磁悬浮列车 在电力电子方面的应用
学号： 姓名：李亚慧 日期：130437 2014 5 24
洛阳理工学院电力电子论文 摘要
在本世纪五、六十年代，铁路曾经被认为是一个夕阳运输产业。因为面对航空、高速公路等运输对手的强劲挑战，它蜗牛般的爬行速度，已越来越不适应现代工业社会物流和人流的快速流动需要了。但七十年代以来，特别是近几年，随着铁路高速化成为世界的热点和重点，铁路重新赢回了它在各国交通运输格局中举足轻重的地位。法国、日本、俄国、美国等国家列车时速由200公里向300公里飞速发展。据1995年举行的国际铁路会议预测，到本世纪末，德国、日本、法国等国家的高速铁路运营时速将达到360公里。 作为目前最快速的地面交通工具，磁悬浮列车技术的确有着其他地面交通技术无法比拟的优势。
本论文从高速磁悬浮列车车载电源系统和磁悬浮列车三相辅助逆变电源设计两方面讲述。主要是电力电子技术方面的交变直（AC-DC）、直变交（DC-AC）、交变交（AC-AC）、直变直（DC-DC）即整流、逆变、斩波、变频的应用。
其中包含半桥逆变、全桥逆变三相逆变、等电路。通过对车载电源系统各路供电段的认识和三相辅助逆变电源的主电路及主要技术参数的认识，让我们大家对磁悬浮有大致了解。
其实，磁悬浮运载技术它不仅能够用于陆上平面运载，也可以用于海上运载，还能用于垂直发射，美国就在试验用磁悬浮技术发射火箭；它在磁悬浮、直线驱动、低温超导、电力电子、计算机控制与信息技术、医疗等多个领域都有极重要的价值——概括的说，它是一种能带动众多高新技术发展的基础科学，又是一种具有极广泛前景的应用技术。
我们可以预见，随着超导材料和超低温技术的发展，修建磁浮铁路的成本、技术及性能都有可能会大大降低。到那时，磁浮铁路作为一种快速、舒适的“绿色交通工具”，将会飞驰在祖国的大地。
关键字：磁悬浮 电力电子技术 车载电源 三相辅助逆变电源
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洛阳理工学院电力电子论文 目录
磁悬浮列车............................................................................................................ 1 在电力电子方面的应用........................................................................................ 1 摘要........................................................................................................................ 1 目录........................................................................................................................ 2 第一章 绪论.......................................................................................................... 3
1.1 磁悬浮列车的发展史............................................................................ 3 1.2 什么是磁悬浮列车................................................................................ 4 1.3 磁悬浮列车技术基础............................................................................ 4 1.4 磁悬浮列车总概.................................................................................... 4 第二章 磁悬浮列车简介...................................................................................... 5
2.1磁悬浮列车工作原理............................................................................. 5 2.2磁悬浮列车技术系统............................................................................. 6 2.3 磁悬浮列车优缺点................................................................................ 7 2.4磁悬浮列车发展历史............................................................................. 8 第三章 高速磁悬浮列车车载电源系统............................................................ 10
3.1 车载电源系统结构和功能.................................................................. 10 3.2 基本组件及结构.................................................................................. 11 3.3 结构功能.............................................................................................. 12
