T-CI 173-2023 軌道交通直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性計(jì)算方法

中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)發(fā)布ICS29.160.30CCSK26CI準(zhǔn)OperatingcharacteristicscalculationmethodoflinearinductionmachineT/CI173-2023本標(biāo)準(zhǔn)按照《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫(xiě)》GB/T1.1-2020給出的規(guī)則起草。某些內(nèi)容可能涉及專利，本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別這些專利的責(zé)任。本文件由華中科技大學(xué)提出。本文件由中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)歸口。本文件起草單位：華中科技大學(xué)、襄陽(yáng)中車電機(jī)技術(shù)有限公司、株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司、同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電工研究所、中車株洲電機(jī)有限公司、湖南中車尚驅(qū)電氣有限公司、淄博京科電氣有限公司、長(zhǎng)沙一派直驅(qū)科技股份有限公司、湖北環(huán)一電磁裝備工程技術(shù)有限公司。本文件主要起草人：徐偉、葛健、廖凱舉、李耀華、胡冬、李偉業(yè)、黃直峰、袁文燁、林國(guó)斌、蘇詩(shī)湖、王珂、葛瓊璇、郭穎聰、成思偉、上官用道、王禹、何明杰、何云風(fēng)、李明賢、董義鵬、劉少克、鄭球輝、黃誠(chéng)、肖新宇、肖晗、唐一融、包振。1T/CI173-2023軌道交通直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性計(jì)算方法本文件規(guī)定了軌道交通行業(yè)短初級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)（后續(xù)簡(jiǎn)稱為“直線感應(yīng)電機(jī)”）運(yùn)行特性計(jì)算的總體技術(shù)要求，內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)的范圍、規(guī)范性引用文件、術(shù)語(yǔ)和定義、等效電路模型、參數(shù)計(jì)算、運(yùn)行特性計(jì)算、運(yùn)行特性計(jì)算流程。本文件適用于軌道交通行業(yè)中直線感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行特性計(jì)算，包括在確定的電壓、頻率或電流、頻率激勵(lì)條件下，計(jì)算電機(jī)在一定速度下的推力、效率、功率因數(shù)、法向力等性能，進(jìn)一步可得到電機(jī)的運(yùn)行特性曲線。實(shí)施本標(biāo)準(zhǔn)所得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，可作為直線感應(yīng)電機(jī)性能評(píng)價(jià)依據(jù)，也可為直線感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)、控制提供技術(shù)支撐。對(duì)于在工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域使用的相同結(jié)構(gòu)直線感應(yīng)電機(jī)，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的運(yùn)行特性計(jì)算方法同樣適用。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用是必不可少的。所有引用文件及其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB755《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》GB/T2900.25《電工術(shù)語(yǔ)旋轉(zhuǎn)電機(jī)》GB/T2900.36《電工術(shù)語(yǔ)電力牽引》GB/T2900.74《電工術(shù)語(yǔ)電路理論》GB/T2900.83《電工術(shù)語(yǔ)電的和磁的器件》GB/T32349-2015《軌道交通電力牽引變流器供電的短初級(jí)直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)》GB/T32383-2020《城市軌道交通直線電機(jī)車輛通用技術(shù)條件》CJ/T311-2009《城市軌道交通直線感應(yīng)牽引電機(jī)技術(shù)條件》3術(shù)語(yǔ)和定義GB/T2900.25、GB/T2900.36、GB/T2900.74、GB/T2900.83和GB/T32349-2015界定的術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。