XFK型中低速磁浮列車懸浮控制器研制*

董金文張昆侖劉 放

（1.磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都；3.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610031，成都∥第一作者，講師）

XFK型中低速磁浮列車懸浮控制器研制*

董金文1，2張昆侖1，2劉 放1，3

（1.磁浮技術(shù)與磁浮列車教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610031，成都；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，610031，成都；3.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，610031，成都∥第一作者，講師）

介紹了XFK型中低速磁浮列車懸浮控制器的結(jié)構(gòu)、原理和關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)分析了懸浮控制器中間電路電容和電感的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，指出了中間電路參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)和方法。試驗(yàn)表明：該型懸浮控制器設(shè)計(jì)合理，性能良好，完全滿足中低速磁浮列車運(yùn)行要求。

磁浮列車；主電路；懸浮控制器

First-author'saddressKey Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle，Ministry of Education，610031，Chengdu，China

中低速磁浮列車在技術(shù)上和輪軌列車的區(qū)別在于其懸浮系統(tǒng)和直線牽引系統(tǒng)。懸浮系統(tǒng)是中低速磁浮列車的特有系統(tǒng)，也是中低速磁浮列車的關(guān)鍵技術(shù)［2］。懸浮系統(tǒng)基本功能是通過對(duì)懸浮電磁鐵位置和加速度的檢測(cè)，對(duì)懸浮電磁鐵電流進(jìn)行控制，進(jìn)而調(diào)節(jié)電磁吸力，使得車輛可以穩(wěn)定懸浮于軌道［3-5］。懸浮系統(tǒng)由檢測(cè)電磁鐵位置的傳感器、進(jìn)行控制計(jì)算和外部通訊的控制電路以及實(shí)現(xiàn)電磁鐵電流的主電路三部分構(gòu)成，其中控制電路與主電路構(gòu)成懸浮控制器。本文介紹了用于中國南車株洲磁浮試驗(yàn)線的XFK型懸浮控制器。

1 懸浮控制器主要技術(shù)參數(shù)

XFK型懸浮控制器的主要技術(shù)參數(shù)如下：①懸浮控制單元箱體尺寸為350 mm×450 mm×550mm；②安裝方式為吊裝，螺栓連接；③輸入電壓范圍為DC 210～360 V（額定電壓DC 330 V）；④輸出電流范圍為0～100 A（額定電流30 A）；⑤質(zhì)量35 kg。

2 懸浮控制器總體結(jié)構(gòu)

懸浮控制器由控制電路和主電路組成。控制電路用于處理懸浮傳感器信號(hào)、與車載控制和診斷系統(tǒng)進(jìn)行信息交換、主電路的管理和保護(hù)以及根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)計(jì)算控制量等?？刂齐娐酚?塊4U標(biāo)準(zhǔn)電路板實(shí)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)電路板安裝在控制機(jī)箱內(nèi)。

主電路根據(jù)控制電路產(chǎn)生的控制量調(diào)節(jié)斬波器的通斷，實(shí)現(xiàn)保持懸浮系統(tǒng)穩(wěn)定的電磁鐵電流。主電路原理如圖1所示。

懸浮控制器中控制電路屬于弱電環(huán)節(jié)，主電路屬于強(qiáng)電環(huán)節(jié)，兩者安裝在同一機(jī)箱內(nèi)。控制電路對(duì)信號(hào)的信噪比要求高，在設(shè)計(jì)中需要盡量避免兩者之間的干擾。文獻(xiàn)［6］闡述了使用母排的一種懸浮控制器，并已應(yīng)用于早期中低速磁浮控制器。通過母排［7］的使用，對(duì)控制電路和主電路進(jìn)行空間分隔，對(duì)主電路進(jìn)行屏蔽，減小兩者的干擾。XFK懸浮控制器沿用了該設(shè)計(jì)思想和技術(shù)。

圖1 懸浮控制器主電路原理圖

3 主電路關(guān)鍵技術(shù)

中低速磁浮列車懸浮系統(tǒng)為了克服線路和負(fù)載擾動(dòng)，系統(tǒng)輸出電流變化大，懸浮電磁鐵和電源之間能量交換頻繁。能量交換中不僅會(huì)造成線路損耗，也會(huì)造成控制器電壓不穩(wěn)定等不利情況，所以在設(shè)計(jì)中必須增加中間電路對(duì)能量進(jìn)行緩沖。

中間電路由濾波電感和支撐電容組成。增加中間電路應(yīng)起到三個(gè)方面的作用：①保證控制器電壓波動(dòng)不會(huì)超過控制器內(nèi)器件耐壓值；②保證當(dāng)懸浮系統(tǒng)輸出電磁鐵電流大范圍波動(dòng)時(shí)，控制器電壓波動(dòng)不會(huì)對(duì)懸浮控制系統(tǒng)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)性能造成影響；③保證控制器輸入電流的紋波比較小。

