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1、磁浮列車再生制動(dòng)系統(tǒng) 磁浮列車再生制動(dòng)系統(tǒng) 2010/04/19 編者按：本文主要從概述；牽引變電系統(tǒng)受流系統(tǒng)；地面再生制動(dòng)系統(tǒng)；結(jié)束語(yǔ)，對(duì)磁浮列車再生制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行講述。其中，主要包括：電壓等級(jí)、牽引變電所容量、主要電氣設(shè)備、交直流開(kāi)關(guān)柜、整流器、中低速磁浮列車在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一條正式的運(yùn)營(yíng)線，對(duì)其供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也只能參照目前城市軌道交通的供電系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，因此對(duì)供電系統(tǒng)的電氣參數(shù)的計(jì)算沒(méi)有形成統(tǒng)一的技術(shù)要求，建設(shè)部正在組織有關(guān)參研單位進(jìn)行中低速磁浮列車系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定。本文是

2、根據(jù)筆者多年從事磁浮列車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的初步探討，為日后中低速磁浮列車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定及正式運(yùn)營(yíng)線路的設(shè)計(jì)提供參考，具體材料請(qǐng)?jiān)斠?jiàn)： 摘要：本文對(duì)中低速磁浮列車供電系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，包括供電電壓制式的選擇，受流方式的選擇，牽引變電所設(shè)計(jì)原則、負(fù)荷容量的計(jì)算方法及主要電氣設(shè)備，地面制動(dòng)電阻的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：磁浮列車；供電系統(tǒng)；受流系統(tǒng)；再生制動(dòng)系統(tǒng) 0概述 磁浮列車是一種新型的非接觸式地面軌道交通運(yùn)輸工具，其以高速、節(jié)能、安全、舒適、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)的輪軌式機(jī)車車輛不同，磁浮列車的支撐和導(dǎo)向力是由電磁吸力和電動(dòng)斥力來(lái)提供的，它的牽引力是由線

3、性電機(jī)產(chǎn)生的。磁浮列車的關(guān)鍵技術(shù)是牽引技術(shù)、懸浮導(dǎo)向技術(shù)和車輛結(jié)構(gòu)技術(shù)，而安全、可靠、經(jīng)濟(jì)合理的供電系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)磁浮列車安全可靠運(yùn)行的重要保證和前提。 中低速磁浮列車供電系統(tǒng)包括牽引變電系統(tǒng)、受流系統(tǒng)和地面再生制動(dòng)系統(tǒng)。 1牽引變電系統(tǒng) 1.1電壓等級(jí) 中低速磁浮列車的時(shí)速一般為100～200km，適合于城市公共軌道交通，其中包括市內(nèi)交通、市郊交通、市中心至機(jī)場(chǎng)、城際交通。城市軌道交通的特點(diǎn)決定了中低速磁浮列車的牽引供電必須采用直流電流制，其電壓等級(jí)應(yīng)選用國(guó)家推薦的DC750V或DC1500V。因此中低速磁浮列車采用交直流牽引變電所，其牽引供電方式與目前地鐵、輕軌廣泛使用的基本相同。

4、中低速磁浮列車作為一種新型的交通工具，其供電系統(tǒng)的電壓制式也同樣須考慮其先進(jìn)、安全和節(jié)能等特性。DC750V供電電壓是一種非常成熟的電壓制，在國(guó)內(nèi)外城軌的主要交通工具中（地鐵、輕軌等）得到了廣泛的應(yīng)用，其供電設(shè)備、車載電器設(shè)備國(guó)內(nèi)外都有許多十分成熟的產(chǎn)品。但其缺點(diǎn)是供電距離比較短（一般1km設(shè)1個(gè)變電站），供電電流比較大，投資費(fèi)用高、占地面積大，而且線路消耗的能量也大，因此，目前國(guó)內(nèi)外城市軌道交通已不再采用該電壓制式，而采用DC1500V供電以克服上述缺點(diǎn)。它的供電設(shè)備及車載電器設(shè)備國(guó)外產(chǎn)品非常成熟，國(guó)內(nèi)也早已進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研制，積累了許多經(jīng)驗(yàn)，并有一些成熟的產(chǎn)品。因此，磁浮列車作為一種現(xiàn)代城市軌

