新型直线电机运输系统的牵引变流器设计

宋永丰，赵雷廷，王 磊，刘志刚

（1.北京交通大学 电气工程学院，北京 100044；2.中国科学院 电工研究所，北京 100190）

煤炭资源是重要的基础能源之一，当前短距离煤炭运输途径是公路运输，存在成本高，对环境的污染严重的问题。这种传统的运输方式已经无法满足人们日益增长的煤炭需求，在此情况下，新型直线电机运输系统应运而生[1]。新型直线电机运输系统采用直线电机推进，具有攀登坡度大、转弯半径小、运行平稳、易于实现自动控制、无噪音、不排出有害的废气、利于环境保护、运营维护和耗能费用低等优点，是21世纪理想的煤炭运输方式[2-3]。牵引变流器作为车辆的核心装置之一，其性能水平直接影响运输系统的优劣。所以对牵引变流器的研究显得非常必要。

1 新型直线电机运输系统结构

新型直线电机运输系统，供电系统采用三相PWM整流器，输入电压为10 kV，50 Hz交流电，输出电压为750 V直流电压。牵引变流器输入电压为750 V直流电，输出额定电压为530 V的可变频变压交流电，驱动直线电机工作。通过牵引控制器发指令，控制车辆的运行。直线感应电机采用单边短初级型，即初级铁心及绕组安装在车体底部，而次级导体板沿轨道铺开，当初级绕组中通入三相正弦电流后，所产生的行波磁场将在次级导体板中感生出电流，两者相互作推力驱动车辆前进。新型直线电机运输系统整体结构如图1所示。

图1 新型直线电机运输系统结构Fig.1 Structure of the novel linear motor transport system

2 牵引变流器设计

根据实际线路的牵引计算结果，变流器在额定负载的时候最大输出功率为94 kVA。在受电弓离线后再次受流，电容侧的冲击电流可以达到350 A考虑车辆具有过载运输能力和留有余量，牵引变流器参数为：额定容量：150 kVA，额定输出电流：160 A，额定输出电压：530 V，输出频率：0～100 Hz，并且具有耐受电弓离线电流冲击能力。

2.1 主电路设计

牵引变流器主要完成DC－AC的变化过程，控制直线电机的运行，采用三相电压型桥式逆变电路结构，主电路拓扑如图2所示，主要包括输入预充电电路，三相逆变电路，停止运行时放电电路，LC缓冲支撑电路，还有传感器，熔断器构成。装置外形尺寸为125 mm×30 mm×40 mm，冷却方式为强迫风冷，在散热片上加上温度传感器，进行过温保护。

图2 主电路拓扑Fig.2 Main circuit

预充电回路由预充电接触器KM2，主接触器KM1和电阻R1组成，通过向中间电容器充电以减小合闸时电压突变对中间电容器的冲击[4]。

三相逆变电路主要由A、B、C3个IGBT桥臂组成，通过受电弓取电，主要完成把750 V的直流电逆变成额定电压为530 V的可变频变压的交流电。IGBT的选择主要考虑额定电压，额定电流和散热。额定电压选择如式（1）[5]所示。

其中为接触网电压：750 V；K1为电网电压波动系数一般取1.15；K2为直流中间回路有反馈时的泵升电压系数一般取1.2；K3为必要的电压安全系数一般取1.3～1.5。

器件的计算额定电压：

由于直流侧的额定电压为750 V，输出电压的额定有效值为530 V，主变流器稳定运行在150 kVA时，其输出电流的大小为：

取过载系数为1.5，纹波系数为1.2，则流过IGBT的最大电流为：

牵引变流器开关管额定电压为1 700 V，额定电流为300 A。

当变流器停止工作时，通过放电回路的接触器和放电电阻对电容进行放电，保证人身安全。

LC缓冲支撑电路由两部分的作用，首先是直流滤波的作用，LC滤波器具有结构简单，效果明显，成本低廉的特点，能改善变流器功率因数的同时，能很大程度上削弱高次电压谐波和电流谐波。

其次是支撑作用，在内蒙新型直线电机运输系统实验线上多次试验测得，受电弓受流情况恶劣，存在着短时间的离线情况。在发生离线的情况时，直流支撑电容作为储能元件将为变流器提供短暂的能量，在离线情况结束时再由接触网给电容充电，所以支撑电容选择时，在条件允许的情况下，电容的容量越大越好。在离线结束受电弓再次受流时，电容充电产生冲击电流，电感用来抑制冲击电流。在上述的两种情况中，电容电感的选择主要是以满足离线支撑为主。

参数计算过程如下：牵引变流器中欠压保护值为460 V，电机功率因数为0.5，牵引变流器的有功功率为75 kW，以10 ms为离线时间。在以下的计算过程中以电阻负载代替直线电机负载来行进计算，折算的公式如式（5）所示。

