（电力电子与电力传动专业论文）高速磁浮列车长定子段换步馈电新技术的研究.pdf

j e 塞窑煎盔堂亟监塞旦i 基至 a b s t r a c t a b s t i 认c t ：t h ep 印c r 聊i c w e dt l 忙d 伽e s t i c 锄do v e r s e 笛w a d a y ss t a t eo ft l l e a p p l i c a t i o no fl i i l e 盯m o 雠i i lt l l em a 羽e v 缸n t l l i sp a p e rp m p o s e san e ws t a t o r s c c t i o nc r o s s i n gm c i l l o dt l l a tc a no v 硼m et h ed r a w b a c l 【so ft l l ee 】【i s t e n tt o w s t 印卸d t l l r e e - s t 印m e l l l o d s 璐e dj 1 1s h a i l g i l a im a 酉e vm i l w a ya f i e ra i l a l y z i n g 廿l et o w - s t 印锄d l l l r e e s t 印s e c t i o nc r o s s i n gm e m o d s t h en e wm e t l l o dh 勰n od e s c c i l d i i l go fp r o p e l l i r 喀 f o r c ea n di m e n 髓so fp w mc o m r e n e 培t h em a m e i i l a t i cm o d e l 勰dv e c t o rc o n 旬r o l s 仃a t e g yo ft h ep 锄a n e n tm a g n c t i cl o n gs t a t o rl i n e 盯m a c h i i l e ( p m l s m ) a r ca l s o r e s e a r c h e d 协t l l i sp a p e r t h ee 仃b c t i 、嘲龉so f t l l ep r o p o s c ds e c d o nc r o s s i n gm e t l l o da i l d c t r o la p p m a c ha r cv a l i d a t e db ys i l n u l a t i o nr c s u l t s t b 血1 do u tt l l ew a yo fi m p l 锄c n t a l i o no fm en e ws e c t i o nc m s s i n gm e n l o dm e p a p c r 麟e 疵h e d1 l l ee l e c 们i l i c sc o n 仃o l l e dp c n n 锄e n tm a 弘e t sv u 啪b r e a k 既t 1 1 e e l c c 打o i l i c sc o n n - o ls y s t e mw a sd e s i 印c da n dw ec 越c l o s ea i l d 叩t h e3 p h 嚣ev a c u 哪 b r c a k e ra tt 1 1 ep r e s e tt i m es 印a m t e l y w ba l r c s e a r c 脚m ea p p l i c a t i o no ft l l et 1 1 y r i s t o r s w i t c hi nt l 圮n e ws c c 缸o nc r o 龉i n gm e i l l o d a c c o f d i n gt ot e c t m i c a li l l s m i c t i o no f s h a l l 班a im 硒c vr a i l w a yw e 矗x e dm ea p p r o p r i a c e 删s t o r sa i l df i n do u th o wt o a v e r a t h ev o i t a g e 锄o n gt h et 1 1 y i i s 宅o f si i ls e 五e sa 圭d y n 狮i c 卸ds t e a d ys t a t e a t l l y r i s 屯o rb 罄o da n dd e v e l o p c df | o rt h en e ws e c t i c r o s s i n gm e t l l o d ss w i t c h e ss y s t 锄 w 鹋r e a l i z c d 1 1 1 cn 翩vs e c t i o nc r o s 咖gm e t l l o dh 觞b e 跚a c t i l a l i z e di l lt 1 1 et l l y r i s t o r s ”她m k e y w o r d s ：m a 甜e 、，t m i l l ，l i i l e a rm o t o r ，s e c t i 佣c r o s s 协g ，s e c t i o nc r o s s i n gp o w c r s u 印b p 锄删m a 印e t i c 鼬鹆s 撇l - o p 髓嘶o n 融 1 i l i q u e ，s c r 黜i 妯 c i 。