永磁同步牽引系統(tǒng)零速電制動(dòng)策略研究

夏 猛，馬法運(yùn)，張春磊，曾凡飛，蔡紀(jì)衛(wèi)，李 華

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

0 引 言

近年來(lái)，由于功率密度高、效率高、體積小、維護(hù)成本低的特點(diǎn)，永磁同步電機(jī)在國(guó)內(nèi)外軌道交通牽引領(lǐng)域逐漸被廣泛關(guān)注[1]。永磁同步電機(jī)作為機(jī)車牽引電機(jī)已成為一個(gè)新的研究方向[2-3]。日本、法國(guó)和德國(guó)等國(guó)經(jīng)過(guò)十幾年的努力，已取得很大的進(jìn)展。日本研發(fā)的永磁同步電機(jī)已在低地板輕軌車輛、軌距可變電動(dòng)車組和新干線商速電動(dòng)車組上完成了試驗(yàn)與運(yùn)行[4-5]。德國(guó)和法國(guó)也都在城軌列車和高速動(dòng)車組上應(yīng)用了永磁同步牽引電機(jī)[6-7]。

制動(dòng)系統(tǒng)作為軌道牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中非常重要的一部分，其性能的好壞直接決定了運(yùn)行中的列車能否安全停車，因此對(duì)于制動(dòng)的研究非常重要。目前，世界上軌道車輛大多采用電-空聯(lián)合制動(dòng)方式，即在高速采用電制動(dòng)，列車制動(dòng)減速到5 km/h時(shí)，需要切除電制動(dòng)而實(shí)施空氣制動(dòng)，該制動(dòng)方式在電、空制動(dòng)切換時(shí)可能會(huì)引起加速度的突變，使乘客感覺(jué)不適，同時(shí)，會(huì)造成停車位置不準(zhǔn)[8]。

針對(duì)電-空聯(lián)合制動(dòng)存在的問(wèn)題，日本東京大學(xué)的曾根悟教授提出純電制動(dòng)的概念，該制動(dòng)方式在低速停車時(shí)不進(jìn)行電-空切換，直接由電磁力來(lái)承擔(dān)列車制動(dòng)所需的制動(dòng)力。采用純電制動(dòng)相應(yīng)動(dòng)作時(shí)間快、制動(dòng)減速度平穩(wěn)，同時(shí)也減少了使用空氣制動(dòng)時(shí)帶來(lái)的機(jī)械部件的維護(hù)工作量及維護(hù)成本。文獻(xiàn)[9]針對(duì)直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)，討論了直線電機(jī)純電制動(dòng)過(guò)程中再生制動(dòng)到反接制動(dòng)的切換方式,及反接制動(dòng)后為防止列車反向運(yùn)行的制動(dòng)切除問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]研究了高速列車異步牽引純電制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式，針對(duì)低速情況下，現(xiàn)有速度傳感器無(wú)法合理判斷列車零速度的狀態(tài)，通過(guò)改變對(duì)速度傳感器脈沖信號(hào)的處理方法，提高測(cè)速精度。

以上文獻(xiàn)都是針對(duì)于牽引電機(jī)為直線電機(jī)或者異步電機(jī)的系統(tǒng)，而針對(duì)于永磁同步牽引系統(tǒng)，純電制動(dòng)策略研究的很少。針對(duì)于此，本文首先研究了永磁同步電機(jī)控制策略，在此基礎(chǔ)上對(duì)永磁同步電機(jī)制動(dòng)方式進(jìn)行了分析，并提出一種適合永磁同步電機(jī)的零速電制動(dòng)策略，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證所提控制策略的可行性與有效性。

1 永磁同步電機(jī)矢量控制原理

根據(jù)永磁體的位置不同，永磁同步電機(jī)可分為表貼式和內(nèi)置式兩種。表貼式永磁同步電機(jī)交直軸磁阻近似相等，交直軸電感也近似相等，其屬于隱極式電機(jī)。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)交直軸磁阻相差較大，對(duì)應(yīng)的交直軸電感差異也很大，屬于凸極式電機(jī)，其中內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用較多，因此，本文以內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為研究的對(duì)象展開(kāi)討論。

1.1 永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型

永磁同步電機(jī)在穩(wěn)態(tài)時(shí)于dq坐標(biāo)系下的電壓方程如下：

式中，ud和uq為電機(jī)在dq軸電壓；id和iq為dq軸電流；Rs和ωr為電機(jī)定子內(nèi)阻和電機(jī)電角速度；Ld和Lq為電機(jī)dq軸電感；ψf為永磁體磁鏈。