在10 ms离线时间时：

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

求解上式得：

电容的容量取值2 800 μF。

在受电弓再次受电时，电容和负载并联和电感组成串联谐振电路。假设负载电流稳定，电路如图3所示[6]。

图3 谐振电路Fig.3 Resonance circuit

IO表示负载电流，电路中电感电流和电容电压在初始时刻tO的初始状态为IL0和UC0，则电路方程为：

将式（9）微分，并在等式两端乘以C，得式

将式（10）代入式（9）可得：

当t≥t0时方程的解为

其中ω0和Z0分别是谐振电路的谐振角频率和特征阻抗，且

以10 ms离线结束后，受电弓再次受电作为t0时刻。则=462 V，=0 A，=100 A。

规定的冲击电流不能超过350 A，否则对受电网产生冲击而跳闸。

由式（9）可得：

得L≥4.37 mH

考虑余量取电感L值为5 mH。

2.2 控制系统设计

图4 控制系统结构Fig.4 Structure of control system

控制系统结构图如图4所示。整个控制系统主要可以分为5部分：中央处理单元，IGBT驱动单元，信号检测和调理单元，通信单元，和显示单元。中央处理单元主要由TMS320F2812和CPLD构成，TMS320F2812完成PWM信号控制算法，采集的数据进行处理，和主牵引DSP进行CAN通信，和调试操作器进行485通信，CPLD完成对保护检测的采样值进行硬件保护，速度快，可以有效地在第一时间对各种故障进行判定然后做出处理。

信号检测和调理单元主要完成对列车门状态，接触器闭合状态和制动器状态的检测，传感器的二次侧信号通过调理电路传送回中央控制单元进行处理。

显示电路主要完成对工作状态的显示，对发生故障时的故障信息的显示，方便调试的时候快速定位故障。

IGBT驱动电路主要完成对IBGT的驱动和开关器件退饱和检测。开关器件的退饱和检测是通过驱动板上的“VCE检测”来实现的。对于IGBT来说，由于器件在短路过程中流经C-E极的电流很大，因此短路时器件的导通压降较之于正常情况下有很大的增加。驱动板上的“VCE检测”单元的目的，就是通过检测IGBT开关管C极与E极之间的电压来判断其故障情况的。

通信单元包括CAN通信电路和485通信电路，完成通过上位机传输过来的命令信号的接受，本机运行参数的上传。

2.3 控制策略

直线电机矢量控制的动态模型[7]可表示为：

其中usq，usd——初级电压q轴与d轴分量；

urq，urd——次级电压q轴与d轴分量；

isq，isd——初级电流q轴与d轴分量；

irq，ird——次级电流q轴与d轴分量。

控制策略采用基于滑模变结构的间接矢量控制[8]。牵引控制系统通过给定牵引力值、额定磁通值、给定速度值以及速度反馈值完成电流闭环控制，输出电压矢量，产生PWM脉冲。原理框图如图5所示。

图5 基于滑模变结构的间接矢量控制系统框图Fig.5 Block diagram of indirect vector control system based on sliding mode variable structure

采用滑模变结构的控制策略可以实现对初级电流的快速控制，使得牵引力在最短的时间内达到所希望的值；消除了初级两轴之间的耦合关系，同时对电机参数变化也具备了良好的鲁棒性，使得初级电流的控制尽可能不受电机运行条件的限制。

3 实 验

以内蒙新型直线电机运输系统线路为实验平台进行实验。控制电路基于TMS320F2812并采用CPLD实现硬件保护，IGBT使用富士1700 V，400 A桥臂，IGBT驱动使用配套的富士PHSI 2317。支撑电容为2 700 μF。电感为5 mL。直流侧输入的电压为750 V，变流器IGBT调制频率为2 K。逆变输出电压为530 V，频率为50 Hz。额定电压满载时考核波形如图6所示。

图6 牵引变流器满载时考核试验波形图Fig.6 Waveform of normal load

其中为AB两相线电压，为A相电流。从波形中可以看出，电流波形稳定，畸变小。

4 结束语

从引变流器的主电路、控制系统和控制策略3方面介绍了针对新型直线电机运输系统中的特点而进行的设计过程，最后用实验证明了设计的正确性和合理性。目前该变流器已经运用于内管新型直线电机运输系统实验线上。

[1]宋岩.管轨运输车载运行控制系统原理样机设计与实现[D].北京：北京交通大学，2009.

[2]行武奇.直线感应电机在自动轨道运输系统中的应用[J].电力电子.2003，2（3）:71-73.

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

[3]王伟进.直线电机的发展与应用概述[J].微电机，2004，37，（1）:45-50.

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

[4]张宁，王佳佳.CRH2型300 km/h动车组国产辅助变流器的设计[J].大功率变流技术，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]俞荣凯.200km/h电力机车辅助逆变器研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[6]刘志刚.电力电子学[M].北京:清华大学出版社，2004.

[7]姚保庆，范瑜，吕刚.考虑边端效应的直线感应电机矢量控制研究[J].微电机，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]朱军，郝润科，黄少瑞，等.转差频率矢量控制的电机调速系统设计与研究[J].现代电子技术，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.