5、道交通工具中的一員，它的供電電壓應(yīng)選擇投資少、占地面積小且耗能低的DC1500V供電電壓制式。 1.2牽引變電所容量 正確合理地選擇牽引變電所的容量能夠節(jié)省建設(shè)用地和投資費(fèi)用。對(duì)于正常運(yùn)行的磁浮列車系統(tǒng)，其牽引變電所應(yīng)由2路互為備用的獨(dú)立電源供電，即由2路互為備用的高壓進(jìn)線系統(tǒng)，2路互為備用的整流變壓器、整流設(shè)備及相關(guān)的開(kāi)關(guān)設(shè)備組成，以實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的不間斷供電。 在選擇牽引變電所供電設(shè)備容量時(shí)，全線只考慮有1個(gè)牽引變電所發(fā)生故障的情況。當(dāng)正線牽引變電所任何1個(gè)發(fā)生故障時(shí)，其相鄰牽引變電所采取越區(qū)供電方式，擔(dān)負(fù)起該段磁浮列車的牽引供電負(fù)荷。此負(fù)荷應(yīng)滿足遠(yuǎn)期高峰小時(shí)負(fù)荷。牽引變電所的數(shù)量及其

6、在線路上的位置，必須經(jīng)計(jì)算確定，并滿足在事故狀態(tài)下單邊（或越區(qū)）供電時(shí)接觸網(wǎng)電壓的要求。 電氣設(shè)計(jì)最重要的就是確定系統(tǒng)的負(fù)荷容量。 由于磁浮列車是一項(xiàng)新技術(shù)，它與現(xiàn)有的其他軌道交通系統(tǒng)相比既有共性又有特性。磁浮列車的牽引供電系統(tǒng)的負(fù)荷由牽引系統(tǒng)負(fù)荷、懸浮系統(tǒng)負(fù)荷、牽引系統(tǒng)和懸浮系統(tǒng)輔助負(fù)荷及車站、維修基地、控制中心的動(dòng)力、照明等負(fù)荷組成。 中低速磁浮列車的牽引變電所的負(fù)荷容量設(shè)計(jì)應(yīng)按照列車運(yùn)行峰值速度、彎道通過(guò)速度、坡道通過(guò)能力等目標(biāo)來(lái)進(jìn)行。其中，直線感應(yīng)電機(jī)的牽引特性是根據(jù)額定能力來(lái)設(shè)置，其牽引力可用式（1）表示： Fg=F-W′（1） 式中，F(xiàn)為直線電機(jī)的牽引力，W′為列車運(yùn)行時(shí)

7、的阻力，包括電磁阻力、受流產(chǎn)生的阻力和空氣阻力。根據(jù)磁浮列車的相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)額定速度為60km/h時(shí)，車輛所受由電磁鐵帶來(lái)的電磁阻力約為車重的5‰，并且隨著速度的變化基本趨于穩(wěn)定；參考日本CHSST的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，受流產(chǎn)生的阻力為41.67N左右；空氣阻力可按式（2）計(jì)算： 式中，Cx為空氣阻力系數(shù)，取決于車體的外形，參照日本CHSST取值為0.443；ρ為空氣密度，取值為1.29kg/m3；S為車體最大橫截面積，取值為10m2；v為列車與空氣的相對(duì)速度。 動(dòng)力負(fù)荷主要有懸浮系統(tǒng)輔助負(fù)荷及車站、維修基地、控制中心的動(dòng)力、照明等，它的大小根據(jù)具體情況和試驗(yàn)場(chǎng)地大小及要求而定。 1.3主要電氣

8、設(shè)備 1.3.1變壓器 （1）整流變壓器。由于磁浮列車的直流供電電壓宜采用24脈波DC1500V，因此整流變壓器應(yīng)采用2臺(tái)干式、戶內(nèi)、自冷（帶風(fēng)機(jī)）、環(huán)氧樹(shù)脂澆注的三繞組整流變壓器。2臺(tái)整流變壓器一次側(cè)繞組分別移相+7.5和-7.5?？蛰d變比：高壓/低壓/低壓為6kV/0.59kV/0.59kV，連接組別為Dy11-d0。 （2）動(dòng)力變壓器。動(dòng)力變壓器可采用干式、戶內(nèi)、自冷（帶風(fēng)機(jī)）、環(huán)氧樹(shù)脂澆注的三繞組整流變壓器，變比為6kV/0.4kV，連接組別為Dyn11。 1.3.2交直流開(kāi)關(guān)柜 （1）交流開(kāi)關(guān)柜。交流開(kāi)關(guān)柜應(yīng)根據(jù)進(jìn)線電壓的不同選擇不同電壓等級(jí)的產(chǎn)品，具有完善的操作、維護(hù)和保

