真空管道HTS磁浮列车实验系统环形加速器设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室 作者:周大进

  在真空管道高温超导磁浮实验系统中,采用圆环形单边长初级直线感应电机驱动磁浮列车做高速环形运动,为了提高驱动系统的效率和功率因素,降低系统能耗及电源容量,直线电机采用分段供电技术。本文针对真空管道高温超导磁浮实验系统的高速运行,分析研究了直线电机分段供电原理及列车的安全运行状况,设计完成了用于真空管道高温超导磁浮实验系统的环形分段供电加速器,并对加速器的响应速度和安全监控功能进行了测试,结果表明该加速器具有较高的响应速度,控制系统能对小车的运行状态做出准确的判断和保护,为真空管道高温超导磁浮交通系统的应用提供设计参考。

  当列车行驶速度超过400 km/h 后,会产生巨大的气动阻力、振动和噪声,不适宜载人运输,为了克服空气阻力及传动摩擦带来的影响,进一步提高列车的行驶速度,于是将真空管道与磁浮列车结合在一起形成了真空管道磁浮交通系统,该系统最早由美国佛罗里达的机械工程师戴睿·奥斯特研究设计并申请了专利( 美国专利号: 5950543) ,2006 年初,西南交通大学以超导与新能源研究开发中心( 以下简称超导中心) 和电气学院为依托,组建“磁浮技术与磁浮列车教育部重点实验室”,开始了真空管道交通运输系统的实验探索研究,真空管道磁浮交通优势在于具有快速( 理论速度可达第一宇宙速度) 、方便、节能、安全和现实可行等特点。超导中心磁浮实验室,自主设计搭建了第一代真空管道高温超导( HTS) 磁浮列车实验系统,该磁浮系统采用直径为3 m 的圆环形永磁单轨,为HTS 列车提供导向和悬浮,使用单段直线感应电机对列车进行驱动,通过该实验平台,进行了相关研究并初步获取了一系列有价值的成果,由于受轨道半径限制,列车实际只能在低速下运行,包括国内相关单位报道的类似低速实验环线,对于真空管道交通运输系统研究而言,是没有太大意义的,而目前对高速真空管道运输的相关研究均以仿真模拟为主,未见有相关实验和设备报道,所以为了进一步研究真空管道磁浮列车在高速下的运行特性,在原系统的基础上开展了第二代真空管道HTS 磁浮实验系统的设计研究,为了克服环形实验线给列车带来的强大离心力,考虑采用直径6 m 的侧挂圆环形永磁双轨,为HTS 列车提供导向和悬挂,使悬浮力提供向心力,并采用圆环形闭合长初级单边直线电机对列车进行连续驱动,使列车在真空管道内高速行驶。

  为了使单边长初级直线电机初级便于安装和维护,对电机初级进行分段加工组装,当电机采用双层绕组时,其半填充槽可以通过相邻初级段进行互补级联,为了提高整个加速系统的效率和功率因素,降低系统对电源容量的要求,对直线电机进行分段并联供电控制,通过传感器检测列车的位置,对列车行驶经过的直线电机单元段进行供电控制,我们将供电部分的单元段认为是直线电机的有效部分,其它未供电定子铁心仅作为电机的边界,这样的分段供电单边长初级直线电机就可以等效为一个与列车保持相对静止,而沿着圆环形侧挂双轨做高速环形运动的加速器。

  1、直线电机分段供电原理

  如图1 所示,是长初级直线电机分段供电系统原理示意图,整个系统由电机正反转模块、三相固态继电器阵列、光电开关阵列和长初级直线电机组成。一个三相固态继电器(SSR) 、一段直线电机(P) 和一个光电开关(S) 构成一个电机模组,光电开关检测列车的行驶位置,三相固态继电器控制直线电机段的供电,若干模组拼接组合构成完整的加速系统。

长初级直线电机分段供电原理图

图1 长初级直线电机分段供电原理图

  4、结论

  本文研究设计了用于高速真空管道磁浮实验系统的环形加速器,分析了直线电机分段供电原理,给出了加速控制器原理框图及软件流程,完成了控制系统的集成和实验测试,结果表明,在模拟磁浮列车高速行驶下,系统能准确快速的响应,并能对列车的运行状态进行安全监控,同时能对故障电机段和非正常供电进行报警和保护,实现了主要的软件功能,最后分析讨论了磁浮列车在更高时速运行下对控制系统的硬件要求。

  环形加速器可以对磁浮列车进行高效、稳定的连续驱动,为第二代高速真空管道HTS 磁浮实验系统的搭建奠定了基础,通过这个实验平台,将继续探索真空管道磁浮列车在高速运行下的规律和特性,为真空管道磁浮交通系统的设计应用提供参考。

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