XFK型中低速磁浮列車懸浮控制器研制*

董金文張昆侖劉 放

（1.磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，610031，成都；2.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都；3.西南交通大學機械工程學院，610031，成都∥第一作者，講師）

XFK型中低速磁浮列車懸浮控制器研制*

董金文1，2張昆侖1，2劉 放1，3

（1.磁浮技術與磁浮列車教育部重點實驗室，610031，成都；2.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都；3.西南交通大學機械工程學院，610031，成都∥第一作者，講師）

介紹了XFK型中低速磁浮列車懸浮控制器的結構、原理和關鍵技術。重點分析了懸浮控制器中間電路電容和電感的參數設計方法，指出了中間電路參數設計的依據和方法。試驗表明：該型懸浮控制器設計合理，性能良好，完全滿足中低速磁浮列車運行要求。

磁浮列車；主電路；懸浮控制器

First-author'saddressKey Laboratory of Magnetic Suspension Technology and Maglev Vehicle，Ministry of Education，610031，Chengdu，China

中低速磁浮列車在技術上和輪軌列車的區別在于其懸浮系統和直線牽引系統。懸浮系統是中低速磁浮列車的特有系統，也是中低速磁浮列車的關鍵技術［2］。懸浮系統基本功能是通過對懸浮電磁鐵位置和加速度的檢測，對懸浮電磁鐵電流進行控制，進而調節電磁吸力，使得車輛可以穩定懸浮于軌道［3-5］。懸浮系統由檢測電磁鐵位置的傳感器、進行控制計算和外部通訊的控制電路以及實現電磁鐵電流的主電路三部分構成，其中控制電路與主電路構成懸浮控制器。本文介紹了用于中國南車株洲磁浮試驗線的XFK型懸浮控制器。

1 懸浮控制器主要技術參數

XFK型懸浮控制器的主要技術參數如下：①懸浮控制單元箱體尺寸為350 mm×450 mm×550mm；②安裝方式為吊裝，螺栓連接；③輸入電壓范圍為DC 210～360 V（額定電壓DC 330 V）；④輸出電流范圍為0～100 A（額定電流30 A）；⑤質量35 kg。

2 懸浮控制器總體結構

懸浮控制器由控制電路和主電路組成。控制電路用于處理懸浮傳感器信號、與車載控制和診斷系統進行信息交換、主電路的管理和保護以及根據系統狀態計算控制量等。控制電路由4塊4U標準電路板實現，標準電路板安裝在控制機箱內。

主電路根據控制電路產生的控制量調節斬波器的通斷，實現保持懸浮系統穩定的電磁鐵電流。主電路原理如圖1所示。

懸浮控制器中控制電路屬于弱電環節，主電路屬于強電環節，兩者安裝在同一機箱內。控制電路對信號的信噪比要求高，在設計中需要盡量避免兩者之間的干擾。文獻［6］闡述了使用母排的一種懸浮控制器，并已應用于早期中低速磁浮控制器。通過母排［7］的使用，對控制電路和主電路進行空間分隔，對主電路進行屏蔽，減小兩者的干擾。XFK懸浮控制器沿用了該設計思想和技術。

圖1 懸浮控制器主電路原理圖

3 主電路關鍵技術

中低速磁浮列車懸浮系統為了克服線路和負載擾動，系統輸出電流變化大，懸浮電磁鐵和電源之間能量交換頻繁。能量交換中不僅會造成線路損耗，也會造成控制器電壓不穩定等不利情況，所以在設計中必須增加中間電路對能量進行緩沖。

中間電路由濾波電感和支撐電容組成。增加中間電路應起到三個方面的作用：①保證控制器電壓波動不會超過控制器內器件耐壓值；②保證當懸浮系統輸出電磁鐵電流大范圍波動時，控制器電壓波動不會對懸浮控制系統穩定和動態性能造成影響；③保證控制器輸入電流的紋波比較小。