電磁轉(zhuǎn)矩方程為

Te=1.5np[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(2)

式中，np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

式中，J為電機(jī)轉(zhuǎn)子與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ωr為電機(jī)機(jī)械角速度；RΩ為阻尼系數(shù)；RΩΩr為阻尼轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

1.2 基于磁場(chǎng)定向的矢量控制

通過(guò)解耦實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈獨(dú)立控制的磁場(chǎng)定向矢量控制在軌道牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。目前，我國(guó)引進(jìn)以及自主研發(fā)生產(chǎn)的高速列車動(dòng)車組普遍采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制[11]。

在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行時(shí)，永磁同步電機(jī)的主要損耗為永磁同步電機(jī)的銅耗。為減少系統(tǒng)損耗，采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(MPTA)控制。即在永磁同步電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩條件下，永磁同步電機(jī)定子電流矢量的幅值最小。永磁同步電機(jī)定子電流矢量幅值最小不僅使電機(jī)銅耗最小，也減小了逆變器和整流器的損耗，降低了系統(tǒng)的整體損耗。

對(duì)于內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，在MPTA控制下，其d軸電流可以根據(jù)q軸電流計(jì)算的到：

由式(4)可知，當(dāng)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定為固定值時(shí)，d、q軸電流為唯一確定的值。

基于以上理論，可得永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的控制原理圖，如圖1所示。

如圖1所示，當(dāng)給定電機(jī)牽引轉(zhuǎn)矩指令確定后，根據(jù)式(2)和式(4)，可唯一確定采用MPTA控制下電機(jī)dq軸電流的指令值。為了能夠獨(dú)立的控制電機(jī)的交直軸電流，消除電機(jī)交直軸電流耦合對(duì)電機(jī)控制性能的影響，提高電流響應(yīng)速度，采用前饋解耦控制，圖1中解耦項(xiàng)usd_fb、usq_fb根據(jù)式(1)計(jì)算得到。同時(shí)，為了提高dq軸電流的瞬態(tài)響應(yīng)能力，在電壓前饋的基礎(chǔ)上，增加dq軸電流控制器，進(jìn)而得到dq軸電壓指令，如式(5)所示。

式中，isd_PI和isq_PI為dq軸PI控制器的輸出，其大小如式(6)所示。

2 永磁同步電機(jī)零速電制動(dòng)控制策略

圖2為異步電機(jī)純電制動(dòng)過(guò)程，通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率，使電機(jī)定子頻率小于轉(zhuǎn)子頻率，電機(jī)輸出反向制動(dòng)力，當(dāng)電機(jī)定子頻率小于零時(shí)，必須改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向，進(jìn)入反接制動(dòng)過(guò)程，通過(guò)產(chǎn)生反向的牽引力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)列車的制動(dòng)。

圖2 異步電機(jī)純電制動(dòng)過(guò)程

由上圖可知，異步電機(jī)在實(shí)現(xiàn)純電制動(dòng)過(guò)程中存在以下問(wèn)題。首先，異步電機(jī)牽引控制系統(tǒng)通過(guò)安裝在軸箱蓋上的傳感器探頭產(chǎn)生脈沖信號(hào)，處理后獲得輪軸轉(zhuǎn)速，該測(cè)速方法在低速下，存在很大誤差，如果測(cè)速不準(zhǔn)，可能導(dǎo)致電機(jī)停車不穩(wěn)，甚至發(fā)生抖動(dòng)；其次，電機(jī)在定子頻率小于零時(shí)，進(jìn)行反接制動(dòng)，此時(shí)，如果制動(dòng)力沒(méi)有及時(shí)撤出，會(huì)導(dǎo)致列車反向旋轉(zhuǎn)而不能停車。相比異步電機(jī)，永磁同步電機(jī)在純電制動(dòng)過(guò)程中則不存以上問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)到零平穩(wěn)停車。

永磁同步電機(jī)在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速與定子頻率成正比例，如式(7)所示。電機(jī)速度為零時(shí)，電機(jī)定子頻率也等于零，因此，永磁同步電機(jī)電制動(dòng)過(guò)程不存在反接制動(dòng)。

同時(shí)，永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中，采用旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量轉(zhuǎn)子位置，旋轉(zhuǎn)變壓器具有耐高溫、耐濕度、抗沖擊性好、抗干擾能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，可以精確可靠的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子絕對(duì)位置信息，因此，永磁同步電機(jī)在低速下仍可實(shí)現(xiàn)精確速度控制，保證列車準(zhǔn)確停車。

