中低速磁浮列車懸浮系統(tǒng)預充電及起浮過程研究

周源

（中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

磁浮列車初始為落浮狀態(tài)，通過司機操作或無人駕駛列車自動控制中心對列車激活上電，懸浮系統(tǒng)啟動，為磁浮車輛的懸浮運行做好準備。但懸浮系統(tǒng)需要做哪些準備，什么條件下列車可以下達起浮指令，以及車輛下達起浮指令后需要多久可以懸浮穩(wěn)定達到可運行狀態(tài)，都是磁浮列車特別是無人駕駛情況下總體設計需要關注的問題。

1 總體過程

磁浮列車充電及起浮的總體過程包括：①磁浮列車激活上電后，懸浮系統(tǒng)懸浮控制器控制電路及主電路得電；②控制電路板通過程序控制接觸器動作，接入充電回路對支撐電容進行預充電，同時利用電壓傳感器實時監(jiān)測充電電壓；③當支撐電容充電完成后，懸浮控制器進入起浮指令等待狀態(tài)；④同時車輛對車門、照明、蓄電池、制動、網絡、乘客信息系統(tǒng)等子系統(tǒng)進行狀態(tài)確認；⑤準備就緒后，車輛通過硬線向車輛懸浮控制器下達起浮指令；⑥各懸浮控制器利用分時起浮控制程序，結合懸浮點位所在的懸浮架和位置，逐步有序地執(zhí)行起浮，直至所有懸浮點位實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。上述過程中，各懸浮點位通過網絡實時反饋各自的落浮/起浮狀態(tài)。當所有懸浮點位的懸浮狀態(tài)完成后，列車方可啟動運行。

2 懸浮控制器預充電過程

在懸浮控制器正常工作前，需主電路支撐電容CE提前完成充電，為主電路提供支撐。若電源直接加載到支撐電容上，將會在瞬間產生較大的沖擊電流，可能對器件造成損傷。因此，在初始階段需要接入預充電電路進行限流充電[1]。

某型懸浮控制器預充電電路原理圖如圖1所示。主電路電壓為DC330V，支撐電解電容初始電壓為0，接觸器初始狀態(tài)均為斷開。懸浮控制器控制電路及主電路得電后，控制電路板通過程序將接觸器KM2閉合、KM1斷開，預充電回路導通工作。

圖1 懸浮控制器預充電電路原理圖

根據(jù)電路原理，當電源U通過串接充電電阻R給初始電壓為0的電解電容C充電時，t時刻電解電容兩端電壓的表達式為：

一般情況下，為減小電流沖擊，預充電電壓宜達到電源電壓的80%～95%以上后切換至電源直接供電[2-3]?？紤]上述電路中放電電阻的影響，若充電電壓百分比取80%，則其充電電壓應滿足：

則充電時間應滿足：

某型懸浮控制器在設計使用不同的元器件配置（表1）時，使用Multisim軟件仿真得到相應的充電電壓特性曲線如圖2所示。

上述序號靠前的元器件配置充電較快，但充電初始的電流沖擊較大。放電電阻應與充電電阻保持一定的比例，且放電電阻太大會使得電路放電過慢，放電電阻太小則在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)與電源存在一定的壓差。此外，充放電電阻的功率需滿足實際工作狀態(tài)，支撐電容需與系統(tǒng)電路匹配，太小則起不到支撐的作用?；诖耍骷渲脩C合進行考量。

圖2 不同元器件配置時的充電電壓變化特性曲線

表1 元器件配置表

若采用第③種元器件配置方案，則充電達到80%電源電壓的時間為t充=6.6s。實際過程中，由于電阻散熱功率和器件誤差可能出現(xiàn)一定范圍的波動。

實際中考慮電源電壓與支撐電容上電壓的壓差，減小瞬時電流沖擊，通常在懸浮控制程序檢測電壓達到預設值后延遲一定時間，如tdelay1=20s，再判定充電完成，同時由程序控制主接觸器KM1閉合、充電接觸器KM2斷開，完成電路切換。這樣，懸浮系統(tǒng)預充電的總時間為：T充=t充+tdelay1=26.6s。

