CN115214377A - 定子段换步控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于磁浮列车的定子段换步控制方法，包括：响应于该列车到达换步点，基于该列车的当前速度、该列车的车长和单节车厢重量、该列车的单节车单侧且单位速度的电机反电势系数、以及定子段换步控制系统的特性时间常数确定第一电流变化率和第二电流变化率，其中，该第一电流变化率与该单节车厢重量成正比，与该当前速度、该电机反电势系数和该特性时间常数成反比，该第二电流变化率与该单节车厢重量成正比，与该电机反电势系数成反比；以及根据该第一电流变化率和该第二电流变化率中的较小的一者控制换步过程中定子段的电流下降和上升。

Description

定子段换步控制方法及系统

技术领域

本发明涉及采用地面长定子直线电机驱动实现磁浮列车运行的高速磁浮交通牵引控制系统，尤其涉及一种定子段换步控制方法及系统。

背景技术

为了提高供电效率，降低损耗，用于牵引磁浮列车的长定子直线电机采用分段供电的方式，即将沿线的电机定子划分为若干小段，只有列车所在的那一段定子绕组是通电的。当列车从一个定子段跨越到另一个定子段时，牵引电机控制单元将牵引变流器的输出电流经馈电电缆从前一个定子段切换到下一个定子段，以实现驱动列车运行的目的。这通过控制沿轨道线路布置的定子开关站中的真空接触器进行交替连接或断开实现。这种将馈电电流从一个定子段切换到另一定子段的方法，称为定子段换步方法。

两侧轨道的定子段为交错排布的结构。当列车处于非换步状态时，列车的两侧轨道相当于各有一个直线电机独立工作。当列车处于换步过程中时，由牵引电机控制单元根据列车当前位置和速度实时计算出合适的换步时机，首先使车辆正在离开的定子段的电流关断并下降到零，然后使车辆正在进入的定子段的电流导通并上升。此时相当于只有一侧的电机在正常工作，列车牵引力会产生脉动和下降，将会造成供电电流在定子段上的功率损失以及乘客乘坐舒适性降低。

为了减少功率损失，在换步过程中应让定子段上的电流尽可能快速的上升和下降，但如果电流变化太快，又将导致牵引力变化过于剧烈，从而对乘坐舒适性造成影响。因此，如何对换步过程中定子段电流上升和下降的速率进行限制是列车能够高效平稳的行驶于各个定子段之间的关键技术之一。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种用于列车的定子段换步控制方法，包括：

响应于该列车到达换步点，基于该列车的当前速度、该列车的车长和单节车厢重量、该列车的单节车单侧且单位速度的电机反电势系数、以及定子段换步控制系统的特性时间常数确定第一电流变化率和第二电流变化率，其中，该第一电流变化率与该单节车厢重量成正比，与该当前速度、该电机反电势系数和该特性时间常数成反比，该第二电流变化率与该单节车厢重量成正比，与该电机反电势系数成反比；以及

根据该第一电流变化率和该第二电流变化率中的较小的一者控制换步过程中定子段的电流下降和上升。

在一实例中，该第一电流变化率k₁满足约束条件：

该第二电流变化率k₂满足约束条件：

其中，U_px为该电机反电势系数，v为该当前速度，t_c为该特性时间常数，m为该单节车厢重量，L_车为该列车的车长，J_max为该列车的冲击率的最大允许值。

在一实例中，该第一电流变化率k₁取

的最大值，该第二电流变化率k₂取

的最大值。

在一实例中，该J_max被设为0.75。

在一实例中，该t_c为牵引电机控制单元发出当前定子段对应定子开关站真空接触器断开命令至下一定子段对应的定子开关站真空接触器执行闭合动作并进行状态反馈所经历的时间。

根据本发明的另一方面，提供了一种列车的定子段换步控制系统，包括：

牵引电机控制单元，配置成：

响应于该列车到达换步点，基于该列车的当前速度、该列车的车长和单节车厢重量、该列车的单节车单侧且单位速度的电机反电势系数、以及该定子段换步控制系统的特性时间常数确定第一电流变化率和第二电流变化率，其中，该第一电流变化率与该单节车厢重量成正比，与该当前速度、该电机反电势系数和该特性时间常数成反比，该第二电流变化率与该单节车厢重量成正比，与该电机反电势系数成反比；以及

