Вопрос регулирования линейного двигателя является наиболее сложным на данном этапе развития средств тяги с использованием линейного двигателя в качестве тягового.
Если реактивная шина сделана из материала высокой проводимости и рассчитана на работу в номинальном режиме, регулирование напряжения и частоты питания отсутствует, то пусковое усилие будет значительно ниже, чем усилие при номинальной скорости движения. Кроме того, для достижения скорости порядка 400-500 км/ч при питании током промышленной частоты требуется полюсное деление порядка 1,1 — 1,4 м, что явно неприемлемо ни по габаритам, ни по энергетическим показателям, несмотря на то, что потери рассеяния в линейном двигателе с поперечным потоком резко снижены и толщина спинки статора не зависит от величины полюсного деления.
Рис. 16. Вторичная часть ЛАД, составленная из элементов с различной проводимостью
Поскольку пусковое усилие недостаточно для обеспечения высоких ускорений, двигатель будет работать с большим скольжением продолжительное время, что приведет к резкому локальному нагреву вторичной части и может вызвать коробление реактивного рельса и даже оплавление.
Если же увеличить сопротивление вторичного элемента, то мы получим хорошее тяговое усилие при пуске, однако в номинальном режиме тяговые характеристики, а также к.п.д. и cos φ будут занижены.
Увеличить сопротивление вторичной части можно, применив другой материал, например диамагнитную сталь либо специальный сплав [191]. Было предложено также сделать рельс составным из элементов с различной проводимостью (рис. 16, а, б, в , г) [194].
Очень интересна конструкция реактивной шины, в сечении представляющей собою трапецию, направленную узкой частью вверх. Статор при помощи специальных устройств поднимается на время пуска вверх в зону более узкого сечения рельса, а, следовательно, и более высокого сопротивления. По мере разгона статор опускается в зону меньшего сопротивления.
Можно также увеличить сопротивления рельса, сделав в верхней его части прорези и сузив таким образом область продольных линий вторичных токов. Регулирование силы тяги осуществляется положением статора относительно прорезей аналогично изложенному способу (рис. 16, д) [189]. Характеристики при таком регулировании будут выглядеть так, как это показано на рис. 17, а.
Рис. 17. Зависимость силы тяги от скорости при различных системах регулирования: а - регулирование сопротивления вторичного элемента;
б - регулирование изменением напряжения; в — регулирование изменением напряжения и частоты
Естественно, что такая конструкция вторичной части необходима только на момент пуска или торможения, т.е. около станций. Если же экипаж становится на перегоне, его разгон будет значительно осложнен.
Следовательно, к вышеописанной системе регулирования тягового усилия надо добавить регулирование напряжения.
Система регулирования напряжения переменного тока поможет исключить броски тока при перемене характеристик реактивного рельса: при отправлении со станции напряжение (с помощью системы регулирования) можно уменьшить, а затем плавно восстановить, чтобы пассажиры не испытывали неудобств от рывков и толчков.
Правда, такие требования усложняют систему регулирования. Кроме того, в системах с постоянной частотой линейные электродвигатели, работающие при малом коэффициенте мощности во всех режимах, за исключением номинальной скорости движения, потребляют энергии больше, чем в системах с регулируемой частотой [123]. Синхронная скорость при постоянной частоте питающего тока, естественно, остается той же, а кривые F=f(v) изменятся так, как это показано на рис. 17,б.
Усилие тяги можно также регулировать при помощи увеличения зазора между статорами, сделав хоть один статор подвижным в поперечном направлении, посредством специальной гидравлической системы (рис. 18) [197].
Рис. 18. Регулирование силы тяги изменением воздушного зазора
Гибкое и эффективное регулирование скорости движения подвижного состава с линейными двигателями осуществимо при энергоснабжении трехфазным током с централизованным регулированием частоты. При этом возможны два варианта. Один из них (рис. 29, а) - когда производится деление на изолированные блок-участки, рабочая частота на которых управляется в зависимости от поездной скорости движения, а другой (рис. 19, б) — когда каждый блок-участок питается трехфазным током постоянной (но разной)частоты. Длина блок—участков и частота тока по мере удаления от станции увеличиваются.
В однофазных системах промышленной частоты (рис. 20) регулирование напряжения, частоты и преобразование в трехфазный ток осуществляются непосредственно на подвижном составе. Для этого сначала осуществляется выпрямление в постоянный ток с регулируемым напряжением, а затем инвертирование в трехфазный ток.
