專利名稱：：一種干線高速車輛的永磁同步牽引系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于干線高速車輛領(lǐng)域，尤其涉及一種干線高速車輛的永磁同步牽引系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：由于永磁同步電機(jī)具有高效率、高功率因數(shù)的特點(diǎn)，將永磁同步電機(jī)應(yīng)用于牽引系統(tǒng)，一方面可以保持齒輪直接替代異步電機(jī)，從而提高系統(tǒng)效率，降低能耗，實(shí)現(xiàn)牽引電機(jī)的全封閉結(jié)構(gòu)；另一方面可以省去齒輪箱，實(shí)現(xiàn)直接傳動，從而提高系統(tǒng)傳動效率，減少系統(tǒng)維護(hù)工作，降低系統(tǒng)的壽命周期成本。永磁同步電機(jī)在控制過程中由于受到電壓極限值Usmax(即電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時端電壓Us的極限值)的限制，不可能無限制地升速，電機(jī)的反電勢將不斷升高，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)時，SPnp·ω?！?UsmaxW，電機(jī)兩端的反電勢等于逆變器的電壓極限值。如果要求轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，必須減弱定子磁場11^才能保證ηρ·ω?！s<Usmax成立。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速ωΓ<ωΓ時，電機(jī)運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，采用線性最大轉(zhuǎn)矩電流比控制可以使永磁同步電機(jī)獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩Τ_χ。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速>Ori時，電機(jī)進(jìn)入恒功率運(yùn)行區(qū)域，需要采用弱磁控制，適當(dāng)控制電流id，減小，輸出轉(zhuǎn)矩減小，輸出功率P保持不變，其中id和分別為定子電流在d和q軸的分量。圖1示出了永磁同步電機(jī)弱磁控制過程中的功率、轉(zhuǎn)矩和電壓變化關(guān)系的曲線。為了保證即使在短路的情況下，永磁同步電機(jī)的電壓極限橢圓的圓心位于電流極限圓內(nèi)，則當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高時，電壓極限橢圓和電流極限橢圓之間無交點(diǎn)，依據(jù)最大輸出功率控制原則，交直軸電流id和、依據(jù)軌跡BC變化(參見圖2)。當(dāng)轉(zhuǎn)速=時，iq=0，此時輸出轉(zhuǎn)矩為0，電機(jī)輸出有功功率也為零。弱磁升速過程就是保持電機(jī)端電壓不變、而降低輸出轉(zhuǎn)矩的過程，同時也是調(diào)整d軸和q軸電流在受限狀態(tài)下分配關(guān)系的過程，如圖2所示。另外，永磁同步牽引系統(tǒng)在干線高速車輛應(yīng)用過程中有別于異步牽引系統(tǒng)，永磁同步電機(jī)屬于同步電機(jī)，電機(jī)的供電頻率和旋轉(zhuǎn)速度嚴(yán)格成正比；另外，永磁同步電機(jī)由于采用永磁體勵磁，其磁場始終存在，由于永磁同步電機(jī)的勵磁無法管段，既是外部不供給電源，永磁同步電機(jī)的永磁體也能使定子線圈產(chǎn)生交鏈磁通，只要其旋轉(zhuǎn)，端子就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這種電壓稱為空載感應(yīng)電壓，空載感應(yīng)電壓的大小取決于永磁體產(chǎn)生的磁場和電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在永磁同步牽引系統(tǒng)中，空載感應(yīng)電壓可能帶來如下問題1、逆變器出現(xiàn)故障時，電機(jī)向故障點(diǎn)供電，導(dǎo)致故障影響的擴(kuò)大；2、空載電壓的峰值超過逆變器元件的耐壓值，會損壞元件；3、增加了電機(jī)在高速時重新投入控制的困難程度；4、當(dāng)電機(jī)發(fā)生匝間短路時，空載電壓的存在有可能造成故障的擴(kuò)大。因此，在設(shè)計(jì)干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)時需要對空載感應(yīng)電壓進(jìn)行合理的選擇。再者，短路電流也是影響永磁同步牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵性因素。
