磁悬浮列车试验线的电源系统简介

摘要：对我国首条中低速常导磁悬浮列车试验线的电源系统进行了简单介绍，包括整流站，主牵引逆变器，辅助变流器，240VDC/DC变换器和110VDC/DC变换器。

关键词：磁悬浮；逆变器；DC/DC变换器

1    磁悬浮列车试验线简介

    我国首条中低速常导磁悬浮列车试验线位于湖南长沙国防科技大学南院，如图1所示。它是为北京八达岭景区磁悬浮旅游示范线前期试验准备而建的。试验线由国防科技大学磁悬浮技术工程研究中心与铁道部第三设计院地铁分院、北京铁路工程总公司、宝鸡桥梁厂、房山桥梁厂、株洲电力机车研究所、常州客车集团磁悬浮列车厂、上海飞机制造厂、上海飞机设计所联合设计和研制的。试验线路长204m，轨距2m，全线高架，包含一段40‰的坡道和一段半径100m的弯道，还计划修建一个道岔。磁悬浮列车首车长15m，中间车长14m，车宽3m。每辆车空重20t，额定载重8t（100人），最大载重12t。电磁铁悬浮间隙8mm，用感应式直线电机变频驱动。在八达岭运营示范线的运行速度为60km/h，最高设计速度120km/h。试验线于2001年9月全面竣工，至今已累计运行3500km，没有发生重大事故。

图1    我国首条中低速常导磁悬浮列车试验线全貌

    中低速常导磁悬浮列车造价低，爬坡能力强，没有废气和噪声污染，是一种绿色交通工具，更适合于站间距短、高楼林立的城市轨道交通。

2    磁悬浮列车试验线的电源系统简介

2.1    总体

    图2是试验线的电源系统总体示意图。

图2    试验线的电源系统总体示意图

    AC10kV经地面大功率变压整流装置输出DC750V供试验线使用。整流站额定输出电压DC750V、800A。采用12脉波的整流方式，造价低廉性能可靠。

    DC750V是整个车辆系统的输入电源，通过受流轨、受流器为磁悬浮列车提供总电源。受流轨选用的是普通钢轨，在轨道梁两侧各置一根，分别通以DC750V的正负电。在列车上安装受流器通过与受流轨接触为列车供电，受流器采用的是地铁产品，每节列车可以安装2～4只。由于变压整流装置的波动和受流轨的损耗，车辆系统的电源输入会在DC500V～900V间波动。

2.2    主牵引逆变器

    磁悬浮列车牵引电机采用直线异步电机，初级3相绕组装在车上，次级采用钢次级外覆铝板结构，沿轨道敷设。而主牵引逆变器将取自受流轨的直流电变换成电压和频率均可调的三相交流电，并按一定的关系供给牵引直线电机，驱动车辆运行。每个转向架单元安装2台直线电机，每辆车有8台直线电机，采用4串2并的形式与主牵引逆变器相连。主牵引逆变器的技术参数如下：

    输入电压    DC750V(DC500～900V)；

    输入电流    586A；

    输出电压    3相AC0～585V；

    输出频率    0～80Hz；

    额定输出容量    750kVA；

    最大输出容量    1000kVA；

    额定输出电流    3相740A；

    最大启动电流    3相1000A；

    最大制动电流    3相1000A；

    开关频率        500Hz；

    额定效率        99％；

    控制方式        直接力矩控制；

    冷却方式        强迫风冷。

2.3    辅助变流器

    辅助变流器是为列车车载的空调、气泵、风机等交流设备供电的。其主要技术参数如下：

    输入电压    DC750V(DC500～900V)；

    额定容量    55kVA；

    输出电压    基波有效值三相380V/50Hz；

    输出波形    准正弦波（谐波含量<10％）；

    输出电压    波动范围<10％；

    逆变器三相输出电压对称    基波电压有效值相差最大不超过5V(三相负载对称时)；

    逆变器输出电压上升率    ≤500V/μs；

    逆变器输出最大尖峰电压    <1000V(电机输入端)；

    冷却方式            自然风冷；

    重量                逆变器<150kg，滤波器<250kg；

    效率                额定负载下，>90％。

    该辅助变流器具有贯穿短路、过压、欠压、过流、过热保护，还具有IGBT功率器件故障和电子控制故障等的自诊断功能，实际运行18个月，没发生任何故障。

2.4    240VDC/DC变换器

    240VDC/DC变换器直接为悬浮系统供电，同时还向悬浮用蓄电池组充电。由于悬浮供电的重要性，在240VDC/DC变换器输出端并联有蓄电池组，以备在240VDC/DC变换器故障情况下继续为悬浮系统供电。蓄电池组单独供电时，列车可以悬浮至少5min，足以滑行至下一车站检修。其基本参数为：

