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1 引言 近些年來，磁浮列車以其高速、節(jié)能、安全、舒適、環(huán)保等優(yōu)點日益受到人們越來越多的關注。目前德國和日本是世界上磁浮列車研究最多的國家：德國已經(jīng)研制了tr系列吸力型磁浮列車，并在埃姆斯蘭建造了大型試驗用的tve試驗線;日本也研制了mlu系列斥力型磁浮列車和hsst系列吸力型磁浮列車，并修建了山梨試驗線。我國也在積極開展這方面的研究工作，上海已從德國引進了tr08型磁浮列車，并已投入了商業(yè)運行，同時也拉開了消化吸收其先進技術的序幕。在磁浮列車運行系統(tǒng)中，合理有效的牽引供電系統(tǒng)是實現(xiàn)磁浮列車高速可靠運行的關鍵之一，故而成為本文的主要研究對象。 2 磁浮列車牽引供電系統(tǒng)概況 磁浮列車按照動力源（直線電動機）定子的長短相應可分為短定子直線電動機驅動的磁浮列車和長定子直線電動機驅動的磁浮列車。短定子直線電動機是將定子繞組安裝在車體的底部，通過向磁浮列車提供變壓變頻的電源，由車上的短定子產(chǎn)生行波磁場;軌道上安置結構較為簡單的長轉子，這種結構多用于直線異步牽引電動機的驅動系統(tǒng)。由于列車通過受流器供電，而高速受流困難使列車運行速度、異步電機的功率因數(shù)及效率均受到限制，因此該系統(tǒng)僅用于低速小功率短距離的電力牽引。長定子直線同步電動機驅動的磁浮列車的底部安置有直線電機的轉子，整條軌道上安裝同步電機的長定子繞組。磁浮列車內(nèi)部對轉子的供電簡單，沒有高速受流的困難。采用這種直線同步電動機驅動，適合于高速、大功率、長距離的電力牽引。德國和日本均采用這種系統(tǒng)。德國研制了常導吸浮式磁浮列車：由車上常導電流產(chǎn)生的電磁吸引力吸引軌道下方的導磁體，使列車浮起。常導電流比較容易獲得，通常由蓄電池或感應式發(fā)電線圈等設備產(chǎn)生電流，供給同步直線電動機的轉子。但常導系統(tǒng)電磁吸引力相對較小，列車懸浮高度約10mm，故對控制精度的要求很高。日本研制的超導斥浮型磁浮列車是由車上強大的超導電流產(chǎn)生極強的電磁場，該電磁場相對線路側墻上的8字形導電環(huán)高速移動，使導電環(huán)感應出強大的環(huán)流，在8字形下半環(huán)中形成推斥磁場，而上半環(huán)中則形成吸力磁場，使列車懸浮。該懸浮系統(tǒng)是一個無需反饋控制的穩(wěn)定系統(tǒng)，而且懸浮高度可在10cm左右，從而使控制相對簡單。 3 上海高速磁浮列車的牽引供電系統(tǒng)［1］ 上海運營的高速磁浮列車是從德國引進的tr08型磁浮列車，采用長定子直線同步電動機和常導吸浮式系統(tǒng)。其牽引供電系統(tǒng)如圖1所示，由高壓變壓器（110kv/20kv）、輸入變壓器、輸入變流器、逆變器和輸出變壓器等主要部件構成。 磁懸浮列車牽引供電系統(tǒng)從110kv網(wǎng)壓經(jīng)高壓變壓器變?yōu)?0kv，再由輸入變壓器和輸入變流器變?yōu)椤?500v的直流電壓。從直流環(huán)節(jié)來的直流電壓，由三相三點式逆變器產(chǎn)生可變頻率（0～300hz）、可變幅值（0～×4.3kv）、可調相角（0～360°）的三相交流電。磁懸浮列車的牽引變流器有兩種工作模式： 
（1）逆變器脈沖寬度調制的直接輸出模式，是電機在低頻工作時的輸出方式，具有0～70hz的開關頻率。此時兩套三點式逆變器并聯(lián)，經(jīng)輸出變壓器的初級繞組如圖1所示的連接輸出，這時輸出變壓器初級繞組相當于并聯(lián)用的均衡電抗器，同時也起到濾波作用。 （2）變壓器輸出模式，是電機工作在高頻時的輸出方式，具有30hz～300hz的開關頻率。這時主牽引變流器中的兩套逆變器相串聯(lián)作用于輸出變壓器的原邊，經(jīng)輸出變壓器升壓后輸出。 3.1 輸入變流器 輸入變流器的前級由高壓變壓器和輸入變壓器組成。輸入變壓器由兩個整流變壓器構成，其作用是將高壓網(wǎng)側電壓通過變壓器二級降壓，然后送至輸入變流器。對于大容量高壓整流變壓器，為了提高整流效率，采用2套6脈沖整流橋組成，每套整流變壓器是由一個y結和一個d結兩組三相繞組供電。靜止變流器系統(tǒng)采用的是三臺單相三繞組變壓器方案，通過各繞組的規(guī)定連接將其構成圖2所示的y/y、d組式整流變壓器的方案，其主要優(yōu)點有： （1） 備用容量小，較為經(jīng)濟; （2） 單臺容量較小，較易滿足運輸對裝置尺寸的要求; （3） 三個繞組可以布置在同一鐵心柱上，有助于降低變壓器的諧波損耗。 