交流励磁双绕组轨道涡流制动系统研究

The braking system is the guarantee of the safe operation of the high-speed train. The linear eddy current rail braking system has many outstanding advantages, such as friction-free, noiseless, simple control, good braking stability and no climate impact. It has been applied to high-speed trains in Europe and Japan at present.. This project puts forward and researches on a novel AC-excitation eddy-current rail braking system, compared with the traditional eddy-current brake system, this scheme has high braking force density, small excitation power inverter capacity, low temperature rise of rail, good system controllability, can effectively reduce the volume and weight of the braking system. This project takes the maximum braking force density as the goal, focuses on the mathematic model, design method, system characteristics and control strategy research of the novel AC-excitation eddy-current rail braking system, including establishing mathematical model and equivalent circuit of the braking system; research of the calculation method of circuit parameters with consideration of both longitudinal and transversal end effects; analysis of the influence of the structure parameters and the winding parameters on the braking force, study of the design method of the electromagnetic brake; analysis of excitation characteristics, loss characteristics and temperature rise characteristics of the braking system, confirming the method of defining the excitation inverter and the excitation capacitor capacity; analysis of the influence of excitation voltage/frequency, slip ratio on the braking force, research of the control strategy of the braking system.

制动系统是高速列车安全运行的保障。直线型轨道涡流制动系统具有无摩擦、无噪声、控制简单、制动平稳性好、不受气候影响等突出优点，目前已经在欧洲和日本的高速列车上得到应用。.本项目提出并研究一种新型交流励磁轨道涡流制动系统，与传统的涡流制动系统相比，本方案具有制动力密度高、励磁逆变器容量小、钢轨温升低、系统可控性好特点，可有效地减小制动系统的体积和重量。本项目以制动力密度最大为目标，重点围绕该新型交流励磁轨道涡流制动系统的数学模型、设计方法、系统特性以及控制策略展开研究：建立制动系统的数学模型与等效电路，研究考虑纵向、横向端部效应时电路参数的计算方法；分析制动器结构参数及绕组参数对制动力的影响，研究制动器的设计方法；分析制动系统的激磁特性、损耗特性及温升特性，明确励磁逆变器与励磁电容器容量的确定方法；分析励磁电压/频率、滑差率等对制动力的影响，研究制动系统的控制策略。

本项目提出了一种交流励磁双绕组轨道涡流制动系统，该系统由安装在高速列车转向架上的初级和钢轨次级两部分构成。初级电枢上布置有功率绕组和控制绕组两套绕组，功率绕组侧接励磁电容及负载电阻，控制绕组侧接逆变器，通过调节控制绕组电流的大小和频率，来维持列车在减速过程中制动力的恒定。本项目建立了双绕组轨道涡流制动系统在三相静止A-B-C坐标系及正交旋转d-q坐标系下的数学模型，建立了系统的动态等效电路。推导了双绕组轨道涡流制动器的等效电路及等效电路参数的计算式，并绘制了相量图。研究了不同励磁电容所对应的控制绕组电流的变化规律，以及控制绕组无功容量最小化时励磁电容的选取方法。分析了不同速度、不同励磁状态下制动器的气隙磁场、次级磁场与涡流分布特性；分析了制动器结构参数对制动力密度的影响；揭示了次级磁导率、电导率变化对制动特性的影响规律。确定了合理的双绕组轨道涡流制动器的设计流程，针对不同的指标要求、环境条件以及运行机制，以制动力密度最大为目标，研究制动器主要尺寸的设计方法，形成了双绕组轨道涡流制动器的通用设计方法与准则，为制动器的工程化设计与应用提供有力的理论与技术支撑。.经研究分析可知，励磁电容容值的增加会降低控制绕组侧逆变器的容量，但制动器所产生的制动力随容值的增加先增大后减小，因此励磁电容大小存在最优值。制动力随控制绕组电流的增加而增大，随控制绕组频率的增加先增大后减小。次级电阻率对制动力的影响与运行速度有关，高速下制动力随次级电阻率的增大而增大，低速下制动力随次级电阻率的增大而减小。制动力均随气隙长度的增加而减小，随初次级耦合面积的减小而减小。通过调节控制绕组电流的大小和频率，可实现钢轨降热率接近60%，大大降低轨道温升。与单绕组结构相比，双绕组结构在励磁电容大小为1000uF时，逆变器容量降低约22%；在励磁电容大小为2000uF时，逆变器容量降低约33%。因此，双绕组结构能够有效降低逆变器容量，提高逆变器设计的灵活性，具有良好的应用前景。