磁懸浮列車在電力電子方面論文

1、 洛陽理工學院電力電子論文磁懸浮列車在電力電子方面的應用 學號：130437 姓名：李亞慧 日期：2014 5 24 摘要在本世紀五、六十年代，鐵路曾經被認為是一個夕陽運輸產業(yè)。因為面對航空、高速公路等運輸對手的強勁挑戰(zhàn)，它蝸牛般的爬行速度，已越來越不適應現(xiàn)代工業(yè)社會物流和人流的快速流動需要了。但七十年代以來，特別是近幾年，隨著鐵路高速化成為世界的熱點和重點，鐵路重新贏回了它在各國交通運輸格局中舉足輕重的地位。法國、日本、俄國、美國等國家列車時速由200公里向300公里飛速發(fā)展。據(jù)1995年舉行的國際鐵路會議預測，到本世紀末，德國、日本、法國等國家的高速鐵路運營時速將達到360公里。作為目前最

2、快速的地面交通工具，磁懸浮列車技術的確有著其他地面交通技術無法比擬的優(yōu)勢。本論文從高速磁懸浮列車車載電源系統(tǒng)和磁懸浮列車三相輔助逆變電源設計兩方面講述。主要是電力電子技術方面的交變直（AC-DC）、直變交（DC-AC）、交變交（AC-AC）、直變直（DC-DC）即整流、逆變、斬波、變頻的應用。其中包含半橋逆變、全橋逆變三相逆變、等電路。通過對車載電源系統(tǒng)各路供電段的認識和三相輔助逆變電源的主電路及主要技術參數(shù)的認識，讓我們大家對磁懸浮有大致了解。其實，磁懸浮運載技術它不僅能夠用于陸上平面運載，也可以用于海上運載，還能用于垂直發(fā)射，美國就在試驗用磁懸浮技術發(fā)射火箭；它在磁懸浮、直線驅動、低溫超導

3、、電力電子、計算機控制與信息技術、醫(yī)療等多個領域都有極重要的價值概括的說，它是一種能帶動眾多高新技術發(fā)展的基礎科學，又是一種具有極廣泛前景的應用技術。我們可以預見，隨著超導材料和超低溫技術的發(fā)展，修建磁浮鐵路的成本、技術及性能都有可能會大大降低。到那時，磁浮鐵路作為一種快速、舒適的“綠色交通工具”，將會飛馳在祖國的大地。關鍵字：磁懸浮 電力電子技術 車載電源 三相輔助逆變電源目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc11335 磁懸浮列車 PAGEREF _Toc11335 1 HYPERLINK l _Toc5729 在電力電子方面的應用 PAGEREF _Toc572

4、9 1 HYPERLINK l _Toc1637 摘要 PAGEREF _Toc1637 1 HYPERLINK l _Toc9489 目錄 PAGEREF _Toc9489 2 HYPERLINK l _Toc20437 第一章 緒論 PAGEREF _Toc20437 3 HYPERLINK l _Toc609 1.1 磁懸浮列車的發(fā)展史 PAGEREF _Toc609 3 HYPERLINK l _Toc15524 1.2 什么是磁懸浮列車 PAGEREF _Toc15524 4 HYPERLINK l _Toc6355 1.3 磁懸浮列車技術基礎 PAGEREF _Toc6355 4

5、HYPERLINK l _Toc8529 1.4 磁懸浮列車總概 PAGEREF _Toc8529 4 HYPERLINK l _Toc14052 第二章 磁懸浮列車簡介 PAGEREF _Toc14052 5 HYPERLINK l _Toc5748 2.1磁懸浮列車工作原理 PAGEREF _Toc5748 5 HYPERLINK l _Toc20117 2.2磁懸浮列車技術系統(tǒng) PAGEREF _Toc20117 6 HYPERLINK l _Toc15022 2.3 磁懸浮列車優(yōu)缺點 PAGEREF _Toc15022 7 HYPERLINK l _Toc11809 2.4磁懸浮列車發(fā)

6、展歷史 PAGEREF _Toc11809 8 HYPERLINK l _Toc3328 第三章 高速磁懸浮列車車載電源系統(tǒng) PAGEREF _Toc3328 10 HYPERLINK l _Toc25453 3.1 車載電源系統(tǒng)結構和功能 PAGEREF _Toc25453 10 HYPERLINK l _Toc27388 3.2 基本組件及結構 PAGEREF _Toc27388 11 HYPERLINK l _Toc18425 3.3 結構功能 PAGEREF _Toc18425 12 HYPERLINK l _Toc22902 3.3.1 外部供電 PAGEREF _Toc22902

7、12 HYPERLINK l _Toc24921 3.3.2 440 V電源 PAGEREF _Toc24921 12 HYPERLINK l _Toc13197 3.3.3 24 V電源 PAGEREF _Toc13197 14 HYPERLINK l _Toc25222 3.3.4 230 V電源 PAGEREF _Toc25222 15 HYPERLINK l _Toc31569 第四章 磁懸浮列車三相輔助逆變電源的設計 PAGEREF _Toc31569 17 HYPERLINK l _Toc15481 4.1 主要技術參數(shù) PAGEREF _Toc15481 17 HYPERLINK