3.3.1 外部供电.................................................................................. 12 3.3.2 440 V电源............................................................................... 12 3.3.3 24 V电源................................................................................. 14 3.3.4 230 V电源............................................................................... 15
第四章 磁悬浮列车三相辅助逆变电源的设计................................................ 17
4.1 主要技术参数...................................................................................... 17 4.2 主电路.................................................................................................. 18 4.3 结构设计.............................................................................................. 19 4.4 控制技术.............................................................................................. 19 结论...................................................................................................................... 21 参考文献.............................................................................................................. 21
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洛阳理工学院电力电子论文
第一章 绪论
1.1 磁悬浮列车的发展史
磁悬浮列车是自大约200年前斯蒂芬森的“火箭”号蒸气机车问世以来铁路技术最根本的突破。磁悬浮列车在今天看似乎还是一个新鲜事物，其实它的理论准备已有很长的历史。磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。进入70年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。而美国和前苏联则分别在七八十年代放弃了这项研究计划，目前只有德国和日本仍在继续进行磁悬浮系统的研究，并均取得了令世人瞩目的进展。下面把各主要国家对磁浮铁路的研究情况作一简要介绍。
日本于1962年开始研究常导磁浮铁路。此后由于超导技术的迅速发展，从70年代初开始转而研究超导磁浮铁路。1972年首次成功地进行了2.2吨重的超导磁浮列车实验，其速度达到每小时50公里。1977年12月在宫崎磁浮铁路试验线上，最高速度达到了每小时204公里，到1979年12月又进一步提高到517公里。1982年11月，磁浮列车的载人试验获得成功。1995年，载人磁浮列车试验时的最高时速达到411公里。为了进行东京至大阪间修建磁浮铁路的可行性研究，于1990年又着手建设山梨磁悬浮铁路试验线，首期18.4公里长的试验线已于1996年全部建设完成。
德国对磁浮铁路的研究始于1968年（当时的联邦德国）。研究初期，常导和超导并重，到1977年，先后分别研制出常导电磁铁吸引式和超导电磁铁相斥式试验车辆，试验时的最高时速达到400公里。后来经过分析比较认为，超导磁浮铁路所需的技术水平太高，短期内难以取得较大进展，遂决定以后只集中力量发展常导磁浮铁路。1978年，决定在埃姆斯兰德修建全长31.5公里的试验线，并于1980年开工兴建，1982年开始进行不载人试验。列车的最高试验速度在1983年底达到每小时300公里，1984年又进一步增至400公里。目前，德国在常导磁浮铁路研究方面的技术已趋成熟。
与日本和德国相比，英国对磁浮铁路的研究起步较晚，从1973年才开始。但是，英国则是最早将磁浮铁路投入商业运营的国家之一。1984年4月，伯明翰机场至英特纳雄纳尔车站之间一条600米长的磁浮铁路正式通车营业。旅客乘坐磁浮列车从伯明翰机场到英特纳雄纳尔火车站仅需90秒钟。令人遗憾的是，在1995年，这趟一度是世界上唯一从事商业运营的磁浮列车在运行了11年之后被宣布停止营业，其运送旅客的任务由机场班车所取代。
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洛阳理工学院电力电子论文 1.2 什么是磁悬浮列车