a s s n o ：t m 9 2 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乡长1 簿 签字日期：c 7 7 年嗍“日 导 签字 致谢 本论文的工作是在我的导师郑琼林教授的悉心指导下完成的，郑琼林教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 郑老师对我的关心和指导。 林飞老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向林老师表示衷心的谢意。 游小杰教授、孙湖、郝瑞祥老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝 贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，马志文博士生、刘建强博士生等同学对我论 文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 a e夏窑堡盔堂亟论塞庄 序 本论文所做的研究工作是基于国家8 6 3 计划高速磁浮交通技术重大专项 试验线工程建设与综合集成研究的子课题：高速磁浮列车长定子段换步馈电新技 术的研究。该课题的委托方是国家磁浮交通工程技术研究中心和上海磁浮交通工 程技术研究中心。课题旨在研究长定子换段馈电新方法，提出具有自主知识产权 的一种新型的磁浮牵引供电系统长定子分段馈电方法。作为课题的研究成果，申 请国家发明专利一项：磁浮列车长定子段换步方法，专利号：z l2 0 0 510 0 1 1 8 7 8 6 。 l 绪论 1 1 研究背景 自2 0 0 3 年前后上海全长3 0 公里的高速磁浮示范线通车至2 0 0 6 年5 月2 3 日德 国总理默克尔访华结束乘坐上海磁浮列车，已安全运行超过1 2 0 0 天，载客接近7 0 0 万人次。2 0 0 5 年3 月，日本名古屋全长9 2 公里的中、低速磁浮列车“东部丘陵 线”( t h ee 勰t c r i lh i nl i n c ) 也顺利投入载客运营。可见磁浮列车已经从技术发展 阶段进入实用阶段。0 6 年3 月全长1 7 5 虹l 的沪杭磁浮线获得国务院批准，进入可 研阶段。可以预见磁浮列车将在我国城市和城际快速轨道交通逐步占有一定的位 置。 1 1 1 德国高速磁浮列车技术及其发展 磁浮列车不依靠车轮驱动，采用直接通过电磁力驱动列车的直线电机。1 9 世 纪6 0 年代以来，得益于电力电子技术的进步，采用交流调速技术的直线电机驱动 磁悬浮列车技术得到了长足发展，其中日本的h s s t 中低速磁悬浮列车，m l x 高 速超导磁悬浮列车和德国的t r 黜m p i d 高速常导磁悬浮列车相对成熟。 德国的磁浮列车研究始于1 9 2 2 年赫尔曼肯佩尔提出电磁悬浮原理，历经1 9 7 1 年从采用车轨两侧短定子直线电机驱动的德国第一辆磁浮原理车m b b 试验运行， 1 9 9 1 年经过德国联邦铁道股份公司和主要高校研究所全面的审查和评估，磁悬浮 i 岛速列车完全的技术应用成熟性得到了肯定，到2 0 0 2 年1 2 月3 1 日采用线路侧长 定子直线同步电机驱动的代表t r a n 锄p i d 最新技术的磁悬浮列车在从上海龙阳路 地铁站至浦东国际机场这条世界首条磁悬浮商业运行线路上开始首次正式运行 【1 】。m b b 原理车和上海t r 觚s 瑚p i d 列车分别如图1 1 和图1 2 。 9 图1 1 德国磁悬浮原理车姗b 图1 2 驶入上海龙阳路车站的磁浮列车 硒d 采用了车体环抱轨道的形式。在t 形轨道梁的下侧安装长定子铁芯 和三相线圈，它的正下方是固定在车体悬浮架上的悬浮和牵引电磁铁，在t 形轨 道梁的两侧安装有导向与制动轨，导向与制动轨的外侧是固定在车体悬浮架上的 导向和制动电磁铁。1 h 玎锄p i d 磁浮机构的构成如图1 3 。 1 0 图1 3t r s r a p i d 列车磁浮机构的组成 德国的t r a l l s r 印i d 磁浮列车技术，采用的是长定子直线同步电机。车载的电磁 铁由车载的谐波直线发电机和车载的电池组供电，成为转子。而沿轨道铺设的三 相有铁芯线圈形成定子绕组。在定子绕组里，交流电产生行波磁场，与车载的电 磁铁相互作用，使列车无接触前进，如图1 4 。 图l4t r a i i s r a p i d 的驱动原理 同时，磁浮车的励磁部件( 转子) 还通过与路轨上的定子线圈相互吸引，起 着悬浮电磁铁的作用。而列车导向力则安装在车体悬浮架内侧的导向磁铁来提供。 列车速度可以通过改变定子交流电流的频率和电压进行无级调节。 