解析新型直線電機運輸系統中開關電源的設計方案

我國內蒙自治區現已查明煤炭總儲量超過7000億噸，居全國首位，其短途運輸方式仍是以公路為主。但這種傳統運輸方式存在效率低、成本高、環境污染嚴重等問題，日益成為制約內蒙古煤炭工業發展的關鍵因素。這種情況下，新型直線電機運輸系統應運而生。

新型直線電機運輸系統采用直線電機推進，具有爬坡能力強、占地面積少、建設經費低、運行時速快、易于實現自動控制、無噪音、無廢氣、運營維護和耗能費用低等優點，是21世紀理想的煤炭運輸方式。

1 新型直線電機運輸系統

新型直線電機運輸系統采用三相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，為機車提供1 500 V直流電。新型直線電機運輸系統整體結構如圖1所示。

車載牽引變流器將直流1 500 V轉換成額定電壓為530 V的三相變頻變壓交流電，供給直線電機初級線圈，用以產生一個行波磁場。

次級導體板鋪設在線路鋼軌之間，機車正下方，在行波磁場的作用下導體板內感生出電流，與初級線圈磁場相互作用產生推動力，驅動機車運行。

車載牽引控制器互相連接，通過無線網絡與地面指揮中心進行通信，控制機車運行狀態。

車載開關電源負責為牽引變流器、冷卻風機、控制系統、閘瓦繼電器等全部車載設備供電，要求其性能良好、穩定可靠。所以，設計出符合新型直線電機運輸系統要求的開關電源是勢在必行的。

2 開關電源設計

根據系統設計要求，開關電源輸入電壓為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頻率，有利于系統小型化與輕型化，提高效率，減小輸出諧波。經過分析實驗，初步設定開關頻率為15kHz。

2.1 主電路設計

由于系統輸入/輸出電壓等級相差懸殊，直接由BUCK降壓電路降壓顯然不可取，因為占空比過小，只有24/1500=1.6%，控制上難以實現，同時續流電感要求很大，設計較困難，不切實際。

因此，這里選擇兩級組合模式：前級為BUCK降壓電路;后級為DC/DC變換電路-隔離變壓器-全波整流電路組合。若開關頻率為15 kHz，隔離變壓器需要選擇高頻變壓器。主電路結構如圖2所示。

圖2中，前級BUCK電路將DC1 500 V降至DC500-DC650 V，后級組合電路在此基礎上進行斬波-變壓-整流，輸出DC24 V，波動范圍22～28 V。設定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，計算變壓器線圈變比。原邊U1=500 V，副邊電壓計算公式如下：

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BUCK電路中，儲能、濾波元件電感L1、電容C1的設計十分關鍵，必須根據實際要求與工作狀態合理設計。當BUCK電路輸出額定電壓DC600 V，滿功率運行時，等效負載電阻為：

其中，D為開關管Q1占空比600/1 500=0.4;R為等效負載電阻，取180 Ω;Ts為開關周期，取1/15 000 。將以上數據代入公式(3)，得臨界電感值Ls=3.6 mH。由于系統輸入側存在短時掉電現象，再上電時就會在電感、電容上出現電流、電壓沖擊(見本文2.4小節)，因此這里在選擇電感L1的值時，要在基礎上乘以一個抑制沖擊系數，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，系統輸入側存在短時掉電-再上電現象，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，故設定經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為掉電時間，取10 ms。代入公式(7)，得，C=1 639 μF，取C=1 700μF。

對于本系統中使用的開關器件，考慮到電壓等級和工作頻率的關系，最終選擇IGBT作為開關器件。對于前級BUCK電路的IGBT，其額定電壓計算公式如下：

Un=Uin×K1×K2 (8)

其中，Uin是輸入額定電壓，取1 500 V;K1是網壓波動系數，此處取1.3;K2是必要的電壓安全系數，一般取1.3～1.5，這里取1.5。計算得：

Un=1 500×1.3×1.5=2 925 V (9)

開關電源滿載時，BUCK電路一個開關周期中電感電流，即Q1電流達到最大值為：

代入前文求出的L、D、Ts的值，得：Imax=4.8 A。因為要留有一定裕量應對沖擊電流，因此BUCK電路Q1需要選擇3 300 V、20A等級的IGBT。