大功率永磁直驅(qū)機(jī)車反電勢(shì)的研究

原志強(qiáng), 傅雪軍, 常 城

(中車大同電力機(jī)車有限公司 技術(shù)中心研究院， 山西大同 037038)

我國(guó)鐵路大功率機(jī)車大部分采用的是異步電機(jī)加齒輪箱技術(shù)的交流傳動(dòng)電力機(jī)車，由于異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)齒輪箱等的存在，不可避免有約2%的齒輪傳動(dòng)效率損失，而鐵路機(jī)車正向節(jié)能、綠色、高效等方面發(fā)展，因此采用永磁直驅(qū)傳動(dòng)技術(shù)是未來(lái)機(jī)車的一大發(fā)展方向。永磁直驅(qū)傳動(dòng)相比較交流傳動(dòng)技術(shù)而言取消齒輪箱，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩直接傳遞到車輪上，因此整個(gè)牽引系統(tǒng)的傳動(dòng)效率提升約2%～3%，并且消除齒輪箱驅(qū)動(dòng)噪聲、潤(rùn)滑、密封等方面的維護(hù)保養(yǎng)和檢修的問(wèn)題，降低機(jī)車的運(yùn)用維修費(fèi)用，消除齒輪箱開(kāi)裂、漏油等傳動(dòng)系統(tǒng)慣性故障。

雖然永磁直驅(qū)技術(shù)這些優(yōu)點(diǎn)，但旋轉(zhuǎn)中的永磁電機(jī)會(huì)產(chǎn)生較高的反電勢(shì)，較高的反電勢(shì)會(huì)給電傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)諸多問(wèn)題，所以妥善處理好反電勢(shì)的影響將對(duì)永磁直驅(qū)機(jī)車成敗起著至關(guān)重要的作用。

1 永磁直驅(qū)電傳動(dòng)系統(tǒng)介紹

如圖1，牽引變流器輸入電壓引接于牽引變壓器AC 1 471 V/50 Hz，采用兩組四象限并聯(lián)共用中間回路，中間電壓等級(jí)采用DC 2 800 V，采用AC-DC-AC對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行供電，牽引電機(jī)側(cè)為防止反電勢(shì)對(duì)中間回路的影響，在電機(jī)側(cè)增加了隔離接觸器。其中永磁直驅(qū)同步電動(dòng)機(jī)采用臥式、內(nèi)轉(zhuǎn)子、空心軸結(jié)構(gòu)，兩端軸承支撐安裝，冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷(定子強(qiáng)迫通風(fēng)、轉(zhuǎn)子封閉)，電機(jī)通過(guò)齒形傳力盤與輪對(duì)安裝聯(lián)接。而輔助采用從中間回路取電，通過(guò)DC-AC變換，然后通過(guò)濾波柜變換成380 V給輔助電源供電。

其中來(lái)自地面的DC 600 V直流電壓通過(guò)庫(kù)用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)加到第2或第4組四象限整流器的輸入，經(jīng)過(guò)橋臂上的二極管使中間電路得電，庫(kù)內(nèi)移動(dòng)車時(shí)通過(guò)相應(yīng)的控制使2軸或5軸的牽引逆變器工作，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的牽引電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)車的庫(kù)內(nèi)移動(dòng)。

圖1 牽引變流柜原理圖

2反電勢(shì)產(chǎn)生及影響

由于永磁同步電機(jī)由轉(zhuǎn)子上的永久磁體提供轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，因而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不會(huì)隨著外部所接三相電流的變化而變化。因此，當(dāng)電機(jī)不供電但仍然轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵仍然會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)在定子三相繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)稱為反電勢(shì)。反電勢(shì)不僅與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的大小有關(guān)，而且與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，其計(jì)算公式為：

E0=npωmψf

其中，E0、np、ωm、ψf分別為電機(jī)反電勢(shì)、極對(duì)數(shù)、機(jī)械角速度、轉(zhuǎn)子磁鏈。永磁同步電機(jī)惰行時(shí)，電機(jī)仍然在旋轉(zhuǎn)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子上永久磁鐵的存在，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，所以必然存在反電勢(shì)。反電勢(shì)的存在，會(huì)給牽引傳動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)諸多問(wèn)題，根據(jù)永磁同步電機(jī)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的主電路圖(如圖2)分析可知：

圖2 永磁同步電機(jī)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的主電路圖

(1)惰行時(shí)若反電勢(shì)較大，且逆變器直流側(cè)電容不能完全吸收再生能量導(dǎo)致直流側(cè)過(guò)電壓，電壓的值大于IGBT的耐壓值，那么IGBT有可能被燒毀；

(2)如果電機(jī)反電勢(shì)大于直流側(cè)電壓Udc，那么電流經(jīng)逆變器的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，將產(chǎn)生再生制動(dòng)，這也是實(shí)際情況中所不允許的；

