磁懸浮列車試驗(yàn)線的電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

摘要：對(duì)我國(guó)首條中低速常導(dǎo)磁懸浮列車試驗(yàn)線的電源系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，包括整流站，主牽引逆變器，輔助變流器，240VDC/DC變換器和110VDC/DC變換器。

關(guān)鍵詞：磁懸浮；逆變器；DC/DC變換器

1    磁懸浮列車試驗(yàn)線簡(jiǎn)介

    我國(guó)首條中低速常導(dǎo)磁懸浮列車試驗(yàn)線位于湖南長(zhǎng)沙國(guó)防科技大學(xué)南院，如圖1所示。它是為北京八達(dá)嶺景區(qū)磁懸浮旅游示范線前期試驗(yàn)準(zhǔn)備而建的。試驗(yàn)線由國(guó)防科技大學(xué)磁懸浮技術(shù)工程研究中心與鐵道部第三設(shè)計(jì)院地鐵分院、北京鐵路工程總公司、寶雞橋梁廠、房山橋梁廠、株洲電力機(jī)車研究所、常州客車集團(tuán)磁懸浮列車廠、上海飛機(jī)制造廠、上海飛機(jī)設(shè)計(jì)所聯(lián)合設(shè)計(jì)和研制的。試驗(yàn)線路長(zhǎng)204m，軌距2m，全線高架，包含一段40‰的坡道和一段半徑100m的彎道，還計(jì)劃修建一個(gè)道岔。磁懸浮列車首車長(zhǎng)15m，中間車長(zhǎng)14m，車寬3m。每輛車空重20t，額定載重8t（100人），最大載重12t。電磁鐵懸浮間隙8mm，用感應(yīng)式直線電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)。在八達(dá)嶺運(yùn)營(yíng)示范線的運(yùn)行速度為60km/h，最高設(shè)計(jì)速度120km/h。試驗(yàn)線于2001年9月全面竣工，至今已累計(jì)運(yùn)行3500km，沒有發(fā)生重大事故。

圖1    我國(guó)首條中低速常導(dǎo)磁懸浮列車試驗(yàn)線全貌

    中低速常導(dǎo)磁懸浮列車造價(jià)低，爬坡能力強(qiáng)，沒有廢氣和噪聲污染，是一種綠色交通工具，更適合于站間距短、高樓林立的城市軌道交通。

2    磁懸浮列車試驗(yàn)線的電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1    總體

    圖2是試驗(yàn)線的電源系統(tǒng)總體示意圖。

圖2    試驗(yàn)線的電源系統(tǒng)總體示意圖

    AC10kV經(jīng)地面大功率變壓整流裝置輸出DC750V供試驗(yàn)線使用。整流站額定輸出電壓DC750V、800A。采用12脈波的整流方式，造價(jià)低廉性能可靠。 [!--empirenews.page--]

    DC750V是整個(gè)車輛系統(tǒng)的輸入電源，通過受流軌、受流器為磁懸浮列車提供總電源。受流軌選用的是普通鋼軌，在軌道梁兩側(cè)各置一根，分別通以DC750V的正負(fù)電。在列車上安裝受流器通過與受流軌接觸為列車供電，受流器采用的是地鐵產(chǎn)品，每節(jié)列車可以安裝2～4只。由于變壓整流裝置的波動(dòng)和受流軌的損耗，車輛系統(tǒng)的電源輸入會(huì)在DC500V～900V間波動(dòng)。

2.2    主牽引逆變器

    磁懸浮列車牽引電機(jī)采用直線異步電機(jī)，初級(jí)3相繞組裝在車上，次級(jí)采用鋼次級(jí)外覆鋁板結(jié)構(gòu)，沿軌道敷設(shè)。而主牽引逆變器將取自受流軌的直流電變換成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電，并按一定的關(guān)系供給牽引直線電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。每個(gè)轉(zhuǎn)向架單元安裝2臺(tái)直線電機(jī)，每輛車有8臺(tái)直線電機(jī)，采用4串2并的形式與主牽引逆變器相連。主牽引逆變器的技術(shù)參數(shù)如下：

    輸入電壓    DC750V(DC500～900V)；

    輸入電流    586A；

    輸出電壓    3相AC0～585V；

    輸出頻率    0～80Hz；

    額定輸出容量    750kVA；

    最大輸出容量    1000kVA；

    額定輸出電流    3相740A；

    最大啟動(dòng)電流    3相1000A；

    最大制動(dòng)電流    3相1000A；

    開關(guān)頻率        500Hz；

    額定效率        99％；

    控制方式        直接力矩控制；

    冷卻方式        強(qiáng)迫風(fēng)冷。

2.3    輔助變流器

    輔助變流器是為列車車載的空調(diào)、氣泵、風(fēng)機(jī)等交流設(shè)備供電的。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

    輸入電壓    DC750V(DC500～900V)；

    額定容量    55kVA；

    輸出電壓    基波有效值三相380V/50Hz；

    輸出波形    準(zhǔn)正弦波（諧波含量<10％）；

    輸出電壓    波動(dòng)范圍<10％；

    逆變器三相輸出電壓對(duì)稱    基波電壓有效值相差最大不超過5V(三相負(fù)載對(duì)稱時(shí))；

    逆變器輸出電壓上升率    ≤500V/μs；

    逆變器輸出最大尖峰電壓    <1000V(電機(jī)輸入端)；

    冷卻方式            自然風(fēng)冷； [!--empirenews.page--]

    重量                逆變器<150kg，濾波器<250kg；

    效率                額定負(fù)載下，>90％。

    該輔助變流器具有貫穿短路、過壓、欠壓、過流、過熱保護(hù)，還具有IGBT功率器件故障和電子控制故障等的自診斷功能，實(shí)際運(yùn)行18個(gè)月，沒發(fā)生任何故障。

