新型直线电机运输系统的开关电源设计

摘要：根据新型直线电机运输系统的需求，设计出了一种具两级降压结构的新型开关电源。给出了系统主电路结构、器件选型过程、控制系统与控制策略、保护逻辑以及仿真模型。针对网侧存在的短时脱弓现象，提出了相应预防措施。最后通过实验证实，该系统工作稳定，性能良好，完全满足新型直线电机运输系统的要求。
关键词：新型直线电机运输系统；开关电源；两级降压；短时脱弓

我国内蒙自治区现已查明煤炭总储量超过7000亿吨，居全国首位，其短途运输方式仍是以公路为主。但这种传统运输方式存在效率低、成本高、环境污染严重等问题，日益成为制约内蒙古煤炭工业发展的关键因素。这种情况下，新型直线电机运输系统应运而生。新型直线电机运输系统采用直线电机推进，具有爬坡能力强、占地面积少、建设经费低、运行时速快、易于实现自动控制、无噪音、无废气、运营维护和耗能费用低等优点，是21世纪理想的煤炭运输方式。

1 新型直线电机运输系统
新型直线电机运输系统采用三相PWM整流器供电，输入50 Hz，10 kV交流电，输出母线连接至线路接触网，为机车提供1 500 V直流电。车载牵引变流器将直流1 500 V转换成额定电压为530 V的三相变频变压交流电，供给直线电机初级线圈，用以产生一个行波磁场。次级导体板铺设在线路钢轨之间，机车正下方，在行波磁场的作用下导体板内感生出电流，与初级线圈磁场相互作用产生推动力，驱动机车运行。车载牵引控制器互相连接，通过无线网络与地面指挥中心进行通信，控制机车运行状态。新型直线电机运输系统整体结构如图1所示。

车载开关电源负责为牵引变流器、冷却风机、控制系统、闸瓦继电器等全部车载设备供电，要求其性能良好、稳定可靠。所以，设计出符合新型直线电机运输系统要求的开关电源是势在必行的。

2 开关电源设计
根据系统设计要求，开关电源输入电压为DC1 500 V，输出为DC24 V，功率2 kW。鉴于功率较小，可以选择较高的开关频率，有利于系统小型化与轻型化，提高效率，减小输出谐波。经过分析实验，初步设定开关频率为15kHz。
2．1 主电路设计
由于系统输入／输出电压等级相差悬殊，直接由BUCK降压电路降压显然不可取，因为占空比过小，只有24／1500=1．6％，控制上难以实现，同时续流电感要求很大，设计较困难，不切实际。因此，这里选择两级组合模式：前级为BUCK降压电路；后级为DC／DC变换电路-隔离变压器-全波整流电路组合。若开关频率为15 kHz，隔离变压器需要选择高频变压器。主电路结构如图2所示。

图2中，前级BUCK电路将DC1 500 V降至DC500-DC650 V，后级组合电路在此基础上进行斩波-变压-整流，输出DC24 V，波动范围22～28 V。设定DC／DC电路占空比控制范围0．3～0．45，以BUCK输出最低电压-DC／DC电路最高占空比-DC24 V输出最高电压为准，计算变压器线圈变比。原边U1=500 V，副边电压计算公式如下：

绕组变比取30，故隔离变压器变比为500：30：30，功率2 kW，额定工作频率15 kHz。
在前级BUCK电路中，储能、滤波元件电感L1、电容C1的设计十分关键，必须根据实际要求与工作状态合理设计。当BUCK电路输出额定电压DC600 V，满功率运行时，等效负载电阻为：

其中，D为开关管Q1占空比600／1 500=0．4；R为等效负载电阻，取180 Ω；Ts为开关周期，取1／15 000 。将以上数据代入公式(3)，得临界电感值Ls=3．6 mH。由于系统输入侧存在短时掉电现象，再上电时就会在电感、电容上出现电流、电压冲击(见本文2．4小节)，因此这里在选择电感L1的值时，要在基础上乘以一个抑制冲击系数，取1．4，得到：

其中，Uo为输出电压，取600V；L为电感L1的值，取5mH；△U，为输出纹波电压，这里取1％，即600x0．001=0．6 V。代入公式(5)得电容C1值为：

又如前所述，系统输入侧存在短时掉电-再上电现象，为了限制冲击电流大小，必须使电容在掉电期间的压降尽可能小，故设定经10 ms掉电后，电容电压下降至580V。

上式中，Uc为电容电压，取580 V；U为电容初始电压，取600 V；τ=RC，R=180 Ω；t为掉电时间，取10 ms。代入公式(7)，得，C=1 639 μF，取C=1 700μF。
对于本系统中使用的开关器件，考虑到电压等级和工作频率的关系，最终选择IGBT作为开关器件。对于前级BUCK电路的IGBT，其额定电压计算公式如下：
Un=Uin×K1×K2 (8)
其中，Uin是输入额定电压，取1 500 V；K1是网压波动系数，此处取1．3；K2是必要的电压安全系数，一般取1．3～1．5，这里取1．5。计算得：
Un=1 500×1．3×1．5=2 925 V (9)
开关电源满载时，BUCK电路一个开关周期中电感电流，即Q1电流达到最大值为：

代入前文求出的L、D、Ts的值，得：Imax=4.8 A。因为要留有一定裕量应对冲击电流，因此BUCK电路Q1需要选择3 300 V、20A等级的IGBT。
DC／DC变换电路IGBT额定电压、额定电流的计算相对较简单，故在此不做赘述，只给出结论：Q2需要选择1 200 V、15 A等级的IGBT。
2．2 控制系统设计
内蒙新型直线电机运输系统采用数字控制系统，以TI公司的TMS320F28335型DSP芯片和ALTERA公司的Cyclone型FPGA芯片共同构成控制系统的核心。该控制系统主要包括6大模块：主控模块、A／D采样与调理模块、DI与DO模块、LED显示模块、IGBT脉冲驱动模块以及通信模块。系统整体结构如图3所示。