8、 l _Toc8278 4.2 主電路 PAGEREF _Toc8278 18 HYPERLINK l _Toc24822 4.3 結構設計 PAGEREF _Toc24822 19 HYPERLINK l _Toc29662 4.4 控制技術 PAGEREF _Toc29662 19 HYPERLINK l _Toc12411 結論 PAGEREF _Toc12411 21 HYPERLINK l _Toc32663 參考文獻 PAGEREF _Toc32663 22第一章 緒論1.1 磁懸浮列車的發(fā)展史磁懸浮列車是自大約200年前斯蒂芬森的“火箭”號蒸氣機車問世以來鐵路技術最根本的突破。磁

9、懸浮列車在今天看似乎還是一個新鮮事物，其實它的理論準備已有很長的歷史。磁懸浮技術的研究源于德國，早在1922年德國工程師赫爾曼肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請了磁懸浮列車的專利。進入70年代以后，隨著世界工業(yè)化國家經濟實力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應其經濟發(fā)展的需要，德國、日本、美國、加拿大、法國、英國等發(fā)達國家相繼開始籌劃進行磁懸浮運輸系統(tǒng)的開發(fā)。而美國和前蘇聯(lián)則分別在七八十年代放棄了這項研究計劃，目前只有德國和日本仍在繼續(xù)進行磁懸浮系統(tǒng)的研究，并均取得了令世人矚目的進展。下面把各主要國家對磁浮鐵路的研究情況作一簡要介紹。日本于1962年開始研究常導磁浮鐵路。此后由于超

10、導技術的迅速發(fā)展，從70年代初開始轉而研究超導磁浮鐵路。1972年首次成功地進行了2.2噸重的超導磁浮列車實驗，其速度達到每小時50公里。1977年12月在宮崎磁浮鐵路試驗線上，最高速度達到了每小時204公里，到1979年12月又進一步提高到517公里。1982年11月，磁浮列車的載人試驗獲得成功。1995年，載人磁浮列車試驗時的最高時速達到411公里。為了進行東京至大阪間修建磁浮鐵路的可行性研究，于1990年又著手建設山梨磁懸浮鐵路試驗線，首期18.4公里長的試驗線已于1996年全部建設完成。德國對磁浮鐵路的研究始于1968年（當時的聯(lián)邦德國）。研究初期，常導和超導并重，到1977年，先后分

11、別研制出常導電磁鐵吸引式和超導電磁鐵相斥式試驗車輛，試驗時的最高時速達到400公里。后來經過分析比較認為，超導磁浮鐵路所需的技術水平太高，短期內難以取得較大進展，遂決定以后只集中力量發(fā)展常導磁浮鐵路。1978年，決定在埃姆斯蘭德修建全長31.5公里的試驗線，并于1980年開工興建，1982年開始進行不載人試驗。列車的最高試驗速度在1983年底達到每小時300公里，1984年又進一步增至400公里。目前，德國在常導磁浮鐵路研究方面的技術已趨成熟。與日本和德國相比，英國對磁浮鐵路的研究起步較晚，從1973年才開始。但是，英國則是最早將磁浮鐵路投入商業(yè)運營的國家之一。1984年4月，伯明翰機場至英特

12、納雄納爾車站之間一條600米長的磁浮鐵路正式通車營業(yè)。旅客乘坐磁浮列車從伯明翰機場到英特納雄納爾火車站僅需90秒鐘。令人遺憾的是，在1995年，這趟一度是世界上唯一從事商業(yè)運營的磁浮列車在運行了11年之后被宣布停止營業(yè)，其運送旅客的任務由機場班車所取代。1.2 什么是磁懸浮列車磁懸浮列車是一種采用無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統(tǒng)的磁懸浮高速列車系統(tǒng)。它的時速可達到500公里以上，是當今世界最快的地面客運交通工具，有速度快、爬坡能力強、能耗低運行時噪音小、安全舒適、不燃油，污染少等優(yōu)點。并且它采用采用高架方式，占用的耕地很少。磁懸浮列車意味著這些火車利用磁的基本原理懸浮在導軌上來代替舊的鋼輪和軌

13、道列車。磁懸浮技術利用電磁力將整個列車車廂托起，擺脫了討厭的摩擦力和令人不快的鏘鏘聲，實現(xiàn)與地面無接觸、無燃料的快速“飛行”。 稍有物理知識的人都知道：把兩塊磁鐵相同的一極靠近，它們就相互排斥，反之，把相反的一極靠近，它們就互相吸引。托起磁懸浮列車的，那似乎神秘的懸浮之力，其實就是這兩種吸引力與排斥力。應用準確的定義來說，磁懸浮列車實際上是依靠電磁吸力或電動斥力將列車懸浮于空中并進行導向，實現(xiàn)列車與地面軌道間的無機械接觸，再利用線性電機驅動列車運行。雖然磁懸浮列車仍然屬于陸上有軌交通運輸系統(tǒng)，并保留了軌道、道岔和車輛轉向架及懸掛系統(tǒng)等許多傳統(tǒng)機車車輛的特點，但由于列車在牽引運行時與軌道之間無機

14、械接觸，因此從根本上克服了傳統(tǒng)列車輪軌粘著限制、機械噪聲和磨損等問題，所以它也許會成為人們夢寐以求的理想陸上交通工具。 根據(jù)吸引力和排斥力的基本原理，國際上磁懸浮列車有兩個發(fā)展方向。一個是以德國為代表的常規(guī)磁鐵吸引式懸浮系統(tǒng)EMS系統(tǒng)，利用常規(guī)的電磁鐵與一般鐵性物質相吸引的基本原理，把列車吸引上來，懸空運行，懸浮的氣隙較小，一般為10毫米左右。常導型高速磁懸浮列車的速度可達每小時400-500公里，適合于城市間的長距離快速運輸；另一個是以日本的為代表的排斥式懸浮系統(tǒng)EDS系統(tǒng)，它使用超導的磁懸浮原理，使車輪和鋼軌之間產生排斥力，使列車懸空運行，這種磁懸浮列車的懸浮氣隙較大，一般為100毫米左右

