新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的牽引變流器設(shè)計(jì)

宋永豐，趙雷廷，王 磊，劉志剛

（1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)科學(xué)院 電工研究所，北京 100190）

煤炭資源是重要的基礎(chǔ)能源之一，當(dāng)前短距離煤炭運(yùn)輸途徑是公路運(yùn)輸，存在成本高，對(duì)環(huán)境的污染嚴(yán)重的問(wèn)題。這種傳統(tǒng)的運(yùn)輸方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的煤炭需求，在此情況下，新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[1]。新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)采用直線電機(jī)推進(jìn)，具有攀登坡度大、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)行平穩(wěn)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、無(wú)噪音、不排出有害的廢氣、利于環(huán)境保護(hù)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和耗能費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是21世紀(jì)理想的煤炭運(yùn)輸方式[2-3]。牽引變流器作為車(chē)輛的核心裝置之一，其性能水平直接影響運(yùn)輸系統(tǒng)的優(yōu)劣。所以對(duì)牽引變流器的研究顯得非常必要。

1 新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)，供電系統(tǒng)采用三相PWM整流器，輸入電壓為10 kV，50 Hz交流電，輸出電壓為750 V直流電壓。牽引變流器輸入電壓為750 V直流電，輸出額定電壓為530 V的可變頻變壓交流電，驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)工作。通過(guò)牽引控制器發(fā)指令，控制車(chē)輛的運(yùn)行。直線感應(yīng)電機(jī)采用單邊短初級(jí)型，即初級(jí)鐵心及繞組安裝在車(chē)體底部，而次級(jí)導(dǎo)體板沿軌道鋪開(kāi)，當(dāng)初級(jí)繞組中通入三相正弦電流后，所產(chǎn)生的行波磁場(chǎng)將在次級(jí)導(dǎo)體板中感生出電流，兩者相互作推力驅(qū)動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)。新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the novel linear motor transport system

2 牽引變流器設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際線路的牽引計(jì)算結(jié)果，變流器在額定負(fù)載的時(shí)候最大輸出功率為94 kVA。在受電弓離線后再次受流，電容側(cè)的沖擊電流可以達(dá)到350 A考慮車(chē)輛具有過(guò)載運(yùn)輸能力和留有余量，牽引變流器參數(shù)為：額定容量：150 kVA，額定輸出電流：160 A，額定輸出電壓：530 V，輸出頻率：0～100 Hz，并且具有耐受電弓離線電流沖擊能力。

2.1 主電路設(shè)計(jì)

牽引變流器主要完成DC－AC的變化過(guò)程，控制直線電機(jī)的運(yùn)行，采用三相電壓型橋式逆變電路結(jié)構(gòu)，主電路拓?fù)淙鐖D2所示，主要包括輸入預(yù)充電電路，三相逆變電路，停止運(yùn)行時(shí)放電電路，LC緩沖支撐電路，還有傳感器，熔斷器構(gòu)成。裝置外形尺寸為125 mm×30 mm×40 mm，冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷，在散熱片上加上溫度傳感器，進(jìn)行過(guò)溫保護(hù)。

圖2 主電路拓?fù)銯ig.2 Main circuit

預(yù)充電回路由預(yù)充電接觸器KM2，主接觸器KM1和電阻R1組成，通過(guò)向中間電容器充電以減小合閘時(shí)電壓突變對(duì)中間電容器的沖擊[4]。

三相逆變電路主要由A、B、C3個(gè)IGBT橋臂組成，通過(guò)受電弓取電，主要完成把750 V的直流電逆變成額定電壓為530 V的可變頻變壓的交流電。IGBT的選擇主要考慮額定電壓，額定電流和散熱。額定電壓選擇如式（1）[5]所示。

其中為接觸網(wǎng)電壓：750 V；K1為電網(wǎng)電壓波動(dòng)系數(shù)一般取1.15；K2為直流中間回路有反饋時(shí)的泵升電壓系數(shù)一般取1.2；K3為必要的電壓安全系數(shù)一般取1.3～1.5。

