高速磁浮系统能耗与效率分析_高信迈.pdf

2023年6期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application轨道交通作为最经济、最节能和最环保的公共交通方式，一直以降低系统能耗、提高系统效率为主要目标。随着轮轨车辆逐渐接近理论运行速度，进一步提速几乎不可能，而利用磁悬浮无接触的高速磁浮列车具有突破速度限制的潜力。目前我国已经拥有上海高速磁悬浮示范线、长沙机场磁悬浮线、北京 S1 线、清远线和凤凰旅游线1。除上海示范线外，其余均为中低速磁悬浮线路。基于影响轨道交通能耗和效率的因素，本文通过能量传输路径分析了能耗与效率的关系，分别对高速磁悬浮、轮轨和中低速磁悬浮系统的牵引电机、牵引架构及车辆阻力进行了比较分析。不同牵引电机及牵引架构对应不同运行速度和能量需求，感应直线电机2-4因其效率和功率因数在系统中不占优势，但采用同步直线电机5-6的高速磁浮将励磁与牵引电流分离，获得不错的牵引效率。最后，通过对比，在相同速度下高速磁浮与轮轨人均能耗相当，高速磁浮拥有更高速度运行的能力，高速运行时，效率进一步提高。1轨道交通能量传递路径电气化轨道交通系统将电能转化为列车的高速动能和克服车辆阻力的机械能。将公网电能通过专用输电网络连接到牵引变电站和接触网，车辆配置受电弓，将高压电引入车辆馈电传输网络、牵引变流器和牵引电动机实现驱动列车，如图 1 所示。系统能耗主要包括能量传输损耗和车辆阻力能耗。牵引供电系统损耗主要包括变电所和馈线网络的输变电损耗、车载牵引设备损耗和辅助设备能耗。车辆阻力能耗至少包含机械传动摩擦能耗和行驶阻力能耗。Esys_mc=Ep_loss+Ev_c。（1）Esys_rc=Ep_loss+Efri_c+Ev_c。（2）Ev_c=Fopti_rVvt。（3）高速磁浮系统能耗与效率分析高信迈，张志强，郑景文（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）摘要：该文分析轨道交通能耗和效率表征节能的差异，效率高是系统能耗低的必要条件。通过研究不同牵引电机及牵引系统架构，分析高速磁浮、轮轨和中低速磁浮的各自系统效率，高速磁浮牵引电能传输转换效率与轮轨相当，远高于中低速磁浮的系统效率。研究不同制式的轨道交通阻力成分，分析不同速度下的能耗水平及不同制式的能耗比较，同速度级高速磁浮能耗水平与高速轮轨相当。最后高速磁浮拥有更高速度运行的能力，600 km/h 运行时系统效率达 83%以上。关键词：高速磁悬浮；高速轮轨；中低速磁悬浮系统；能耗；直线电机中图分类号：U455.6文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）06-0030-07Abstract:The paper analyzes the difference between energy consumption and efficiency of rail transport,and points out thathigh efficiency is necessary for low energy consumption.By studying different traction motors and traction system architectures,theefficiencies of high-speed maglev,wheel-rail and medium-low speed maglev are analyzed.The efficiency of high-speed maglevtraction is equivalent to that of wheel-rail,which is much higher than medium-low speed maglev system.The rail transport resis-tance of different systems is studied,and the energy consumption at different speeds and the energy consumption comparison ofdifferent systems are analyzed.The energy consumption of high-speed maglev is equivalent to that of high-speed wheel-rail at thesame speed level.Finally,the high-speed maglev has the ability to operate at higher speed,and the system efficiency reachesmore than 83%at 600 km/h.Keywords:high-speed maglev;high-speed wheel-rail;medium-low speed maglev system;energy consumption;linear motor基金项目：山东省重点研发计划（重大科技创新工程）（2020CXGC010202）第一作者简介：高信迈(1985-)，男，博士，工程师，磁浮技术主任研发师。研究方向为高速磁浮牵引供电技术。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.06.00730-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期式中：Esys_mc，Ep_loss，Ev_c分别为磁悬浮系统、牵引系统和运行阻力的能耗；Esys_rc，Efri_c分别为轨道系统能耗和摩擦阻力能耗；Fopti_r为车辆运行的阻力。图1轨道交通能量传递路径示意图高速磁浮采用非接触式电磁直驱方式牵引，系统能量的传输和转换均在地面完成。由于供电方式不同，高速磁浮能量损耗和轮轨系统也不同。