15、，速度可達每小時500公里以上。這兩個國家都堅定地認為自己國家的系統(tǒng)是最好的，都在把各自的技術推向實用化階段。估計到下一個世紀，這兩種技術路線將依然并存。1.3 磁懸浮列車技術基礎磁懸浮列車主要由懸浮系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和導向系統(tǒng)三大部分組成，見圖3。盡管可以使用與磁力無關的推進系統(tǒng)，但在目前的絕大部分設計中，這三部分的功能均由磁力來完成。1.4 磁懸浮列車總概 西安，距北京1000多公里，原先要17個小時，現(xiàn)在要14個小時，可是你知道嗎？普通磁懸浮列車的時速就可以達到500公里/小時，那么，就只需要不到3個小時，跟飛機差不多了！ 但要使列車在如此高的速度下持續(xù)行駛，傳統(tǒng)的車輪加鋼軌組成的系統(tǒng)，已經

16、無能為力了。就要求要考慮到噪音、震動、車輪和鋼軌磨損等因素，所以，要進一步提高速度，必須轉向新的技術。 盡管我們還將磁懸浮列車的軌道稱為鐵路，但這兩個字已經不夠貼切了。就拿鐵軌來說，實際上它已不復存在。軌道只剩下一條，而且也不能稱其為軌道了，因為輪子并沒有從上面滾過。事實上，磁懸浮列車連輪子也沒有了。鐵路上行駛的這種超級列車并沒有傳統(tǒng)意義上的牽引機車，它運行時并不接觸地面，只是在離軌道10厘米的高度飛行。第二章 磁懸浮列車簡介磁懸浮列車是一種靠磁懸浮力（即磁的吸力和排斥力）來推動的列車。由于其軌道的磁力使之懸浮在空中，行走時不同于其他列車需要接觸地面，因此只受來自空氣的阻力。磁懸浮列車的最高速

17、度可達每小時500公里以上，比輪軌高速列的300多公里還要快。磁懸浮技術的研究源于德國，早在1922年，德國工程師赫爾曼肯佩爾就提出了電磁懸浮原理，并于1934年申請了磁懸浮列車的專利。1970年以后，隨著世界工業(yè)化國家經濟實力的不斷加強，為提高交通運輸能力以適應其經濟發(fā)展的需要，德國、日本等發(fā)達國家以及中國都相繼開始籌劃進行磁懸浮運輸系統(tǒng)的開發(fā)。2.1磁懸浮列車工作原理磁懸浮列車利用電磁體“同名磁極相互排斥，異名磁極相互吸引”的原理，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮在距離軌道約1厘米處，騰空行駛，創(chuàng)造了近乎“零高度”空間飛行的奇跡。由于磁鐵有同名磁極相互排斥、異名磁極相

18、互吸引兩種形式，故磁懸浮列車也有兩種相應的形式：一種是利用磁鐵同名磁極相互排斥原理而設計的電磁運行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它利用車上超導體電磁鐵形成的磁場與軌道上線圈形成的磁場之間所產生的相斥力，使車體懸浮運行的鐵路；另一種則是利用磁鐵異名磁極相互吸引原理而設計的電動力運行系統(tǒng)的磁懸浮列車，它是在車體底部及兩側倒轉向上的頂部安裝磁鐵，在T形導軌的上方和伸臂部分下方分別設反作用板和感應鋼板，控制電磁鐵的電流，使電磁鐵和導軌間保持1015毫米的間隙，并使導軌鋼板的排斥力與車輛的重力平衡，從而使車體懸浮于車道的導軌面上運行。通俗的講就是，在位于軌道兩側的線圈里流動的交流電，能將線圈變?yōu)殡姶朋w。由于它與列車

19、上的超導電磁體的相互作用，就使列車開動起來。列車前進是因為列車頭部的電磁體（N極）被安裝在靠前一點的軌道上的電磁體（S極）所吸引，并且同時又被安裝在軌道上稍后一點的電磁體（N極）所排斥。當列車前進時，在線圈里流動的電流流向就反轉過來了。其結果就是原來那個S極線圈，變?yōu)镹極線圈了，反之亦然。這樣，列車由于電磁極性的轉換而得以持續(xù)向前奔馳。根據(jù)車速，通過電能轉換器調整在線圈里流動的交流電的頻率和電壓。穩(wěn)定性由導向系統(tǒng)來控制?！俺痛盼健睂蛳到y(tǒng)，是在列車側面安裝一組專門用于導向的電磁鐵。列車發(fā)生左右偏移時，列車上的導向電磁鐵與導向軌的側面相互作用，產生排斥力，使車輛恢復正常位置。列車如運行在曲

20、線或坡道上時，控制系統(tǒng)通過對導向磁鐵中的電流進行控制，達到控制運行目的。2.2磁懸浮列車技術系統(tǒng)磁懸浮列車主要由懸浮系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和導向系統(tǒng)三大部分組成，盡管可以使用與磁力無關的推進系統(tǒng)，但在絕大部分設計中，這三部分的功能均由磁力來完成。2.2.1懸浮系統(tǒng)懸浮系統(tǒng)的設計，可以分為兩個方向，分別是德國所采用的常導型和日本所采用的超導型。從懸浮技術上講就是電磁懸浮系統(tǒng)（EMS）和電力懸浮系統(tǒng)（EDS）。（EMS）是一種吸力懸浮系統(tǒng)，是結合在機車上的電磁鐵和導軌上的鐵磁軌道相互排斥產生懸浮。常導磁懸浮列車工作時，首先調整車輛下部的懸浮和導向電磁鐵的電磁排斥力，與地面軌道兩側的繞組發(fā)生磁鐵反作用將列車

