日本超導(dǎo)磁懸浮鐵路技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀摘要 1997年4月~2000年3月，日本超導(dǎo)磁懸浮列車在山梨試驗(yàn)線上進(jìn)行了3年的運(yùn)行試驗(yàn)，確認(rèn)其作為高速、大運(yùn)量運(yùn)輸工具的基本性能。其后進(jìn)入預(yù)期5年的試驗(yàn)新階段，以期解決可靠性、耐久性及降低成本、改善車輛空氣動(dòng)力特性等課題。文章以最近山梨線運(yùn)行試驗(yàn)情況為中心，介紹其技術(shù)開發(fā)現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞：磁懸浮；運(yùn)行試驗(yàn)；可靠性；耐久性；降低成本；電力變流器0引言 由日本鐵道建設(shè)公團(tuán)、JR東海客運(yùn)公司及鐵道綜合技術(shù)研究所共同實(shí)施的山梨試驗(yàn)線建設(shè)，至1996年12月建成了18.4km的線路區(qū)間，1997年4月開始正式運(yùn)行試驗(yàn)。提出了3項(xiàng)技術(shù)開發(fā)目標(biāo)：高速性的驗(yàn)證，運(yùn)輸能力和高度準(zhǔn)時(shí)性及經(jīng)濟(jì)性確認(rèn)。至2000年3月的3年間，順利地實(shí)施了一系列試驗(yàn)：由3輛編組、5輛編組進(jìn)行了速度高達(dá)550km/h的穩(wěn)定運(yùn)行；確認(rèn)多列車的運(yùn)行性能及變電站過渡的運(yùn)行性能；同樣的3輛編組列車以相對(duì)速度超過1000km/h作會(huì)車運(yùn)行試驗(yàn)；400km/h以上高速下的反復(fù)運(yùn)行試驗(yàn)等。累積運(yùn)行距離達(dá)到75000km。 在2000年3月，日本運(yùn)輸部的實(shí)用技術(shù)評(píng)價(jià)委員會(huì)對(duì)這些技術(shù)開發(fā)成果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為面向?qū)嵱没诩夹g(shù)上可行。同時(shí)指出必須進(jìn)行長(zhǎng)期耐久性、降低成本以及改善車輛空氣動(dòng)力特性的研究。因此，預(yù)計(jì)自2000年起，再延長(zhǎng)5年時(shí)間，一邊通過高速、連續(xù)運(yùn)行，實(shí)施可靠性、耐久性的驗(yàn)證，一邊采取降低成本技術(shù)，實(shí)施各種設(shè)備的開發(fā)及改進(jìn)并新制部分設(shè)備。此外，新制造能改善空氣動(dòng)力特性的頭車與中間車各1輛，在此后的運(yùn)行試驗(yàn)中對(duì)其特性進(jìn)行確認(rèn)。下面介紹自2000年以來的技術(shù)開發(fā)過程及其成果，特別闡述關(guān)于供電系統(tǒng)降低成本的技術(shù)。1可靠性、耐久性的驗(yàn)證1.1運(yùn)行距離 歷年運(yùn)行距離及累計(jì)運(yùn)行距離的變遷如圖1示。自1997年以來3年間的360天內(nèi)累積運(yùn)行了75000km左右，而從2000年起3年中的460天內(nèi)，累積運(yùn)行距離突破195000km，順利地實(shí)施了以高速反復(fù)運(yùn)行試驗(yàn)為重點(diǎn)的運(yùn)行試驗(yàn)。 另外，每1個(gè)運(yùn)行日的運(yùn)行距離，按每日運(yùn)行約6h統(tǒng)計(jì)，1999年前一天最長(zhǎng)運(yùn)行距離為780km，而2000年、2001年、2002年則分別達(dá)到了1000km，1100km，1200km，如圖2所示。而且，2003年的10月31日與11月7日這兩天，從早晨7點(diǎn)之前到夜間9點(diǎn)實(shí)施連續(xù)運(yùn)行，中間僅1h左右休息，運(yùn)行距離分別達(dá)2500km，2800km以上。至2003年12月末的累積運(yùn)行距離已達(dá)到335000km。1.2試乘運(yùn)行 從1998年5月起開始試乘運(yùn)行，從2000年開始，一年內(nèi)最多有1萬人試乘磁懸浮列車。從2003年起最高運(yùn)行速度由450km/h提高到500km/h，到2003年12月末，一年的試乘人數(shù)已超過21000人，累積試乘人數(shù)達(dá)63000人（圖3）。
