磁悬浮技术及其应用于高速列车中的冷却系统设计

1.磁悬浮列车的工作原理

磁悬浮列车的悬浮和导向系统是按电磁悬浮原理，即利用车身底部的可控悬浮电磁铁和安装在导轨底面的定子部件之间的吸引力工作，悬浮磁铁从导轨下面利用吸引力使列车浮起，导向磁铁从侧面使车辆与导轨保持一定的侧向距离，保持运行轨迹。列车从头到尾都安装有支撑磁铁和导向磁铁，每节车厢有多个独立的悬浮磁铁和导向磁铁。悬浮磁铁和导向磁铁安装在列车的两侧，磁悬浮列车构造图如图7-73所示。

图7-73 磁悬浮列车构造图

2.导向原理

在线路两侧垂直安放钢板，车厢两侧相应安放有导向电磁铁，它与线路的钢板组成闭合磁路，电磁铁线圈通电以后便产生横向的导向力，使两边的横向间隙均为8～10mm，车辆正好在中心位置；当产生偏差时，可通过调节左右两侧导向电磁铁线圈的电流大小，来改变横向的导向力，使车辆自动恢复到中心位置。

3.驱动原理

磁悬浮列车的驱动和制动靠长定子直线同步电动机来实现。三相行波磁场绕组的铁磁定子安装在导轨上，类似长定子同步直线电动机。在三相直线同步电动机地面绕组里，通过三相电流产生三相移动电磁场，它作用于列车的驱动磁铁，产生的是一个移动的行波磁场，从而带动列车前进。驱动用的直线同步电动机采用长定子短磁极式，定子绕组为波绕组。长定子铁心连续铺设在轨道两侧下方，定子三相绕组嵌在铁心槽内。励磁磁极装在车上，与定子绕组相对应，由车载发电机供给励磁电流。

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图7-74 大功率直线同步变频器

大功率直线同步变频器由输入开关电路、高功率变频器单元、输出开关电路以及控制系统组成，其中高功率变频器单元又由输入变压器、整流器、斩波器、逆变器和输出变压器等构成，电路如图7-74所示。

高功率变频器单元的核心设备是功率部分，主要由整流器、中间直流环节和逆变器组成，构成“交-直-交”的结构。它先把输入变压器的两组三相1.048kV的工频交流电，通过整流器变成1.5～2.5kV的直流电，然后再由两套三电平逆变器将其变换为两组频率、幅值和相位可控的三相交流电，这两组交流电经过输出变压器耦合成为牵引所需要的交流电，通过输出开关装置、馈电电缆和开关站，给列车当前所在的长定子段供电，牵引列车运行。

高功率变频器中的整流器是由两个整流器相互串联而成的，每个整流器又分别由一个三相全控桥和一个三相不可控整流桥串联组成，它们分别与输入变压器的两个二次侧和三相绕组连接。每个整流器组都能输出1.5～2.5kV的直流电压，两个整流器组就能提供±1.5～±2.5kV的直流电压，为三电平逆变器提供所需要的工作电压。

在这两个整流器组中，三相不可控整流桥由功率二极管器件构成，三相全控整流桥由晶体管器件组成，每个高功率变频器单元中各有两个。

整流器的输出电压经过大电容滤波，变成平稳的直流电压，并供给三电平逆变器。列车制动时机械能的回馈将导致直流母线电压升高，为了维持直流母线电压恒定，高功率变频器单元在两个整流器组成的直流母线上都安装有斩波器。每套斩波器都由门极关断晶闸管（GTO）和制动电阻串联组成，通过GTO的通断维持直流母线电压恒定。

每个高功率变频器单元都由两套相同的三电平逆变器组成，三电平逆变器采用4kA/4.5kV的门极关断晶闸管（GTO）器件，这两套三电平逆变器输入端与直流母线相连，由直流母线提供±1.5～±2.5kV的直流输入电压。通过适当的控制逆变器可以分别输出频率可调、幅度可调和相位可调的三相交流电，通过输出变压器串联或者并联，给长定子段供电。

高磁悬浮列车的高功率变频器还带有冷却系统，用于吸收变频器工作时产生的热量，整流器、制动斩波器和逆变器共用一套高纯冷却系统。通过冷却控制系统可设定冷却水温度和切断温度，当水温超过报警温度或切断温度时，向监控系统发出报警或关断信号，以确保GTO工作在允许的温度范围内。