上海高速磁懸浮地面牽引供電系統(tǒng)

1引言近些年來(lái)，磁浮列車以其高速、衛(wèi)籍、安全、舒適、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)日益受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。LI前德國(guó)和曰本是世界上磁浮列車研究最多的國(guó)家：德國(guó)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(yàn)用的tve試驗(yàn)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(yàn)線。我國(guó)也在積極開展這方面的研究工作，上海已從德國(guó)引進(jìn)7tr08型磁浮列車，并已投入了商業(yè)運(yùn)行，同時(shí)也拉開了消化吸收其先進(jìn)技術(shù)的序幕。在磁浮列車運(yùn)行系統(tǒng)中，合理有效的牽引供電系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)磁浮列車高速可靠運(yùn)行的關(guān)鍵之一，故而成為本文的主要研究對(duì)象。2磁浮列車牽引供電系統(tǒng)概況磁浮列車按照動(dòng)力源(直線電動(dòng)機(jī))定子的長(zhǎng)短相應(yīng)可分為短定子直線電動(dòng)機(jī)例的磁浮列車和長(zhǎng)定子直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁浮列車。短定子直線電動(dòng)機(jī)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蟲邈，山車上的短定子產(chǎn)主行波磁場(chǎng);軌道上安置結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的長(zhǎng)轉(zhuǎn)子，這種結(jié)構(gòu)多用于直線異步牽引電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(yùn)行速度、異步電機(jī)的立立因數(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(zhǎng)定子直線同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的磁浮列車的底部安置有直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子，整條軌道上安裝同步電機(jī)的長(zhǎng)定子繞組。磁浮列車內(nèi)部對(duì)轉(zhuǎn)子的供電簡(jiǎn)單，沒有高速受流的困難。采用這種直線同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，適合于高速、大功率、長(zhǎng)距離的電力牽引。德國(guó)和日本均采用這種系統(tǒng)。德國(guó)研制了常導(dǎo)吸浮式磁浮列車：山車上常導(dǎo)電流產(chǎn)生的電磁吸引力吸引軌道下方的導(dǎo)磁體，使列車浮起。常導(dǎo)電流比較容易獲得，通常山蓄電池或感應(yīng)式發(fā)電線圈等設(shè)備產(chǎn)生電流，供給同步直線電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。但常導(dǎo)系統(tǒng)電磁吸引力相對(duì)較小，列車懸浮高度約10mm,故對(duì)控制精度的要求很高。日本研制的超導(dǎo)斥浮型磁浮列車是山車上強(qiáng)大的超導(dǎo)電流產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)相對(duì)線路側(cè)墻上的8字形導(dǎo)電環(huán)高速塑，使導(dǎo)電環(huán)感應(yīng)出強(qiáng)大的環(huán)流，在8字形下半環(huán)中形成推斥磁場(chǎng)，而上半環(huán)中則形成吸力磁場(chǎng)，使列車懸浮。該懸浮系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)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(duì)簡(jiǎn)單。3上海高速磁浮列車的牽引供電系統(tǒng)[1]上海運(yùn)營(yíng)的高速磁浮列車是從德國(guó)引進(jìn)的tr08型磁浮列車，采用長(zhǎng)定子直線同步電動(dòng)機(jī)和常導(dǎo)吸浮式系統(tǒng)。其牽引供電系統(tǒng)如圖1所示，山高B變汗器(U0kv/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(gòu)成。磁懸浮列車牽引供電系統(tǒng)從頁(yè)kv網(wǎng)壓經(jīng)高壓變壓器變?yōu)?0kv,再山輸入變?nèi)纹骱洼斎胱兞髌髯優(yōu)椤?500v的直流電壓。從直流環(huán)節(jié)來(lái)的直流電壓，山三相三點(diǎn)式逆變器產(chǎn)生可變頻率(0300hz)、可變幅值(0X4.3kv)、可調(diào)相角(0360°)的三相交流電。磁懸浮列車的牽引變流器有兩種工作模式:WAVftCI串引遑Ul?&?上海需迪送浮列軍至引洪電※繞幻檢框圖逆變器脈沖寬度調(diào)制的直接輸出模式，是電機(jī)在低頻工作時(shí)的輸出方式，具有070hz的開關(guān)頻率。此時(shí)兩套三點(diǎn)式逆變器并聯(lián)，經(jīng)輸出變壓器的初級(jí)繞組如圖1所示的連接輸出，這時(shí)輸出變壓器初級(jí)繞組相當(dāng)于并聯(lián)用的均衡電抗器，同時(shí)也起到濾波作用。變壓器輸出模式，是電機(jī)工作在高頻時(shí)的輸出方式，具有30hz300hz的開關(guān)頻率。這時(shí)主牽引變流器中的兩套逆變器相串聯(lián)作用于輸出變?nèi)纹鞯脑?，?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(jí)山高壓變?nèi)纹骱洼斎胱儔浩鹘M成。