為了控制中間電路直流環(huán)電壓，以及減小網(wǎng)側勵磁，系統(tǒng)的每個整流器采用1個六脈沖三相全控整流橋和1個六脈沖三相不可控整流橋串聯(lián)而成，如圖2所示。這樣兩套整流器串聯(lián)，中間點通過高電阻接地（如圖1所示），構成三電位的中間電路直流環(huán)。直流環(huán)的電壓是可控的，范圍在2×1500v～2×2500v內(nèi)，額定電流3200a。為得到平滑的直流電流，在中間回路中串有平波電抗器。同時為防止整流橋和直流環(huán)過電壓，采用了直流側過電壓保護。在直流環(huán)中間電路并有放電保護的晶閘管和大功率電阻，作為直流側吸收裝置， 以抑制過電壓。另外， 中間電路直流環(huán)中間點通過高電阻接地保護， 并帶有接地故障顯示。
3.2 牽引逆變器 （1） 逆變器的結構 上海磁浮列車三相逆變器中的一相結構如圖3所示，主管采用gto全控器件，主電路采用兩主管串聯(lián)與中點帶箝位二極管的方案，該電路又稱為三點式（或三電平中點嵌位式）逆變器，這樣可使主管耐壓值降低一半，同時在相同開關頻率及控制方式下，其輸出電壓或電流的諧波較兩電平更少，且輸出電壓在電機端產(chǎn)生的共模電壓也更少，有利于延長電機的使用壽命。
每相橋臂的四個主管有三種不同的通斷組合，分別輸出不同的電壓（見表1）。主管gto的峰值電壓4.5kv，峰值電流4.3ka。三點式逆變器要求主管v1與v4不能同時導通，并且v1和v3、v2和v4的控制脈沖是互反的，此外上述主管通斷轉換時必須遵守先斷后通的原則。
三電平逆變器是在二電平逆變器的基礎上發(fā)展起來的，把二電平逆變器成熟的控制技術引入到三電平逆變器中就形成了多種逆變器控制策略。如今對三電平逆變器用的比較成熟的控制策略主要有：單脈沖控制方法、上下雙調制波的spwm控制方法、120°導電pwm控制方法、錯開90°相位的pwm控制方法、抑制中性點電位偏移的pwm控制方法、開關頻率最優(yōu)pwm控制方法、特定低次諧波消除法（shepwm）、三電平逆變器電壓空間矢量控制方法（svpwm）以及抑制中性點電位偏移的電壓空間矢量控制方法等［2，3］。 （2） gto驅動電路 大功率gto驅動電路必須首先解決隔離及抗干擾等問題。上海磁浮列車主牽引逆變器中gto的觸發(fā)脈沖信號采用光纖電纜傳輸，這樣隔離及抗干擾的問題迎刃而解， 從而確保了gto觸發(fā)脈沖的準確性，間接地保證了磁浮列車的行車安全。另外，大功率gto驅動電路能否正常工作的關鍵還在于電源， gto門極觸發(fā)脈沖的幅值要足夠高，且其前沿要陡，而后沿則要求平緩些。為滿足此要求，磁浮列車主牽引逆變器中gto的門極驅動電源為45v/27a，且gto觸發(fā)脈沖的后沿信號和電壓信號均被送回到控制系統(tǒng)中。此外，上海磁浮列車主牽引逆變器采用了多種保護：有制動斷路器的過電壓保護、過電流保護電流限制、脈沖中斷和接地故障檢測等。 （3） 吸收電路 gto的吸收電路很多，上海磁浮列車三電平主牽引逆變器的吸收電路如圖3所示。吸收電路必須保證gto工作時的di/dt、du/dt不超過規(guī)定的允許值，這樣gto的吸收電路必須要有電感和電容c。圖3中電感l(wèi)1、l2和gto串聯(lián)，用于限制gto的di/dt。二極管d11、d12、電阻r1與電感l(wèi)1構成了電感本身的能量釋放回路。電容c11、c12用于限制gto的du/dt，二極管d12、d13構成了電容的能量釋放回路。與rcd吸收電路相比，上述吸收電路增加了大電容c12，因而關斷吸收電容c11為rcd吸收電路電容值的一半，所以損耗也減小了一半;同時電容c12起電壓嵌位作用，用于抑制gto的關斷過電壓，對于1500kva逆變器，此吸收電路的損耗和非對稱吸收電路的損耗大體相同。 4 結束語 上海高速磁懸浮列車牽引供電系統(tǒng)具有以下特點： （1） 采用高速常導直線同步電機，整個牽引供電系統(tǒng)安置在地面上，不受車體的空間限制，有利于采用最有效的三步供電方式; （2） 采用適合于高壓大功率場合的中性點箝位三電平變流器技術，避開了gto晶閘管的直接串聯(lián)，從而可以充分發(fā)揮大功率電力電子器件的容量; （3） 輸入變流器中采用兩套可調壓的12脈沖整流橋，既減小了諧波與干擾，同時也抑制了中點電位的偏移; （4） 晶閘管和gto采用光纖電纜傳輸脈沖信號， 具有高抗干擾性。供電與牽引控制系統(tǒng)是控制磁懸浮列車安全穩(wěn)定運行的關鍵之一，對其原理與結構還有待于進一步研究與分析。 |
