T-CI 173-2023 轨道交通直线感应电机运行特性计算方法

中国国际科技促进会发布ICS29.160.30CCSK26CI准OperatingcharacteristicscalculationmethodoflinearinductionmachineT/CI173-2023本标准按照《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》GB/T1.1-2020给出的规则起草。某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由华中科技大学提出。本文件由中国国际科技促进会归口。本文件起草单位：华中科技大学、襄阳中车电机技术有限公司、株洲中车时代电气股份有限公司、同济大学、中国科学院电工研究所、中车株洲电机有限公司、湖南中车尚驱电气有限公司、淄博京科电气有限公司、长沙一派直驱科技股份有限公司、湖北环一电磁装备工程技术有限公司。本文件主要起草人：徐伟、葛健、廖凯举、李耀华、胡冬、李伟业、黄直峰、袁文烨、林国斌、苏诗湖、王珂、葛琼璇、郭颖聪、成思伟、上官用道、王禹、何明杰、何云风、李明贤、董义鹏、刘少克、郑球辉、黄诚、肖新宇、肖晗、唐一融、包振。1T/CI173-2023轨道交通直线感应电机运行特性计算方法本文件规定了轨道交通行业短初级直线感应电机（后续简称为“直线感应电机”）运行特性计算的总体技术要求，内容包括标准的范围、规范性引用文件、术语和定义、等效电路模型、参数计算、运行特性计算、运行特性计算流程。本文件适用于轨道交通行业中直线感应电机的运行特性计算，包括在确定的电压、频率或电流、频率激励条件下，计算电机在一定速度下的推力、效率、功率因数、法向力等性能，进一步可得到电机的运行特性曲线。实施本标准所得的计算结果与实测值相对误差在5%以内，可作为直线感应电机性能评价依据，也可为直线感应电机设计、控制提供技术支撑。对于在工业、航空航天等领域使用的相同结构直线感应电机，本标准规定的运行特性计算方法同样适用。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。所有引用文件及其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB755《旋转电机定额和性能》GB/T2900.25《电工术语旋转电机》GB/T2900.36《电工术语电力牵引》GB/T2900.74《电工术语电路理论》GB/T2900.83《电工术语电的和磁的器件》GB/T32349-2015《轨道交通电力牵引变流器供电的短初级直线感应电动机》GB/T32383-2020《城市轨道交通直线电机车辆通用技术条件》CJ/T311-2009《城市轨道交通直线感应牵引电机技术条件》3术语和定义GB/T2900.25、GB/T2900.36、GB/T2900.74、GB/T2900.83和GB/T32349-2015界定的术语和定义适用于本文件。2T/CI173-2023品质因数Qualityfactor评价直线感应电机性能的因数，表示电机将电能转化为机械能的能力。3.2行波电流层Travellingwavecurrentlayer分析电机内部电磁场问题时，用光滑表面代替实际开槽的初级铁芯，并用假想的具有无限薄的电流层代替实际初级载流绕组，该电流层用线电流密度表示。3.3内功率因数Internalpowerfactor感应电动势与初级相电流之间夹角的余弦。4等效电路模型轨道交通直线感应电机结构示意如图1所示。图1直线感应电机结构示意图1中，p为极对数；τ为极距；y1为初级绕组节距；δe为机械气隙长度；d为次级导体厚度；V2为初级移动速度。根据图1建立直线感应电机T型等效电路模型，如图2所示。图2直线感应电机T型等效电路模型图2中，Us、Em为初级电压和电动势相量；Is、Im、电流和次级支路电流相量；Rs、RFe为初级电阻、铁损电阻；Xls、Xlr为初级漏抗、次级漏抗；3LSsinLSsin(δsβ)LScos(δsβ)Xm为励磁电抗，X为修正前的励磁电抗，Kx(s)、Cx(s)为励磁电抗的纵向端部效应修正系数和横向边缘效应修正系数；Rr为次级电阻，Rr,为修正前的次级电阻，Rr,由次级导体电阻Rcon和次级背铁电阻Rback并联而成，Kr(s)、Cr(s)为次级电阻的纵向端部效应修正系数和横向边缘效应修正系数；s为转差率。