Том 4, № 2 (2018)

Обоснование: Новой сферой применения транспортных систем на магнитном подвесе являются грузовые контейнерные перевозки. Для реализации транзитного потенциала страны требуется повышение маршрутной скорости контейнерных поездов.

Цель. Целью работы является исследование возможности создания скоростной транспортной системы с магнитным подвесом для контейнерных перевозок по Евро-Азиатскому сухопутному мосту.

Методика. В качестве исследовательского инструментария использованы методы ситуационного анализа, компьютерного моделирования, транспортной географии, технико-экономического анализа.

Результаты. Анализ ситуации на рынке транзитных контейнерных перевозок показал, что основным препятствием реализации транзитного потенциала России является ограниченная пропускная способность существующих транспортных коридоров. Кардинальным решением проблемы может стать строительство новой высокоскоростной транспортной системы. Выявлены факторы, определяющие условия создание новой транспортной системы. Среди них: использования транспортных возможностей Азово-Черноморского бассейна, обеспечение доступности северных территорий, разработка технических решений обеспечивающих создание транспортной системы с низко затратной инфраструктурой. Выполнена разработка комбинированной тягово-левитационной системы на основе предельно простого варианта линейного реактивного индукторного двигателя.  Проведены экспериментальные исследования полнофункциональной физической модели транспортной платформы. Оценка эффективности инвестиционного проекта показала, что, несмотря на большие первоначальные капиталовложения в путевую инфраструктуру, проект имеет положительный экономический результат.

Научная новизна. Разработана компьютерная модель комбинированной тягово-левитационной системы на основе линейного реактивного индукторного двигателя.

Практическая значимость. Предложена концепция построения новой транспортной системы с учетом характеристик предполагаемого полигона эксплуатации на слабо освоенных территориях. Предложен маршрут высокоскоростной трассы, связывающий Азово-Черноморского бассейн с побережьем Тихого океана, полностью проходящий по территории России, затрагивая северные регионы. Оценка транзитного потенциала показала, что за счет сокращения времени транзита возможно привлечение на маршрут контейнерных грузов с объемом перевозок 1,52 млн. в двадцатифунтовом эквиваленте.

With the advantages of high speed, low noise and high efficiency, the electromagnetic suspension (EMS) type maglev train has a good prospect in railway transportation. It is based on the long stator linear synchronous motor (LSLSM). However, due to cogging effect, end effect and the harmonics in the stator current and flux density distribution around the air-gap, the thrust generated by the LSLSM fluctuates. The thrust ripple brings noise, drop of control accuracy, even causes the resonance of train. In this paper, the thrust ripple produced by the cogging effect and flux linkage harmonics is analyzed. Then a method of harmonic current injection is proposed to compensate cogging force and reduce the thrust ripple, without influence the decoupling control of traction and suspension system. The injected current harmonics are controlled under multiple rotating reference frames independently. Finally, based on voltage equations of harmonics, the decoupled harmonic current controllers with harmonic voltage feedforward are designed, which improve the performance of current harmonics response and thrust ripple suppression. Simulation results on Simulink verify the effectiveness of proposed thrust ripple suppression method for LSLSM.

Background: In the maglev train propelled by long stator linear synchronous motor (LSLSM), the thrust characteristics are one of important points to evaluate the performance of the system. However, coupling effect exists between the propulsion and levitation system. Therefore, the interference from the levitation system must be considered when the propulsion system is designed.

Aim: The article focus on the analysis of coupling characteristics of thrust and levitation force of maglev train, and a special excitation system is designed for the study.

Methods: In order to study the thrust performance under the fluctuating air gap field under laboratory conditions, a rotating synchronous motor has been designed to imitate the long stator linear synchronous motor applied in high speed maglev train. And a special excitation system is designed for the rotating synchronous motor, which can simulate the fluctuation of the exciting current during the actual operation of maglev train. The air gap of the rotating synchronous motor is kept as constant, and the fluctuating excitation current is added to the excitation winding of the rotating synchronous motor, thus the simulation of air gap magnetic field variation is achieved.

Results: The special excitation system of the experimental motor is introduced in detail.

Conclusion: The relationship between thrust and levitation force of long stator linear synchronous motor (LSLSM) in maglev train is strong coupling, non-linear, and dynamic. Complete decoupling of thrust and levitation force is not easy to be achieved. The experimental platform has been built to study the coupling characteristics of thrust and levitation force of maglev train.

Aim: For exploring and testing the key technology of high-speed maglev transportation propulsion control system, this paper designs and establishes a hardware-in-the-loop (HIL) real-time simulation system of the high-speed maglev transportation five-segment propulsion system.

Materials and methods of the studies: According to the route conditions and propulsion segment division of Shanghai maglev demonstration and operation line, the real-time simulation platform based on dSPACE multiprocessor systems is implemented. The simulation system can achieve the functional simulation of all the high-power related equipment in the 5-segment area, including 8 sets of high-power converter units, 2 sets of medium-power converter units, 2 sets of low-power converter units, five-segment trackside switch stations and long-stator linear synchronous motors. The mathematical models of linear motors and converters are built in MATLAB/Simulink and System Generator, after compiling, they can be downloaded and executed in Field Programmable Logic Array (FPGA). All the interfaces connecting the simulation system to the propulsion control system physical equipment use real physical components as in the field, such as analog I/O, digital I/O, optical signals and Profibus.

Results: By using CPU+FPGA hardware configuration, the simulation steps are greatly shortened and the response speed and accuracy of real-time simulation system are improved. The simulation system can simulate multiple operating modes such as multi-segment, multi-vehicle, double-track, double-feeding, step-by-step stator section changeover, and so on. The simulation results show that the maximum speed of the simulation system can reach 500 km/h.

