改变磁悬浮列车滑转频率进行能效分析的研究

Kyoung Bok Lee, Ji Chan Kim

摘要：现今城市磁悬浮列车具有许多优点。由于与其他系统相比它产生很小的振动，噪音和尘埃因此城市磁悬浮列车是一个环保且具有成本效益的系统。然而在推进，制动和悬浮的车辆特性方面，与其他车辆相比，磁悬浮列车的能源效率相对较低。在本文中，我们通过在控制制动时对当前车辆施加变化的转差频率来分析和比较电力制动的能量效率。

关键词：磁悬浮，能源效率，推进控制；

一、背景及介绍

现今我们人类正在面临着全球变暖的威胁，并且发现了现今压倒性环境友好在车辆特性方面，与其他车辆相比，磁悬浮列车的能源效率相对较低。磁悬浮列车是一种现代高科技轨道交通工具，磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就 像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。 换言之，与其他车辆系统 - 钢轮电动车辆，K-AGT（橡胶轮电动车辆）等相比，磁悬浮列车具有相对较大的功率消耗的公共交通方式是列车。速度快。磁悬浮列车是当今唯一能达到运营速度每小时500公里的地面客运交通工具。相对能耗低。在每小时500公里速度下，磁悬浮列车每座位公里的能耗仅为飞机的1／3至1／2，比汽车也要少3成。易拐弯，能爬坡，选线灵活，适应能力强。磁悬浮高速线路所要求的转弯半径比传统铁路要小得多，且具有最高10％的爬坡能力。这使磁悬浮线路能够更灵活地适应地形，可以减少造价。噪音小。由于无轮轨间的摩擦，在相同速度下，磁悬浮列车的噪音低于传统的铁路。无污染。由于磁悬浮列车以电为动力，这使它的发展不受能源结构，特别是燃油供应的限制；同时在轨道沿线不会排放废气，是一种名副其实的绿色交通工具。安全、舒适、维修少。磁悬浮列车在结构上保证不易脱轨，推进方式保证不易撞车。磁悬浮列车突然情况下的制动能力不可靠，不如轮轨列车。目前，围绕新的交通工具的能源效率研究近来已经展开。为了提高磁悬浮列车的能源效率，我们通过改变推进制动控制模式的试验来展示如何提高制动过程中的电力利用率。

1. 电制动

2.1 电制动模式分析

通过混合电动制动器和空气制动器，其被称为混合制动进行制动动作的列车制动装置的操作。混合制动通过提供在机动车辆制动到悬链过程中产生的再生能量降低了能量并且旨在通过最小化摩擦制动来降低维护成本。随着1999年列车标准的发展，自2004年以来，下一代电动车已经开发出来。为了通过在传统的混合制动中最大化电子制动来最小化空气摩擦制动，不断开发列车制动。我们可以通过进入空气制动来达到提高电机性能和电制动效率的目的，而这种制动只是缺乏再生能量。但是，磁悬浮列车的制动特性具有相对低的能量效率，因为与传统的铁路车辆不同，其制动系统除了电气制动之外还使用反向制动。

2.2 电气制动控制方式

图1.磁悬浮逆变器特性

钢制轮系和其他车辆执行再生（电动）制动和空气制动。如图1所示，磁悬浮列车根据列车的特性使用电制动和堵塞制动。在列车的低速（约4〜5km / h）时，电子制动完全熄灭，在停车时间对制动不足进行空气制动。

1. 案例分析

本文选取KIMM（韩国机械与材料研究所）的城市轨道交通磁悬浮列车作为试验模型。如图2所示，磁悬浮列车在车内有一台变频器和LIM（直线感应电机）4S2P。由于LIM和磁升的特性，变频器控制方式采用转差频率控制方式，而不是像圆形感应电机控制那样具有优异响应的矢量控制方式。图2.配置变频器和电机磁悬浮列车

滑差频率控制方法（如图3所示）给出了大部分再生消光点的下限，这会影响这种突然吸引LIM滑动在特定频率以下造成的伤害。而在滑差频率的某个部分产生的LIM突然吸引力会影响磁悬浮磁力的上升因此，就能量效率而言，转差频率控制时间应充分考虑吸引力与驱动力之间的相关性。图3.特性曲线的滑动频率和提升/吸引力

3.1 改变转差频率

通过现有的磁浮列车驱动滑差频率变化，可以利用制动过程中产生的再生功率提高能量效率，并调整反相功率的时间。我们将现有的13.5Hz的转差频率改变为11.5Hz，并测量了逆变器电流相变点，再生功率和反相功率。在测试条件下，测试进行了10次，车辆推进100％，100％制动，最大速度为50Km/h，表1给出了测量设备的规格，图4是变频器在改变滑动频率时的测量数据。

