磁悬浮列车悬浮斩波器研究

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1、磁悬浮列车悬浮斩波器研究

2、第11.1传统的悬浮斩波器悬浮斩波器是磁悬浮列车中一个很重要的系统，它直接控制列车的悬浮，其性能优劣直接关系到列车的成败。悬浮斩波器的原理就是在悬浮气隙发生变化时，能够使电磁铁电流迅速做出相应调整，从而改变电磁悬浮力的大小，使悬浮气隙基本保持恒定。根据电磁悬浮系统（EMS）要求响应快、耐冲击的特点，磁悬浮列车一般采用H型两相限斩波器。它既可以向负载提供能量，也可以迅速将负载电路反接入电源，向电网回馈能量。如图l所示为H型斩波器的主电路结构，这是一个全桥电路，桥的每臂由可控型元件IGBT(T1，T3)和不可控制元件(D2，D4)组成，负载(电磁铁)接在AB之间，并用L

3、o和Ro组成的串联电路来等效，E为滤波电容，R1、R2、R3、R4和C1、C2、C3、C4、D1、D2组成吸收回路，用霍耳元件检测电磁铁电流。500)this.style.ouseg(this)">图1H型斩波器主电路开关元件T1，T3可有多种不同的控制方式：(1)T1全导通，T3间断导通。(2)Tl，T3轮流导通(导通时间部分重叠)。(3)T1，T3同时通断。传统的斩波器采用第(3)种控制方式，此种方式di/dt最大，对电磁铁电流控制较为有利。当T1，T3导通时，电源电压加在电磁铁上，Uo=UAB=Ud，，电磁铁吸收能量;当T1，T3关断时，D2，D4导通，Uo=UAB=-Ud，电磁铁将能

4、量反馈回电源，由此可见，输出电压Uo的极性随开关元件的工作状态而变化，而输出电流io始终保持从A到B的流向，故电路可运行于第一，四象限。设斩波周期为T，导通起始时刻为t1，工作情况分析如下：(1)0t=0时，io=Io1，，Tl，T3关断，U0=-Ud，在反向电压作用下io按指数规律迅速下降，电压方程式为: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)当t=t1时，io=Io2，代入上式得：Io2=Ud／Ro(e-Rot1/Lo-1)+Io1e-Rot1/Lo(4

5、)(2)t1此时，T1，T3导通，在电源电压作用下,io按指数规律增长．电压方程式为：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)当t=T时，io=Io1，代入上式得Io1=Ud／Ro[l-e-Ro(T-t1)/Lo]+Io2e-Ro(T-t1)/Lo(8)联立解(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

6、](eRoT/Lo-1)(10)为了提高响应速度和降低音频噪音，斩波器工作频率达到20KHZ，开关损耗较大。而且为了抑制尖峰电压电流加入的吸收网络也导致了效率的降低。具体实验数据如下：测试对象：8电磁铁之单磁转向架悬浮重量：5吨悬浮间隙：10mm测试结果如下：测试对象测试数据（V/A）功率(=Ir+ILo谐振周期应占整个工作周期的10%以内，对于20KHZ的斩波频率，谐振周期应控制在5uS以内。（2）谐振电容：一般地，大电容可提供较好的降低dv/dt和关断损耗的效果，但谐振电容中储存的能量在开通期间需要放电。因此电容的大小应限制在一定范围，以实现开通和关断损耗的降低。可在0.05uF-0.1

7、uF之间选取。（3）谐振电感：谐振电感的选取应根据最大谐振电流和谐振周期平衡选择，一般在3uH-5uH。实验波形如下所示。从图4可以看到电源电压为269V电磁铁电流为28.4A时，T3的CE电压峰值只有296V。从图5可以看到，相同条件下，谐振电感的最大峰值电流只有83A,可以满足常规元件的参数。下面再计算一下软开关斩波器的效率，具体数据如下：电源电压Ud=269V电源电流Id=3A电磁铁有效电压Uo=20.5V电磁铁电流Io=29.2A所以，斩波器效率η=20.5X29.2/(269X3)=74.2%,比硬开关斩波器效率56.44%大大提高。软开关斩波器显著降低了开关损耗、dv/dt、电压

8、尖峰，如果散热器温度允许值与原来的RCD缓冲回路方案相同，散热器的尺寸和重量将大大降低。500)this.style.ouseg(this)">图4CH1：T3之Vce;CH2：ILo(1A=10mV)500)this.style.ouseg(this)">图5CH1：T3之Vge；CH2：ILr(1A=10mV)1.3三电平悬浮斩波器随着磁悬浮列车从中低速向高速发展，对悬浮斩波器的要求越来越高，尤其是电流响