基于大功率直驅(qū)永磁系統(tǒng)的故障保護控制研究

詹哲軍，張瀚宸

（1.中車永濟電機公司，山西 永濟 044502；2.西交利物浦大學，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

直驅(qū)永磁牽引系統(tǒng)具有高效、綠色、環(huán)保、降成本等優(yōu)勢，是未來軌道交通行業(yè)牽引系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，是國內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域的主要研究方向。我國在直驅(qū)永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的研究運用剛處于起步階段，而大功率機車永磁牽引系統(tǒng)在國內(nèi)甚至全世界還處于空白階段。機車正常運行過程中，如果保護邏輯不完善或者保護不及時，在遇到某些故障工況時可影響車輛正常運行，甚至損害機車某些部件[1]。因此，針對大功率直驅(qū)永磁系統(tǒng)的故障保護研究就顯得尤為重要。

1 直驅(qū)永磁系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)頂層指標

牽引制動特性是列車最重要的特性，針對不同的運行環(huán)境實時控制列車的牽引/制動力，達到控制目標。

網(wǎng)壓功率曲線圖見圖1。

圖1 網(wǎng)壓功率曲線

牽引特性曲線見圖2；制動特性曲線見圖3。

圖2 系統(tǒng)牽引特性曲線

圖3 系統(tǒng)制動特性曲線

1.2 主電路設(shè)計

本次設(shè)計的直驅(qū)永磁電傳動系統(tǒng)采用兩整三逆主回路拓撲（見圖4），兩組四象限整流器并聯(lián)，通過中間直流環(huán)節(jié)、牽引逆變器給牽引電機供電，逆變器和永磁電機之間設(shè)計有隔離接觸器；輔助變流器從中間直流回路取電，經(jīng)過逆變、濾波后為輔助負載供電。

圖4 主電路拓撲

1.3 變流器設(shè)計

牽引變流器采用兩整三逆主回路拓撲，充分考慮電磁兼容設(shè)計，主回路采用高、低壓分離，控制線束采用屏蔽線并可靠接地；模塊化設(shè)計采用以水冷基板為中心單面排布IGBT器件的方式；散熱采用水冷卻方式，保證功率模塊安全可靠；有較完善的保護功能，包含電源監(jiān)測功能、短路保護功能及電壓保護功能等[2-3]。

牽引變流器技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

表1 牽引變流器參數(shù)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制裝置硬件拓撲

控制裝置是一種多處理器、多總線系統(tǒng)，采用變流控制、主控邏輯獨立架構(gòu)，如圖5所示。

圖5 控制裝置功能圖

2.2 四象限變流控制

控制框圖如下圖6所示：

圖6 單相PWM 整流器控制框圖

（1）數(shù)學模型。

整流器直流母線電容電壓方程為：

交流側(cè)電感電流方程為：

其中：L和R分別表示交流側(cè)濾波電感和它的電阻（即變壓器副邊漏電感及副邊側(cè)等效電阻），e表示變壓器副邊繞組感應電勢，u表示由開關(guān)管對斬波得到的變壓器副邊繞組端電壓。

假設(shè)理想情況下，交流側(cè)功率與直流側(cè)功率平衡，得到：

其中：T表示工頻周期。

假設(shè)直流母線電壓基本不變，得到：

將電流內(nèi)環(huán)近似為慣性環(huán)節(jié)，得到：

其中Ti表示電流環(huán)的閉環(huán)帶寬。

（2）控制原理。

采用以電壓為外環(huán)調(diào)節(jié)和電流為內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)的雙閉環(huán)控制，鎖相環(huán)PLL用來保證輸入電流和網(wǎng)側(cè)電壓同相，確保四象限盡可能工作在單位功率因數(shù)下；脈沖調(diào)制控制采用SPWM正弦脈寬調(diào)制，并加入多重化載波移相控制[4]。

電壓外環(huán)的受控對象傳遞函數(shù)為：

電流內(nèi)環(huán)采用PR控制，控制器傳遞函數(shù)為：

多重化技術(shù)主要是載波角度的計算分配，則每一組四象限變流器載波角度依次錯開π/N，載波角度分配公式如下：

若x組四象限變流器故障后，載波角度重新分配，則多重化個數(shù)變?yōu)镹-x，新分配每一組四象限變流器載波角度依次錯開π/（N-x），載波角度重新分配公式如下：

2.3 直驅(qū)永磁電機控制

本系統(tǒng)應用于高壓大功率場合，采用控制和調(diào)制分離的模式，在額定轉(zhuǎn)速以下采用矢量控制策略，采用前饋電壓和PI調(diào)節(jié)器相結(jié)合的電壓生成模式；在額定轉(zhuǎn)速以上采用單電流控制策略，輸出電壓幅值不再變化，通過控制輸出電壓和反電勢的功角來調(diào)制牽引、制動轉(zhuǎn)矩，并用Q軸 電流解耦項對轉(zhuǎn)矩精度進行校準[2]。見圖7。

圖7 永磁電機矢量控制框圖

調(diào)制采用多模式PWM調(diào)制策略，可以充分利用逆變器允許的開關(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 。多模式調(diào)制策略：低頻段采用異步調(diào)制，中頻段采用同步調(diào)制，額定頻率以上采用方波控制[3]。

3 永磁系統(tǒng)邏輯保護

由于永磁體固有的反電勢，在電機處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時在電機端部會有電壓（u=w＊φ），所以在封脈沖和故障模式時要根據(jù)轉(zhuǎn)速和目前的邏輯狀態(tài)來確認隔離接觸器的狀態(tài)，配合整車邏輯進行保護動作。

