第四章中低速磁浮車的牽引控制系統(tǒng)

1、第四章中低速磁浮車的牽引控制系統(tǒng),第1節(jié) 磁浮列車與直線電機(jī),上海磁浮車（德國TR08）,磁浮車是一種新的交通工具，研究的重點(diǎn),HSST 磁浮車（日本）,交大MST-1磁浮車,青城山磁浮車,國防科大磁浮車,常導(dǎo)型磁浮列車?yán)秒姶盼?shí)現(xiàn)懸浮,磁浮列車?yán)弥本€電機(jī)實(shí)現(xiàn)牽引、制動(dòng),直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu),直線電機(jī)可看作是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)徑向剖開展平定子—初級(jí)，轉(zhuǎn)子—次級(jí)初級(jí)與次級(jí)長度不相等。,短初級(jí)直線異步電機(jī)（HSST）,長初級(jí)直線異步電

2、機(jī)（西南交大）,第2節(jié) 直線異步電機(jī)（LIM）的控制特性,LIM控制方式取決于其應(yīng)用場合。LIM控制策略與應(yīng)用目標(biāo)相關(guān),由電磁場分析知，LIM的推力是,LIM工作時(shí)除產(chǎn)生推力外還有垂向力。計(jì)算式為,當(dāng)氣隙磁場有x分量時(shí),LIM垂向力還要增加一項(xiàng),這時(shí),LIM的垂向力(也稱為法向力,磁拉力)為,在討論電機(jī)的控制方式時(shí),應(yīng)當(dāng)了解電機(jī)初級(jí)中電流與頻率變化時(shí)電機(jī)推力和垂向力的變化規(guī)律,1 直線異步電機(jī)的等值電路 直線異步電機(jī)也是異步電機(jī)。在

3、低速情況下直線與旋轉(zhuǎn)電機(jī)是相近的,可以用異步電機(jī)的等效電路的方法來分析LIM,在等值電路中，定子邊即初級(jí)；轉(zhuǎn)子邊是次級(jí)。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)直線電機(jī)的推力,電機(jī)在S=1處起動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行速度提高，推力也增大。越過峰值后，速度增高推力下降。從起動(dòng)到峰值點(diǎn)前是不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，峰值點(diǎn)后為穩(wěn)定區(qū),推力-速度曲線,LIM的特點(diǎn)由于終端效應(yīng)的原因，推力為零的點(diǎn)不在同步速對(duì)應(yīng)點(diǎn)當(dāng)電機(jī)次級(jí)運(yùn)行速度超過同步速后，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)在越過峰值前為穩(wěn)定

4、工作區(qū)；越過峰值點(diǎn)后，為不穩(wěn)定區(qū)在相同的初級(jí)電流和頻率下,處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)的制動(dòng)力比處于牽引狀態(tài)時(shí)的牽引力要大,,用等值電路概念時(shí)推力的表達(dá)式,當(dāng)按u/f=C控制時(shí)LIM的推力表達(dá)式,當(dāng)按U/f=C控制時(shí)LIM的推力特性,LIM的推力與初級(jí)電源頻率的關(guān)系假定初級(jí)電壓大小不變，僅僅改變初級(jí)電壓的頻率。由推力計(jì)算式知，推力反比于初級(jí)頻率變化,LIM很大的初級(jí)阻抗削弱了電機(jī)的磁場。隨著頻率升高，初級(jí)電壓也增大，初級(jí)阻抗的影響相應(yīng)減小,當(dāng)按I

5、1=C1，f2=C2控制時(shí)LIM的推力表達(dá)式,當(dāng)按I1=C1，f2=C2控制時(shí)LIM的推力特性,由圖可知，推力為常數(shù)。推力的大小與初級(jí)頻率無關(guān),LIM的推力與初級(jí)電流的關(guān)系假定初級(jí)的頻率不變，只改變初級(jí)電流大小。由推力計(jì)算式知，推力正比于初級(jí)電流的平方,這表明，控制初級(jí)電流可有效地控制推力,實(shí)際LIM按恒電流恒轉(zhuǎn)差頻率控制時(shí)的特性,電機(jī)推力并不嚴(yán)格為常數(shù)。原因是終端效應(yīng)的影響。此外，由于電機(jī)次級(jí)采用反應(yīng)板結(jié)構(gòu)也是一個(gè)原因,當(dāng)初級(jí)電流和

6、頻率恒定時(shí)LIM的垂向力特性,LIM在工作時(shí)除產(chǎn)生切向推力外還產(chǎn)生法向力。從法向力公式知，其大小與磁密有關(guān)。法向力不容忽視，它可以超過推力數(shù)倍或數(shù)十倍,在LIM中，初級(jí)產(chǎn)生的磁場與次級(jí)鐵軛產(chǎn)生吸力；初級(jí)磁場與反應(yīng)板的渦流作用產(chǎn)生斥力；初級(jí)產(chǎn)生的磁場與次級(jí)鐵軛的渦流作用產(chǎn)生斥力,選擇合適的轉(zhuǎn)差頻率值可以使總法向力較小,初級(jí)電流和轉(zhuǎn)差頻率恒定時(shí)LIM的垂向力特性,當(dāng)不考慮終端效應(yīng)等影響時(shí)，電機(jī)的法向力為常數(shù)。轉(zhuǎn)差頻率越大，法向力越小。法向力

