《T_CI 173-2023 轨道交通直线感应电机运行特性计算方法.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《T_CI 173-2023 轨道交通直线感应电机运行特性计算方法.docx（21页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、ICS 29.160.30CCS K26CI中国国际科技促进会 发 布团 体 标准T/CI 173-2023轨道交通直线感应电机运行特性计算方法Operating characteristics calculation method of linear induction machinein rail transit2023-11-3 发布2023-11-3 实施T/CI173-2023前 言本标准按照标准化工作导则 第 1 部分：标准的结构和编写GB/T 1. 1-2020 给出的规则起草。某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由华中科技大学提出。本文件由中国
2、国际科技促进会归口。本文件起草单位：华中科技大学、襄阳中车电机技术有限公司、株洲中车时代电气股份 有限公司、同济大学、中国科学院电工研究所、中车株洲电机有限公司、湖南中车尚驱电气 有限公司、淄博京科电气有限公司、长沙一派直驱科技股份有限公司、湖北环一电磁装备工程技术有限公司。本文件主要起草人：徐伟、葛健、廖凯举、李耀华、胡冬、李伟业、黄直峰、袁文烨、 林国斌、苏诗湖、王珂、葛琼璇、郭颖聪、成思伟、上官用道、王禹、何明杰、何云风、李明贤、董义鹏、刘少克、郑球辉、黄诚、 肖新宇、 肖晗、唐一融、包振。T/CI173-2023轨道交通直线感应电机运行特性计算方法1 范围本文件规定了轨道交通行业短初级
3、直线感应电机（后续简称为“直线感应电机”）运行特 性计算的总体技术要求，内容包括标准的范围、规范性引用文件、术语和定义、等效电路模型、参数计算、运行特性计算、运行特性计算流程。本文件适用于轨道交通行业中直线感应电机的运行特性计算，包括在确定的电压、频率 或电流、频率激励条件下，计算电机在一定速度下的推力、效率、功率因数、法向力等性能， 进一步可得到电机的运行特性曲线。实施本标准所得的计算结果与实测值相对误差在 5%以 内，可作为直线感应电机性能评价依据，也可为直线感应电机设计、控制提供技术支撑。对 于在工业、航空航天等领域使用的相同结构直线感应电机，本标准规定的运行特性计算方法同样适用。2 规
4、范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。所有引用文件及其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB 755 旋转电机 定额和性能GB/T 2900.25 电工术语 旋转电机GB/T 2900.36 电工术语 电力牵引GB/T 2900.74 电工术语 电路理论GB/T 2900.83 电工术语 电的和磁的器件GB/T 32349-2015 轨道交通 电力牵引 变流器供电的短初级直线感应电动机GB/T 32383-2020 城市轨道交通直线电机车辆通用技术条件CJ/T 311-2009 城市轨道交通直线感应牵引电机技术条件3 术语和定义GB/T 2900.25 、GB/T 2900
5、.36 、GB/T 2900.74 、GB/T 2900.83 和 GB/T 32349-2015 界定的术语和定义适用于本文件。3. 11T/CI173-2023品质因数 Quality factor评价直线感应电机性能的因数，表示电机将电能转化为机械能的能力。3.2行波电流层 Travelling wave current layer分析电机内部电磁场问题时，用光滑表面代替实际开槽的初级铁芯，并用假想的具有无限薄的电流层代替实际初级载流绕组，该电流层用线电流密度表示。3.3内功率因数 Internal power factor感应电动势与初级相电流之间夹角的余弦。4 等效电路模型轨道交通直
6、线感应电机结构示意如图 1 所示。图 1 直线感应电机结构示意图 1 中，p 为极对数；为极距；y1 为初级绕组节距；e 为机械气隙长度；d 为次级导体厚度；V2 为初级移动速度。根据图 1 建立直线感应电机 T 型等效电路模型，如图 2 所示。图 2 直线感应电机 T 型等效电路模型. . . . .图 2 中， Us 、 Em 为初级电压和电动势相量； Is 、 Im 、 Ir 为初级绕组电流、励磁支路电流和次级支路电流相量；Rs、RFe 为初级电阻、铁损电阻；Xls、Xlr 为初级漏抗、次级漏抗；2;L一S sin(s 一 )L一S cos(s 一 )T/CI173-2023Xm 为励磁