磁悬浮列车是一种采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统的磁悬浮高速列车系统。它的时速可达到500公里以上，是当今世界最快的地面客运交通工具，有速度快、爬坡能力强、能耗低运行时噪音小、安全舒适、不燃油，污染少等优点。并且它采用采用高架方式，占用的耕地很少。磁悬浮列车意味着这些火车利用磁的基本原理悬浮在导轨上来代替旧的钢轮和轨道列车。磁悬浮技术利用电磁力将整个列车车厢托起，摆脱了讨厌的摩擦力和令人不快的锵锵声，实现与地面无接触、无燃料的快速“飞行”。 稍有物理知识的人都知道：把两块磁铁相同的一极靠近，它们就相互排斥，反之，把相反的一极靠近，它们就互相吸引。托起磁悬浮列车的，那似乎神秘的悬浮之力，其实就是这两种吸引力与排斥力。 应用准确的定义来说，磁悬浮列车实际上是依靠电磁吸力或电动斥力将列车悬浮于空中并进行导向，实现列车与地面轨道间的无机械接触，再利用线性电机驱动列车运行。虽然磁悬浮列车仍然属于陆上有轨交通运输系统，并保留了轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等许多传统机车车辆的特点，但由于列车在牵引运行时与轨道之间无机械接触，因此从根本上克服了传统列车轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它也许会成为人们梦寐以求的理想陆上交通工具。 根据吸引力和排斥力的基本原理，国际上磁悬浮列车有两个发展方向。一个是以德国为代表的常规磁铁吸引式悬浮系统－－EMS系统，利用常规的电磁铁与一般铁性物质相吸引的基本原理，把列车吸引上来，悬空运行，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速度可达每小时400-500公里，适合于城市间的长距离快速运输；另一个是以日本的为代表的排斥式悬浮系统－－EDS系统，它使用超导的磁悬浮原理，使车轮和钢轨之间产生排斥力，使列车悬空运行，这种磁悬浮列车的悬浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两个国家都坚定地认为自己国家的系统是最好的，都在把各自的技术推向实用化阶段。估计到下一个世纪，这两种技术路线将依然并存。
1.3 磁悬浮列车技术基础
磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成，见图3。尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。
1.4 磁悬浮列车总概
西安，距北京1000多公里，原先要17个小时，现在要14个小时，可是你知道吗？普通磁悬浮列车的时速就可以达到500公里/小时，那么，就只需要不到3个小时，跟飞机差不多了！
但要使列车在如此高的速度下持续行驶，传统的车轮加钢轨组成的系统，已经无能为力了。就要求要考虑到噪音、震动、车轮和钢轨磨损等因素，所以，要进一步提高速度，必须转向新的技术。
尽管我们还将磁悬浮列车的轨道称为\"铁路\"，但这两个字已经不够贴切了。就拿铁轨来说，实际上它已不复存在。轨道只剩下一条，而且也不能称其为\"轨
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洛阳理工学院电力电子论文 道\"了，因为轮子并没有从上面滚过。事实上，磁悬浮列车连轮子也没有了。\"铁路\"上行驶的这种超级列车并没有传统意义上的牵引机车，它运行时并不接触地面，只是在离轨道10厘米的高度\"飞行\"。
第二章 磁悬浮列车简介
磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力（即磁的吸力和排斥力）来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行走时不同于其他列车需要接触地面，因此只受来自空气的阻力。磁悬浮列车的最高速度可达每小时500公里以上，比轮轨高速列的300多公里还要快。磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的专利。1970年以后，随着世界工业化国家经济实力的不断加强，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本等发达国家以及中国都相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。
2.1磁悬浮列车工作原理
磁悬浮列车利用电磁体“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”的原理，让磁铁具有抗拒地心引力的能力，使车体完全脱离轨道，悬浮在距离轨道约1厘米处，腾空行驶，创造了近乎“零高度”空间飞行的奇迹。
由于磁铁有同名磁极相互排斥、异名磁极相互吸引两种形式，故磁悬浮列车也有两种相应的形式：一种是利用磁铁同名磁极相互排斥原理而设计的电磁运行系统的磁悬浮列车，它利用车上超导体电磁铁形成的磁场与轨道上线圈形成的磁场之间所产生的相斥力，使车体悬浮运行的铁路；另一种则是利用磁铁异名磁极相互吸引原理而设计的电动力运行系统的磁悬浮列车，它是在车体底部及两侧倒转向上的顶部安装磁铁，在T形导轨的上方和伸臂部分下方分别设反作用板和感应钢板，控制电磁铁的电流，使电磁铁和导轨间保持10—15毫米的间隙，并使导轨钢板的排斥力与车辆的重力平衡，从而使车体悬浮于车道的导轨面上运行。
通俗的讲就是，在位于轨道两侧的线圈里流动的交流电，能将线圈变为电磁体。由于它与列车上的超导电磁体的相互作用，就使列车开动起来。列车前进是因为列车头部的电磁体（N极）被安装在靠前一点的轨道上的电磁体（S极）所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体（N极）所排斥。当列车前进时，在线圈里流动的电流流向就反转过来了。其结果就是原来那个S极线圈，变为N极线圈了，反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前奔驰。根据车速，通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压。
