解析新型直线电机运输系统中开关电源的设计方案

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。新型直线电机运输系统整体结构如图1所示。

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。

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。