CN101938251B

CN101938251B - 一种交流异步传动系统动力输出方法

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Publication number: CN101938251B
Application number: CN2010102925278A
Authority: CN
Inventors: 丁荣军; 李华湘; 元约平; 陈致初; 胡勇峰
Original assignee: Zhuzhou CSR Times Electric Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: CN101938251A

Abstract

本发明公开了一种交流传动系统动力输出方法，在全调速范围内传动系统实施最大动力输出的方法。U_dc＝U_dc0对应传动系统的额定功率点P_2N；在低压区，传动系统的峰值特性曲线簇以逆变器的极值输出电压为拐点，提升电机的最大输出功率；在高压区,传动系统的峰值特性曲线簇的充分利用高电压，扩展升压恒功区域，以逆变器的极值输出电压为恒压拐点，扩展恒压恒功区域，降低电机工作电流。本发明在有效的电源电压范围内，尤其是较低或较高的电源电压下，充分利用异步电机的固有输出特性，兼顾逆变器安全性和系统可靠性，在不提高逆变器最大输出电流和保持异步电机运行稳定的前提下，最大可能提升传动系统的功率输出能力，满足负载的动力需求。

Description

一种交流异步传动系统动力输出方法

技术领域

本发明涉及一种传动系统动力输出控制方法，尤其是涉及一种针对逆变器和交流异步驱动电机组成的电传动系统在直流电源供电的情况下，因为直流电源容量较小而导致负载时电源电压频繁波动的情况，提升交流异步电传动系统动力输出能力的一种策略和方法。本发明特别适用于供电电源容量较小、负载时电源电压频繁波动的场所，如城市轨道客车、纯电动车、混合动力客车、野外移动作业车等。

背景技术

在电传动车辆中，异步传动系统由逆变器1和异步电机4两大部件组成，采用变频调速，如图1所示：逆变器1采用VVVF控制，其输入侧为直流电源5（即直流侧），输出侧为异步电机4提供频率f和幅值都可调节的交流电U_ab，控制异步电机4平滑地运行在需要的转速，为车辆提供机械动力。

在直流侧电源母线电压U_dc为额定值U_dcN的条件下，异步传动系统的峰值动力输出调速特性如图2所示。其区域可分为:“升压恒转矩区”、“升压恒功率区”、“恒压恒功率区”、“恒压自然特性区”。在每一区域，异步电机4具有不同的输入电压和负载特性。

在实际应用中经常面临这样的情形：车载电源或供电网因为容量较小，逆变器直流侧母线电压U_dc（即电源电压）随负荷大小频繁波动：在负荷很大时，电源电压U_dc大幅下降，比额定值U_dcN低，甚至接近最低允许值U_dcmin；在负荷较小时，电源电压较高，超过额定值U_dcN。逆变器直流侧电源的电压实际在一个范围内波动U_dcmin～U_dcmax，例如在城市轨道交通中，其中一种制式直流侧母线电压U_dc的范围500～1000V，在电动汽车中情形基本相似，只不过逆变器直流侧母线电压的波动更频繁。而逆变器1的直流侧母线电压的大小直接影响其交流输出侧电压，尤其是输出电压的最大幅值，最终影响异步电机4的功率输出。

当逆变器1直流侧母线电压U_dc＜ U_dcN时，如图2所示升压区域无法完成，异步电机4的输出能力将降低；当逆变器1直流侧母线电压U_dc＞ U_dcN输出时，实际的升压区将超过图2所示升压区，异步电机4的输出能力将会增强。不同的传动系统输出策略导致不同的电机输出和不同的系统综合效率。

随着频率的上升，电机转速提高，当电机端电压U_ab变化不能达到图2中电压U_ab曲线的要求时，在每一调速区域异步电机的输出特性将发生变化，能否提供负载的极限动力需求是传动系统设计必须面对的问题。而在这样的情况（甚至出现极端情况），动力车辆要求其牵引传动系统的极限输出特性要满足最低的动力需求。因此，传动系统的选择需要校核需用电源电压范围内的动力匹配问题，即校核传动系统峰值动力输出Map图和车辆动力需求Map图的吻合性。