中間電路電容容量大，有利于控制器電壓穩(wěn)定，但由于體積重量限制，電容量受限。設(shè)計(jì)中以滿足最低安全要求為原則，即在最惡劣情況下，控制器電壓波動(dòng)不會(huì)導(dǎo)致耐壓值最低的器件損壞為設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。在控制器中耐壓值最低的器件為開關(guān)電源，其耐壓為AC 300 V浪涌5 s，根據(jù)實(shí)際測(cè)試及考慮冗余，認(rèn)為輸入電源不高于DC 424 V（＜5 s）時(shí)不會(huì)損壞。

考察出現(xiàn)最高電壓的惡劣工況，即電感能量最大時(shí)斬波器與外部電源系統(tǒng)物理斷開，電感能量除自身消耗外，全部向電容轉(zhuǎn)移，控制器電壓達(dá)到最高值。在放電過程中忽略電磁鐵電阻耗能，根據(jù)能量關(guān)系：

式中：

Ucmax——斬波器最大耐壓值；

Uc——電容電壓；

ILmax——最大電感電流；

L——電磁鐵電感；

WL——電磁鐵減少的能量；

Wc——電容增加的能量。

其中電感按照最大氣隙（電磁鐵落下）時(shí)計(jì)算。

表1給出了不同電容下，當(dāng)電感電流為100 A時(shí)，切斷外部電源，測(cè)試得到的控制器最大電壓。在設(shè)計(jì)中應(yīng)以理論計(jì)算值為參考，同時(shí)考慮安裝空間等因素進(jìn)行具體選擇。該型設(shè)計(jì)中選用3個(gè)4 700 μF/DC 450 V電容器并聯(lián)。

表1 不同電容時(shí)控制器最高電壓

在對(duì)中間電容的設(shè)計(jì)還需要考察系統(tǒng)輸出電流動(dòng)態(tài)變化過程中控制器電壓的變化是否滿足懸浮控制的要求。對(duì)于懸浮系統(tǒng)來說，輸入電壓升高，電磁鐵輸出電流變化速度加快，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響更好，但控制器電壓降低時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能會(huì)變差。故考察控制器電壓在電流動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)對(duì)懸浮系統(tǒng)的影響，主要考慮系統(tǒng)輸出電流增加時(shí)，電壓跌落情況。以實(shí)際設(shè)計(jì)電容量為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，考慮工況為斬波器的雙管滿開，電感充電，電流增加，電路計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)電壓變化計(jì)算電路模型

假設(shè)當(dāng)輸出負(fù)載電流io從io1變化為io2過程中，考察電容電壓uc變化。需要指出的是電容電壓初值為Ui。對(duì)電路有方程：

根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）可以得到：

根據(jù)初始條件，可以得到電容電壓

從式（7）可以得到電容電壓波動(dòng)最大值

從式（8）中看到濾波電感Lr變大，控制器電壓波動(dòng)會(huì)增加，濾波電容C變大會(huì)使得控制器電壓波動(dòng)減小。根據(jù)懸浮控制性能要求，控制器電壓波動(dòng)范圍應(yīng)不大于穩(wěn)態(tài)電壓的5%，即Δucmax≤16.5 V。

根據(jù)式（8）可以得到輸入濾波電感

表2列出了輸入電壓330 V，電容14.1 mF，電感電阻1.6Ω時(shí)，不同輸出電流下濾波電感的限值。

表2 不同輸出電流時(shí)輸入濾波電感限值

從數(shù)值上可以看出，在設(shè)計(jì)濾波電感時(shí)，其電感值應(yīng)該小于1.44 mH。需要特別指出的是對(duì)于懸浮斬波器的電源系統(tǒng)（包括DC/DC變換器），其輸出等效的電感也不能超過上述電感限值。如果電源系統(tǒng)輸出濾波電感過大，也會(huì)導(dǎo)致懸浮斬波器電壓波動(dòng)過大。

最后考察控制器輸入電流紋波。對(duì)于圖2來說，從輸出側(cè)觀察，假設(shè)電流i和io反向流動(dòng)，可以認(rèn)為輸出電流io通過Lr、C進(jìn)行濾波得到輸入電流i。通過設(shè)計(jì)Lr、C可以得到比較平穩(wěn)的輸入電流波形。根據(jù)圖2電路可以推導(dǎo)得到：

由此可以得到濾波電感Lr＞7μH。

圖3中電壓變化實(shí)際值比理論值略大，但數(shù)量相當(dāng)。這一方面是因?yàn)槭剑?）給出的電容電壓變化公式是對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行簡(jiǎn)化和近似的結(jié)果；另一方面由于線路電感和制造問題實(shí)際參數(shù)也與設(shè)計(jì)值略有不同。

