永磁同步電機控制技術(shù)在城軌牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用

中車永濟電機有限公司技術(shù)中心 王 彬 張瑞峰 牛劍博

永磁同步電機控制技術(shù)在城軌牽引系統(tǒng)中的應(yīng)用

中車永濟電機有限公司技術(shù)中心 王 彬 張瑞峰 牛劍博

為實現(xiàn)永磁同步電機全速度范圍內(nèi)的穩(wěn)定運行，在額定速度以下采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)控制策略，額定速度以上采用單電流調(diào)節(jié)器的弱磁控制策略。該控制方法實現(xiàn)了高精度轉(zhuǎn)矩控制，擴寬了轉(zhuǎn)速運行范圍，直流母線電壓利用率高。搭建了基于永磁同步電機的地鐵試驗平臺，試驗結(jié)果驗證了本文所采用方法的有效性。

永磁同步電機；最大轉(zhuǎn)矩電流比控制；弱磁控制

0 引言

城市軌道車輛具有客運量大、站間距離短、行車密度大的特點，其牽引系統(tǒng)性能直接決定車輛運行質(zhì)量、運行安全及對能源的消耗。初期的城市軌道車輛牽引系統(tǒng)采用直流電機牽引系統(tǒng)，隨著電力電子技術(shù)及相關(guān)矢量控制技術(shù)的進步，異步電機牽引系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于城市軌道車輛牽引系統(tǒng)中。近些年，永磁同步電機憑借體積小、質(zhì)量輕、功率密度大，功率因數(shù)高和效率高等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注，而永磁材料成本的降低和性能的提高使永磁電機牽引系統(tǒng)得以在城市軌道車輛牽引系統(tǒng)應(yīng)用[1-4]。

本文針對某地鐵永磁同步電機牽引控制系統(tǒng)，對其矢量控制、弱磁控制和牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分析研究。永磁同步電機在額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比控制，在額定轉(zhuǎn)速以上采用基于單Q軸電流調(diào)節(jié)器的弱磁控制。最后在地鐵聯(lián)調(diào)試驗平臺對180kW的永磁同步電機進行了試驗，試驗結(jié)果驗證所采用方法的有效性。

1 永磁同步電機驅(qū)動控制技術(shù)

1.1 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型及穩(wěn)定工作點分析

永磁同步電機的穩(wěn)態(tài)電壓方程可表示為：

式中，Rs為定子電阻；ud，uq為d、q軸電壓分量； id，iq為d、q軸電流分量；Ld，Lq為d、q軸電感分量；ωs為永磁同步電機同步角速度；ψf為永磁同步電機永磁體磁鏈幅值。

在電流id-iq平面上，永磁同步電機關(guān)鍵曲線軌跡如圖1所示。圖中深藍色曲線為最大電流限制圓，棕紅色曲線為等轉(zhuǎn)矩曲線，綠色曲線為電壓限制橢圓曲線，MTPA曲線為最大轉(zhuǎn)矩電流比曲線，MTPV曲線為最大轉(zhuǎn)矩電壓曲線。全速度范圍內(nèi)，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時，采用恒轉(zhuǎn)矩控制，電流工作點位于點A上；當(dāng)電機轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速時，采用恒功率控制，電流工作點位于曲線AF上。

圖1 電流平面上I P MS M關(guān)鍵曲線軌跡

額定轉(zhuǎn)速以下時，當(dāng)轉(zhuǎn)矩變動時，電流工作點位于轉(zhuǎn)矩曲線與MTPA的交點，如圖中轉(zhuǎn)矩曲線Te.1與Te.2和MTPA曲線的交點A’和C；額定轉(zhuǎn)速以上時，恒轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速工況，以轉(zhuǎn)矩Te.1恒定、轉(zhuǎn)速由ωr.1升速為ωr.2為例，電流工作點沿A’B曲線移動；額定轉(zhuǎn)速以上時，恒轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩工況，以轉(zhuǎn)速ωr.2恒定、轉(zhuǎn)矩由Te.1減小為Te.2為例，電流工作點沿曲線BC移動。

