新型直線電機運輸系統的開關電源設計
2012-07-13 06:28:30宋永豐刁利軍劉志剛
電子設計工程 2012年9期
孫 濤， 王 磊， 宋永豐，刁利軍，劉志剛
（1.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044；2.中國科學院 電工研究所，北京 100190）
我國內蒙自治區現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。但這種傳統運輸方式存在效率低、成本高、環境污染嚴重等問題，日益成為制約內蒙古煤炭工業發展的關鍵因素。這種情況下，新型直線電機運輸系統應運而生。新型直線電機運輸系統采用直線電機推進，具有爬坡能力強、占地面積少、建設經費低、運行時速快、易于實現自動控制、無噪音、無廢氣、運營維護和耗能費用低等優點，是21世紀理想的煤炭運輸方式[1]。
1 新型直線電機運輸系統
新型直線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，輸出母線連接至線路接觸網，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感生出電流，與初級線圈磁場相互作用產生推動力，驅動機車運行。車載牽引控制器互相連接，通過無線網絡與地面指揮中心進行通信，控制機車運行狀態[2]。新型直線電機運輸系統整體結構如圖 1所示。
圖1 新型直線電機運輸系統結構Fig.1 Structure of the novel linear motor transport system
車載開關電源負責為牽引變流器、冷卻風機、控制系統、閘瓦繼電器等全部車載設備供電，要求其性能良好、穩定可靠。所以，設計出符合新型直線電機運輸系統要求的開關電源是勢在必行的。
2 開關電源設計
根據系統設計要求，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，有利于系統小型化與輕型化，提高效率，減小輸出諧波。經過分析實驗，初步設定開關頻率為15 kHz。
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，因為占空比過小，只有24/1500=1.6%，控制上難以實現，同時續流電感要求很大，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 主電路結構Fig.2 Main circuit
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，必須根據實際要求與工作狀態合理設計。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：
如保證電感電流連續，則L1臨界電感值計算公式如下：
其中，D為開關管Q1占空比600/1 500=0.4；R為等效負載電阻，取180 Ω；Ts為開關周期，取1/15 000。將以上數據代入公式（3），得臨界電感值Lc=3.6 mH。由于系統輸入側存在短時掉電現象，再上電時就會在電感、電容上出現電流、電壓沖擊（見本文2.4小節），因此這里在選擇電感L1的值時，要在基礎上乘以一個抑制沖擊系數，取1.4，得到：
電容C1計算公式為：
其中，Uo為輸出電壓，取600 V；L為電感L1的值，取5 mH；ΔUo為輸出紋波電壓，這里取1%，即600×0.001=0.6 V。代入公式（5）得電容 C1值為：
又如前所述，系統輸入側存在短時掉電—再上電現象，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，故設定經10 ms掉電后，電容電壓下降至580 V。
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=1 700 μF。
對于本系統中使用的開關器件，考慮到電壓等級和工作頻率的關系，最終選擇IGBT作為開關器件。對于前級BUCK電路的IGBT，其額定電壓計算公式如下：
其中，Uin是輸入額定電壓，取1 500 V；K1是網壓波動系數，此處取 1.3；K2是必要的電壓安全系數，一般取 1.3～1.5，這里取1.5。計算得：
開關電源滿載時，BUCK電路一個開關周期中電感電流，即Q1電流達到最大值為：
代入前文求出的L、D、Ts的值，得：Imax=4.8 A。因為要留有一定裕量應對沖擊電流，因此BUCK電路Q1需要選擇3 300 V、20 A等級的IGBT。
DC/DC變換電路IGBT額定電壓、額定電流的計算相對較簡單，故在此不做贅述，只給出結論：Q2需要選擇1 200 V、15 A等級的IGBT。
2.2 控制系統設計
內蒙新型直線電機運輸系統采用數字控制系統，以TI公司的TMS320F28335型DSP芯片和ALTERA公司的Cyclone型FPGA芯片共同構成控制系統的核心。該控制系統主要包括6大模塊：主控模塊、A/D采樣與調理模塊、DI與DO模塊、LED顯示模塊、IGBT脈沖驅動模塊以及通信模塊。系統整體結構如圖3所示。
圖3 控制系統結構Fig.3 Structure of control system
