中低速磁浮列车悬浮系统预充电及起浮过程研究

周源

（中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

磁浮列车初始为落浮状态，通过司机操作或无人驾驶列车自动控制中心对列车激活上电，悬浮系统启动，为磁浮车辆的悬浮运行做好准备。但悬浮系统需要做哪些准备，什么条件下列车可以下达起浮指令，以及车辆下达起浮指令后需要多久可以悬浮稳定达到可运行状态，都是磁浮列车特别是无人驾驶情况下总体设计需要关注的问题。

1 总体过程

磁浮列车充电及起浮的总体过程包括：①磁浮列车激活上电后，悬浮系统悬浮控制器控制电路及主电路得电；②控制电路板通过程序控制接触器动作，接入充电回路对支撑电容进行预充电，同时利用电压传感器实时监测充电电压；③当支撑电容充电完成后，悬浮控制器进入起浮指令等待状态；④同时车辆对车门、照明、蓄电池、制动、网络、乘客信息系统等子系统进行状态确认；⑤准备就绪后，车辆通过硬线向车辆悬浮控制器下达起浮指令；⑥各悬浮控制器利用分时起浮控制程序，结合悬浮点位所在的悬浮架和位置，逐步有序地执行起浮，直至所有悬浮点位实现稳定悬浮。上述过程中，各悬浮点位通过网络实时反馈各自的落浮/起浮状态。当所有悬浮点位的悬浮状态完成后，列车方可启动运行。

2 悬浮控制器预充电过程

在悬浮控制器正常工作前，需主电路支撑电容CE提前完成充电，为主电路提供支撑。若电源直接加载到支撑电容上，将会在瞬间产生较大的冲击电流，可能对器件造成损伤。因此，在初始阶段需要接入预充电电路进行限流充电[1]。

某型悬浮控制器预充电电路原理图如图1所示。主电路电压为DC330V，支撑电解电容初始电压为0，接触器初始状态均为断开。悬浮控制器控制电路及主电路得电后，控制电路板通过程序将接触器KM2闭合、KM1断开，预充电回路导通工作。

图1 悬浮控制器预充电电路原理图

根据电路原理，当电源U通过串接充电电阻R给初始电压为0的电解电容C充电时，t时刻电解电容两端电压的表达式为：

一般情况下，为减小电流冲击，预充电电压宜达到电源电压的80%～95%以上后切换至电源直接供电[2-3]。考虑上述电路中放电电阻的影响，若充电电压百分比取80%，则其充电电压应满足：

则充电时间应满足：

某型悬浮控制器在设计使用不同的元器件配置（表1）时，使用Multisim软件仿真得到相应的充电电压特性曲线如图2所示。

上述序号靠前的元器件配置充电较快，但充电初始的电流冲击较大。放电电阻应与充电电阻保持一定的比例，且放电电阻太大会使得电路放电过慢，放电电阻太小则在稳态状态与电源存在一定的压差。此外，充放电电阻的功率需满足实际工作状态，支撑电容需与系统电路匹配，太小则起不到支撑的作用。基于此，元器件配置应综合进行考量。

图2 不同元器件配置时的充电电压变化特性曲线

表1 元器件配置表

若采用第③种元器件配置方案，则充电达到80%电源电压的时间为t充=6.6s。实际过程中，由于电阻散热功率和器件误差可能出现一定范围的波动。

实际中考虑电源电压与支撑电容上电压的压差，减小瞬时电流冲击，通常在悬浮控制程序检测电压达到预设值后延迟一定时间，如tdelay1=20s，再判定充电完成，同时由程序控制主接触器KM1闭合、充电接触器KM2断开，完成电路切换。这样，悬浮系统预充电的总时间为：T充=t充+tdelay1=26.6s。

3 分时起浮过程

磁浮车辆的起浮过程是从落浮状态车辆起浮指令的发出到所有悬浮点位响应指令并达到稳定悬浮的过程。为避免所有悬浮点位同时执行起浮动作时对悬浮电源造成冲击，可采用按悬浮点位逐个悬浮架延时分别起浮的方式进行起浮控制。实现上述分时起浮可通过车辆逻辑控制单元（VLCU）实现，也可通过终端悬浮控制器结合位置码利用软件方式进行控制实现[4]。其中后者可有效减少设备数量、减少车辆布线，有助于降低成本，也即是本文研究的对象。

如图3，一列车按5个悬浮架来分析，并按悬浮架逐个分时起浮进行程序设定。车辆控制信号传输时间可以忽略不计，所有悬浮控制器在同时接受到起浮指令。每个悬浮控制器检查到自己所在的悬浮架及位置编码，通过程序预设的延时规则执行起浮程序（以下按延时间隔tdelay2=5s进行分析）。具体地，1号悬浮架上的悬浮控制器在接收到起浮指令后立即执行起浮程序；2号悬浮架上的悬浮控制器在接收到起浮指令后延时5s执行起浮程序；3号悬浮架上的悬浮控制器在接收到起浮指令后延时10s执行起浮程序；4号悬浮架上的悬浮控制器在接收到起浮指令后延时15s执行起浮程序；5号悬浮架上的悬浮控制器在接收到起浮指令后延时20s执行起浮程序[5]。

图3 悬浮架的悬浮点位分布示意图

通过上述分时起浮的设定，原来60个悬浮点位由同时起浮改为每次单个悬浮架4个悬浮点位同时起浮。起浮瞬间悬浮电源的负载约减少为原来的1/15，造成的电流冲击大大减小，有助于延长设备的使用寿命。

图4为一节车5个悬浮架代表点起浮过程中的悬浮间隙变化曲线，悬浮间隙按照分时起浮逻辑进行起浮（由于各悬浮点位存在初始起浮间隙等差异，曲线特征略有不同）。

图4 悬浮点位分时起浮的悬浮间隙变化曲线

通过悬浮数据分析和实际运用经验，悬浮点位按照程序执行起浮动作t起浮=7s后，悬浮间隙、悬浮电流已经趋于平稳，可认为悬浮已达到稳定状态，并可认为每节车每个悬浮点位起浮时间相同。这样，整个分时起浮过程耗时为：T分时起浮=5×tdelay2+t起浮=32s。

4 总结

将上述过程进行整理，中低速磁浮列车悬浮系统预充电及起浮过程如图5所示。车辆悬浮系统供电后，约经26.6s悬浮控制器经将支撑电容的电压充到接近电源电压的可起浮状态，与此同时车辆启动各子系统进入就绪状态，在悬浮起浮指令下达后，在约32s内全车各悬浮点位按照分时起浮时序设定依次从落浮状态逐渐悬浮至稳定状态，之后车辆方可牵引行驶。

图5 悬浮系统预充电及起浮过程总图

上述悬浮系统预充电及分时起浮过程为针对某型磁浮列车的分析研究，必要时可根据实际需要，结合悬浮控制器电路原理选择合适的元器件配置来调整充电过程，通过调整分时起浮逻辑、悬浮控制程序及悬浮电磁铁等来优化起浮过程。

5 结语

本文对中低速磁浮列车悬浮系统预充电及起浮过程进行了分析研究，有助于掌握车辆运行前悬浮系统相关的准备工作，为中低速磁浮列车的运行特别是无人驾驶情况下的系统设计提供了依据。