21、浮起。在車輛下部的導向電磁鐵與軌道磁鐵的反作用下，使車輪與軌道保持一定的側向距離，實現(xiàn)輪軌在水平方向和垂直方向的無接觸支撐和無接觸導向。車輛與行車軌道之間的懸浮間隙為10毫米，是通過一套高精度電子調整系統(tǒng)得以保證的。此外由于懸浮和導向實際上與列車運行速度無關，所以即使在停車狀態(tài)下列車仍然可以進入懸浮狀態(tài)。 （EDS）將磁鐵使用在運動的機車上以在導軌上產生電流。由于機車和導軌的縫隙減少時電磁斥力會增大，從而產生的電磁斥力提供了穩(wěn)定的機車的支撐和導向。然而機車必須安裝類似車輪一樣的裝置對機車在“起飛”和“著陸”時進行有效支撐，這是因為EDS在機車速度低于大約25英里/小時無法保證懸浮。EDS系統(tǒng)在

22、低溫超導技術下得到了更大的發(fā)展。超導磁懸浮列車的最主要特征就是其超導元件在相當?shù)偷臏囟认滤哂械耐耆珜щ娦院屯耆勾判浴３瑢Т盆F是由超導材料制成的超導線圈構成，它不僅電流阻力為零，而且可以傳導普通導線根本無法比擬的強大電流，這種特性使其能夠制成體積小功率強大的電磁鐵。超導磁懸浮列車的車輛上裝有車載超導磁體并構成感應動力集成設備，而列車的驅動繞組和懸浮導向繞組均安裝在地面導軌兩側，車輛上的感應動力集成設備由動力集成繞組、感應動力集成超導磁鐵和懸浮導向超導磁鐵三部分組成。當向軌道兩側的驅動繞組提供與車輛速度頻率相一致的三相交流電時，就會產生一個移動的電磁場，因而在列車導軌上產生磁波，這時列車上的車

23、載超導磁體就會受到一個與移動磁場相同步的推力，正是這種推力推動列車前進。其原理就像沖浪運動一樣，沖浪者是站在波浪的頂峰并由波浪推動他快速前進的。與沖浪者所面對的難題相同，超導磁懸浮列車要處理的也是如何才能準確地駕馭在移動電磁波的頂峰運動的問題。為此，在地面導軌上安裝有探測車輛位置的高精度儀器，根據(jù)探測儀傳來的信息調整三相交流電的供流方式，精確地控制電磁波形以使列車能良好地運行。2.2.2推進系統(tǒng)磁懸浮列車的驅動運用同步直線電動機的原理。車輛下部支撐電磁鐵線圈的作用就像是同步直線電動機的勵磁線圈，地面軌道內側的三相移動磁場驅動繞組起到電樞的作用，它就像同步直線電動機的長定子繞組。從電動機的工作原

24、理可以知道，當作為定子的電樞線圈有電時，由于電磁感應而推動電機的轉子轉動。同樣，當沿線布置的變電所向軌道內側的驅動繞組提供三相調頻調幅電力時，由于電磁感應作用承載系統(tǒng)連同列車一起就像電機的“轉子”一樣被推動做直線運動。從而在懸浮狀態(tài)下，列車可以完全實現(xiàn)非接觸的牽引和制動。2.2.3導向系統(tǒng)導向系統(tǒng)是一種測向力來保證懸浮的機車能夠沿著導軌的方向運動。必要的推力與懸浮力相類似，也可以分為引力和斥力。在機車底板上的同一塊電磁鐵可以同時為導向系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)提供動力，也可以采用獨立的導向系統(tǒng)電磁鐵。2.3 磁懸浮列車優(yōu)缺點2.3.1 磁懸浮列車優(yōu)點 （1）磁懸浮列車運行時與軌道保持一定的間隙（一般為-厘

25、米），因此無摩擦、運行安全、平穩(wěn)舒適、無雜訊，可以實現(xiàn)全自動化運行。 （2）磁懸浮列車車輛使用壽命可達35年，而普通有軌列車只有20至25年。磁懸浮列車的路軌壽命是80年，普通路軌道60年。（3）磁懸浮列車啟動后秒即達到最大速度，目前的最高時速是公里。據(jù)德國科學家預測，到年，磁懸浮列車采用新技術后，時速將達公里。而一般鐵軌列車的最高時速為公里。上海現(xiàn)已建成的磁懸浮列車線，其最高時速為500公里。（4）磁懸浮高速列車噪音低，節(jié)能，占地面積少，這是其他陸路交通系統(tǒng)無法與之相比的。這種創(chuàng)新的無接觸軌道技術帶來了極大的機動性，但卻不會對環(huán)境造成負擔。 與新一代的汽車發(fā)動機相似，在同等功率下，磁懸浮高速