表1.测量设备规格

图4.转差频率特性曲线（左：13.5Hz，右：11.5Hz）

3.2 检测结果

就改变转差频率时的实际功耗而言，根据制动转差频率13.5Hz至11.5Hz的变化，逆变器相电流的转换时间从20Km / h降至16Km / h。这允许增加再生量并且相对减少逆转制动所需的能量。表2显示了实际测量的功耗数据。

表2.测量结果（顶部：13.5Hz，底部：11.5Hz）

四、结论

由于磁悬浮列车的能源效率与其他车辆相比相对较低，因此近期正在进行技术研究以提高效率。通过本研究，我们确认了通过改变转差频率来节省能源。但是对于逆变器控制系统的研究和LIM与反应板之间气隙的优化将在未来进行。

致谢。 这项研究得到了韩国国土交通省支持的基础设施技术推进基金会的支持。（14RTRP-A069839-02）

参考文献

1. DMRT（大田地铁捷运系统），KIMM（韩国机械材料研究所），“（第1年）城市磁悬浮交通的性能和效率研究的最终报告”，第1卷，2014年
2. 2. S.K. Ma，J.Y.Lim，K.B.Lee“城市铁路运营系统对动车组动力消耗的分析研究”，韩国铁路学会春季会议，2012年12月12日

3. Dng，z .; Wang，J; Zheng，J。“中低速磁悬浮列车制动系统的可靠性建模与分析”计算机集散控制与智能环境监测，2012年国际会议，2012年3月，第772-777页，2012年

4.张贵荣“电动汽车再生制动与能量回收系统研究”，世界自动化大会（WAC），2012年6月，第1-4页，2012年

5.蔡玲; 张鑫“混合动力汽车再生制动控制策略研究”电子与机械工程与信息技术，2011年第1期国际会议论文集，第253-256页，2011

6. Y.H. Yu，“铁路车辆循环和方法的研究”，韩国铁路学会春季会议，pp.155-163,2007

Maglev（UTM-02）制动系统由气动制动系统改为液压制动系统

Kinam Kim, Sungwoon Hwang and Heekwon Jeon

摘要：磁悬浮（UTM-02）项目由韩国机械与材料研究所领导，并得到商务部，工业和能源部的财政支持。由于韩国国内的工业环境，磁悬浮（UTM-02）的早期发展滞后被采用了通用城市铁路气动制动系统。目前在韩国有两个商业运营的轻轨列车（LRT）系统。一个是Uijungbu的U-Line，另一个是龙仁的Everline。 轻轨系统都采用高性能轻量化液压制动系统。但这些制动系统的设计和制造核心技术来自于国外主要制动系统公司。目前，各种研究一直在继续增加磁悬浮列车的各个子系统的实际应用并提高其性能竞争力。同样在制动系统的情况下，需要开发具有竞争力的液压制动系统。在这项研究中，我们介绍了磁浮新液压制动系统的开发过程和性能评估。

关键词：气动制动系统，液压制动系统，制动系统

1. 背景介绍

UTM-02是基于以前的UTM-01技术于2005年开发的。 考虑到液压制动系统开发的初期阶段，日本的LINIMO系统或欧洲的LRT系统被考虑应用，但由于韩国的国内环境，最终采用了优化的传统气动制动系统。但是，近来大部分LRT系统都采用了液压制动系统，这是因为它具有高性能，重量轻，结构紧凑的优化设计。为提高磁悬浮刹车系统的性能和竞争力，我们（韩国研究团队）研究将气动刹车系统改为UTM-02新开发的液压刹车系统。这是韩国国内公司在韩国首次引入液压制动系统，部分采用气液转换器的半液压制动系统。

1. 新液压制动系统的配置

2.1系统修改审查

必须对UTM-02制动系统之前安装的硬件进行回顾，以从气动制动系统改为新型液压制动系统。图1（a）显示了先前的气液压转换器的原理图，图1（b）显示了已开发的电动液压动力装置（EHPU）的原理图。UTM-02还应该安装新开发的EHPU和制动控制单元，而不是先前的气动管路，制动控制器和气液压转换器。表1显示了通过改造前面的气压制动系统到新的液压制动系统的预期改进性能。

图1制动系统比较

表1.系统比较

2.2新型液压制动系统设计

图4显示安装在UTM-02中的EHPU的集成块3D图。 与以前的气压制动系统相比，EHPU执行完全相同的功能和更好的性能。图5显示了EHPU原型的外部图片。表2显示了EHPU的总体规格，表3显示了EHPU的部件列表和说明，表2，表3和图6可根据系统要求进行多种应用和设计。

图4 EHPU 3D绘图

图5 EHPU的原型

表2. EHPU的规格

表3.关于EHPU的部件清单

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