中間電路電容容量大，有利于控制器電壓穩定，但由于體積重量限制，電容量受限。設計中以滿足最低安全要求為原則，即在最惡劣情況下，控制器電壓波動不會導致耐壓值最低的器件損壞為設計的出發點。在控制器中耐壓值最低的器件為開關電源，其耐壓為AC 300 V浪涌5 s，根據實際測試及考慮冗余，認為輸入電源不高于DC 424 V（＜5 s）時不會損壞。

考察出現最高電壓的惡劣工況，即電感能量最大時斬波器與外部電源系統物理斷開，電感能量除自身消耗外，全部向電容轉移，控制器電壓達到最高值。在放電過程中忽略電磁鐵電阻耗能，根據能量關系：

式中：

Ucmax——斬波器最大耐壓值；

Uc——電容電壓；

ILmax——最大電感電流；

L——電磁鐵電感；

WL——電磁鐵減少的能量；

Wc——電容增加的能量。

其中電感按照最大氣隙（電磁鐵落下）時計算。

表1給出了不同電容下，當電感電流為100 A時，切斷外部電源，測試得到的控制器最大電壓。在設計中應以理論計算值為參考，同時考慮安裝空間等因素進行具體選擇。該型設計中選用3個4 700 μF/DC 450 V電容器并聯。

表1 不同電容時控制器最高電壓

在對中間電容的設計還需要考察系統輸出電流動態變化過程中控制器電壓的變化是否滿足懸浮控制的要求。對于懸浮系統來說，輸入電壓升高，電磁鐵輸出電流變化速度加快，系統動態響更好，但控制器電壓降低時，系統的動態性能會變差。故考察控制器電壓在電流動態調整時對懸浮系統的影響，主要考慮系統輸出電流增加時，電壓跌落情況。以實際設計電容量為依據進行計算，考慮工況為斬波器的雙管滿開，電感充電，電流增加，電路計算模型如圖2所示。

圖2 動態電壓變化計算電路模型

假設當輸出負載電流io從io1變化為io2過程中，考察電容電壓uc變化。需要指出的是電容電壓初值為Ui。對電路有方程：

根據式（1）、式（2）、式（3）可以得到：

根據初始條件，可以得到電容電壓

從式（7）可以得到電容電壓波動最大值

從式（8）中看到濾波電感Lr變大，控制器電壓波動會增加，濾波電容C變大會使得控制器電壓波動減小。根據懸浮控制性能要求，控制器電壓波動范圍應不大于穩態電壓的5%，即Δucmax≤16.5 V。

根據式（8）可以得到輸入濾波電感

表2列出了輸入電壓330 V，電容14.1 mF，電感電阻1.6Ω時，不同輸出電流下濾波電感的限值。

表2 不同輸出電流時輸入濾波電感限值

從數值上可以看出，在設計濾波電感時，其電感值應該小于1.44 mH。需要特別指出的是對于懸浮斬波器的電源系統（包括DC/DC變換器），其輸出等效的電感也不能超過上述電感限值。如果電源系統輸出濾波電感過大，也會導致懸浮斬波器電壓波動過大。

最后考察控制器輸入電流紋波。對于圖2來說，從輸出側觀察，假設電流i和io反向流動，可以認為輸出電流io通過Lr、C進行濾波得到輸入電流i。通過設計Lr、C可以得到比較平穩的輸入電流波形。根據圖2電路可以推導得到：

由此可以得到濾波電感Lr＞7μH。

圖3中電壓變化實際值比理論值略大，但數量相當。這一方面是因為式（7）給出的電容電壓變化公式是對實際電路進行簡化和近似的結果；另一方面由于線路電感和制造問題實際參數也與設計值略有不同。

圖3 電流突變時的電容電壓波形

實際系統Lr、C的諧振頻率fCLr≈95 Hz，在額定輸出下紋波約為0.05 A，滿足設計要求。圖4給出了額定輸出下的輸入電流波形。

圖4 額定輸出下輸入電流波形

4 懸浮控制器性能試驗

懸浮控制器的可靠性對磁浮列車的穩定性至關重要，需要對其進行嚴格的測試。實際中采用1∶1單懸浮轉向架對懸浮控制器進行測試和性能考核。圖5給出了懸浮控制器的測試流程圖。