7、电抗，Xm(,)为修正前的励磁电抗，Kx(s) 、Cx(s)为励磁电抗的纵向端部效应修正系数和横向边缘效应修正系数；Rr 为次级电阻，Rr, 为修正前的次级电阻，Rr, 由次级导体电阻 Rcon 和次级背铁电阻 Rback 并联而成，Kr(s) 、Cr(s)为次级电阻的纵向端部效应修正系数和横向边缘效应修正系数；s 为转差率。5 参数计算依次建立一维和二维解析模型，进而得到考虑端部效应和集肤效应的修正系数，次级电阻和励磁电抗的纵向端部效应修正系数为：Kr (s ) = (1)Kx (s ) = (2)式中，pe 为等效极对数，如果待计算电机为全填充槽直线感应电机，pe=p ，如果为半填充槽3p
8、e =直线感应电机，(2p 一 1)24p 一 3 + y1 / (3q)2; G 为品质因数， G =20sf2ge; u0 为真空磁导率；s 为次级导体面电导率；f 为频率；ge 为等效电磁气隙，ge=KsKc(e+d) ，Ks 为卡特系数，Kc为磁路饱和系数；中间参数 C1 、C2 为：| | | | |C1 = 2pe coss 一 Nc1一 1e一2pec1 sin(s 一 + 2peS ) +Se一2pec1 cos(s 一 + 2peS )一c1一 1 sin(s 一 )| | | | |一c1一 1e一2pec1 cos(s 一 + 2peS )C2 = 2pe sins 一
9、N+Se一2pec1 sin(s 一 + 2peS ) +c1一 1 cos(s 一 )(3)(4)式中，s = tan一1 ；N = ；c1 = ；M = (c1一 1 )2 + S 2 ；k = ;S = k一 ;0 geX = tan一 1 ；A + A2 + B2A = (s V2 )2 ； B = ; e 为电流角频率； e = ； Y = 。次级电阻和励磁电抗的横向边缘效应修正系数为：C (s) = sGRe2 T+ Im2 Tr ReTRe2 T+ Im2 TCx (s) = ImT T/CI173-2023(5)(6)4 2L a1a 式中， T = j|R2 + (1 - R
10、2 ) tanh a1a |； R =11 + jsG; a2 = k2 + j ；a1 为初级铁芯宽度的一半。集肤效应系数为：Kf = A(1)1 1(1)B12(B12)si(si)nh2(nh2)(2(2)kd(kg e) (7)式中，A1 =cosh2 (kge ) + 2 ； B1 = 1 + 2 。初级电阻为：Rs = (8)式中，pCu 为初级绕组电阻率；lc 为初级绕组单匝长度； W1 为初级绕组每相串联匝数；SCu为初级绕组单匝截面积；aN 为并联支路数。初级漏抗为：Xls = 0.158fW12 + (9)式中，q 为每极每相槽数；s、t、e 、d 分别为槽、齿、端部和绕组
11、谐波漏磁导。修正前的励磁电抗为：Xm(，) = 4m0 (kw1W1 )2 (10)式中，m 为相数； kw1 为初级绕组系数；Vs 为同步速度， Vs = 2f 。次级背铁电阻大小与磁场透入深度有关，即：T/CI173-20235dback = 式中，PFe 为次级背铁的体电阻率，Fe 为次级背铁的磁导率。修正前的次级背铁电阻、次级导体电阻和次级电阻分别为：PFe 12a1 (kw1W1 )2Rback = dback pe =R 12a1 (kw1W1 )2cons peR RR, = con back con backr R + R基于复功率传递相等原则，次级漏抗的表达式为：K R,Xl
12、r = 铁耗等效为与励磁支路串联的铁损电阻：RFe = (11)(12)(13)(14)(15)(16)式中，PFet 、PFey 、PFeb 分布为初级齿部铁耗、初级轭部铁耗和次级轭部铁耗，计算式为：(| pFet |pFey |lpFeb2 f 1.3= P10/50Bt ( 50) Wt2 f 1.3= P10/50Ba ( 50) Wy2 sf 1.3= P10/50Bb ( 50) Wb(17)式中，P10/50 为单位重量的铁耗率；Bt 、Ba 、Bb 分别为初级齿部、初级轭部和次级轭部磁密；Wt 、Wa 、Wb 为初级齿部，初级轭部和次级轭部铁的质量。6 运行特性计算由图 1 可