基于以上分析，本文針對(duì)永磁同步牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，提出一種適合于永磁同步電機(jī)的零速電制動(dòng)策略，其制動(dòng)過(guò)程如圖3所示。

圖3 永磁同步電機(jī)零速電制動(dòng)過(guò)程

通過(guò)施加反向電制動(dòng)力，使定子頻率不斷減小，相應(yīng)的電機(jī)速度也在不斷減小，由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速與定子頻率成正比例，通過(guò)再生制動(dòng)可實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)到零。在電機(jī)轉(zhuǎn)速減小到零時(shí)，為了保證電機(jī)不出現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使機(jī)械制動(dòng)裝置作用，閘瓦抱閘，即施加機(jī)械制動(dòng)力。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，電制動(dòng)力線性減小到零。列車需要再次啟動(dòng)時(shí)，解除閘瓦抱閘，即可正常加速運(yùn)行。

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所提永磁同步電機(jī)零速電制動(dòng)策略的正確性和可行性，基于永磁同步電機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)，利用Matlab/Simulink中S-function搭建永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制模型，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真所用主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真和實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)參數(shù)

采用圖1所示永磁同步電機(jī)矢量控制策略進(jìn)行Matlab仿真。仿真過(guò)程為：牽引級(jí)位為10級(jí)，加速到5 s，電機(jī)轉(zhuǎn)速到1800 r/min，恒速運(yùn)行2.5 s，8 s時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，仍采用最大級(jí)位制動(dòng)，12.3 s時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零，16 s時(shí)采用10級(jí)牽引加速。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 Matlab仿真結(jié)果(一)

圖4為整個(gè)仿真過(guò)程電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、機(jī)械轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)三相電流的仿真結(jié)果。

圖5 Matlab仿真結(jié)果(二)

圖5為整個(gè)仿真過(guò)程電機(jī)dq軸電流和dq軸電壓的仿真結(jié)果。

由上仿真結(jié)果可知，電機(jī)在經(jīng)過(guò)加速啟動(dòng)和惰行運(yùn)行后，在8 s后施加電制動(dòng)力，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，在12.3 s時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速減小到零速，此時(shí)開(kāi)始施加機(jī)械制動(dòng)力，保證電機(jī)不反向轉(zhuǎn)動(dòng)。在經(jīng)過(guò)一段延時(shí)后，減小電機(jī)電制動(dòng)力到零，電制動(dòng)到零后，撤去機(jī)械制動(dòng)力。由圖5仿真結(jié)果可知，在電機(jī)整個(gè)加減速過(guò)程中，dq軸電流和dq軸電壓都可保持精確控制，沒(méi)有沖擊，且該制動(dòng)策略在電機(jī)轉(zhuǎn)速減小到零前不要施加空氣制動(dòng)，而且停車后不影響再次啟動(dòng)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示，主要包括母線高斷箱、斷路器箱、電抗器箱、VVVF逆變器箱、制動(dòng)電阻和永磁同步牽引電機(jī)?？刂撇糠植捎肈SP+FPGA框架。

圖6 永磁牽引系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于圖6所示永磁牽引系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用MPTA控制，牽引加速7 s，惰行5 s后，進(jìn)行電制動(dòng)減速，電機(jī)在17.5 s時(shí)，轉(zhuǎn)速減小到零速，施加機(jī)械抱閘。延時(shí)一段時(shí)間，減小電制動(dòng)力到零，同時(shí)緩解機(jī)械抱閘，在32 s時(shí)，重新?tīng)恳姍C(jī)加速，電機(jī)可正常啟動(dòng)運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用本文所提出的零速電制動(dòng)策略，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)在減速到零前僅施加電制動(dòng)力，在需要空氣制動(dòng)力，如圖7所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速在17.5 s時(shí)減小到零時(shí)，施加機(jī)械抱閘后，可使電機(jī)轉(zhuǎn)速保持為零，此時(shí)電機(jī)定子頻率為零，電機(jī)相電流為直流分量。在電機(jī)停穩(wěn)后，減小電制動(dòng)力到零，之后解除機(jī)械抱閘。在整個(gè)加減速過(guò)程中，電機(jī)電流可實(shí)現(xiàn)精確控制，且沒(méi)有電流沖擊。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)軌道牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中永磁同步電機(jī)控制策略進(jìn)行了研究，提出一種適合于永磁同步牽引系統(tǒng)的零速電制動(dòng)控制策略，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。該方法可實(shí)現(xiàn)在列車制動(dòng)到零速前完全采用電制動(dòng)，不需要施加空氣制動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)列車精準(zhǔn)停車。同時(shí)，該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。