稳定性由导向系统来控制。“常导型磁吸式”导向系统，是在列车侧面安装
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洛阳理工学院电力电子论文 一组专门用于导向的电磁铁。列车发生左右偏移时，列车上的导向电磁铁与导向轨的侧面相互作用，产生排斥力，使车辆恢复正常位置。列车如运行在曲线或坡道上时，控制系统通过对导向磁铁中的电流进行控制，达到控制运行目的。
2.2磁悬浮列车技术系统
磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成，尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在绝大部分设计中，这三部分的功能均由磁力来完成。
2.2.1悬浮系统
悬浮系统的设计，可以分为两个方向，分别是德国所采用的常导型和日本所采用的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。
（EMS）是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁轨道相互排斥产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁排斥力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10毫米，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向实际上与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。
（EDS）将磁铁使用在运动的机车上以在导轨上产生电流。由于机车和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，从而产生的电磁斥力提供了稳定的机车的支撑和导向。然而机车必须安装类似车轮一样的装置对机车在“起飞”和“着陆”时进行有效支撑，这是因为EDS在机车速度低于大约25英里/小时无法保证悬浮。EDS系统在低温超导技术下得到了更大的发展。
超导磁悬浮列车的最主要特征就是其超导元件在相当低的温度下所具有的完全导电性和完全抗磁性。超导磁铁是由超导材料制成的超导线圈构成，它不仅电流阻力为零，而且可以传导普通导线根本无法比拟的强大电流，这种特性使其能够制成体积小功率强大的电磁铁。
超导磁悬浮列车的车辆上装有车载超导磁体并构成感应动力集成设备，而列车的驱动绕组和悬浮导向绕组均安装在地面导轨两侧，车辆上的感应动力集成设备由动力集成绕组、感应动力集成超导磁铁和悬浮导向超导磁铁三部分组成。当向轨道两侧的驱动绕组提供与车辆速度频率相一致的三相交流电时，就会产生一个移动的电磁场，因而在列车导轨上产生磁波，这时列车上的车载超导磁体就会受到一个与移动磁场相同步的推力，正是这种推力推动列车前进。其原理就像冲
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洛阳理工学院电力电子论文 浪运动一样，冲浪者是站在波浪的顶峰并由波浪推动他快速前进的。与冲浪者所面对的难题相同，超导磁悬浮列车要处理的也是如何才能准确地驾驭在移动电磁波的顶峰运动的问题。为此，在地面导轨上安装有探测车辆位置的高精度仪器，根据探测仪传来的信息调整三相交流电的供流方式，精确地控制电磁波形以使列车能良好地运行。
2.2.2推进系统
磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动做直线运动。从而在悬浮状态下，列车可以完全实现非接触的牵引和制动。
2.2.3导向系统
导向系统是一种测向力来保证悬浮的机车能够沿着导轨的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似，也可以分为引力和斥力。在机车底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可以采用独立的导向系统电磁铁。
2.3 磁悬浮列车优缺点
2.3.1 磁悬浮列车优点
（1）磁悬浮列車运行时与轨道保持一定的间隙（一般为１-１０厘米），因此无摩擦、运行安全、平稳舒适、无杂讯，可以实现全自动化运行。
（2）磁悬浮列车车辆使用寿命可达35年，而普通有轨列车只有20至25年。磁悬浮列车的路轨寿命是80年，普通路轨道60年。
（3）磁悬浮列車启动后３９秒即达到最大速度，目前的最高時速是５５２公里。据德国科学家预测，到２０１４年，磁悬浮列车采用新技术后，时速将达１０００公里。而一般铁轨列車的最高時速为３００公里。上海现已建成的磁悬浮列车线，其最高時速为500公里。
（4）磁悬浮高速列车噪音低，节能，占地面积少，这是其他陆路交通系统无法与之相比的。这种创新的无接触轨道技术带来了极大的机动性，但却不会对环境造成负担。
与新一代的汽车发动机相似，在同等功率下，磁悬浮高速列车比高速铁路所消耗的能源要少的多。或者反过来说：在耗能相同的情况下，磁悬浮高速列车的效率要高得多。
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洛阳理工学院电力电子论文 2.3.2磁悬浮列车缺点
（1）由于磁悬浮系统是凭借电磁力来进行悬浮，导向和驱动功能的，一旦断电，磁悬浮列车将发生严重的安全事故，因此断电后磁悬浮的安全保障措施仍然没有得到完全解决。
（2）强磁场对人的健康，生态环境的平衡与电子产品的运行影响仍需进一步研究。
（3）造价昂贵。
2.4磁悬浮列车发展历史
德国曾在80年代于柏林铺设磁悬浮列车系统。
