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    北京交通大學呂剛團隊:直線感應牽引電機的分段式等效電路與特性

    2020-07-30 點擊次數:

    團隊介紹

    北京交通大學直線電機與控制研究室隸屬電力牽引教育部工程研究中心,團隊結合國家重大需求和學科前沿,長期從事軌道交通直線電機與磁懸浮技術領域的研究,已形成軌道交通直線電機及其驅動系統、高速磁浮系統新型電磁牽引與懸浮導向技術、車載無接觸直線諧波發電機、車輛客室電磁屏蔽與監測、高速列車牽引電機設計與分析等多個特色鮮明的研究方向。

    呂剛,教授,博士生導師,IET Fellow。研究方向為軌道交通直線電機與磁懸浮技術。擔任世界交通運輸大會軌道交通學部牽引傳動委員會主席,IEEE PES電動汽車驅動技術委員會常務理事,中國電工技術學會直線電機專委會委員、中國工業節能協會綠色電機系統專委會委員等。曾在英國劍橋大學和謝菲爾德大學從事合作研究。

    主持國家重大科技成果轉化項目、國家自然科學基金、中車集團重點項目等,為國內軌道交通多個“首條”城軌線路和國家高鐵名片-CRH380A系列提供電磁牽引技術。 

    已發表學術論文70余篇,其中IEEE Tans.和IET Proc. SCI論文30余篇,EI論文40余篇。第一發明人國家發明專利20余件,軟件著作權1件,制定標準1部,出版專著4部。

    直線電機輪軌車輛具有轉彎半徑小、爬坡能力強、建設成本低等優點,在城市軌道交通中被廣泛運用。本文針對直線感應電機次級斷續的工況,基于電磁場理論提出分段式等效電路模型,并分析了電機的運行特性。

    研究背景 

    直線感應電機作為軌道交通車輛的牽引電機時,初級安裝在轉向架上,次級沿著軌道鋪設。然而在轉彎、道岔和列車進出庫路段,次級感應板無法連續鋪設,會出現次級斷續的工況。

    圖1 次級感應板不連續路段

    直線感應電機初級電流、推力和法向力會產生劇烈波動,容易造成牽引傳動單元的功率開關管短路和輪對的不規則磨損,對列車的安全穩定運行造成了極大的挑戰。 

    論文方法及創新點 

    圖2 電機的一維分析模型

    建立軌道交通用單邊長次級直線感應電機的一維分析模型,考慮初級半填充槽將初、次級間的氣隙劃分為5個區域。根據電機的理想化分析模型,列寫麥克斯韋方程可求解次級渦流、推力密度、次級損耗等物理量。

    圖3 感應渦流和推力密度的分布

    充分考慮初級半填充槽和初級出口端外側次級感應渦流的影響,根據初級半填充槽、全填充槽和出口端渦流計算區域與次級板1、2的耦合情況,將初級通過次級斷續區域的過程分成9個階段,如圖4所示。

    次級斷續時僅考慮初、次級耦合區域和出口端外側積分區域,斷續區域的氣隙磁密和無功功率密度通過修正初級漏感來考慮,忽略初級入口端外側的部分,對各個階段求解時積分區間進行修正。

    圖4 次級斷續工況的9個階段

    直線感應電機的氣隙較大、氣隙磁密較小,可忽略初級鐵心損耗,并且次級漏感可看作為0,提出次級斷續時的分段式等效電路,如圖5所示。該電路初級支路參數不變,次級支路和勵磁支路參數動態變化,與初、次級耦合情況有關。

    圖5 次級斷續時的分段式等效電路
    圖6 直線感應電機實驗臺

    為了驗證分段式等效電路和一維電磁場解析方法的正確性,利用圖6所示的直線感應電機實驗臺,測量初級通過次級斷續區域過程中的推力和效率變化,與計算結果的對比如圖7所示。可以看出計算結果與實驗結果趨勢很接近,推力和效率的平均誤差較小,計算結果是比較精確的,并且能細致地刻畫運動過程中電機特性的實時變化情況。

    圖7 推力和效率的變化曲線

    結論

    本文提出了次級斷續工況下直線感應電機的分段式等效電路模型和并分析了電機的運行特性。結果表明,初級通過斷續次級區域時推力、效率、等效電路次級和勵磁支路參數均會先減少后增加,與非耦合區域面積負相關。

    推力和效率計算結果與實驗測量結果非常接近、變化趨勢相同,準確細致地刻畫了電機電磁特性的變化情況。次級斷續時電機的運行性能會惡化,且缺失區域越長惡化越明顯。

    本文提出的分段式等效電路,準確描述了初級通過次級斷續區域的暫態過程,為實現次級斷續工況下消除初級電流、推力和法向力突變的高性能控制打下基礎。

    引用本文

    呂剛, 羅志昆, 曾迪暉, 周桐. 次級斷續時直線感應牽引電機的分段式等效電路與特性分析[J]. 電工技術學報, 2021, 36(5): 944-953. L Gang, Luo Zhikun, Zeng Dihui, Zhou Tong. A Piecewise Equivalent Circuit and Characteristic Analysis of Linear Induction Traction Motor when the Secondary is Discontinuous. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 944-953.

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