(3)電機(jī)若需要重新投入，則較高的反電勢(shì)為重新投入帶來(lái)困難；

(4)如果逆變器發(fā)生故障，比如相與相之間短路，則惰行時(shí)的反電勢(shì)會(huì)擴(kuò)大故障影響。

3 最大反電勢(shì)電壓選取

從圖3中可以看出，反電勢(shì)最大的選取和IGBT的耐壓有很大關(guān)系，兩者有著緊密的聯(lián)系，若反電勢(shì)選取太高，則電機(jī)弱磁壓力大，但電機(jī)的電流相對(duì)來(lái)說(shuō)小，但對(duì)IGBT也產(chǎn)生威脅，因?yàn)镮GBT選取主要依據(jù)其耐受的電壓和通過(guò)電流來(lái)決定的。因此反電勢(shì)選取從以下兩方面來(lái)進(jìn)行考慮的：

一是從永磁同步牽引電機(jī)設(shè)計(jì)的角度，根本上解決反電勢(shì)的問(wèn)題；在設(shè)計(jì)永磁電機(jī)之初，就降低電機(jī)反電勢(shì)。

二是從電機(jī)控制的角度，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程解決高反電勢(shì)的問(wèn)題；通過(guò)在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的控制方法，來(lái)減小或者避免髙反電勢(shì)帶來(lái)的不利。

永磁同步直驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)采用第一種思路解決反電勢(shì)問(wèn)題，即從永磁同步牽引電機(jī)設(shè)計(jì)的角度，根本上解決反電勢(shì)問(wèn)題。永磁直驅(qū)電機(jī)選的永磁材料牌號(hào)為釹鐵硼N38EH，反電勢(shì)峰值電壓設(shè)計(jì)為4 325 V(機(jī)車最大速度160 km/h,定子鐵芯溫度150 ℃)，而電子器件的IGBT耐壓峰值4 500 V。

圖3 反電勢(shì)與電器件之間的關(guān)系

4 反電勢(shì)應(yīng)對(duì)措施

如圖4，針對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)，目前永磁直驅(qū)機(jī)車首先在電機(jī)設(shè)計(jì)方面加強(qiáng)絕緣和優(yōu)化反電勢(shì)設(shè)計(jì)，在變流柜方面是硬件上采用隔離接觸器，軟件控制主要采用弱磁控制，通過(guò)這幾方面來(lái)確保反電勢(shì)不對(duì)器件造成影響。

圖4 反電勢(shì)應(yīng)對(duì)措施

5 電機(jī)側(cè)隔離接觸器控制策略

采用隔離器件的目的是在電機(jī)高速重投及傳動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)變流器側(cè)的接地、短路及過(guò)流等；電機(jī)側(cè)缺相、三相不平衡)，將永磁電機(jī)和變流器主回路隔離開(kāi)，避免故障擴(kuò)大。目前永磁系統(tǒng)的隔離器件大多采用隔離接觸器，因此對(duì)此隔離接觸器的控制顯的尤為重要。如表1，介紹了在接觸器各種工況下接觸器的控制策略。

表1 接觸器控制策略

6 失控后反電勢(shì)對(duì)器件影響

變流器正常運(yùn)行工況下，控制系統(tǒng)可以對(duì)電機(jī)反電勢(shì)進(jìn)行控制和抑制，電機(jī)反電勢(shì)對(duì)變流器部件沒(méi)有任何影響。而只有在極端工況下，既控制失效、隔離接觸器粘連、機(jī)車處于高速狀態(tài)下，此時(shí)牽引電機(jī)反電勢(shì)會(huì)對(duì)中間回路部件造成影響，因此需要驗(yàn)證在極端情況下反電勢(shì)是否會(huì)對(duì)中間回路造成影響。

(1)牽引電機(jī)反電勢(shì)與機(jī)車速度如表2所示。

(2)牽引電機(jī)反電勢(shì)仿真分析。

表2 機(jī)車速度與反電勢(shì)電壓 V

圖5 電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)仿真波形

圖6 失控時(shí)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)對(duì)中間回路部件影響仿真波形

如圖5牽引電機(jī)速度160 km/h時(shí)的反電勢(shì)仿真波形，牽引電機(jī)在時(shí)速160 km/h時(shí)的反電勢(shì)峰值仿真結(jié)果為4 326 V，和理論計(jì)算一致。

如圖6，當(dāng)在時(shí)速160 km/h失控時(shí)(仿真失控持續(xù)時(shí)間為0.18 s)，反電勢(shì)對(duì)中間回路部件影響仿真，通過(guò)仿真可以看出失控后電機(jī)反電勢(shì)對(duì)變流柜各器件的影響如表3，說(shuō)明牽引電機(jī)反電勢(shì)對(duì)中間回路影響時(shí)，以上部件不會(huì)發(fā)生損壞。

表3 反電勢(shì)對(duì)變流柜各器件

7 結(jié) 論

目前，國(guó)內(nèi)首臺(tái)大功率永磁直驅(qū)機(jī)車已成功下線，正在穩(wěn)步進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，通過(guò)各種試驗(yàn)效果來(lái)看至今未發(fā)生由于反電勢(shì)的影響而損害電器件的事件發(fā)生，說(shuō)明大功率永磁直驅(qū)反電勢(shì)按預(yù)先設(shè)計(jì)與控制策略進(jìn)行，但由于大功率永磁直驅(qū)是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用，就目前來(lái)說(shuō)肯定還有很長(zhǎng)一段路要走，特別是電機(jī)反電勢(shì)的深入研究還需要后續(xù)更多的試驗(yàn)和運(yùn)行考核來(lái)逐步完善。