德国磁悬浮列车TR07推进和制动系统

收修改稿日期:19992102

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作者简介:刘少克(1963—),男,1994年获华中理工大学电力学院电机专业博士学位,副教授,主要从事磁悬浮技术、电机控制等机电一体化技术工作。

综述与评论

德国磁悬浮列车TR 07推进和制动系统

刘少克

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙　410073)

摘　要:论述了德国磁悬浮列车TR 07推进和制动系统的工作原理、电机设计参数及供电技术。指出采用长定子同步电动机推进方式的TR 07具有电机工作效率高、功率因数高、运行成本低等优点。

关键词:磁悬浮列车;同步电动机;长定子;推进;制动

中图分类号:U 237 文献标识码:B 文章编号:10002128X (2000)0320010203

The propulsive and brak i ng system s of German maglev veh icle TR 07

L Shao -ke

(M ach ine and E lectric Engineering and A utom atic Contro l A cadem y

of N ati onal U niversity of D efense T echno logy ,Changsha ,H unan 410073,Ch ina )

Abstract :T he p rinci p les of p ropulsive and brak ing system s of Ger m an m aglev veh icle TR 07,as w ell as mo to r design param eters and pow er supp ly technique are discussed .It is po inted out that TR 07,driven by synch ronous mo to r w ith long stato rs ,po sseses features such as h igh efficiency ,h igh pow er facto r and low operati on co sts

.Key words :m aglev veh icle ;synch ronous mo to r ;long stato r ;p ropulsi on ;brake

磁悬浮列车是一种面向未来的交通工具,其推进

系统是主要的耗能部分。推进方式目前主要有2种:一种是采用短初级普通异步直线电动机,这种方式以日本H SST —100系列为代表,一般用于低速磁悬浮列车(300km h 以下);另一种方式是采用长定子同步直线电动机,这种方式以德国TR 07为代表,一般用于高速磁悬浮列车(500km h 左右)。

德国TR 07属于常导高速型磁悬浮列车,它的最大特点是取消了低速常导磁悬浮列车的受流线,采用长定子同步电动机来提供牵引力,而车上供电则通过直线发电机(带备用电池)提供。

1　推进系统工作原理

TR 07运行时靠长定子同步直线电动机推进。它

的长定子绕组放在地面,由地面变电设备供电,而车上悬浮电磁铁作为电动机的励磁转子。车上采用直线发电机(带备用电池)作为电源,它向悬浮 导向磁铁及车上所有用电设备(如控制仪器、照明、通信等)提供电

能。

长定子同步直线电动机的定子绕组沿整个列车轨道敷设。TR 07的推进原理是:当同步直线电动机的定子绕组流过电流时,它产生的磁场与车上悬浮电磁铁流过电流时产生的磁场相互作用,从而产生列车牵引力。这里悬浮电磁铁产生的悬浮磁场同时也作为直线同步电动机的励磁磁场。根据同步电动机的工作原理:只有当励磁磁场与定子绕组磁场(电枢磁场)两者达到同步时,才能产生恒定的牵引力,因此,必须精确检测列车的运行速度、位置,据此来对直线同步电动机定子绕组提供相应频率的电流。TR 07定子绕组供电频率为0～215H z ,对应列车运行速度0～400km h 。由于要保证车体稳定悬浮,在悬浮气隙一定的情况下,其悬浮电流大小基本恒定,因此,同步直线电动机牵引力的大小只能通过调节定子绕组电流来实现。定子绕组最大的设计电流为1200A 。