7、正比于初級(jí)電流的平方。大體上反比于轉(zhuǎn)差頻率,初級(jí)電流,LIM的推力、法向力與轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系,在確定電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率值時(shí)，應(yīng)當(dāng)在吸力與推力之間折衷。例如選取合適的f2值，使吸力在系統(tǒng)容忍的范圍內(nèi)。,第3節(jié) LIM的電流-轉(zhuǎn)差頻率控制,從上節(jié)分析知，采用電流轉(zhuǎn)差頻率控制方式可有效地控制推力并將電機(jī)的法向力控制在不大的數(shù)值上。所以，磁浮車大多均采用這種控制方式轉(zhuǎn)差頻率的確定是控制的關(guān)鍵從推力速度特性曲線知，若用推力峰值附近的轉(zhuǎn)差頻率值進(jìn)

8、行控制，可以使電機(jī)的推力最大。但要受到如下因素的限制1 垂向力的限制2 受電機(jī)功率因數(shù)-效率乘積的限制。而這個(gè)參數(shù)與變流器的容量、體積與重量相關(guān),3 受到速度檢測信號(hào)精度及控制誤差的限制當(dāng)轉(zhuǎn)差頻率確定后，在一段頻率范圍內(nèi)，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)差頻率恒電流運(yùn)行。當(dāng)初級(jí)頻率超過轉(zhuǎn)折值后，由于電機(jī)的定子電壓不能再增高而電機(jī)阻抗隨定子頻率的增高而增大，定子電流就不可能恒定。由于推力與定子電流的平方成正比，推力將顯著下降。若增大轉(zhuǎn)差頻

9、率，則減小了電機(jī)的輸入阻抗，定子電流可以維持在額定值。這表明在進(jìn)行電流轉(zhuǎn)差頻率控制時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率f2在不同的區(qū)域內(nèi)有不同的變化規(guī)律,電力牽引對(duì)推力-速度特性的要求,在牽引時(shí)，需要在盡量短的時(shí)間內(nèi)將磁浮車由靜止?fàn)顟B(tài)加速到高速狀態(tài)，然后電機(jī)以恒功率運(yùn)行,逆變器控制-電流轉(zhuǎn)差頻率控制方式,系統(tǒng)由頻率控制、電流控制二個(gè)部分組成推力控制信號(hào)經(jīng)過變換成為電流指令；實(shí)際的電機(jī)電流與指令電流比較，決定是增大還是減小初級(jí)電壓：如果實(shí)際電流小于指令

10、電流則增大初級(jí)電流、反之則減。電機(jī)電流反饋信號(hào)由傳感器檢測，經(jīng)過整流與濾波處理后送到PI調(diào)節(jié)器。頻率控制需要準(zhǔn)確檢測電機(jī)的運(yùn)行速度。速度信號(hào)經(jīng)處理后，送轉(zhuǎn)差頻率函數(shù)發(fā)生單元。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)前轉(zhuǎn)差頻率為常數(shù)；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后轉(zhuǎn)差率為常數(shù)。電機(jī)初級(jí)頻率為速度與轉(zhuǎn)差頻率相加（牽引）或相減（再生）電壓與頻率信號(hào)送逆變器的PWM單元，產(chǎn)生相應(yīng)的控制脈沖,青城山磁浮車LIM控制方式,該系統(tǒng)與上一個(gè)系統(tǒng)是相同的。它也由頻率控制、電流控制二個(gè)部分組成。在低速

11、時(shí)采用恒電流、恒轉(zhuǎn)差控制；當(dāng)逆變器電壓滿開放，電壓不能再升高時(shí)，采用恒轉(zhuǎn)差率控制。電機(jī)牽引時(shí)轉(zhuǎn)差頻率發(fā)生器的輸出信號(hào)為正；再生時(shí)為負(fù)。頻率控制的規(guī)則是：牽引時(shí)電機(jī)初級(jí)頻率為速度與轉(zhuǎn)差頻率相加，再生時(shí)為相減主要的功能單元是： PWM單元：產(chǎn)生電壓與頻率均可調(diào)的脈沖信號(hào)電流調(diào)節(jié)器：在轉(zhuǎn)折速度前，保持初級(jí)電流恒定速度檢測：電流轉(zhuǎn)差控制的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)差頻率函數(shù)發(fā)生器：牽引時(shí)為正值，再生為負(fù),青城山磁浮車LIM控制方式試驗(yàn)結(jié)果,F2=5Hz

12、時(shí)法向力隨次級(jí)速度的變化曲線,青城山磁浮車LIM控制方式試驗(yàn)結(jié)果,F2=15Hz時(shí)推力隨次級(jí)速度的變化曲線,,青城山磁浮車LIM控制方式試驗(yàn)結(jié)果,I1=60AF1=25Hz時(shí)推力實(shí)測值與理論計(jì)算值的比較,1 恒電流-恒滑差頻率控制方式能夠保證直線感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生恒定推力的同時(shí)使電機(jī)的法向力被控制在預(yù)定的范圍內(nèi)2 電機(jī)產(chǎn)生的推力和垂向力與定子電流的平方成正比；而二者的大小還與滑差頻率的取值有關(guān)3 系統(tǒng)存在一個(gè)最優(yōu)的滑差頻率值。當(dāng)在該值上運(yùn)