根据该第一电流变化率和该第二电流变化率中的较小的一者控制换步过程中定子段的电流下降和上升。

在一实例中，该第一电流变化率k₁满足约束条件：

该第二电流变化率k₂满足约束条件：

其中，U_px为该电机反电势系数，v为该当前速度，t_c为该特性时间常数，m为该单节车厢重量，L_车为该列车的车长，J_max为该列车的冲击率的最大允许值。

在一实例中，该第一电流变化率k₁取

的最大值，该第二电流变化率k₂取

的最大值。

在一实例中，该J_max被设为0.75。

在一实例中，该t_c为该牵引电机控制单元发出当前定子段对应定子开关站真空接触器断开命令至下一定子段对应的定子开关站真空接触器执行闭合动作并进行状态反馈所经历的时间。

根据本发明的再一方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令在由处理器执行时，实施上述的方法。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了根据本发明的一方面的两步法定子换步方式下的牵引控制系统设备关系示意图；

图2示出了根据本发明的一方面的定子段换步流程的时序示意图；

图3示出了根据本发明的一方面的一种定子段换步状态的示意图；

图4示出了根据本发明的一方面的一种定子段换步状态的示意图；

图5示出了根据本发明的一方面的一种定子段换步状态的示意图；

图6示出了根据本发明的一方面的一种定子段换步状态的示意图；以及

图7示出了根据本发明的一方面的一种定子段换步方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图1示出了采用双端供电、两步法换步方式的高速磁浮牵引系统设备配置及连接关系。每个牵引变电站包含两套牵引变流器，经过沿线布置的定子开关站，通过馈电电缆分别给轨道左右两侧的定子段供电。每个定子开关站内都设置有若干个真空接触器，且每个定子开关站都分别对应一个SSC(定子开关站控制单元)。两个牵引变电站中间的所有SSC通过光纤与两端的牵引电机控制单元组成通信环网，其接受牵引电机控制单元的指令，控制对应定子开关站内的真空接触器动作，从而控制各个定子段与变流器之间的导通与断开。

图2示出了根据本发明的一方面的定子段换步流程的时序示意图。如图2所示，以列车中心点为参考点进行分析，整个换步过程可包括六个阶段：

阶段1)，根据列车当前速度、位置，牵引电机控制单元控制变流器使当前列车所在定子段电流减小至0，阶段1)耗时为t1；

阶段2)，牵引电机控制单元发出使当前定子段对应定子开关站真空接触器断开命令，定子开关站控制单元接收命令，阶段2)耗时为t2；

阶段3)，定子开关站真空接触器执行断开动作，并进行状态反馈，阶段3)耗时为t3；

阶段4)，牵引电机控制单元发出使下一定子段对应定子开关站真空接触器闭合命令，定子开关站控制单元接收命令，阶段4)耗时为t4；

阶段5)，定子开关站真空接触器执行闭合动作，并进行状态反馈，阶段5)耗时为t5；以及

阶段6)，牵引电机控制单元控制变流器使下一定子段电流增加到期望值，阶段6)耗时为t6。

在上述换步过程中，受限于系统的电特性和机械特性约束，t2、t3、t4、t5为定值。前定子段电流下降时间t1和后定子段电流上升时间t2取决于换步过程电流变化速率。图2中D_r为换步触发点到两个定子段交界点的距离，T为从触发换步命令开始到整个换步过程结束所用的总时间，T＝t1+t2+t3+t4+t5+t6。

乘客乘坐舒适性通常采用加速度的变化率，即冲击率J进行评价。为了保证舒适度，冲击率J不能大于阈值J_max。

忽略线路坡度等条件影响，加速度可由以下公式(2)计算：

式中F_L、F_R分别为左右电机推力，F_Z为列车阻力(加速时取负值，制动时取正值)，N为列车编组数，m为单节车重.

