交通驅動用單邊直線感應電機穩(wěn)動態(tài)特性等效電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種交通驅動用單邊直線感應電機單相穩(wěn)態(tài)分析等效電路及方法。本發(fā)明基于電機一維模型，建立氣隙磁通密度方程，結合初級電流和邊界條件，求解氣隙和導板中各場量及復功率，進而利用場路復量功率相等原理，推導次級電阻和勵磁電抗，從而建立單相等效電路，其采用五個校正參數分別校正縱向邊端效應、橫向邊緣效應和半填充槽對次級電阻和互感的影響?；诠β适睾阕鴺俗儞Q原理，本發(fā)明進一步構建得到兩相動態(tài)等效電路。本發(fā)明采用校正系數，有效修正直線感應電機縱向邊端效應、橫向邊緣效應、半填充槽和氣隙磁路飽和對電機互感、次級電阻、氣隙等效磁勢和等效氣隙長度的影響，更準確地表征了直線感應電機的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)驅動特性，極大簡化了直線感應電機的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性分析難度。
【專利說明】交通驅動用單邊直線感應電機穩(wěn)動態(tài)特性等效電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及直線感應電機電磁場分析【技術領域】，特別涉及一種用于交通驅動系統(tǒng)中的單邊直線感應電機的單相穩(wěn)態(tài)和兩相動態(tài)等效電路及分析方法。
【背景技術】
[0002]目前城市交通牽引系統(tǒng)(如地鐵和輕軌)多采用旋轉感應電機(Rotary InductionMachine,簡稱RM)，它需齒輪箱等中間轉換裝置把旋轉運動轉化為直線運動，靠輪軌間黏著特性來傳遞牽引力。直線感應電機(Linear Induction Machine,簡稱LIM)牽引列車不需要轉換裝置，靠初次級的水平電磁推力直接牽引，不受黏著力的影響，它具有加減速度快，爬坡能力強，散熱條件好，轉彎半徑小，選線靈活等優(yōu)點。近年來，LIM牽引系統(tǒng)在大中型城市軌道交通領域廣受關注，通常采用單邊型短初級長次級的結構，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br> [0003]但是，作為驅動系統(tǒng)的心臟，交通牽引LIM因為受初級磁路兩端開斷、初次級橫向寬度不一致、次級渦流的因素影響，具有三相磁路非對稱(端部半填充槽影響)、縱向邊端效應(次級導體板感應渦流，導致電機互感隨速度、滑差等因素而變化)、橫向邊緣效應(次級電阻導電率受電機滑差和初次級寬度不等等結構參數的影響)等缺點，給LIM的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)電磁和控制特性研究帶來了很大的困難。因此，十分有必要深入研究如何建立合理的等效電路模型，以分析電機參數與電機力矩、功率因數、效率之間的制約關系，準確研究LIM在一定工況下的穩(wěn)態(tài)特性和不同工況下的動態(tài)特性，進而對LIM進行合理的電磁優(yōu)化設計，不斷提高LIM的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)驅動性能。
[0004]當前LIM等效模型和驅動特性分析方法，主要包括電磁場計算法(場)和等值電路法(路)。電磁場計算法包括解析法和有限元法，它們從電磁場分布出發(fā)，綜合考慮LIM的結構特殊性和非線性飽和等因素，對電機特性進行細致分析。然而，牽引LIM因渦流反應、寬速度范圍和較長行程等特點，需要很大的網格剖分區(qū)域，或需采用特殊動態(tài)網格剖分技術，其電磁場計算耗時很大，數據處理十分繁瑣。在不同工況下，邊界條件設定和網格剖分均有講究；若設置不合理，很難得到合理解(J.F.Gieras, Linear InductionDrives, Oxford: Clarendo n press, 1994.)。等值電路法，一般基于LIM的穩(wěn)態(tài)模型,暫不考慮LIM特殊結構，首先沿用RIM的分析方法，選取一對極為求解區(qū)域，把繞組等效成正弦電流層，計算出理想化的電機模型；然后對LIM的特殊性質逐一進行校正。等效電路的建模思路清晰，簡單易行，當前有3種模型得到廣泛使用，其優(yōu)缺點如下:
