解析新型直線電機運輸系統(tǒng)中開關電源的設計方案
我國內蒙自治區(qū)現(xiàn)已查明煤炭總儲量超過7000億噸,居全國首位,其短途運輸方式仍是以公路為主。但這種傳統(tǒng)運輸方式存在效率低、成本高、環(huán)境污染嚴重等問題,日益成為制約內蒙古煤炭工業(yè)發(fā)展的關鍵因素。這種情況下,新型直線電機運輸系統(tǒng)應運而生。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/176097.htm新型直線電機運輸系統(tǒng)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(xiàn)自動控制、無噪音、無廢氣、運營維護和耗能費用低等優(yōu)點,是21世紀理想的煤炭運輸方式。
新型直線電機運輸系統(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,為機車提供1 500 V直流電。新型直線電機運輸系統(tǒng)整體結構如圖1所示。
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(tài)。
車載開關電源負責為牽引變流器、冷卻風機、控制系統(tǒng)、閘瓦繼電器等全部車載設備供電,要求其性能良好、穩(wěn)定可靠。所以,設計出符合新型直線電機運輸系統(tǒng)要求的開關電源是勢在必行的。
根據系統(tǒng)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(tǒng)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15kHz。
2.1 主電路設計
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,因為占空比過小,只有24/1500=1.6%,控制上難以實現(xiàn),同時續(xù)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(tài)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:
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(shù)據代入公式(3),得臨界電感值Ls=3.6 mH。由于系統(tǒng)輸入側存在短時掉電現(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,故設定經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:
Un=Uin×K1×K2 (8)
其中,Uin是輸入額定電壓,取1 500 V;K1是網壓波動系數(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。計算得:
Un=1 500×1.3×1.5=2 925 V (9)
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、20A等級的IGBT。
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