不考虑磁饱和和线路参数变化影响，即牵引力随车载电磁铁与定子段耦合长度线性变化，则电机推力F_X可由以下公式计算：

式中v为列车速度，I_S为定子段电流，U_P为电机反电势，U_px为单节车单侧、单位速度的电机反电动势，即反电势系数，η为列车长度覆盖当前定子段部分的比率。

列车的阻力主要包括三部分：空气阻力、涡流阻力以及发电机产生的制动力，其只与列车编组数(固定值)和速度有关。因定子段换步时间远远小于列车在一个定子段上的运行时间，所以在以下的描述中都假定换步过程中列车速度无变化，且换步前和换步后轨道同一侧定子段电流相等。因此列车阻力与加速度变化无关。

假定换步侧定子段为左侧定子段，右侧定子段在换步过程中电流不变，将式(2)和式(3)代入式(1)，可得换步过程应满足下面公式：

为了便于分析，考虑以下临界情况：当车头处于定子段分界点时刚好触发换步，待列车全部驶离前一定子段时整个换步过程刚好全部结束，如图3所示，此时有v_N＝L_车/T。

下面分几种情况分别进行描述，因前后定子段换步过程完全对称，下面所有描述都以前一定子段电流下降过程为对象。

(一)、换步前列车速度v≥v_N：

情形a，列车进入下一定子段之前，前一定子段电流已下降为零，此情形可由图4示出。从图4中可以看出，在电流下降过程中(t1时间内，列车从位置①运行到位置②)，列车全部覆盖于前一定子段上，此时D_r应大于等于列车在t1时间段行走的距离(位置①和位置②之间距离，等于

)加上一半车长(位置②和位置③之间距离，也即1/2L_车)的和，即满足如下关系：

此时：

根据式(4)，可以计算出电流下降斜率k应满足：

情形b，列车进入下一定子段时，前一定子段电流还未下降为零，如图5所示。从图5可以看出，在电流下降过程中(t1时间内，列车从位置①运行到位置③)，列车未一直全部覆盖于前一定子段上，此时D_r应小于列车在t1时间段行走的距离(位置①和位置③之间距离，等于

)加上一半车长(位置③和位置④之间距离，也即1/2L_车)的和，即满足如下关系：

为便于分析，将t1时间段拆分成两段，在ta阶时间段内，列车全部覆盖于前一定子段上，此时有η＝1，电流下降斜率k同样应满足式(7)。在tb时间段内，列车开始进下一定子段，这个时候列车与前一定子段的耦合长度为列车总长度减去此时列车进入后一定子段的长度，即N*L_车-v*t)，此时有

式中t_a为列车从位置①运行到位置②的时间，因位置①到位置②的距离等于D_r减去位置②到位置④的距离(也即一半车长)，所以有t_a＝(Dr-1/2L_车)/v。

D_r的长度等于列车在t1时间段运行的距离(列车运行速度v乘以电流下降时间I₀/k)加上位置③到位置④的距离(列车运行速度v乘以1/2t_c)。令t_c＝t₂+t₃+t₄+t₅，为固定值。将上式(9)代入式(4)，可以计算出电流下降斜率k应满足：

(二)换步前列车速度v＜v_N时

在这种情况下，前一个定子段电流下降之前，列车已经进入下一定子段，如图6所示。从图6可以看出，电流下降过程中(t1时间内，列车从位置①运行到位置②)，列车一直未全部覆盖于前一定子段上，这个时候列车与前一定子段的耦合长度为列车总长度减去此时列车进入后一定子段的长度，此时列车进入后一定子段的长度为车长一半减去D_r，即1/2L_车-Dr，则有

此情况下基于上述式(4)可以计算出电流下降斜率k同样满足上述公式(10)。

综上所述，在满足列车冲击率不超过限定值的条件下，两步法换步过程中电流变化斜率k应满足下表1的关系。

表1换步过程中电流变化斜率k取值范围

根据以上计算结果，在实际应用中，可针对不同的车型和运营场景，根据相关车辆参数、直线电机参数和运行参数等，分别计算上表中两个k值的最大值，再取其中较小的一个为依据控制定子段电流上升或下降，即可保证在满足乘坐舒适性指标的前提下又使得换步时间尽可能短。

图7示出了根据本发明的一方面的定子段换步方法700的流程图。

如图7所示，方法700可包括步骤710，其中，响应于所述列车到达换步点，确定第一电流变化率和第二电流变化率。

具体而言，可基于列车的当前速度、列车的车长和单节车厢重量、列车的单节车单侧且单位速度的电机反电势系数、以及定子段换步控制系统的特性时间常数确定第一电流变化率和第二电流变化率，其中，第一电流变化率与单节车厢重量成正比，与当前速度、电机反电势系数和特性时间常数成反比，第二电流变化率与单节车厢重量成正比，与电机反电势系数成反比。