1.3對(duì)試驗(yàn)成果的評(píng)審 關(guān)于可靠性，通過歷時(shí)7年累積運(yùn)行距離達(dá)33萬km以上的運(yùn)行試驗(yàn)，將明顯暴露的問題反映到設(shè)計(jì)部門，確立了質(zhì)量管理體系。2002年7月采用的新型車輛在11天內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)最高速度。此外，在2003年12月2日，將設(shè)計(jì)最高速度550km/h大幅度更新，創(chuàng)造了581km/h的速度記錄。當(dāng)時(shí)的列車運(yùn)行曲線示于圖4。 示位置；縱軸左方表示速度，縱軸右方表示時(shí)刻。由圖左側(cè)甲地出發(fā)，在40‰的下坡道上一直加速，運(yùn)行約8.5km、92s后，580km/h。懸浮列車能具有更高性能。 關(guān)于耐久性，由于一天要進(jìn)行2800km以上的高速、連續(xù)運(yùn)行并反復(fù)實(shí)施加速、減速，使車輪走行裝置的動(dòng)作以及超導(dǎo)磁鐵承受的振動(dòng)，都超過營業(yè)時(shí)間的頻度。而且，正使用專用設(shè)備實(shí)施加速試驗(yàn)，進(jìn)行相當(dāng)于營業(yè)線的耐久性驗(yàn)證。2改善車輛的空氣動(dòng)力特性 2002年7月，與原有的頭車組成3輛編組，試驗(yàn)驗(yàn)證了改善空氣動(dòng)力特性的效果。首先是頭車，為了抑制列車沖入隧道時(shí)在隧道另側(cè)出口處發(fā)生的微氣壓波，要盡量減小頭車部斷面變化，為此最大限度地延長(zhǎng)了頭車的長(zhǎng)度（從9.1m延至23m）。此外是新型車體，為了減小編組的斷面變化，將車體由以往的圓形斷面改變?yōu)榕c轉(zhuǎn)向架形狀相同的方形斷面，試驗(yàn)證明，由此可減小列車進(jìn)出隧道時(shí)的空氣振動(dòng)與運(yùn)行阻力。而且，中間車采用內(nèi)部具有厚空氣層的雙層窗結(jié)構(gòu)，可以增加聲音穿透的損失進(jìn)而降低了車內(nèi)噪聲。3降低供電系統(tǒng)成本的技術(shù)研究 山梨試驗(yàn)線的電力變流器如圖5所示，由單元逆變器組成多段結(jié)構(gòu)，通過變壓器將各段的輸出電壓疊加后輸出。 為了供給連續(xù)可變的電壓與頻率，單元逆變器采用由2條橋臂構(gòu)成的單相橋式PWM控制逆變器。下面敘述降低供電系統(tǒng)成本的技術(shù)。3.1高效、小型電力變流器的開發(fā) 采用低損耗電子元件取代傳統(tǒng)的GTO，由于簡(jiǎn)化了保護(hù)電路而大幅度地降低了損耗量并實(shí)現(xiàn)裝置的小型化。制作了1系1段的新裝置替換傳統(tǒng)裝置，目前，新裝置在順利運(yùn)行中。由此，預(yù)計(jì)能降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本與建設(shè)成本，促進(jìn)實(shí)用化。3.2增大電力變流器輸出電壓的控制 電力變流器的定額由最大輸出電流與最大輸出電壓來決定，不過，只在最高速區(qū)域加速時(shí)，才需要最大輸出電壓，根據(jù)這一情況，開發(fā)了幾種能提高輸出電壓而不改變電力變流器容量的控制方式。（1）調(diào)制率偏置控制 在需要高輸出電壓期間，停止PWM調(diào)制，原封不動(dòng)地輸出直流電壓以提高輸出電壓。調(diào)制率偏置控制的動(dòng)作原理示于圖6。當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大調(diào)制率以上時(shí)，停止2條橋臂中的一條橋臂的PWM控制而輸出直流電壓，另一條橋臂的輸出電壓就成為正弦波。（2）逐段飽和控制 逐段飽和控制的工作原理示于圖7。在尚未達(dá)到最大調(diào)制率時(shí)，各段均輸出相同電壓，而超過最大調(diào)制率的段則根據(jù)輸出電壓停止PWM控制器并依次飽和，這樣，一相中的正常輸出電壓就成為正弦波。