不同永磁電機對軌道交通直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)的影響*

詹哲軍 孫德強 張吉斌 路 瑤

(中車永濟電機有限公司技術(shù)中心，710016，西安 ∥ 第一作者,正高級工程師)

20世紀90年代開始，國外就開展了對小功率永磁直驅(qū)同步牽引系統(tǒng)的研究，其中，以日本JR公司、德國Siemens 公司、捷克Skoda公司為代表。國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域關(guān)于永磁直驅(qū)電機的研究及應(yīng)用還處于起步階段，尤其是采用大功率永磁直驅(qū)技術(shù)的鐵路機車還處于空白狀態(tài)。2017年，中車永濟電機有限公司承接了中國鐵路總公司項目《客運電力機車直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)研制》。為了深入研究不同永磁體對大功率直驅(qū)永磁牽引系統(tǒng)特性的影響，該項目設(shè)計了釤鈷和釹鐵硼兩種不同材料永磁體的電機，通過半實物仿真和地面試驗驗證，對兩種永磁電機的效率、功率因數(shù)及溫升等性能進行了對比分析，同時還針對大功率永磁電機的MTPA(最大轉(zhuǎn)矩電流比)控制及弱磁控制進行了深入研究。該研究通過大量試驗驗證了技術(shù)方案的可行性，且兩種電機完全滿足客運電力機車的要求。研究成果可為直驅(qū)永磁系統(tǒng)在電力機車行業(yè)的應(yīng)用積累大量的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗[1-3]。

1 直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)簡介

本文設(shè)計的直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)，裝于速度為160 km/h的客運電力機車上。該系統(tǒng)中，共有 6個電機分別安裝于兩個轉(zhuǎn)向架上，每個電機均采用獨立軸控模式。為了對比分析不同永磁體電機對牽引控制系統(tǒng)的影響，本項目設(shè)計了釤鈷和釹鐵硼兩種材料的永磁電機，各3臺。分別在兩個轉(zhuǎn)向架上安裝釤鈷永磁體電機和釹鐵硼永磁電機，電機采用懸架安裝方式，通過空心軸和撓性板直接驅(qū)動輪對，省去了齒輪箱，提升了系統(tǒng)可靠性，降低了維修維護成本。

圖1為客運電力機車的牽引特性曲線。圖1中，客運電力機車的起動牽引力要求大于420 kN，且持續(xù)牽引力大于324 kN；最大再生制動力位于車鉤處，為225 kN。圖 2為客運電力機車的制動特性曲線。圖2中，最大再生制動力開始線性下降時的車速≤15 km/h，再生制動力線性下降至0時的車速≤5 km/h。

圖1 客運電力機車的牽引特性曲線

圖2 客運電力機車的制動特性曲線

2 直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 直驅(qū)永磁電機設(shè)計

直驅(qū)永磁電機相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表1所示。直驅(qū)永磁電機特性曲線如圖3所示。

圖3 直驅(qū)永磁電機特性曲線

表1 直驅(qū)永磁電機設(shè)計參數(shù)

直驅(qū)永磁電機定子采用成熟絕緣結(jié)構(gòu)，真空壓力浸漆。機座采用全疊片焊接結(jié)構(gòu)，兩端壓圈、拉板，安裝部分均采用鑄造結(jié)構(gòu)。定子鐵心采用斜槽設(shè)計，機座外圓處留有通風道。電機轉(zhuǎn)子采用V形磁路結(jié)構(gòu)，擋板及擋板壓圈采用不銹鋼材料，永磁體采用釹鐵硼材料，磁鋼槽采用硅橡膠灌封。

2.2 直驅(qū)永磁電機控制策略

直驅(qū)永磁同步電機在其額定轉(zhuǎn)速下采用基于MTPA的矢量控制策略，即前饋電壓和PI(比例積分)調(diào)節(jié)器相結(jié)合的電壓生成模式，見圖4。在額定轉(zhuǎn)速以上采用單電流控制策略，輸出的電壓幅值達到飽和后而不再變化，并通過控制輸出電壓和反電勢的功角來調(diào)整牽引和制動轉(zhuǎn)矩，采用Q軸電流解耦項對轉(zhuǎn)矩精度進行校準[4]，見圖 5。