26、列車比高速鐵路所消耗的能源要少的多。或者反過來說：在耗能相同的情況下，磁懸浮高速列車的效率要高得多。 2.3.2磁懸浮列車缺點（1）由于磁懸浮系統(tǒng)是憑借電磁力來進行懸浮，導向和驅動功能的，一旦斷電，磁懸浮列車將發(fā)生嚴重的安全事故，因此斷電后磁懸浮的安全保障措施仍然沒有得到完全解決。（2）強磁場對人的健康，生態(tài)環(huán)境的平衡與電子產品的運行影響仍需進一步研究。（3）造價昂貴。2.4磁懸浮列車發(fā)展歷史德國曾在80年代于柏林鋪設磁懸浮列車系統(tǒng)。英國的伯明翰國際機場曾于1984年至1995年使用低速磁懸浮列車，全長600米。由于可靠性的問題，該線后來也改用單軌列車行走。德國的Transrapid公司于20

27、01年于中國上海浦東國際機場至地鐵龍陽路站興建磁懸浮列車系統(tǒng)，并于2002年正式啟用。該線全長30公里，列車最高時速達430公里，由起點至終點站只需八分鐘。十二五期間，中國對交通運輸發(fā)展規(guī)劃中，將磁懸浮發(fā)展提出了新的希望，按照安全可靠、先進高效、經濟適用、綠色環(huán)保的要求，依托重大工程項目，通過消化、吸收再創(chuàng)新和系統(tǒng)集成創(chuàng)新以及原始創(chuàng)新，增強自主發(fā)展能力與核心競爭力，進一步提升技術和裝備水平。加大交通運輸新技術、新裝備的開發(fā)和應用，加快推進具有我國自主知識產權的技術與裝備的市場化和產業(yè)化，帶動相關產業(yè)升級和壯大。研究設置能耗和排放限值標準，研究制定裝備技術政策，促進技術裝備的現(xiàn)代化。推進先進、適

28、用的軌道交通技術與裝備的研發(fā)和應用，全面實現(xiàn)現(xiàn)代化。提升鐵路高速動車組、大功率電力機車、重載貨車等先進裝備的安全性和可靠性，提高空調客車比例和專用貨車比例，推進高速動車組譜系化，以及城際列車與城市軌道交通車輛等先進技術裝備的研制與應用。通過工程應用帶動技術研發(fā)，突破軌道交通通信信號、牽引制動、運行控制等關鍵核心技術，系統(tǒng)掌握高速磁懸浮技術，優(yōu)化完善中低速磁懸浮技術。在中小城市與城鎮(zhèn)之間及城鎮(zhèn)分布較為密集的走廊經濟帶上，視運輸需求，加密高等級公路網(wǎng)絡、提升省道技術等級或以城市快速路的形式建設相對開放的快捷通道，并注重與區(qū)際交通網(wǎng)絡的銜接。另一方面，2012年，中國共有城鎮(zhèn)人口7.12億人，占總人

29、口比重為52.6%，比上年末提高1.3個百分點。這意味著，如果把在城鎮(zhèn)工作和生活六個月以上的農民工算上，中國城鎮(zhèn)化比率已達到52.6%。在城鎮(zhèn)化和十二五的規(guī)劃下，磁懸浮列車再次成為了人們關注的焦點和未來國家的戰(zhàn)略目標。2012年中低速磁懸浮列車是一種新近發(fā)展起來的新型綠色軌道交通裝備，它利用電磁鐵吸引力使列車浮 于空中平穩(wěn)運行，無摩擦、零排放、低噪聲，可帶給乘客貼地飛行的新體驗。磁懸浮列車以其速度快，高效，環(huán)保，安全，無噪音無污染的優(yōu)點磁懸浮類車的發(fā)展與國家的發(fā)展規(guī)劃不謀而合。由此可見隨著未來磁懸浮市場第三章 高速磁懸浮列車車載電源系統(tǒng)上海高速磁懸浮列車是世界上第一條商業(yè)運行的高速磁懸浮列車。

30、簡述了高速磁懸浮列車車載電源系統(tǒng)的結構及功能，并詳細闡述其系統(tǒng)的各個基本組件、部件的結構及功能。 磁懸浮列車結構如圖3-1。我國在本世紀之初引進德國技術，在上海建設世界第一條高速磁懸浮列車商業(yè)運行線。上海引進的常導高速磁浮車輛是整個高速磁懸浮交通的核心技術之一，而車載電源系統(tǒng)又是車輛的核心技術之一。經多年運行，顯示出該技術的優(yōu)越性。本文介紹該車載電源系統(tǒng)的結構和功能。圖3-1 磁懸浮列車的結構示意圖3.1 車載電源系統(tǒng)結構和功能 上海磁懸浮列車采用了如下的供電方案：列車在速度小于20 km/h時完全由供電軌供電；列車速度在約20100 km/h時由地面的供電軌與列車自帶的直線發(fā)電機聯(lián)合對車輛供

31、電；在列車速度大于100 km/h時完全由直線發(fā)電機供電；車載蓄電池作為列車緊急或故障運行情況下的電源；在使用渦流制動器緊急制動時，高速運行段（速度大于約150 km/h）電能由直線發(fā)電機提供，當較低速度時直線發(fā)電機電能不能滿足渦流制動需要，此時由蓄電池與直線發(fā)電機聯(lián)合提供電能，緊急制動過程中不使用供電軌向列車供電。 每一節(jié)車的車載電源包括以下幾部分： 4套相互獨立的440 V直流電源，每套最大容量為128 kW； 4套相互獨立的24 V直流電源，每套容量為1.6 kW； 2套相互獨立的230 V三相交流電源，每套容量約為5.5 kW； 1套外部440 V直流供電電源。440 V電源是車上的主