發(fā)明內(nèi)容有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種干線高速車輛的永磁同步牽引系統(tǒng)，該系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)選擇能夠大幅提高系統(tǒng)的整體性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)，包括多臺逆變器和分別由每臺逆變器單獨(dú)控制的相應(yīng)的永磁同步電機(jī)，所述永磁同步電機(jī)采用低空載感應(yīng)電壓電機(jī)。優(yōu)選地，所述永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)速時的空載感應(yīng)電壓經(jīng)過二極管整流產(chǎn)生的電壓不超過輸入到牽弓I逆變器的直流電壓的最低值。優(yōu)選地，所述輸入到牽引逆變器的直流電壓的最低值為1300V，所述永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)速時的空載感應(yīng)電壓為930V。優(yōu)選地，所述永磁同步電機(jī)的定子鐵芯長度為140mm。優(yōu)選地，所述永磁同步電機(jī)的三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流與永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的定子電流最大值相等。優(yōu)選地，在所述每個永磁同步電機(jī)與每臺相應(yīng)的逆變器之間還串聯(lián)設(shè)置負(fù)載接觸O本發(fā)明實(shí)施例提供的干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)的整體性能得到了較大的提尚。為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1是永磁同步電機(jī)弱磁控制過程中的功率、轉(zhuǎn)矩和電壓變化關(guān)系的示意圖；圖2是弱磁控制過程中交直軸電流變換關(guān)系圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種干線高速車輛的永磁同步牽引系統(tǒng)的示意圖；圖4是分別采用高空載感應(yīng)電壓方案和低空載感應(yīng)電壓方案時峰值工況下的功率因數(shù)和效率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系示意圖；圖5是永磁同步電機(jī)與牽引逆變器控制的簡單示意圖；圖6a是選擇狀態(tài)0時牽引逆變器和永磁同步電機(jī)的控制關(guān)系圖；圖6b是選擇狀態(tài)7時牽引逆變器和永磁同步電機(jī)的控制關(guān)系圖；圖7是系統(tǒng)進(jìn)行對稱短路時的永磁同步電機(jī)三相電流變化情況示意圖。具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍?，F(xiàn)有技術(shù)中的異步牽引系統(tǒng)通常由一臺控制器(通常是牽引逆變器)控制兩臺同步電機(jī)或四臺一部電機(jī)，此時同時被控的兩臺或四臺一部電機(jī)的定子供電頻率是一致的，由于轉(zhuǎn)差的存在，異步牽引系統(tǒng)可以避免由于輪徑差造成的線速度不一致的問題。但是在同步牽引系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與供電頻率嚴(yán)格成正比，如果兩臺甚至四臺永磁同步電機(jī)一個控制器，由于定子頻率一致，所以被控的電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度一致，考慮到輪對之間的輪徑差，則采用統(tǒng)一控制器的多個永磁同步電機(jī)的線速度可能存在差別，這在實(shí)際的系統(tǒng)中是不允許的。為此本發(fā)明實(shí)施例提供的牽引系統(tǒng)中采用每個牽引逆變器控制單獨(dú)的一臺永磁同步電機(jī)方式，具體地，可以采用圖3所示的逆變器和永磁同步電機(jī)的連接方式，在圖3中，特別的以系統(tǒng)中包含4臺永磁同步電機(jī)為例，分別記為M1、M2、M3和M4，每臺永磁同步電機(jī)各由一牽引逆變器控制。以下詳細(xì)說明對空載感應(yīng)電壓的選擇。為完全克服空載感應(yīng)電壓對系統(tǒng)性能的影響，保證即使在最高轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的空載感應(yīng)電壓經(jīng)二極管整流產(chǎn)生的電壓不超過中間直流電壓最低值，這里的中間直流電壓為輸入牽引逆變器的直流電壓，通常，中間直流電壓最低值取DC1300V，經(jīng)過發(fā)明人多次試驗(yàn)，最優(yōu)地選擇最大空載感應(yīng)電壓(即最大轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的空載感應(yīng)電壓)為930V。而最大空載感應(yīng)的選擇需要考慮系統(tǒng)安全，在系統(tǒng)安全不受控時，使得即使在最高轉(zhuǎn)速下空載感應(yīng)電壓通過反向二極管整流得到的直流側(cè)電壓也不超過1900V左右，對功率器件及主電路不會造成損壞，為此經(jīng)過多次試驗(yàn)，選擇最大空載感應(yīng)電壓在1400V左右。