圖4 直驅(qū)永磁電機矢量控制框圖

圖5 直驅(qū)永磁電機弱磁控制框圖

2.3 直驅(qū)永磁電機脈沖調(diào)制策略

根據(jù)電力機車散熱系統(tǒng)要求，功率模塊最高開關(guān)頻率不能超過 450 Hz。為保證電機電壓、電流波形的正弦對稱，盡量減小低次諧波的影響。本項目采用多模式 PWM (脈沖寬度調(diào)制)策略，一方面可以充分利用逆變器的允許開關(guān)頻率，另一方面保證進入弱磁區(qū)后能有較高的直流電壓利用率[5]。

多模式PWM策略為：電機啟動時采用異步調(diào)制PWM，當調(diào)制波頻率為20 Hz時切換到15分頻同步調(diào)制；當調(diào)制波頻率為30 Hz時切換到12分頻，然后切換到中間60°調(diào)制模式；在7分頻和3分頻的切換點采用2 Hz的滯環(huán)，避免頻繁切換引起振蕩；最后根據(jù)頻率和電壓利用率判斷是否進入方波調(diào)制。多模式PWM策略見圖6。

圖6 直驅(qū)永磁電機多模式PWM調(diào)制策略

3 永磁體材料對直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)的影響

3.1 兩種永磁體材料特性對比分析

釤鈷永磁體以其較高的溫度系數(shù)在很多高溫環(huán)境得到推廣應(yīng)用，但該永磁體材質(zhì)較脆，對安裝和工藝都提出了較高的要求。相比而言，釹鐵硼永磁體磁能密度更優(yōu)，價格便宜，但耐高溫性能較差。本次設(shè)計的電機定子最高工作溫度為200 ℃，正常工作范圍內(nèi)，釤鈷和釹鐵硼兩種永磁體都不會發(fā)生因溫度過高而產(chǎn)生的失磁。為了深入研究兩種永磁體對直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)的影響，本次設(shè)計同時采用釤鈷(SmCo30H)和釹鐵硼(N38EH)兩種永磁體材料，通過試驗對其性能進行對比分析。兩種永磁體的特性見表2。

表2 兩種永磁體材料特性對比

3.2 兩種永磁體電機損耗對比分析

電機損耗主要包含銅耗、鐵耗和機械損耗等。本次設(shè)計的兩種永磁體電機機械結(jié)構(gòu)尺寸完全一致，因此，電機損耗主要表現(xiàn)為銅耗和鐵耗等的差異。

電機銅耗pcu和鐵耗pc的公式如下：

(1)

(2)

式中：

rs——定子電阻值；

is——定子電流；

ph,pe——磁滯損耗和渦流損耗；

kh,ke——磁滯損耗和渦流損耗系數(shù)；

bm——磁通密度峰值；

f——電機供電頻率。

由于永磁體磁鋼的磁場強度隨溫度線性變化，為保證直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)長時間工作的穩(wěn)定性，選擇兩種永磁體磁鋼，且保證其在150℃時的磁場強度一致。針對永磁體磁鋼磁場強度隨溫度的變化，在定子側(cè)埋設(shè)溫度傳感器，通過算法進行補償。

兩種永磁電機損耗對比如表3所示。由表3可知，在30 ℃時，釹鐵硼永磁體的磁鏈和鐵耗均較大，但由于其輸出電壓較高，且電流較小，導致銅耗較低，因此，與釤鈷永磁體相比，釹鐵硼永磁體的整體效率要稍高。

表3 兩種永磁電機損耗對比

3.3 兩種永磁電機功率因數(shù)、效率對比分析

因兩種永磁體在150 ℃時永磁體磁鋼磁場一致，故當電機溫度低于該溫度時，由于磁鋼磁場強度的差異，導致兩種永磁體電機在效率和功率因數(shù)上存在差異。當電機溫度在 90℃時，釤鈷電機的磁鏈幅值為4.9 Wb，釹鐵硼電機的磁鏈幅值為5.12 Wb。

