磁懸浮列車懸浮斬波器研究
1 概 述
磁懸浮列車是介于常規(guī)輪軌鐵路和航空之間的一種獨特的地面運輸系統(tǒng)。它利用電磁力將車輛懸浮于軌道上方一定高度，并用無接觸的直線電機驅(qū)動車輛運行。因此，具有無污染、低噪音、低振動、維修保養(yǎng)費用低、安全舒適等優(yōu)點，是當(dāng)今國內(nèi)外的研究熱點。國內(nèi)在中低速常導(dǎo)磁懸浮列車方面也有了很強的實力：國防科技大學(xué)在1995年建成了全尺寸單轉(zhuǎn)向架磁懸浮系統(tǒng)，2001年建成了線路長204米的綜合實驗體系。
1.1 傳統(tǒng)的懸浮斬波器
懸浮斬波器是磁懸浮列車中一個很重要的系統(tǒng)，它直接控制列車的懸浮，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到列車的成敗。懸浮斬波器的原理就是在懸浮氣隙發(fā)生變化時，能夠使電磁鐵電流迅速做出相應(yīng)調(diào)整，從而改變電磁懸浮力的大小，使懸浮氣隙基本保持恒定。根據(jù)電磁懸浮系統(tǒng)（EMS）要求響應(yīng)快、耐沖擊的特點，磁懸浮列車一般采用H型兩相限斬波器。它既可以向負(fù)載提供能量，也可以迅速將負(fù)載電路反接入電源，向電網(wǎng)回饋能量。
如圖l所示為H型斬波器的主電路結(jié)構(gòu)，這是一個全橋電路，橋的每臂由可控型元件IGBT(T1，T3)和不可控制元件(D2，D4)組成，負(fù)載(電磁鐵)接在AB之間，并用Lo和Ro組成的串聯(lián)電路來等效，E為濾波電容，R1、R2、R3、R4和C1、C2、C3、C4、D1、D2組成吸收回路，用霍耳元件檢測電磁鐵電流。
圖1 H型斬波器主電路
開關(guān)元件T1，T3可有多種不同的控制方式：(1)T1全導(dǎo)通，T3間斷導(dǎo)通。(2)Tl，T3 輪流導(dǎo)通(導(dǎo)通時間部分重疊)。(3)T1，T3同時通斷。傳統(tǒng)的斬波器采用第(3)種控制方式，此種方式di/dt最大，對電磁鐵電流控制較為有利。
當(dāng)T1，T3導(dǎo)通時，電源電壓加在電磁鐵上，Uo=UAB=Ud，，電磁鐵吸收能量;當(dāng)T1，T3關(guān)斷時，D2，D4導(dǎo)通，Uo=UAB=-Ud，電磁鐵將能量反饋回電源，由此可見，輸出電壓Uo的極性隨開關(guān)元件的工作狀態(tài)而變化，而輸出電流io始終保持從A到B的流向，故電路可運行于第一，四象限。
設(shè)斬波周期為T，導(dǎo)通起始時刻為t1，工作情況分析如下：
(1)0<t<t1
t=0時，io=Io1，，Tl，T3關(guān)斷，U0=-Ud，在反向電壓作用下io按指數(shù)規(guī)律迅速下降，電壓方程式為:
Roio+Lodi／dt=-Ud (1)
即 dio／dt+Roio/Lo+Ud／Lo=0 (2)
解此微分方程得:
io=Ud／Ro(e-Rot/Lo-1)+Io1e-Rot/Lo (3)
當(dāng)t=t1時，io=Io2，代入上式得：
Io2=Ud／Ro(e-Rot1/Lo-1)+Io1e-Rot1/Lo (4)
(2)t1<t<T
此時，T1，T3導(dǎo)通，在電源電壓作用下,io按指數(shù)規(guī)律增長．電壓方程式為：
Roio+Lodi／dt=Ud (5)
即 dio／dt+Roio／Lo-Ud／Lo=0 (6)
解此微分方程得：
io=Ud／Ro(1-e-Ro(t-t1)/Lo)十Io2e-Ro(t-t1)/Lo (7)
當(dāng)t=T時，io=Io1，代入上式得
Io1=Ud／Ro[l-e-Ro(T-t1)/Lo]+Io2e-Ro(T-t1)/Lo (8)
聯(lián)立解(4)，(8)式得：
Io1=Ud／Ro[e-RoT/Lo-2e-Ro(T-t1)／Lo+1]/(1-eRoT/Lo) (9)
Io2=Ud／Ro[e-RoT/Lo-2e-Rot1/Lo+1](eRoT/Lo-1) (10)
為了提高響應(yīng)速度和降低音頻噪音，斬波器工作頻率達(dá)到20KHZ，開關(guān)損耗較大。而且為了抑制尖峰電壓電流加入的吸收網(wǎng)絡(luò)也導(dǎo)致了效率的降低。具體實驗數(shù)據(jù)如下：
測試對象：8電磁鐵之單磁轉(zhuǎn)向架
懸浮重量：5噸
懸浮間隙：10mm
測試結(jié)果如下：
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