淺析直交永磁同步電機(jī)牽引試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)用和發(fā)展

陶偉平

中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司 遼寧 大連 116000

引言

近年來我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大。軌道交通以其低碳環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)成為解決交通擁堵重要手段，電力牽引系統(tǒng)是軌道交通車輛核心設(shè)備，其性能是國產(chǎn)軌道車輛研究重點(diǎn)[1]。電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)分為交直流傳動(dòng)形式，直流傳動(dòng)方式長期應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，但運(yùn)用中存在機(jī)械換向限制、機(jī)械功率難以提升等缺點(diǎn)，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用維護(hù)不便，限制了電力牽引在現(xiàn)代軌道車輛交通中的發(fā)展。隨著交流電機(jī)控制理論的成熟，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)廣泛使用，交流傳動(dòng)系統(tǒng)體現(xiàn)良好的牽引特性，系統(tǒng)具有持續(xù)功率大等優(yōu)勢，永磁同步電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩密度高、運(yùn)行效率高等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕量化。永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)成為軌道交通牽引技術(shù)發(fā)展新趨勢[2]。

1 永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)的特性

永磁同步電機(jī)自30年代問世后，由于重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)等方面得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代稀土永磁同步電機(jī)向大功率方向發(fā)展，瑞典ABB公司及布倫瑞克科技大學(xué)研制出功率500kW的永磁同步電機(jī)，目前永磁同步電機(jī)滿足動(dòng)力分散動(dòng)車牽引電機(jī)的要求[3]。永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、功率因數(shù)高等。

永磁同步電機(jī)勵(lì)磁由永磁體產(chǎn)生，可提高功率因數(shù)，得到較小的定子電流，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)總損耗降低。永磁同步電機(jī)效率比異步電機(jī)高2-8個(gè)百分點(diǎn)，可大幅度節(jié)省電能。永磁同步電機(jī)承受轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)能力強(qiáng)，異步電機(jī)由于轉(zhuǎn)差率阻礙電機(jī)快速響應(yīng)，永磁同步的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分不會(huì)對轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)，電機(jī)公角改變使轉(zhuǎn)速不變，其最大轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上。永磁同步電機(jī)應(yīng)用高性能永磁材料，可以得到很高的功率密度，永磁同步電機(jī)質(zhì)量輕1/3，系統(tǒng)得到簡化[4]。永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比，同列車不同輪對轉(zhuǎn)速存在差異，異步電機(jī)由于轉(zhuǎn)差率，牽引系統(tǒng)可采用車控方式。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子頻率一致，為保證同列車不同輪對線速度一致，必須采用軸控方式。

表1 異步電機(jī)與永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較

列車牽引特性保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，列車牽引特性必須控制在允許限度內(nèi)。要求滿足下列黏著條件限制，牽引電機(jī)最大電流限制，最大功率限制等。車啟動(dòng)牽引力及在相應(yīng)坡道剩余加速度滿足用戶要求；牽引電機(jī)最大電流限制稱為最大啟動(dòng)電流，應(yīng)小于電機(jī)最大允許電流；列車運(yùn)行時(shí)保證輪軌粘著特性，列車黏著系數(shù)隨線路條件及機(jī)車啟動(dòng)方式等因素變化，粘著 限制曲線是限制帶[5]。列車牽引力與速度乘積為功率，列車運(yùn)行最高速度必須小于車輛最大安全速度；要選擇合適容量牽引變流器，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。永磁同步電機(jī)系統(tǒng)牽引電機(jī)應(yīng)具備恒轉(zhuǎn)矩特性，自然特性。

2 永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)的應(yīng)用研究

隨著永磁材料性能的提高，永磁電機(jī)研究逐步成熟，使永磁電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面得到廣泛應(yīng)用。永磁同步電機(jī)的應(yīng)用引起工程師的關(guān)注，由于安裝控件有限，列車速度高，牽引電機(jī)體積小，電機(jī)質(zhì)量輕。要求電機(jī)啟動(dòng)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩大，易于控制轉(zhuǎn)矩等。異步電機(jī)具有比直流電機(jī)的優(yōu)勢，牽引變流器控制三相異步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于鐵道牽引領(lǐng)域。永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)理論，控制技術(shù)等方面研究不斷深入。

