中低速磁浮列车运行电源功率推算

中图分类号：U22 文献标识码：B 文章编号： DOI: 开放

1 引言

本文以单节磁浮车厢为研究对象，结合实测数据，深入探讨各工况下的功率计算方法与配置原则，确保电源系统在复杂运营场景下功率输出。

2 系统构成与核心参数

2.1 供电系统架构(1) 悬浮电源

每节车厢均独立配备一台悬浮电源。其作用是将接触网输入的 DC1500V 直流电转换为 DC330V 直流电 [9]，为单节列车悬浮电磁铁提供稳定的电力供应，同时，承担车载蓄电池充电的任务。各车厢的悬浮电源之间通过跨线网络实现冗余互联。每台悬浮电源仅为本车厢的蓄电池充电，避免跨车逆向充电。

(2) 牵引电源

采用 DC1500V 直供电制式，通过直线感应电机（LIM）来驱动列车运行 [1]。牵引电源设计严格满足列车在各种运行状态下的牵引需求，包括加速度、减速度、最高速度达到 120km/h 的工况，以及在故障模式下的应急牵引要求。

(3) 辅助电源

每节车厢同样独立配置一台辅助电源逆变器。为列车提供多种电源，如司机室电加热、空调、空压机、牵引逆变器冷却风机所需的电源，同时还提供 DC110V 电源、液压支撑电源以及 AC380V/220V 电源[9]。在故障模式下，辅助电源采用邻车扩展供电的方式，以维持重要设备的正常运行。包括悬浮系统、应急通风系统、紧急照明系统、制动系统、照明系统以及控制系统等，保障这些设备的正常工作，进而确保列车运行的安全性和稳定性。

2.2 核心设备参数(1) 质量参数

车厢自重：23t（含固定设备及结构重量）

额定载荷：167 人 ×60kg / 人 , 取整为 10t（含行李负载）

总质量：M=23t+10t=33t=3. 3×10⁴kg （用于动力学计算的基础参数）(2) 动力学性能参数

平均加速度： a=0.5m/s² （常用加速度）

最高运行速度：V=120km/h=33.33m/s（对应直线电机同步速度设计值）

制动减速度：≥1.0m/s²（紧急制动工况）

(3) 气动参数

空气阻力系数：Cd=0.2（单节车厢风洞试验实测值，考虑导流罩优化设计）迎风面积：A=8m²（车体宽度 3m× 高度 2.67m ，忽略转向架投影面积）空气密度：ρ=1.225kg/m³（标准海平面大气条件， ，1 个大气压）

(4) 悬浮系统参数

悬浮架配置：每节车 5 台悬浮架，每台悬浮架 10 个电磁铁，20 个悬浮点；

悬浮间隙：9mm（额定工作间隙，允许波动范围 ±1mm) ；

电磁铁电流：静态工况（AW3 载荷）：平均电流 I_wi=28A （实测数据[5]）；动态调节电流波动 ±10% （应对轨道不平顺引起的间隙变化）；起浮冲击瞬时电流 55A（持续时间≤10s，采用分时起浮控制策略）；

线圈内阻：R=1Ω（20℃时实测值，考虑温度补偿系数 0.004/C ）

系统综合效率： η=85% （包含电源转换效率及电磁铁磁路损耗）。

3 功率计算方法

3.1 悬浮系统功率计算

(1) 静态悬浮功率：正常运行工况，静态功率由电磁铁线圈电阻损耗决定，需考虑系统效率，当轨道不平顺导致悬浮间隙波动时，电磁铁电流增加 10% 到 20% 以维持稳定，并考虑电磁铁磁滞损耗推算如下[4]：

(2) 蓄电池充电功率：充电限流 30A，输出电压 DC330V，动态功率为[4]：

(3) 起浮冲击功率：当落浮间隙增大至 20mm 时，达到垂向滑橇磨损极限，采用分时起浮控制（先激活 8 个电磁铁，100ms 后激活剩余 2 个，实测冲击电流最大值 55A），冲击功率计算公式为[4]：

(4) 故障悬浮功率需求：悬浮列车一般采用 3 节编组，单节悬浮电源故障，其余两节车厢需要同时给故障车厢供电，因此每节车厢的悬浮电源要考虑其额定功率需要输出给第三节故障车厢，当3 节车同时起浮，正常的单节车厢所需功率为[4]：

故障回站运行，两节正常车厢给故障车厢供电，正常车厢还需要给自身充电，但并不跨车逆向充电，即为单节车厢最大供电功率为：

3.2 牵引系统功率计算

磁浮列车运行时 , 在启动和低速加速区 , 为使列车有最短的加速时间和恒定的加速度，应当使电机发挥恒定的、最大牵引力 ; 在高速区域 , 为充分利用电机的功率 , 应当使电机恒定功率运行[8]。

经过工程实测和推算牵引力与功率随速度变化的关系图如下：

磁浮列车牵引电机运行控制采用恒转差频率控制方法。采用这种调速方式电机工作在转折速度以下时，电机产生恒定推力，在高于转折速度工作时，功率和推力均随速度增加而减少，在转折点后牵引功率反比于速度下降 , 故牵引力反比于速度的平方下降。考虑端部效应对高速区域牵引力的影响和磁浮列车的阻力特性，因此电机的额定速度点定在