3 分時起浮過程

磁浮車輛的起浮過程是從落浮狀態(tài)車輛起浮指令的發(fā)出到所有懸浮點位響應指令并達到穩(wěn)定懸浮的過程。為避免所有懸浮點位同時執(zhí)行起浮動作時對懸浮電源造成沖擊，可采用按懸浮點位逐個懸浮架延時分別起浮的方式進行起浮控制。實現(xiàn)上述分時起浮可通過車輛邏輯控制單元（VLCU）實現(xiàn)，也可通過終端懸浮控制器結合位置碼利用軟件方式進行控制實現(xiàn)[4]。其中后者可有效減少設備數(shù)量、減少車輛布線，有助于降低成本，也即是本文研究的對象。

如圖3，一列車按5個懸浮架來分析，并按懸浮架逐個分時起浮進行程序設定。車輛控制信號傳輸時間可以忽略不計，所有懸浮控制器在同時接受到起浮指令。每個懸浮控制器檢查到自己所在的懸浮架及位置編碼，通過程序預設的延時規(guī)則執(zhí)行起浮程序（以下按延時間隔tdelay2=5s進行分析）。具體地，1號懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后立即執(zhí)行起浮程序；2號懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后延時5s執(zhí)行起浮程序；3號懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后延時10s執(zhí)行起浮程序；4號懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后延時15s執(zhí)行起浮程序；5號懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后延時20s執(zhí)行起浮程序[5]。

圖3 懸浮架的懸浮點位分布示意圖

通過上述分時起浮的設定，原來60個懸浮點位由同時起浮改為每次單個懸浮架4個懸浮點位同時起浮。起浮瞬間懸浮電源的負載約減少為原來的1/15，造成的電流沖擊大大減小，有助于延長設備的使用壽命。

圖4為一節(jié)車5個懸浮架代表點起浮過程中的懸浮間隙變化曲線，懸浮間隙按照分時起浮邏輯進行起?。ㄓ捎诟鲬腋↑c位存在初始起浮間隙等差異，曲線特征略有不同）。

圖4 懸浮點位分時起浮的懸浮間隙變化曲線

通過懸浮數(shù)據(jù)分析和實際運用經驗，懸浮點位按照程序執(zhí)行起浮動作t起浮=7s后，懸浮間隙、懸浮電流已經趨于平穩(wěn)，可認為懸浮已達到穩(wěn)定狀態(tài)，并可認為每節(jié)車每個懸浮點位起浮時間相同。這樣，整個分時起浮過程耗時為：T分時起浮=5×tdelay2+t起浮=32s。

4 總結

將上述過程進行整理，中低速磁浮列車懸浮系統(tǒng)預充電及起浮過程如圖5所示。車輛懸浮系統(tǒng)供電后，約經26.6s懸浮控制器經將支撐電容的電壓充到接近電源電壓的可起浮狀態(tài)，與此同時車輛啟動各子系統(tǒng)進入就緒狀態(tài)，在懸浮起浮指令下達后，在約32s內全車各懸浮點位按照分時起浮時序設定依次從落浮狀態(tài)逐漸懸浮至穩(wěn)定狀態(tài)，之后車輛方可牽引行駛。

圖5 懸浮系統(tǒng)預充電及起浮過程總圖

上述懸浮系統(tǒng)預充電及分時起浮過程為針對某型磁浮列車的分析研究，必要時可根據(jù)實際需要，結合懸浮控制器電路原理選擇合適的元器件配置來調整充電過程，通過調整分時起浮邏輯、懸浮控制程序及懸浮電磁鐵等來優(yōu)化起浮過程。

5 結語

本文對中低速磁浮列車懸浮系統(tǒng)預充電及起浮過程進行了分析研究，有助于掌握車輛運行前懸浮系統(tǒng)相關的準備工作，為中低速磁浮列車的運行特別是無人駕駛情況下的系統(tǒng)設計提供了依據(jù)。