日本超導磁懸浮鐵路技術開發現狀摘要 1997年4月~2000年3月，日本超導磁懸浮列車在山梨試驗線上進行了3年的運行試驗，確認其作為高速、大運量運輸工具的基本性能。其后進入預期5年的試驗新階段，以期解決可靠性、耐久性及降低成本、改善車輛空氣動力特性等課題。文章以最近山梨線運行試驗情況為中心，介紹其技術開發現狀。關鍵詞：磁懸浮；運行試驗；可靠性；耐久性；降低成本；電力變流器0引言 由日本鐵道建設公團、JR東海客運公司及鐵道綜合技術研究所共同實施的山梨試驗線建設，至1996年12月建成了18.4km的線路區間，1997年4月開始正式運行試驗。提出了3項技術開發目標：高速性的驗證，運輸能力和高度準時性及經濟性確認。至2000年3月的3年間，順利地實施了一系列試驗：由3輛編組、5輛編組進行了速度高達550km/h的穩定運行；確認多列車的運行性能及變電站過渡的運行性能；同樣的3輛編組列車以相對速度超過1000km/h作會車運行試驗；400km/h以上高速下的反復運行試驗等。累積運行距離達到75000km。 在2000年3月，日本運輸部的實用技術評價委員會對這些技術開發成果進行了評價，認為面向實用化在技術上可行。同時指出必須進行長期耐久性、降低成本以及改善車輛空氣動力特性的研究。因此，預計自2000年起，再延長5年時間，一邊通過高速、連續運行，實施可靠性、耐久性的驗證，一邊采取降低成本技術，實施各種設備的開發及改進并新制部分設備。此外，新制造能改善空氣動力特性的頭車與中間車各1輛，在此后的運行試驗中對其特性進行確認。下面介紹自2000年以來的技術開發過程及其成果，特別闡述關于供電系統降低成本的技術。1可靠性、耐久性的驗證1.1運行距離 歷年運行距離及累計運行距離的變遷如圖1示。自1997年以來3年間的360天內累積運行了75000km左右，而從2000年起3年中的460天內，累積運行距離突破195000km，順利地實施了以高速反復運行試驗為重點的運行試驗。 另外，每1個運行日的運行距離，按每日運行約6h統計，1999年前一天最長運行距離為780km，而2000年、2001年、2002年則分別達到了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點之前到夜間9點實施連續運行，中間僅1h左右休息，運行距離分別達2500km，2800km以上。至2003年12月末的累積運行距離已達到335000km。1.2試乘運行 從1998年5月起開始試乘運行，從2000年開始，一年內最多有1萬人試乘磁懸浮列車。從2003年起最高運行速度由450km/h提高到500km/h，到2003年12月末，一年的試乘人數已超過21000人，累積試乘人數達63000人（圖3）。
1.3對試驗成果的評審 關于可靠性，通過歷時7年累積運行距離達33萬km以上的運行試驗，將明顯暴露的問題反映到設計部門，確立了質量管理體系。2002年7月采用的新型車輛在11天內達到設計最高速度。此外，在2003年12月2日，將設計最高速度550km/h大幅度更新，創造了581km/h的速度記錄。當時的列車運行曲線示于圖4。 示位置；縱軸左方表示速度，縱軸右方表示時刻。由圖左側甲地出發，在40‰的下坡道上一直加速，運行約8.5km、92s后，580km/h。懸浮列車能具有更高性能。 關于耐久性，由于一天要進行2800km以上的高速、連續運行并反復實施加速、減速，使車輪走行裝置的動作以及超導磁鐵承受的振動，都超過營業時間的頻度。而且，正使用專用設備實施加速試驗，進行相當于營業線的耐久性驗證。2改善車輛的空氣動力特性 2002年7月，與原有的頭車組成3輛編組，試驗驗證了改善空氣動力特性的效果。首先是頭車，為了抑制列車沖入隧道時在隧道另側出口處發生的微氣壓波，要盡量減小頭車部斷面變化，為此最大限度地延長了頭車的長度（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為與轉向架形狀相同的方形斷面，試驗證明，由此可減小列車進出隧道時的空氣振動與運行阻力。而且，中間車采用內部具有厚空氣層的雙層窗結構，可以增加聲音穿透的損失進而降低了車內噪聲。3降低供電系統成本的技術研究 山梨試驗線的電力變流器如圖5所示，由單元逆變器組成多段結構，通過變壓器將各段的輸出電壓疊加后輸出。 為了供給連續可變的電壓與頻率，單元逆變器采用由2條橋臂構成的單相橋式PWM控制逆變器。下面敘述降低供電系統成本的技術。3.1高效、小型電力變流器的開發 采用低損耗電子元件取代傳統的GTO，由于簡化了保護電路而大幅度地降低了損耗量并實現裝置的小型化。制作了1系1段的新裝置替換傳統裝置，目前，新裝置在順利運行中。由此，預計能降低運轉成本與建設成本，促進實用化。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，只在最高速區域加速時，才需要最大輸出電壓，根據這一情況，開發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）調制率偏置控制 在需要高輸出電壓期間，停止PWM調制，原封不動地輸出直流電壓以提高輸出電壓。調制率偏置控制的動作原理示于圖6。