真空管道HTS磁浮列車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)形加速器設(shè)計(jì)

真空管道HTS磁浮列車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)環(huán)形加速器設(shè)計(jì)在真空管道高溫超導(dǎo)磁浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，采用圓環(huán)形單邊長(zhǎng)初級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)磁浮列車做高速環(huán)形運(yùn)動(dòng)，為了提高驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率和功率因素，降低系統(tǒng)能耗及電源容量，直線電機(jī)采用分段供電技術(shù)。本文針對(duì)真空管道高溫超導(dǎo)磁浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的高速運(yùn)行，分析研究了直線電機(jī)分段供電原理及列車的安全運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)完成了用于真空管道高溫超導(dǎo)磁浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的環(huán)形分段供電加速器，并對(duì)加速器的響應(yīng)速度和安全監(jiān)控功能開展了測(cè)試，結(jié)果說明該加速器具有較高的響應(yīng)速度，控制系統(tǒng)能對(duì)小車的運(yùn)行狀態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷和保護(hù)，為真空管道高溫超導(dǎo)磁浮交通系統(tǒng)的應(yīng)用提供設(shè)計(jì)參考。

當(dāng)列車行駛速度超過400km/h后，會(huì)產(chǎn)生巨大的氣動(dòng)阻力、振動(dòng)和噪聲，不適宜載人運(yùn)輸，為了克服空氣阻力及傳動(dòng)摩擦帶來的影響，進(jìn)一步提高列車的行駛速度，于是將真空管道與磁浮列車結(jié)合在一起形成了真空管道磁浮交通系統(tǒng)，該系統(tǒng)最早由美國佛羅里達(dá)的機(jī)械工程師戴?！W斯特研究設(shè)計(jì)并申請(qǐng)了專利(美國專利號(hào):5950543)，20**年初，西南交通大學(xué)以超導(dǎo)與新能源研究開發(fā)中心(以下簡(jiǎn)稱超導(dǎo)中心)和電氣學(xué)院為依托，組建“磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，開始了真空管道交通運(yùn)輸系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探索研究，真空管道磁浮交通優(yōu)勢(shì)在于具有快速(理論速度可達(dá)第一宇宙速度)、方便、節(jié)能、安全和現(xiàn)實(shí)可行等特點(diǎn)。超導(dǎo)中心磁浮實(shí)驗(yàn)室，自主設(shè)計(jì)搭建了第一代真空管道高溫超導(dǎo)(HTS)磁浮列車實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該磁浮系統(tǒng)采用直徑為3m的圓環(huán)形永磁單軌，為HTS列車提供導(dǎo)向和懸浮，使用單段直線感應(yīng)電機(jī)對(duì)列車開展驅(qū)動(dòng)，通過該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開展了相關(guān)研究并初步獲取了一系列有價(jià)值的成果，由于受軌道半徑限制，列車實(shí)際只能在低速下運(yùn)行，包括國內(nèi)相關(guān)單位報(bào)道的類似低速實(shí)驗(yàn)環(huán)線，對(duì)于真空管道交通運(yùn)輸系統(tǒng)研究而言，是沒有太大意義的，而目前對(duì)高速真空管道運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)研究均以仿真模擬為主，未見有相關(guān)實(shí)驗(yàn)和設(shè)備報(bào)道，所以為了進(jìn)一步研究真空管道磁浮列車在高速下的運(yùn)行特性，在原系統(tǒng)的根底上開展了第二代真空管道HTS磁浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，為了克服環(huán)形實(shí)驗(yàn)線給列車帶來的強(qiáng)大離心力，考慮采用直徑6m的側(cè)掛圓環(huán)形永磁雙軌，為HTS列車提供導(dǎo)向和懸掛，使懸浮力提供向心力，并采用圓環(huán)形閉合長(zhǎng)初級(jí)單邊直線電機(jī)對(duì)列車開展連續(xù)驅(qū)動(dòng)，使列車在真空管道內(nèi)高速行駛。

為了使單邊長(zhǎng)初級(jí)直線電機(jī)初級(jí)便于安裝和維護(hù)，對(duì)電機(jī)初級(jí)開展分段加工組裝，當(dāng)電機(jī)采用雙層繞組時(shí)，其半填充槽可以通過相鄰初級(jí)段開展互補(bǔ)級(jí)聯(lián)，為了提高整個(gè)加速系統(tǒng)的效率和功率因素，降低系統(tǒng)對(duì)電源容量的要求，對(duì)直線電機(jī)開展分段并聯(lián)供電控制，通過傳感器檢測(cè)列車的位置，對(duì)列車行駛經(jīng)過的直線電機(jī)單元段開展供電控制，我們將供電部分的單元段認(rèn)為是直線電機(jī)的有效部分，其它未供電定子鐵心僅作為電機(jī)的邊界，這樣的分段供電單邊長(zhǎng)初級(jí)直線電機(jī)就可以等效為一個(gè)與列車保持相對(duì)靜止，而沿著圓環(huán)形側(cè)掛雙軌做高速環(huán)形運(yùn)動(dòng)的加速器。

1、直線電機(jī)分段供電原理

如圖1所示，是長(zhǎng)初級(jí)直線電機(jī)分段供電系統(tǒng)原理示意圖，整個(gè)系統(tǒng)由電機(jī)正反轉(zhuǎn)模塊、三相固態(tài)繼電器陣列、光電開關(guān)陣列和長(zhǎng)初級(jí)直線電機(jī)組成。一個(gè)三相固態(tài)繼電器(SSR)、一段直線電機(jī)(P)和一個(gè)光電開關(guān)(S)構(gòu)成一個(gè)電機(jī)模組，光電開關(guān)檢測(cè)列車的行駛位置，三相固態(tài)繼電器控制直線電機(jī)段的供電，若干模組拼接組合構(gòu)成完整的加速系統(tǒng)。

圖1長(zhǎng)初級(jí)直線電機(jī)分段供電原理圖

4、結(jié)論

本文研究設(shè)計(jì)了用于高速真空管道磁浮實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的環(huán)形加速器，分析了直線電機(jī)分段供電原理，給出了加速控制器原理框圖及軟件流程，完成了控制系統(tǒng)的集成和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果說明，在模擬磁浮列車高速行駛下，系統(tǒng)能準(zhǔn)確快速的響應(yīng)，并能對(duì)列車的運(yùn)行狀態(tài)開展安全監(jiān)控，同時(shí)能對(duì)故障電機(jī)段和非正常供電開展報(bào)警和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了主要的軟件功能，最后分析討論了磁浮列車在更高時(shí)速運(yùn)行下對(duì)控制系統(tǒng)的硬件要求。

環(huán)形加速器可以對(duì)磁浮列車開展高效、穩(wěn)定的連續(xù)驅(qū)動(dòng)