經(jīng)過計(jì)算，上述選擇的最優(yōu)的高空載感應(yīng)電壓和低空載感應(yīng)電壓對應(yīng)的電機(jī)定子鐵心長度可以分別選為140mm和160mm。圖4示出了經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得的分別采用高空載感應(yīng)電壓方案和低空載感應(yīng)電壓方案時峰值工況下的功率因數(shù)和效率隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系示意圖，其中橫軸η為轉(zhuǎn)速，縱軸EO為空載感應(yīng)電壓。由圖4所示，在低速段效率，選擇低空載感應(yīng)電壓的永磁同步電機(jī)與高空載電壓的電機(jī)相比，效率有一定的降低，而在高速段降低不是很明顯。另外，在整個速度范圍內(nèi)，采用低空載感應(yīng)電壓的電機(jī)對應(yīng)的功率因數(shù)要低于采用高空載感應(yīng)電壓的電機(jī)。由于干線高速車輛長時間運(yùn)行在最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)，所以對最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。由圖4所示，在最高轉(zhuǎn)速點(diǎn)低空載感應(yīng)電壓的永磁同步電機(jī)在效率和功率因數(shù)上與高空載感應(yīng)電壓永磁同步電機(jī)并沒有明顯的區(qū)別，而低空載感應(yīng)電壓在整個運(yùn)行區(qū)域均沒有高速重投的困難，所謂高速重投是指在高速時對逆變器和電機(jī)系統(tǒng)重新建立控制。綜上，低空載感應(yīng)電壓的電機(jī)在干線高速車輛長時間運(yùn)行時，效率和功率因數(shù)并不低，并且沒有高速重投的困難。而對于高空載感應(yīng)電壓的永磁同步電機(jī)，其接近最大滿電壓的時間最早，也就是說其最早的進(jìn)入弱磁控制階段，其在最高轉(zhuǎn)速時的弱磁深度相對低空載感應(yīng)電壓的電機(jī)要更深，而弱磁深度越深，需要施加的負(fù)向直軸電流越大，整個電流的幅值上升得也越快?；谏衔膶Σ煌目蛰d感應(yīng)電壓對永磁同步電機(jī)的影響，本發(fā)明實(shí)施例采用相對較低的空載感應(yīng)電壓的永磁同步電機(jī)。另外，即使采用低空載感應(yīng)電壓的永磁同步電機(jī)在系統(tǒng)發(fā)生故障時，電機(jī)不可控且高速旋轉(zhuǎn)時，仍然會向故障點(diǎn)供電，為了保證此時產(chǎn)生的空載感應(yīng)電壓不對系統(tǒng)產(chǎn)生惡劣影響，優(yōu)選地在電機(jī)與逆變器之間增加負(fù)載接觸器305，能夠有效地斷開永磁同步電機(jī)301與牽引逆變器302。以下詳細(xì)說明對永磁同步牽引系統(tǒng)的短路電流的選擇。圖5示出了永磁同步電機(jī)301與牽引逆變器302控制的簡單示意圖。其中牽引逆變器302具有8個開關(guān)狀態(tài)，這里A相的上橋臂和下橋臂的開關(guān)分別記為Sa和Sa’；B相的上橋臂和下橋臂的開關(guān)分別記為Sb和Sb’；C相的上橋臂和下橋臂的開關(guān)分別記為Sc和Sc’。牽引逆變器302的8個開關(guān)狀態(tài)可以表示為表1<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>其中，1表示上橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通，0表示下橋臂的開關(guān)管導(dǎo)通。選擇狀態(tài)0和狀態(tài)7可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的對稱短路，圖6a示出了選擇狀態(tài)0時牽引逆變器302和永磁同步電機(jī)301的控制關(guān)系圖，圖6b示出了選擇狀態(tài)7時牽引逆變器302和永磁同步電機(jī)301的控制關(guān)系圖。圖7示出了系統(tǒng)進(jìn)行對稱短路時的永磁同步電機(jī)三相電流變化情況。假設(shè)在0.05s對系統(tǒng)進(jìn)行對稱短路，當(dāng)整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時對應(yīng)的永磁同步電機(jī)的電流稱之為永磁同步電機(jī)三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流，在圖7中，大約在0.2s以后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。經(jīng)過研究表明，對于三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流大于最大工作電流(在本發(fā)明實(shí)施例中，最大工作電流是指永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的定子電流的最大值)的情況，理論上當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高到一定的程度以后，電壓極限橢圓和電流極限橢圓沒有交點(diǎn)，系統(tǒng)無法繼續(xù)工作，即電機(jī)轉(zhuǎn)速不能再繼續(xù)增加。