輸入變壓器山兩個(gè)整流變?nèi)纹鳂?gòu)成，其作用是將高壓網(wǎng)側(cè)電壓通過變壓器二級(jí)降任，然后送至輸入變流器。對(duì)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(gè)y結(jié)和一個(gè)d結(jié)兩組三相繞組供電。靜止變流器系統(tǒng)采用的是三臺(tái)單相三繞組變壓器方案，通過各繞組的規(guī)定連接將其構(gòu)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(diǎn)有：備用容量小，較為經(jīng)濟(jì)；單臺(tái)容量較小，較易滿足運(yùn)輸對(duì)裝置尺寸的要求；三個(gè)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(cè)勵(lì)磁，系統(tǒng)的每個(gè)整流器采用1個(gè)六脈沖三相全控整流橋和1個(gè)六脈沖三相不可控整流橋串聯(lián)而成，如圖2所示。這樣兩套整流器審聯(lián)，中間點(diǎn)通過高電阻接地(如圖1所示)，構(gòu)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2X1500V2X2500V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?！阃瑫r(shí)為防止整流橋和直流環(huán)過電壓，采用了直流側(cè)過電任保護(hù)。在直流環(huán)中間電路并有放電保護(hù)的晶國(guó)管和大功率電阻,作為直流側(cè)吸收裝置，以抑制過電壓。另外，中間電路直流環(huán)中間點(diǎn)通過高電阻接地保護(hù)，并帶有接地故障顯示。|I函個(gè)二％些予?壓毒方主3.2牽引逆變器（1）逆變器的結(jié)構(gòu)上海磁浮列車三相逆變器中的一相結(jié)構(gòu)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(diǎn)帶箝位二極管的方案，該電路乂稱為三點(diǎn)式（或三電平中點(diǎn)嵌位式）逆變器，這樣可使主管耐任值降低一半，同時(shí)在相同開關(guān)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(jī)端產(chǎn)生的共模電壓也更少，有利于延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。每相橋臂的四個(gè)主管有三種不同的通斷組合，分別輸出不同的電任（見表1）o主管gto的峰值電壓4.5kv，峰值電流4.3kao三點(diǎn)式逆變器要求主管vl與v4不能同時(shí)導(dǎo)通，并且vl和v3.v2和v4的控制脈沖是互反的，此外上述主管通斷轉(zhuǎn)換時(shí)必須遵守先斷后通的原則。表1主管開夬狀態(tài)與相輸出電壓V1V2V3V4每相輸出電應(yīng)1通通斷窗斤4-Vd2窗斤通斷03窗斤通通-Vd三電平逆變器是在二電平逆變器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，把二電平逆變器成熟的控制技術(shù)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(duì)三電平逆變器用的比較成熟的控制策略主要有：?jiǎn)蚊}沖控制方法、上下雙調(diào)制波的spwm控制方法、120°導(dǎo)電pwm控制方法、錯(cuò)開90：相位的pwm控制方法、抑制中性點(diǎn)電位偏移的pwm控制方法、開關(guān)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(diǎn)電位偏移的電壓空間矢量控制方法等[2,3]ogto驅(qū)動(dòng)電路大功率gto驅(qū)動(dòng)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g(shù)to的觸發(fā)脈沖信號(hào)采用光紅電纜傳輸，這樣隔離及抗干擾的問題迎刃而解，從而確保了聯(lián)。觸發(fā)脈沖的準(zhǔn)確性，間接地保證了磁浮列車的行車安全。另夕卜，大功率gto驅(qū)動(dòng)電路能否正常工作的關(guān)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g(shù)to的門極驅(qū)動(dòng)電源為45v/27a,且gto觸發(fā)脈沖的后沿信號(hào)和電壓信號(hào)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(hù)：有制動(dòng)斷路器的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)電流限制、脈沖中斷和接地故障檢測(cè)等。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(shí)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悠」和電容c。圖3中電感11、12和gto$聯(lián)，用于限制gto的di/dt。二極管dll、dl2、電阻rl與電感11構(gòu)成了電感本身的能量釋放回路。電容ell、C12用于限制gto的du/dt,二極管dl2、dl3構(gòu)成了電容的能量釋放回路。與red吸收電路相比，上述吸收電路增加了大電容C12，因而關(guān)斷吸收電容ell為red吸收電路電容值的一半，所以損耗也減小了一半；同時(shí)電容C12起電壓嵌位作用，用于抑制gto的關(guān)斷過電壓，對(duì)于1500kva逆變器，此匕吸收電路的損耗和非對(duì)稱吸收電路的損耗大體相同。4結(jié)束語(yǔ)上海高速磁懸浮列車牽引供電系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：采用高速常導(dǎo)直線同步電機(jī)，整個(gè)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；采用適合于高壓大功率場(chǎng)合