器件的計(jì)算額定電壓：

由于直流側(cè)的額定電壓為750 V，輸出電壓的額定有效值為530 V，主變流器穩(wěn)定運(yùn)行在150 kVA時(shí)，其輸出電流的大小為：

取過(guò)載系數(shù)為1.5，紋波系數(shù)為1.2，則流過(guò)IGBT的最大電流為：

牽引變流器開(kāi)關(guān)管額定電壓為1 700 V，額定電流為300 A。

當(dāng)變流器停止工作時(shí)，通過(guò)放電回路的接觸器和放電電阻對(duì)電容進(jìn)行放電，保證人身安全。

LC緩沖支撐電路由兩部分的作用，首先是直流濾波的作用，LC濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效果明顯，成本低廉的特點(diǎn)，能改善變流器功率因數(shù)的同時(shí)，能很大程度上削弱高次電壓諧波和電流諧波。

其次是支撐作用，在內(nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)線上多次試驗(yàn)測(cè)得，受電弓受流情況惡劣，存在著短時(shí)間的離線情況。在發(fā)生離線的情況時(shí)，直流支撐電容作為儲(chǔ)能元件將為變流器提供短暫的能量，在離線情況結(jié)束時(shí)再由接觸網(wǎng)給電容充電，所以支撐電容選擇時(shí)，在條件允許的情況下，電容的容量越大越好。在離線結(jié)束受電弓再次受流時(shí)，電容充電產(chǎn)生沖擊電流，電感用來(lái)抑制沖擊電流。在上述的兩種情況中，電容電感的選擇主要是以滿(mǎn)足離線支撐為主。

參數(shù)計(jì)算過(guò)程如下：牽引變流器中欠壓保護(hù)值為460 V，電機(jī)功率因數(shù)為0.5，牽引變流器的有功功率為75 kW，以10 ms為離線時(shí)間。在以下的計(jì)算過(guò)程中以電阻負(fù)載代替直線電機(jī)負(fù)載來(lái)行進(jìn)計(jì)算，折算的公式如式（5）所示。

在10 ms離線時(shí)間時(shí)：

其 中 U為 750 V，t為 10 ms，C為 電 容 的 容 量 ，UC10≥2 727 V。

求解上式得：

電容的容量取值2 800 μF。

在受電弓再次受電時(shí)，電容和負(fù)載并聯(lián)和電感組成串聯(lián)諧振電路。假設(shè)負(fù)載電流穩(wěn)定，電路如圖3所示[6]。

圖3 諧振電路Fig.3 Resonance circuit

IO表示負(fù)載電流，電路中電感電流和電容電壓在初始時(shí)刻tO的初始狀態(tài)為IL0和UC0，則電路方程為：

將式（9）微分，并在等式兩端乘以C，得式

將式（10）代入式（9）可得：

當(dāng)t≥t0時(shí)方程的解為

其中ω0和Z0分別是諧振電路的諧振角頻率和特征阻抗，且

以10 ms離線結(jié)束后，受電弓再次受電作為t0時(shí)刻。則=462 V，=0 A，=100 A。

規(guī)定的沖擊電流不能超過(guò)350 A，否則對(duì)受電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊而跳閘。

由式（9）可得：

得L≥4.37 mH

考慮余量取電感L值為5 mH。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of control system

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整個(gè)控制系統(tǒng)主要可以分為5部分：中央處理單元，IGBT驅(qū)動(dòng)單元，信號(hào)檢測(cè)和調(diào)理單元，通信單元，和顯示單元。中央處理單元主要由TMS320F2812和CPLD構(gòu)成，TMS320F2812完成PWM信號(hào)控制算法，采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，和主牽引DSP進(jìn)行CAN通信，和調(diào)試操作器進(jìn)行485通信，CPLD完成對(duì)保護(hù)檢測(cè)的采樣值進(jìn)行硬件保護(hù)，速度快，可以有效地在第一時(shí)間對(duì)各種故障進(jìn)行判定然后做出處理。

