新型直線電機運輸系統(tǒng)的開關電源設計

摘要：根據(jù)新型直線電機運輸系統(tǒng)的需求，設計出了一種具兩級降壓結構的新型開關電源。給出了系統(tǒng)主電路結構、器件選型過程、控制系統(tǒng)與控制策略、保護邏輯以及仿真模型。針對網(wǎng)側存在的短時脫弓現(xiàn)象，提出了相應預防措施。最后通過實驗證實，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，完全滿足新型直線電機運輸系統(tǒng)的要求。
關鍵詞：新型直線電機運輸系統(tǒng)；開關電源；兩級降壓；短時脫弓

我國內(nèi)蒙自治區(qū)現(xiàn)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(tǒng)運輸方式存在效率低、成本高、環(huán)境污染嚴重等問題，日益成為制約內(nèi)蒙古煤炭工業(yè)發(fā)展的關鍵因素。這種情況下，新型直線電機運輸系統(tǒng)應運而生。新型直線電機運輸系統(tǒng)采用直線電機推進，具有爬坡能力強、占地面積少、建設經(jīng)費低、運行時速快、易于實現(xiàn)自動控制、無噪音、無廢氣、運營維護和耗能費用低等優(yōu)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(tǒng)
新型直線電機運輸系統(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)，為機車提供1 500 V直流電。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(chǎn)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(nèi)感生出電流，與初級線圈磁場相互作用產(chǎn)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(wǎng)絡與地面指揮中心進行通信，控制機車運行狀態(tài)。新型直線電機運輸系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

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

2 開關電源設計
根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)小型化與輕型化，提高效率，減小輸出諧波。經(jīng)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(tǒng)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(xiàn)，同時續(xù)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(jù)實際要求與工作狀態(tài)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：