新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的開關(guān)電源設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)出了一種具兩級降壓結(jié)構(gòu)的新型開關(guān)電源。給出了系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)、器件選型過程、控制系統(tǒng)與控制策略、保護(hù)邏輯以及仿真模型。針對網(wǎng)側(cè)存在的短時脫弓現(xiàn)象，提出了相應(yīng)預(yù)防措施。最后通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，完全滿足新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的要求。
關(guān)鍵詞：新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)；開關(guān)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(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)行時速快、易于實(shí)現(xiàn)自動控制、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。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)初級線圈，用以產(chǎn)生一個行波磁場。次級導(dǎo)體板鋪設(shè)在線路鋼軌之間，機(jī)車正下方，在行波磁場的作用下導(dǎo)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(qū)動機(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)。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(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BUCK電路將DC1 500 V降至DC500-DC650 V，后級組合電路在此基礎(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BUCK電路中，儲能、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，等效負(fù)載電阻為：
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    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)存在短時掉電現(xiàn)象，再上電時就會在電感、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，要在基礎(chǔ)上乘以一個抑制沖擊系數(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為掉電時間，取10 ms。代入公式(7)，得，C=1 639 μF，取C=1 700μF。
    對于本系統(tǒng)中使用的開關(guān)器件，考慮到電壓等級和工作頻率的關(guān)系，最終選擇IGBT作為開關(guān)器件。對于前級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，BUCK電路一個開關(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)對沖擊電流，因此BUCK電路Q1需要選擇3 300 V、20A等級的IGBT。
    DC／DC變換電路IGBT額定電壓、額定電流的計(jì)算相對較簡單，故在此不做贅述，只給出結(jié)論：Q2需要選擇1 200 V、15 A等級的IGBT。
2．2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    內(nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)采用數(shù)字控制系統(tǒng)，以TI公司的TMS320F28335型DSP芯片和ALTERA公司的Cyclone型FPGA芯片共同構(gòu)成控制系統(tǒng)的核心。該控制系統(tǒng)主要包括6大模塊：主控模塊、A／D采樣與調(diào)理模塊、DI與DO模塊、LED顯示模塊、IGBT脈沖驅(qū)動模塊以及通信模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    主控模塊包括DSP和FPGA兩部分，負(fù)責(zé)A／D轉(zhuǎn)換、DI／DO控制、PI控制、邏輯判斷、軟件保護(hù)、硬件保護(hù)、與上位機(jī)通信、發(fā)生IGBT控制脈沖、控制LED顯示特定信息等，是控制系統(tǒng)的核心：A／D采樣與調(diào)理模塊負(fù)責(zé)將主電路中傳感器輸出的小電流信號轉(zhuǎn)換成小電壓信號，再經(jīng)過濾波、限幅電路，接入DSP的A／D轉(zhuǎn)換接口，為控制系統(tǒng)提供系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)；DI與DO模塊可以實(shí)現(xiàn)I／O信號的輸出與檢測，主要用于繼電器控制和開關(guān)狀態(tài)反饋；LED顯示模塊由7段顯示數(shù)碼管組成，可根據(jù)主控模塊指令顯示電源當(dāng)前工作狀態(tài)和故障信息；IGBT脈沖驅(qū)動模塊將IGBT控制脈沖進(jìn)行推挽放大，增大其驅(qū)動功率，控制IGBT通斷。同時模塊內(nèi)設(shè)有保護(hù)功能，對IGBT進(jìn)行過流、過溫保護(hù)；通信模塊負(fù)責(zé)與DSP共同完成同上位機(jī)之間的485／CAN通信。6大模塊分工協(xié)作，共同保證了控制系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)作。
2．3 控制策略
    文中所設(shè)計(jì)開關(guān)電源采用兩級電壓閉環(huán)控制模式。由主電路中的電壓傳感器檢測電壓反饋值，經(jīng)過A／D調(diào)理，送入DSP芯片進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)數(shù)字化PI調(diào)節(jié)，完成電壓閉環(huán)。DSP實(shí)時生成下一刻開關(guān)管的占空比指令，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)發(fā)生IGBT控制脈沖。前級電壓閉環(huán)將DC1 500 V降至DC600 V，后級電壓閉環(huán)將DC600 V變至DC24 V，兩級閉環(huán)結(jié)構(gòu)相同，互不影響。公式(11)～(16)所示為DSP芯片中PI調(diào)節(jié)模塊計(jì)算過程。
   
    圖4所示為PI調(diào)節(jié)模塊的結(jié)構(gòu)圖。[!--empirenews.page--]

    除了以上闡述的傳統(tǒng)PI控制，本系統(tǒng)還應(yīng)用了前饋補(bǔ)償?shù)乃枷?，不再只以PI決定控制脈沖占空比，加入了前饋補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果，使得控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度更快。PI調(diào)節(jié)模塊作為“微調(diào)”，使得輸出電壓紋波系數(shù)更小，穩(wěn)定性更佳，有效抑制了系統(tǒng)因沖擊、震蕩所引起的輸出劇烈波動。具體應(yīng)用方法如公式(17)所示。
   