（1）TCU級保護動作類別，相應的保護動作存儲在TCU中。定義的保護動作取決于各自不同的工況，保護動作分為5級，從低保護層級到高保護層級依次為：繼續(xù)運行、降功率運行、封鎖使能、隔離斷主斷、牽引系統(tǒng)停止運行。

（2）關(guān)于故障引起的軸隔離的具體操作如下，立即封鎖逆變器脈沖、斷開電機隔離接觸器、斷開軸隔離繼電器；TCU檢測到軸隔離繼電器斷開，上傳隔離標志位，進入軸隔離狀態(tài)，不響應任何其他任何控制指令。如果TCU接收到MPU的軸隔離取消指令，TCU取消隔離狀態(tài)，接收MPU指令，執(zhí)行相應動作；

（3）關(guān)于故障引起的架隔離的具體操作如下，立即封鎖四象限和逆變脈沖，斷開架隔離繼電器；TCU檢測到架隔離繼電器斷開后，上傳架隔離標志位。進入架隔離狀態(tài)，不響應任何其他任何控制指令。如果TCU接收到MPU的架隔離取消指令，TCU取消隔離狀態(tài)，接收MPU指令，執(zhí)行相應動作。

4 典型故障工況試驗驗證

完成樣機試制后，按IEC61377標準開展了系統(tǒng)地面組合試驗和研究性試驗，試驗結(jié)果表明該系統(tǒng)效率高、諧波低、動態(tài)響應性能好及穩(wěn)態(tài)精度高[4]。下面對幾個典型故障工況的關(guān)鍵試驗項點進行說明。

4.1 網(wǎng)側(cè)故障響應

網(wǎng)壓中斷是列車運行過程中經(jīng)常碰到現(xiàn)象，如果檢測不及時，會造成車上器件損壞，影響車輛正常運行。

軟件采用網(wǎng)壓幅值、相位及電流環(huán)差值等多種檢測手段，實現(xiàn)對網(wǎng)壓中斷的快速、精準檢測，然后快速將故障信息傳遞至逆變側(cè)器和邏輯處理單元，通過邏輯、時序配合，實現(xiàn)該電傳動系統(tǒng)在設(shè)計的速度區(qū)間內(nèi)安全平穩(wěn)運行。

圖8 網(wǎng)壓中斷試驗波形

試驗結(jié)果表明：網(wǎng)壓中斷檢測時間2.2ms，所有部件未報出任何故障。

4.2 隔離接觸器邏輯保護

隔離接觸器邏輯保護主要有兩種應用工況：①永磁系統(tǒng)在高速斷主斷工況，采用隔離器件將永磁電機和變流器主回路隔離開，反電勢過高避免造成中間設(shè)備損壞；②在高速重投中的應用，在額定轉(zhuǎn)速以上，機車由惰行轉(zhuǎn)牽引（制動）時，需要先抑制反電勢，建立弱磁磁場然后再閉合接觸器輸出力矩。針對隔離接觸器保護做了兩組典型工況試驗：

（1）高速160km/h斷主斷試驗，分別進行牽引、制動及惰行三種工況，測試結(jié)果表明高速工況下可以很好地抑制反電動勢，避免損害中間直流側(cè)設(shè)備。

圖9 制動160km/h 斷主斷試驗

（2）高速重投試驗，針對永磁電機反電勢問題，采取了優(yōu)化電機反電勢設(shè)計、增加隔離接觸器及優(yōu)化弱磁控制三個方案，徹底解決了高速重投反電勢可能對系統(tǒng)的不利影響。

圖10 高速重投試驗

試驗結(jié)果表明：兩種工況下，直流母線電壓未發(fā)生明顯沖擊波動，所有部件未報出任何故障。

4.3 匝間短路保護試驗

匝間短路故障一般由于線圈相鄰繞組絕緣失效引起，不宜觀測，長時間累積會損壞器件。

匝間短路離線診斷：當電機處于低速或者零速時，采用高頻電壓注入法，以id電流中的直流量為特征量進行判斷。

匝間短路在線診斷：設(shè)計線性擴張狀態(tài)觀測器，通過觀測故障電壓擾動量的特征值，進行判斷，可以在運行過程中實時檢測。

試驗結(jié)果表明：全速度范圍內(nèi)，匝短故障可以檢測、識別，檢測時間1.5s。

4.4 變壓器直流偏磁保護試驗

圖11 匝短保護試驗

變壓器直流偏磁導致控制器多次計算累加使交流側(cè)電流增加，段時間會造成電流累積過大，容易引起過流導致脈沖封鎖，嚴重時會對功率器件造成損壞。

軟件采用提取出直流偏置量構(gòu)成閉環(huán)控制和在內(nèi)環(huán)控制器中加入了直流偏置自調(diào)節(jié)功能的雙重偏置抑制的控制方法，從而達到對直流偏置的抑制作用。

試驗結(jié)果表明：交流側(cè)電流中直流含量接近為0。

5 結(jié)語

本文介紹一種應用于電力機車的直驅(qū)永磁牽引系統(tǒng)，詳細分析了牽引控制單元軟硬件及邏輯保護關(guān)鍵技術(shù)，針對永磁電力機車的一些典型故障工況，地面聯(lián)調(diào)試驗進行故障復現(xiàn)驗證，試驗結(jié)果表明所設(shè)計永磁直驅(qū)系統(tǒng)可靠高效，面對一些典型故障時可以快速準確識別并保護，保證機車的穩(wěn)定運行。