對于三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流小于和等于最大工作電流的兩種情況，理論上轉(zhuǎn)速可以無限升高，但電機(jī)轉(zhuǎn)速高于一定值后，電壓極限橢圓在q軸方向越來越接近坐標(biāo)軸q，即q軸的電流越來越接近零，系統(tǒng)已經(jīng)無法出力。從另一方面，對于三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流遠(yuǎn)大于系統(tǒng)最大工作電流時，為避免由于電機(jī)短路造成的永磁體退磁，所以在進(jìn)行永磁體退磁校核時，必須以遠(yuǎn)大于系統(tǒng)最大工作電流的短路電流為依據(jù)，從而增加永磁體設(shè)計(jì)時的抗退磁余量。而對于三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流小于和等于最大工作電流的兩種情況，不需要考慮三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流增加永磁體抗退磁余量的問題，但是對于三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流小于最大工作電流的情況，如果三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流遠(yuǎn)小于系統(tǒng)最大工作電流，表明永磁同步電機(jī)的自身阻抗過大，消耗在電機(jī)內(nèi)部的功率太大，從而降低電機(jī)的過載倍數(shù)，影響系統(tǒng)的出力能力。針對高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)，在選擇短路穩(wěn)態(tài)電流時，需要考慮以下兩個因素，一是不增加永磁體設(shè)計(jì)時的抗退磁余量，同時保證系統(tǒng)的出力能力；另一方面，三相對稱斷路在永磁牽引系統(tǒng)中是被允許的工況，為了系統(tǒng)逆變器能承受該短路電流且不增加功率器件電流等級。根據(jù)以上分析，本發(fā)明實(shí)施例中采用選擇三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流選取與系統(tǒng)最大工作電流相當(dāng)。這里系統(tǒng)工作電流等于永磁同步電機(jī)的定子電流，最大工作電流等于永磁同步電機(jī)的最大定子電流。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。權(quán)利要求一種干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)，其特征在于，包括多臺逆變器和分別由每臺逆變器單獨(dú)控制的相應(yīng)的永磁同步電機(jī)，所述永磁同步電機(jī)采用低空載感應(yīng)電壓電機(jī)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)速時的空載感應(yīng)電壓經(jīng)過二極管整流產(chǎn)生的電壓不超過輸入到牽引逆變器的直流電壓的最低值。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)，其特征在于，所述輸入到牽引逆變器的直流電壓的最低值為1300V，所述永磁同步電機(jī)最大轉(zhuǎn)速時的空載感應(yīng)電壓為930V。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁同步電機(jī)的定子鐵芯長度為140mm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁同步電機(jī)的三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流與永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的定子電流最大值相等。6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)，其特征在于，在所述每個永磁同步電機(jī)與每臺相應(yīng)的逆變器之間還串聯(lián)設(shè)置負(fù)載接觸器。全文摘要本發(fā)明實(shí)施例提供一種干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)，包括多臺逆變器和分別由每臺逆變器單獨(dú)控制的相應(yīng)的永磁同步電機(jī)，所述永磁同步電機(jī)采用低空載感應(yīng)電壓電機(jī)。該干線高速車輛永磁同步牽引系統(tǒng)的整體性能得到了較大的提高。文檔編號H02P5/46GK101834552SQ20101018448公開日2010年9月15日申請日期2010年5月21日優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日發(fā)明者丁榮軍,馮江華,劉可安,張朝陽,李益豐,符敏利,許峻峰申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司