    上式中，D為最終IGBT控制脈沖占空比；PLout為PI調(diào)節(jié)模塊計(jì)算結(jié)果；Uref為前饋補(bǔ)償計(jì)算給定值，這里取各級電壓閉環(huán)的額定輸出電壓；Uin為前饋補(bǔ)償計(jì)算輸入值，這里取各級電壓閉環(huán)的輸入電壓。因此，Uref／Uin即為前饋補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果。
2．4 保護(hù)策略
    如前文所述，內(nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)試驗(yàn)線存在弓網(wǎng)關(guān)系差的問題，在某些區(qū)段頻繁出現(xiàn)短時掉電-再上電的現(xiàn)象，進(jìn)而在前級BUCK電路的電感、電容上產(chǎn)生沖擊電流、沖擊電壓。其中，尤以沖擊電流對系統(tǒng)的損害作用最大。經(jīng)仿真，采用前文所選電路器件參數(shù)和閉環(huán)控制策略，10 ms脫弓情況下，電流沖擊一般會達(dá)到90A。除此之外，系統(tǒng)還可能出現(xiàn)各種過壓、過流故障。因此，采取有效的保護(hù)策略，抑制沖擊電流過大，保證系統(tǒng)穩(wěn)定是十分必要的。具體保護(hù)邏輯如下：
    1)輸入過壓——封鎖全部控制脈沖，過一段時間后(10 s)進(jìn)行檢測，若此時并無過壓情況，則重新啟動脈沖。DC／DC變換電路直接恢復(fù)至保護(hù)前占空比，BUCK電路進(jìn)入軟啟動模式，以當(dāng)前UDC600V／UDC1500V為占空比起始點(diǎn)，依時序逐漸增大占空比，直到DC600 V達(dá)到額定值為止。輸入過壓保護(hù)值取1800V。
    2)輸入欠壓——這種故障中主要出現(xiàn)于網(wǎng)側(cè)短時掉電情況下。輸入欠壓保護(hù)后，僅封鎖BUCK電路控制脈沖，在控制系統(tǒng)每一時序周期對網(wǎng)壓進(jìn)行監(jiān)測，一旦恢復(fù)正常，BUCK電路進(jìn)入軟啟動模式，方式同I。輸入欠壓保護(hù)值取1 000 V。
    3)DC600V過壓——封鎖全部控制脈沖，中間電壓經(jīng)由壓倉電阻緩慢泄放，當(dāng)?shù)陀?50 V時，系統(tǒng)重新啟動脈沖。方式同I。DC600 V過壓保護(hù)值取700V。
    4)輸出過壓、欠壓——封鎖全部控制脈沖，5 s后系統(tǒng)重新啟動。如果在1分鐘內(nèi)重啟次數(shù)超過3次，則系統(tǒng)停機(jī)，不再重啟，人工進(jìn)行故障修復(fù)。輸出過壓保護(hù)值取30 V，欠壓保護(hù)值取20 V。
    5)輸出過流——當(dāng)Ifh<Iout<Idl時，即輸出發(fā)生過負(fù)荷，但尚未發(fā)生短路故障時，通過降低輸出電壓的方式抑制過負(fù)荷電流；當(dāng)Iout> Idl時，即輸出發(fā)生短路時，封鎖全部控制脈沖，系統(tǒng)停機(jī)，人工進(jìn)行故障修復(fù)。
   

3 系統(tǒng)仿真
    利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真，搭建模型如圖5所示。

    圖6所示為系統(tǒng)仿真電壓波形圖。1通道為DC600 V波形；2通道為DC24 V波形；3通道為變壓器原邊波形；4通道為二極管整流后波形。

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4 實(shí)驗(yàn)
    根據(jù)文中開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，搭建出試驗(yàn)樣機(jī)。BUCK電路開關(guān)管使用IXYS公司3 300 V，30 A等級IGBT；DC／DC電路開關(guān)管使用三菱公司PS系列1 200 V，25 A等級IPM；IGBT驅(qū)動選擇瑞典CONCEPT公司驅(qū)動模塊；變壓器、BUCK電路電容、電感值，均按照前文設(shè)計(jì)方案選取。系統(tǒng)額定電壓半載時，考核波形如圖7、圖8所示。

    圖7中，上數(shù)第一通道為BUCK電路IGBT兩端電壓波形，上數(shù)第三通道為輸出電壓波形，中間通道為BUCK電路電感電流波形，因?yàn)槭褂秒娏縻Q的緣故，故示波器該通道上顯示為電壓波形。圖中電感電流值為實(shí)際值的8倍，且因半載工況下電感電流斷續(xù)，IGBT兩端電壓在相應(yīng)區(qū)間出現(xiàn)輕微上浮。此外，由于沒有安裝吸收電路，因此IGBT在開通、關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生電壓尖峰，電感上同樣存在電流尖峰。在后續(xù)研究中，可以嘗試在BUCK電路IGBT兩端加裝吸收電路，以達(dá)到去除干擾的效果。圖8中，上數(shù)第一通道為變壓器原邊電壓波形，上數(shù)第三通道為二極管整流后電壓波形，中間通道為DC600V波形，由于在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中，RC吸收電路參數(shù)均經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，最后選擇最優(yōu)方案使用，因此DC／DC變換電路實(shí)際波形較好。

5 結(jié)束語
    文中系統(tǒng)闡述了內(nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)開關(guān)電源的主電路結(jié)構(gòu)、器件選型、控制系統(tǒng)，控制策略以及保護(hù)邏輯，最后用實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的正確性與合理性。目前，該開關(guān)電源樣機(jī)正在內(nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)試驗(yàn)線進(jìn)行后續(xù)相關(guān)試驗(yàn)。