采用直线同步电机的t r a i l s r a p i d 的8 7 效率相对于采用直线感应电机的日本 h s s t 中低速磁浮列车的6 4 的效率都要高【2 】 3 】，这一方面得易于同步电机双侧 励磁的固有优点，另一方面是得益于长定子直线电机的分段供电。分段供电即轨 道定子被分段，只有列车运行所处的定子段才被供电，这样有利于提高效率。而 如何能够使得列车平稳的跨越行驶在各个定子段之间，就产生了t r 卸s r a p i d 的长定 子段换步馈电技术【4 】。 德国r a p i d 列车的优点在于效率高，采用有铁芯线圈，漏磁少，与地面无 接触运行，噪音低，维护少，运营速度高。而缺点在为了减小激磁功率而采用较 小的气隙，导致控制系统复杂，而起导轨精度要求高，造成较高的造价。 1 1 2 国内和日本的磁浮列车技术 ( 1 ) 札x 超导磁悬浮 日本从2 0 世纪6 0 年代开始研究超导磁浮列车，m l x 系列磁浮列车是日本超 导告诉磁浮技术的代表，用于实用性论证的山梨试验线的建设工程于1 9 9 7 年3 月 完成。m l x 采用的是轨道侧长定子直线同步电机驱动的方式，车体运行在u 轨道 槽内。m l x 超导磁浮列车采用液氮冷却的低温超导线圈励磁。超导磁体布置在转 向架的两侧上。而用于驱动的定子线圈和用于悬浮与导向的8 字形短路线圈则布 置在u 形槽的两侧侧壁上。当轨道槽上的定子线圈三相绕组中通入三相交流电时， 产生沿线路的行波磁场，这个磁场与车体上的超导磁体所产生的磁场相互作用， 产生牵引力。通过改变定子线圈中电流的强度和频率就可以调节车体所收到的牵 引力。由于车上超导磁体与线路侧8 字线圈之间的相对运动，8 字线圈因而感应出 电流和磁场，这个磁场与车体上的超导磁体的磁场相互作用而产生悬浮力和导向 力。这个悬浮力和导向力的大小跟速度有关，车体在运动在1 5 0 虹曲以上时，列 车完全悬浮起来，这是一种电动悬浮的原理，跟t r 孤s r a p i d 和h s s t 的电磁悬浮原 理是有区别的。在1 5 0 k l n ，h 以下时，列车依靠橡胶车轮支撑和导向。 在山梨试验线建成之后，日本研究人员对超导高速磁浮列车一直在进行后续 研究，比如通过改进车体外形的空气动力特性来改善转向架附近的微压波和空气 紊流，以降低车体内噪音和改善舒适度 5 6 。 m l x 型超导磁浮列车运行速度高，可以达到5 0 0 k m h 以上，不需要复杂的悬浮 1 2 立交 通盔堂硒堂焦诠童缝途 和导向控制系统，电机效率高，可以达到9 1 。而缺点在于其路轨上的线圈安装复 杂且造价高，采用无铁芯形式导致漏磁较高，安装有液氮和冷却系统的转向架技 术重量大而且技术复杂。 ( 2 ) 中低速磁浮列车 h s s t ( h i g hs p e e ds u r f a c et r a n s p o r t ) 是日本开发的基于短定予直线感应电 机的中低速磁浮列车，速度可达1 3 0 k m h 左右，代表其最高水平的磁浮列车是 h s s t l o o l 型，国内的磁浮列车研究也多集中在此种类型。 h s s t 列车采用类似t r a n s r a p i d 列车的环抱轨道形式。列车轨道梁两侧为悬空 的倒u 形铁磁性轨道，轨道上铺设了铜质或铝质的反应极板。倒u 形轨道上反应 板的正上方是安装在车体上的直线电机定子，在倒u 形轨道的正下方是固定在车 体上的悬浮导向磁铁。h s s t 的磁浮机构结构图如图1 5 所示。 图1 5h s s t 列车的磁浮机构示意图 h s s t 的车体上的悬浮磁铁通电时就会与铁磁性轨道之间产生引力，使得车体 向上抬起脱离轨道，在悬浮电磁铁上安装有轨道间隙传感器，根据传感器送回的 信号，通过调节电磁铁的励磁电流，可以调整这个引力以保持电磁铁与轨道之间 的间隙稳定在8 m 左右，此时定子与反应板的间隙大约为1 2 姗。 h s s t 的牵引电机是短定子直线电机，电机初级也就是定子，是安装在车体上 的，牵引功率的转换和控制是在车上实现的。磁浮列车通过地面供电系统的供电 轨道和电刷实现接触取电。车体上安装直线电机的定子，其正下方的轨道上安装 有感应板，当定子通过三相电流后产生一个移动的磁场，这个磁场在感应板上的 感应出电流和感生磁场，两个磁场相互作用就产生了推力。 j e塞窑 亟 盔堂亟 堂焦 迨塞 缝 监 h s s t 列车的导向是自动的，不需要导向电磁铁的主动控制，这是由于安装在 车体上的电磁铁铁芯和铁磁性反u 形轨道是正对的，如果两者有一定的错位，两 者间的磁力线就会产生一个反方向的横向力，使得列车回到中心线。 采用这种短定子直线感应电机的优点是轨道结构简单，造价较低，缺点是电 机功率因数和效率都较低，小于o 7 。这是由于列车的定子与反应板间在运行时保 持了1 2 咖左右的间隙，远大于旋转电机定子和转子间不到1 姗的间隙，使得励磁 功耗大，因而导致较低的功率因数。低功率因数意味着牵引功率设备的容量要远 大于电机输出功率，导致设备上的较高的热损和电磁辐射损耗。直线感应电机在 较高速度下效率和功率因数还要更低，而且在高速下机械接触供电会变得困难， 因而限制了它的运行速度。 