反電勢e的計算公式為：

e=ωψ

(3)

式中：

ω——電機角速度；

ψ——電機磁鏈。

由式(3)可知，此時釤鈷電機的反電勢較釹鐵硼電機要低。為保持電機的外特性一致，即要輸出相同的轉(zhuǎn)矩和功率，釤鈷電機此時需要的電流要大于釹鐵硼電機。由式(1)和圖7可知，磁鏈幅值及d軸、q軸電流決定了輸出電壓幅值和空間相位。為了使釤鈷電機達到和釹鐵硼一樣的輸出轉(zhuǎn)矩，必須增大q軸電流，這樣直接增大了輸出電壓us和is的夾角，降低了功率因數(shù)，同時由于電流的增大也導致了銅耗的增加。

圖7 永磁電機控制矢量圖

ud=rsid-ωlqiq

uq=rsiq+ωldid+ωψ

(4)

式中：

ud——d軸電壓；

uq——q軸電壓；

lq——d軸電感；

ld——q軸電感。

3.4 弱磁控制研究

根據(jù)電力機車運營工況需求，本次設(shè)計的直驅(qū)永磁電機的恒功轉(zhuǎn)速范圍為450～706 r/min，弱磁范圍約為1倍額定轉(zhuǎn)速，其控制策略按圖8中的MTPA曲線OA和弱磁曲線AB執(zhí)行。當電機在MTPA模式下運行時，按圖1所示進行控制輸出d軸和q軸電壓；當進入弱磁模式時，按圖2進行控制，即根據(jù)電機反電勢和母線電壓進行調(diào)節(jié)輸出弱磁電流Δid，以抑制反電勢。

圖8 MTPA曲線及弱磁軌跡

4 直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗驗證

永磁電機樣機試制完成后，按試驗大綱要求進行了牽引控制系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗。

4.1 掃頻試驗

在全速度范圍內(nèi)進行了掃頻試驗(見圖9)，得到不同電機扭矩下永磁電機轉(zhuǎn)矩特性對比曲線，如圖10所示。由圖 9～10可知，在不同調(diào)制模式下，各次載波切換平穩(wěn)；不同電機扭矩下轉(zhuǎn)矩輸出精度為100%～105%，滿足設(shè)計要求。

圖9 掃頻試驗截屏圖

圖10 不同電機扭矩下永磁電機轉(zhuǎn)矩特性對比曲線

4.2 兩種永磁電機輸出電壓、效率及功率因數(shù)對比試驗

圖11為兩種永磁電機輸出電壓對比曲線。由圖11可知，在電機溫度試驗剛開始時，釤鈷電機的電壓明顯低于釹鐵硼電機，隨著試驗進行，鐵芯溫度逐步升高，兩個電機的電壓也逐漸接近。

圖11 兩種永磁電機輸出電壓對比曲線

圖12為兩種永磁電機功率因數(shù)對比曲線。圖13為兩種永磁電機效率對比曲線。由圖12～13 可知，試驗結(jié)果和上述理論分析完全一致。

圖12 兩種永磁電機功率因數(shù)對比曲線

圖13 兩種永磁電機效率對比曲線

5 結(jié)語

直驅(qū)永磁牽引控制系統(tǒng)現(xiàn)已完成地面聯(lián)調(diào)試驗，通過試驗數(shù)據(jù)的對比分析，試驗結(jié)論和前期理論分析結(jié)果完全一致。本次設(shè)計的兩種永磁電機均滿足系統(tǒng)要求，但各有優(yōu)缺點。未來還需對這兩種永磁體進行裝車運營考核試驗，以及在振動、高寒、濕熱、網(wǎng)壓突變及波動等不同的運營環(huán)境下對永磁體進行進一步考核，積累經(jīng)驗，為后續(xù)產(chǎn)品的市場化打好基礎(chǔ)。