直流侧母线电压U_dc的大小直接关联逆变器输出的交流电压的升压区的宽窄和最大电压幅值，即异步电机的输入电压U_ab的幅值上升区域和极限幅值，影响电机的中、高速区的输出性能。不同的传动系统控制策略，会得到效果迥异的输出性能。在目前的应用中，如果直流侧母线电压U_dc降低，一般采取降低电机输出功率的方式来保证传动系统的可靠性和稳定性。常用的策略是：以图2中的各区域为基础，在直流侧母线电压较低的情况下，按U_dc/U_dcN为倍率降低交流异步电机输出功率，按（U_dc/U_dcN）²倍率降低交流异步电机恒功区的转矩。在直流侧母线电压U_dc较高的情况下，一般采取斩波方式按U_dcN特性线输出。

简单地按电压倍率U_dc/U_dcN降低电机输出功率，可以保证异步电机和传动系统的运行安全，但电机的输出能力和电源的供给能力没有充分发挥，这是因为此时升压过程没有全部完成，“恒转矩区”被人为压缩和变窄。按（U_dc/U_dcN）²倍率降低恒功区的转矩，同样可以保证异步电机和系统的运行安全，但电机的输出能力降低太多，甚至传动系统的输出有可能不能满足负载的动力需求。而且这两种调节方式是不能平滑过渡的，调速时还时常会出现输出功率（或转矩）不连续的现象，一般需要通过地面试验逐点确定。应用这一策略的直接后果是：系统设计时常常需要扩大电机和逆变器的容量，满足电源在低压时负载对驱动系统的最低动力性能要求，直接导致电机和逆变器的体积变大，系统成本提高、运行效率降低；而在额定电压时异步电机和逆变器因功率裕度过大，系统没有运行在高效区，综合效率较低。

采取斩波方式按U_dcN特性线输出，传动系统在直流侧母线电压U_dc较高时没有充分利用其优势—降低逆变器的输出电流，使异步电机工作在高效率点，同时因压缩了恒压恒功区，使逆变器1的变换效率不是最优，即电能利用不充分。因此，有必要利用异步电机的固有特性改进控制策略，提高系统的综合效率。

发明内容

本发明提供一种交流异步传动系统动力输出方法，可以很好地克服现有技术存在电源电压频繁波动时传动系统峰值动力输出能力的大幅下降，提供一种新型的能有效增加传动系统动力输出、使系统运行在高效区的策略或方法，该方法在电源母线电压较低时提升传动系统的峰值动力输出能力、在电源母线电压较高时扩展传动系统峰值动力输出的恒功区，提高传动系统运行的综合效率。

本发明的另一个目的在于提供一种实施上述方法后传动系统的峰值动力输出图谱，即按直流侧母线电压U_dc为参量的输出特性曲线簇，方便车辆设计者对传动系统输出能力的校核和部件的匹配。

本发明提供一种交流异步传动系统动力输出方法的具体实施方式，一种交流异步传动系统动力输出方法，包括以下步骤：

在传动系统输出特性的升压区域，逆变器采用变压变频控制方式，并设置恒功最小直流母线电压U_dc0；

逆变器的输出电压U_ab随输出频率f上升而升高，异步电机恒转矩输出，当频率上升到恒压起始频率f₁₀时，逆变器的输出电压U_ab达到最大值，异步电机的输出功率达到额定峰值功率P_2N；

