———
MT]
{Rc:rn +Im2FnI 所述次级电阻纵向边端效应校正系数C、———
lm[r] 式中，
D1 = pr COS^' - N1 [a, e sin(c>' -/? + S, pv)
+ St e pr '/: cos(^s — f] + S丨[n) - Oti 1 sin(t>' - f3)~ Si cos(么-P)\
D、- pr sin - Ni [-a, 'e pr" cos(^ - P + S1 pr)
+ S丨 e pr u sm(Ss - P -v St pz) + ax 1 cos(Ss - /?) — S丨 sin(^' - P)\ S为电机滑差，G为品质因数，p为初级实际极数，T为电机每极长度；
, I/ 1、C =k~— 《 = Lan (i) ，L— L ，T^k=Wx,F = 揮(4'0'g' !肌V Utl为空气磁导率，％为次级导体的表面 & V2，电导率，V2为电机运动速度沿电机运行方向的分量，为等效电磁气隙，\为初
N -_aX7ire___Tge级电角速度，+(Tra1)2，Ml =(a~1)2 +Si ^ 1 geX-ju0aev2，x = ^R^^^)2+] t) =tan ,(丄)f |乒)V2， ' \s G ,^ ； T = j ^+d-Rl-^-^nha.a j 为复数的虚部符号，
CtxCC1+ js(jU-1 fJJ 义=_I_?2 4 f , (°? S1+ 1 tanh(al?)tanh/c(f,-a,) c2 为次级导体板宽度的一半，Re ge , R '表示实部，Im表示虚部。
5.如权利要求4所述的两相动态分析等效电路，其特征在于，采用磁密饱和系数Kli对交通驱动用单边直线感应电机的电磁等效气隙进行校正，即所述等效电磁气隙=KuK5 (gm+d)，Ks为气隙系数，Kli为磁密饱和系数，gm为机械气隙长度，d为次级导体板厚度。
6.如权利要求4或5所述的两相动态分析等效电路，其特征在于，所述考虑初级端部半填充槽对电机气隙等效磁动势产生削弱，对电机实际极数P进行校正，其校正结果表示为
7.交通驱动用单边直线感应电机单相稳态特性分析方法，其特征在于，将权利要求1~3任意一项所述等效电路用于交通驱动用单边直线感应电机单相稳态特性分析。
8.交通驱动用单边直线感应电机两相动态特性分析方法，其特征在于，将权利要求4~6任意一项所述等效电路用于交通驱动用单边直线感应电机两相动态特性分析。
【文档编号】H02P25/06GK103647496SQ201310651427
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】徐伟, 曲荣海, 李大伟 申请人:华中科技大学