1 2 长定子直线电机的换步馈电技术简介 为了提高效率，长定子直线同步电机采用分段供电，即轨道定子被分段，只有列 车运行所处的定子段才被供电。而如何能够使得列车平稳的跨越行驶在各个定子段之 闻，就产生了t r a n s r a p i d 的长定子段换步馈电技术。目前国内外已有的定子段换步 方法有短路法、蛙跳法、两步法和三步法等。不同的换步法要求不同数量的牵引变流 设备和馈电电缆的连接形式，在换步过程中对列车牵引力的影响也不相同。目前的长 定子换步方法存在如下问题：1 ) 要么在换步时造成磁浮列车牵引力的损失，要么在 非换步区间造成供电变流器的闲置；2 ) 在定子段换步时，列车跨在两个定子段之间 运行，换出定子段的反电势在减少，换入定子段的反电势在增加。为了保持两个定子 段的电流不变，对牵引逆变器的控制十分复杂。有鉴于此，国外目前积极探索新型磁 浮牵引供电长定子馈电技术。据统计，德国在高速磁浮牵引供电方面注册了3 7 项专 利，有2 4 项涉及长定予馈电方式，其目的一方面是减少因换步而引起的推力损失， 另一方面试图简化供电系统配置，达到降低系统造价，提供牵引效率的目的。 t r a n s r 印i d 的分段供电示意图如图1 6 。 1 4 图1 6t r s r a p i d 的分段供电不意图 现有的换步方法存在着一定缺陷，为此本课题将达到如下研究目的： 1 ) 提出具有自主知识产权的一种新型的磁浮牵引供电系统长定子分段馈电 方法及其实现方案。 2 ) 论证永磁真空开关和电力电子开关在新换段方法中的可行性，并提出换流 技术方案。 本课题取得的成果将为今后的磁浮长大干线牵引供电系统设计提供技术支持。 1 3 本论文研究的主要内容 本课题研究重点是提出一种新型的磁浮列车长定子段换步馈电方法及其实现方 案，为此主要研究内容有如下三方面： 1 ) 提出一种新的、更加经济的长定子换段馈电结构模式 针对上海磁浮线路现有馈电模式中定子换段两步法和三步法的不足，根据牵 引供电的要求，给出了新换段方法的思路，分析了其特点。 2 ) 新型分步馈电结构模式中，换步过程对电机运行的影响 通过理论分析建立了长定子直线电机的数学模型，编制了相应的仿真程序， 研究了换段前后电机电流的变化以及牵引力受到的影响。 3 ) 电子控制永磁真空断路器在新型换步馈电方法中的应用。 4 ) 晶闸管电子开关在新型换步馈电方法中的应用。 通过理论分析和仿真软件研究了晶闸管串联均压电路的设计；研制了晶闸管 的触发、控制电路，完成低压下新型换段方案的原理性实验。 i e 塞窑迪丕望熊主堂僮逾塞二弛堑啦氆星翌到奎定丝基友鎏 2 一种新的磁悬浮列车定子换段方法 2 1 背景技术 高速磁浮列车通常采用长定子直线电机来驱动，沿着轨道铺设的长定子绕组 作为直线电机的初级，列车上装有电励磁或者永磁的次级，相当于传统电机的转 子。轨道旁平行的铺设长馈电电缆，其一端或者两端与牵引变电站相连，馈电电 缆经开关站向长定子供电。为了提高供电效率，用于磁浮列车驱动的长定子直线 电机必须分段供电。这样的一段一段的定子，每段都在馈电点和星形接地点之间， 就是定子段，只有列车所在的定子段才供电。为了使列车能够沿行驶线路持续前 进，电流必须从不再需要电流的定子绕组区段向下一个紧接着的区段转换，称为 定子段的换步法，也称定子段换流法。 现有的定子段换步方法有短路法、蛙跳法、两步法、三步法 1 7 。不同的 换步法要求不同数量的牵引变流设备和馈电电缆的连接形式，在换步过程中对列 车牵引力的影响也不相同。这些区段的转换方法均需无电流地实现，换步时首先 使目前有源区段上的电流降下来，当该区段电流为零时实施向下一区段的转换， 电流从零再逐渐调高。在电流的变化过程中，该区段所能提供的牵引力必然减小。 两步法，简称w s v ( 德语w e c h s e l s c h r i t tv e r f a l r e n 的缩写) ，也称为错步 法，轨道两侧的定子绕组交错分段，由两组变流器和馈电电缆供电分别给固定一 侧轨道的定子段供电，采用两步法时在定子段切换过程中首先要使车辆正在离开 的定子段电流逐渐下降到零并关断，然后使正在进入的定子段导通，电流逐渐上 升，列车两侧轨道相当于各有一个直线同步电机独立起作用，而列车在换步过程 中时换流侧的定子段电流下降到零，只有另一侧的电机在起牵引作用，因而导致 了列车在运行过程中的速度及舒适度等受到影响，两步法换流的原理示意图见图 2 1 。 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ - _ _ o _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ o ，o l - _ _ _ - - - _ _ _ l _ _ _ _ _ o _ _ - - _ _ o _ _ _ 一一_ _ 图2 1 两步法换段示意图 三步法，简称d s v ( 德语d r e i s c h r i t tv e r f a h r e n 的缩写) ，通过设置三组变 流器及馈电电缆，轮流给轨道两侧的定子段供电。