继续提高逆变器的输出频率f，进入恒压区，逆变器的输出电压U_ab保持恒定，异步电机的电流保持不变，异步电机的输出功率逐步下降，传动系统输出特性进入降功区。

作为本发明进一步的实施方式，降功区处在恒压区域内，逆变器的输出电压处于直流电压下的最大输出值，在U_dc≤U_dc0时，异步电机的电流保持恒转矩时的最大电流；在U_dc＞U_dc0时，异步电机的电流保持恒功结束点的电流，恒功结束点为异步电机在这种输入条件下可靠运行的最高速度或频率点，经过此点后，系统输出特性进入恒压自然特性区；其中，U_dc为直流侧母线电压。

作为本发明进一步的实施方式，在逆变器的输出电压U_ab为恒功最小直流母线电压U_dc0时，传动系统输出特性到达降功区结束点，即异步电机在恒压恒流条件下可靠运行的最高速度或频率点，传动系统输出特性由异步电机的转差频率f₂₀控制，然后进入恒定转差频率f₂₀控制的自然特性区。

作为本发明进一步的实施方式，在逆变器的输出电压U_ab为恒功最小直流母线电压U_dc0时，传动系统输出特性到达降功区结束点，即异步电机在恒压恒流条件下可靠运行的最高速度或频率点，传动系统输出特性由异步电机的过载能力系数k_M控制，然后进入恒定过载能力系数k_M控制的自然特性区。

作为本发明进一步的实施方式，在逆变器的输出电压处于较低的直流母线电源电压时，即U_dcmin≤U_dc≤U_dc0，传动系统的输出特性从升压区域内的恒转矩区到达极值点，即逆变器的输出电压U_ab达到极值，异步电机的轴输出功率P₂达到极值，随后进入恒压区域内的降功区，再进入自然特性区；其中，U_dcmin为直流侧母线电压最小值。

作为本发明进一步的实施方式，在逆变器的输出电压处于较高的直流母线电压时，即U_dc0＜U_dc≤U_dcmax，传动系统的输出特性从升压区域内的恒转矩区到恒功区，当到达电压极值点，即逆变器的输出电压U_ab达到相对极值后，传动系统的输出特性依次进入恒压区域内的恒功区，降功区，自然特性区其中，U_dcmax为直流侧母线电压最大值。

作为本发明进一步的实施方式，在较高的直流母线电压的升压区域内, 逆变器的输出电压U_ab随输出频率f上升而升高，异步电机由恒转矩输出变为按照额定峰值功率P_2N恒定输出，直到逆变器的输出电压U_ab达到相对极值，然后进入恒压区。

作为本发明进一步的实施方式，在较高的直流母线电压的恒压区内，传动系统按照额定峰值功率P_2N恒定输出的结束点由逆变器的最大输出电流和异步电机的转差频率f₂₀确定。

作为本发明的另一种实施方式，在较高的直流母线电压的恒压区内, 传动系统按照额定峰值功率P_2N恒定输出的结束点由逆变器的最大输出电流和异步电机的过载能力系数k_M确定。

作为本发明进一步的实施方式，最小恒功母线电压U_dc0≈(U_dcmin＋U_dcmax)/2，在直流侧电源母线电压为U_dcmin～U_dcmax的有效范围内，

对应U_dcmin，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区到升压结束点，然后进入恒压区域内的降功区，经过降功区结束点后进入自然特性区；

对应U_dcmin～U_dc0，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区到升压结束点，然后依次进入恒压区域内的降功区、自然特性区；

对应U_dc0，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区经过恒功区起始点，即额定功率P_2N输出点，升压结束，然后依次进入恒压区域内的降功区、自然特性区；

对应U_dc0～U_dcmax，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区、经过恒功区起始点，进入恒功区，直到升压结束，然后依次进入恒压区域内的恒功区、降功区、自然特性区；

对应U_dcmax，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区经过恒功区起始点，进入恒功区，直到升压结束，然后进入恒压区域内的恒功区、再经过恒功区结束点进入降功区，最后进入自然特性区。