圖3 電流突變時(shí)的電容電壓波形

實(shí)際系統(tǒng)Lr、C的諧振頻率fCLr≈95 Hz，在額定輸出下紋波約為0.05 A，滿足設(shè)計(jì)要求。圖4給出了額定輸出下的輸入電流波形。

圖4 額定輸出下輸入電流波形

4 懸浮控制器性能試驗(yàn)

懸浮控制器的可靠性對(duì)磁浮列車的穩(wěn)定性至關(guān)重要，需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試。實(shí)際中采用1∶1單懸浮轉(zhuǎn)向架對(duì)懸浮控制器進(jìn)行測(cè)試和性能考核。圖5給出了懸浮控制器的測(cè)試流程圖。

圖5 懸浮控制器試驗(yàn)測(cè)試流程

在測(cè)試中，首先對(duì)懸浮控制器進(jìn)行外觀和功能檢查，之后對(duì)于懸浮控制器的懸浮性能進(jìn)行考察。在考察中通過對(duì)氣隙、加速度、電流、電壓以及溫度等主要信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)懸浮控制器的懸浮功能進(jìn)行考核評(píng)價(jià)。

圖6為某一機(jī)箱連續(xù)考察過程中的某一時(shí)間段內(nèi)的氣隙和電流的波形圖。從波形中可以來自傳感器的氣隙信號(hào)信噪比不大于2.5‰，懸浮斬波器弱電信號(hào)噪聲比較小，系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)是合理和滿足工程要求的。此外，通過波形可以對(duì)懸浮控制器的懸浮性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，懸浮氣隙波動(dòng)量在±0.075 mm，控制精度為3.75‰，懸浮控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性比較好。通過波形可以很好地評(píng)價(jià)懸浮控制器的電磁兼容和懸浮控制性能。

最后對(duì)懸浮控制器進(jìn)行熱可靠性考核，根據(jù)試驗(yàn)，在額定輸出下懸浮控制器在2h以內(nèi)達(dá)到熱平衡，IGBT散熱器最高溫升不超過35℃，控制機(jī)箱最高溫升不超過15℃。在兩倍額定輸出之下約在45 min以內(nèi)達(dá)到熱平衡，此時(shí)散熱風(fēng)機(jī)會(huì)逐漸變?yōu)闈M速工作，IGBT散熱器最高溫升仍不超過35℃，但機(jī)箱噪聲會(huì)增大。在滿額電流下，10 min后會(huì)啟動(dòng)大電流保護(hù)，將輸出封鎖以保護(hù)電磁鐵。取消該保護(hù)后考核熱性能，懸浮控制器大約20 min達(dá)到熱平衡，散熱片最高溫升不超過40℃。取消風(fēng)機(jī)，模擬風(fēng)機(jī)故障，散熱片最高溫度不超過85℃。通過上述試驗(yàn)驗(yàn)證了懸浮控制器熱設(shè)計(jì)安全可靠。

5 結(jié)語

本文介紹的XFK型中低速磁浮列車懸浮控制器目前應(yīng)用于中國南車株洲中低速磁浮試驗(yàn)線，運(yùn)行情況良好，滿足實(shí)際需求。

懸浮控制器未來應(yīng)該向小型化和輕量化發(fā)展，對(duì)于內(nèi)部電路和設(shè)備需要進(jìn)一步精簡(jiǎn)和優(yōu)化。另外，對(duì)磁浮列車來說，懸浮控制點(diǎn)通常在20個(gè)左右，所需要懸浮控制器多。因此，懸浮控制器的二合一，多合一甚至集中控制的方案也是未來研究和發(fā)展的方向。

［1］ 孫章，蒲琪主編.城市軌道交通概論［M］.北京：人民交通出版社，2009.

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［5］ 徐俊起，榮立軍，吳小東.基于現(xiàn)場(chǎng)總線的磁浮列車懸浮控制調(diào)試系統(tǒng)［J］.城市軌道交通研究，2012，5（5）：121.

［6］ 張昆侖，劉放，董金文，等.磁懸浮列車懸浮斬波器箱：中國，ZL200710050769.4［P］.2007.

［7］ 張昆侖，董金文，劉放，等.用于磁懸浮列車懸浮斬波器的層疊功率母線排：中國，200710050767.5［P］.2007.

Design of XFK Type Suspension Controller for Medium and Low Speed Maglev

Dong Jinwen，Zhang Kunlun，Liu Fang

Thestructure，principle and key technologies of XFK type suspension controller for medium and low speed maglev train are introduced.The design methods of capacitance and inductance parameters in intermediate circuit are analyzed，the principle and design consignment are pointed out.Experiment results show that the design of suspension controller is reasonable and has good performance，it could meet the requirements of medium andlow speed maglev train completely.

maglev train；power circuits；suspension controller

U 237

2013-07-13）

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（SWJTU11BR170）