磁悬浮列车悬浮斩波器研究
1 概 述
磁悬浮列车是介于常规轮轨铁路和航空之间的一种独特的地面运输系统。它利用电磁力将车辆悬浮于轨道上方一定高度，并用无接触的直线电机驱动车辆运行。因此，具有无污染、低噪音、低振动、维修保养费用低、安全舒适等优点，是当今国内外的研究热点。国内在中低速常导磁悬浮列车方面也有了很强的实力：国防科技大学在1995年建成了全尺寸单转向架磁悬浮系统，2001年建成了线路长204米的综合实验体系。
1.1 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Lo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。
图1 H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)0<t<t1
t=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)
(2)t1<t<T
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](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
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