新型直線電機運輸系統(tǒng)的開關電源設計

除了以上闡述的傳統(tǒng)PI控制，本系統(tǒng)還應用了前饋補償?shù)乃枷?，不再只以PI決定控制脈沖占空比，加入了前饋補償計算結果，使得控制系統(tǒng)的反應速度更快。PI調節(jié)模塊作為“微調”，使得輸出電壓紋波系數(shù)更小，穩(wěn)定性更佳，有效抑制了系統(tǒng)因沖擊、震蕩所引起的輸出劇烈波動。具體應用方法如公式(17)所示。

上式中，D為最終IGBT控制脈沖占空比；PLout為PI調節(jié)模塊計算結果；Uref為前饋補償計算給定值，這里取各級電壓閉環(huán)的額定輸出電壓；Uin為前饋補償計算輸入值，這里取各級電壓閉環(huán)的輸入電壓。因此，Uref／Uin即為前饋補償計算結果。
2．4 保護策略
如前文所述，內蒙新型直線電機運輸系統(tǒng)試驗線存在弓網關系差的問題，在某些區(qū)段頻繁出現(xiàn)短時掉電-再上電的現(xiàn)象，進而在前級BUCK電路的電感、電容上產生沖擊電流、沖擊電壓。其中，尤以沖擊電流對系統(tǒng)的損害作用最大。經仿真，采用前文所選電路器件參數(shù)和閉環(huán)控制策略，10 ms脫弓情況下，電流沖擊一般會達到90A。除此之外，系統(tǒng)還可能出現(xiàn)各種過壓、過流故障。因此，采取有效的保護策略，抑制沖擊電流過大，保證系統(tǒng)穩(wěn)定是十分必要的。具體保護邏輯如下：
1)輸入過壓——封鎖全部控制脈沖，過一段時間后(10 s)進行檢測，若此時并無過壓情況，則重新啟動脈沖。DC／DC變換電路直接恢復至保護前占空比，BUCK電路進入軟啟動模式，以當前UDC600V／UDC1500V為占空比起始點，依時序逐漸增大占空比，直到DC600 V達到額定值為止。輸入過壓保護值取1800V。
2)輸入欠壓——這種故障中主要出現(xiàn)于網側短時掉電情況下。輸入欠壓保護后，僅封鎖BUCK電路控制脈沖，在控制系統(tǒng)每一時序周期對網壓進行監(jiān)測，一旦恢復正常，BUCK電路進入軟啟動模式，方式同I。輸入欠壓保護值取1 000 V。
3)DC600V過壓——封鎖全部控制脈沖，中間電壓經由壓倉電阻緩慢泄放，當?shù)陀?50 V時，系統(tǒng)重新啟動脈沖。方式同I。DC600 V過壓保護值取700V。
4)輸出過壓、欠壓——封鎖全部控制脈沖，5 s后系統(tǒng)重新啟動。如果在1分鐘內重啟次數(shù)超過3次，則系統(tǒng)停機，不再重啟，人工進行故障修復。輸出過壓保護值取30 V，欠壓保護值取20 V。
5)輸出過流——當IfhIoutIdl時，即輸出發(fā)生過負荷，但尚未發(fā)生短路故障時，通過降低輸出電壓的方式抑制過負荷電流；當Iout> Idl時，即輸出發(fā)生短路時，封鎖全部控制脈沖，系統(tǒng)停機，人工進行故障修復。


3 系統(tǒng)仿真
利用MATLAB軟件實現(xiàn)系統(tǒng)仿真，搭建模型如圖5所示。

圖6所示為系統(tǒng)仿真電壓波形圖。1通道為DC600 V波形；2通道為DC24 V波形；3通道為變壓器原邊波形；4通道為二極管整流后波形。