第四章 中低速磁浮车的牵引控制系统

第1节 磁浮列车与直线电机 磁浮车是一种新的交通工具，研究的重点 上海磁浮车（德国TR08）

HSST 磁浮车（日本）

　交大MST-1磁浮车

青城山磁浮车

国防科大磁浮车

常导型磁浮列车利用电磁吸力实现悬浮

磁浮列车利用直线电机实现牵引、制动

直线电机的基本结构 直线电机可看作是将旋转电机径向剖开展平 定子—初级，转子—次级 初级与次级长度不相等。

短初级直线异步电机（HSST）

长初级直线异步电机（西南交大）

第2节 直线异步电机（LIM）的控制特性 LIM控制方式取决于其应用场合。LIM控制策略与应用目标相关 由电磁场分析知，LIM的推力是

当气隙磁场有x分量时,LIM垂向力还要增加一项 在讨论电机的控制方式时,应当了解电机初级中电流与频率变化时电机推力和垂向力的变化规律 1 直线异步电机的等值电路 直线异步电机也是异步电机。在低速情况下直线与旋转电机是相近的

可以用异步电机的等效电路的方法来分析LIM 在等值电路中，定子边即初级；转子边是次级。旋转电机的转矩对应直线电机的推力

电机在S=1处起动运行。当运行速度提高，推力也增大。越过峰值后，速度增高推力下降。从起动到峰值点前是不稳定运行区域，峰值点后为稳定区 推力-速度曲线 　　－∞ 推力F 电动机 发电机 电磁制动 S=1 S=0 ＋∞ 电机在S=1处起动运行。当运行速度提高，推力也增大。越过峰值后，速度增高推力下降。从起动到峰值点前是不稳定运行区域，峰值点后为稳定区

LIM的特点 由于终端效应的原因，推力为零的点不在同步速对应点 当电机次级运行速度超过同步速后，电机工作于发电机状态 在越过峰值前为稳定工作区；越过峰值点后，为不稳定区 在相同的初级电流和频率下,处于发电状态时的制动力比处于牵引状态时的牵引力要大

用等值电路概念时推力的表达式

当按u/f=C控制时LIM的推力表达式 当按U/f=C控制时LIM的推力特性 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz

LIM很大的初级阻抗削弱了电机的磁场。随着频率升高，初级电压也增大，初级阻抗的影响相应减小 假定初级电压大小不变，仅仅改变初级电压的频率。由推力计算式知，推力反比于初级频率变化 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz

当按I1=C1，f2=C2控制时LIM的推力表达式

当按I1=C1，f2=C2控制时LIM的推力特性 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 由图可知，推力为常数。推力的大小与初级频率无关

假定初级的频率不变，只改变初级电流大小。由推力计算式知，推力正比于初级电流的平方 LIM的推力与初级电流的关系 假定初级的频率不变，只改变初级电流大小。由推力计算式知，推力正比于初级电流的平方 推力F 1 I1 I2 这表明，控制初级电流可有效地控制推力

实际LIM按恒电流恒转差频率控制时的特性 速度 m/s 推力F 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 电机推力并不严格为常数。原因是终端效应的影响。此外，由于电机次级采用反应板结构也是一个原因

当初级电流和频率恒定时LIM的垂向力特性

在LIM中，初级产生的磁场与次级铁轭产生吸力；初级磁场与反应板的涡流作用产生斥力；初级产生的磁场与次级铁轭的涡流作用产生斥力 转差 频率 推力F 涡流斥力 磁场吸力 电机合成法向力 两个不同的变量间相等,只有为常数这种情况 选择合适的转差频率值可以使总法向力较小

初级电流和转差频率恒定时LIM的垂向力特性 5Hz 10Hz 15Hz 20Hz 初级电流 注意，(41)式中电流片矢量在这里没有考虑时间变量。就如在前边所说的原因是一样的。 当不考虑终端效应等影响时，电机的法向力为常数。转差频率越大，法向力越小。法向力正比于初级电流的平方。大体上反比于转差频率

在确定电机的转差频率值时，应当在吸力与推力之间折衷。例如选取合适的f2值，使吸力在系统容忍的范围内。 LIM的推力、法向力与转差频率的关系 推力 吸力 转差频率 推 力 吸 F2=0Hz F2=20Hz 在确定电机的转差频率值时，应当在吸力与推力之间折衷。例如选取合适的f2值，使吸力在系统容忍的范围内。