（3）相電壓分配控制 在三相3線供電回路中正常電壓為零的中性點(diǎn)，積極施加偏置電壓，方法之一就是相電壓分配控制，其動(dòng)作原理示于圖8。該方法是用其他兩相分擔(dān)超過最大調(diào)制率一相的不足部分，以使線間電壓為正弦波。由于是在一相電壓不足期間給中性點(diǎn)施加電壓，其不足部分用其他兩相的電壓分擔(dān)從而可擴(kuò)大線間電壓。（4）疊加3次諧波控制 該方法與在中性點(diǎn)施加偏置電壓的方法同樣是在三相的相電壓上疊加與其同相的3次諧波（圖9）。用此方法使相電壓的峰值降低，從而可以輸出其峰值以上的電壓。由于各相的電壓波形相同，從線間電壓看，3次諧波成分被抵消，而僅剩下正弦波的基波成分。 上述各種控制方法，也可以組合應(yīng)用，由此輸出電壓最大可增加30%以上。這些控制方法中的一部分，已在山梨線的運(yùn)行試驗(yàn)中確認(rèn)了其動(dòng)作特性與效果。預(yù)定今后將研究適用于營業(yè)線的最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4結(jié)語 日本山梨磁懸浮試驗(yàn)線預(yù)定自2000年起延長(zhǎng)5年的技術(shù)開發(fā)期現(xiàn)只剩下1年了。今后的計(jì)劃是，提高行車密度，繼續(xù)進(jìn)行高速連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，積累可靠性驗(yàn)證的實(shí)績(jī)，同時(shí)，進(jìn)一步完善目前系統(tǒng)的基本技術(shù)。此外，要實(shí)施日本交通部實(shí)用技術(shù)評(píng)價(jià)委員會(huì)2003年4月提出的“開展進(jìn)一步降低包含維護(hù)在內(nèi)的成本的技術(shù)研究”，同時(shí)，要為制訂“適用于營業(yè)線的性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則”和“考慮到線區(qū)運(yùn)輸特性的設(shè)備規(guī)格”進(jìn)行試驗(yàn)研究。
1.3對(duì)試驗(yàn)成果的評(píng)審 關(guān)于可靠性，通過歷時(shí)7年累積運(yùn)行距離達(dá)33萬km以上的運(yùn)行試驗(yàn)，將明顯暴露的問題反映到設(shè)計(jì)部門，確立了質(zhì)量管理體系。2002年7月采用的新型車輛在11天內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)最高速度。此外，在2003年12月2日，將設(shè)計(jì)最高速度550km/h大幅度更新，創(chuàng)造了581km/h的速度記錄。當(dāng)時(shí)的列車運(yùn)行曲線示于圖4。 示位置；縱軸左方表示速度，縱軸右方表示時(shí)刻。由圖左側(cè)甲地出發(fā)，在40‰的下坡道上一直加速，運(yùn)行約8.5km、92s后，580km/h。懸浮列車能具有更高性能。 關(guān)于耐久性，由于一天要進(jìn)行2800km以上的高速、連續(xù)運(yùn)行并反復(fù)實(shí)施加速、減速，使車輪走行裝置的動(dòng)作以及超導(dǎo)磁鐵承受的振動(dòng)，都超過營業(yè)時(shí)間的頻度。而且，正使用專用設(shè)備實(shí)施加速試驗(yàn)，進(jìn)行相當(dāng)于營業(yè)線的耐久性驗(yàn)證。2改善車輛的空氣動(dòng)力特性 2002年7月，與原有的頭車組成3輛編組，試驗(yàn)驗(yàn)證了改善空氣動(dòng)力特性的效果。首先是頭車，為了抑制列車沖入隧道時(shí)在隧道另側(cè)出口處發(fā)生的微氣壓波，要盡量減小頭車部斷面變化，為此最大限度地延長(zhǎng)了頭車的長(zhǎng)度（從9.1m延至23m）。此外是新型車體，為了減小編組的斷面變化，將車體由以往的圓形斷面改變?yōu)榕c轉(zhuǎn)向架形狀相同的方形斷面，試驗(yàn)證明，由此可減小列車進(jìn)出隧道時(shí)的空氣振動(dòng)與運(yùn)行阻力。