英国的伯明翰国际机场曾于1984年至1995年使用低速磁悬浮列车，全长600米。由于可靠性的问题，该线后来也改用单轨列车行走。
德国的Transrapid公司于2001年于中国上海浦东国际机场至地铁龙阳路站兴建磁悬浮列车系统，并于2002年正式启用。该线全长30公里，列车最高时速达430公里，由起点至终点站只需八分钟。
\"十二五\"期间，中国对交通运输发展规划中，将磁悬浮发展提出了新的希望，按照安全可靠、先进高效、经济适用、绿色环保的要求，依托重大工程项目，通过消化、吸收再创新和系统集成创新以及原始创新，增强自主发展能力与核心竞争力，进一步提升技术和装备水平。加大交通运输新技术、新装备的开发和应用，加快推进具有我国自主知识产权的技术与装备的市场化和产业化，带动相关产业升级和壮大。研究设置能耗和排放限值标准，研究制定装备技术政策，促进技术装备的现代化。推进先进、适用的轨道交通技术与装备的研发和应用，全面实现现代化。提升铁路高速动车组、大功率电力机车、重载货车等先进装备的安全性和可靠性，提高空调客车比例和专用货车比例，推进高速动车组谱系化，以及城际列车与城市轨道交通车辆等先进技术装备的研制与应用。通过工程应用带动技术研发，突破轨道交通通信信号、牵引制动、运行控制等关键核心技术，系统掌握高速磁悬浮技术，优化完善中低速磁悬浮技术。
在中小城市与城镇之间及城镇分布较为密集的走廊经济带上，视运输需求，加密高等级公路网络、提升省道技术等级或以城市快速路的形式建设相对开放的快捷通道，并注重与区际交通网络的衔接。另一方面，2012年，中国共有城镇人口7.12亿人，占总人口比重为52.6%，比上年末提高1.3个百分点。这意味着，如果把在城镇工作和生活六个月以上的农民工算上，中国城镇化比率已达到52.6%。在城镇化和\"十二五\"的规划下，磁悬浮列车再次成为了人们关注的焦点和未来国家的战略目标。2012年中低速磁悬浮列车是一种新近发展起来的新型绿色轨道交通装备，它利用电磁铁吸引力使列车\"浮 \"于空中平稳运行，无摩擦、零排放、低噪声，可带给乘客贴地飞行的新体验。磁悬浮列车以其速度快，高效，环保，
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洛阳理工学院电力电子论文 安全，无噪音无污染的优点磁悬浮类车的发展与国家的发展规划不谋而合。由此可见随着未来磁悬浮市场
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洛阳理工学院电力电子论文 第三章 高速磁悬浮列车车载电源系统
上海高速磁悬浮列车是世界上第一条商业运行的高速磁悬浮列车。简述了高速磁悬浮列车车载电源系统的结构及功能，并详细阐述其系统的各个基本组件、部件的结构及功能。 磁悬浮列车结构如图3-1。
我国在本世纪之初引进德国技术，在上海建设世界第一条高速磁悬浮列车商业运行线。上海引进的常导高速磁浮车辆是整个高速磁悬浮交通的核心技术之一，而车载电源系统又是车辆的核心技术之一。经多年运行，显示出该技术的优越性。本文介绍该车载电源系统的结构和功能。
图3-1 磁悬浮列车的结构示意图
3.1 车载电源系统结构和功能
上海磁悬浮列车采用了如下的供电方案：列车在速度小于20 km/h时完全由供电轨供电；列车速度在约20～100 km/h时由地面的供电轨与列车自带的直线发电机联合对车辆供电；在列车速度大于100 km/h时完全由直线发电机供电；车载蓄电池作为列车紧急或故障运行情况下的电源；在使用涡流制动器紧急制动时，高速运行段（速度大于约150 km/h）电能由直线发电机提供，当较低速度时直线发电机电能不能满足涡流制动需要，此时由蓄电池与直线发电机联合提供电能，紧急制动过程中不使用供电轨向列车供电。 每一节车的车载电源包括以下几部分：
① 4套相互独立的440 V直流电源，每套最大容量为128 kW； ② 4套相互独立的24 V直流电源，每套容量为1.6 kW； ③ 2套相互独立的230 V三相交流电源，每套容量约为5.5 kW；
④ 1套外部440 V直流供电电源。440 V电源是车上的主电源，24 V电源与230
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洛阳理工学院电力电子论文 V电源都是通过相应的变流设备从440 V电源变换得到的。24 V电源是车上的控制电源，主要向控制设备供电。每套440 V电源与24 V电源上都接有一组蓄电池作为备用电源。440 V电源与24 V电源都有较大的冗余，当部分供电设备出现故障时不会影响对车辆的供电。230 V电源则主要向车上与安全无关的用电设备供电，它在每节车上没有冗余。
3.2 基本组件及结构
整个车载电源主要包括如下组件：
① 440 V直流车载电源基本组件。它包括的部件为：440 V车载电源开关箱；440 V蓄电池箱；蓄电池通风机；升压斩波器。
② 24 V直流车载电源基本组件。它包括的部件为：24 V蓄电池箱；蓄电池通风机；DC-DC变流器；24 V车载电源配电柜；24 V车载电源开关箱。
③ 230 V交流车载电源基本组件。它包括的部件为：230 V车载电源开关箱；230 V车载逆变器及230 V车载电源配电柜。
④ 外部供电基本组件。它包括的部件为：外部供电车载电源；开关箱受流器；受流器的气动控制组件。
车载电源供电部件的关系结构如图3-2所示。
图3-2 车载电源供电部件关系结构图
大部分的车载供电设备都布置在车厢夹层中。车厢夹层分上下两层布置，分别布置有许多插接箱体。其中供电设备中只有升压斩波器布置在夹层下层，其他的布置在夹层上层，还有部分布置在车厢内部。
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洛阳理工学院电力电子论文 3.3 结构功能
3.3.1 外部供电
