This report covers the construction of a prototype inverter system designed to power the rail of a maglev train, from component selection through simulations and power demands to mounting and wiring the components into a cabinet. The inverter is made with insulated gate bipolar transistors controlled with pulse-width modulated signals provided by a custom microcontroller. The output of the inverter is a controllable three-phase square wave. The prototype was tested with a microcontroller designed for a different gate driver, making it necessary to design and create an adapter to be able to test it. The results showed that an inverter of two-level topology, together with capacitors, is a viable option for a 10 kHz switching frequency. / Denna rapporten täcker konstruktionen av en prototyp till en inverter topologi designad för att driva rälsen till ett maglevtåg. Från komponentval genom simulering och kapacitetskrav, till montering och sladdragning av komponenterna in i ett skåp. Invertern är gjort med bipolär-transistorer med isolerat syre (IGBTer) som styrs med en pulsbreddsmodulerad signal försedd av en egendesignad mikrokontroller. Utsignalen från invertern är en styrbar trefas fyrkantsvåg. Prototypen skulle testas med en mikrokontroller designad för en annan gate driver, därför var det nödvändigt att designa och producera ett adapterkort för att kunna köra testerna. Resultated visade att en två-level inverter, tillsammans med kondensatorer, är en genomförbar lösning för 10 kHz switchingfrekvens.

O objetivo deste trabalho é apresentar um novo tipo de sistema de levitação baseado na força de interação magnética entre uma bobina de núcleo não-magnético e um imã permanente, em casos de simetria axial entre os dispositivos, nos moldes do problema 23 proposto no TEAM Workshop. Este tema é bastante atual e vários métodos têm sido estudados e propostos em razão da complexidade na determinação precisa das forças sobre os imãs permanentes imersos em um campo magnético em um circuito magnético aberto. O primeiro grande desafio deste trabalho é obter uma expressão analítica para esta força de interação magnética em casos de simetria axial usando o método de cargas magnéticas ligadas. Para tal, algumas hipóteses simplificadoras foram adotadas como considerar o campo magnético gerado pela bobina aproximadamente uniforme em toda a face do imã permanente e assumir que a magnetização do imã é constante e independente da variação de sua distância para a bobina. Pretende-se aproveitar o sistema implementado neste trabalho como bancada experimental no Laboratório de Controle da Universidade de São Paulo. Foi projetado um controlador PID através de ferramentas gráficas obedecendo a alguns critérios de desempenho, tanto no domínio do tempo como no domínio da freqüência. Uma vez sintonizado, foi utilizado o toolbox Real-Time Windows Target do Simulink e a placa de aquisição PCI 6221 (da National Instruments) para controlar em tempo real a planta de levitação em malha fechada. Os resultados experimentais foram muito satisfatórios de modo que o modelo analítico foi considerado válido. O sistema apresentou boas características como, por exemplo, um bom acompanhamento do sinal de referência, mesmo em grandes excursões, erro de regime nulo, levitação estável em distâncias relativamente grandes e uma boa estabilidade radial. O uso de dois sensores Hall mostrou-se eficiente na determinação da posição do imã permanente. / The objective of this work is to present a new kind of levitation system based on the interaction force between a non-magnetic core coil and a permanent magnet, in the case of axial symmetry between devices, as proposed by TEAM Workshop problem 23. This theme is very current and various methods have been studied and proposed in face of the complexity in determining precisely the force over permanent magnets immersed in a magnetic field in an open magnetic circuit. The first big challenge of this work is to obtain an analytical expression for this interaction magnetic force in the case of axial symmetry using the equivalent magnetic charge method. For this, some simplifying hypothesis have been adopted like considering the magnetic field created by the coil approximately uniform over all the permanent magnets face and assuming that magnets magnetization is constant and independent of the variation of its distance to the coil. The system implemented in this work is intended to be used as an experimental bench for the Laboratory of Control of Sao Paulo University. A PID controller was projected by means of graphical tools according to some criteria for performance, both in the field of time as in the frequency domain. Once tuned, the toolbox Real-Time Windows Target of Simulink and the PCI-6221 acquisition board (of National Instruments) were used to control in real time the levitation plant in closed loop. The experimental results were very satisfactory so that the analytical model was considered valid. The system showed good characteristics as, for instance, a good tracking of reference signal, even in large excursions of it, null stationary error, stable levitation at relatively big gaps and a good radial stability. The use of two Hall-effect sensors proved to be efficient in the determination of permanent magnets position.

