CN101834552A - 一种干线高速车辆的永磁同步牵引系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种干线高速车辆永磁同步牵引系统，包括：多台逆变器和分别由每台逆变器单独控制的相应的永磁同步电机，所述永磁同步电机采用低空载感应电压电机。该干线高速车辆永磁同步牵引系统的整体性能得到了较大的提高。

Description

一种干线高速车辆的永磁同步牵引系统

技术领域

本发明属于干线高速车辆领域，尤其涉及一种干线高速车辆的永磁同步牵引系统。

背景技术

由于永磁同步电机具有高效率、高功率因数的特点，将永磁同步电机应用于牵引系统，一方面可以保持齿轮直接替代异步电机，从而提高系统效率，降低能耗，实现牵引电机的全封闭结构；另一方面可以省去齿轮箱，实现直接传动，从而提高系统传动效率，减少系统维护工作，降低系统的寿命周期成本。

永磁同步电机在控制过程中由于受到电压极限值U_smax(即电机稳态运行时端电压U_s的极限值)的限制，不可能无限制地升速，电机的反电势将不断升高，当电机转速到达ω_r1时，即n_p·ω_r1·ψ_s＝U_smax时，电机两端的反电势等于逆变器的电压极限值。如果要求转速继续升高，必须减弱定子磁场ψ_s才能保证n_p·ω_r1·ψ_s≤U_smax成立。当电机转速ω_r＜ω_r1时，电机运行在恒转矩区域，采用线性最大转矩电流比控制可以使永磁同步电机获得最大的电磁转矩T_emax。当电机转速ω_r≥ω_r1时，电机进入恒功率运行区域，需要采用弱磁控制，适当控制电流i_d，减小i_q，输出转矩减小，输出功率P保持不变，其中i_d和i_q分别为定子电流在d和q轴的分量。图1示出了永磁同步电机弱磁控制过程中的功率、转矩和电压变化关系的曲线。为了保证即使在短路的情况下，永磁同步电机的电压极限椭圆的圆心位于电流极限圆内，则当转速进一步提高时，电压极限椭圆和电流极限椭圆之间无交点，依据最大输出功率控制原则，交直轴电流i_d和i_q依据轨迹BC变化(参见图2)。当转速ω_r＝ω_r2时，i_q＝0，此时输出转矩为0，电机输出有功功率也为零。弱磁升速过程就是保持电机端电压不变、而降低输出转矩的过程，同时也是调整d轴和q轴电流在受限状态下分配关系的过程，如图2所示。

另外，永磁同步牵引系统在干线高速车辆应用过程中有别于异步牵引系统，永磁同步电机属于同步电机，电机的供电频率和旋转速度严格成正比；另外，永磁同步电机由于采用永磁体励磁，其磁场始终存在，由于永磁同步电机的励磁无法管段，既是外部不供给电源，永磁同步电机的永磁体也能使定子线圈产生交链磁通，只要其旋转，端子就会产生感应电压，这种电压称为空载感应电压，空载感应电压的大小取决于永磁体产生的磁场和电机的转速。在永磁同步牵引系统中，空载感应电压可能带来如下问题：1、逆变器出现故障时，电机向故障点供电，导致故障影响的扩大；2、空载电压的峰值超过逆变器元件的耐压值，会损坏元件；3、增加了电机在高速时重新投入控制的困难程度；4、当电机发生匝间短路时，空载电压的存在有可能造成故障的扩大。因此，在设计干线高速车辆永磁同步牵引系统时需要对空载感应电压进行合理的选择。再者，短路电流也是影响永磁同步牵引系统的关键性因素。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种干线高速车辆的永磁同步牵引系统，该系统的关键参数选择能够大幅提高系统的整体性能。

为实现上述目的，本发明提供一种干线高速车辆永磁同步牵引系统，包括：多台逆变器和分别由每台逆变器单独控制的相应的永磁同步电机，所述永磁同步电机采用低空载感应电压电机。

优选地，所述永磁同步电机最大转速时的空载感应电压经过二极管整流产生的电压不超过输入到牵引逆变器的直流电压的最低值。

优选地，所述输入到牵引逆变器的直流电压的最低值为1300V，所述永磁同步电机最大转速时的空载感应电压为930V。

优选地，所述永磁同步电机的定子铁芯长度为140mm。

优选地，所述永磁同步电机的三相对称短路稳态电流与永磁同步电机稳态运行时的定子电流最大值相等。

优选地，在所述每个永磁同步电机与每台相应的逆变器之间还串联设置负载接触器。

本发明实施例提供的干线高速车辆永磁同步牵引系统的整体性能得到了较大的提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是永磁同步电机弱磁控制过程中的功率、转矩和电压变化关系的示意图；