外部供电用于当列车速度小于100 km/h时对列车供电，以及停车时对列车供电及对蓄电池进行充电。列车通过车上的受流器与铺设在线路上的供电轨接触，将地面的电能传输到车上，并通过相应的变流与配电装置将电能分配到各用电设备。每节车有2组受流器：1组受流器由2个受流器组成，每组的2个受流器分别布置在车辆的左右两侧。一侧接外部供电电源正极，另一侧接外部供电电源负极。电源正负极都有2个受流器供电，所以一个受流器故障并不影响供电轨对列车的供电。每节车有2个外部供电车载电源开关箱，接受来自于受流器的电流。每个外部供电车载电源开关箱上有16根（端车15根）输出电缆，每根电缆两端分别由额定值为25 A/660 V的保险器加以保护。2个外部供电车载电源开关箱的32根输出电缆（端车30根）被分别送到所在车辆的32（端车30）个升压斩波器中，升压斩波器将电缆的连续输入电流限制在15 A内。从受流器到车载电源开关箱内的保险器间的电缆具有接地与短路保护功能。
3.3.2 440 V电源
440 V车载电源主要用于向下列设备提供电能：悬浮控制系统、导向控制系统、涡流制动器、空调器、440 V蓄电池加热器、DC-DC变流器、230 V逆变器等。每节车DC-DC变流器有4个，分别挂接在相应的4个440 V电源上。230 V逆变器有7个，其中2个用于230 V 电源，挂接在2个不同的440 V电源上；4个用于空调电源（2个用于空调压缩机，2个用于空调通风机），分别挂接在相应的4个440 V电源上；1个用于气动设备供电，挂接在1个440 V电源上。440 V蓄电池加热器分为4组直接挂接在相应的440 V电源上。每节车的4个440 V车载电源彼此相互独立，并在440V电源之间及440V电源与230V交流电源、24V电源间采取了安全隔离措施。440 V电源采用了IT网络接地方式。440 V车载电源有3种电源：来自供电轨的440 V直流电、直线发电机发出的交流电和440 V蓄电池提供的440 V直流电。外部供电与直线发电机产生的电能都要先送到升压斩波器中进行整流、升压。外部供电之所以也要进行整流的原因是列车在线路上是往返行驶的，在正反两个方向上行驶时外部供电电流流入升压斩波器的方向相反，所以也需要经过整流器进行整流。
1. 直线发电机
每节中间车有160个直线发电机，每节端车有150个直线发电机。直线发电机线圈嵌在悬浮电磁铁磁极铁心中，但只在悬浮电磁铁的主磁极中才有直线发电机线圈。每个主磁极上有2个串联的直线发电机线圈，每个线圈为28匝，这2个直线发电机线圈构成一个直线发电机。直线发电机发出的电能通过相应的导线输入到
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洛阳理工学院电力电子论文 升压斩波器进行整流及升压。每一个直线发电机的输出电能的容量为3.2 kW。直线发电机在悬浮电磁铁磁极中的具体位置如图3-3所示。
图3-3 直线发电机位置图
2. 升压斩波器
升压斩波器将来自于直线发电机与供电轨的电能变流后输送给各用电设备，同时对车载440 V蓄电池的充放电进行监测与控制。一节中间车有32个升压斩波器，一节端车有30个升压斩波器。
升压斩波器的主要功能如下：
①将直线发电机发出的电能转换为440 V直流电； ②将外部供电轨的直流电能转换为440 V直流电；
③控制蓄电池充电电流大小及充电功率大小； ④控制蓄电池充电电压大小； ⑤监测蓄电池放电情况；
⑥通过输出端对各用电设备供应440 V直流电；
⑦通过内部CAN卡诊断升压斩波器状态； ⑧升压斩波器的位置识别功能； ⑨升压斩波器具有过压与欠压保护； ⑩对升压斩波器机箱散热片温度进行监测； 11对升压斩波器内部的开关电源状态进行监测；
12对外部供电进行监测与控制； 13短路保护功能（过流保护）。 升压斩波器由直线发电机单独供电还是和外部供电轨一起供电取决于车载电源控制发出的“供电启动”信号与“起浮”信号的逻辑组合。
3. 440 V车载电源开关箱
440 V车载电源开关箱用于实现440 V车载电源的配电及电路保护。每节车有4个440 V车载电源开关箱，各440 V车载电源开关箱间相互独立。440 V车载电源开关箱功能为： ①控制440 V蓄电池到440 V车载电源的通断；
②控制DC-DC变流器到440 V蓄电池连接的通断； ③开/关440 V蓄电池加热器； ④作为440 V车载电源的配电柜； ⑤440 V车载电源的过流保护； ⑥涡流制动控制器电源的接地和短路保护；
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洛阳理工学院电力电子论文 ⑦440 V车载电源开关箱内部的8个电流互感器（LEM）监测蓄电池电流并送到相应的8个升压斩波器；
⑧蓄电池到440 V车载电源开关箱的输入动力电缆与开关箱到涡流制动器的输出动力电缆具有接地与短路保护功能。
3.3.3 24 V电源
24 V车载电源主要对与安全相关的用电设备，以及对供电可用度要求较高的用电设备供电。每节车有4套相互独立的24 V电源，这4套电源以安全冗余方式给用电设备供电。24 V电源之间以及24 V电源与440 V、230 V电源间采取了安全隔离措施。24 V电源来源于440 V电源，通过4个DC-DC变流器将440 V直流电转换为24 V直流电。DC-DC变流器输出的电能经过24 V车载电源开关箱与24 V车载电源配电柜将24 V直流电源分配给24 V用电设备。由于24 V电源主要是为控制设备及部件提供控制电源，所以对24 V电源供电的安全性、可靠性有更高的要求，并应保证在发生故障24 V电源与440 V电源断开时，24 V电源还可以对应急照明与应急通信提供1 h的电能。这部分电能的提供通过24 V蓄电池实现。每个24 V 电源上的一组24 V蓄电池作为备用电源用于保证电源故障情况下的紧急用电。
1. DC-DC变流器
