基于儲能式有軌電車的永磁同步電機控制設計

楊高興， 張吉斌， 路 瑤， 柴璐軍

（中車永濟電機有限公司， 陜西 西安 710016）

引言

儲能式有軌電車采用超級電容作為儲能原件，能夠無接觸網運行，以超級電容作為儲能原件的目的是實現了能量的高效循環利用，達到綠色節能的雙重目的。本儲能式有軌電車一臺車設計有2套牽引變流器，一套變流器控制一臺永磁同步牽引電動機。本文從永磁同步電動機在儲能式有軌電車上的應用控制的特點入手，分析永磁同步電動機在較寬速度范圍內的控制策略。

1 永磁同步電機控制策略

儲能式有軌電車負載要求永磁電動機在額定轉速以下進行恒轉矩運行，額定轉速以上進行恒功率驅動。在恒轉矩運行區域，一般采用MTPA最大轉矩/電流控制策略，而在恒功率運行時，則采取弱磁控制。

永磁同步電動機穩態運行時，由于端電壓us要受到限制，不能超出極限值usmax，當電機轉速ωr＜ωr1時，電機運行在恒轉矩區域，采用最大轉矩電流比控制可使永磁同步電機獲得最大的電磁轉矩Temax。當電動機轉速ωr≥ωr1時，電動機進入恒功率運行區域，需要采用弱磁控制，適當控制弱磁電流和轉矩電流，輸出轉矩減小，輸出功率P保持不變。功率、轉矩、電壓與轉速之間的關系示意圖如圖1所示。

圖1 永磁同步電機功率、轉矩、電壓與轉速之間的關系圖

由于系統采用電壓型逆變器供電，永磁同步電動機的運行要受逆變器輸出能力的限制。這種限制分兩個方面：一方面受電流幅值限制，設其最大值為ismax；另一方面受電壓幅值限制，電壓最大值與直流母線電壓相關，可寫為永磁電動機的工作狀態滿足以下方程：

式（1）為永磁電機的電流極限方程，式（2）為永磁電機電壓極限方程。

由以上公式可得到在以定子電流分量id和iq為坐標軸平面中的電壓極限橢圓方程：

由式（1）和（3）組成的在dq平面內的電流極限圓和電壓極限橢圓如圖2所示：

圖2 受電壓電流限制的dq平面內的永磁電動機工作點(ω1＜ω2)

轉速較低時，電機工作點位于電流圓與MTPA線的交點（圖2中A點），此時電機具有最大轉矩輸出。隨著轉速的升高，電壓橢圓向C點收縮，而C點位于MTPA線的左邊，因而轉速越高，要求d軸電流id越偏負，這就是負id補償法的弱磁原理。在此弱磁控制的調節下，電機工作點隨著轉速的升高，將沿電流圓向左移動，以保持最大可能的轉矩輸出，如圖2中A點到B點。理論上電機工作點移動到C點，電機可獲得最大轉速，實際上電機轉速是達不到C點的[1]。

2 永磁同步電機矢量控制

在本控制系統設計中，控制算法部分分為兩部分，即恒轉矩區MTPA控制和恒功率區弱磁控制。

2.1 永磁同步電機恒轉矩區控制

恒轉矩區采用MTPA控制，MTPA控制被稱為最大轉矩電流比控制，是在基頻以下非弱磁下所采用的控制策略。由于凸極電機直軸電感Ld小于交軸電感Lq，在基速以下范圍內運行時，可以利用電機凸極效應而產生的磁阻轉矩來獲得較高的轉矩電流比值。在MTPA控制方式下可以用式（4）表示交直軸電流之間的關系：

2.2 永磁同步電動機恒功率弱磁控制

弱磁控制可在逆變器容量不變的情況下提高牽引系統的性能，或在保持牽引系統性能指標不變的前提下降低電機的最大功率，從而降低逆變器的容量。

采用電壓型逆變器供電的永磁同步電動機工作在高速區時，由于定子電壓接近極限，所以電流調節器可能會出現飽和以至于電動機電流環處于開環控制，從而導致系統進入非可控狀態，存在較大的安全隱患。對此的改進措施是，當電流進入飽和時，將調速系統對電動機定子電壓的需求和逆變器直流側電壓進行對比，并產生一個額外的去磁電流分量iq補償到原電流指令。電壓閉環可以抵消電動機運行時對定子電壓的額外要求，從而避免定子電流調節器進入深度飽和，進而對定子電流實施更為有效的閉環控制，提高系統的可靠性。

輸出轉矩受到直流電壓的限制，當電壓降低時，轉矩指令值需要相應的減小。然后根據運行中的不同優化控制策略，將轉矩指令值轉化為定子電流的命令值i*dref，i*qref。高速運行的電動機受到電壓極限的限制作用是比較明顯的，所以需要電壓調節環節產生電流指令補償量，最終形成真正的電流指令值idref、iqref。

基于d軸電流補償的弱磁控制框圖如圖3所示。使用負id補償法進行弱磁控制時，應當對id進行準確合理的限幅，并在id達到其限幅值后對iq進行弱磁補償，以保證系統的穩定可控[2]。

圖3 基于d軸電流補償的弱磁控制框圖

3 仿真與實驗結果

通過對牽引系統部件的性能分析及牽引系統組合試驗驗證，基于永磁同步電機電車組牽引系統部件系統性能良好，滿足試驗動車組運行的要求。設計的牽引轉矩特性和實際發揮的牽引特性對比如圖4所示。

圖4 設計的牽引轉矩特性和實際發揮的牽引特性對比

由圖4所示的試驗結果可以看出，在全速度段實際發揮力矩和設計力矩的誤差都在5%以內，完全滿足標準有軌電車設計要求。

4 結論

基于永磁同步電動機控制的儲能式有軌電車已完成裝車和整車調試，永磁同步電機牽引控制運行性能比較穩定，系統各項性能和技術指標均達到系統設計要求，試驗結果比較滿意。順應我國市內輕軌電車的發展形勢，導軌電車牽引系統具有廣闊的市場前景，基于永磁同步電動機的牽引控制系統成為了我國電車技術升級的一個典范，具有很大的市場空間，在不久的將來，會占有很大的市場份額。

[1]朱磊，溫旭輝，趙峰，等.永磁同步電機弱磁失控機制及其應對策略研究[J].中國電機工程學報，2011（31）：67.

[2]袁登科，徐延東，李秀濤.永磁同步電動機變頻調速系統及其控制[M].北京：機械工業出版社，2015：82-104.