图2是弱磁控制过程中交直轴电流变换关系图；

图3是本发明实施例提供的一种干线高速车辆的永磁同步牵引系统的示意图；

图4是分别采用高空载感应电压方案和低空载感应电压方案时峰值工况下的功率因数和效率随电机转速的变化关系示意图；

图5是永磁同步电机与牵引逆变器控制的简单示意图；

图6a是选择状态0时牵引逆变器和永磁同步电机的控制关系图；

图6b是选择状态7时牵引逆变器和永磁同步电机的控制关系图；

图7是系统进行对称短路时的永磁同步电机三相电流变化情况示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中的异步牵引系统通常由一台控制器(通常是牵引逆变器)控制两台同步电机或四台一部电机，此时同时被控的两台或四台一部电机的定子供电频率是一致的，由于转差的存在，异步牵引系统可以避免由于轮径差造成的线速度不一致的问题。但是在同步牵引系统中，永磁同步电机的旋转转速与供电频率严格成正比，如果两台甚至四台永磁同步电机一个控制器，由于定子频率一致，所以被控的电机的旋转速度一致，考虑到轮对之间的轮径差，则采用统一控制器的多个永磁同步电机的线速度可能存在差别，这在实际的系统中是不允许的。为此本发明实施例提供的牵引系统中采用每个牵引逆变器控制单独的一台永磁同步电机方式，具体地，可以采用图3所示的逆变器和永磁同步电机的连接方式，在图3中，特别的以系统中包含4台永磁同步电机为例，分别记为M1、M2、M3和M4，每台永磁同步电机各由一牵引逆变器控制。

以下详细说明对空载感应电压的选择。

为完全克服空载感应电压对系统性能的影响，保证即使在最高转速下产生的空载感应电压经二极管整流产生的电压不超过中间直流电压最低值，这里的中间直流电压为输入牵引逆变器的直流电压，通常，中间直流电压最低值取DC1300V，经过发明人多次试验，最优地选择最大空载感应电压(即最大转速下产生的空载感应电压)为930V。而最大空载感应的选择需要考虑系统安全，在系统安全不受控时，使得即使在最高转速下空载感应电压通过反向二极管整流得到的直流侧电压也不超过1900V左右，对功率器件及主电路不会造成损坏，为此经过多次试验，选择最大空载感应电压在1400V左右。经过计算，上述选择的最优的高空载感应电压和低空载感应电压对应的电机定子铁心长度可以分别选为140mm和160mm。

图4示出了经过实验测得的分别采用高空载感应电压方案和低空载感应电压方案时峰值工况下的功率因数和效率随电机转速的变化关系示意图，其中横轴n为转速，纵轴E0为空载感应电压。由图4所示，在低速段效率，选择低空载感应电压的永磁同步电机与高空载电压的电机相比，效率有一定的降低，而在高速段降低不是很明显。另外，在整个速度范围内，采用低空载感应电压的电机对应的功率因数要低于采用高空载感应电压的电机。

由于干线高速车辆长时间运行在最高转速点，所以对最高转速点进行详细分析。由图4所示，在最高转速点低空载感应电压的永磁同步电机在效率和功率因数上与高空载感应电压永磁同步电机并没有明显的区别，而低空载感应电压在整个运行区域均没有高速重投的困难，所谓高速重投是指在高速时对逆变器和电机系统重新建立控制。综上，低空载感应电压的电机在干线高速车辆长时间运行时，效率和功率因数并不低，并且没有高速重投的困难。

而对于高空载感应电压的永磁同步电机，其接近最大满电压的时间最早，也就是说其最早的进入弱磁控制阶段，其在最高转速时的弱磁深度相对低空载感应电压的电机要更深，而弱磁深度越深，需要施加的负向直轴电流越大，整个电流的幅值上升得也越快。

基于上文对不同的空载感应电压对永磁同步电机的影响，本发明实施例采用相对较低的空载感应电压的永磁同步电机。

另外，即使采用低空载感应电压的永磁同步电机在系统发生故障时，电机不可控且高速旋转时，仍然会向故障点供电，为了保证此时产生的空载感应电压不对系统产生恶劣影响，优选地在电机与逆变器之间增加负载接触器305，能够有效地断开永磁同步电机301与牵引逆变器302。