通过应用本发明实施方式所描述的一种交流异步传动系统动力输出方法，交流传动系统动力输出方法，以直流侧电源的电压为参量，在全调速范围内，传动系统实施最大动力输出的方法，构建完整的传动系统峰值动力输出图谱。本发明在有效的电源电压范围内，尤其是在较低的电源电压或较高的电源电压下，充分利用异步电机的固有输出特性，同时兼顾逆变器的安全和系统运行可靠性，在不提高逆变器的最大输出电流和保持异步电机运行稳定的前提下，最大可能的提升传动系统的功率输出能力，满足负载的动力需求。

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，下面描述中的附图仅仅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为本发明一种交流异步传动系统动力输出方法所应用的交流异步传动系统原理框图；

图2为本发明一种交流异步传动系统动力输出方法所作用的异步电机调速输出特性图；

图3为本发明一种交流异步传动系统动力输出方法输出特性图谱（输出功率对转速）；

图4为本发明一种交流异步传动系统动力输出方法输出特性图谱（电压对转速）；

其中，1-逆变器，2-控制器，3-传感器，4-异步电机，5-直流电源；

①-U_dcmin时升压区结束点、降功区起始点，②-U_dcmin时降功区结束点，③-U_dc0时升压区结束点、额定功率P_2N输出点、降功区起始点，④-U_dcmax恒功区结束点。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

本发明通过下述技术方案予以实现：

设置恒功最小直流电源电压U_dc0，逆变器1采用VVVF（Variable Voltage Variable Frequency，变压变频）控制。

直流侧母线的电压U_dc波动范围为U_dcmin～U_dcmax，新的传动系统输出策略（即调速特性）的峰值动力输出图谱如图3和图4所示：分别以异步电机4的轴输出功率P₂和直流侧母线电压U_dc为纵坐标，以交流异步电机的转速为横坐标，一簇类似的曲线，传动系统输出外特性可划分成：恒转矩区、恒功区、降功区、自然特性区。相对额定母线电压U_dcN时的输出特性来说，多了降功区，解决了系统输出连续性问题，并增加了传动系统的转矩输出。

降功区主要体现在：降功区处在恒压区域内，逆变器1的输出电压处于相对极值（该直流电压下的最大输出值），在U_dc≤U_dc0时交流异步电机的电流保持恒转矩时的最大电流，在U_dc＞U_dc0时异步电机4的电流保持恒功结束点的电流。其结束点为异步电机4在这种输入条件下可靠运行的最高速度（或频率）点。经过此点后，系统输出特性进入恒压自然特性区。

设置一个直流侧母线电压U_dc0，即最小恒功母线电压，确保U_dcmin≤U_dc0≤U_dcmax。随着频率的升高，异步电机4运行在恒转矩区；当频率上升到f₁₀(即恒压起始频率)时，逆变器的输出电压达到极限，异步电机4的轴输出功率达到额定功率（P_2N，图3和图4中③点）；当频率超过f₁₀后，异步电机4输入端电压的幅值不再变化时，即恒压区域，异步电机4的轴输出转矩和功率随频率的增加而减小，传动系统的输出特性依次进入降功区和自然特性区。

在逆变器1的输出电压U_ab为恒功最小直流母线电压U_dc0时，传动系统输出特性到达降功区结束点，即异步电机4在恒压恒流条件下可靠运行的最高速度或频率点，传动系统输出特性由异步电机4的转差频率f₂₀控制，然后进入恒定转差频率f₂₀控制的自然特性区。

在逆变器1的输出电压U_ab为恒功最小直流母线电压U_dc0时，传动系统输出特性到达降功区结束点，即异步电机4在恒压恒流条件下可靠运行的最高速度或频率点，传动系统输出特性由异步电机4的过载能力系数k_M控制，然后进入恒定过载能力系数k_M控制的自然特性区。

在U_dcmin≤U_dc≤U_dc0时，传动系统的峰值动力输出特性：随着频率的上升，异步电机4的输入电压升高、直到逆变器1的输出电压达到相对极值，此时处于升压区的结束点、异步电机4输出功率达到极值；然后随着频率的升高，逆变器1的输出电压恒定，系统输出特性进入恒压区域内的降功区、自然特性区。

