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日本超导磁悬浮铁路技术开发现状
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内容提示： 1997年4月~2000年3月，日本超导磁悬浮列车在山梨试验线上进行了3年的运行试验，确认其作为高速、大运量运输工具的基本性能。其后进入预期5年的试验新阶段，以期解决可靠性、耐久性及降低成本、改善车辆空气动力特性等课题。文章以最近山梨线运行试验情况为中心，介绍其技术开发现状。
摘要 1997年4月~2000年3月，日本超导磁悬浮列车在山梨试验线上进行了3年的运行试验，确认其作为高速、大运量运输工具的基本性能。其后进入预期5年的试验新阶段，以期解决可靠性、耐久性及降低成本、改善车辆空气动力特性等课题。文章以最近山梨线运行试验情况为中心，介绍其技术开发现状。（参考《建筑中文网》）
关键词：磁悬浮；运行试验；可靠性；耐久性；降低成本；电力变流器
0引言
由日本铁道建设公团、JR东海客运公司及铁道综合技术研究所共同实施的山梨试验线建设，至1996年12月建成了18.4km的线路区间，1997年4月开始正式运行试验。提出了3项技术开发目标：高速性的验证，运输能力和高度准时性及经济性确认。至2000年3月的3年间，顺利地实施了一系列试验：由3辆编组、5辆编组进行了速度高达550km/h的稳定运行；确认多列车的运行性能及变电站过渡的运行性能；同样的3辆编组列车以相对速度超过1000km/h作会车运行试验；400km/h以上高速下的反复运行试验等。累积运行距离达到75000km。
在2000年3月，日本运输部的实用技术评价委员会对这些技术开发成果进行了评价，认为面向实用化在技术上可行。同时指出必须进行长期耐久性、降低成本以及改善车辆空气动力特性的研究。因此，预计自2000年起，再延长5年时间，一边通过高速、连续运行，实施可靠性、耐久性的验证，一边采取降低成本技术，实施各种设备的开发及改进并新制部分设备。此外，新制造能改善空气动力特性的头车与中间车各1辆，在此后的运行试验中对其特性进行确认。下面介绍自2000年以来的技术开发过程及其成果，特别阐述关于供电系统降低成本的技术。
1可靠性、耐久性的验证
1.1运行距离
历年运行距离及累计运行距离的变迁如图1示。自1997年以来3年间的360天内累积运行了75000km左右，而从2000年起3年中的460天内，累积运行距离突破195000km，顺利地实施了以高速反复运行试验为重点的运行试验。
另外，每1个运行日的运行距离，按每日运行约6h统计，1999年前一天最长运行距离为780km，而2000年、2001年、2002年则分别达到了1000km，1100km，1200km，如图2所示。而且，2003年的10月31日与11月7日这两天，从早晨7点之前到夜间9点实施连续运行，中间仅1h左右休息，运行距离分别达2500km，2800km以上。至2003年12月末的累积运行距离已达到335000km。
1.2试乘运行
从1998年5月起开始试乘运行，从2000年开始，一年内最多有1万人试乘磁悬浮列车。从2003年起最高运行速度由450km/h提高到500km/h，到2003年12月末，一年的试乘人数已超过21000人，累积试乘人数达63000人（图3）。
1.3对试验成果的评审
关于可靠性，通过历时7年累积运行距离达33万km以上的运行试验，将明显暴露的问题反映到设计部门，确立了质量管理体系。2002年7月采用的新型车辆在11天内达到设计最高速度。此外，在2003年12月2日，将设计最高速度550km/h大幅度更新，创造了581km/h的速度记录。当时的列车运行曲线示于图4。
示位置；纵轴左方表示速度，纵轴右方表示时刻。由图左侧甲地出发，在40‰的下坡道上一直加速，运行约8.5km、92s后，580km/h。悬浮列车能具有更高性能。
