单边直线感应电机动态最大推力输出的滑差频率优化控制

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第 12 期
邓江明等：单边直线感应电机动态最大推力输出的滑差频率优化控制
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同时，A 点的相电流满足：
I I I 1 0 2
(4)
由同步功率计算电机输出的电磁推力：
Fx
m1 2 R2 I2 vs s
2 2 2 ) Lm 2 3R2 R2 Fx I1 2 2 L2 ) 2 ( 1) 2 f s f s3 ( )2 ( Lm R2
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文献标志码：A
单边直线感应电机动态最大推力输出的 滑差频率优化控制
邓江明 1，陈特放 1，唐建湘 1，佟来生 2
(1．中南大学信息科学与工程学院，湖南省 长沙市 410075； 2．中国南车集团株洲电力机车有限公司，湖南省 株洲市 412001)
Optimum Slip Frequency Control of Maglev Single-sided Linear Induction Motors to Maximum Dynamic Thrust

(1)
式中：l 为初级长度；vm 为电机瞬时速度。 其中，串联回路附加电阻等价滑差特性表示为 /s Rr R2
(2)
由式(1)、(2)可知，随着电机速度的攀升，电机 不断衰减，而串联回路附加电阻不 回路互感值 Lm 断加大，电机输入的有功功率在 Rr 耗散加大。尤其 衰减深度较大，Rr 与 R2 /s 相比已 在 vm 较大时， Lm 不可忽视，此时电机有功输入很大部分用来克服边 /s 转化为有效电磁推力的能量减 端效应，而在 R2 小， 输出推力在有功不足时， 特性变软， 推力下降， 速度难以进一步抬升，因此在 SLIM 实际运行工况 下，研究其电磁推力输出特性须考虑的影响。 1.2 当 0 时，绝对最大推力恒滑差频率控制 由图 1，结合电压回路的基尔霍夫(Kirchhoff's
[9]
1
1.1
SLIM 动态最大推力输出特性
SLIM 的 T 型一相等值电路 基于场路复量功率相等的原则，假设在初级绕
组注入的各相电势是对称的， 其有效值为 U1， 考虑 了边端效应影响的 SLIM 的 T 型一相等值电路[19]， 如图 1 所示。
R1 jL1 I1 I0 U1 ① Rr A I2 jLm ② R2 jL2 R 2(1s)/s
图1 Fig. 1
SLIM 的 T 型一相等值电路(Duncan 模型) Equivalent circuit model of SLIM per phase
图 1 中：R1、Ll分别为初级电阻、漏感；Lm /s 为折算后次级等效 为互感；为同步角速度； R2 电阻；s 为转差；L2 为折算后的次级等效漏感。考 虑到动态纵向边端效应引起的涡流和气隙磁密在 电机入端缓慢变化，而在出端迅速衰减，故可只考 虑入端行波的影响，对其补偿通过修正励磁电抗和 在互感回路中串入附加电阻修正能量损耗，图 1 中 Lm(1) ， 即为 Duncan 修正系数 [20] ，计算 Lm 如下： 1 e lR1 /[( Lm Ll ) vm ] lR1 / [( Lm Ll )vm ]
态参数的离线辨识算法。 实验测试表明了所提控制方法的有 效性，该方法不仅能细化研究 SLIM 的电磁推力输出特性， 还能为 SLIM 的滑差优化控制提供参考。 关键词：单边直线感应电机；滑差频率；最大推力；边端效 应；动态参数辨识
0 引言
单边直线感应电机 (single-sided linear induction motor，SLIM)作为一种不经过中间传动装置， 直接产生直线运动推力的具有优良控制性能的驱 动设备， 已经广泛应用于磁悬浮、 地铁、 工业机床、 普通旋转电机的定转子是闭合 电动车门等领域[1-3]。 成环形的，而 SLIM 的初次级是开断的，要么初级 作为动子，次级作为导轨，常应用于中低速控制领 域，如日本的 HSST 磁浮系统，我国国防科大的 CMS-04 试验线、唐山试验线、西南交通大学试车 线[4-5]等，均采用这种结构；要么次级作为动子，初 级作为 导轨 ，应用 于高 速控制 领域 ，如德 国的 TRANSRAPID 磁浮系统。 SLIM 无轮轴和动力的机 械转换装置，结构简单、重量轻、体积小、运行可 靠，使用起来安静、无摩擦、污染小、散热条件好、 爬坡能力强[6]。正因为 SLIM 的特有优势和广泛的 工程应用价值，其运行的动态控制问题一直以来是 国内外学者的研究热点。相关研究表明，SLIM 运 行时，许多参量都在动态大幅度变化，如间隙、互 感、气隙磁密等，故电机模型是时变的。因此对 SLIM 的控制一般不采用依赖其动态变化参数的控
基金项目：中南大学中央高校基本科研业务费专项资金资助 (2012zzts021)。 Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of Central South University (2012zzts021).