每节车有4个DC-DC变流器，分别向4个24 V电源提供电流隔离且不接地的低压直流电源。DC-DC变流器间相互独立。4个440 V直流电源通过2块电源母板上的插座对开关电源供电。每一个440 V车载电源给2个开关电源模块并联供电，8个开关电源模块的输出端并联。每个DC-DC变流器的开关电源都有电压调节、电流调节和保护电路，它们可以在超出允许的电压范围时断开输出;同时具有输入/输出滤波功能，用于减少输入端的电流冲击和输出端的电压波动。由于8个开关电源模块的输出端相互并联，为了防止输出端的耦合，每个开关电源模块的输出端采用了一个二极管来消除开关电源模块间输出端的相互耦合。
2. 24 V车载电源开关箱
每节车有4个24 V车载电源开关箱，4组24 V蓄电池电源分别接入相应的24 V车载电源开关箱中，通过24 V车载电源开关箱中相应开关的通断来接通或断开24 V蓄电池与24 V电源的缓冲或对24 V紧急功能的供电。24 V车载电源开关箱具有如下功能：
①控制24 V蓄电池输出到24 V车载电源的通断；
②控制电源到24 V紧急功能（紧急照明，紧急通信）设备的通断； ③24 V车载电源到24 V配电柜的电缆保护。在启动和关闭过程中控制线路都不能断电。
3. 24 V车载电源配电柜
24 V车载电源配电柜用于对24 V用电设备进行线路过载与短路保护，以及对
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洛阳理工学院电力电子论文 24 V用电设备进行配电。每节车有一个24 V车载电源配电柜，其电源来自于24 V车载电源开关箱及DC-DC变流器。每节车的4个24 V车载电源开关箱分别通过4根16 mm2电缆与24 V车载电源配电柜相连，其中2根为24 V车载电源电源线，另2根为紧急功能电源线。24 V车载电源在24 V车载电源配电柜中被分为9组，分别通过2极（电源的正、负极）保险装置进行防护后输出到不同的用电设备。紧急功能电源也是在24 V车载电源配电柜中通过保险装置后输出。
3.3.4 230 V电源
每节车的2个频率为50 Hz的230 V车载电源来自于挂在2条440 V车载电源上的2个逆变器。230 V电源在车厢和服务区域内无安全冗余，它主要用于向不涉及到安全的用电设备提供电能，如风机和空压机等。230 V电源的供电路径为：逆变器将440 V主电源的直流电压变换为230 V交流电压，然后送入230 V车载电源开关箱中进行电压隔离后再输入230 V车载电源配电箱中进行保护与配电，并通过230 V车载电源配电箱为各用电设备提供交流电源。通过在2 30 V车载电源配电箱内的开关电源将230 V电源变换为28 V与24 V直流电源，28 V直流电源为阅读灯提供电能，24 V直流电源为230 V车载电源配电箱中的CAN总线I/O卡提供电能。
1. 逆变器
逆变器用于将440 V直流电转变为频率为50 Hz的230 V三相交流电。每节车有7个逆变器，其中2个为230 V电源供电，4个为空调供电（其中2个逆变器为空调的空压机供电，另2个为空调其他模块供电），1个为气动装置供电。逆变器在输入电压大于330 V时启动工作，在输入电压小于310 V时，切断逆变器，停止工作，通过相应的继电器开关控制440 V电源与逆变器的通断。
2. 230 V车载电源开关箱
每节车有2个230 V车载电源开关箱，分别与用于230 V电源的2个逆变器对应。230 V车载电源开关箱用于将440 V电源与230 V电源隔离开。其输入是来自于逆变器的230 V三相交流电，输出为线电压400 V的三相交流电。
3. 230 V车载电源配电箱
230 V车载电源配电箱把来自车辆逆变器并通过230 V车载电源开关箱传输过来的电能分配给230 V用电设备及阅读灯。每节车有2个230 V车载电源配电箱，分别与2个230 V电源对应，彼此相互独立。230 V车载电源配电箱的主要功能有：
①230 V用电设备配电； ②为28 V阅读灯供电； ③对气动装置的空气压缩机电机温度进行监测； ④对气动装置状态进行监控；
⑤可通过车辆诊断计算机从CAN总线对阅读灯、车内照明、车头前灯和尾灯（红灯和白灯）、前窗玻璃加热装置等进行集中控制；
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洛阳理工学院电力电子论文 ⑥每节车的2个230 V车载电源开关箱的24 V低压电源相互并联； ⑦可以正确地识别自身安装位置；
⑧每节车辆一侧在3个位置设置乘务员呼叫开关，可以对本节车一侧的阅读灯进行集中开关控制。
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洛阳理工学院电力电子论文 第四章 磁悬浮列车三相辅助逆变电源的设计
本章介绍了一种 DC1500V 供电的三相辅助逆变电源。相对于传统的静止式辅助逆变电源，它具有体积小、重量轻等特点。该产品在上海、唐山中低速磁悬浮列车上得到应用，运行稳定可靠。
中低速磁悬浮列车利用电磁力克服地球引力，使列车在轨道上悬浮，并利用直线电机推动前进，是一种新近发展起来的轨道交通装备，适用于大中城市市内、近距离城际间、与旅游景区连接的旅客运输，市场前景广阔。与普通轮轨列车相比，它具有噪声低、振动小、线路敷设条件宽松、建造成本低、易于实施和维护等优点，而且由于其牵引力不受轮轨间粘着系数的影响，其爬坡能力强，运行弯道半径小，是舒适、安全、快捷、环保的绿色轨道交通工具，在各种交通方式中具有独特的优势。磁悬浮列车依靠磁力支撑车体，悬浮所耗功率与车辆的重量有关，车辆配置了大量的电气机电设备，所以对各个部件的重量和体积出了苛刻的要求。磁悬浮列车三相辅助逆变电源的设计也考虑了上述几个因素。
如图4-1所示，三相辅助逆变电源主电路采用“半桥逆变器+ 全桥整流器+ 三相逆变器”结构，主要由输入滤波、半桥逆变、全桥整流、三相逆变及输出滤波电路组成。
图4-1 三相辅助逆变电源系统框图
4.1 主要技术参数
三相辅助逆变电源将输入DC 1 500V电源转换成稳定的三相380 V/ 50 Hz 交流电输出，其主要技术参数如：
输入电压
主电路 标称DC 1 500V （波动范围DC 1 000~1 800V）