32、電源，24 V電源與230 V電源都是通過相應的變流設備從440 V電源變換得到的。24 V電源是車上的控制電源，主要向控制設備供電。每套440 V電源與24 V電源上都接有一組蓄電池作為備用電源。440 V電源與24 V電源都有較大的冗余，當部分供電設備出現(xiàn)故障時不會影響對車輛的供電。230 V電源則主要向車上與安全無關的用電設備供電，它在每節(jié)車上沒有冗余。3.2 基本組件及結構 整個車載電源主要包括如下組件： 440 V直流車載電源基本組件。它包括的部件為：440 V車載電源開關箱；440 V蓄電池箱；蓄電池通風機；升壓斬波器。 24 V直流車載電源基本組件。它包括的部件為：24 V蓄電池

33、箱；蓄電池通風機；DC-DC變流器；24 V車載電源配電柜；24 V車載電源開關箱。 230 V交流車載電源基本組件。它包括的部件為：230 V車載電源開關箱；230 V車載逆變器及230 V車載電源配電柜。 外部供電基本組件。它包括的部件為：外部供電車載電源；開關箱受流器；受流器的氣動控制組件。 車載電源供電部件的關系結構如圖3-2所示。 圖3-2 車載電源供電部件關系結構圖 大部分的車載供電設備都布置在車廂夾層中。車廂夾層分上下兩層布置，分別布置有許多插接箱體。其中供電設備中只有升壓斬波器布置在夾層下層，其他的布置在夾層上層，還有部分布置在車廂內部。3.3 結構功能 3.3.1 外部供電外

34、部供電用于當列車速度小于100 km/h時對列車供電，以及停車時對列車供電及對蓄電池進行充電。列車通過車上的受流器與鋪設在線路上的供電軌接觸，將地面的電能傳輸?shù)杰嚿?，并通過相應的變流與配電裝置將電能分配到各用電設備。每節(jié)車有2組受流器：1組受流器由2個受流器組成，每組的2個受流器分別布置在車輛的左右兩側。一側接外部供電電源正極，另一側接外部供電電源負極。電源正負極都有2個受流器供電，所以一個受流器故障并不影響供電軌對列車的供電。每節(jié)車有2個外部供電車載電源開關箱，接受來自于受流器的電流。每個外部供電車載電源開關箱上有16根（端車15根）輸出電纜，每根電纜兩端分別由額定值為25 A/660 V的

35、保險器加以保護。2個外部供電車載電源開關箱的32根輸出電纜（端車30根）被分別送到所在車輛的32（端車30）個升壓斬波器中，升壓斬波器將電纜的連續(xù)輸入電流限制在15 A內。從受流器到車載電源開關箱內的保險器間的電纜具有接地與短路保護功能。 3.3.2 440 V電源 440 V車載電源主要用于向下列設備提供電能：懸浮控制系統(tǒng)、導向控制系統(tǒng)、渦流制動器、空調器、440 V蓄電池加熱器、DC-DC變流器、230 V逆變器等。每節(jié)車DC-DC變流器有4個，分別掛接在相應的4個440 V電源上。230 V逆變器有7個，其中2個用于230 V 電源，掛接在2個不同的440 V電源上；4個用于空調電源（2

36、個用于空調壓縮機，2個用于空調通風機），分別掛接在相應的4個440 V電源上；1個用于氣動設備供電，掛接在1個440 V電源上。440 V蓄電池加熱器分為4組直接掛接在相應的440 V電源上。每節(jié)車的4個440 V車載電源彼此相互獨立，并在440V電源之間及440V電源與230V交流電源、24V電源間采取了安全隔離措施。440 V電源采用了IT網(wǎng)絡接地方式。440 V車載電源有3種電源：來自供電軌的440 V直流電、直線發(fā)電機發(fā)出的交流電和440 V蓄電池提供的440 V直流電。外部供電與直線發(fā)電機產生的電能都要先送到升壓斬波器中進行整流、升壓。外部供電之所以也要進行整流的原因是列車在線路上是

37、往返行駛的，在正反兩個方向上行駛時外部供電電流流入升壓斬波器的方向相反，所以也需要經過整流器進行整流。 1. 直線發(fā)電機 每節(jié)中間車有160個直線發(fā)電機，每節(jié)端車有150個直線發(fā)電機。直線發(fā)電機線圈嵌在懸浮電磁鐵磁極鐵心中，但只在懸浮電磁鐵的主磁極中才有直線發(fā)電機線圈。每個主磁極上有2個串聯(lián)的直線發(fā)電機線圈，每個線圈為28匝，這2個直線發(fā)電機線圈構成一個直線發(fā)電機。直線發(fā)電機發(fā)出的電能通過相應的導線輸入到升壓斬波器進行整流及升壓。每一個直線發(fā)電機的輸出電能的容量為3.2 kW。直線發(fā)電機在懸浮電磁鐵磁極中的具體位置如圖3-3所示。 圖3-3 直線發(fā)電機位置圖 2. 升壓斬波器 升壓斬波器將來自