2T/CI173-2023品質(zhì)因數(shù)Qualityfactor評(píng)價(jià)直線感應(yīng)電機(jī)性能的因數(shù)，表示電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能力。3.2行波電流層Travellingwavecurrentlayer分析電機(jī)內(nèi)部電磁場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，用光滑表面代替實(shí)際開(kāi)槽的初級(jí)鐵芯，并用假想的具有無(wú)限薄的電流層代替實(shí)際初級(jí)載流繞組，該電流層用線電流密度表示。3.3內(nèi)功率因數(shù)Internalpowerfactor感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與初級(jí)相電流之間夾角的余弦。4等效電路模型軌道交通直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。圖1直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1中，p為極對(duì)數(shù)；τ為極距；y1為初級(jí)繞組節(jié)距；δe為機(jī)械氣隙長(zhǎng)度；d為次級(jí)導(dǎo)體厚度；V2為初級(jí)移動(dòng)速度。根據(jù)圖1建立直線感應(yīng)電機(jī)T型等效電路模型，如圖2所示。圖2直線感應(yīng)電機(jī)T型等效電路模型圖2中，Us、Em為初級(jí)電壓和電動(dòng)勢(shì)相量；Is、Im、電流和次級(jí)支路電流相量；Rs、RFe為初級(jí)電阻、鐵損電阻；Xls、Xlr為初級(jí)漏抗、次級(jí)漏抗；3LSsinLSsin(δsβ)LScos(δsβ)Xm為勵(lì)磁電抗，X為修正前的勵(lì)磁電抗，Kx(s)、Cx(s)為勵(lì)磁電抗的縱向端部效應(yīng)修正系數(shù)和橫向邊緣效應(yīng)修正系數(shù)；Rr為次級(jí)電阻，Rr,為修正前的次級(jí)電阻，Rr,由次級(jí)導(dǎo)體電阻Rcon和次級(jí)背鐵電阻Rback并聯(lián)而成，Kr(s)、Cr(s)為次級(jí)電阻的縱向端部效應(yīng)修正系數(shù)和橫向邊緣效應(yīng)修正系數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。5參數(shù)計(jì)算依次建立一維和二維解析模型，進(jìn)而得到考慮端部效應(yīng)和集膚效應(yīng)的修正系數(shù)，次級(jí)電阻和勵(lì)磁電抗的縱向端部效應(yīng)修正系數(shù)為：式中，pe為等效極對(duì)數(shù)，如果待計(jì)算電機(jī)為全填充槽直線感應(yīng)電機(jī)，pe=p，如果為半填充槽pepe=2μ0σsfτ2πg(shù)e0為真空磁導(dǎo)率；σs為次級(jí)導(dǎo)體面電導(dǎo)率；f為頻率；ge為等效電磁氣隙，ge=KsKc(δe+d)，Ks為卡特系數(shù)，Kc為磁路飽和系數(shù)；中間參數(shù)C1、C2為：|||||=2peτcosδsN「c11e2pτcsin(δsβ+2peτS)]|||||=2peτcosδsNc11sin(σsβ)|||||「c11e2pτccos(δs|||||=2peτsinδsN+Se2pτcsin(δsβ+2peτS)+c=2peτsinδsN(3)(4) μ0 geX= μ0 geX=22e為4次級(jí)電阻和勵(lì)磁電抗的橫向邊緣效應(yīng)修正系數(shù)為：Re[T]Re2[T]+Im2[T]}T/CI173-2023(5)(6)「λ]2L式中，T=j|R2+(1-R2)「λ]2L12+j；a1為初級(jí)鐵芯寬度的一半。集膚效應(yīng)系數(shù)為：初級(jí)電阻為：式中，pCu為初級(jí)繞組電阻率；lc為初級(jí)繞組單匝長(zhǎng)度；W1為初級(jí)繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；SCu為初級(jí)繞組單匝截面積；aN為并聯(lián)支路數(shù)。初級(jí)漏抗為：Xls=0.158fW12+(9)式中，q為每極每相槽數(shù)；λs、λt、λe、λd分別為槽、齒、端部和繞組諧波漏磁導(dǎo)。