新型直線電機運輸系統的牽引變流器設計

宋永豐，趙雷廷，王 磊，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）

煤炭資源是重要的基礎能源之一，當前短距離煤炭運輸途徑是公路運輸，存在成本高，對環境的污染嚴重的問題。這種傳統的運輸方式已經無法滿足人們日益增長的煤炭需求，在此情況下，新型直線電機運輸系統應運而生[1]。新型直線電機運輸系統采用直線電機推進，具有攀登坡度大、轉彎半徑小、運行平穩、易于實現自動控制、無噪音、不排出有害的廢氣、利于環境保護、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[2-3]。牽引變流器作為車輛的核心裝置之一，其性能水平直接影響運輸系統的優劣。所以對牽引變流器的研究顯得非常必要。

1 新型直線電機運輸系統結構

新型直線電機運輸系統，供電系統采用三相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，驅動直線電機工作。通過牽引控制器發指令，控制車輛的運行。直線感應電機采用單邊短初級型，即初級鐵心及繞組安裝在車體底部，而次級導體板沿軌道鋪開，當初級繞組中通入三相正弦電流后，所產生的行波磁場將在次級導體板中感生出電流，兩者相互作推力驅動車輛前進。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

2 牽引變流器設計

根據實際線路的牽引計算結果，變流器在額定負載的時候最大輸出功率為94 kVA。在受電弓離線后再次受流，電容側的沖擊電流可以達到350 A考慮車輛具有過載運輸能力和留有余量，牽引變流器參數為：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 主電路設計

牽引變流器主要完成DC－AC的變化過程，控制直線電機的運行，采用三相電壓型橋式逆變電路結構，主電路拓撲如圖2所示，主要包括輸入預充電電路，三相逆變電路，停止運行時放電電路，LC緩沖支撐電路，還有傳感器，熔斷器構成。裝置外形尺寸為125 mm×30 mm×40 mm，冷卻方式為強迫風冷，在散熱片上加上溫度傳感器，進行過溫保護。

圖2 主電路拓撲Fig.2 Main circuit

預充電回路由預充電接觸器KM2，主接觸器KM1和電阻R1組成，通過向中間電容器充電以減小合閘時電壓突變對中間電容器的沖擊[4]。

三相逆變電路主要由A、B、C3個IGBT橋臂組成，通過受電弓取電，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。

其中為接觸網電壓：750 V；K1為電網電壓波動系數一般取1.15；K2為直流中間回路有反饋時的泵升電壓系數一般取1.2；K3為必要的電壓安全系數一般取1.3～1.5。

器件的計算額定電壓：

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

取過載系數為1.5，紋波系數為1.2，則流過IGBT的最大電流為：

牽引變流器開關管額定電壓為1 700 V，額定電流為300 A。

當變流器停止工作時，通過放電回路的接觸器和放電電阻對電容進行放電，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濾波器具有結構簡單，效果明顯，成本低廉的特點，能改善變流器功率因數的同時，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，在內蒙新型直線電機運輸系統實驗線上多次試驗測得，受電弓受流情況惡劣，存在著短時間的離線情況。在發生離線的情況時，直流支撐電容作為儲能元件將為變流器提供短暫的能量，在離線情況結束時再由接觸網給電容充電，所以支撐電容選擇時，在條件允許的情況下，電容的容量越大越好。在離線結束受電弓再次受流時，電容充電產生沖擊電流，電感用來抑制沖擊電流。在上述的兩種情況中，電容電感的選擇主要是以滿足離線支撐為主。

參數計算過程如下：牽引變流器中欠壓保護值為460 V，電機功率因數為0.5，牽引變流器的有功功率為75 kW，以10 ms為離線時間。在以下的計算過程中以電阻負載代替直線電機負載來行進計算，折算的公式如式（5）所示。

在10 ms離線時間時：

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，電容和負載并聯和電感組成串聯諧振電路。假設負載電流穩定，電路如圖3所示[6]。

圖3 諧振電路Fig.3 Resonance circuit

IO表示負載電流，電路中電感電流和電容電壓在初始時刻tO的初始狀態為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t≥t0時方程的解為

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離線結束后，受電弓再次受電作為t0時刻。則=462 V，=0 A，=100 A。

規定的沖擊電流不能超過350 A，否則對受電網產生沖擊而跳閘。

由式（9）可得：

得L≥4.37 mH

考慮余量取電感L值為5 mH。

2.2 控制系統設計

圖4 控制系統結構Fig.4 Structure of control system

控制系統結構圖如圖4所示。整個控制系統主要可以分為5部分：中央處理單元，IGBT驅動單元，信號檢測和調理單元，通信單元，和顯示單元。中央處理單元主要由TMS320F2812和CPLD構成，TMS320F2812完成PWM信號控制算法，采集的數據進行處理，和主牽引DSP進行CAN通信，和調試操作器進行485通信，CPLD完成對保護檢測的采樣值進行硬件保護，速度快，可以有效地在第一時間對各種故障進行判定然后做出處理。