При такой схеме отпадает необходимость в стандартном подстанционном электрооборудовании, кроме того, упрощается решение проблемы, не возникает осложнений в случае непредусмотренной необходимости трогаться с места на любом участке. Однако при этом усложняется электрооборудование подвижного состава. Зависимость F=f(v) при этой системе регулирования имеет вид, представленный на рис. 17, в.
Существуют различные способы регулирования скорости вращающихся асинхронных электродвигателей, пригодные для линейных; один из них, например, - регулирование одновременным изменением и частоты, и напряжения.
Рис. 19. Регулирование скорости движения подвижного состава с линейным двигателем:
1 — промышленная сеть трехфазного тока; 2 - подстанция с преобразователем частоты·; 3 — система телеуправления; 4 — трехфазная контактная сеть рабочей частоты; 5 — линейный асинхронный двигатель
Питание электродвигателя током переменной частоты возможно с помощью циклоконвертора, преобразователя частоты
с промежуточным выпрямлением или турбогенератора переменного тока с изменяемой угловой скоростью.
Циклоконвертор представляет собой самый легкий по весу преобразователь частоты, однако он для своей работы требует высокочастотного питания, которое из-за повышенной индуктивности линии передач требует частого расположения подстанций.
Это обстоятельство, видимо, не позволит применять циклоконверторы в условиях тяги [123].
Тем не менее в Англии изучается работа циклоконвертора мощностью 50 кВ-A, который должен обеспечить питание линейного двигателя напряжением, переменным по величине и частоте. Такой преобразователь должен обеспечить разгон модели RTV-31 до скорости 72 км/ч в заданное время, обеспечить возможность рекуперативного торможения и остановки точно в заданном месте. Испытания показали, что двигатели с такой системой управления могут удовлетворять довольно широкому диапазону требований [169].
Рис. 20. Регулирование напряжения, частоты, преобразование в трехфазный ток на подвижном составе:
1 — однофазная контактная сеть промышленной частоты; 2 - преобразователь; 3 - линейный асинхронный двигатель
Преобразователи частоты с промежуточным выпрямлением обеспечивают плавное и эффективное регулирование скорости. Вероятно, это самый практичный способ регулирования для скоростного подвижного состава. Поддерживая таким способом скорость скольжения соответствующей максимуму тягового усилия по тяговой характеристике, можно осуществить разгон с высоким ускорением и высокими энергетическими показателями [161].
Диапазон возможной частоты питающего тока не является таким широким, какой необходим для работы вращающегося короткозамкнутого электродвигателя, поскольку линейный двигатель развивает максимальное усилие при частоте скольжения, составляющей 3—10% частоты питающего напряжения, в то время как аналогичная величина для вращающегося двигателя составляет 1—2%.
При частоте питающего напряжения 100 Гц для линейного двигателя диапазон частоты скольжения 3-10 Гц, обеспечение которого представляет несколько менее трудную задачу, чем обеспечение частоты 1—2 Гц.
Подобная система регулирования позволяет работать во всем диапазоне изменения частоты без необходимости переключения обмотки статора со "звезды" на "треугольник" и наоборот [113].
Системы регулирования с синхронным генератором, приводимым от газовой турбины, по весу примерно равны предыдущим, но они создают много шума, требуют отдельного привода для возбудителя, а также требуют решения проблем отработанных газов и повышения эффективности на малых скоростях.
Система регулирования частоты и напряжения позволяет уменьшить полюсное деление машины до 0,28-0,35 м, а следовательно, уменьшатся габариты двигателя, однако не надо забывать, что потери рассеяния резко возрастают с увеличением частоты.
Системы регулирования скорости изменением числа полюсов допускают лишь ступенчатое изменение скорости и поэтому требуют дополнительно регулирования величины напряжения. Обычное двухступенчатое изменение числа полюсов не обеспечивает ни достаточного пускового тягового усилия, ни плавного разгона [123].
Обычно линейные асинхронные двигатели работают при величинах скольжения 0<S<1, однако при условиях тяги возможны режимы, когда S>1, режим торможения и генераторный режим или рекуперативное торможение, т.е. S<0.
В случае прекращения питания возможна автономная работа в режиме торможения с использованием линейного двигателя и вспомогательного генератора. Генератор при этом выполняет функцию возбудителя одного линейного двигателя, который работает в режиме генератора и питает при обратном чередовании фаз другие двигатели, работающие в тормозном режиме. В случае прекращения питания обмоток статора возможно автономное торможение с питанием обмоток статора постоянным током от аккумуляторной батареи [113].