永磁同步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)重點(diǎn)是研制牽引電機(jī)，永磁電機(jī)性能取決于定子形狀等設(shè)計(jì)變量，需要對變量優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究對永磁同步電機(jī)作電磁計(jì)算，將永磁電機(jī)磁體形狀，軸向長度作為變量分析研究，對表面磁鐵型電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。采用齒輪傳動(dòng)裝置可使?fàn)恳姍C(jī)小型輕量化，通用異步牽引電機(jī)使用齒輪傳動(dòng)裝置帶來傳遞損耗等問題，近年來采用常溫下剩磁密度高于1aT的高性能釤鈷永磁體的永磁電機(jī)得到人們的關(guān)注，永磁電機(jī)體積質(zhì)量減小，采用永磁同步電機(jī)直接傳動(dòng)系統(tǒng)研究不斷開展。日本鐵道東日本公司研究試制直接傳動(dòng)牽引電機(jī)，表明第二次試制方案得到計(jì)劃要求性能，永磁電機(jī)為密封結(jié)構(gòu)無轉(zhuǎn)子籠條產(chǎn)生噪聲，在電機(jī)噪聲可降低10dB以上。永磁電機(jī)效率可提高5%。

1977年德國鐵路公司開發(fā)適用于ICE3高速電動(dòng)車組永磁同步電機(jī)，繞組布置在定子上，布倫瑞克科技大學(xué)開發(fā)適用于ICE3永磁同步電機(jī)，永磁體集成分布在定子中，磁通方向橫向于旋轉(zhuǎn)方向。可減輕質(zhì)量，適用于無齒輪傳動(dòng)齒輪直接傳動(dòng)。根據(jù)研究成果制造永磁牽引電機(jī)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，吸收西門子實(shí)驗(yàn)中心對永磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)成果，樣機(jī)在紐倫堡工廠按標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)制造工藝生產(chǎn)。采用成形繞組線圈，疊片鐵心用M330-50A標(biāo)準(zhǔn)硅鋼片；轉(zhuǎn)子用Polyglass玻璃纖維增強(qiáng)綁扎帶綁扎。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)未使用磁化裝置，單個(gè)磁鐵加工困難，磁鐵是材料允許最高工作溫度190℃的Nd-Fe-B材料。

3 永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)發(fā)展概況

國外永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)發(fā)展以東芝公司、阿爾卑斯公司等為代表，目前完成樣機(jī)開發(fā)實(shí)驗(yàn)。日本對永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)研究始于90年代，在1998年將永磁同步電機(jī)應(yīng)用于列車電力牽引系統(tǒng)，東日本鐵路公司開發(fā)永磁同步電機(jī)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)，用傳動(dòng)方式系下系統(tǒng)降噪5dB，東芝公司研制采用功率等級(jí)355kW永磁同步電機(jī)牽引電機(jī)， 永磁同步電機(jī)額定功率提高20%，采用自通風(fēng)冷卻方式滿足列車輕量化發(fā)展趨勢。

株洲南車時(shí)代電氣公司對永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)研究始于2003年，主要研究用詞同步電機(jī)設(shè)計(jì)方法及控制策略，建立永磁同步電機(jī)半實(shí)物仿真平臺(tái)。2008年完成中國南車項(xiàng)目永磁同步電機(jī)控制技術(shù)研究，搭載在純電動(dòng)大巴上考核運(yùn)行，針對并聯(lián)混合動(dòng)力客車用40kW/90kW永磁同步電機(jī)進(jìn)行研制[7]。2010年對額定功率200kW永磁同步牽引系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，試制多種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)，解決高速帶速重投等技術(shù)，掌握電機(jī)設(shè)計(jì)方法，2011年對沈陽地鐵二號(hào)線裝車實(shí)驗(yàn)永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)進(jìn)行定型，完成7000kmAWO空載，系統(tǒng)運(yùn)行良好。2014年我國首輛永磁高鐵下線，證明裝備永磁電機(jī)后，采用4臺(tái)4拖即可，使得安裝永磁電機(jī)列車牽引系統(tǒng)成本降低20%，提高列車牽引效率，但我國永磁同步電機(jī)系統(tǒng)距離商業(yè)化存在一定距離。

國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)為研制牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)，借鑒國外先進(jìn)技術(shù)建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目前軌道交通車輛傳動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)分為能量消耗式與互饋式。能量消耗式系統(tǒng)特點(diǎn)是被試系統(tǒng)產(chǎn)生機(jī)械能消耗在陪試系統(tǒng)負(fù)載，通過控制阻力設(shè)備阻力達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的目的。其優(yōu)點(diǎn)是控制簡單，但存在只能考核傳動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)工況；阻力設(shè)備只能模擬負(fù)載靜態(tài)過程，負(fù)載設(shè)備以熱形式消耗，嚴(yán)重時(shí)需額外增加風(fēng)機(jī)等缺點(diǎn)。能耗式僅適用于功率小的場合。能量反饋式在系統(tǒng)運(yùn)行中將被試系統(tǒng)輸出機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，牽引系統(tǒng)分為機(jī)組與交流反饋型系統(tǒng)。能量互饋式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中陪試系統(tǒng)產(chǎn)生電能輸送給被試系統(tǒng)，牽引試驗(yàn)系統(tǒng)由相同逆變器-異步牽引電機(jī)構(gòu)成，能量在直流側(cè)實(shí)現(xiàn)互饋，日本東芝等公司交流傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用此方案搭建系統(tǒng)。

