周源

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

磁浮列車初始為落浮狀態(tài)，通過司機(jī)操作或無人駕駛列車自動(dòng)控制中心對(duì)列車激活上電，懸浮系統(tǒng)啟動(dòng)，為磁浮車輛的懸浮運(yùn)行做好準(zhǔn)備。但懸浮系統(tǒng)需要做哪些準(zhǔn)備，什么條件下列車可以下達(dá)起浮指令，以及車輛下達(dá)起浮指令后需要多久可以懸浮穩(wěn)定達(dá)到可運(yùn)行狀態(tài)，都是磁浮列車特別是無人駕駛情況下總體設(shè)計(jì)需要關(guān)注的問題。

1 總體過程

磁浮列車充電及起浮的總體過程包括：①磁浮列車激活上電后，懸浮系統(tǒng)懸浮控制器控制電路及主電路得電；②控制電路板通過程序控制接觸器動(dòng)作，接入充電回路對(duì)支撐電容進(jìn)行預(yù)充電，同時(shí)利用電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電電壓；③當(dāng)支撐電容充電完成后，懸浮控制器進(jìn)入起浮指令等待狀態(tài)；④同時(shí)車輛對(duì)車門、照明、蓄電池、制動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)、乘客信息系統(tǒng)等子系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)；⑤準(zhǔn)備就緒后，車輛通過硬線向車輛懸浮控制器下達(dá)起浮指令；⑥各懸浮控制器利用分時(shí)起浮控制程序，結(jié)合懸浮點(diǎn)位所在的懸浮架和位置，逐步有序地執(zhí)行起浮，直至所有懸浮點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮。上述過程中，各懸浮點(diǎn)位通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)反饋各自的落浮/起浮狀態(tài)。當(dāng)所有懸浮點(diǎn)位的懸浮狀態(tài)完成后，列車方可啟動(dòng)運(yùn)行。

2 懸浮控制器預(yù)充電過程

在懸浮控制器正常工作前，需主電路支撐電容CE提前完成充電，為主電路提供支撐。若電源直接加載到支撐電容上，將會(huì)在瞬間產(chǎn)生較大的沖擊電流，可能對(duì)器件造成損傷。因此，在初始階段需要接入預(yù)充電電路進(jìn)行限流充電[1]。

某型懸浮控制器預(yù)充電電路原理圖如圖1所示。主電路電壓為DC330V，支撐電解電容初始電壓為0，接觸器初始狀態(tài)均為斷開。懸浮控制器控制電路及主電路得電后，控制電路板通過程序?qū)⒔佑|器KM2閉合、KM1斷開，預(yù)充電回路導(dǎo)通工作。

圖1 懸浮控制器預(yù)充電電路原理圖

根據(jù)電路原理，當(dāng)電源U通過串接充電電阻R給初始電壓為0的電解電容C充電時(shí)，t時(shí)刻電解電容兩端電壓的表達(dá)式為：

一般情況下，為減小電流沖擊，預(yù)充電電壓宜達(dá)到電源電壓的80%～95%以上后切換至電源直接供電[2-3]?？紤]上述電路中放電電阻的影響，若充電電壓百分比取80%，則其充電電壓應(yīng)滿足：

則充電時(shí)間應(yīng)滿足：

某型懸浮控制器在設(shè)計(jì)使用不同的元器件配置（表1）時(shí)，使用Multisim軟件仿真得到相應(yīng)的充電電壓特性曲線如圖2所示。

上述序號(hào)靠前的元器件配置充電較快，但充電初始的電流沖擊較大。放電電阻應(yīng)與充電電阻保持一定的比例，且放電電阻太大會(huì)使得電路放電過慢，放電電阻太小則在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)與電源存在一定的壓差。此外，充放電電阻的功率需滿足實(shí)際工作狀態(tài)，支撐電容需與系統(tǒng)電路匹配，太小則起不到支撐的作用?；诖?，元器件配置應(yīng)綜合進(jìn)行考量。

圖2 不同元器件配置時(shí)的充電電壓變化特性曲線

表1 元器件配置表

若采用第③種元器件配置方案，則充電達(dá)到80%電源電壓的時(shí)間為t充=6.6s。實(shí)際過程中，由于電阻散熱功率和器件誤差可能出現(xiàn)一定范圍的波動(dòng)。

實(shí)際中考慮電源電壓與支撐電容上電壓的壓差，減小瞬時(shí)電流沖擊，通常在懸浮控制程序檢測(cè)電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值后延遲一定時(shí)間，如tdelay1=20s，再判定充電完成，同時(shí)由程序控制主接觸器KM1閉合、充電接觸器KM2斷開，完成電路切換。這樣，懸浮系統(tǒng)預(yù)充電的總時(shí)間為：T充=t充+tdelay1=26.6s。