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洛阳理工学院电力电子论文 控制电路 标称DC 110V （波动范围DC 77~137.5V） 额定输出电压 三相AC380V
额定输出频率 50HZ 输出电压波形 正弦波 输出电压总谐波含量 ≤10%
额定输出容量 60KVA 负载功率因数 0.85 质量 ≤450 kg 外形尺寸 ≤1600 mm×900 mm×560 mm
额定效率 >90%
4.2 主电路
隔离式 DC / DC 变换结构的电路拓扑有很多，如正激、反激、半桥、全桥等拓扑电路。额定输入DC 1 500V电压，开关管的电压应力较大。前面几种电路拓扑中，半桥、全桥逆变电路中开关管仅承受 5 0% 的输入电压，降低了开关管承受的电压应力；而半桥电路相对于全桥电路具有开关管数量少、驱动电路简单、抗偏磁能力强等优点，并且变压器双向励磁利用率高，所以，最后选择了半桥逆变作为DC/DC 变换的电路拓扑结构。为进一步降低半桥逆变电路 开关管承 受的电压应力，采用两个半桥电路串联的工作方式，输入电压DC 1 500V经过串联电容分压，得到两路DC 750V电压分别送至两路半桥逆变电路。两路隔离式DC/DC变换电路的电路形式及参数完全一致，各传输50% 的功率,两路并联输出。整流电路采用不可控的二极管全桥整流电路。为了降低后端整流二极管的电压应力，高频变压器采用双二次绕组结构，同一个变压器两个二次绕组输出电压经过全桥整流后串联输出。两个变压器输出电源整流后并联输出，各自承担输出功率的 50%。
逆变电路的开关管采用IPM 智能功率模块，具有驱动简单、驱动电流小、保护功能较强等优点。图4-2为其主电路
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图4-2 三相辅助逆变电源主电路图
4.3 结构设计
三相辅助逆变电源柜吊装在磁悬浮列车车厢工作环境非常恶劣，因此对柜体强度及散热设出来了苛刻的要求。在风道设计过程中 借助仿验手段验证器件散热的快速性及均匀性，以保的可靠性。
箱体采用轻量、模块化设计，抗振动、耐冲击可靠和便于维护；同时还采取了防水、通风散热电源柜中包含半桥逆变、全桥整流、三相逆变3大模块上的电气连接均采用复合母排或者铜母排线路上杂散电感，高系统的可靠性。采用导热频变压器封装在铝盒中，然后安装在全桥整流散热器上，并在铝盒基板与散热器之间均匀涂硅脂，很好地解决了高频变压器的散热问题。
4.4 控制技术
三相辅助逆变电源系统采用微机控制技术 ，以单片机为核心，实现对系统的检测和控制。CPU 实时检测开关管故障信号、接触器状态信号、温度继电器状态信号以及输入输出电压电流等信号。通过实时检测数据，调整控制参数， 保证系统安全可靠运行。DC/DC 变换采用PWM 控制技术，DC/AC 变换采用SPWM 控制技术。整个系统原理图如图4-3所示。当DC 110V 控制电源接通后， 控制单元首先对系统进行自检，在确认系统无
故障的情况下主电路开始工作。若检测到输入电压正常，则闭合短接接触器， 触发两路半桥逆变脉冲，DC/DC变换电路（半桥逆变、 全桥整流）开始工作， 将输入的DC 1 500V 电源变换成稳定的DC 560V 中间直流电压，再通过三相DC/ AC 逆变成为三相SPWM 波，经LC 滤波后为相应的三相负载供电。一旦检测到开关管、温度继电器、接触器及相关电流电压等信号有异常，就立即封锁脉冲，停止输出，保护电源和负载。
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洛阳理工学院电力电子论文 为了避免同一桥臂的上下两个开关管同时被驱动脉冲触发导通而发生短路，开关管的驱动电路采取了防止上下管驱动脉冲同时触发的措施，电路原理如图4-4 所示。
图4-3 三相辅助逆变电源系统原理图
图4-4 同一桥臂上下管驱动电路
本文所述的三相辅助逆变电源， 降低了开关器件所需承受的电压应力， 同时与传统辅助逆变电源相比， 减轻了重量和减小了体积， 是中低速磁悬浮列车三相辅助逆变电源一个很好的选择。 目前该三相辅助逆变电源在上海低速磁悬浮列车、 唐山中低速磁悬浮列车上运行良好， 能够满足磁悬浮列车的运营要求。
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洛阳理工学院电力电子论文 结论
我觉得，在毕业前夕，进行这样一次这样的毕业论文的设计是很有必要的。 上海磁悬浮列车时速430公里，一个供电区内只能允许一辆列车运行，轨道两侧25米处有隔离网，上下两侧也有防护设备。转弯处半径达8000米，肉眼观察几乎是一条直线；最小的半径也达1300米。轨道全线两边50米范围内装有目前国际上最先进的隔离装置。它是21 世纪理想的超级特别快车，世界各国都十分重视发展磁悬浮列车。目前，我国和日本、德国、英国、美国都在积极研究这种车。在设计中我查阅了大量的资料，利用了大学所学到的课内外知识并进一步加以巩固，通过这次设计使我学到了许多理论知识和实践技术，开阔了视野达到了预期目的。同时认识到搞科研需要严谨的态度，坚韧的毅力和满腔的热情，同时也锻炼和提高了我的实际工作能力，为我今后的学习，研究和走上工作岗位打下了坚实的基础。
我深知：成绩仅仅是逝去时光的标记，新的目标与追求才是不断拼搏的动力，我将从过去的岁月中积累知识和经验，继续努力，争取在未来的学习和生活中取得更大的收获。
参考文献
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洛阳理工学院电力电子论文 究[ J ]. 中国铁道科学，2004，25( 1) ：52- 5 5.
[ 2] 王兆安，黄俊. 电力电子技术[ M ]. 北京：机械工业出版 社， 2000.
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