新型直线电机运输系统的开关电源设计

摘要：根据新型直线电机运输系统的需求，设计出了一种具两级降压结构的新型开关电源。给出了系统主电路结构、器件选型过程、控制系统与控制策略、保护逻辑以及仿真模型。针对网侧存在的短时脱弓现象，提出了相应预防措施。最后通过实验证实，该系统工作稳定，性能良好，完全满足新型直线电机运输系统的要求。
关键词：新型直线电机运输系统；开关电源；两级降压；短时脱弓

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。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。新型直线电机运输系统整体结构如图1所示。

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一体成型电感器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降风华电感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扁平型电感 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：

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