TR 07在静态悬浮及运行速度较低时,通过备用电池提供车上电能,当车体达到一定速度时,则切换到直线发电机供电。

直线发电机的定子线圈位于车上悬浮电磁铁极靴

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01—2000年第3期机 车 电 传 动№3,2000　

2000年5月10日EL ECTR I C DR I V E FOR LOCOM O T I V E M ay 10,2000　

上,它的发电原理是:当列车运行时,存在沿车上悬浮电磁铁铁心及轨道上直线同步电动机定子铁心的闭合磁通,由于直线同步电动机定子铁心存在齿槽,因此,该磁通相对于路基,除了具有与列车运行速度一致的基本平移速度分量外,还存在5倍及更高倍(与齿槽尺寸有关)于列车运行速度的平移速度分量。与列车运行速度一致的基本平移速度分量由于与车上发电机定子线圈运行速度一样,两者相对静止,因此该磁通分量将不会在发电机定子线圈中感应电势;而5倍于列车运行速度的磁通分量与发电机定子线圈存在相对运动,它将在发电机定子线圈中感应电势;随着车体运行速度的提高,该感应电势频率及幅值成比例上升。当列车达到一定速度时,该感应电势可提供足够的电能,以供车体用电

。

2　推进系统设计

直线同步电动机 直线发电机结构如图1所示。

图1　直线同步电动机 直线发电机结构图

2.1　推进电动机的设计

三相定子绕组由绝缘导线构成,预先成形,并由敷线车将其安装在导轨两侧,这两部分定子在电路上为串联连接。定子铁心由薄硅钢片叠成,其叠装方式与变压器铁心一样。这些铁心被加固在导轨的下部。当电机的极距选择为0.258m ,速度为400km h 时,电机

最高频率达215H z 。考虑到电机最大有效电压受逆变器输出电压的波形以及电机电缆绝缘强度的限制,每相电压选为4.25kV ;在高速试验时还能升到4.5

kV ,电机最大电流为1200A 。

由于不同的运行区段列车所需要的牵引力不同,定子绕组材料采用了不同的横截面积,以充分利用材料,减少损耗,提高电机效率。

直线同步电动机具有下列特征:

(1)电动机(转子)励磁电流又可作为悬浮电流,其电流大小取决于车体重量与悬浮间隙。

(2)电动机推力大小借助定子绕组电流大小和相角来调节。

(3)定子绕组采用分段供电方式,其单个供电段较车体要长,故电动机特性主要取决于定子绕组和馈电电缆的漏阻抗。

(4)三相定子绕组采用变频变压供电方式,且根据轨道获得所要求的列车牵引特性。以下为推进电动

机的特性参数:

空气隙

10mm 极距258mm 推力

100kN 三相定子绕组相电压4.5kV 电机电流1200A 最大有功功率

11.5M VA

最大视在功率15M VA 效率约0.9(与定子绕组供电区段长度设置有关)供电频率0～215H z 定子绕组叠片铁心尺寸

1031mm ×185mm ×91.5mm 励磁磁铁尺寸1318mm ×232mm ×190mm 励磁(悬浮)磁铁质量5900kg 节车列车参数:

最大加速度0.7m s

2

最大减速度1m s

2

最大紧急制动减速度1.2m s 2额定运行速度340km h 最大运行速度425km h 对于电机定子绕组,要调节其电流,必须测出电机励磁磁极情况及车体的运行速度、车辆位置。所采用的

这套检测装置误差不大于8°

(电角度),当定子极距为258mm 时,相应长度误差小于12mm 。

就TR 07而言,在线路坡度达10%时,仍具有较高的启动加速度;在平地,在小于等于6km 距离,速度达到400km h 时,启动时间小于等于2m in ;列车由0升到100km h ,只用了20s 。2.2　直线发电机的设计

车载电网通过直线发电机(带备用电池)供电。在每一个支承磁铁中有2个分别互相对称的直线发电机(如图1所示)。直线发电机所发出的电频率和电压与列车速度成正比上升,它与车载电网的配合通过升压调节器来实现。

直线发电机的设计参数为:齿距86mm 线圈导线间距43mm 带备用电池容量40A ・h ,直流电压440V 2.3　推进电动机定子绕组供电技术

TR 07在地面对电动机采用分段供电方式,其推进电动机定子绕组供电电路简图见图2,由110kV 公用电网系统提供电源。

由图2可见,逆变器由电流调节器提供控制信号。通过2套逆变系统可以将电压恒定的中间电路电压转变成三相交流电压,其电压值可以由0调至2027V ,频率由0调至215H z 。当电机频率在0至55H z 范围

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11—第3期 刘少克:德国磁悬浮列车TR 07推进和制动系统