信號(hào)檢測(cè)和調(diào)理單元主要完成對(duì)列車(chē)門(mén)狀態(tài)，接觸器閉合狀態(tài)和制動(dòng)器狀態(tài)的檢測(cè)，傳感器的二次側(cè)信號(hào)通過(guò)調(diào)理電路傳送回中央控制單元進(jìn)行處理。

顯示電路主要完成對(duì)工作狀態(tài)的顯示，對(duì)發(fā)生故障時(shí)的故障信息的顯示，方便調(diào)試的時(shí)候快速定位故障。

IGBT驅(qū)動(dòng)電路主要完成對(duì)IBGT的驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)器件退飽和檢測(cè)。開(kāi)關(guān)器件的退飽和檢測(cè)是通過(guò)驅(qū)動(dòng)板上的“VCE檢測(cè)”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于IGBT來(lái)說(shuō)，由于器件在短路過(guò)程中流經(jīng)C-E極的電流很大，因此短路時(shí)器件的導(dǎo)通壓降較之于正常情況下有很大的增加。驅(qū)動(dòng)板上的“VCE檢測(cè)”單元的目的，就是通過(guò)檢測(cè)IGBT開(kāi)關(guān)管C極與E極之間的電壓來(lái)判斷其故障情況的。

通信單元包括CAN通信電路和485通信電路，完成通過(guò)上位機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的命令信號(hào)的接受，本機(jī)運(yùn)行參數(shù)的上傳。

2.3 控制策略

直線電機(jī)矢量控制的動(dòng)態(tài)模型[7]可表示為：

其中usq，usd——初級(jí)電壓q軸與d軸分量；

urq，urd——次級(jí)電壓q軸與d軸分量；

isq，isd——初級(jí)電流q軸與d軸分量；

irq，ird——次級(jí)電流q軸與d軸分量。

控制策略采用基于滑模變結(jié)構(gòu)的間接矢量控制[8]。牽引控制系統(tǒng)通過(guò)給定牽引力值、額定磁通值、給定速度值以及速度反饋值完成電流閉環(huán)控制，輸出電壓矢量，產(chǎn)生PWM脈沖。原理框圖如圖5所示。

圖5 基于滑模變結(jié)構(gòu)的間接矢量控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of indirect vector control system based on sliding mode variable structure

采用滑模變結(jié)構(gòu)的控制策略可以實(shí)現(xiàn)對(duì)初級(jí)電流的快速控制，使得牽引力在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到所希望的值；消除了初級(jí)兩軸之間的耦合關(guān)系，同時(shí)對(duì)電機(jī)參數(shù)變化也具備了良好的魯棒性，使得初級(jí)電流的控制盡可能不受電機(jī)運(yùn)行條件的限制。

3 實(shí) 驗(yàn)

以?xún)?nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)線路為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？刂齐娐坊赥MS320F2812并采用CPLD實(shí)現(xiàn)硬件保護(hù)，IGBT使用富士1700 V，400 A橋臂，IGBT驅(qū)動(dòng)使用配套的富士PHSI 2317。支撐電容為2 700 μF。電感為5 mL。直流側(cè)輸入的電壓為750 V，變流器IGBT調(diào)制頻率為2 K。逆變輸出電壓為530 V，頻率為50 Hz。額定電壓滿(mǎn)載時(shí)考核波形如圖6所示。

圖6 牽引變流器滿(mǎn)載時(shí)考核試驗(yàn)波形圖Fig.6 Waveform of normal load

其中為AB兩相線電壓，為A相電流。從波形中可以看出，電流波形穩(wěn)定，畸變小。

4 結(jié)束語(yǔ)

從引變流器的主電路、控制系統(tǒng)和控制策略3方面介紹了針對(duì)新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)中的特點(diǎn)而進(jìn)行的設(shè)計(jì)過(guò)程，最后用實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的正確性和合理性。目前該變流器已經(jīng)運(yùn)用于內(nèi)管新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)線上。

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