我國內(nèi)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(nèi)蒙古煤炭工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。這種情況下，新型直線電機運輸系統(tǒng)應(yīng)運而生。

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(shè)經(jīng)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。

1 新型直線電機運輸系統(tǒng)

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(wǎng)，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(jié)構(gòu)如圖1所示。

車載牽引變流器將直流1 500 V轉(zhuǎn)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(chǎn)生一個行波磁場。

次級導(dǎo)體板鋪設(shè)在線路鋼軌之間，機車正下方，在行波磁場的作用下導(dǎo)體板內(nèi)感生出電流，與初級線圈磁場相互作用產(chǎn)生推動力，驅(qū)動機車運行。

車載牽引控制器互相連接，通過無線網(wǎng)絡(luò)與地面指揮中心進行通信，控制機車運行狀態(tài)。

車載開關(guān)電源負責(zé)為牽引變流器、冷卻風(fēng)機、控制系統(tǒng)、閘瓦繼電器等全部車載設(shè)備供電，要求其性能良好、穩(wěn)定可靠。所以，設(shè)計出符合新型直線電機運輸系統(tǒng)要求的開關(guān)電源是勢在必行的。

2 開關(guān)電源設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，開關(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，可以選擇較高的開關(guān)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(jīng)過分析實驗，初步設(shè)定開關(guān)頻率為15kHz。

2.1 主電路設(shè)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(shè)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(guān)頻率為15 kHz，隔離變壓器需要選擇高頻變壓器。主電路結(jié)構(gòu)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(chǔ)上進行斬波-變壓-整流，輸出DC24 V，波動范圍22～28 V。設(shè)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(shè)計十分關(guān)鍵，必須根據(jù)實際要求與工作狀態(tài)合理設(shè)計。當(dāng)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(guān)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(guān)周期，取1/15 000 。將以上數(shù)據(jù)代入公式(3)，得臨界電感值Ls=3.6 mH。由于系統(tǒng)輸入側(cè)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(chǔ)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(cè)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(shè)定經(jīng)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(guān)器件，考慮到電壓等級和工作頻率的關(guān)系，最終選擇IGBT作為開關(guān)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(wǎng)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(guān)電源滿載時，BUCK電路一個開關(guān)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(yīng)對沖擊電流，因此BUCK電路Q1需要選擇3 300 V、20A等級的IGBT。