Conclusion: This HIL system can provide detailed real-time on-line test and verification of high speed maglev propulsion control system.

This paper is a study of the electromagnet-track coupled high frequency resonance that frequently occurs in the urban maglev systems, it includes the following points:

Aim: The purpose of this study is to investigate the principle underlying the high frequency resonance occurs between the maglev train and the track, and to develop an appropriate vibration control algorithm which can be applied in the levitation controller, such that the resonance can be eliminated when the maglev train travels along the track.

Materials and methods of the studies: In this paper, the model of the electromagnet-track coupled system is firstly established, in which some special cases, which correspond to the situations when the screws that fasten the F-rail to the sleepers are fatigue, or the stiffness of the rubber plates beneath the sleepers weaken for temperature reasons, are studied; and the reason that leads to the coupled resonance are explained as well. Secondly, an adaptive vibration control algorithm, which consists of a vibration observer and a tunable adaptive filter, is designed to suppress the high frequency electromagnet-track coupled resonance.

Results: Using this algorithm, when the train arrives at the spots where the coupled resonance may occur, the vibration observer will detect the occurring of the vibration and estimates its frequency, and then activate the adaptive filter and tune it to absorb the vibration.

Conclusion: The test indicates that this algorithm is capable of tuning itself to handle the unpredictable coupled resonance that occurs along the track, and it is simple and can be easily integrated into the levitation control code in a digital levitation control system.

Background: The mid-low speed Maglev train adopts the single-sided linear induction motors (SLIMs) as drive part, of which design and control method has become research hotspot when the velocity is elevated from 120 km/h to 160 km/h.

Aim: For SLIMs applied in 160 km/h low-speed maglev train, the design scheme is introduced and then a novel variable slip frequency control method is proposed.

Methods of the studies: This control method adopts low slip frequency at start-up to produce large starting traction force and high slip frequency during high velocity area to obtain great power. The influence to the normal force is also investigated.

Results: With this method, the weight of the system can be effectively reduced and the lightweight design of SLIM is realized.

Conclusion:  The novel variable slip frequency control method meets the requirement of both high starting acceleration and enough residual acceleration for 160 km/h mid-low speed maglev train.

Background: The Auxiliary Stopping Area (ASA) is the special section that possesses power supply rail and personnel evacuation facilities, whose quantities and locations in a line are of great significance to reduce construction cost and improve transportation efficiency for the middle-to-high speed maglev.

Aim: This paper focuses on optimizing the length and location of the ASA for the middle-to-high speed maglev system to improve the robustness of maglev line.

Methods of the studies: Two evaluation indexes which reflect the ASA restricts on the train operation process was proposed. A model for optimizing the setting of the ASA is constructed, and solved by the genetic algorithm.

Results: The result of numerical examples shows that the proposed method can effectively improve the performances of the ASA.

Conclusion: This paper proposed two indexes to reflect the impact of station settings on train operations, which provides a method to optimize the ASA from qualitative optimization to quantitative optimization.

Обоснование: Тяговые линейные асинхронные двигатели (ЛАД) на современном этапе развития человеческого общества являются наиболее перспективными для высокоскоростного магнитолевитационного транспорта (МЛТ) и уже используются в ряде коммерческих проектов. Линейные асинхронные двигатели могут выполняться с продольным, поперечным и продольно-поперечным магнитным потоком и иметь большое количество вариантов конструкций.

Цель: Помимо тяговых усилий ЛАД развивают усилия магнитной левитации и боковой стабилизации (самостабилизации). Усилия магнитной левитации линейных асинхронных двигателей с продольным и поперечным магнитным потоком весьма значительны в зоне больших скольжений (при низких скоростях движения) и уменьшаются с ростом скорости движения магнитолевитационного транспорта. В меньшей мере уменьшение скольжения (при высоких скоростях движения) влияет на усилия магнитной левитации, развиваемые рядом конструктивных вариантов линейных асинхронных двигателей с продольно-поперечным магнитным потоком, в которых дополнительно использованы бегущие в поперечном движению направлении навстречу друг другу магнитные поля. Это объясняется тем, что и при высоких и при низких скоростях движения МЛТ скольжения ЛАД относительно встречно бегущих в поперечном направлении магнитных полей будут равны единице и усилия магнитного подвеса будут максимальными.

Материалы и методы: Бегущие навстречу друг другу в поперечном направлении движения МЛТ магнитные поля пересекают электропроводящий вторичный элемент (играющий роль путевой структуры высокоскоростной транспортной системы) и индуктируют в нем электродвижущие силы, под действием которых потекут токи.

Результаты: В результате создаются поперечные встречно направленные механические усилия, которые при симметричном расположении экипажа МЛТ относительно путевой структуры взаимно уравновешиваются и не оказывают никакого влияния на движение магнитолевитационного транспорта. При боковом (поперечном) смещении высокоскоростного транспорта на магнитном подвесе относительно путевой структуры равновесие поперечных механических усилий нарушится и под действием разности усилий экипаж МЛТ будет автоматически возвращен в исходное симметричное положение.

Выводы: Рассмотрено распределение магнитодвижущих сил (МДС) линейного асинхронного двигателя с продольно-поперечным магнитным потоком, магнитная система которого образована сочетанием продольно и поперечно шихтованных сердечников, на зубцах которых расположены катушки сосредоточенной трехфазной обмотки. Представлены соотношения в виде двойного ряда Фурье для расчета результирующего значения МДС в воздушном зазоре линейного асинхронного двигателя с продольно-поперечным магнитным потоком.