[0005](l)f(q)模型:僅考慮LIM縱向邊端效應，假設次級導體板渦流從初級入端到出端呈指數衰減，采用f(q)函數(僅與初級長度和電機運行速度相關)校正電機互感的變化(J.Duncan, “Linear induction motor-equivalent-circuit model, ^Proc.1nst.Elect.Eng., vol.130, n0.1, pt.B, pp.51-57，Jan.1983.)。該模型可快速分析 LIM 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，但因考慮因數太少，理論分析結果與實際值存在較大誤差，同時不能用于電磁設計。
[0006](2)Pole-by-Pole模型:從LIM初級繞組分布入手，計算出氣隙磁通密度表達式，進一步利用場量關系求解出互感、次級電阻等參數，建立起每對極下的LIM等效數學模型(C.A.Lu, A New Coupled-Circuit Model of A Linear Induction Motor andIts Application to Steady-State, Transient, Dynamic and Control Studies(PhDThesis), Canada:Queen University, 1993.)。該模型能同時分析電機穩(wěn)態(tài)和動態(tài)驅動特性，也能用于電磁設計中，但缺點是計算精度受電機極數的影響較大，難以得到廣泛應用。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的技術目的在于提供一種單邊LIM單相穩(wěn)態(tài)分析等效電路、兩相動態(tài)分析等效電路及方法，采用相關校正系數，有效修正LIM縱向邊端效應、橫向邊緣效應、半填充槽和氣隙磁路飽和對電機互感、次級電阻、氣隙等效磁勢和等效氣隙長度的影響，更準確地表征了 LIM穩(wěn)動態(tài)特性，極大簡化了 LIM穩(wěn)動態(tài)特性分析難度。
[0008]一種交通驅動用單邊直線感應電機單相穩(wěn)態(tài)分析等效電路，包括單相第一支路、單相第二支路和單相第三支路，單相第二支路和單相第三支路并聯后再與單相第一支路串聯形成回路；
[0009]單相第一支路由電機初級單相電阻Rs和初級單相漏感Lls串聯而成，單相第二支路由電機次級單相漏感Llr和次級單相校正電阻瓦串聯而成，單相第三支路由電機初級單
相等效鐵損電阻RFe和單相校正勵磁電感串聯而成；
[0010]所述次級單相校正電阻見的阻值為，所述單相校正勵磁電感Zml的
電感值為Atll=KC人i，其中，Rr為電機次級單相等效電阻，S為電機滑差，Lml為電機單相
勵磁電感，Cr為次級電阻橫向邊緣效應校正系數，Kr為勵磁電抗橫向邊緣效應校正系數，Cx為次級電阻縱向邊端效應校正系數，Kx為勵磁電抗縱向邊端效應校正系數；
[0011]所述電機次級單相等效電阻Rr由電機次級的導體板電阻R2stert和背鐵電阻R2Badt并聯而成；
[0012]所述勵磁電抗的橫向邊緣效應校正系數I
【權利要求】
1.一種交通驅動用單邊直線感應電機單相穩(wěn)態(tài)分析等效電路，其特征在于，包括單相第一支路、單相第二支路和單相第三支路，單相第二支路和單相第三支路并聯后再與單相第一支路串聯形成回路； 單相第一支路由電機初級單相電阻Rs和初級單相漏感Lls串聯而成，單相第二支路由電機次級單相漏感Llr和次級單相校正電阻瓦串聯而成，單相第三支路由電機初級單相等效鐵損電阻RFe和單相校正勵磁電感Am1串聯而成； 所述次級單相校正電阻足的阻值為
2.如權利要求1所述的單相穩(wěn)態(tài)分析等效電路，其特征在于，采用磁密飽和系數Kli對交通驅動用單邊直線感應電機的電磁等效氣隙進行校正，即所述等效電磁氣隙=KliKs (gm+d)，Ks為氣隙系數，Kli為磁密飽和系數，gm為機械氣隙長度，d為次級導體板厚度。
3.如權利要求1或2所述的單相穩(wěn)態(tài)分析等效電路，其特征在于，考慮初級端部半填充槽對電機氣隙等效磁動勢產生削弱，對電機實際極數P進行校正，其校正結果表示為
