磁懸浮列車試驗線的電源系統簡介

摘要：對我國首條中低速常導磁懸浮列車試驗線的電源系統進行了簡單介紹，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。

關鍵詞：磁懸浮；逆變器；DC/DC變換器

1??? 磁懸浮列車試驗線簡介

??? 我國首條中低速常導磁懸浮列車試驗線位于湖南長沙國防科技大學南院，如圖1所示。它是為北京八達嶺景區磁懸浮旅游示范線前期試驗準備而建的。試驗線由國防科技大學磁懸浮技術工程研究中心與鐵道部第三設計院地鐵分院、北京鐵路工程總公司、寶雞橋梁廠、房山橋梁廠、株洲電力機車研究所、常州客車集團磁懸浮列車廠、上海飛機制造廠、上海飛機設計所聯合設計和研制的。試驗線路長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，還計劃修建一個道岔。磁懸浮列車首車長15m，中間車長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，用感應式直線電機變頻驅動。在八達嶺運營示范線的運行速度為60km/h，最高設計速度120km/h。試驗線于2001年9月全面竣工，至今已累計運行3500km，沒有發生重大事故。

圖1??? 我國首條中低速常導磁懸浮列車試驗線全貌

??? 中低速常導磁懸浮列車造價低，爬坡能力強，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??? 磁懸浮列車試驗線的電源系統簡介

2.1??? 總體

??? 圖2是試驗線的電源系統總體示意圖。

圖2??? 試驗線的電源系統總體示意圖

??? AC10kV經地面大功率變壓整流裝置輸出DC750V供試驗線使用。整流站額定輸出電壓DC750V、800A。采用12脈波的整流方式，造價低廉性能可靠。

??? DC750V是整個車輛系統的輸入電源，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，在軌道梁兩側各置一根，分別通以DC750V的正負電。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品，每節列車可以安裝2～4只。由于變壓整流裝置的波動和受流軌的損耗，車輛系統的電源輸入會在DC500V～900V間波動。

2.2??? 主牽引逆變器

??? 磁懸浮列車牽引電機采用直線異步電機，初級3相繞組裝在車上，次級采用鋼次級外覆鋁板結構，沿軌道敷設。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的三相交流電，并按一定的關系供給牽引直線電機，驅動車輛運行。每個轉向架單元安裝2臺直線電機，每輛車有8臺直線電機，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參數如下：

??? 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；

??? 最大啟動電流??? 3相1000A；

??? 最大制動電流??? 3相1000A；

??? 開關頻率??????? 500Hz；

??? 額定效率??????? 99％；

??? 控制方式??????? 直接力矩控制；

??? 冷卻方式??????? 強迫風冷。

2.3??? 輔助變流器

??? 輔助變流器是為列車車載的空調、氣泵、風機等交流設備供電的。其主要技術參數如下：

??? 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??? 準正弦波（諧波含量<10％）；

??? 輸出電壓??? 波動范圍<10％；

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

??? 逆變器輸出電壓上升率??? ≤500V/μs；

??? 逆變器輸出最大尖峰電壓??? <1000V(電機輸入端)；

??? 冷卻方式??????????? 自然風冷；

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

??? 效率??????????????? 額定負載下，>90％。

??? 該輔助變流器具有貫穿短路、過壓、欠壓、過流、過熱保護，還具有IGBT功率器件故障和電子控制故障等的自診斷功能，實際運行18個月，沒發生任何故障。

2.4??? 240VDC/DC變換器

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

??? 輸入電壓??? DC750V(DC500～900V)；

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

??? 輸出容量??? 50kW；

??? 冷卻方式??? 自然風冷。

??? 240VDC/DC變換器采用模塊化設計思想，便于現場維護。使用雙模塊并聯方式工作，采用主從均流控制方式，能很好地實現均流控制。當其中一個模塊故障時，另一個模塊可以同蓄電池一起為懸浮系統供電。主開關器件為400A/1700V的大功率IGBT，采用光纖驅動技術。以微處理芯片進行數字化控制，功能強大，實現了移相控制，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輸入經過充電電阻對輸入濾波電容充電，當電容器充滿電壓后，與充電電阻并聯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240VDC/DC變換器時要為電容充電，形成軟啟動。軟啟動結束后再投入240V的蓄電池組，240VDC/DC變換器的輸出端加有隔離二極管，防止負載接反。

2.5??? 110VDC/DC變換器

??? 110VDC/DC變換器為所有的控制設備提供電源，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。其輸出端也并聯有蓄電池組，當蓄電池組單獨供電時，至少可以維持10min供電。110VDC/DC變換器也采用半橋逆變電路，由一個模塊組成，功率余量大，可靠性高，保護功能完善。采用定頻調寬PWM方式，斬波頻率20kHz。其基本參數為：

??? 額定輸出電壓??? 115V(可上下微調2V)；

??? 穩壓精度??????? 2％；

??? 輸出紋波??????? <10V(與蓄電池并聯)；

??? 額定輸出容量??? 8kW；

??? 冷卻方式??????? 自然風冷。

2.6??? DC/DC電源箱

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

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

??? 1）具有符合蓄電池恒壓限流充電要求的輸出特性，當蓄電池過放時，具有限流充電保護功能；

??? 2）在電網供電中斷再恢復后，能自動投入正常運行狀態；

??? 3）具有承受負載突變的能力；

??? 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功能；

??? 5）具有串行通訊功能；

??? 6）檢測板能提供各種檢測信號，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）設置了軟啟動過程，防止啟動時，電流沖擊對其他元器件造成損害，并可利用該軟啟動對濾波電容進行軟充電；

??? 8）控制電路分別設有輸出電壓反饋環節，輸出電流反饋環節，充放電電流反饋環節，保證了輸出電壓的穩定，輸出充放電特性滿足蓄電池組的要求。

??? 經過實際運行考核，該DC/DC電源箱裝置達到了工作穩定，性能可靠，維護檢修方便的設計目的。

2.7??? DC24V電源

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

3??? 結語

??? 通過以上簡單介紹可以看出，磁懸浮列車電源系統實際上就是現代電力電子技術尤其是電源技術的結晶品，相信通過我國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不遠了！