新型直線(xiàn)電機運輸系統的開(kāi)關(guān)電源設計

摘要：根據新型直線(xiàn)電機運輸系統的需求，設計出了一種具兩級降壓結構的新型開(kāi)關(guān)電源。給出了系統主電路結構、器件選型過(guò)程、控制系統與控制策略、保護邏輯以及仿真模型。針對網(wǎng)側存在的短時(shí)脫弓現象，提出了相應預防措施。最后通過(guò)實(shí)驗證實(shí)，該系統工作穩定，性能良好，完全滿(mǎn)足新型直線(xiàn)電機運輸系統的要求。
關(guān)鍵詞：新型直線(xiàn)電機運輸系統；開(kāi)關(guān)電源；兩級降壓；短時(shí)脫弓

我國內蒙自治區現已查明煤炭總儲量超過(guò)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(huán)境污染嚴重等問(wèn)題，日益成為制約內蒙古煤炭工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。這種情況下，新型直線(xiàn)電機運輸系統應運而生。新型直線(xiàn)電機運輸系統采用直線(xiàn)電機推進(jìn)，具有爬坡能力強、占地面積少、建設經(jīng)費低、運行時(shí)速快、易于實(shí)現自動(dòng)控制、無(wú)噪音、無(wú)廢氣、運營(yíng)維護和耗能費用低等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀理想的煤炭運輸方式。

1 新型直線(xiàn)電機運輸系統
新型直線(xiàn)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(xiàn)連接至線(xiàn)路接觸網(wǎng)，為機車(chē)提供1 500 V直流電。車(chē)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(xiàn)電機初級線(xiàn)圈，用以產(chǎn)生一個(gè)行波磁場(chǎng)。次級導體板鋪設在線(xiàn)路鋼軌之間，機車(chē)正下方，在行波磁場(chǎng)的作用下導體板內感生出電流，與初級線(xiàn)圈磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生推動(dòng)力，驅動(dòng)機車(chē)運行。車(chē)載牽引控制器互相連接，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與地面指揮中心進(jìn)行通信，控制機車(chē)運行狀態(tài)。新型直線(xiàn)電機運輸系統整體結構如圖1所示。

車(chē)載開(kāi)關(guān)電源負責為牽引變流器、冷卻風(fēng)機、控制系統、閘瓦繼電器等全部車(chē)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(xiàn)電機運輸系統要求的開(kāi)關(guān)電源是勢在必行的。

2 開(kāi)關(guān)電源設計
根據系統設計要求，開(kāi)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(kāi)關(guān)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(jīng)過(guò)分析實(shí)驗，初步設定開(kāi)關(guān)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(guò)小，只有24／1500=1．6％，控制上難以實(shí)現，同時(shí)續流電感要求很大，設計較困難，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(kāi)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(jìn)行斬波-變壓-整流，輸出DC24 V，波動(dòng)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(xiàn)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(guān)鍵，必須根據實(shí)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(mǎn)功率運行時(shí)，等效負載電阻為：