4 直交永磁同步電機(jī)牽引實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

直角永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對城軌車輛牽引系統(tǒng)開發(fā)，模擬列車在電氣控制特性工作靜態(tài)特性，直角永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求采用能量回饋實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建方案，被試系統(tǒng)被試機(jī)力矩功率需與陪試系統(tǒng)陪試機(jī)匹配；陪試系統(tǒng)作用是為被試系統(tǒng)加載，為系統(tǒng)提供拖動(dòng)動(dòng)力；系統(tǒng)可對牽引試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)，對各部分部件單獨(dú)實(shí)驗(yàn)。利用系統(tǒng)對直角永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)開發(fā)。

直角永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建方案，能量互饋式實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，不存在電能質(zhì)量污染電網(wǎng)情況，采用能量互饋式進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建。為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，陪試系統(tǒng)應(yīng)用可靠性的系統(tǒng)，三相異步電機(jī)試驗(yàn)運(yùn)行超速不會(huì)出現(xiàn)過壓情況，異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制技術(shù)成熟，為被試機(jī)提供負(fù)載。能量互饋式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)方案是系統(tǒng)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最佳方案，對系統(tǒng)動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建方法研究。永磁同步電機(jī)特性決定轉(zhuǎn)子與定子頻率一致，由于存在輪徑差，對各電機(jī)定子供電頻率要求不同，運(yùn)行中因輪徑差產(chǎn)生滑行，每臺(tái)永磁同步電機(jī)需有單獨(dú)逆變器控制。陪試電機(jī)通過聯(lián)軸器進(jìn)行耦合連接，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。動(dòng)力試驗(yàn)平臺(tái)由直流供電系統(tǒng)與陪試系統(tǒng)構(gòu)成，被試機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制方式，被試機(jī)通過聯(lián)軸器連接，通過陪試系統(tǒng)牽引變流器控制模擬列車運(yùn)動(dòng)特性。

永磁同步電機(jī)牽引實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，被試電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，三相異步電機(jī)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，堅(jiān)固耐用，缺點(diǎn)是功率因數(shù)較差。系統(tǒng)運(yùn)行中被試電機(jī)在四象限運(yùn)行狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)可能出現(xiàn)在坐標(biāo)系任意象限，電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)分為電動(dòng)與制動(dòng)，第二四象限對應(yīng)電機(jī)制動(dòng)工況。牽引逆變器是牽引電機(jī)側(cè)牽引變流器，直角永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)正常牽引，將直流側(cè)直流逆變成三相交流電，陪試系統(tǒng)逆變器在整流狀態(tài)，將發(fā)出三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?。制?dòng)時(shí)被試系統(tǒng)逆變器工作在整流狀態(tài)，將發(fā)出三相交流電變成直流電，陪試系統(tǒng)逆變器將直流側(cè)直流電逆變?yōu)槿嘟涣麟姟?/p>

為實(shí)現(xiàn)對直流永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)控制，需分析控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。被試系統(tǒng)開發(fā)分為廠家提供直觀被試系統(tǒng)，與需對被試系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)，直角永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)分為頂層中層與底層控制。牽引實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)頂層包括TCU開發(fā)平臺(tái)，為牽引系統(tǒng)中間層發(fā)送控制指令；中間層有被試機(jī)牽引變流操控系統(tǒng)，把傳輸控制指令信號(hào)變?yōu)榭煽氐讓涌刂菩盘?hào)。直角永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)建立后，TCU開發(fā)平臺(tái)中間層被試系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩指令，通過控制被試機(jī)工況控制電磁轉(zhuǎn)矩。通過上層列車模擬運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)送速度指令，將指令轉(zhuǎn)換為底層陪試機(jī)控制系統(tǒng)信號(hào)。陪試系統(tǒng)采用速度控制方式，靜態(tài)試驗(yàn)中根據(jù)設(shè)定工況確定陪試機(jī)轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)束語

永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)成為軌道電力牽引系統(tǒng)新趨勢，本文對直角永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)構(gòu)建方法及TCU控制策略開發(fā)平臺(tái)研究。永磁同步電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)只能采用軸控方式，完整的系統(tǒng)由若干獨(dú)立單軸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成。系統(tǒng)運(yùn)行控制采用三層控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，頂層控制具有通用性，可移植到其他系統(tǒng)中使用；直角永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)利用能量互饋式構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單。被試系統(tǒng)按照電氣控制特性運(yùn)行，基本控制方式按力矩方式控制，陪試系統(tǒng)對速度響應(yīng)要求高。