第3节 LIM的电流-转差频率控制 从上节分析知，采用电流转差频率控制方式可有效地控制推力并将电机的法向力控制在不大的数值上。所以，磁浮车大多均采用这种控制方式 转差频率的确定是控制的关键 从推力速度特性曲线知，若用推力峰值附近的转差频率值进行控制，可以使电机的推力最大。但要受到如下因素的限制 1 垂向力的限制 2 受电机功率因数-效率乘积的限制。而这个参数与变流器的容量、体积与重量相关

3 受到速度检测信号精度及控制误差的限制 当转差频率确定后，在一段频率范围内，电机可以实现恒转差频率恒电流运行。 当初级频率超过转折值后，由于电机的定子电压不能再增高而电机阻抗随定子频率的增高而增大，定子电流就不可能恒定。由于推力与定子电流的平方成正比，推力将显著下降。 若增大转差频率，则减小了电机的输入阻抗，定子电流可以维持在额定值。 这表明在进行电流转差频率控制时，电机的转差频率f2在不同的区域内有不同的变化规律

在牵引时，需要在尽量短的时间内将磁浮车由静止状态加速到高速状态，然后电机以恒功率运行 电力牵引对推力-速度特性的要求 推力 垂向力 定子电压 定子电流 转差频率 转折速度 最大速度 在牵引时，需要在尽量短的时间内将磁浮车由静止状态加速到高速状态，然后电机以恒功率运行

逆变器控制-电流转差频率控制方式 牵引时 再生制动时 推力给定 逆变器及控制 LIM 电流指令 牵引 开方 F2给定 电流检测 电压控制 - + 速度 频率控制 整流 再生 电机次级 测速 PI调节 速度信号 牵引时 再生制动时

系统由频率控制、电流控制二个部分组成 推力控制信号经过变换成为电流指令；实际的电机电流与指令电流比较，决定是增大还是减小初级电压：如果实际电流小于指令电流则增大初级电流、反之则减。 电机电流反馈信号由传感器检测，经过整流与滤波处理后送到PI调节器。 频率控制需要准确检测电机的运行速度。速度信号经处理后，送转差频率函数发生单元。在转折点前转差频率为常数；在转折点后转差率为常数。 电机初级频率为速度与转差频率相加（牵引）或相减（再生）电压与频率信号送逆变器的PWM单元，产生相应的控制脉冲

青城山磁浮车LIM控制方式 F1 ia ib U1 Σ I1 变换 脉宽调制电路 逆变器主电路 速度反馈 牵引力给定 + - 牵引/制动

该系统与上一个系统是相同的。它也由频率控制、电流控制二个部分组成。在低速时采用恒电流、恒转差控制；当逆变器电压满开放，电压不能再升高时，采用恒转差率控制。电机牵引时转差频率发生器的输出信号为正；再生时为负。 频率控制的规则是：牵引时电机初级频率为速度与转差频率相加，再生时为相减 主要的功能单元是： PWM单元：产生电压与频率均可调的脉冲信号 电流调节器：在转折速度前，保持初级电流恒定 速度检测：电流转差控制的基础 转差频率函数发生器：牵引时为正值，再生为负

青城山磁浮车LIM控制方式试验结果 F2=5Hz时法向力随次级速度的变化曲线

青城山磁浮车LIM控制方式试验结果 F2=15Hz时推力随次级速度的变化曲线

I1=60AF1=25Hz时推力实测值与理论计算值的比较 青城山磁浮车LIM控制方式试验结果 I1=60AF1=25Hz时推力实测值与理论计算值的比较

1 恒电流-恒滑差频率控制方式能够保证直线感应电机产生恒定推力的同时使电机的法向力被控制在预定的范围内 2 电机产生的推力和垂向力与定子电流的平方成正比；而二者的大小还与滑差频率的取值有关 3 系统存在一个最优的滑差频率值。当在该值上运行时，可以确保直线电机产生的推力较大而垂向力的波动在预定的范围内 4 采用恒电流恒滑差频率控制时,系统运行正常，电流的正弦性好,牵引力\法向力均无波动