上海高速磁悬浮地面牵引供电系统

1引言近些年来，磁浮列车以其高速、卫籍、安全、舒适、环保等优点日益受到人们越来越多的关注。LI前德国和曰本是世界上磁浮列车研究最多的国家：德国已经研制了tr系列吸力型磁浮列车，并在埃姆斯兰建造了大型试验用的tve试验线；日本也研制了mlu系列斥力型磁浮列车和hsst系列吸力型磁浮列车，并修建了山梨试验线。我国也在积极开展这方面的研究工作，上海已从德国引进7tr08型磁浮列车，并已投入了商业运行，同时也拉开了消化吸收其先进技术的序幕。在磁浮列车运行系统中，合理有效的牵引供电系统是实现磁浮列车高速可靠运行的关键之一，故而成为本文的主要研究对象。2磁浮列车牵引供电系统概况磁浮列车按照动力源(直线电动机)定子的长短相应可分为短定子直线电动机例的磁浮列车和长定子直线电动机驱动的磁浮列车。短定子直线电动机是将定子绕组安装在车体的底部，通过向磁浮列车提供变压变频的虫邈，山车上的短定子产主行波磁场;轨道上安置结构较为简单的长转子，这种结构多用于直线异步牵引电动机的驱动系统。由于列车通过受流器供电，而高速受流困难使列车运行速度、异步电机的立立因数及效率均受到限制，因此该系统仅用于低速小功率短距离的电力牵引。长定子直线同步电动机驱动的磁浮列车的底部安置有直线电机的转子，整条轨道上安装同步电机的长定子绕组。磁浮列车内部对转子的供电简单，没有高速受流的困难。采用这种直线同步电动机驱动，适合于高速、大功率、长距离的电力牵引。德国和日本均采用这种系统。德国研制了常导吸浮式磁浮列车：山车上常导电流产生的电磁吸引力吸引轨道下方的导磁体，使列车浮起。常导电流比较容易获得，通常山蓄电池或感应式发电线圈等设备产生电流，供给同步直线电动机的转子。但常导系统电磁吸引力相对较小，列车悬浮高度约10mm,故对控制精度的要求很高。日本研制的超导斥浮型磁浮列车是山车上强大的超导电流产生极强的电磁场，该电磁场相对线路侧墙上的8字形导电环高速塑，使导电环感应出强大的环流，在8字形下半环中形成推斥磁场，而上半环中则形成吸力磁场，使列车悬浮。该悬浮系统是一个无需反馈控制的稳定系统，而且悬浮高度可在10cm左右，从而使控制相对简单。3上海高速磁浮列车的牵引供电系统[1]上海运营的高速磁浮列车是从德国引进的tr08型磁浮列车，采用长定子直线同步电动机和常导吸浮式系统。其牵引供电系统如图1所示，山高B变汗器(U0kv/20kv).输入变压器、输入变流器、逆变器和输出变压器等主要部件构成。磁悬浮列车牵引供电系统从页kv网压经高压变压器变为20kv,再山输入变任器和输入变流器变为±2500v的直流电压。从直流环节来的直流电压，山三相三点式逆变器产生可变频率(0300hz)、可变幅值(0X4.3kv)、可调相角(0360°)的三相交流电。磁悬浮列车的牵引变流器有两种工作模式:WAVftCI串引遑Ul®&»上海需迪送浮列军至引洪电※绕幻检框图逆变器脉冲宽度调制的直接输出模式，是电机在低频工作时的输出方式，具有070hz的开关频率。此时两套三点式逆变器并联，经输出变压器的初级绕组如图1所示的连接输出，这时输出变压器初级绕组相当于并联用的均衡电抗器，同时也起到滤波作用。变压器输出模式，是电机工作在高频时的输出方式，具有30hz300hz的开关频率。这时主牵引变流器中的两套逆变器相串联作用于输出变任器的原边，经输出变压器升压后输出。3.1输入变流器输入变流器的前级山高压变任器和输入变压器组成。输入变压器山两个整流变任器构成，其作用是将高压网侧电压通过变压器二级降任，然后送至输入变流器。对于大容量高压整流变压器，为了提高整流效率，采用2套6脉冲整流桥组成，每套整流变压器是由一个y结和一个d结两组三相绕组供电。静止变流器系统采用的是三台单相三绕组变压器方案，通过各绕组的规定连接将其构成图2所示的y/y、d组式整流变压器的方案，其主要优点有：备用容量小，较为经济；单台容量较小，较易满足运输对装置尺寸的要求；三个绕组可以布置在同一铁心柱上，有助于降低变压器的谐波损耗。