3 分時(shí)起浮過程

磁浮車輛的起浮過程是從落浮狀態(tài)車輛起浮指令的發(fā)出到所有懸浮點(diǎn)位響應(yīng)指令并達(dá)到穩(wěn)定懸浮的過程。為避免所有懸浮點(diǎn)位同時(shí)執(zhí)行起浮動(dòng)作時(shí)對(duì)懸浮電源造成沖擊，可采用按懸浮點(diǎn)位逐個(gè)懸浮架延時(shí)分別起浮的方式進(jìn)行起浮控制。實(shí)現(xiàn)上述分時(shí)起浮可通過車輛邏輯控制單元（VLCU）實(shí)現(xiàn)，也可通過終端懸浮控制器結(jié)合位置碼利用軟件方式進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)[4]。其中后者可有效減少設(shè)備數(shù)量、減少車輛布線，有助于降低成本，也即是本文研究的對(duì)象。

如圖3，一列車按5個(gè)懸浮架來分析，并按懸浮架逐個(gè)分時(shí)起浮進(jìn)行程序設(shè)定。車輛控制信號(hào)傳輸時(shí)間可以忽略不計(jì)，所有懸浮控制器在同時(shí)接受到起浮指令。每個(gè)懸浮控制器檢查到自己所在的懸浮架及位置編碼，通過程序預(yù)設(shè)的延時(shí)規(guī)則執(zhí)行起浮程序（以下按延時(shí)間隔tdelay2=5s進(jìn)行分析）。具體地，1號(hào)懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后立即執(zhí)行起浮程序；2號(hào)懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后延時(shí)5s執(zhí)行起浮程序；3號(hào)懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后延時(shí)10s執(zhí)行起浮程序；4號(hào)懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后延時(shí)15s執(zhí)行起浮程序；5號(hào)懸浮架上的懸浮控制器在接收到起浮指令后延時(shí)20s執(zhí)行起浮程序[5]。

圖3 懸浮架的懸浮點(diǎn)位分布示意圖

通過上述分時(shí)起浮的設(shè)定，原來60個(gè)懸浮點(diǎn)位由同時(shí)起浮改為每次單個(gè)懸浮架4個(gè)懸浮點(diǎn)位同時(shí)起浮。起浮瞬間懸浮電源的負(fù)載約減少為原來的1/15，造成的電流沖擊大大減小，有助于延長設(shè)備的使用壽命。

圖4為一節(jié)車5個(gè)懸浮架代表點(diǎn)起浮過程中的懸浮間隙變化曲線，懸浮間隙按照分時(shí)起浮邏輯進(jìn)行起?。ㄓ捎诟鲬腋↑c(diǎn)位存在初始起浮間隙等差異，曲線特征略有不同）。

圖4 懸浮點(diǎn)位分時(shí)起浮的懸浮間隙變化曲線

通過懸浮數(shù)據(jù)分析和實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，懸浮點(diǎn)位按照程序執(zhí)行起浮動(dòng)作t起浮=7s后，懸浮間隙、懸浮電流已經(jīng)趨于平穩(wěn)，可認(rèn)為懸浮已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并可認(rèn)為每節(jié)車每個(gè)懸浮點(diǎn)位起浮時(shí)間相同。這樣，整個(gè)分時(shí)起浮過程耗時(shí)為：T分時(shí)起浮=5×tdelay2+t起浮=32s。

4 總結(jié)

將上述過程進(jìn)行整理，中低速磁浮列車懸浮系統(tǒng)預(yù)充電及起浮過程如圖5所示。車輛懸浮系統(tǒng)供電后，約經(jīng)26.6s懸浮控制器經(jīng)將支撐電容的電壓充到接近電源電壓的可起浮狀態(tài)，與此同時(shí)車輛啟動(dòng)各子系統(tǒng)進(jìn)入就緒狀態(tài)，在懸浮起浮指令下達(dá)后，在約32s內(nèi)全車各懸浮點(diǎn)位按照分時(shí)起浮時(shí)序設(shè)定依次從落浮狀態(tài)逐漸懸浮至穩(wěn)定狀態(tài)，之后車輛方可牽引行駛。

圖5 懸浮系統(tǒng)預(yù)充電及起浮過程總圖

上述懸浮系統(tǒng)預(yù)充電及分時(shí)起浮過程為針對(duì)某型磁浮列車的分析研究，必要時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要，結(jié)合懸浮控制器電路原理選擇合適的元器件配置來調(diào)整充電過程，通過調(diào)整分時(shí)起浮邏輯、懸浮控制程序及懸浮電磁鐵等來優(yōu)化起浮過程。

5 結(jié)語

本文對(duì)中低速磁浮列車懸浮系統(tǒng)預(yù)充電及起浮過程進(jìn)行了分析研究，有助于掌握車輛運(yùn)行前懸浮系統(tǒng)相關(guān)的準(zhǔn)備工作，為中低速磁浮列車的運(yùn)行特別是無人駕駛情況下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。