9、護(hù)功能，滿足全天候運(yùn)行的條件。斷路器具有可靠的電氣“防跳”功能，開(kāi)關(guān)柜設(shè)“五防”保護(hù)。其交流開(kāi)關(guān)柜的電壓等級(jí)分別為220，110，33，10和6kV。 （2）1500V直流開(kāi)關(guān)柜。1500V直流開(kāi)關(guān)柜應(yīng)采用戶內(nèi)型，具有標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)等級(jí)的金屬封閉式結(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)柜由一系列標(biāo)準(zhǔn)化單元組成，標(biāo)準(zhǔn)化單元根據(jù)設(shè)計(jì)要求組合成不同的基本小室。在這些標(biāo)準(zhǔn)化單元中設(shè)有操作設(shè)備、控制元件、測(cè)量元件、保護(hù)元件、母排、電源和輔助連接等，除完成當(dāng)?shù)乜刂?、測(cè)量保護(hù)功能所需的必要元件外，還裝有為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方監(jiān)控所必需的各種轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸所必需的接口設(shè)備。 1.3.3整流器 整流器是牽引降壓混合變電所的重點(diǎn)設(shè)備。整流器應(yīng)具有內(nèi)

10、部短路保護(hù)功能，每個(gè)二極管串聯(lián)快速熔斷器，熔斷器帶有輔助接點(diǎn)，熔絲熔斷后，熔斷指示器可靠動(dòng)作，并發(fā)出信號(hào)，作用于報(bào)警或跳閘。在整流器預(yù)測(cè)最高溫度的元件散熱器或銅母排上加設(shè)溫度繼電器，用于監(jiān)視元件散熱器或銅母排的溫度，并發(fā)出信號(hào)。整流器具有過(guò)電壓保護(hù)功能，交流側(cè)設(shè)置過(guò)電壓RC吸收電路，防止交流側(cè)開(kāi)關(guān)操作或變壓器感應(yīng)產(chǎn)生過(guò)電壓損壞整流管，兼吸收整流管換相過(guò)電壓；直流側(cè)設(shè)置RC過(guò)電壓抑制回路和放電回路，防止直流快速開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生操作過(guò)電壓損壞整流管，并在整流器輸出端并聯(lián)壓敏電阻，抑制殘余的過(guò)電壓。除此之外，整流器還應(yīng)具有外部短路保護(hù)功能，即當(dāng)直流側(cè)短路，直流快速開(kāi)關(guān)正常分?jǐn)鄷r(shí)，整流器中硅元件及快速熔

11、斷器均不損壞，如直流快速開(kāi)關(guān)拒動(dòng)，則由牽引變壓器一次側(cè)的交流斷路器開(kāi)斷短路電流，整流器中的硅元件也不損壞。 2受流系統(tǒng) 目前，在城市軌道交通中，直流電通過(guò)供電軌和車載受流裝置為車輛供電。其受流方式主要有3種：上部受流、下部受流和側(cè)面受流。上部受流的優(yōu)點(diǎn)是受電靴與軌的接觸狀況受小的彎道半徑的影響小，因豎曲線半徑一般較大，受流軌頭可以采用平面，對(duì)受流軌的加工難度降低。缺點(diǎn)是上部受流易在受流軌面上沉積塵土等雜質(zhì)，這樣加劇受流軌面及受電靴的磨損，同時(shí)造成拉電弧形成燒蝕磨損；大雨雪氣候下易造成受流不穩(wěn)。下部受流除具備與上部受流相同的優(yōu)點(diǎn)外，其受流軌面朝下，不易積攢塵土、雨雪等雜物。缺點(diǎn)是受流裝置的安

12、裝造成車輛下部限界增加，冰凍氣候下受流軌面形成的冰柱對(duì)平穩(wěn)可靠受流會(huì)造成較大影響，受流軌對(duì)受電靴的壓力方向與車輛受到的懸浮方向相反，受電靴的運(yùn)動(dòng)故障易造成懸浮困難。側(cè)面受流的優(yōu)點(diǎn)是受流軌面不易積攢雜質(zhì)，受雜質(zhì)干擾引起的磨粒磨損和電弧燒蝕磨損小，只要受流平穩(wěn)，車輛懸浮不受受流器運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的影響。缺點(diǎn)是在彎道上受流軌面需跟隨軌道梁的平曲線而形成曲線，彎道受流軌的加工難度大，彎道（特別是小曲率半徑的彎道）處受流軌的弧度對(duì)受流摩擦副的接觸狀況構(gòu)成實(shí)質(zhì)性的影響，受流靴的結(jié)構(gòu)形狀與截面尺寸必須予以考慮。 綜合考慮各種因素的影響，中低速磁浮列車的受流方式應(yīng)首先采用側(cè)面受流，這種受流方式已成功應(yīng)用于日本磁浮列