1.2 永磁同步電機MT P A控制

最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)控制，即在給定轉(zhuǎn)矩的情況下，最優(yōu)配置交直軸電流分量，使定子電流最小，達到單位電流下電機輸出轉(zhuǎn)矩最大。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制可以減小電機銅耗，提高運行效率，從而使整個系統(tǒng)的控制得到優(yōu)化。得到MTPA曲線的步驟如下：

1) 構(gòu)造拉格朗日函數(shù)

其中λ為拉格朗日乘數(shù)；

2) 根據(jù)拉格朗日函數(shù)聯(lián)立相應(yīng)偏導(dǎo)數(shù)方程組

3) 求解參數(shù)λ，進而得到電流id和iq之間關(guān)系

通過公式(4)可以進一步得到電流id、iq和轉(zhuǎn)矩Te的關(guān)系。

1.3 永磁同步電機弱磁控制

當(dāng)永磁同步電機在高速運行時，只能通過調(diào)節(jié)定子電流中直軸去磁分量來維持高速運行時的電壓平衡，實現(xiàn)弱磁擴速。圖2為永磁同步電機單電流弱磁策略框圖。

圖2 永磁同步電機單電流弱磁策略框圖

從圖2可知，在單電流調(diào)節(jié)器弱磁控制下有三個控制環(huán)節(jié)，首先由調(diào)節(jié)出的電流指令通過前饋環(huán)節(jié)給定初始d、q軸電壓；然后考慮到電機參數(shù)理論值與實際有一定偏差，系統(tǒng)有損耗及相關(guān)延時情況下，q軸電流無法進行穩(wěn)定跟蹤，通過加入q軸電流調(diào)節(jié)器進行相應(yīng)誤差補償與提高其電流響應(yīng)特性；最后，在弱磁工況的電壓幅值限制條件下，依據(jù)之前環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)出的d軸電壓分解出q軸電壓并通過硬件實現(xiàn)施加電壓于電機端。

2 城軌永磁同步電機牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

城軌永磁同步電機牽引變流器主電路如圖3所示：

圖3 變流器主電路

該牽引變流器同時控制4臺永磁同步電機運行，變流器參數(shù)如表1所示：

表1 變流器參數(shù)

所控制的永磁同步電機額定功率180kW，額定電壓AC1000V，額定電流116.4A，電機極數(shù)為8，額定轉(zhuǎn)矩859.4N·m，額定頻率133.3Hz，額定轉(zhuǎn)速2000 r/min，最高轉(zhuǎn)速4250r/min。

3 試驗結(jié)果與分析

永磁同步電機全速度范圍下牽引制動的試驗波形如圖4所示。

圖4 永磁同步電機全速度范圍運行波形

圖4中，波形由上而下分別為逆變器脈沖、斬波脈沖、U相電流、V相電流、直流母線電壓和線電壓。電機由牽引狀態(tài)轉(zhuǎn)成制動狀態(tài)時，母線電壓升高，斬波模塊開始運行。

4 結(jié)論

本文針對永磁同步電機牽引控制系統(tǒng)展開研究，設(shè)計出完整硬件平臺，對永磁同步電機控制采用MTPA控制與單Q軸電流調(diào)節(jié)器弱磁控制結(jié)合的方法，實現(xiàn)永磁同步電機全速度范圍內(nèi)的穩(wěn)定運行。試驗結(jié)果驗證了所采用方法的有效性。

[1]馮江華．軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng)研究[J]．機車電傳動,2010,(05)：15-21．

[2]王詩琦．基于TMS320F28335的永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計[D]．大連理工大學(xué),2014．

[3]張伯澤,阮毅．內(nèi)嵌式永磁同步電機最大轉(zhuǎn)矩電流比控制研究[J]．電機與控制應(yīng)用,2015,(02)： 13-15．

[4]羅德榮,杜超,黃守道,郭燈塔．SPMSM非線性調(diào)制 區(qū)域弱磁控制策略[J]．微電機,2013,(09)：44-48．

王彬（1978—），男，高級工程師，現(xiàn)從事大功率交流傳動控制相關(guān)研究和管理工作。

山西省重點研發(fā)計劃重點項目（201603D111003）。