以下详细说明对永磁同步牵引系统的短路电流的选择。

图5示出了永磁同步电机301与牵引逆变器302控制的简单示意图。其中牵引逆变器302具有8个开关状态，这里A相的上桥臂和下桥臂的开关分别记为Sa和Sa’；B相的上桥臂和下桥臂的开关分别记为Sb和Sb’；C相的上桥臂和下桥臂的开关分别记为Sc和Sc’。牵引逆变器302的8个开关状态可以表示为：

表1

状态	0	1	2	3	4	5	6	7
									Sa	0	1	0	1	0	1	0	1
Sb	0	0	1	1	0	0	1	1
									Sc	0	0	0	0	1	1	1	1

其中，1表示上桥臂的开关管导通，0表示下桥臂的开关管导通。

选择状态0和状态7可以实现永磁同步电机的对称短路，图6a示出了选择状态0时牵引逆变器302和永磁同步电机301的控制关系图，图6b示出了选择状态7时牵引逆变器302和永磁同步电机301的控制关系图。图7示出了系统进行对称短路时的永磁同步电机三相电流变化情况。假设在0.05s对系统进行对称短路，当整个系统处于稳态时对应的永磁同步电机的电流称之为永磁同步电机三相对称短路稳态电流，在图7中，大约在0.2s以后进入稳态状态。

经过研究表明，对于三相对称短路稳态电流大于最大工作电流(在本发明实施例中，最大工作电流是指永磁同步电机稳态运行时的定子电流的最大值)的情况，理论上当电机转速升高到一定的程度以后，电压极限椭圆和电流极限椭圆没有交点，系统无法继续工作，即电机转速不能再继续增加。对于三相对称短路稳态电流小于和等于最大工作电流的两种情况，理论上转速可以无限升高，但电机转速高于一定值后，电压极限椭圆在q轴方向越来越接近坐标轴q，即q轴的电流越来越接近零，系统已经无法出力。

从另一方面，对于三相对称短路稳态电流远大于系统最大工作电流时，为避免由于电机短路造成的永磁体退磁，所以在进行永磁体退磁校核时，必须以远大于系统最大工作电流的短路电流为依据，从而增加永磁体设计时的抗退磁余量。而对于三相对称短路稳态电流小于和等于最大工作电流的两种情况，不需要考虑三相对称短路稳态电流增加永磁体抗退磁余量的问题，但是对于三相对称短路稳态电流小于最大工作电流的情况，如果三相对称短路稳态电流远小于系统最大工作电流，表明永磁同步电机的自身阻抗过大，消耗在电机内部的功率太大，从而降低电机的过载倍数，影响系统的出力能力。

针对高速车辆永磁同步牵引系统，在选择短路稳态电流时，需要考虑以下两个因素，一是不增加永磁体设计时的抗退磁余量，同时保证系统的出力能力；另一方面，三相对称断路在永磁牵引系统中是被允许的工况，为了系统逆变器能承受该短路电流且不增加功率器件电流等级。

根据以上分析，本发明实施例中采用选择三相对称短路稳态电流选取与系统最大工作电流相当。这里系统工作电流等于永磁同步电机的定子电流，最大工作电流等于永磁同步电机的最大定子电流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种干线高速车辆永磁同步牵引系统，其特征在于，包括：多台逆变器和分别由每台逆变器单独控制的相应的永磁同步电机，所述永磁同步电机采用低空载感应电压电机。

2.根据权利要求1所述的干线高速车辆永磁同步牵引系统，其特征在于，

所述永磁同步电机最大转速时的空载感应电压经过二极管整流产生的电压不超过输入到牵引逆变器的直流电压的最低值。

3.根据权利要求2所述的干线高速车辆永磁同步牵引系统，其特征在于，

所述输入到牵引逆变器的直流电压的最低值为1300V，所述永磁同步电机最大转速时的空载感应电压为930V。

4.根据权利要求3所述的干线高速车辆永磁同步牵引系统，其特征在于，

所述永磁同步电机的定子铁芯长度为140mm。

5.根据权利要求1所述的干线高速车辆永磁同步牵引系统，其特征在于，所述永磁同步电机的三相对称短路稳态电流与永磁同步电机稳态运行时的定子电流最大值相等。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的干线高速车辆永磁同步牵引系统，其特征在于，在所述每个永磁同步电机与每台相应的逆变器之间还串联设置负载接触器。

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