当U_dc0＜U_dc≤U_dcmax时，传动系统的的峰值动力输出特性：随着频率的上升，异步电机4的输入电压升高、转速升高，系统输出特性由升压区域内的恒转矩区进入恒功区、直到逆变器输出电压的相对极值，然后依次进入恒压区域内的恒功区、降功区、自然特性区。

由上述策略形成如图3和图４所示的Map图，在每一直流侧母线电压U_dc下，传动系统都有一条对应的峰值输出特性曲线，由这些特性曲线簇形成系统的输出特性Map图。

附图3和附图4给出了应用本发明而形成的一种城市客车交流异步传动系统的峰值动力输出特性图谱和一个具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示的传动系统结构组成框图，一个典型的城市客车交流异步传动系统包括逆变器1、控制器2、传感器3、异步电机4和直流电源5，直流电源5为逆变器1提供电能，逆变器1输出交流电至异步驱动的异步电机4，传感器3检测异步驱动异步电机4的转速等信号，并将异步电机4的传感信息反馈至控制器2，控制器2再根据反馈的传感信息结合控制指令控制逆变器1的输出。

交流异步传动系统的峰值动力输出特性图谱（如图3、4所示），在直流侧，母线的工作电压区域为U_dcmin～U_dcmax，设最小恒功母线电压U_dc0，U_dc0≈(U_dcmin＋U_dcmax)/2。

对应不同的直流侧母线电压，交流异步传动系统的峰值动力输出特性如下：

对应U_dcmin，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区到升压结束点①，然后进入恒压区域内的降功区、经过降功区结束点②后进入自然特性区；

对应U_dc0，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区经过恒功区起始点③ (额定功率P_2N输出点)、升压结束，然后依次进入恒压区域内的降功区、自然特性区；

对应U_dc0～U_dcmax，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区、经过恒功区起始点③，进入恒功区，直到升压结束，然后依次进入恒压区域内的恒功区、降功区、自然特性区；

对应U_dcmax，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区经过恒功区起始点③，进入恒功区，直到升压结束，然后进入恒压区域内的恒功区、再经过恒功区结束点④进入降功区，最后进入自然特性区。

本发明具有交流异步传动系统的所有共性，并有以下特点：

1、以U_dc＝U_dc0为基础判据，对应的传动系统的输出特性线只要一点达到额定功率P_2N；

2、在低压区，即U_dcmin≤U_dc＜U_dc0，传动系统的峰值特性曲线簇的最大特点是以逆变器的极值输出电压为拐点，提升了电机的最大输出功率，换句话说，扩宽恒转矩区；

3、在高压区,即U_dc0＜U_dc≤U_dcmax，传动系统的峰值特性曲线簇的最大特点是充分利用高电压，扩展升压恒功区域，以逆变器的极值输出电压为恒压拐点，扩展恒压恒功区域，降低电机工作电流。即拓宽恒功区域，提供系统的工作效率；

4、在直流工作电压区域U_dcmin～U_dcmax，传动系统的输出特性是一簇以U_dc为标识的输出特性曲线组成一幅图谱。此图谱可用于校核整车的动力匹配性和匹配电源。

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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于，包括以下步骤：

在传动系统输出特性的升压区域，逆变器（1）采用变压变频控制方式，并设置恒功最小直流母线电压U_dc0；

逆变器（1）的输出电压U_ab随输出频率f上升而升高，异步电机（4）恒转矩输出，当频率上升到恒压起始频率f₁₀时，逆变器的输出电压U_ab达到最大值，异步电机（4）的输出功率达到额定峰值功率P_2N；

继续提高逆变器（1）的输出频率f，进入恒压区，逆变器（1）的输出电压U_ab保持恒定，异步电机（4）的电流保持不变，异步电机（4）的输出功率逐步下降，传动系统输出特性进入降功区。