O objetivo deste trabalho é apresentar um novo tipo de sistema de levitação baseado na força de interação magnética entre uma bobina de núcleo não-magnético e um imã permanente, em casos de simetria axial entre os dispositivos, nos moldes do problema 23 proposto no TEAM Workshop. Este tema é bastante atual e vários métodos têm sido estudados e propostos em razão da complexidade na determinação precisa das forças sobre os imãs permanentes imersos em um campo magnético em um circuito magnético aberto. O primeiro grande desafio deste trabalho é obter uma expressão analítica para esta força de interação magnética em casos de simetria axial usando o método de cargas magnéticas ligadas. Para tal, algumas hipóteses simplificadoras foram adotadas como considerar o campo magnético gerado pela bobina aproximadamente uniforme em toda a face do imã permanente e assumir que a magnetização do imã é constante e independente da variação de sua distância para a bobina. Pretende-se aproveitar o sistema implementado neste trabalho como bancada experimental no Laboratório de Controle da Universidade de São Paulo. Foi projetado um controlador PID através de ferramentas gráficas obedecendo a alguns critérios de desempenho, tanto no domínio do tempo como no domínio da freqüência. Uma vez sintonizado, foi utilizado o toolbox Real-Time Windows Target do Simulink e a placa de aquisição PCI 6221 (da National Instruments) para controlar em tempo real a planta de levitação em malha fechada. Os resultados experimentais foram muito satisfatórios de modo que o modelo analítico foi considerado válido. O sistema apresentou boas características como, por exemplo, um bom acompanhamento do sinal de referência, mesmo em grandes excursões, erro de regime nulo, levitação estável em distâncias relativamente grandes e uma boa estabilidade radial. O uso de dois sensores Hall mostrou-se eficiente na determinação da posição do imã permanente. / The objective of this work is to present a new kind of levitation system based on the interaction force between a non-magnetic core coil and a permanent magnet, in the case of axial symmetry between devices, as proposed by TEAM Workshop problem 23. This theme is very current and various methods have been studied and proposed in face of the complexity in determining precisely the force over permanent magnets immersed in a magnetic field in an open magnetic circuit. The first big challenge of this work is to obtain an analytical expression for this interaction magnetic force in the case of axial symmetry using the equivalent magnetic charge method. For this, some simplifying hypothesis have been adopted like considering the magnetic field created by the coil approximately uniform over all the permanent magnets face and assuming that magnets magnetization is constant and independent of the variation of its distance to the coil. The system implemented in this work is intended to be used as an experimental bench for the Laboratory of Control of Sao Paulo University. A PID controller was projected by means of graphical tools according to some criteria for performance, both in the field of time as in the frequency domain. Once tuned, the toolbox Real-Time Windows Target of Simulink and the PCI-6221 acquisition board (of National Instruments) were used to control in real time the levitation plant in closed loop. The experimental results were very satisfactory so that the analytical model was considered valid. The system showed good characteristics as, for instance, a good tracking of reference signal, even in large excursions of it, null stationary error, stable levitation at relatively big gaps and a good radial stability. The use of two Hall-effect sensors proved to be efficient in the determination of permanent magnets position.

Ein wirtschaftlich optimal ausgelegtes Magnetschwebebahnsystem kann zur Lösung der weltweit drohenden Verkehrsprobleme beitragen, die im Zuge von Globalisierung und steigender Bevölkerung vor allem Regionen mit hohem Wachstumspotential bevorstehen. Im Grenzbereich zwischen Technikbewertung und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden in der vorliegenden Forschungsarbeit einerseits Optimierungsansätze für das Subsystem „Antrieb und Energieversorgung“ des Transrapid vorgestellt. Sie leisten einen Beitrag zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems über den Lebenszyklus. Auf der anderen Seite wird eine Methodik präsentiert, die es ermöglicht, die betriebswirtschaftlichen Wirkungen der einzelnen Optimierungsmaßnahmen für das Gesamtsystem abzuschätzen. Ausgangspunkt der Untersuchungen ist die Analyse von Zielsystem und aktuellem Entwicklungsstand des Transrapid-Systems. Darauf aufbauend lassen sich mögliche Optimierungsschwerpunkte für das Teilsystem „Antrieb und Energieversorgung“ ableiten und Varianten in Abhängigkeit der Auslegungsparameter erstellen. Kernstück der vorliegenden Ausarbeitung ist die Erstellung einer Optimierungsstrategie, die eine makroskopische Bewertung der Optimierungsansätze ermöglicht. Dies ist erforderlich, da sämtliche Optimierungen stark divergierende Auswirkungen auf die Betriebswirtschaftlichkeit des Gesamtsystems haben - neben den Kosten werden über die Leistungsfähigkeit auch die Erlöse eines Projekts beeinflusst. Basis der Strategie ist die Verknüpfung von Kostenänderungsfaktoren mit Leistungsfähigkeitsparametern. Infolgedessen wird im Ergebnis der Arbeit ein Werkzeug geschaffen, das unter projektspezifischen Randbedingungen als Entscheidungshilfe zur Auslegung des Transrapid-Subsystems „Antrieb und Energieversorgung“ dient.

Diploma thesis is summarizing common theoretical knowledge about permanent magnets and electromagnetism. Represent DC electromagnet as basic part for levitated high-speed train. Work is analyzing basics under cart and principles used for magnetic levitation in high-speed transportation. Second practice part including projecting construction levitated cart and analyzing acquired mathematical model of electromagnet. Work is analyzing process for projecting control for side electromagnets and realization real model, including tuning computer communication with states of sensors and comparison real model with model simulated in program Simulink.