4.交通驅動用單邊直線感應電機兩相動態(tài)分析等效電路，其特征在于，包括d軸等效電路和q軸等效電路； 所述d軸等效電路包括d軸第一支路、d軸第二支路和d軸第三支路，d軸第二支路與d軸第三支路并聯后再與d軸第一支路串聯形成回路；所述其d軸第一支路由電機初級單相電阻Rs、初級q軸感應電勢Udl的負極、初級q軸感應電勢Udl的正極和初級單相漏感Lls依次串聯而成；所述d軸第二支路由電機次級單相漏感Ly次級q軸滑差感應電勢Ud2的正極、次級q軸滑差感應電勢Ud2的負極和次級兩相校正電阻足2依次串聯而成；d軸第三支路由電機兩相校正勵磁電感--2構成； 所述q軸等效電路包括q軸第一支路、Q軸第二支路和q軸第三支路，q軸第二支路與q軸第三支路并聯后再與q軸第一支路串聯形成回路；所述q軸第一支路由電機初級單相電阻Rs、初級d軸感應電勢Uql的正極、初級d軸感應電勢Uqi的負極和初級單相漏感Lls依次串聯而成；q軸第二支路由電機次級單相漏感Ly次級d軸滑差感應電勢Uq2的負極、次級d軸滑差感應電勢Uq2的正極和次級兩相校正電阻見2串聯而成；q軸第三支路由電機兩相校正勵磁電感^m2構成； 所述次級兩相校正電阻尾2的阻值為々,2所述兩相校正勵磁電感Zm2的電感值力?,,ρ =KxCxLm，其中，Lni為電機兩相勵磁電感，&為電機次級單相等效電阻；(；為次級電阻橫向邊緣效應校正系數，Kr為勵磁電抗橫向邊緣效應校正系數，Cx為次級電阻縱向邊端效應校正系數，Kx為勵磁電抗縱向邊端效應校正系數； 所述電機次級單相等效電阻Rr由電機次級的導體板電阻R2shrat和背鐵電阻R2Badt并聯而成；....sG Df + Dl 所述勵磁電抗的橫向邊緣效應校正系數f = L 2 ~

/jr^+isG)- M 所述勵磁電抗的縱向邊端效應校正系m = pT^l{sCjy- D'd0 ,.vcy{Rc2rn+im:rnl 所述次級電阻橫向邊緣效應校正系數c; =———

MT]


{Rc:rn +Im2FnI 所述次級電阻縱向邊端效應校正系數C、———


lm[r] 式中，
D1 = pr COS^' - N1 [a, e sin(c>' -/? + S, pv)
+ St e pr '/: cos(^s — f] + S丨[n) - Oti 1 sin(t>' - f3)~ Si cos(么-P)\
D、- pr sin - Ni [-a, 'e pr" cos(^ - P + S1 pr)
+ S丨 e pr u sm(Ss - P -v St pz) + ax 1 cos(Ss - /?) — S丨 sin(^' - P)\ S為電機滑差，G為品質因數，p為初級實際極數，T為電機每極長度；
, I/ 1、C =k~— 《 = Lan (i) ，L— L ，T^k=Wx,F = 揮(4'0'g' !肌V Utl為空氣磁導率，％為次級導體的表面 & V2，電導率，V2為電機運動速度沿電機運行方向的分量，為等效電磁氣隙，\為初
N -_aX7ire___Tge級電角速度，+(Tra1)2，Ml =(a~1)2 +Si ^ 1 geX-ju0aev2，x = ^R^^^)2+] t) =tan ,(丄)f |乒)V2， ' \s G ,^ ； T = j ^+d-Rl-^-^nha.a j 為復數的虛部符號，
CtxCC1+ js(jU-1 fJJ 義=_I_?2 4 f , (°? S1+ 1 tanh(al?)tanh/c(f,-a,) c2 為次級導體板寬度的一半，Re ge , R '表示實部，Im表示虛部。
5.如權利要求4所述的兩相動態(tài)分析等效電路，其特征在于，采用磁密飽和系數Kli對交通驅動用單邊直線感應電機的電磁等效氣隙進行校正，即所述等效電磁氣隙=KuK5 (gm+d)，Ks為氣隙系數，Kli為磁密飽和系數，gm為機械氣隙長度，d為次級導體板厚度。
6.如權利要求4或5所述的兩相動態(tài)分析等效電路，其特征在于，所述考慮初級端部半填充槽對電機氣隙等效磁動勢產生削弱，對電機實際極數P進行校正，其校正結果表示為
7.交通驅動用單邊直線感應電機單相穩(wěn)態(tài)特性分析方法，其特征在于，將權利要求1~3任意一項所述等效電路用于交通驅動用單邊直線感應電機單相穩(wěn)態(tài)特性分析。
8.交通驅動用單邊直線感應電機兩相動態(tài)特性分析方法，其特征在于，將權利要求4~6任意一項所述等效電路用于交通驅動用單邊直線感應電機兩相動態(tài)特性分析。
【文檔編號】H02P25/06GK103647496SQ201310651427
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權日:2013年12月4日
【發(fā)明者】徐偉, 曲榮海, 李大偉 申請人:華中科技大學