这样使得在换步过程中换步侧 j e 塞塞垣塞堂亟堂焦亟塞= 叠堑笪礁蕉翌到奎定王逸匮左鎏 的两个定子段分别由两组不同的变流器和馈电电缆供电，避免了采用两步法时列 车在定子段切换过程中牵引力的损失问题，但是采用三步法在非换步区间三组变 流器中只有两组在工作，造成一组供电变流器的闲置，增加了成本投资。而且在 定子段换步时，列车跨在两个定子段之间运行，换出定子段的反电势在减少，换 入定子段的反电势在增加。为了保持两个定子段的电流不变，对牵引逆变器的控 制十分复杂，三步法换流的原理示意图见图2 2 。 图2 2 三步法换段示意图 目前上海磁浮在龙阳路和浦东机场两个车站内使用两步法牵引列车以较低的 速度进站出站，在需要较高速度运行的正线上使用三步法。 2 2 新的定子段换步方法的方法、特点与优点 本课题将提出通过特殊的长定子分段方式及开关切换控制方法来实现一种新 的用于磁浮列车长定子供电的换步方法，解决两步法的牵引力损失和三步法中供 电系统设备利用率低等问题。 其技术方案如下： ( 1 ) 长定子绕组连接方式：长定子绕组本身没有带有电气隔离的分段，而是铺 设在轨道两侧的连续的三相绕组，绕组无需交错布置，完全对称。 ( 2 ) 馈电方法：铺设两组与轨道平行的三相馈电电缆。单端供电时，电缆一端 与牵引变电站相连；双端供电时，电缆两端分别与两个牵引变电站相连。牵引变 电站中包含牵引变流器，用以给长定子绕组供电。 ( 3 ) 开关布置：各组开关沿轨道依次布置，开关可以是机械开关也可以是电子 开关。每组由两个开关组成，连接馈电电缆与长定子绕组的称为上开关，连接长 定子绕组与中性点的称为下开关。每组的上开关和下开关之间的距离大于两个车 身的长度，之间的定子段为一个供电区段。前后两组开关沿轨道交错布置，即后 一组的上开关位于前一组两个开关之间。前后两个供电区段之间，即后一组开关 中的上开关与前一组开关中的下开关之间的定子段为换步区段，其长度大于列车 车身长度。 1 7 i e 立窑逼太堂亟土堂僮逾塞= 盈堑趁磁基翌到垩宝王燕殷左选 ( 4 ) 开关切换方法：当列车位于非换步区段的一个供电区段内时，该供电区段 的两个开关闭合，其余开关均断开。当列车进入该供电区段与下一个供电区段的 重叠部分，即换步区段时进行开关切换，前一组两个开关断开，同时闭合下一组 开关，则长定子绕组的供电切换至下一个供电区段。本文所提出的这种新的换步 方法的结构和原理示意图如图2 3 所示。 图2 3 新的定子段换步方法示意图 下面结合图2 4 至图2 6 ，介绍开关切换控制的具体实施方式方法如下： 因为轨道两侧的绕组、开关及馈电电缆对称，而且定子三相绕组也对称，所 以本文附图中只画出了轨道一侧的一相绕组及开关布置的示意图。图中：1 为馈 电电缆、2 为长定子绕组、s “为上开关、s ，为下开关、p n 为三相绕组星型连接的 中性点。 由单端或双端供电的馈电电缆通过上开关s ，”1 、s 。“、s ，b ”与长定子绕 组连接，长定子绕组通过下行开关s ：“、s 2 “、s 。“与中性点p 。、踮。、p l l 连接，使定子绕组为星型连接。 一个上开关和一个下开关组成一组，即上开关s “和下开关s ：“、上开关s ，“ 和下开关s 2 ”各组成一组。每组的上开关和下开关之间的距离大于两个车身的 长度，第n 组上开关s 。“和下开关s 2 n 之间的定子段为第n 个供电区段，在此区段内 由第n 组开关供电。 后一组的上开关位于前一组两个开关之间，前后两组开关沿轨道交错布置， h j e 立童适太堂亟堂僮迨塞= 弛堑丝礁蕉翌到主定王逸韪友速 相邻两组开关之间有一重叠的绕组段，即下开关s ，1 装设在上开关s 。与下开关s 2 h 之间，并依次类推；下开关s ，1 与上开关s 。“之间的绕组，即两个相邻供电区段的 重叠部分，为换步区段，在此区间内进行开关切换，其长度大于列车车身长度。 图2 4 为列车位于第n 1 个供电区段时示意图。当磁浮列车行驶到第n 一1 个 定子供电区段内而没有进入到供电区段n 时，即开关s ”之前，第n 一1 组开关，即 上开关s 。“和下开关s ，1 闭合，其他开关断开。电流流过上开关s ，“和下开关s ，1 之间的定子绕组。 1 弋、 2 ill j jf f 了 olll 一l j | 嗲3 晕 i 嗥i 7 霹 j l 一。e 卅l 乞l 乞 图2 4 列车位于第n _ 1 个供电区段时单侧单相示意图 图2 5 为列车位于换步区段时示意图。当列车车体完全通过开关s ，“驶入第n 个供电区段，并且在开关s 2 n _ 1 之前时，进行开关切换：第n 一1 组开关，即开关s 。”1 和s ：“断开，同时第n 组开关，即开关s 。“和s ：“闭合。电流流过上行开关s 。“和下 行s ? 之间的定子绕组。在这个定子段切换过程中，磁浮列车没有牵引力损失，也 无需做换流控制。 1 9 j e 夏窑迪太堂亟堂焦论塞二弛甄盥瑾墨翌到至定王逸题左迭 2 p 1 1 2 l p i l - 1 l p 矗 lp n + l 图2 5 列车位于换步区段时单侧单相示意图 图2 6 为列车位于第n 个供电区段时示意图。当列车车体通过开关s ，一，而 在开关s 。“之前时，列车仍然位于第n 个供电区段，各开关保持前一状态，无需切 换。 1 川 i ， l l j j3t 霹 jjj l p n 2p n 1p n。