38、于直線發(fā)電機與供電軌的電能變流后輸送給各用電設備，同時對車載440 V蓄電池的充放電進行監(jiān)測與控制。一節(jié)中間車有32個升壓斬波器，一節(jié)端車有30個升壓斬波器。 升壓斬波器的主要功能如下： 將直線發(fā)電機發(fā)出的電能轉換為440 V直流電； 將外部供電軌的直流電能轉換為440 V直流電；控制蓄電池充電電流大小及充電功率大??； 控制蓄電池充電電壓大??； 監(jiān)測蓄電池放電情況； 通過輸出端對各用電設備供應440 V直流電；通過內部CAN卡診斷升壓斬波器狀態(tài)； 升壓斬波器的位置識別功能； 升壓斬波器具有過壓與欠壓保護； 對升壓斬波器機箱散熱片溫度進行監(jiān)測；11對升壓斬波器內部的開關電源狀態(tài)進行監(jiān)測； 12對

39、外部供電進行監(jiān)測與控制； 13短路保護功能（過流保護）。 升壓斬波器由直線發(fā)電機單獨供電還是和外部供電軌一起供電取決于車載電源控制發(fā)出的“供電啟動”信號與“起浮”信號的邏輯組合。 3. 440 V車載電源開關箱 440 V車載電源開關箱用于實現(xiàn)440 V車載電源的配電及電路保護。每節(jié)車有4個440 V車載電源開關箱，各440 V車載電源開關箱間相互獨立。440 V車載電源開關箱功能為： 控制440 V蓄電池到440 V車載電源的通斷； 控制DC-DC變流器到440 V蓄電池連接的通斷； 開/關440 V蓄電池加熱器； 作為440 V車載電源的配電柜； 440 V車載電源的過流保護； 渦流制動控

40、制器電源的接地和短路保護； 440 V車載電源開關箱內部的8個電流互感器（LEM）監(jiān)測蓄電池電流并送到相應的8個升壓斬波器； 蓄電池到440 V車載電源開關箱的輸入動力電纜與開關箱到渦流制動器的輸出動力電纜具有接地與短路保護功能。 3.3.3 24 V電源 24 V車載電源主要對與安全相關的用電設備，以及對供電可用度要求較高的用電設備供電。每節(jié)車有4套相互獨立的24 V電源，這4套電源以安全冗余方式給用電設備供電。24 V電源之間以及24 V電源與440 V、230 V電源間采取了安全隔離措施。24 V電源來源于440 V電源，通過4個DC-DC變流器將440 V直流電轉換為24 V直流電。D

41、C-DC變流器輸出的電能經過24 V車載電源開關箱與24 V車載電源配電柜將24 V直流電源分配給24 V用電設備。由于24 V電源主要是為控制設備及部件提供控制電源，所以對24 V電源供電的安全性、可靠性有更高的要求，并應保證在發(fā)生故障24 V電源與440 V電源斷開時，24 V電源還可以對應急照明與應急通信提供1 h的電能。這部分電能的提供通過24 V蓄電池實現(xiàn)。每個24 V 電源上的一組24 V蓄電池作為備用電源用于保證電源故障情況下的緊急用電。1. DC-DC變流器 每節(jié)車有4個DC-DC變流器，分別向4個24 V電源提供電流隔離且不接地的低壓直流電源。DC-DC變流器間相互獨立。4個

42、440 V直流電源通過2塊電源母板上的插座對開關電源供電。每一個440 V車載電源給2個開關電源模塊并聯(lián)供電，8個開關電源模塊的輸出端并聯(lián)。每個DC-DC變流器的開關電源都有電壓調節(jié)、電流調節(jié)和保護電路，它們可以在超出允許的電壓范圍時斷開輸出;同時具有輸入/輸出濾波功能，用于減少輸入端的電流沖擊和輸出端的電壓波動。由于8個開關電源模塊的輸出端相互并聯(lián)，為了防止輸出端的耦合，每個開關電源模塊的輸出端采用了一個二極管來消除開關電源模塊間輸出端的相互耦合。 2. 24 V車載電源開關箱 每節(jié)車有4個24 V車載電源開關箱，4組24 V蓄電池電源分別接入相應的24 V車載電源開關箱中，通過24 V車載

43、電源開關箱中相應開關的通斷來接通或斷開24 V蓄電池與24 V電源的緩沖或對24 V緊急功能的供電。24 V車載電源開關箱具有如下功能：控制24 V蓄電池輸出到24 V車載電源的通斷； 控制電源到24 V緊急功能（緊急照明，緊急通信）設備的通斷； 24 V車載電源到24 V配電柜的電纜保護。在啟動和關閉過程中控制線路都不能斷電。 3. 24 V車載電源配電柜 24 V車載電源配電柜用于對24 V用電設備進行線路過載與短路保護，以及對24 V用電設備進行配電。每節(jié)車有一個24 V車載電源配電柜，其電源來自于24 V車載電源開關箱及DC-DC變流器。每節(jié)車的4個24 V車載電源開關箱分別通過4根1

44、6 mm2電纜與24 V車載電源配電柜相連，其中2根為24 V車載電源電源線，另2根為緊急功能電源線。24 V車載電源在24 V車載電源配電柜中被分為9組，分別通過2極（電源的正、負極）保險裝置進行防護后輸出到不同的用電設備。緊急功能電源也是在24 V車載電源配電柜中通過保險裝置后輸出。 3.3.4 230 V電源 每節(jié)車的2個頻率為50 Hz的230 V車載電源來自于掛在2條440 V車載電源上的2個逆變器。230 V電源在車廂和服務區(qū)域內無安全冗余，它主要用于向不涉及到安全的用電設備提供電能，如風機和空壓機等。230 V電源的供電路徑為：逆變器將440 V主電源的直流電壓變換為230 V交