第 33 卷 第 12 期 2013 年 4 月 25 日 文章编号：0258-8013 (2013) 12-0123-08
Байду номын сангаас
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE 中图分类号：TM 359
报
Vol.33 No.12 Apr.25, 2013 ©2013 Chin.Soc.for Elec.Eng. 学科分类号：47040
DENG Jiangming1, CHEN Tefang1, TANG Jianxiang1, TONG Laisheng2
(1. School of Information Science and Enginnering, Central South University, Changsha 410075, Hunan Province, China; 2. Zhuzhou Electric Locomotive Limited Company, CSR, Zhuzhou 412001, Hunan Province, China) ABSTRACT: To realize a high efficiency dynamic control of single-sided linear induction motors (SLIMs), a novel method by calculating optimization slip frequencies to maximum dynamic thrust is presented. From the equivalent circuit model (ECM) of SLIM, it analyzed the absolute maximum thrust control using constant slip frequency without considering the end effects; then considering the edge the effect, in order to slow down the drop of thrust, which is deeply affected by the end effects with the increase of motor speed, a variable slip frequency control strategy to output a relative maximum thrust was developed. It also gave a effective identification algorithm for five dynamic parameters of SLIM involving mutual inductance and impedance of primary and secondary. The effectiveness of the proposed algorithm is verified through the experimental results. KEY WORDS: single-sided linear induction motor (SLIM); slip frequency; maximum thrust; end effects; dynamic parameters identification 摘要 ：为了实现单边直线感应电机 (single-sided linear induction motors，SLIMs)的高效动态控制，提出了一种在 SLIM 运行过程中动态输出最大电磁推力的滑差频率优化控 制方法。 以 SLIM 的 T 型一相等值数学模型为基础， 研究了 不计及边端效应时， 基于恒滑差频率的绝对最大电磁推力控 制； 为了减缓推力受边端效应影响而衰减的速度， 研究了计 及边端效应时的相对最大电磁推力变滑差控制策略。 结合一 台低速磁浮用 SLIM，给出了涉及初次级阻抗互感的 5 个动
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制方法，如按照次级磁链定向的矢量控制和按照初 级磁链定向的直接推力控制都依赖对磁链的观测 而这些参数在 SLIM 运行时是不断变化 和计算[7-8]， 的，难以准确获取，故国内外目前常用的控制手段 是恒电流–滑差频率控制。 已有相关研究采用了麦克斯韦 (Maxwell) 电磁 场理论分析的方法，得出与 SLIM 的运动方向平行 的电磁推力是由气隙磁场强度与电机初级电流相 互作用产生的 。而理论和实验都已证明，若控制 SLIM 的定子电流与滑差频率，就能有效控制住气 隙磁场与涡流场，也就控制住了电机的推力与法向 力[10]。因此若保持初级电流恒定，如额定电流值， 研究滑差频率的变化对电磁推力的影响就具有一 定的工程应用价值，这也是本文开展相关研究的初 衷。 由于 SLIM 特殊的结构， 存在特有的边端效应， 它使得入端涡流在高速区对气隙磁场的影响较大， 迫使初级电流值降低，推力输出衰减，这是研究 SLIM 推力输出所不能忽视的。边端效应对 SLIM 运行的影响以及计及边端效应后电机设计、动态补 偿控制等，国内外已有不少相关研究[11-16]，但在考 虑边端效应后研究滑差频率的优化控制并不多。文 献[17]在未计及边端效应的情况下，提出了一种保 持 5 Hz 最优滑差频率下的最大推力输出控制方式， 但受边端效应的影响，在滑差率恒定下电机速度达 到 17 m/s 时，推力相比于启动时已经衰减达 46%。 文献 [18] 研究了一种分段滑差频率控制：在 0~ 12 m/s 内，保持电流 485 A 和滑差频率 5 Hz 恒定， 以获得近似恒定的最大推力；在 12~20 m/s 时，采 用 5~12 Hz 的线性变滑差频率控制，同时增大初级 电流，来抑制推力的衰减。以上涉及滑差优化控制 的研究均未计及边端效应的影响，对于 SLIM 运行 状态描述及控制也不够精确。 针对已有相关研究的局限性，本文在计及 SLIM 动态边端效应后提出了一种相对最大推力 输出的变滑差优化控制方法：它在边端效应不明显 的低速区段，控制 SLIM 在峰值点滑差运行，以 输出此域的绝对最大推力；在边端效应明显的高 速区，控制 SLIM 在拐点处滑差运行，以输出此域 相对最大推力。采用此动态滑差控制策略，不仅能 减缓电磁推力的衰减速率，还能在一定程度上提 升推力。最后通过对一台中低速磁悬浮用直线电机 进行相关的参数计算与实验测试来表明算法的有 效性。