信號檢測和調理單元主要完成對列車門狀態，接觸器閉合狀態和制動器狀態的檢測，傳感器的二次側信號通過調理電路傳送回中央控制單元進行處理。

顯示電路主要完成對工作狀態的顯示，對發生故障時的故障信息的顯示，方便調試的時候快速定位故障。

IGBT驅動電路主要完成對IBGT的驅動和開關器件退飽和檢測。開關器件的退飽和檢測是通過驅動板上的“VCE檢測”來實現的。對于IGBT來說，由于器件在短路過程中流經C-E極的電流很大，因此短路時器件的導通壓降較之于正常情況下有很大的增加。驅動板上的“VCE檢測”單元的目的，就是通過檢測IGBT開關管C極與E極之間的電壓來判斷其故障情況的。

通信單元包括CAN通信電路和485通信電路，完成通過上位機傳輸過來的命令信號的接受，本機運行參數的上傳。

2.3 控制策略

直線電機矢量控制的動態模型[7]可表示為：

其中usq，usd——初級電壓q軸與d軸分量；

urq，urd——次級電壓q軸與d軸分量；

isq，isd——初級電流q軸與d軸分量；

irq，ird——次級電流q軸與d軸分量。

控制策略采用基于滑模變結構的間接矢量控制[8]。牽引控制系統通過給定牽引力值、額定磁通值、給定速度值以及速度反饋值完成電流閉環控制，輸出電壓矢量，產生PWM脈沖。原理框圖如圖5所示。

圖5 基于滑模變結構的間接矢量控制系統框圖Fig.5 Block diagram of indirect vector control system based on sliding mode variable structure

采用滑模變結構的控制策略可以實現對初級電流的快速控制，使得牽引力在最短的時間內達到所希望的值；消除了初級兩軸之間的耦合關系，同時對電機參數變化也具備了良好的魯棒性，使得初級電流的控制盡可能不受電機運行條件的限制。

3 實 驗

以內蒙新型直線電機運輸系統線路為實驗平臺進行實驗。控制電路基于TMS320F2812并采用CPLD實現硬件保護，IGBT使用富士1700 V，400 A橋臂，IGBT驅動使用配套的富士PHSI 2317。支撐電容為2 700 μF。電感為5 mL。直流側輸入的電壓為750 V，變流器IGBT調制頻率為2 K。逆變輸出電壓為530 V，頻率為50 Hz。額定電壓滿載時考核波形如圖6所示。

圖6 牽引變流器滿載時考核試驗波形圖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，電流波形穩定，畸變小。

4 結束語

從引變流器的主電路、控制系統和控制策略3方面介紹了針對新型直線電機運輸系統中的特點而進行的設計過程，最后用實驗證明了設計的正確性和合理性。目前該變流器已經運用于內管新型直線電機運輸系統實驗線上。

[1]宋巖.管軌運輸車載運行控制系統原理樣機設計與實現[D].北京：北京交通大學，2009.

[2]行武奇.直線感應電機在自動軌道運輸系統中的應用[J].電力電子.2003，2（3）:71-73.

XING Wu-qi.Applicationsoflinearinduction motorin automated guide way transit[J].Power Electronics，2003，2（3）:73-75.

[3]王偉進.直線電機的發展與應用概述[J].微電機，2004，37，（1）:45-50.

WANG Wei-jin，Development and application of linear motor[J].Micro-motors， 2004，37（1）:45-50.

[4]張寧，王佳佳.CRH2型300 km/h動車組國產輔助變流器的設計[J].大功率變流技術，2010（2）:31-33.

ZHANG Ning，WANG Jia-jia.Design of domestic auxiliary converter for 300 km/h CRH2 electric multiple unit[J].High Power Converter Technology，2010（2）:31-33.

[5]俞榮凱.200km/h電力機車輔助逆變器研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[6]劉志剛.電力電子學[M].北京:清華大學出版社，2004.

[7]姚保慶，范瑜，呂剛.考慮邊端效應的直線感應電機矢量控制研究[J].微電機，2006，39（9）:29-32.

YAO Bao-qing，FAN Yu，LV Gang.Considering end effect of vector control for LIM[J].Micro-motors，2006，39（9）:29-32.

[8]朱軍，郝潤科，黃少瑞，等.轉差頻率矢量控制的電機調速系統設計與研究[J].現代電子技術，2010（20）:171-173，177.

ZHU Jun，HAO Run-ke，HUANG Shao-rui，et al.Design of motor governing system controlled with slip frequency vector[J].Modern Electronics Technique，2010（20）:171-173，177.