45、流電壓，然后送入230 V車載電源開關箱中進行電壓隔離后再輸入230 V車載電源配電箱中進行保護與配電，并通過230 V車載電源配電箱為各用電設備提供交流電源。通過在2 30 V車載電源配電箱內的開關電源將230 V電源變換為28 V與24 V直流電源，28 V直流電源為閱讀燈提供電能，24 V直流電源為230 V車載電源配電箱中的CAN總線I/O卡提供電能。 1. 逆變器 逆變器用于將440 V直流電轉變?yōu)轭l率為50 Hz的230 V三相交流電。每節(jié)車有7個逆變器，其中2個為230 V電源供電，4個為空調供電（其中2個逆變器為空調的空壓機供電，另2個為空調其他模塊供電），1個為氣動裝置供電。

46、逆變器在輸入電壓大于330 V時啟動工作，在輸入電壓小于310 V時，切斷逆變器，停止工作，通過相應的繼電器開關控制440 V電源與逆變器的通斷。 2. 230 V車載電源開關箱 每節(jié)車有2個230 V車載電源開關箱，分別與用于230 V電源的2個逆變器對應。230 V車載電源開關箱用于將440 V電源與230 V電源隔離開。其輸入是來自于逆變器的230 V三相交流電，輸出為線電壓400 V的三相交流電。 3. 230 V車載電源配電箱 230 V車載電源配電箱把來自車輛逆變器并通過230 V車載電源開關箱傳輸過來的電能分配給230 V用電設備及閱讀燈。每節(jié)車有2個230 V車載電源配電箱，分

47、別與2個230 V電源對應，彼此相互獨立。230 V車載電源配電箱的主要功能有：230 V用電設備配電； 為28 V閱讀燈供電； 對氣動裝置的空氣壓縮機電機溫度進行監(jiān)測；對氣動裝置狀態(tài)進行監(jiān)控； 可通過車輛診斷計算機從CAN總線對閱讀燈、車內照明、車頭前燈和尾燈（紅燈和白燈）、前窗玻璃加熱裝置等進行集中控制； 每節(jié)車的2個230 V車載電源開關箱的24 V低壓電源相互并聯(lián)； 可以正確地識別自身安裝位置； 每節(jié)車輛一側在3個位置設置乘務員呼叫開關，可以對本節(jié)車一側的閱讀燈進行集中開關控制。 第四章 磁懸浮列車三相輔助逆變電源的設計本章介紹了一種 DC1500V 供電的三相輔助逆變電源。相對于傳統(tǒng)

48、的靜止式輔助逆變電源，它具有體積小、重量輕等特點。該產品在上海、唐山中低速磁懸浮列車上得到應用，運行穩(wěn)定可靠。中低速磁懸浮列車利用電磁力克服地球引力，使列車在軌道上懸浮，并利用直線電機推動前進，是一種新近發(fā)展起來的軌道交通裝備，適用于大中城市市內、近距離城際間、與旅游景區(qū)連接的旅客運輸，市場前景廣闊。與普通輪軌列車相比，它具有噪聲低、振動小、線路敷設條件寬松、建造成本低、易于實施和維護等優(yōu)點，而且由于其牽引力不受輪軌間粘著系數(shù)的影響，其爬坡能力強，運行彎道半徑小，是舒適、安全、快捷、環(huán)保的綠色軌道交通工具，在各種交通方式中具有獨特的優(yōu)勢。磁懸浮列車依靠磁力支撐車體，懸浮所耗功率與車輛的重量有關

49、，車輛配置了大量的電氣機電設備，所以對各個部件的重量和體積出了苛刻的要求。磁懸浮列車三相輔助逆變電源的設計也考慮了上述幾個因素。如圖4-1所示，三相輔助逆變電源主電路采用“半橋逆變器+ 全橋整流器+ 三相逆變器”結構，主要由輸入濾波、半橋逆變、全橋整流、三相逆變及輸出濾波電路組成。圖4-1 三相輔助逆變電源系統(tǒng)框圖4.1 主要技術參數(shù)三相輔助逆變電源將輸入DC 1 500V電源轉換成穩(wěn)定的三相380 V/ 50 Hz 交流電輸出，其主要技術參數(shù)如：輸入電壓主電路 標稱DC 1 500V （波動范圍DC 1 0001 800V）控制電路 標稱DC 110V （波動范圍DC 77137.5V）額定

50、輸出電壓 三相AC380V額定輸出頻率 50HZ 輸出電壓波形 正弦波輸出電壓總諧波含量 10%額定輸出容量 60KVA 負載功率因數(shù) 0.85 額定效率 90% 質量 450 kg 外形尺寸 1600 mm900 mm560 mm4.2 主電路隔離式 DC / DC 變換結構的電路拓撲有很多，如正激、反激、半橋、全橋等拓撲電路。額定輸入DC 1 500V電壓，開關管的電壓應力較大。前面幾種電路拓撲中，半橋、全橋逆變電路中開關管僅承受 5 0% 的輸入電壓，降低了開關管承受的電壓應力；而半橋電路相對于全橋電路具有開關管數(shù)量少、驅動電路簡單、抗偏磁能力強等優(yōu)點，并且變壓器雙向勵磁利用率高，所以，最后選擇了半橋逆變作為DC/DC 變換的電路拓撲結構。為進一步降低半橋逆變電路 開關管承 受的電壓應力，采用兩個半橋電路串聯(lián)的工作方式，輸入電壓DC 1 500V經過串聯(lián)電容分壓，得到兩路DC 750V電壓分別送至兩路半橋逆變電路。兩路隔離式DC/DC變換電路的電路