直线电机轨道交通牵引系统研究与试验探讨

陶伟平 马洪岗

摘  要：直线电机轨道交通具备建设成本低、受环境影响小、爬坡能力强等优点，近年来该交通形式在我国各城市的应用日渐广泛，相关研究也随之大量涌现。牵引变流器、牵引直线电机均属于直线电机轨道交通牵引系统的核心构成，二者与牵引控制难度较大、大功率直线感应电机电磁计算困难等难题联系紧密。基于此，本文将简单分析直线电机轨道交通牵引系统，并围绕直线电机轨道交通牵引系统运行试验结果进行深入探讨，希望研究内容能够给相关从业人员以启发。

关键词：直线电机  轨道交通牵引系统  牵引直线电机  牵引变流器

中图分类号：U264.1+4                       文献标识码：A                 文章编号：1674-098X（2020）07（b）-0067-03

Abstract： Linear motor rail transit has the advantages of low construction cost， little environmental impact and strong climbing ability. In recent years， this type of traffic has been widely used in various cities in our country， and a large number of related studies have emerged. Traction converter and traction linear motor are the core components of the traction system of linear motor rail transit. They are closely related to the difficulties of traction control and electromagnetic calculation of high-power linear induction motor. Based on this， this paper will simply analyze the traction system of linear motor rail transit， and conduct in-depth discussion around the operation test results of the traction system of linear motor rail transit， hoping that the research content can inspire relevant practitioners.

Key Words： Linear motor; Traction system of linear motor rail transit; Traction linear motor; Traction converter

直线电机轨道交通牵引系统国产化的受关注程度近年来不断提升，这种国产化需解决牵引控制难度较大等难题，本文研究主要围绕国产化的相关探索展开。

1  直线电机轨道交通牵引系统分析

1.1 牵引直线电机分析

直线电机轨道交通牵引系统采用三相直线感应电动机作为牵引直线电机，采用单边短初级结构形式，由初级及次级构成，在车辆转向架上安装三相直线感应电动机的初级，需将2台直线电机初级悬挂于每台转向架上，同时在轨道上安装次级[1]。采用嵌入槽中三相绕组与带齿槽铁心（高性能硅钢片叠成）构成的三相直线感应电动机初级，转向架上的悬挂基于三点悬挂方式实现，3个悬挂端可将电机所产生的法向力及推力传递给车体[2]。作为强耦合、非线性的时变系统，三相直线感应电动机的次级电阻和励磁电感等重要参数直接受到车辆气隙大小、速度的影响，电机的牵引特性也会同时受到影响。三相直线感应电动机面临着次级反应板集肤效应、电磁气隙大、边端极“半填充槽”、横纵向端部效应等问题，这就使得围绕三相直线感应电动机开展的特性计算和理论分析往往较为困难、复杂[3]，因此需要开展针对性的等效电路修正，由此三相直线感应电动机的集肤效应、初级端部半填充槽、纵向和横向边端效应影响即可通过修正系数反映，如式（1）为每相磁化电抗纵向动态端部效应修正系数，式中的τ、G、pe、C1与C2、s分别为极距、品质因数、等效极对数、过渡变量、滑差率[4]。

基于国产化探索可以发现，在大功率三相直线感应电动机研制完成后，需开展充分的试验测试，以此得出直流母线电压750V时的推力-速度特性，及线电压、电流-速度特性，同时还需要对6.5Hz启动频率时三相直线感应电动机的推力-速度特性进行试验（堵转试验）[5]，对比国产化三相直线感应电动机的技术参数可以发现，550V的额定电压、400A的持续电流、6.5Hz的启动频率、650A的最大电流、200kW的额定功率与堵转试验结果基本吻合，由此可证明国产化三相直线感应电动机电磁设计与电磁计算的有效性[6]。