13、車、德國(guó)磁浮列車和重慶獨(dú)軌車的受流系統(tǒng)。 3地面再生制動(dòng)系統(tǒng) 在城市軌道交通中，通過(guò)將制動(dòng)電阻從車上移至地面，采用地面再生能量吸收裝置來(lái)吸收制動(dòng)能量可以減輕車體的質(zhì)量、降低牽引電能的消耗、降低車輛對(duì)線路的沖擊、減少車輛的噪聲。地面制動(dòng)電阻的設(shè)計(jì)雖是供電系統(tǒng)的一部分，但它與車輛的運(yùn)行密切相關(guān)，制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將直接影響車輛制動(dòng)性能的發(fā)揮和行車安全。采用地面再生能量吸收裝置是目前城市軌道交通中一種發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)重慶獨(dú)軌車和廣州地鐵4號(hào)線已取得了成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并且其設(shè)備也是由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家開(kāi)發(fā)，因此對(duì)中低速磁浮列車來(lái)說(shuō)，采用地面再生能量吸收裝置是一種行之有效的方法。 當(dāng)磁浮列車處于制動(dòng)時(shí)，其牽引

14、直線電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將列車的動(dòng)能變換為電能。這部分電能除一部分消耗在直線電機(jī)和牽引逆變器本身外，還可以供給列車的輔助設(shè)備（如懸浮、空調(diào)、通風(fēng)、空壓機(jī)等），其余大部分將回饋給直流供電網(wǎng)絡(luò)。其電機(jī)的制動(dòng)過(guò)程分2步進(jìn)行： （1）再生制動(dòng)。此時(shí)電壓保持為某一值，逐漸減小變頻器輸出頻率，使滑差頻率s＜0，能量通過(guò)逆變器回送至直流母線側(cè)，通過(guò)變電站的制動(dòng)電阻或其他車輛的運(yùn)行消耗掉這部分制動(dòng)能量。為了得到較大的制動(dòng)力，高速段保持電壓（功率）一定，隨著速度的不斷降低，制動(dòng)電流逐漸上升。電流達(dá)到某一值時(shí)，保持電流恒定，電機(jī)進(jìn)入基本恒制動(dòng)力階段（由于邊緣效應(yīng)影響，制動(dòng)力稍微有點(diǎn)上升）。 （2）反接制動(dòng)。當(dāng)

15、車速低至一定速度時(shí)，由于保持滑差頻率一定，不能繼續(xù)進(jìn)行再生制動(dòng)，大約從19km/h（5.3m/s）進(jìn)入反接制動(dòng)。反接制動(dòng)時(shí)滑差s＞1，制動(dòng)能量消耗在電機(jī)內(nèi)部。本階段，制動(dòng)電流保持一定，隨著速度進(jìn)一步降低，電壓有所升高。反接制動(dòng)最低可將列車速度降至4.4km/h。當(dāng)電制動(dòng)過(guò)程結(jié)束后，進(jìn)入機(jī)械制動(dòng)，將列車停于定點(diǎn)位置。 當(dāng)列車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的能量需經(jīng)牽引逆變器變換后供給車輛其他設(shè)備和回饋給直流供電網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)能量守恒定理，可得到列車在制動(dòng)速度V時(shí)回饋給直流供電網(wǎng)絡(luò)的電功率，即消耗于制動(dòng)電阻上的電功率： 式中，ηA為逆變器電能轉(zhuǎn)換效率，ηB(V)為電機(jī)的效率，它由直線電機(jī)的速度-效率曲線決定

16、，F(xiàn)B為列車的制動(dòng)力，V為制動(dòng)速度，V=VB0+at，VB0為制動(dòng)時(shí)的初始速度，a為制動(dòng)加速度。設(shè)UB為列車制動(dòng)時(shí)輸入的直流電壓，則回饋給直流供電網(wǎng)絡(luò)的制動(dòng)電流： 4結(jié)束語(yǔ) 中低速磁浮列車在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一條正式的運(yùn)營(yíng)線，對(duì)其供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也只能參照目前城市軌道交通的供電系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行，因此對(duì)供電系統(tǒng)的電氣參數(shù)的計(jì)算沒(méi)有形成統(tǒng)一的技術(shù)要求，建設(shè)部正在組織有關(guān)參研單位進(jìn)行中低速磁浮列車系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定。本文是根據(jù)筆者多年從事磁浮列車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的初步探討，為日后中低速磁浮列車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定及正式運(yùn)營(yíng)線路的設(shè)計(jì)提供參考。只有掌握中低速磁浮列車供電系統(tǒng)的全部技術(shù)要求，才能將中低速磁浮列車推向市場(chǎng)，為我國(guó)推廣磁浮技術(shù)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和可靠的技術(shù)依據(jù)。 參考文獻(xiàn)： [1]龐開(kāi)陽(yáng),何江海.廣州地鐵4號(hào)線供電系統(tǒng)[J].機(jī)車電傳動(dòng).2002,4. [2]胡基士.中低速磁浮列車牽引供電系統(tǒng)特點(diǎn)分析[J].電力機(jī)車與城軌車輛.2003,4. [3]李鯤鵬,張振生.廣州地鐵4號(hào)線地面制動(dòng)電組的設(shè)計(jì)[J].機(jī)車電傳動(dòng),2005,5.新晨范文網(wǎng)