主控模塊包括DSP和FPGA兩部分，負責A/D轉換、DI/DO控制、PI控制、邏輯判斷、軟件保護、硬件保護、與上位機通信、發生IGBT控制脈沖、控制LED顯示特定信息等，是控制系統的核心；A/D采樣與調理模塊負責將主電路中傳感器輸出的小電流信號轉換成小電壓信號，再經過濾波、限幅電路，接入DSP的A/D轉換接口，為控制系統提供系統當前工作狀態；DI與DO模塊可以實現I/O信號的輸出與檢測，主要用于繼電器控制和開關狀態反饋；LED顯示模塊由7段顯示數碼管組成，可根據主控模塊指令顯示電源當前工作狀態和故障信息；IGBT脈沖驅動模塊將IGBT控制脈沖進行推挽放大，增大其驅動功率，控制IGBT通斷。同時模塊內設有保護功能，對IGBT進行過流、過溫保護；通信模塊負責與DSP共同完成同上位機之間的485/CAN通信。6大模塊分工協作，共同保證了控制系統的高效、穩定運作。
2.3 控制策略
文中所設計開關電源采用兩級電壓閉環控制模式。由主電路中的電壓傳感器檢測電壓反饋值，經過A/D調理，送入DSP芯片進行A/D轉換，利用其強大的計算能力實現數字化PI調節，完成電壓閉環。DSP實時生成下一刻開關管的占空比指令，FPGA負責發生IGBT控制脈沖。前級電壓閉環將DC1 500 V降至DC600 V，后級電壓閉環將DC600 V變至DC24 V，兩級閉環結構相同，互不影響。 公式（11）～（16）所示為DSP芯片中PI調節模塊計算過程。
圖4所示為PI調節模塊的結構圖。
圖4 PI結構圖Fig.4 Structure of PI
除了以上闡述的傳統PI控制，本系統還應用了前饋補償的思想，不再只以PI決定控制脈沖占空比，加入了前饋補償計算結果，使得控制系統的反應速度更快。PI調節模塊作為“微調”，使得輸出電壓紋波系數更小，穩定性更佳，有效抑制了系統因沖擊、震蕩所引起的輸出劇烈波動。具體應用方法如公式（17）所示。
上式中，D為最終IGBT控制脈沖占空比；PI.out為PI調節模塊計算結果；Uref為前饋補償計算給定值，這里取各級電壓閉環的額定輸出電壓；Uin為前饋補償計算輸入值，這里取各級電壓閉環的輸入電壓。因此，Uref/Uin即為前饋補償計算結果。
2.4 保護策略
如前文所述，內蒙新型直線電機運輸系統試驗線存在弓網關系差的問題，在某些區段頻繁出現短時掉電—再上電的現象，進而在前級BUCK電路的電感、電容上產生沖擊電流、沖擊電壓。其中，尤以沖擊電流對系統的損害作用最大。經仿真，采用前文所選電路器件參數和閉環控制策略，10 ms脫弓情況下，電流沖擊一般會達到90 A。除此之外，系統還可能出現各種過壓、過流故障。因此，采取有效的保護策略，抑制沖擊電流過大，保證系統穩定是十分必要的。具體保護邏輯如下：
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變換電路直接恢復至保護前占空比，BUCK電路進入軟啟動模式，以當前UDC600V/UDC1500V為占空比起始點，依時序逐漸增大占空比，直到DC600 V達到額定值為止。輸入過壓保護值取1800 V。
2）輸入欠壓——這種故障中主要出現于網側短時掉電情況下。輸入欠壓保護后，僅封鎖BUCK電路控制脈沖，在控制系統每一時序周期對網壓進行監測，一旦恢復正常，BUCK電路進入軟啟動模式，方式同I。輸入欠壓保護值取1 000 V。
3）DC600 V過壓——封鎖全部控制脈沖，中間電壓經由壓倉電阻緩慢泄放，當低于550 V時，系統重新啟動脈沖。方式同I。DC600 V過壓保護值取700 V。
4）輸出過壓、欠壓——封鎖全部控制脈沖，5 s后系統重新啟動。如果在1分鐘內重啟次數超過3次，則系統停機，不再重啟，人工進行故障修復。輸出過壓保護值取30 V，欠壓保護值取20 V。
5）輸出過流——當Ifh
3 系統仿真
利用MATLAB軟件實現系統仿真，搭建模型如圖5所示。
圖6所示為系統仿真電壓波形圖。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。
4 實 驗
根據文中開關電源設計方案，搭建出試驗樣機。BUCK電路開關管使用IXYS公司3 300 V，30 A等級IGBT；DC/DC電路開關管使用三菱公司PS系列 1 200 V，25 A等級 IPM；IGBT驅動選擇瑞典CONCEPT公司驅動模塊；變壓器、BUCK電路電容、電感值，均按照前文設計方案選取。系統額定電壓半載時，考核波形如圖 7、圖 8所示。
圖5MATLAB仿真模型Fig.5 MATLAB simulation model
圖6 仿真波形Fig.6 Simulation waveform
圖7中，上數第一通道為BUCK電路IGBT兩端電壓波形，上數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，因為使用電流鉗的緣故，故示波器該通道上顯示為電壓波形。圖中電感電流值為實際值的8倍，且因半載工況下電感電流斷續，IGBT兩端電壓在相應區間出現輕微上浮。此外，由于沒有安裝吸收電路，因此IGBT在開通、關斷瞬間會產生電壓尖峰，電感上同樣存在電流尖峰。在后續研究中，可以嘗試在BUCK電路IGBT兩端加裝吸收電路，以達到去除干擾的效果。圖8中，上數第一通道為變壓器原邊電壓波形，上數第三通道為二極管整流后電壓波形，中間通道為DC600V波形，由于在樣機實驗中，RC吸收電路參數均經過反復驗證，最后選擇最優方案使用，因此DC/DC變換電路實際波形較好。
圖7 系統半載工作波形圖Fig.7 Waveform of half load
圖8 系統半載工作波形圖Fig.8 Waveform of half load
5 結束語
文中系統闡述了內蒙新型直線電機運輸系統開關電源的主電路結構、器件選型、控制系統，控制策略以及保護邏輯，最后用實驗證明了設計的正確性與合理性。目前，該開關電源樣機正在內蒙新型直線電機運輸系統試驗線進行后續相關試驗。
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