磁懸浮列車懸浮斬波器研究
1 概 述
磁懸浮列車是介于常規輪軌鐵路和航空之間的一種獨特的地面運輸系統。它利用電磁力將車輛懸浮于軌道上方一定高度，并用無接觸的直線電機驅動車輛運行。因此，具有無污染、低噪音、低振動、維修保養費用低、安全舒適等優點，是當今國內外的研究熱點。國內在中低速常導磁懸浮列車方面也有了很強的實力：國防科技大學在1995年建成了全尺寸單轉向架磁懸浮系統，2001年建成了線路長204米的綜合實驗體系。
1.1 傳統的懸浮斬波器
懸浮斬波器是磁懸浮列車中一個很重要的系統，它直接控制列車的懸浮，其性能優劣直接關系到列車的成敗。懸浮斬波器的原理就是在懸浮氣隙發生變化時，能夠使電磁鐵電流迅速做出相應調整，從而改變電磁懸浮力的大小，使懸浮氣隙基本保持恒定。根據電磁懸浮系統（EMS）要求響應快、耐沖擊的特點，磁懸浮列車一般采用H型兩相限斬波器。它既可以向負載提供能量，也可以迅速將負載電路反接入電源，向電網回饋能量。
如圖l所示為H型斬波器的主電路結構，這是一個全橋電路，橋的每臂由可控型元件IGBT(T1，T3)和不可控制元件(D2，D4)組成，負載(電磁鐵)接在AB之間，并用Lo和Ro組成的串聯電路來等效，E為濾波電容，R1、R2、R3、R4和C1、C2、C3、C4、D1、D2組成吸收回路，用霍耳元件檢測電磁鐵電流。
圖1 H型斬波器主電路
開關元件T1，T3可有多種不同的控制方式：(1)T1全導通，T3間斷導通。(2)Tl，T3 輪流導通(導通時間部分重疊)。(3)T1，T3同時通斷。傳統的斬波器采用第(3)種控制方式，此種方式di/dt最大，對電磁鐵電流控制較為有利。
當T1，T3導通時，電源電壓加在電磁鐵上，Uo=UAB=Ud，，電磁鐵吸收能量;當T1，T3關斷時，D2，D4導通，Uo=UAB=-Ud，電磁鐵將能量反饋回電源，由此可見，輸出電壓Uo的極性隨開關元件的工作狀態而變化，而輸出電流io始終保持從A到B的流向，故電路可運行于第一，四象限。
設斬波周期為T，導通起始時刻為t1，工作情況分析如下：
(1)0<t<t1
t=0時，io=Io1，，Tl，T3關斷，U0=-Ud，在反向電壓作用下io按指數規律迅速下降，電壓方程式為:
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)
當t=t1時，io=Io2，代入上式得：
Io2=Ud／Ro(e-Rot1/Lo-1)+Io1e-Rot1/Lo (4)
(2)t1<t<T
此時，T1，T3導通，在電源電壓作用下,io按指數規律增長．電壓方程式為：
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)
當t=T時，io=Io1，代入上式得
Io1=Ud／Ro[l-e-Ro(T-t1)/Lo]+Io2e-Ro(T-t1)/Lo (8)
聯立解(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)
為了提高響應速度和降低音頻噪音，斬波器工作頻率達到20KHZ，開關損耗較大。而且為了抑制尖峰電壓電流加入的吸收網絡也導致了效率的降低。具體實驗數據如下：
測試對象：8電磁鐵之單磁轉向架
懸浮重量：5噸
懸浮間隙：10mm
測試結果如下：
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