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除了以上闡述的傳統(tǒng)PI控制，本系統(tǒng)還應(yīng)用了前饋補(bǔ)償?shù)乃枷耄辉僦灰訮I決定控制脈沖占空比，加入了前饋補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果，使得控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度更快。PI調(diào)節(jié)模塊作為“微調(diào)”，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(dòng)。具體應(yīng)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(diào)節(jié)模塊計(jì)算結(jié)果;Uref為前饋補(bǔ)償計(jì)算給定值，這里取各級(jí)電壓閉環(huán)的額定輸出電壓;Uin為前饋補(bǔ)償計(jì)算輸入值，這里取各級(jí)電壓閉環(huán)的輸入電壓。因此，Uref/Uin即為前饋補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果。
2.4 保護(hù)策略
如前文所述，內(nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)試驗(yàn)線存在弓網(wǎng)關(guān)系差的問題，在某些區(qū)段頻繁出現(xiàn)短時(shí)掉電-再上電的現(xiàn)象，進(jìn)而在前級(jí)BUCK電路的電感、電容上產(chǎn)生沖擊電流、沖擊電壓。其中，尤以沖擊電流對(duì)系統(tǒng)的損害作用最大。經(jīng)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(huì)達(dá)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(hù)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(hù)邏輯如下：
1)輸入過壓——封鎖全部控制脈沖，過一段時(shí)間后(10 s)進(jìn)行檢測，若此時(shí)并無過壓情況，則重新啟動(dòng)脈沖。DC/DC變換電路直接恢復(fù)至保護(hù)前占空比，BUCK電路進(jìn)入軟啟動(dòng)模式，以當(dāng)前UDC600V/UDC1500V為占空比起始點(diǎn)，依時(shí)序逐漸增大占空比，直到DC600 V達(dá)到額定值為止。輸入過壓保護(hù)值取1800V。
2)輸入欠壓——這種故障中主要出現(xiàn)于網(wǎng)側(cè)短時(shí)掉電情況下。輸入欠壓保護(hù)后，僅封鎖BUCK電路控制脈沖，在控制系統(tǒng)每一時(shí)序周期對(duì)網(wǎng)壓進(jìn)行監(jiān)測，一旦恢復(fù)正常，BUCK電路進(jìn)入軟啟動(dòng)模式，方式同I。輸入欠壓保護(hù)值取1 000 V。
3)DC600V過壓——封鎖全部控制脈沖，中間電壓經(jīng)由壓倉電阻緩慢泄放，當(dāng)?shù)陀?50 V時(shí)，系統(tǒng)重新啟動(dòng)脈沖。方式同I。DC600 V過壓保護(hù)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(dòng)。如果在1分鐘內(nèi)重啟次數(shù)超過3次，則系統(tǒng)停機(jī)，不再重啟，人工進(jìn)行故障修復(fù)。輸出過壓保護(hù)值取30 V，欠壓保護(hù)值取20 V。
5)輸出過流——當(dāng)Ifh Idl時(shí)，即輸出發(fā)生短路時(shí)，封鎖全部控制脈沖，系統(tǒng)停機(jī)，人工進(jìn)行故障修復(fù)。
3 系統(tǒng)仿真
利用MATLAB軟件實(shí)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。
4 實(shí)驗(yàn)
根據(jù)文中開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，搭建出試驗(yàn)樣機(jī)。BUCK電路開關(guān)管使用IXYS公司3 300 V，30 A等級(jí)IGBT;DC/DC電路開關(guān)管使用三菱公司PS系列1 200 V，25 A等級(jí)IPM;IGBT驅(qū)動(dòng)選擇瑞典CONCEPT公司驅(qū)動(dòng)模塊;變壓器、BUCK電路電容、電感值，均按照前文設(shè)計(jì)方案選取。系統(tǒng)額定電壓半載時(shí)，考核波形如圖7、圖8所示。
圖7中，上數(shù)第一通道為BUCK電路IGBT兩端電壓波形，上數(shù)第三通道為輸出電壓波形，中間通道為BUCK電路電感電流波形，因?yàn)槭褂秒娏縻Q的緣故，故示波器該通道上顯示為電壓波形。圖中電感電流值為實(shí)際值的8倍，且因半載工況下電感電流斷續(xù)，IGBT兩端電壓在相應(yīng)區(qū)間出現(xiàn)輕微上浮。
此外，由于沒有安裝吸收電路，因此IGBT在開通、關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生電壓尖峰，電感上同樣存在電流尖峰。在后續(xù)研究中，可以嘗試在BUCK電路IGBT兩端加裝吸收電路，以達(dá)到去除干擾的效果。
圖8中，上數(shù)第一通道為變壓器原邊電壓波形，上數(shù)第三通道為二極管整流后電壓波形，中間通道為DC600V波形，由于在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中，RC吸收電路參數(shù)均經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，最后選擇最優(yōu)方案使用，因此DC/DC變換電路實(shí)際波形較好。
5 結(jié)束語
根據(jù)新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的需求，本文設(shè)計(jì)了一種具兩級(jí)降壓結(jié)構(gòu)的新型開關(guān)電源。給出了系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)、器件選型過程、控制系統(tǒng)與控制策略、保護(hù)邏輯以及仿真模型，最后用實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的正確性與合理性。針對(duì)網(wǎng)側(cè)存在的短時(shí)脫弓現(xiàn)象，提出了相應(yīng)預(yù)防措施。最后通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，性能良好，完全滿足新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的要求。
目前，該開關(guān)電源樣機(jī)正在內(nèi)蒙新型直線電機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)試驗(yàn)線進(jìn)行后續(xù)相關(guān)試驗(yàn)。