主要有 2 个区别：高速磁浮系统没有滚动摩擦和机械传动损耗；轮轨系统采用集中式牵引驱动电机，高速磁浮牵引驱动电机远大于列车长度。车辆阻力和能量传输效率是车辆能耗的决定性因素。在高速轨道交通中，车辆阻力能耗是系统能耗的主要组成部分，牵引供电系统需要满足车辆能源需求，其效率间接影响系统能耗。不同的牵引架构具有不同的能量传输模式、传输容量和效率。减小车辆阻力可以减少车辆运行所需的能量。提高牵引供电系统及其部件的效率可以提高轨道交通系统的能量传输能力和效率，两者都可以降低系统能耗。2不同速度等级下高速磁浮系统效率目前，磁悬浮列车主要分为高速磁悬浮列车和低速磁悬浮列车。其牵引系统结构和牵引电动机截然不同。2.1异步感应电动机用于轮轨车辆牵引电动机的旋转异步电动机由硅钢定子、电枢（由分布式多匝双层铜绕组组成）、转子（由短路自闭铸铝导体和软磁钢组成）和支撑转子的机械轴承组成。中低速磁悬浮一般采用短定子异步直线电机。短定子属于车载设备，由硅钢片压制堆叠定子铁芯和多匝双层铜绕组组成。次级反应板沿轨道铺设，由铝板和软磁钢板组成。定子绕组由交流变流器供电，通过车载三相变流器产生旋转磁场。转子的感应电流和磁场由交变定子磁场产生。基于转子旋转频率的感应磁场与旋转磁场相对静止。通过这种方式，提供了稳定的转矩并保持了电机的稳定旋转。从图 2 可以看出，感应电机励磁电流和等效转子电流的矢量和等于定子绕组电流。保持输出功率不变，气隙越大，需要的励磁电流越大，励磁电流占定子电流的比例越高，即功率因数越低。励磁电流是建立电机气隙磁场的电流，不会直接转换功率，但其通过定子绕组馈入电机，也会导致定子铜损失，即电机效率低，如图 3 所示。当电机的气隙磁场保持恒定时，滑差率越大，转子电流越大，效率和功率因数越低，如图 4 所示。异步旋转感应电动机与异步直线感应电动机的区别：普通异步感应电动机的工作气隙仅为 0.52 mm，中低速磁悬浮异步直线电动机的工作间隙为 813 mm。一般异步感应电动机的转差率为 0.02，中低速磁悬浮的转差为 0.2，即磁悬浮直线异步电动机的转子电流和磁场频率更高。直线电机磁路开路，端极磁场泄漏总能量输入输变电列车负载机械摩擦运行阻力列车动能kV 电网110（220）牵引变电所单相27.5kV，50Hz接触网 AT 变压器 分区所受电弓变压器 变流器 电机齿轮 轮轨运行阻力G图2异步感应电机等效电路IsRSLSLrRrIrImRmLmESuS1-SSRr31-2023年6期创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and ApplicationIsRSLSESuS严重，端部电枢绕组不对称，降低了电机效率。图3异步感应电机气隙特性图4异步感应电机滑差特性基于间隙配合、机械装配误差和安全性等要求，磁悬浮异步直线感应电动机的气隙远大于旋转异步电动机，一般为 813 mm，中低速磁悬浮异步直线感应电动机的功率因数和效率都比旋转异步电动机差。2.2同步电机永磁旋转同步电机或电励磁线性同步电机的等效电路如图 5 所示。同步电动机的功率因数取决于电动机端电压和反电势之间的幅度差，即可以通过调节励磁电流来调节同步电动机的电源因数。永磁同步电机由具有硅钢定子和双层集中铜绕组的电枢、带有软磁钢的嵌入式永磁转子和支撑转子的机械轴承组成。转子上的永久磁铁可以等效于电路中的励磁电流。高速磁悬浮长定子同步直线电机的长定子沿轨道左右两侧布置，由层压硅钢片和单匝波铝绕组组成；磁极属于车载设备，由硅钢片和多匝铝箔绕组组成。由永磁体或电励磁产生的转子励磁产生主磁极磁场。将与磁极位置相关的三相交流电引入定子电枢绕组，形成旋转磁场或行波磁场，与主磁极磁场相互作用，产生牵引力矩或牵引力，实现车辆运行。图5同步电机等效电路电机气隙长度/mm1.00.5013852电机损耗电枢电流电机效率功率因数励磁磁阻一般异步电机磁浮异步直线电机IfufRfLfLmif从等效电路和同步电动机的特性可知，励磁电流随着间隙的增大而增大。保持输出功率不变，定子电流和功率因数与气隙无关。由于励磁功率的增加，电机效率略有下降，如图 6 所示。对于高速磁悬浮同步直线电机，单车牵引功率约为 4.2 MW，励磁功率为 80 kW。励磁损耗占牵引传输功率的一小部分。与旋转永磁同步电机相比，高速磁悬浮直线同步电机的主要区别在于气隙为 812mm，远大于一般约 2mm 的旋转永磁同步电机。中低速磁悬浮采用短定子感应直线电机，高速磁悬浮采用长定子同步直线电机。两者的工作气隙均为813mm，但气隙对其影响明显不同。图6同步电机气隙特性短定子直线感应电机的主极磁场和转子无功电流磁场的磁阻都随着气隙的增加而增加，并且主极磁场0.30.20.021.00.5电机功率定子电流转子电流功率因数效率一般异步电机磁浮异步直线电机滑差率 S电机间隙/mm定子电流功率因数励磁电流励磁阻抗效率1310132-创新前沿科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年6期电流和转子磁场电流都由电机定子绕组电流提供。当气隙增大或滑移率增大时，定子电流中的无功分量大大增加，导致短定子直线感应电机的功率因数和效率严重下降。直线同步电机气隙增大导致转子励磁电流增加，但与定子电流无关。电动机的功率因数可以通过调节励磁电流来调节，并且电动机的励磁功率与电动机的传输功率的比例很小，这对效率的影响有限。4 种轨道交通不同制式牵引驱动电机性能比较表，见表 1。4 种不同电机损耗和性能的定性比较，见表 2。表14种轨道交通不同制式牵引驱动电机性能比较表24种轨道交通不同制式牵引驱动电机损耗和性能的定性比较2.3牵引系统架构不同轨道车辆的牵引系统的供电结构有很大不同，牵引供电系统为车辆所需的能量提供传输通道。车辆的速度水平和阻力决定了车辆运行时的供电水平，牵引系统架构决定了供电能力和系统效率。2.3.1高速动车组的供电架构由图 7 可知，高速动车组牵引电源从 110 kV 公共电网引入牵引变电所，通过接触网沿轨道供电。该路段的车辆由受电弓移动提供动力。单相