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变频器在磁浮列车上的应用

1 引言

磁浮列车用电磁铁的磁力来支承转向架和车体，从而使支承车辆的部件与轨道不直接接触，减少了运行的摩擦阻力和震动噪声，适合于城际间的高速运行和城市内的低速客运交通。由于没有机械接触，使其无法采用传统轮轨系统中的靠轮轨之间的摩擦力来传递牵引动力的驱动方式，只能采用直线电机，用磁力来直接驱动转向架。因此，只要直线电机的驱动力足够大，理论上可以使车辆在任意的坡道上运行，目前的磁浮列车的爬坡能力都可以达到80～100‰。

因为高速磁浮列车有常导吸力型和超导推斥型的两种磁浮型式，它们都选择了长定子的直线同步电机，功率电源放置在地面，不需要受流轨供电，运行更加可靠。这种电机的定子电枢被安装在轨道上，通过地面的开关柜，分区段对电机长定子三相绕组供电，用接力的方式驱动车辆运行。这种直线传动的结构，被称为长初级、短次级的电机驱动方式，牵引变频器可以安装在地面上。支承车辆的悬浮电磁铁中的常导或超导磁极，即构成了电机次级的同步磁极。

磁浮列车还有适合于城市轨道交通的中低速常导吸力型的磁浮型式，由于其可以采用受流轨供电，因此采用了直线感应式电机驱动。由于电机的电枢被安装在车辆的转向架上，次级的反应板则安装在轨道上，故这种直排除故障线传动的结构，被称为短初级、长次级的电机驱动方式，牵引变频器可以安装在车辆中。

下面将分别介绍各类磁浮列车的驱动特点。

2 常导高速磁浮列车

常导高速磁浮列车己有30多年的研究历史，在德国的埃姆斯兰试验线进行了三代不同结构的车辆试验，还通过了德国交通部的准运验收。虽然车辆和转向架都进行了不同程度的改进，但长定子的直线电机的结构却一直没有变化。

常导高速磁浮列车的悬浮电磁铁选择了凸级结构，绕组的连接方式使磁极构成N、S极分布，即成为直线同步电机的次级磁极。因为车辆运行时要转弯，爬坡，悬浮电磁铁被分割成3m多长的模块，均匀地排列在长定子轨道之下。在上海高速磁浮车上，每侧共安装了七个悬浮模块从糖类制取橡胶原材料，两车厢之间还搭接了一个，使悬浮电磁铁成为电磁滑板型式。为了保证车辆有侧向导向力，转向架上还安装了双U形铁芯的导向电磁铁，其具有悬浮、导向和驱动功能的转向架示意图如图1所示。

由图2可见，电机的长定子铁芯与常规的直线电机相同，只是每个定子槽中只放了一根导线，按单波绕组分布。长定子由长1.032m一段的叠片铁芯串联拼接而成，分别固定路梁上。长定子的电气极距为0.258m，即电源电流变化一个周波，气隙行波移动距离为0.516m。由于电机是直线同步电机，如果电机运行在400km/h的速度下，则三相电源电压的频率要达到215Hz。从图中还可以看到，电机的次级磁极就是支承车体的悬浮电磁铁，两凸磁极间的极距与定子行波极专业教育距近似相等，一一对应。悬浮电磁铁要考虑运行时的同步条件，六对极组成一个悬浮模块，被分别安高压阀门装在转向架上，各悬浮模块的间距也要满足同步磁极的对应关系，如图3所示。

悬浮模块中的磁极在车辆运行中，与定子铁芯之间保持约8㎜的气隙，并由悬浮控制系统来控制实现。因为电机运行在同步状态，所以电机本体的功率因数和效率均很高。与旋转同步电机的调速方式相同，直线同步电机也是使用变频

变压的控制方式，控制策略是牵引力（相当于转矩控制）闭环控制。车辆运行中的位置和速度，由转向架上的测量元件，通过测量长定子的肥皂架齿槽和运行一个齿槽的时间来算出，最终经车上的无线通讯系统传到变频电源站，实现电机运行的闭环控制。

悬浮模块中的磁极上还绕有直线发电机绕组，其极距与长定子齿槽宽相同，利用车辆运行时由于齿槽效应产生的磁密变化来发电，经整流和直－直变换后，给车载设备和蓄电池充电。当然，车辆静止和低速运行时车载设备还是由蓄电池供电，在车速达到70km/h后，直线电机才起到供电的作用，因此高速磁浮列车不需要用受流轨提供整车的功率电源。

上海高速磁浮线上的变频器的功率元件，使用的还是GTO，单机功率为7.5MVA。在目前的国产化研究项目中，正在试验使用IGCT功率元件。三相功率模块采用了三点式拓扑结构图4所示，每相最大的输出电压为4310V。为了保证高速条件下的电机电压及平衡传输电缆的阻抗压降，在低速运行时由变频器直接装订用品向电缆供电，当频率升高到约70Hz时，变频器则从直接向三相电缆供电，切换到升压变压器，改变为用变压器供电，以满足变频变压供电的要求。

高速磁是易堵易漏之器件浮列车的长定子电机采用的是区段供电的方式，如图5所示。各区段依车辆

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