    输入电压    DC750V(DC500～900V)；

    输出电压    DC240V稳压精度2％，输出电压纹波小于4V(与蓄电池并联)；

    输出容量    50kW；

    冷却方式    自然风冷。

    240VDC/DC变换器采用模块化设计思想，便于现场维护。使用双模块并联方式工作，采用主从均流控制方式，能很好地实现均流控制。当其中一个模块故障时，另一个模块可以同蓄电池一起为悬浮系统供电。主开关器件为400A/1700V的大功率IGBT，采用光纤驱动技术。以微处理芯片进行数字化控制，功能强大，实现了移相控制，有效地减小了输出纹波和滤波器的体积。高频变压器和滤波电感采用微晶材料绕制，缩小了体积，降低了损耗。同时还具有完善的输入欠压、过压、过流、输出短路、输出过流、过载、过热等保护功能。

    240VDC/DC变换器的每组模块又分为逆变模块和整流模块，其中逆变模块采用半桥电路。DC750V输入经过充电电阻对输入滤波电容充电，当电容器充满电压后，与充电电阻并联的接触器闭合短接充电电阻，由IGBT组成的半桥逆变电路开始工作，将DC750V变成10kHz的方波，通过高频变压器隔离降压后，再由整流模块整流和滤波。由于悬浮控制器的输入端并有大容量的电容，所以每次启动240VDC/DC变换器时要为电容充电，形成软启动。软启动结束后再投入240V的蓄电池组，240VDC/DC变换器的输出端加有隔离二极管，防止负载接反。

2.5    110VDC/DC变换器

    110VDC/DC变换器为所有的控制设备提供电源，包括各种继电器、接触器和所有辅助电源的输入，位置十分重要。其输出端也并联有蓄电池组，当蓄电池组单独供电时，至少可以维持10min供电。110VDC/DC变换器也采用半桥逆变电路，由一个模块组成，功率余量大，可靠性高，保护功能完善。采用定频调宽PWM方式，斩波频率20kHz。其基本参数为：

    额定输出电压    115V(可上下微调2V)；

    稳压精度        2％；

    输出纹波        <10V(与蓄电池并联)；

    额定输出容量    8kW；

    冷却方式        自然风冷。

2.6    DC/DC电源箱

    240VDC/DC变换器和110VDC/DC变换器安装在一个箱体里面，组成了DC/DC电源箱，便于安装和维护。

    240VDC/DC变换器和110VDC/DC变换器共同具有以下特点：

    1）具有符合蓄电池恒压限流充电要求的输出特性，当蓄电池过放时，具有限流充电保护功能；

    2）在电网供电中断再恢复后，能自动投入正常运行状态；

    3）具有承受负载突变的能力；

    4）具有短路、过流、过载、输入过压和欠压、过热、输出过压和欠压、蓄电池过放及防蓄电池反接等保护功能；

    5）具有串行通讯功能；

    6）检测板能提供各种检测信号，如DC240V输出电压，输出电流，充放电电流；DC110V输出电压，输出电流，充放电电流等；

    7）设置了软启动过程，防止启动时，电流冲击对其他元器件造成损害，并可利用该软启动对滤波电容进行软充电；

    8）控制电路分别设有输出电压反馈环节，输出电流反馈环节，充放电电流反馈环节，保证了输出电压的稳定，输出充放电特性满足蓄电池组的要求。

    经过实际运行考核，该DC/DC电源箱装置达到了工作稳定，性能可靠，维护检修方便的设计目的。

2.7    DC24V电源

    DC24V电源为车载照明、雨刮器等低压电器设备供电，选用的是潮阳公司输入DC110V，功率1kW的成品电源，在这里就不详细介绍了。

3    结语

    通过以上简单介绍可以看出，磁悬浮列车电源系统实际上就是现代电力电子技术尤其是电源技术的结晶品，相信通过我国广大电源科技工作者的努力，磁悬浮列车走向大众的一天已经不远了！