圖5 懸浮控制器試驗測試流程

在測試中，首先對懸浮控制器進行外觀和功能檢查，之后對于懸浮控制器的懸浮性能進行考察。在考察中通過對氣隙、加速度、電流、電壓以及溫度等主要信號進行采樣，對懸浮控制器的懸浮功能進行考核評價。

圖6為某一機箱連續考察過程中的某一時間段內的氣隙和電流的波形圖。從波形中可以來自傳感器的氣隙信號信噪比不大于2.5‰，懸浮斬波器弱電信號噪聲比較小，系統的電磁兼容性設計是合理和滿足工程要求的。此外，通過波形可以對懸浮控制器的懸浮性能進行評價，懸浮氣隙波動量在±0.075 mm，控制精度為3.75‰，懸浮控制系統的靜態特性比較好。通過波形可以很好地評價懸浮控制器的電磁兼容和懸浮控制性能。

最后對懸浮控制器進行熱可靠性考核，根據試驗，在額定輸出下懸浮控制器在2h以內達到熱平衡，IGBT散熱器最高溫升不超過35℃，控制機箱最高溫升不超過15℃。在兩倍額定輸出之下約在45 min以內達到熱平衡，此時散熱風機會逐漸變為滿速工作，IGBT散熱器最高溫升仍不超過35℃，但機箱噪聲會增大。在滿額電流下，10 min后會啟動大電流保護，將輸出封鎖以保護電磁鐵。取消該保護后考核熱性能，懸浮控制器大約20 min達到熱平衡，散熱片最高溫升不超過40℃。取消風機，模擬風機故障，散熱片最高溫度不超過85℃。通過上述試驗驗證了懸浮控制器熱設計安全可靠。

5 結語

本文介紹的XFK型中低速磁浮列車懸浮控制器目前應用于中國南車株洲中低速磁浮試驗線，運行情況良好，滿足實際需求。

懸浮控制器未來應該向小型化和輕量化發展，對于內部電路和設備需要進一步精簡和優化。另外，對磁浮列車來說，懸浮控制點通常在20個左右，所需要懸浮控制器多。因此，懸浮控制器的二合一，多合一甚至集中控制的方案也是未來研究和發展的方向。

［1］ 孫章，蒲琪主編.城市軌道交通概論［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］ 連級三主編.電傳動機車概論［M］.成都：西南交通大學出版社，2001.［3］ Sinha，P.K.Electromagnetic suspension：dynamics and control［M］.London：Peter Peregrinus，1987.

［4］ 商海波.磁懸浮數字控制方法及其實現［D］.成都：西南交通大學，2003.

［5］ 徐俊起，榮立軍，吳小東.基于現場總線的磁浮列車懸浮控制調試系統［J］.城市軌道交通研究，2012，5（5）：121.

［6］ 張昆侖，劉放，董金文，等.磁懸浮列車懸浮斬波器箱：中國，ZL200710050769.4［P］.2007.

［7］ 張昆侖，董金文，劉放，等.用于磁懸浮列車懸浮斬波器的層疊功率母線排：中國，200710050767.5［P］.2007.

Design of XFK Type Suspension Controller for Medium and Low Speed Maglev

Dong Jinwen，Zhang Kunlun，Liu Fang

Thestructure，principle and key technologies of XFK type suspension controller for medium and low speed maglev train are introduced.The design methods of capacitance and inductance parameters in intermediate circuit are analyzed，the principle and design consignment are pointed out.Experiment results show that the design of suspension controller is reasonable and has good performance，it could meet the requirements of medium andlow speed maglev train completely.

maglev train；power circuits；suspension controller

U 237

2013-07-13）

*中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（SWJTU11BR170）