1.2 牵引变流器分析

直线电机轨道交通的本车的2台直线电机（三相直线感应电动机）供电由每台牵引变流器负责，采用输入电压为750V的牵引变流器，三相可变频变压交流电可由此输出。结合国产化探索可以发现，二电平电压型直-交逆变电路属于国产化牵引变流器常用主电路，包括电流传感器、牵引控制单元和电压、三相逆变功率电路、过压斩波电路、直流电容环节、直流进线环节、辅助设备（风机、电源等）。分析国产化牵引变流器技术参数，其拥有1.3MVA的容量、2×400A的额定输出电流、0～75Hz的输出频率范围、1000Hz的最高开关频率、额定DC750V的输入电压（波动范围为500～900V）。基于国产化牵引变流器主电路原理开展试验可以发现，在其擁有1320A的输出电流有效值时（峰值为1866A），该牵引变流器可实现长时间稳定运行。

1.3 牵引控制策略及其功能特点

结合国产化探索可以发现，高性能磁场定向控制方法在应用中取得了不俗效果，基本控制流程如图1所示。

高性能磁场定向控制方法可实现牵引力与励磁的解耦控制，牵引力输出的稳定也能够通过该方法得到保障。基于边缘效应補偿控制策略和参数在线辨识策略，力矩补偿环节和磁链补偿环节下控制特性受到的边缘效应影响得以消除。为验证控制策略，可设定相同的加速度并基于同样的运行工况开展对比试验，以此对传统的牵引控制策略和本文研究的牵引控制策略进行对比，进口、国产直线电机轨道交通牵引系统在实际应用中的加速时间分别为9.57s、8.82s，最大级位平均加速度分别为0.883m/s2、0.995m/s2，对比控制效果可以发现，相较于传统的牵引控制策略，本文研究的牵引控制策略可实现动态响应的显著提高。

2  运行试验结果

基于本文研究的国产化直线电机轨道交通牵引系统运行试验可以发现，该系统拥有100km/h的最高运行速度，为直观对比该系统与进口系统，在4车编组的1列直线电机车辆上将原有进口系统由国产化系统替代，开展3套进口系统与1套国产化系统混用试验，以此验证国产化系统的替换性。结合试验可以确定，在0～20km加速度对比中，进口、国产直线电机轨道交通牵引系统的平均值分别为0.385m/s2、0.384m/s2，20～0km减速度对比分别为0.370m/s2、0.375m/s2，0～20km加减速度对比则分别为+1.35%、-0.26%。结合0～100km/h最高速度下直线电机轨道交通牵引系统牵引制动全过程试验波形进行分析可以发现，在制动、惰行、牵引、启动运行全过程中，本文研究的国产化直线电机轨道交通牵引系统可保证变流器输出电流、直流电流、直流电压保持稳定，系统的牵引及电制动控制效果由此得到证明。

在相同的工况下，国产化系统拥有与进口设备相当的制动性能、牵引性能，具备全面代替进口系统能力。同时，使用国产系统替换进口系统的车辆在0～100km/h、0～55km/h的平均加速度分别为0.543m/s2、1.02m/s2，满足车辆基本技术条件加速度要求。同时围绕爬坡能力进行试验，在0～10km/h速度范围内，使用国产系统替换进口系统的车辆存在大于0.50m/s2的平均加速，爬坡能力较强。

3  结语

综上所述，为更好推进直线电机轨道交通牵引系统国产化，我国必须进一步提升在新型轨道交通技术领域的自主创新能力，各类新技术、新设备的积极应用也需要得到重点关注。

参考文献

[1] 杨雄，张凤阁，王秀平.轨道交通用初级永磁型直线电机电磁特性分析[J].电气工程学报，2018，13（5）：1-7.

[2] 崔霆锐，宗立明，李熙.直线电机地铁车辆牵引系统国产化应用研究[J].电机与控制应用，2018，45（4）：61-66，89.

[3] 黄书荣，徐伟，胡冬.轨道交通用直线感应电机发展状况综述[J]. 新型工业化，2015（1）.

[4] 胡银全，张浩然，刘杰.城市轨道交通牵引供电及电力技术[J].南方农机，2020，51（8）：203-204.

[5] 钟朱杰，贾洪洋，罗幸明，等.广州地铁L型车直线电机下沉故障原因分析[J].城市轨道交通研究，2020，23（6）：174-176.

[6] 黄学翾.直线电机地铁车辆如何降低制动磨耗[J].城市轨道交通研究，2016，19（5）：112-113.