5参数计算依次建立一维和二维解析模型，进而得到考虑端部效应和集肤效应的修正系数，次级电阻和励磁电抗的纵向端部效应修正系数为：式中，pe为等效极对数，如果待计算电机为全填充槽直线感应电机，pe=p，如果为半填充槽pepe=2μ0σsfτ2πge0为真空磁导率；σs为次级导体面电导率；f为频率；ge为等效电磁气隙，ge=KsKc(δe+d)，Ks为卡特系数，Kc为磁路饱和系数；中间参数C1、C2为：|||||=2peτcosδsN「c11e2pτcsin(δsβ+2peτS)]|||||=2peτcosδsNc11sin(σsβ)|||||「c11e2pτccos(δs|||||=2peτsinδsN+Se2pτcsin(δsβ+2peτS)+c=2peτsinδsN(3)(4) μ0 geX= μ0 geX=22e为4次级电阻和励磁电抗的横向边缘效应修正系数为：Re[T]Re2[T]+Im2[T]}T/CI173-2023(5)(6)「λ]2L式中，T=j|R2+(1-R2)「λ]2L12+j；a1为初级铁芯宽度的一半。集肤效应系数为：初级电阻为：式中，pCu为初级绕组电阻率；lc为初级绕组单匝长度；W1为初级绕组每相串联匝数；SCu为初级绕组单匝截面积；aN为并联支路数。初级漏抗为：Xls=0.158fW12+(9)式中，q为每极每相槽数；λs、λt、λe、λd分别为槽、齿、端部和绕组谐波漏磁导。修正前的励磁电抗为：式中，m为相数；kw1为初级绕组系数；Vs为同步速度，Vs=2fτ。次级背铁电阻大小与磁场透入深度有关，即：5T/CI173-2023式中，PFe为次级背铁的体电阻率，μFe为次级背铁的磁导率。修正前的次级背铁电阻、次级导体电阻和次级电阻分别为：P2backpeτ2σspeτRRrR基于复功率传递相等原则，次级漏抗的表达式为：KR,Xlr=铁耗等效为与励磁支路串联的铁损电阻：(12)(13)(14)(15)(16)式中，PFet、PFey、PFeb分布为初级齿部铁耗、初级轭部铁耗和次级轭部铁耗，计算式为：(|pFet |2f1.3(50)Wt2f1.3(50)Wy2sf1.3(50)Wb(17)式中，P10/50为单位重量的铁耗率；Bt、Ba、Bb分别为初级齿部、初级轭部和次级轭部磁密；Wt、Wa、Wb为初级齿部，初级轭部和次级轭部铁的质量。6运行特性计算由图1可知，直线感应电机等效电路的总阻抗为：(18)Z=Z+Z//Z(18)式中，Zs、Zm、Zr分别为初级、励磁和次级支路的阻抗。内功率因数为：6rmcosθ=Re(Zr//ZmrmZ//Z6.1电流特性计算初级绕组电流、次级支路电流幅值分别为：UsZZ//ZrI=Z//ZrrsZ6.2机械特性计算机械输出功率为：PmIr2KfKr(s)Cr(s)Rr,推力为：P-p2P-p2V式中，pΔ为杂散损耗，一般为机械输出功率为0.5%。6.3功率因数特性计算初级铜耗为：次级涡流损耗为：pcu2=mIr2KfKr(s)Cr(s)R,铁耗为：FeFetFeyFeFetFey输入有功功率为：P总复功率为：功率因数为：ST/CI173-2023(19)(20)(21)(22)(23)(24)(25)(26)(27)(28)(29)7T/CI173-20236.4效率特性计算效率为：η=6.5法向力特性计算P-pΔP(30)根据图1建立五区域次级直线感应电机模型，仅适用于图1所示直线感应电机结构，如图3所示，区域1为初级铁芯；区域2为气隙；区域3为次级导体；区域4为次级铁心；区域5为空气。行波电流层J1位于区域1和区域2之间，变量δ2，δ3，δ4为每层材料的厚度。图3五区域次级直线感应电机模型根据材料的属性，区域2、3和5的磁导率为空气磁导率；区域2和5的电导率为0；区域1和4因磁路饱和的影响，磁导率是变化的，根据μ=BH求解。法向力为：4(μ0Φe)式中，|z2|为气隙层表面阻抗；|H1|为紧贴初级行波电流层的磁场强度切线分量的绝对值；Sp为初级有效面积。各区域的表面阻抗为：jμ2Φez54z5tanh(r4δ4z3(32)(33)(34)82z=2z[z3+ztanh(r2δ2)](35)式中，z，z，z为气隙、次级导体和次级背铁的特性波阻抗，表达为：ez2,jμ0ez=z=,jμ4ez=z=(36)(37)(38)kk2μ0σ3rk2+jsμ4σ4。紧贴次级行波电流层磁场强度切线分量的绝对值|H|为：55-1|J1k55为中间系数，表达为：k55(39)(40)/(jμ0表达为：TT(41)式中，T2、T3、T4为每个区域的转移矩阵，表达为：[T)sh(rnδn)|(βnsh(rnδn)ch(rnδn))|7运行特性计算流程直线感应电机运行特性计算流程如图4所示，其他原始数据指激励源的电压、频率或电流、频率，电气量指等效电路模型中的电压、电流。具体流程如下：步骤1输入电机结构参数及其他原始数据；9T/CI173-2023步骤2初设内功率因数，可设在0.50-0.60之间；步骤3