上海高速磁懸浮地面牽引供電系統
近些年來(lái),磁浮列車(chē)以其高速、節能、安全、舒適、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)日益受到人們越來(lái)越多的關(guān)注。目前德國和日本是世界上磁浮列車(chē)研究最多的國家:德國已經(jīng)研制了tr系列吸力型磁浮列車(chē),并在埃姆斯蘭建造了大型試驗用的tve試驗線(xiàn);日本也研制了mlu系列斥力型磁浮列車(chē)和hsst系列吸力型磁浮列車(chē),并修建了山梨試驗線(xiàn)。我國也在積極開(kāi)展這方面的研究工作,上海已從德國引進(jìn)了tr08型磁浮列車(chē),并已投入了商業(yè)運行,同時(shí)也拉開(kāi)了消化吸收其先進(jìn)技術(shù)的序幕。在磁浮列車(chē)運行系統中,合理有效的牽引供電系統是實(shí)現磁浮列車(chē)高速可靠運行的關(guān)鍵之一,故而成為本文的主要研究對象。
2 磁浮列車(chē)牽引供電系統概況
磁浮列車(chē)按照動(dòng)力源(直線(xiàn)電動(dòng)機)定子的長(cháng)短相應可分為短定子直線(xiàn)電動(dòng)機驅動(dòng)的磁浮列車(chē)和長(cháng)定子直線(xiàn)電動(dòng)機驅動(dòng)的磁浮列車(chē)。短定子直線(xiàn)電動(dòng)機是將定子繞組安裝在車(chē)體的底部,通過(guò)向磁浮列車(chē)提供變壓變頻的電源,由車(chē)上的短定子產(chǎn)生行波磁場(chǎng);軌道上安置結構較為簡(jiǎn)單的長(cháng)轉子,這種結構多用于直線(xiàn)異步牽引電動(dòng)機的驅動(dòng)系統。由于列車(chē)通過(guò)受流器供電,而高速受流困難使列車(chē)運行速度、異步電機的功率因數及效率均受到限制,因此該系統僅用于低速小功率短距離的電力牽引。長(cháng)定子直線(xiàn)同步電動(dòng)機驅動(dòng)的磁浮列車(chē)的底部安置有直線(xiàn)電機的轉子,整條軌道上安裝同步電機的長(cháng)定子繞組。磁浮列車(chē)內部對轉子的供電簡(jiǎn)單,沒(méi)有高速受流的困難。采用這種直線(xiàn)同步電動(dòng)機驅動(dòng),適合于高速、大功率、長(cháng)距離的電力牽引。德國和日本均采用這種系統。德國研制了常導吸浮式磁浮列車(chē):由車(chē)上常導電流產(chǎn)生的電磁吸引力吸引軌道下方的導磁體,使列車(chē)浮起。常導電流比較容易獲得,通常由蓄電池或感應式發(fā)電線(xiàn)圈等設備產(chǎn)生電流,供給同步直線(xiàn)電動(dòng)機的轉子。但常導系統電磁吸引力相對較小,列車(chē)懸浮高度約10mm,故對控制精度的要求很高。日本研制的超導斥浮型磁浮列車(chē)是由車(chē)上強大的超導電流產(chǎn)生極強的電磁場(chǎng),該電磁場(chǎng)相對線(xiàn)路側墻上的8字形導電環(huán)高速移動(dòng),使導電環(huán)感應出強大的環(huán)流,在8字形下半環(huán)中形成推斥磁場(chǎng),而上半環(huán)中則形成吸力磁場(chǎng),使列車(chē)懸浮。該懸浮系統是一個(gè)無(wú)需反饋控制的穩定系統,而且懸浮高度可在10cm左右,從而使控制相對簡(jiǎn)單。
3 上海高速磁浮列車(chē)的牽引供電系統[1]
上海運營(yíng)的高速磁浮列車(chē)是從德國引進(jìn)的tr08型磁浮列車(chē),采用長(cháng)定子直線(xiàn)同步電動(dòng)機和常導吸浮式系統。其牽引供電系統如圖1所示,由高壓變壓器(110kv/20kv)、輸入變壓器、輸入變流器、逆變器和輸出變壓器等主要部件構成。
磁懸浮列車(chē)牽引供電系統從110kv網(wǎng)壓經(jīng)高壓變壓器變?yōu)?0kv,再由輸入變壓器和輸入變流器變?yōu)?plusmn;2500v的直流電壓。從直流環(huán)節來(lái)的直流電壓,由三相三點(diǎn)式逆變器產(chǎn)生可變頻率(0~300hz)、可變幅值(0~×4.3kv)、可調相角(0~360°)的三相交流電。磁懸浮列車(chē)的牽引變流器有兩種工作模式:
?。?)逆變器脈沖寬度調制的直接輸出模式,是電機在低頻工作時(shí)的輸出方式,具有0~70hz的開(kāi)關(guān)頻率。此時(shí)兩套三點(diǎn)式逆變器并聯(lián),經(jīng)輸出變壓器的初級繞組如圖1所示的連接輸出,這時(shí)輸出變壓器初級繞組相當于并聯(lián)用的均衡電抗器,同時(shí)也起到濾波作用。
?。?)變壓器輸出模式,是電機工作在高頻時(shí)的輸出方式,具有30hz~300hz的開(kāi)關(guān)頻率。這時(shí)主牽引變流器中的兩套逆變器相串聯(lián)作用于輸出變壓器的原邊,經(jīng)輸出變壓器升壓后輸出。
3.1 輸入變流器
輸入變流器的前級由高壓變壓器和輸入變壓器組成。輸入變壓器由兩個(gè)整流變壓器構成,其作用是將高壓網(wǎng)側電壓通過(guò)變壓器二級降壓,然后送至輸入變流器。對于大容量高壓整流變壓器,為了提高整流效率,采用2套6脈沖整流橋組成,每套整流變壓器是由一個(gè)y結和一個(gè)d結兩組三相繞組供電。靜止變流器系統采用的是三臺單相三繞組變壓器方案,通過(guò)各繞組的規定連接將其構成圖2所示的y/y、d組式整流變壓器的方案,其主要優(yōu)點(diǎn)有:
?。?) 備用容量小,較為經(jīng)濟;
?。?) 單臺容量較小,較易滿(mǎn)足運輸對裝置尺寸的要求;
?。?) 三個(gè)繞組可以布置在同一鐵心柱上,有助于降低變壓器的諧波損耗。
為了控制中間電路直流環(huán)電壓,以及減小網(wǎng)側勵磁,系統的每個(gè)整流器采用1個(gè)六脈沖三相全控整流橋和1個(gè)六脈沖三相不可控整流橋串聯(lián)而成,如圖2所示。這樣兩套整流器串聯(lián),中間點(diǎn)通過(guò)高電阻接地(如圖1所示),構成三電位的中間電路直流環(huán)。直流環(huán)的電壓是可控的,范圍在2×1500v~2×2500v內,額定電流3200a。為得到平滑的直流電流,在中間回路中串有平波電抗器。同時(shí)為防止整流橋和直流環(huán)過(guò)電壓,采用了直流側過(guò)電壓保護。在直流環(huán)中間電路并有放電保護的晶閘管和大功率電阻,作為直流側吸收裝置,
以抑制過(guò)電壓。另外, 中間電路直流環(huán)中間點(diǎn)通過(guò)高電阻接地保護, 并帶有接地故障顯示。
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