而且，中間車采用內(nèi)部具有厚空氣層的雙層窗結(jié)構(gòu)，可以增加聲音穿透的損失進(jìn)而降低了車內(nèi)噪聲。3降低供電系統(tǒng)成本的技術(shù)研究 山梨試驗(yàn)線的電力變流器如圖5所示，由單元逆變器組成多段結(jié)構(gòu)，通過變壓器將各段的輸出電壓疊加后輸出。 為了供給連續(xù)可變的電壓與頻率，單元逆變器采用由2條橋臂構(gòu)成的單相橋式PWM控制逆變器。下面敘述降低供電系統(tǒng)成本的技術(shù)。3.1高效、小型電力變流器的開發(fā) 采用低損耗電子元件取代傳統(tǒng)的GTO，由于簡(jiǎn)化了保護(hù)電路而大幅度地降低了損耗量并實(shí)現(xiàn)裝置的小型化。制作了1系1段的新裝置替換傳統(tǒng)裝置，目前，新裝置在順利運(yùn)行中。由此，預(yù)計(jì)能降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本與建設(shè)成本，促進(jìn)實(shí)用化。3.2增大電力變流器輸出電壓的控制 電力變流器的定額由最大輸出電流與最大輸出電壓來決定，不過，只在最高速區(qū)域加速時(shí)，才需要最大輸出電壓，根據(jù)這一情況，開發(fā)了幾種能提高輸出電壓而不改變電力變流器容量的控制方式。（1）調(diào)制率偏置控制 在需要高輸出電壓期間，停止PWM調(diào)制，原封不動(dòng)地輸出直流電壓以提高輸出電壓。調(diào)制率偏置控制的動(dòng)作原理示于圖6。當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大調(diào)制率以上時(shí)，停止2條橋臂中的一條橋臂的PWM控制而輸出直流電壓，另一條橋臂的輸出電壓就成為正弦波。（2）逐段飽和控制 逐段飽和控制的工作原理示于圖7。在尚未達(dá)到最大調(diào)制率時(shí)，各段均輸出相同電壓，而超過最大調(diào)制率的段則根據(jù)輸出電壓停止PWM控制器并依次飽和，這樣，一相中的正常輸出電壓就成為正弦波。（3）相電壓分配控制 在三相3線供電回路中正常電壓為零的中性點(diǎn)，積極施加偏置電壓，方法之一就是相電壓分配控制，其動(dòng)作原理示于圖8。該方法是用其他兩相分擔(dān)超過最大調(diào)制率一相的不足部分，以使線間電壓為正弦波。由于是在一相電壓不足期間給中性點(diǎn)施加電壓，其不足部分用其他兩相的電壓分擔(dān)從而可擴(kuò)大線間電壓。（4）疊加3次諧波控制 該方法與在中性點(diǎn)施加偏置電壓的方法同樣是在三相的相電壓上疊加與其同相的3次諧波（圖9）。用此方法使相電壓的峰值降低，從而可以輸出其峰值以上的電壓。由于各相的電壓波形相同，從線間電壓看，3次諧波成分被抵消，而僅剩下正弦波的基波成分。 上述各種控制方法，也可以組合應(yīng)用，由此輸出電壓最大可增加30%以上。這些控制方法中的一部分，已在山梨線的運(yùn)行試驗(yàn)中確認(rèn)了其動(dòng)作特性與效果。預(yù)定今后將研究適用于營業(yè)線的最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。4結(jié)語 日本山梨磁懸浮試驗(yàn)線預(yù)定自2000年起延長(zhǎng)5年的技術(shù)開發(fā)期現(xiàn)只剩下1年了。今后的計(jì)劃是，提高行車密度，繼續(xù)進(jìn)行高速連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)，積累可靠性驗(yàn)證的實(shí)績(jī)，同時(shí)，進(jìn)一步完善目前系統(tǒng)的基本技術(shù)。此外，要實(shí)施日本交通部實(shí)用技術(shù)評(píng)價(jià)委員會(huì)2003年4月提出的“開展進(jìn)一步降低包含維護(hù)在內(nèi)的成本的技術(shù)研究”，同時(shí)，要為制訂“適用于營業(yè)線的性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則”和“考慮到線區(qū)運(yùn)輸特性的設(shè)備規(guī)格”進(jìn)行試驗(yàn)研究。