p n + l 图2 6 列车位于第n 个供电区段时单侧单相示意图 本研究提出的新的磁悬浮列车定子换段方法的优点如下： ( 1 ) 在长定子换步过程中，不必降低定子电流，因此没有牵引力的损失。 ( 2 ) 在列车速度和牵引力不变的前提下，变流器和馈电电缆的数量比三步 法节省1 3 ，与两步法相同。 ( 3 ) 只要列车运行在两组开关之间的换步区段，都可以进行定子段换步， 因此降低了对列车的物理位置进行严格检测的要求。 h4。 ，能 。 。i 2 0 韭立窑适太堂亟堂焦i 金窑二盘堑笪礁量翌到主定王毯匮左选 ( 4 ) 定子绕组换步时只需对开关进行切换，不需对牵引变流器进行切换控 制，简化了牵引变流器控制系统。 2 l 韭塞銮逼太堂亟堂鱼迨塞丝室j 三直垡回生出扭的建搓皇堑型逸生左逵的笾基硒宜 3 长定子直线同步电机的建模与新型换步方法的仿真研究 3 1 同步直线电机的结构与原理 作为上海高速磁浮的核心技术之一的长定子直线电机已经成为现在的研究热 点。长定子有电励磁，永磁，混合励磁等方式。为保证悬浮力的稳定，通常需要 采用适当的方式保持纵向磁场稳定，因此在研究各种长定子直线同步电机的供电 换段技术及牵引力控制时，都可以把它近似的看作永磁。本文从永磁长定予直线 电机内部电磁量与电磁推力的关系以及电机的运动方程出发，建立长了定子永磁 直线同步电机的模型，在此基础上建立了仿真模型对它的控制及换段方法进行了 研究 8 一1 4 。 长定子永磁直线同步电机的永磁体置于车体下，路轨上铺设三相绕组，通过 逆变器和轨旁开关向定子绕组供电。三相定子绕组通过三相交流电时，在轨道上 形成行波磁场，与车底永磁体作用，推动车体向前运动，如图3 1 所示。定子供 电电压和线路电磁参数将决定车体运行的推力大小，推力与车体运行时的风阻以 及车体自身重力沿坡道方向的分力共同决定运行的加速度，而定子供电频率将决 定车体运行的最高速度。f 是磁极极距，是定子与转子间的气隙。气隙的大小 是由列车控制系统检测，闭环控制在一定范围内，气隙小有利于提高功率因数和 电机效率，但是太小的气隙将增大控制难度。 图3 1 永磁同步直线电机的结构原理图 3 2 长定子永磁直线电机( p m l s m ) 的数学模型 为了节约能量，提高效率，长定子直线同步电机把定子绕组分段，工作时分段 供电，当车体运行到某一区段时。相应的区段的定子绕组开始供电。每一个区段都 要比车体长度长得多，因此一部分定子绕组上面有磁极，而另一部分则没有磁 j e 塞窑适盔堂瑟堂僮论塞篮定王直线回生虫扭敛建搓皇堑型逸垄友洼数值真硒塞 极。上面有磁极的定子绕组的磁场与磁极磁场共同作用形成主磁场，这段定子绕 组的电感形成主电感；上面没有磁极的定予绕组的磁场不参与能量转换，通过外 部空气形成回路，仅与本身绕组相交链，形成漏磁场，这段定子绕组的电感形成 漏电感。 忽略永磁直线同步电机的横向和纵向边缘效应，在d q o 坐标系中，长定子直线 同步电机的电压方程可写为： 璁+ 芋即知 玑= 一等_ + 丢 磁链方程如下； 、王，d = 易( 易+ 耐) + 、王， 甲。= ( 易+ k ) 磁场推力方程为： 只= 主詈( 甲一毛一、王，。) 喜中：l d 。l + l ，l q 2 l m + l o ； 厶为定子磁场d 轴电感； k 为定子磁场d 轴主电感； 厶为定子磁场q 轴电感； k 为定子磁场q 轴主电感； t 为定予磁场漏感； 矿为定子运行线速度； 0 为永磁磁极在定子绕组中感应出的磁场强度 根据以上方程组可以推导出如下的四阶状态方程组： 之= 吉( 吨+ 等钏 ( 3 - 6 ) 力 哪 哪 固 倍 p j e 丞塞垫鑫堂亟堂僮监塞 丝庭士直线回生鱼扭的建搓生逝型拯生左法的笾真硒殛 毛5 专( 卜孚轷芋w 审s = 瞳x 一 、| m 矽：生 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 车体每向前移动一个极距f ，就相当于转子转过了电角度万，因而石k f 相 当于旋转电机中的转子电磁旋转角速度眈，也就是是护的导数。 有了长定子同步直线电机的数学模型就可以根据数学模型在m a t l a b 中建模。 我将长定子同步直线电机的m a t l a b 模型分为电气和机械两个一级子系统，在这电 气子系统包括了直轴、交轴电流的计算子系统，和磁场、推力的计算。而机械子 系统下则包括速度，转子位置角计算。 u 图3 2 电气子系统模型 韭塞銮适盔堂亟圭堂焦途塞篷定王直线回生垒扭笪建丝鱼堑型迭生左蕉鲢鱼墓堑嚣 图3 3 电气子系统下的q 轴电流计算模型 图3 4 机械子系统模型 3 3p m l s m 的控制及仿真 矢量控制的基本思路就是通过检测或者估计电机转子磁通的位置和幅值来控 制定子电流或者电压，如此电机的转矩便只和磁通、电流有关，与直流电机的控 制方法类似，可以获得较高的控制性能。 对于永磁同步电机，其矢量控制的方法相对异步电机来说就要简单一些。其 转子磁通位置与转子的机械位置相同，因此通过检测转子实际位置就可以得知电 机转子磁通位置。将参考坐标系选定为转子上的同步旋转坐标系，就可以将三相 电流变换为d ，q 轴上的两个直流分量，。