解析新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

我國內(nèi)蒙自治區(qū)現(xiàn)已查明煤炭總儲(chǔ)量超過7000億噸，居全國首位，其短途運(yùn)輸方式仍是以公路為主。但這種傳統(tǒng)運(yùn)輸方式存在效率低、成本高、環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，日益成為制約內(nèi)蒙古煤炭工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。這種情況下，新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)采用直線電機(jī)推進(jìn)，具有爬坡能力強(qiáng)、占地面積少、建設(shè)經(jīng)費(fèi)低、運(yùn)行時(shí)速快、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無噪音、無廢氣、運(yùn)營維護(hù)和耗能費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)理想的煤炭運(yùn)輸方式。

1 新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)

新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)采用三相PWM整流器供電，輸入50 Hz，10 kV交流電，輸出母線連接至線路接觸網(wǎng)，為機(jī)車提供1 500 V直流電。新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

車載牽引變流器將直流1 500 V轉(zhuǎn)換成額定電壓為530 V的三相變頻變壓交流電，供給直線電機(jī)初級(jí)線圈，用以產(chǎn)生一個(gè)行波磁場(chǎng)。

次級(jí)導(dǎo)體板鋪設(shè)在線路鋼軌之間，機(jī)車正下方，在行波磁場(chǎng)的作用下導(dǎo)體板內(nèi)感生出電流，與初級(jí)線圈磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生推動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)機(jī)車運(yùn)行。

車載牽引控制器互相連接，通過無線網(wǎng)絡(luò)與地面指揮中心進(jìn)行通信，控制機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)。

車載開關(guān)電源負(fù)責(zé)為牽引變流器、冷卻風(fēng)機(jī)、控制系統(tǒng)、閘瓦繼電器等全部車載設(shè)備供電，要求其性能良好、穩(wěn)定可靠。所以，設(shè)計(jì)出符合新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)要求的開關(guān)電源是勢(shì)在必行的。

2 開關(guān)電源設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，開關(guān)電源輸入電壓為DC1 500 V，輸出為DC24 V，功率2 kW。鑒于功率較小，可以選擇較高的開關(guān)頻率，有利于系統(tǒng)小型化與輕型化，提高效率，減小輸出諧波。經(jīng)過分析實(shí)驗(yàn)，初步設(shè)定開關(guān)頻率為15kHz。

2.1 主電路設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)輸入/輸出電壓等級(jí)相差懸殊，直接由BUCK降壓電路降壓顯然不可取，因?yàn)檎伎毡冗^小，只有24/1500=1.6%，控制上難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)續(xù)流電感要求很大，設(shè)計(jì)較困難，不切實(shí)際。

因此，這里選擇兩級(jí)組合模式：前級(jí)為BUCK降壓電路;后級(jí)為DC/DC變換電路-隔離變壓器-全波整流電路組合。若開關(guān)頻率為15 kHz，隔離變壓器需要選擇高頻變壓器。主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，前級(jí)BUCK電路將DC1 500 V降至DC500-DC650 V，后級(jí)組合電路在此基礎(chǔ)上進(jìn)行斬波-變壓-整流，輸出DC24 V，波動(dòng)范圍22～28 V。設(shè)定DC/DC電路占空比控制范圍0.3～0.45，以BUCK輸出最低電壓-DC/DC電路最高占空比-DC24 V輸出最高電壓為準(zhǔn)，計(jì)算變壓器線圈變比。原邊U1=500 V，副邊電壓計(jì)算公式如下：

繞組變比取30，故隔離變壓器變比為500：30：30，功率2 kW，額定工作頻率15 kHz。

在前級(jí)BUCK電路中，儲(chǔ)能、濾波元件電感L1、電容C1的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，必須根據(jù)實(shí)際要求與工作狀態(tài)合理設(shè)計(jì)。當(dāng)BUCK電路輸出額定電壓DC600 V，滿功率運(yùn)行時(shí)，等效負(fù)載電阻為：

其中，D為開關(guān)管Q1占空比600/1 500=0.4;R為等效負(fù)載電阻，取180 Ω;Ts為開關(guān)周期，取1/15 000 。將以上數(shù)據(jù)代入公式(3)，得臨界電感值Ls=3.6 mH。由于系統(tǒng)輸入側(cè)存在短時(shí)掉電現(xiàn)象，再上電時(shí)就會(huì)在電感、電容上出現(xiàn)電流、電壓沖擊(見本文2.4小節(jié))，因此這里在選擇電感L1的值時(shí)，要在基礎(chǔ)上乘以一個(gè)抑制沖擊系數(shù)，取1.4，得到：

其中，Uo為輸出電壓，取600V;L為電感L1的值，取5mH;△U，為輸出紋波電壓，這里取1%，即600x0.001=0.6 V。代入公式(5)得電容C1值為：

又如前所述，系統(tǒng)輸入側(cè)存在短時(shí)掉電-再上電現(xiàn)象，為了限制沖擊電流大小，必須使電容在掉電期間的壓降盡可能小，故設(shè)定經(jīng)10 ms掉電后，電容電壓下降至580V。

上式中，Uc為電容電壓，取580 V;U為電容初始電壓，取600 V;τ=RC，R=180 Ω;t為掉電時(shí)間，取10 ms。代入公式(7)，得，C=1 639 μF，取C=1 700μF。

對(duì)于本系統(tǒng)中使用的開關(guān)器件，考慮到電壓等級(jí)和工作頻率的關(guān)系，最終選擇IGBT作為開關(guān)器件。對(duì)于前級(jí)BUCK電路的IGBT，其額定電壓計(jì)算公式如下：

Un=Uin×K1×K2 (8)

其中，Uin是輸入額定電壓，取1 500 V;K1是網(wǎng)壓波動(dòng)系數(shù)，此處取1.3;K2是必要的電壓安全系數(shù)，一般取1.3～1.5，這里取1.5。計(jì)算得：

Un=1 500×1.3×1.5=2 925 V (9)

開關(guān)電源滿載時(shí)，BUCK電路一個(gè)開關(guān)周期中電感電流，即Q1電流達(dá)到最大值為：

代入前文求出的L、D、Ts的值，得：Imax=4.8 A。因?yàn)橐粲幸欢ㄔＡ繎?yīng)對(duì)沖擊電流，因此BUCK電路Q1需要選擇3 300 V、20A等級(jí)的IGBT。