當輸出電壓達到最大調制率以上時，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。在尚未達到最大調制率時，各段均輸出相同電壓，而超過最大調制率的段則根據輸出電壓停止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，積極施加偏置電壓，方法之一就是相電壓分配控制，其動作原理示于圖8。該方法是用其他兩相分擔超過最大調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施加電壓，其不足部分用其他兩相的電壓分擔從而可擴大線間電壓。（4）疊加3次諧波控制 該方法與在中性點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，已在山梨線的運行試驗中確認了其動作特性與效果。預定今后將研究適用于營業線的最佳系統結構。4結語 日本山梨磁懸浮試驗線預定自2000年起延長5年的技術開發期現只剩下1年了。今后的計劃是，提高行車密度，繼續進行高速連續運行試驗，積累可靠性驗證的實績，同時，進一步完善目前系統的基本技術。此外，要實施日本交通部實用技術評價委員會2003年4月提出的“開展進一步降低包含維護在內的成本的技術研究”，同時，要為制訂“適用于營業線的性能評價準則”和“考慮到線區運輸特性的設備規格”進行試驗研究。
1.3對試驗成果的評審 關于可靠性，通過歷時7年累積運行距離達33萬km以上的運行試驗，將明顯暴露的問題反映到設計部門，確立了質量管理體系。2002年7月采用的新型車輛在11天內達到設計最高速度。此外，在2003年12月2日，將設計最高速度550km/h大幅度更新，創造了581km/h的速度記錄。當時的列車運行曲線示于圖4。 示位置；縱軸左方表示速度，縱軸右方表示時刻。由圖左側甲地出發，在40‰的下坡道上一直加速，運行約8.5km、92s后，580km/h。懸浮列車能具有更高性能。 關于耐久性，由于一天要進行2800km以上的高速、連續運行并反復實施加速、減速，使車輪走行裝置的動作以及超導磁鐵承受的振動，都超過營業時間的頻度。而且，正使用專用設備實施加速試驗，進行相當于營業線的耐久性驗證。2改善車輛的空氣動力特性 2002年7月，與原有的頭車組成3輛編組，試驗驗證了改善空氣動力特性的效果。首先是頭車，為了抑制列車沖入隧道時在隧道另側出口處發生的微氣壓波，要盡量減小頭車部斷面變化，為此最大限度地延長了頭車的長度（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為與轉向架形狀相同的方形斷面，試驗證明，由此可減小列車進出隧道時的空氣振動與運行阻力。而且，中間車采用內部具有厚空氣層的雙層窗結構，可以增加聲音穿透的損失進而降低了車內噪聲。3降低供電系統成本的技術研究 山梨試驗線的電力變流器如圖5所示，由單元逆變器組成多段結構，通過變壓器將各段的輸出電壓疊加后輸出。 為了供給連續可變的電壓與頻率，單元逆變器采用由2條橋臂構成的單相橋式PWM控制逆變器。下面敘述降低供電系統成本的技術。3.1高效、小型電力變流器的開發 采用低損耗電子元件取代傳統的GTO，由于簡化了保護電路而大幅度地降低了損耗量并實現裝置的小型化。制作了1系1段的新裝置替換傳統裝置，目前，新裝置在順利運行中。由此，預計能降低運轉成本與建設成本，促進實用化。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，只在最高速區域加速時，才需要最大輸出電壓，根據這一情況，開發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）調制率偏置控制 在需要高輸出電壓期間，停止PWM調制，原封不動地輸出直流電壓以提高輸出電壓。調制率偏置控制的動作原理示于圖6。當輸出電壓達到最大調制率以上時，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。在尚未達到最大調制率時，各段均輸出相同電壓，而超過最大調制率的段則根據輸出電壓停止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，積極施加偏置電壓，方法之一就是相電壓分配控制，其動作原理示于圖8。該方法是用其他兩相分擔超過最大調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施加電壓，其不足部分用其他兩相的電壓分擔從而可擴大線間電壓。（4）疊加3次諧波控制 該方法與在中性點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，已在山梨線的運行試驗中確認了其動作特性與效果。預定今后將研究適用于營業線的最佳系統結構。4結語 日本山梨磁懸浮試驗線預定自2000年起延長5年的技術開發期現只剩下1年了。今后的計劃是，提高行車密度，繼續進行高速連續運行試驗，積累可靠性驗證的實績，同時，進一步完善目前系統的基本技術。此外，要實施日本交通部實用技術評價委員會2003年4月提出的“開展進一步降低包含維護在內的成本的技術研究”，同時，要為制訂“適用于營業線的性能評價準則”和“考慮到線區運輸特性的設備規格”進行試驗研究。