修正前的勵(lì)磁電抗為：式中，m為相數(shù)；kw1為初級(jí)繞組系數(shù)；Vs為同步速度，Vs=2fτ。次級(jí)背鐵電阻大小與磁場(chǎng)透入深度有關(guān)，即：5T/CI173-2023式中，PFe為次級(jí)背鐵的體電阻率，μFe為次級(jí)背鐵的磁導(dǎo)率。修正前的次級(jí)背鐵電阻、次級(jí)導(dǎo)體電阻和次級(jí)電阻分別為：P2backpeτ2σspeτRRrR基于復(fù)功率傳遞相等原則，次級(jí)漏抗的表達(dá)式為：KR,Xlr=鐵耗等效為與勵(lì)磁支路串聯(lián)的鐵損電阻：(12)(13)(14)(15)(16)式中，PFet、PFey、PFeb分布為初級(jí)齒部鐵耗、初級(jí)軛部鐵耗和次級(jí)軛部鐵耗，計(jì)算式為：(|pFet |2f1.3(50)Wt2f1.3(50)Wy2sf1.3(50)Wb(17)式中，P10/50為單位重量的鐵耗率；Bt、Ba、Bb分別為初級(jí)齒部、初級(jí)軛部和次級(jí)軛部磁密；Wt、Wa、Wb為初級(jí)齒部，初級(jí)軛部和次級(jí)軛部鐵的質(zhì)量。6運(yùn)行特性計(jì)算由圖1可知，直線感應(yīng)電機(jī)等效電路的總阻抗為：(18)Z=Z+Z//Z(18)式中，Zs、Zm、Zr分別為初級(jí)、勵(lì)磁和次級(jí)支路的阻抗。內(nèi)功率因數(shù)為：6rmcosθ=Re(Zr//ZmrmZ//Z6.1電流特性計(jì)算初級(jí)繞組電流、次級(jí)支路電流幅值分別為：UsZZ//ZrI=Z//ZrrsZ6.2機(jī)械特性計(jì)算機(jī)械輸出功率為：PmIr2KfKr(s)Cr(s)Rr,推力為：P-p2P-p2V式中，pΔ為雜散損耗，一般為機(jī)械輸出功率為0.5%。6.3功率因數(shù)特性計(jì)算初級(jí)銅耗為：次級(jí)渦流損耗為：pcu2=mIr2KfKr(s)Cr(s)R,鐵耗為：FeFetFeyFeFetFey輸入有功功率為：P總復(fù)功率為：功率因數(shù)為：ST/CI173-2023(19)(20)(21)(22)(23)(24)(25)(26)(27)(28)(29)7T/CI173-20236.4效率特性計(jì)算效率為：η=6.5法向力特性計(jì)算P-pΔP(30)根據(jù)圖1建立五區(qū)域次級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)模型，僅適用于圖1所示直線感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，區(qū)域1為初級(jí)鐵芯；區(qū)域2為氣隙；區(qū)域3為次級(jí)導(dǎo)體；區(qū)域4為次級(jí)鐵心；區(qū)域5為空氣。行波電流層J1位于區(qū)域1和區(qū)域2之間，變量δ2，δ3，δ4為每層材料的厚度。圖3五區(qū)域次級(jí)直線感應(yīng)電機(jī)模型根據(jù)材料的屬性，區(qū)域2、3和5的磁導(dǎo)率為空氣磁導(dǎo)率；區(qū)域2和5的電導(dǎo)率為0；區(qū)域1和4因磁路飽和的影響，磁導(dǎo)率是變化的，根據(jù)μ=BH求解。法向力為：4(μ0Φe)式中，|z2|為氣隙層表面阻抗；|H1|為緊貼初級(jí)行波電流層的磁場(chǎng)強(qiáng)度切線分量的絕對(duì)值；Sp為初級(jí)有效面積。各區(qū)域的表面阻抗為：jμ2Φez54z5tanh(r4δ4z3(32)(33)(34)82z=2z[z3+ztanh(r2δ2)](35)式中，z，z，z為氣隙、次級(jí)導(dǎo)體和次級(jí)背鐵的特性波阻抗，表達(dá)為：ez2,jμ0ez=z=,jμ4ez=z=(36)(37)(38)kk2μ0σ3rk2+jsμ4σ4。緊貼次級(jí)行波電流層磁場(chǎng)強(qiáng)度切線分量的絕對(duì)值|H|為：55-1|J1k55為中間系數(shù)，表達(dá)為：k55(39)(40)/(jμ0表達(dá)為：TT(41)式中，T2、T3、T4為每個(gè)區(qū)域的轉(zhuǎn)移矩陣，表達(dá)為：[T)sh(rnδn)|(βnsh(rnδn)ch(rnδn))|7運(yùn)行特性計(jì)算流程直線感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行特性計(jì)算流程如圖4所示，其他原始數(shù)據(jù)指激勵(lì)源的電壓、頻率或電流、頻率，電氣量指等效電路模型中的電壓、電流。具體流程如下：步驟1輸入電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)及其他原始數(shù)據(jù)；9T/CI173-2023步驟2初設(shè)內(nèi)功率因數(shù)，可設(shè)在0.50-0.60之間；步驟3