13、知，直线感应电机等效电路的总阻抗为：(18)Z = Z + Z / /Zs r式中，Zs 、Zm 、Zr 分别为初级、励磁和次级支路的阻抗。内功率因数为：r mcos= Re(Zr / /Zm )Z / /Z 6. 1 电流特性计算初级绕组电流、次级支路电流幅值分别为：UI = s s Z Z / /Z rI = I r m r s Z 6.2 机械特性计算机械输出功率为：P = mIr2 Kf Kr (s)Cr (s)Rr,推力为：P - p2F = V式中，p为杂散损耗，一般为机械输出功率为 0.5%。6.3 功率因数特性计算初级铜耗为：pcu1 = mIs2Rs次级涡流损耗为：pcu2
14、= mIr 2Kf Kr (s)Cr (s)R,铁耗为：Fe Fet Fey Febp = p + p + p输入有功功率为：Pin = P + pcu1 + pcu2 + pFe总复功率为：in s sS = 3U I功率因数为：incosQ = Pin ST/CI173-2023(19)(20)(21)(22)(23)(24)(25)(26)(27)(28)(29)6T/CI173-202376.4 效率特性计算效率为： =6.5 法向力特性计算P - pP + pcu1 + pcu2 + pFe(30)根据图 1 建立五区域次级直线感应电机模型，仅适用于图 1 所示直线感应电机结构，如
15、图 3 所示，区域 1 为初级铁芯；区域 2 为气隙；区域 3 为次级导体；区域 4 为次级铁心；区域 5 为空气。行波电流层 J1 位于区域 1 和区域 2 之间，变量2 ，3 ，4 为每层材料的厚度。图 3 五区域次级直线感应电机模型根据材料的属性，区域 2 、3 和 5 的磁导率为空气磁导率；区域 2 和 5 的电导率为 0；区域 1 和 4 因磁路饱和的影响，磁导率是变化的，根据 = B H 求解。法向力为：Fy = - 0 Sp | H1 |2 (|1 - 2 2 | z2 |2 )| (31)4 ( 0 e )式中，| z2 | 为气隙层表面阻抗； | H1 | 为紧贴初级行波电流
16、层的磁场强度切线分量的绝对值；Sp 为初级有效面积。各区域的表面阻抗为：j2ez5 = kz = z4(,) z5 + z4(,)tanh (r44 )4 z4(,) + z5tanh (r44 )z3(,)z4 + z3(,)tanh(r33 )z3 = z3(,) + z4 tanh(r33 )(32)(33)(34)式中，3 ，4 为区域 3 和 4 的电导率；4 为区域 4 的磁导率；系数 r2 = k ，r3 =,T/CI173-202382z =z2(,)z3 + z2(,)tanh(r22 )z2(,) + z3tanh(r22 )(35)式中， z2(,) ，z3(,) ，z4
17、(,) 为气隙、次级导体和次级背铁的特性波阻抗，表达为：, j0负ez2 = k, j0负ez = 3 k2 + js负e 03, j4负ez = 4 k2 + js负e 44(36)(37)(38)k2 + js负e 03r4 = k2 + js负e44 。紧贴次级行波电流层磁场强度切线分量的绝对值| H1(,)| 为：| H1(,) |=| k55 - 1| J1k55 为中间系数，表达为：k55 = (39)(40)式中，1 = r1 / (jk1 ) ； 5 = r1 / (j0 ) ；r1 = k2 + j负e11 ；t11 ，t12 ，t21 ，t22 为中间变量，表达为：(|（t
18、(t)21(11) t(t)22(12) = T = T4 T3 T2 (41)式中，T2 、T3 、T4 为每个区域的转移矩阵，表达为：Tn = (| ch(rnn ) sh(rnn )| n = 2, 3, 4 (42)|(nsh(rnn ) ch(rnn ) )|7 运行特性计算流程直线感应电机运行特性计算流程如图 4 所示，其他原始数据指激励源的电压、频率或电流、频率，电气量指等效电路模型中的电压、 电流。具体流程如下：步骤 1 输入电机结构参数及其他原始数据；T/CI173-2023步骤 2 初设内功率因数，可设在 0.50-0.60 之间；步骤 3 根据内功率因数计算视在功率、磁通量及各部分磁密等，同时查找铁磁材料对应的磁化曲线；步骤 4 根据已知结构参数、原始数据、磁路结构等计算并校正等效电路模型参数；步骤 5 各个电气量的计算；步骤 6 根据上述计算结果重新计算内功率因数，内功率因数修改值 ，i为迭代计算次数；步骤 7 判断本轮与上一轮计算的内功率因数（如果为第一轮计算则为初设内功率因数） 偏差是否超过限制（如 1%），若超过，将步骤 6 所得内功率因数修改值代入步骤 3 ，否则跳转至步骤 8；步骤 8 计算包括推力、效率、功率因数、法向力等在内的运行特性量，计算结束。图 4 直线感应电机运行特性计算流程9