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磁浮电源与悬浮控制系统的耦合作用研究

张鼎  
【摘要】:磁浮列车悬浮控制系统的电源是重要的车载变流设备,其装机容量和瞬态性能对悬浮控制性能有重要影响。试验中发现,磁浮电源在重载时,输出电压和输出电流大幅波动,由此引发过流保护,容易损坏电源,严重影响列车的正常运行。为解决上述问题,本文研究磁浮电源与负载的相互影响、磁浮电源的稳压控制技术及其性能参数的设计方法。 首先,建立由磁浮电源及悬浮控制系统组成的大系统的模型;然后,以此模型为基础,分析悬浮控制系统在各种工况下对电源输出电流和输出电压、以及电源控制系统的稳定性的影响,指出磁浮电源控制系统失稳的原因是悬浮控制系统具有负阻抗特性,其解决方法是增大变换器的输出电容或减小电容的等效串联电阻;最后,提出抑制磁浮电源和悬浮控制系统相互影响、降低电源输出电压纹波的方法,包括改进电源的控制算法和次级电路的参数、改进悬浮功放的控制方式和输入电容的参数等。实验表明,采用上述方法后,输出电压的波动幅度减小10%以上。 然后,研究与悬浮控制系统性能关系密切的装机容量、输出电流变化率及输出电压等三项参数的设计和优化方法。第一,分析磁浮电源的静态和动态输出功率与悬浮功耗的关系,并据此提出装机容量的设计准则:其额定值等于额定静态输出功率与最大动态输出功率之和;其最大值等于最大静态输出功率与最大动态输出功率之和。通过限制动态输出功率的变化范围、改善磁浮列车的起浮策略等方法可节省装机容量40%。第二,分析磁浮电源的输出电流变化率与电磁铁电流变化率的关系,据此提出输出电流变化率的设计准则:其额定值等于电磁铁电流的最大变化率。通过提高电源输入电压、改进电磁铁连接方式及降低悬浮控制系统的动态功耗可使输出电流变化率指标下降50%。第三,提出依据电源的瞬时输出功率和最大动态功率指标设计输出电压的方法,并将该方法应用于低速磁浮列车磁浮电源的输出电压指标的设计。 最后,研究磁浮电源变换器的实现和性能测试问题。先设计磁浮电源变换器的主要性能参数并研制出60kW工程化样机,有针对性地研究了拓扑结构优化、电磁兼容设计及数字控制器实现等方面的内容。然后,通过单磁浮架供电实验测试磁浮电源变换器样机的稳态性能和动态性能,实验数据表明,试制的磁浮电源达到了设计性能要求。最后,所研制的磁浮电源成功实现对整车悬浮控制系统供电。由于实际列车上都配有蓄电池,实验测试镍氢蓄电池或镍镉蓄电池与磁浮电源输出并联时的输出特性,实验表明镍氢蓄电池的输出响应速度更快,适合作为辅助电源。


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