2.如权利要求1所述的一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于：所述的降功区处在恒压区域内，逆变器（1）的输出电压处于直流电压下的最大输出值，在U_dc≤U_dc0时，异步电机（4）的电流保持恒转矩时的最大电流；在U_dc＞U_dc0时，异步电机（4）的电流保持恒功结束点的电流，恒功结束点为异步电机（4）在这种输入条件下可靠运行的最高速度或频率点，经过此点后，系统输出特性进入恒压自然特性区；其中，U_dc为直流侧母线电压。

3.如权利要求2所述的一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于：在逆变器（1）的输出电压U_ab为恒功最小直流母线电压U_dc0时，传动系统输出特性到达降功区结束点，即异步电机（4）在恒压恒流条件下可靠运行的最高速度或频率点，传动系统输出特性由异步电机（4）的转差频率f₂₀控制，然后进入恒定转差频率f₂₀控制的自然特性区。

4.如权利要求2所述的一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于：在逆变器（1）的输出电压U_ab为恒功最小直流母线电压U_dc0时，传动系统输出特性到达降功区结束点，即异步电机（4）在恒压恒流条件下可靠运行的最高速度或频率点，传动系统输出特性由异步电机（4）的过载能力系数k_M控制，然后进入恒定过载能力系数k_M控制的自然特性区。

5.如权利要求1、2、3、4中任一权利要求所述的一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于：在逆变器（1）的输出电压处于较低的直流母线电源电压时，即U_dcmin≤U_dc≤U_dc0，传动系统的输出特性从升压区域内的恒转矩区到达极值点，即逆变器（1）的输出电压U_ab达到极值，异步电机（4）的轴输出功率P₂达到极值，随后进入恒压区域内的降功区，再进入自然特性区；其中，U_dcmin为直流侧母线电压最小值。

6.如权利要求1所述的一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于：在逆变器（1）的输出电压处于较高的直流母线电压时，即U_dc0＜U_dc≤U_dcmax，传动系统的输出特性从升压区域内的恒转矩区到恒功区，当到达电压极值点，即逆变器（1）的输出电压U_ab达到相对极值后，传动系统的输出特性依次进入恒压区域内的恒功区、降功区、自然特性区；其中，U_dcmax为直流侧母线电压最大值。

7.如权利要求6所述的一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于：在较高的直流母线电压的升压区域内, 逆变器（1）的输出电压U_ab随输出频率f上升而升高，异步电机（4）由恒转矩输出变为按照额定峰值功率P_2N恒定输出，直到逆变器（1）的输出电压U_ab达到相对极值，然后进入恒压区。

8.如权利要求6、7中任一权利要求所述的一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于：在较高的直流母线电压的恒压区域内，传动系统按照额定峰值功率P_2N恒定输出的结束点由逆变器（1）的最大输出电流和异步电机（4）的转差频率f₂₀确定。

9.如权利要求6、7中任一权利要求所述的一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于：在较高的直流母线电压的恒压区域内, 传动系统按照额定峰值功率P_2N恒定输出的结束点由逆变器（1）的最大输出电流和异步电机（4）的过载能力系数k_M确定。

10.如权利要求1、2、3、4、6、7中任一权利要求所述的一种交流异步传动系统动力输出方法，其特征在于：最小恒功母线电压U_dc0≈(U_dcmin＋U_dcmax)/2，在直流侧电源母线电压为U_dcmin～U_dcmax的有效范围内，

对应U_dc0，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区经过恒功区起始点，即额定峰值功率P_2N输出点，升压结束，然后依次进入恒压区域内的降功区、自然特性区；

对应U_dcmax，传动系统的输出特性线从升压区域内的恒转矩区经过恒功区起始点，进入恒功区，直到升压结束，然后进入恒压区域内的恒功区、再经过恒功区结束点进入降功区，最后进入自然特性区；

其中，U_dcmin为直流侧母线电压最小值，U_dcmax为直流侧母线电压最大值。