2.4    240VDC/DC變換器

    240VDC/DC變換器直接為懸浮系統(tǒng)供電，同時(shí)還向懸浮用蓄電池組充電。由于懸浮供電的重要性，在240VDC/DC變換器輸出端并聯(lián)有蓄電池組，以備在240VDC/DC變換器故障情況下繼續(xù)為懸浮系統(tǒng)供電。蓄電池組單獨(dú)供電時(shí)，列車可以懸浮至少5min，足以滑行至下一車站檢修。其基本參數(shù)為：

    輸入電壓    DC750V(DC500～900V)；

    輸出電壓    DC240V穩(wěn)壓精度2％，輸出電壓紋波小于4V(與蓄電池并聯(lián))；

    輸出容量    50kW；

    冷卻方式    自然風(fēng)冷。

    240VDC/DC變換器采用模塊化設(shè)計(jì)思想，便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。使用雙模塊并聯(lián)方式工作，采用主從均流控制方式，能很好地實(shí)現(xiàn)均流控制。當(dāng)其中一個(gè)模塊故障時(shí)，另一個(gè)模塊可以同蓄電池一起為懸浮系統(tǒng)供電。主開關(guān)器件為400A/1700V的大功率IGBT，采用光纖驅(qū)動(dòng)技術(shù)。以微處理芯片進(jìn)行數(shù)字化控制，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)了移相控制，有效地減小了輸出紋波和濾波器的體積。高頻變壓器和濾波電感采用微晶材料繞制，縮小了體積，降低了損耗。同時(shí)還具有完善的輸入欠壓、過壓、過流、輸出短路、輸出過流、過載、過熱等保護(hù)功能。

    240VDC/DC變換器的每組模塊又分為逆變模塊和整流模塊，其中逆變模塊采用半橋電路。DC750V輸入經(jīng)過充電電阻對(duì)輸入濾波電容充電，當(dāng)電容器充滿電壓后，與充電電阻并聯(lián)的接觸器閉合短接充電電阻，由IGBT組成的半橋逆變電路開始工作，將DC750V變成10kHz的方波，通過高頻變壓器隔離降壓后，再由整流模塊整流和濾波。由于懸浮控制器的輸入端并有大容量的電容，所以每次啟動(dòng)240VDC/DC變換器時(shí)要為電容充電，形成軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)結(jié)束后再投入240V的蓄電池組，240VDC/DC變換器的輸出端加有隔離二極管，防止負(fù)載接反。

2.5    110VDC/DC變換器

    110VDC/DC變換器為所有的控制設(shè)備提供電源，包括各種繼電器、接觸器和所有輔助電源的輸入，位置十分重要。其輸出端也并聯(lián)有蓄電池組，當(dāng)蓄電池組單獨(dú)供電時(shí)，至少可以維持10min供電。110VDC/DC變換器也采用半橋逆變電路，由一個(gè)模塊組成，功率余量大，可靠性高，保護(hù)功能完善。采用定頻調(diào)寬PWM方式，斬波頻率20kHz。其基本參數(shù)為：

    額定輸出電壓    115V(可上下微調(diào)2V)；

    穩(wěn)壓精度        2％；

    輸出紋波        <10V(與蓄電池并聯(lián))；

    額定輸出容量    8kW；

    冷卻方式        自然風(fēng)冷。

2.6    DC/DC電源箱

    240VDC/DC變換器和110VDC/DC變換器安裝在一個(gè)箱體里面，組成了DC/DC電源箱，便于安裝和維護(hù)。

    240VDC/DC變換器和110VDC/DC變換器共同具有以下特點(diǎn)：

    1）具有符合蓄電池恒壓限流充電要求的輸出特性，當(dāng)蓄電池過放時(shí)，具有限流充電保護(hù)功能；

    2）在電網(wǎng)供電中斷再恢復(fù)后，能自動(dòng)投入正常運(yùn)行狀態(tài)；

    3）具有承受負(fù)載突變的能力；

    4）具有短路、過流、過載、輸入過壓和欠壓、過熱、輸出過壓和欠壓、蓄電池過放及防蓄電池反接等保護(hù)功能；

    5）具有串行通訊功能；

    6）檢測(cè)板能提供各種檢測(cè)信號(hào)，如DC240V輸出電壓，輸出電流，充放電電流；DC110V輸出電壓，輸出電流，充放電電流等；

    7）設(shè)置了軟啟動(dòng)過程，防止啟動(dòng)時(shí)，電流沖擊對(duì)其他元器件造成損害，并可利用該軟啟動(dòng)對(duì)濾波電容進(jìn)行軟充電；

    8）控制電路分別設(shè)有輸出電壓反饋環(huán)節(jié)，輸出電流反饋環(huán)節(jié)，充放電電流反饋環(huán)節(jié)，保證了輸出電壓的穩(wěn)定，輸出充放電特性滿足蓄電池組的要求。

    經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行考核，該DC/DC電源箱裝置達(dá)到了工作穩(wěn)定，性能可靠，維護(hù)檢修方便的設(shè)計(jì)目的。

2.7    DC24V電源

    DC24V電源為車載照明、雨刮器等低壓電器設(shè)備供電，選用的是潮陽(yáng)公司輸入DC110V，功率1kW的成品電源，在這里就不詳細(xì)介紹了。

3    結(jié)語(yǔ)

    通過以上簡(jiǎn)單介紹可以看出，磁懸浮列車電源系統(tǒng)實(shí)際上就是現(xiàn)代電力電子技術(shù)尤其是電源技術(shù)的結(jié)晶品，相信通過我國(guó)廣大電源科技工作者的努力，磁懸浮列車走向大眾的一天已經(jīng)不遠(yuǎn)了！