为了控制中间电路直流环电压，以及减小网侧励磁，系统的每个整流器采用1个六脉冲三相全控整流桥和1个六脉冲三相不可控整流桥串联而成，如图2所示。这样两套整流器审联，中间点通过高电阻接地(如图1所示)，构成三电位的中间电路直流环。直流环的电压是可控的，范围在2X1500V2X2500V内，额定电流3200a。为得到平滑的直流电流，在中间回路中串有平波电抗器。°同时为防止整流桥和直流环过电压，采用了直流侧过电任保护。在直流环中间电路并有放电保护的晶国管和大功率电阻,作为直流侧吸收装置，以抑制过电压。另外，中间电路直流环中间点通过高电阻接地保护，并带有接地故障显示。|I函个二％些予•压毒方主3.2牵引逆变器（1）逆变器的结构上海磁浮列车三相逆变器中的一相结构如图3所示，主管采用gto全控器件，主电路采用两主管串联与中点带箝位二极管的方案，该电路乂称为三点式（或三电平中点嵌位式）逆变器，这样可使主管耐任值降低一半，同时在相同开关频率及控制方式下，其输出电压或电流的谐波较两电平更少，且输出电压在电机端产生的共模电压也更少，有利于延长电机的使用寿命。每相桥臂的四个主管有三种不同的通断组合，分别输出不同的电任（见表1）o主管gto的峰值电压4.5kv，峰值电流4.3kao三点式逆变器要求主管vl与v4不能同时导通，并且vl和v3.v2和v4的控制脉冲是互反的，此外上述主管通断转换时必须遵守先断后通的原则。表1主管开夬状态与相输出电压V1V2V3V4每相输出电应1通通断窗斤4-Vd2窗斤通断03窗斤通通-Vd三电平逆变器是在二电平逆变器的基础上发展起来的，把二电平逆变器成熟的控制技术引入到三电平逆变器中就形成了多种逆变器控制策略。如今对三电平逆变器用的比较成熟的控制策略主要有：单脉冲控制方法、上下双调制波的spwm控制方法、120°导电pwm控制方法、错开90：相位的pwm控制方法、抑制中性点电位偏移的pwm控制方法、开关频率最优pwm控制方法、特定低次谐波消除法(shepwm)、三电平逆变器电压空间矢量控制方法(svpwm)以及抑制中性点电位偏移的电压空间矢量控制方法等[2,3]ogto驱动电路大功率gto驱动电路必须首先解决隔离及抗干扰等问题。上海磁浮列车主牵引逆变器中gto的触发脉冲信号采用光红电缆传输，这样隔离及抗干扰的问题迎刃而解，从而确保了联。触发脉冲的准确性，间接地保证了磁浮列车的行车安全。另夕卜，大功率gto驱动电路能否正常工作的关键还在于电源，gto门极触发脉冲的幅值要足够高，且其前沿要陡，而后沿则要求平缓些。为满足此要求，磁浮列车主牵引逆变器中gto的门极驱动电源为45v/27a,且gto触发脉冲的后沿信号和电压信号均被送回到控制系统中。此外，上海磁浮列车主牵引逆变器采用了多种保护：有制动断路器的过电压保护、过电流保护电流限制、脉冲中断和接地故障检测等。吸收电路gto的吸收电路很多，上海磁浮列车三电平主牵引逆变器的吸收电路如图3所示。吸收电路必须保证gto工作时的di/dt、du/dt不超过规定的允许值，这样gto的吸收电路必须要有电悠」和电容c。图3中电感11、12和gto$联，用于限制gto的di/dt。二极管dll、dl2、电阻rl与电感11构成了电感本身的能量释放回路。电容ell、C12用于限制gto的du/dt,二极管dl2、dl3构成了电容的能量释放回路。与red吸收电路相比，上述吸收电路增加了大电容C12，因而关断吸收电容ell为red吸收电路电容值的一半，所以损耗也减小了一半；同时电容C12起电压嵌位作用，用于抑制gto的关断过电压，对于1500kva逆变器，此匕吸收电路的损耗和非对称吸收电路的损耗大体相同。4结束语上海高速磁悬浮列车牵引供电系统具有以下特点：采用高速常导直线同步电机，整个牵引供电系统安置在地面上，不受车体的空间限制，有利于采用最有效的三步供电方式；采用适合于高压大功率场合