磁浮列车的定子绕组比励磁磁极长得 多，则其主漏电抗要比主电抗大得多，这时定子绕组的端电压大部分都是漏感压 降，工程上采用等效电路计算电机的性能时，可以不考虑交直轴主电抗之间的差 异以简化计算。从电磁推力公式可以推导出，在厶近似等于三。的情况下，c 与z g 成正比，只= 甲r ( 3 石，2 f ) ，此时控制就可以控制电磁推力。此时保持i d = o ， 就可以保证用最小的电流幅值得到最大的输出转矩。在确定了，屯之后就通过 砌一口钯变换，就可以得到三相电流给定值。三相电流给定值输出给电流型调节器， 用于控制逆变器给定子供电。图3 5 就是永磁直线电机的矢量控制图。 图3 5 矢量控制原理框图 作为验证电机模型的理想控制系统，电流型调节器我们采用了滞环电流p 州 调节器，将正弦电流参考波形和电流的实际波形通过滞环比较器进行比较，决定 逆变器桥臂上下开关器件的导通和关断。滞环电流p 删的优点是控制简单，实现 容易，滞环电流控制原理如图3 6 。 图3 6 滞环电流调节原理图 j b 塞窑垣左堂亟堂焦迨塞丝定王直线回生电扭的建搓兰堑型拯垄友选鳆笾真班蕴 根据本章第二节所建立数学模型建立永磁同步电机帕t l 曲模型 1 5 】，模型结 构图如图3 7 。 一 1 c d - l d 蠹 l d f x c d _ u u d r a r a c d + l q l a 蛔 q d ， u q u a 匝卜呻 例d f f 冉 妇i a a d u d u d i d a d + u 0 图3 7 永磁长定子直线同步电机模型 然后根据本章第三节的矢量控制和滞环电流调节脉冲生成的方法和上面建立 长定子直线同步电机模型构建如图3 8 的永磁长定子直线同步电机矢量控制的仿 真系统 1 6 1 7 1 8 。 图3 8 附l s m 矢量控制仿真系统图 本系统所用到的部分参数如下：转子额定速度为4 0 0 k m h ，额定相电压7 7 6 0 v ， 额定频率2 1 5 h z ，磁极极距f2 5 8 棚，定子漏感t1 4 9 7 4 i i l h ，直轴同步电感 k o 8 8 5 6 i i l h 交轴同步电感。go 6 9 8 6 l i i h ，永磁磁极在定子中产生的磁通量 j 塞窑堡厶堂亟主堂焦途塞篮宝壬直线回垄生扭盥建攥皇堑型丝生左鎏趋笾基婴蕉 o 2 7 2 w b 。直接起动电机，并且在o 0 7 s 时突加阻力，电机的转速、电流推力 曲线图如下所示。 图3 9 定子电流波形，纵坐标为电流幅值( a ) ，横坐标为时间( s ) ； 000 20 0 4 00 6 0 图3 1 0 电机转子速度，纵坐标为转子速度( m s ) ，横坐标为时间( s ) 图3 1 1 电机推力波形，纵坐标为推力( n ) ，横坐标为时间( s ) 帕 加 0 j e 夏至遭盔堂亟堂焦迨塞篮定王直绫回生电担的建搓量堑型拯垄左鎏的笾裹硒红 从图3 9 一图3 1 1 中可见稳态速度平稳并且能够跟踪同步速度。电机以空载恒 推力的方式启动，定子电流在加速阶段较大，电机以较大的加速度加速至同步速 度，稳态运行定子电流仅用于克服电机内阻抗损耗，0 0 7 s 处突加负载后定子电流 增大，正弦度良好，电机推力迅速跟踪上阻力，电机转速平稳。仿真结果也证明 根据永磁长定子直线电机内部电磁关系建立的电机模型是正确可用的。 3 4 新型定子段轨旁开关切换方法的仿真研究 为了研究本文所提出的新型定予段换步方法在换步过程中对电机性能的影 响，我们利用本章上节所建立的长定子直线同步电机模型建立了一个轨旁开关切 换对电机性能影响的仿真系统。 轨旁开关的切换仿真系统主要由2 0 0 h z 的三相正弦电源，两组反并联双向晶 闸管开关，永磁直线同步电机模型构成，仿真系统的构建如下图所示，t 1 、t 3 、 t 5 组成第一组开关，三个开关分别控制a b c 三相的通断，t 2 、t 4 、t 6 组成第二组 开关，各个开关作用跟第一组开关相同。 图3 1 2 轨旁开关切换仿真研究原理图 根据本文第二章所提出的换步方法，在1 0 0 1 s 至1 0 0 5 s 的时间段内，在各 相电流过零时分别切换各相开关，切换前后定子总长和定子段各参数相同的情况 下，定子电流、车体速度和牵引力的变化曲线分别如图3 1 3 ，3 1 4 ，3 1 5 所示。 j 基銮塑态芏熊堂焦论塞丝定士嚣缝回生生扭盥建丝皇堑型逸生友造趁伍真盟塞 可见在恰当的晶闸管开关切换策略下，换段前后的三相定子电流无波动，没有造 成牵引力的损失，车体速度平稳。因此，本文提出的新的换段方法达到了设计目 的。 图3 1 3 切换时刻前后的定子电流 11 嘶1 仉1 们51 吃 1 0 巧 1 1 ，51 0 4 1 ，叫5 1 晒 图3 1 4 切换时刻前后的车体速度 11 1 11 1 51 0 陀10 0 巧1 0 0 31 3 51 41 4 51 0 图3 1 5 切换时刻前后的牵引力 砌|耄础狮姗舢御懈御姗 i e 塞童适盔堂亟堂僮迨塞筮定王直线回生虫扭笪建搓皇逝型逸生直鎏鳆笾珏硒塞 在t 5 关断后t 6 没有及时开通而是延迟5 0 s 后开通的条件下，车体速度和牵 引力的波动情况分别如图3 1 6 ，3 1 7 所示。