40km/h , 每节磁浮列车运行功耗最大，每节 5 个悬浮架，每个悬浮架 2 台电机，共 10 台直线电机[8]，单台电机运行功耗44kw，每节车厢供440kW。考虑逆变器效率、电机效率及线路损耗，牵引效率 ，计算额定牵引功率：

牵引功率与速度的三次方成正比，故障运行回站时速度通常大幅降低，功率需求也随之大幅减少。当故障速度为 20km/h 时，理论功率需求约为正常功率的 8% ，但实际考虑系统损耗和所有应急系统启动，取值约为正常牵引功率的 30% 。即故障牵引功率108kW。因此正常运行所需有功功率远大于故障功率。

3.3 辅助系统功率计算

辅助系统功率是磁浮列车电源设计的关键组成部分，其能耗随载客量、环境条件动态变化。以下从核心模块展开，结合国家标准与工程数据进行精简分析：(1) 乘客散热：乘客作为散热主要负载，乘客的散热率为 120W / 人（其中显热 60W和潜热 60W），167 人总计散热20.04 kW，这反映了高密度载客时人体的代谢热负荷情况。(2) 设备与漏热：设备散热 5kW 是中低速磁浮列车的实测数据（涵盖照明、控制系统等设备）；车体漏热依据热传导公式 Q=KAΔT 计算，传热系数 K=0.5W/(m²·K) 是铝合金车体保温设计参数，内外温差ΔT=25K 为夏季极端工况下的值，漏热3.23kW。

(3) 制冷与通风功率：

总制冷负荷

空调能效比 COP=3 （这是变频涡旋式压缩机的典型值），所以制冷需求的输入功率为 9.42kW；通风系统按照人均 30m³/h 风量计算，总风量为 S400m³/h ，风机功率为4kW。

(4) 空压机功率：中低速磁浮列车的空压机功率需根据具体车型和工况调整，例如长沙线约为 8-10kW/ 车，凤凰线因技术迭代和场景需求略高，约为 10-12kW/ 车。

(5) 其他辅助负载：照明系统功率为 3kW（包含车内 30 组 的 LED 灯及外部信号灯）、控制及充电系统功率为 8kW（其中 110V 蓄电池充电 2kW、悬浮控制器、应急通风、紧急照明、制动系统、制动系统控制、车厢控制系统 6kW） 。

(6) 辅助总功率：设计需兼顾夏季极端工况与日常能效，可通过变频技术降低 20% -30% 能耗。冬季供暖等工况需额外核算，本研究为夏季峰值负载设计基准。

(7) 故障模式功率：故障工况下，故障模式功率按 “仅维持安全返程” 设计，工况降低 50% 以上，不超过 17.21kW。

4 总功率需求

单节磁浮列车运行电源总功率远大于故障模式下电源总功率，取大值为总功率需求，磁浮列车运行电源总功率为697.01kW。

本文以中低速磁浮列车典型单节车厢为对象，基于核心设备参数（质量、动力学、气动、悬浮系统）构建了的功率计算模型，明确了悬浮、牵引、辅助系统在多种工况下的功率需求，研究结果为磁浮列车车载动力电源系统的有功功率配置，为控制策略设计提供了的工程依据，确保列车在悬浮稳定性、牵引效率及应急可靠性方面满足行业标准要求。

参考文献

1. 中华人民共和国住房和城乡建设部 . 中低速磁浮交通设计规范 :CJJ/T 262-2017[S]. 北京 : 中国建筑工业出版社 ,2017.2. 中华人民共和国住房和城乡建设部. 中低速磁浮交通供电技术规范:CJJ/T 256-2016 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社 ,2016.3. 中华人民共和国住房和城乡建设部 . 城市轨道交通中低速磁浮车辆悬浮控制系统技术条件 : GB/T39902-2021[S]. 北京 : 中国标准出版社 ,2021.4. 陈贵荣 . 中低速磁悬浮列车悬浮供电系统设计 [J]. 城市轨道交通研究 .2013(10):70-72,77.

5. 陈启发, 张文会, 高锋, 洪洲, 邹明等. 中低速磁浮列车悬浮电源容量研究 [J].新型工业化 ,2022 (4): 68-76.

6. 李小庆 , 刘帅 . 中低速磁浮车辆悬浮系统吸力、电流与能耗研究 [J]. 交通世

7. 张丽 , 王丽娟 . 中低速磁浮列车辅助供电系统数字化仿真设计研究 [J]. 铁道机

8. 罗京 , 胡伟 , 刘豫湘 . 中低速磁浮列车牵引特性分析和计算 [J]. 电力机车与城车辆 ,2010(6):21-22,26

9. 佟来生 , 徐俊起 . 中低速磁浮列车研发及应用实践 [M]. 上海 : 上海科学技术出版社 ,2024.

作者简介：孙煦（1977.12-），男，回族，人，硕士研究生，总裁助理，高级，研究方向：智能配电、微电网、新能能源发电、储能技术。