关于耐久性，由于一天要进行2800km以上的高速、连续运行并反复实施加速、减速，使车轮走行装置的动作以及超导磁铁承受的振动，都超过营业时间的频度。而且，正使用专用设备实施加速试验，进行相当于营业线的耐久性验证。
2改善车辆的空气动力特性
2002年7月，与原有的头车组成3辆编组，试验验证了改善空气动力特性的效果。首先是头车，为了抑制列车冲入隧道时在隧道另侧出口处发生的微气压波，要尽量减小头车部断面变化，为此最大限度地延长了头车的长度（从9.1m延至23m）。此外是新型车体，为了减小编组的断面变化，将车体由以往的圆形断面改变为与转向架形状相同的方形断面，试验证明，由此可减小列车进出隧道时的空气振动与运行阻力。而且，中间车采用内部具有厚空气层的双层窗结构，可以增加声音穿透的损失进而降低了车内噪声。
3降低供电系统成本的技术研究
山梨试验线的电力变流器如图5所示，由单元逆变器组成多段结构，通过变压器将各段的输出电压叠加后输出。
为了供给连续可变的电压与频率，单元逆变器采用由2条桥臂构成的单相桥式PWM控制逆变器。下面叙述降低供电系统成本的技术。
3.1高效、小型电力变流器的开发
采用低损耗电子元件取代传统的GTO，由于简化了保护电路而大幅度地降低了损耗量并实现装置的小型化。制作了1系1段的新装置替换传统装置，目前，新装置在顺利运行中。由此，预计能降低运转成本与建设成本，促进实用化。
3.2增大电力变流器输出电压的控制
电力变流器的定额由最大输出电流与最大输出电压来决定，不过，只在最高速区域加速时，才需要最大输出电压，根据这一情况，开发了几种能提高输出电压而不改变电力变流器容量的控制方式。
（1）调制率偏置控制
在需要高输出电压期间，停止PWM调制，原封不动地输出直流电压以提高输出电压。调制率偏置控制的动作原理示于图6。当输出电压达到最大调制率以上时，停止2条桥臂中的一条桥臂的PWM控制而输出直流电压，另一条桥臂的输出电压就成为正弦波。
（2）逐段饱和控制
逐段饱和控制的工作原理示于图7。在尚未达到最大调制率时，各段均输出相同电压，而超过最大调制率的段则根据输出电压停止PWM控制器并依次饱和，这样，一相中的正常输出电压就成为正弦波。
（3）相电压分配控制
在三相3线供电回路中正常电压为零的中性点，积极施加偏置电压，方法之一就是相电压分配控制，其动作原理示于图8。该方法是用其他两相分担超过最大调制率一相的不足部分，以使线间电压为正弦波。由于是在一相电压不足期间给中性点施加电压，其不足部分用其他两相的电压分担从而可扩大线间电压。
（4）叠加3次谐波控制
该方法与在中性点施加偏置电压的方法同样是在三相的相电压上叠加与其同相的3次谐波（图9）。用此方法使相电压的峰值降低，从而可以输出其峰值以上的电压。由于各相的电压波形相同，从线间电压看，3次谐波成分被抵消，而仅剩下正弦波的基波成分。
上述各种控制方法，也可以组合应用，由此输出电压最大可增加30%以上。这些控制方法中的一部分，已在山梨线的运行试验中确认了其动作特性与效果。预定今后将研究适用于营业线的最佳系统结构。
4结语
日本山梨磁悬浮试验线预定自2000年起延长5年的技术开发期现只剩下1年了。今后的计划是，提高行车密度，继续进行高速连续运行试验，积累可靠性验证的实绩，同时，进一步完善目前系统的基本技术。此外，要实施日本交通部实用技术评价委员会2003年4月提出的“开展进一步降低包含维护在内的成本的技术研究”，同时，要为制订“适用于营业线的性能评价准则”和“考虑到线区运输特性的设备规格”进行试验研究。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/9223.htm
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