根据一具体实施例，第一电流变化率k₁满足约束条件：

第二电流变化率k₂满足约束条件：

式中，U_px为电机反电势系数，v为当前速度，t_c为特性时间常数，m为单节车厢重量，L_车为列车的车长，J_max为列车的冲击率的最大允许值。这里，t_c为牵引电机控制单元发出当前定子段对应定子开关站真空接触器断开命令至下一定子段对应的定子开关站真空接触器执行闭合动作并进行状态反馈所经历的时间。

在一实例中，第一电流变化率k₁取

的最大值，第二电流变化率k₂取

的最大值，以实现换步速度最快。在一实例中，J_max取0.75m/s³。

方法700可包括步骤720，其中，根据上述确定的第一电流变化率和第二电流变化率中的较小的一者控制换步过程中定子段的电流下降和上升。

由此确定的第一电流变化率和第二电流变化率中的较小的一者在确保乘客舒适度的情况下，尽可能块地完成电流下降和上升以完成换步过程。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (11)

1.一种用于磁浮列车的定子段换步控制方法，包括：

响应于所述磁浮列车到达换步点，基于所述磁浮列车的当前速度、所述磁浮列车的车长和单节车厢重量、所述磁浮列车的单节车单侧且单位速度的电机反电势系数、以及定子段换步控制系统的特性时间常数确定第一电流变化率和第二电流变化率，其中，所述第一电流变化率与所述单节车厢重量成正比，与所述当前速度、所述电机反电势系数和所述特性时间常数成反比，所述第二电流变化率与所述单节车厢重量成正比，与所述电机反电势系数成反比；以及

根据所述第一电流变化率和所述第二电流变化率中的较小的一者控制换步过程中定子段的电流下降和上升。

2.如权利要求1所述的定子段换步控制方法，其特征在于，所述第一电流变化率k₁满足约束条件：

所述第二电流变化率k₂满足约束条件：

其中，U_px为所述电机反电势系数，v为所述当前速度，t_c为所述特性时间常数，m为所述单节车厢重量，L_车为所述磁浮列车的车长，J_max为所述磁浮列车的冲击率的最大允许值。

3.如权利要求2所述的定子段换步控制方法，其特征在于，所述第一电流变化率k₁取

的最大值，所述第二电流变化率k₂取

的最大值。

4.如权利要求2所述的定子段换步控制方法，其特征在于，所述J_max被设为0.75。

5.如权利要求2所述的定子段换步控制方法，其特征在于，所述t_c为牵引电机控制单元发出当前定子段对应定子开关站真空接触器断开命令至下一定子段对应的定子开关站真空接触器执行闭合动作并进行状态反馈所经历的时间。

6.一种磁浮列车的定子段换步控制系统，包括：

牵引电机控制单元，配置成：

响应于所述磁浮列车到达换步点，基于所述磁浮列车的当前速度、所述磁浮列车的车长和单节车厢重量、所述磁浮列车的单节车单侧且单位速度的电机反电势系数、以及所述定子段换步控制系统的特性时间常数确定第一电流变化率和第二电流变化率，其中，所述第一电流变化率与所述单节车厢重量成正比，与所述当前速度、所述电机反电势系数和所述特性时间常数成反比，所述第二电流变化率与所述单节车厢重量成正比，与所述电机反电势系数成反比；以及

根据所述第一电流变化率和所述第二电流变化率中的较小的一者控制换步过程中定子段的电流下降和上升。

7.如权利要求6所述的定子段换步控制系统，其特征在于，所述第一电流变化率k₁满足约束条件：

所述第二电流变化率k₂满足约束条件：

其中，U_px为所述电机反电势系数，v为所述当前速度，t_c为所述特性时间常数，m为所述单节车厢重量，L_车为所述磁浮列车的车长，J_max为所述磁浮列车的冲击率的最大允许值。

8.如权利要求7所述的定子段换步控制系统，其特征在于，所述第一电流变化率k₁取

的最大值，所述第二电流变化率k₂取

的最大值。

9.如权利要求7所述的定子段换步控制系统，其特征在于，所述J_max被设为0.75。

10.如权利要求7所述的定子段换步控制系统，其特征在于，所述t_c为所述牵引电机控制单元发出当前定子段对应定子开关站真空接触器断开命令至下一定子段对应的定子开关站真空接触器执行闭合动作并进行状态反馈所经历的时间。

11.一种计算机可读介质，其上存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在由处理器执行时，实施如权利要求1-5中任一项所述的方法。

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