从图中可见在这种故障条件下导致车 体速度最大波动约5 ，导致的推力最大波动约2 5 。 j， ：1 n 缆 、。a 1 八j n、，、 n vvvvvvv v 、 ： 11 51 们1 0 1 51 0 210 巧1 10 3 51 舛10 4 51 晒 图3 1 6 前后开关开通关断时问不匹配条件下的车体速度波形 图3 1 7 前后开关开通关断时间不匹配条件下的牵引力波形 在t 5 关断后t 6 没有及时开通而是延迟8 0 肛s 后开通的条件下，车体速度和电 磁牵引力的波动情况分别如图3 1 8 ，3 1 9 所示，从图中可见在这种故障条件下导 致车体速度最大波动约10 9 6 ，导致的牵引力最大波动在5 0 9 6 左右。可见，即使晶闸 管开关触发有稍许延迟，对磁浮列车的影响也不大。需要说明的是，为了加快仿 真速度，仿真中车辆惯量设定较小，所以车速波动略大，实际中车速不会有大的 波动。 仲 箝 j b 塞窒道左堂亟堂僮迨塞丝廑王直线回生虫熟的建搓皇堑型拯生左选的笾墓婴塑 图3 1 8 前后开关开通关断时间不匹配条件2 下的车体速度波形 1 1 图3 1 9 前后开关开通关断时间不匹配条件2 下的牵引力波形 |舢锄础伽。伽舢舢舢 j e 塞窑适盔堂亟堂焦j 盆塞塞窒匦墼墨塑回生珏苤蕉盔厘基在垫壹珏差主笪廛旦班殛 4 真空断路器和同步开关技术及其在轨旁开关中的应用研究 4 1 真空开关技术的发展简介 电力工业以及采矿、冶金、化工等的供电系统对开关电器在可靠性、安全性 和环境保护方面提出了越来越高的要求，因此促进了给雷断路器、负荷开关、接 触器等不同用途产品和各种结构开关装置的发展。近二、三十年来的实践证明在 中压领域，真空开关有着很大的优越性。 真空开关电器的研究最早始于真空介质中电弧熄灭机理的研究，这可以追溯 到1 8 9 5 年英国的r i t t e n h a u s e 设计出世界上第一只真空灭弧室，并且以专利的形 式发表。1 9 2 0 年瑞典b r i c a 公司研制出世界上第一台真空开关：1 9 2 6 年美国加利 福尼亚工学院的s o r e n s e n 教授发表了他的研究成果：一台实验性的真空开关开断 了4 1 k v 、9 2 6 a 的交流电弧。 1 9 世纪5 0 到6 0 年代室对真空开关进行深入理论研究和发展关键工艺的阶段。 这次中包括超高真空技术、气密封接技术的改进以及新型触头材料的开发。这些 关键工艺问题的解决推动真空开关进入了实用性阶段。g e 公司在1 9 6 1 年为电力系 统制造了第一台商用三相真空断路器，其最高电压1 5 k v ，额定短路开断电流为 1 2 i ( a ，额定电流6 0 0 a 。 1 9 世纪7 0 年代以后，真空开关电器得到了全面发展与广泛应用的阶段。 s i e m e n s 公司引进英国v i l 公司的杯状触头设计并加以改进，研究除了性能优异的 低截流型c u c r 合金，从而推出了高开断容量、低截流真空断路器，成为重要的 真空开关生产厂商之一。 国内真空开关最早始于1 9 5 8 年西安交大电器教研室与西安高压整流器厂合作 成立的真空开关研制小组。1 9 6 8 年我国的第一只商用真空开关在华光电子管厂诞 生。9 0 年代以后我国的真空开关产业进入快速发展阶段，出现了技术指标达到国 外先进水平的真空断路器，代表产品如z n 2 8 、z n 6 3 a 等，到2 0 0 3 年我国已经研制 出了1 1 0 k v 3 1 5 k a 的单断口真空断路器。 韭廛銮重太堂亟堂焦途塞县窒逝堕墨麴回生珏羞垃鲞厘甚查熟壹珏羞主趁廛嗣硒塞 4 2 真空开关操动机构现状与发展 操动机构在断路器中占有重要地位，操动机构很大程度上决定了断路器的分 合闸时间和机械寿命。在断路器发展的不同时期，操动机构的形式有所不同。目 前用于中压断路器的操动机构主要有电磁式和弹簧式。 电磁操动机构在真空断路器发展的初期得到了广泛应用，因为电磁操动机构 较好的迎合了真空灭弧室开距小( 8 2 5 咖) 和合闸位置大操作力的要求( 2 k 4 k n 相) 的要求，传统电磁机构的缺点在于操作电流大，合闸时间较长，电源电压波 动对合闸速度影响大以及使用不方便。 弹簧操作机构采用手动或者小功率的交流电动机储能，其合闸功不受电源电 压影响，既能够获得较高的合闸速度，又能够实现快速的自动重合闸操作，而弹 簧操动机构的缺点在于其完全依靠机械传动，零部件总数大，结构较为复杂，滑 动摩擦面多而且多存在于关键部位，容易引起操作失误。但是在优化结构设计， 合理设计零部件，选用适当材料，采用长效润滑剂的情况下，弹簧操动机构还是 达到了很高的可靠性。 近年来，一种用于真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操动机构，简称 永磁机构受到了很大的关注。和传动的断路器揉动机构相比，永磁杌构采用了一 种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、锁扣 装置，没有高速运动部件，所有具有很高的机械可靠性，远高于电磁操动机构和 弹簧操动机构。永磁机构的零部