淺析直交永磁同步電機牽引試驗系統的運用和發展

陶偉平

中車大連電力牽引研發中心有限公司 遼寧 大連 116000

引言

近年來我國經濟迅速發展，城市規模不斷擴大。軌道交通以其低碳環保等優點成為解決交通擁堵重要手段，電力牽引系統是軌道交通車輛核心設備，其性能是國產軌道車輛研究重點[1]。電力牽引傳動系統分為交直流傳動形式，直流傳動方式長期應用于軌道交通領域，但運用中存在機械換向限制、機械功率難以提升等缺點，直流電機結構復雜，使用維護不便，限制了電力牽引在現代軌道車輛交通中的發展。隨著交流電機控制理論的成熟，計算機控制技術廣泛使用，交流傳動系統體現良好的牽引特性，系統具有持續功率大等優勢，永磁同步電機具有轉矩密度高、運行效率高等特點，實現系統結構輕量化。永磁同步電機牽引系統成為軌道交通牽引技術發展新趨勢[2]。

1 永磁同步電機牽引系統的特性

永磁同步電機自30年代問世后，由于重量輕、結構簡單等系列優點，在工業生產等方面得到廣泛應用?，F代稀土永磁同步電機向大功率方向發展，瑞典ABB公司及布倫瑞克科技大學研制出功率500kW的永磁同步電機，目前永磁同步電機滿足動力分散動車牽引電機的要求[3]。永磁同步電機牽引系統技術的優勢體現在動態響應快、功率因數高等。

永磁同步電機勵磁由永磁體產生，可提高功率因數，得到較小的定子電流，在穩態運行時總損耗降低。永磁同步電機效率比異步電機高2-8個百分點，可大幅度節省電能。永磁同步電機承受轉矩擾動能力強，異步電機由于轉差率阻礙電機快速響應，永磁同步的電機轉動部分不會對轉矩快速響應，電機公角改變使轉速不變，其最大轉矩是額定轉矩的3倍以上。永磁同步電機應用高性能永磁材料，可以得到很高的功率密度，永磁同步電機質量輕1/3，系統得到簡化[4]。永磁同步電機牽引系統轉速與供電頻率成正比，同列車不同輪對轉速存在差異，異步電機由于轉差率，牽引系統可采用車控方式。永磁同步電機轉子與定子頻率一致，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 異步電機與永磁同步電機驅動系統比較

列車牽引特性保證系統安全可靠運行，列車牽引特性必須控制在允許限度內。要求滿足下列黏著條件限制，牽引電機最大電流限制，最大功率限制等。車啟動牽引力及在相應坡道剩余加速度滿足用戶要求；牽引電機最大電流限制稱為最大啟動電流，應小于電機最大允許電流；列車運行時保證輪軌粘著特性，列車黏著系數隨線路條件及機車啟動方式等因素變化，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，保證系統安全可靠運行。永磁同步電機系統牽引電機應具備恒轉矩特性，自然特性。

2 永磁同步電機牽引系統的應用研究

隨著永磁材料性能的提高，永磁電機研究逐步成熟，使永磁電機在工農業生產等方面得到廣泛應用。永磁同步電機的應用引起工程師的關注，由于安裝控件有限，列車速度高，牽引電機體積小，電機質量輕。要求電機啟動時輸出轉矩大，易于控制轉矩等。異步電機具有比直流電機的優勢，牽引變流器控制三相異步電機傳動系統廣泛應用于鐵道牽引領域。永磁同步電機設計理論，控制技術等方面研究不斷深入。

永磁同步電機傳動系統開發重點是研制牽引電機，永磁電機性能取決于定子形狀等設計變量，需要對變量優化設計。研究對永磁同步電機作電磁計算，將永磁電機磁體形狀，軸向長度作為變量分析研究，對表面磁鐵型電機進行優化設計[6]。采用齒輪傳動裝置可使牽引電機小型輕量化，通用異步牽引電機使用齒輪傳動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得到人們的關注，永磁電機體積質量減小，采用永磁同步電機直接傳動系統研究不斷開展。日本鐵道東日本公司研究試制直接傳動牽引電機，表明第二次試制方案得到計劃要求性能，永磁電機為密封結構無轉子籠條產生噪聲，在電機噪聲可降低10dB以上。永磁電機效率可提高5%。

1977年德國鐵路公司開發適用于ICE3高速電動車組永磁同步電機，繞組布置在定子上，布倫瑞克科技大學開發適用于ICE3永磁同步電機，永磁體集成分布在定子中，磁通方向橫向于旋轉方向?？蓽p輕質量，適用于無齒輪傳動齒輪直接傳動。根據研究成果制造永磁牽引電機實驗樣機，吸收西門子實驗中心對永磁電機實驗成果，樣機在紐倫堡工廠按標準電機制造工藝生產。采用成形繞組線圈，疊片鐵心用M330-50A標準硅鋼片；轉子用Polyglass玻璃纖維增強綁扎帶綁扎。實驗樣機未使用磁化裝置，單個磁鐵加工困難，磁鐵是材料允許最高工作溫度190℃的Nd-Fe-B材料。

3 永磁同步電機牽引系統發展概況

國外永磁同步電機牽引系統發展以東芝公司、阿爾卑斯公司等為代表，目前完成樣機開發實驗。日本對永磁同步電機牽引系統研究始于90年代，在1998年將永磁同步電機應用于列車電力牽引系統，東日本鐵路公司開發永磁同步電機牽引傳動系統，用傳動方式系下系統降噪5dB，東芝公司研制采用功率等級355kW永磁同步電機牽引電機， 永磁同步電機額定功率提高20%，采用自通風冷卻方式滿足列車輕量化發展趨勢。

株洲南車時代電氣公司對永磁同步電機牽引系統研究始于2003年，主要研究用詞同步電機設計方法及控制策略，建立永磁同步電機半實物仿真平臺。2008年完成中國南車項目永磁同步電機控制技術研究，搭載在純電動大巴上考核運行，針對并聯混合動力客車用40kW/90kW永磁同步電機進行研制[7]。2010年對額定功率200kW永磁同步牽引系統實驗研究，試制多種轉子結構永磁同步電機，解決高速帶速重投等技術，掌握電機設計方法，2011年對沈陽地鐵二號線裝車實驗永磁同步電機牽引系統進行定型，完成7000kmAWO空載，系統運行良好。2014年我國首輛永磁高鐵下線，證明裝備永磁電機后，采用4臺4拖即可，使得安裝永磁電機列車牽引系統成本降低20%，提高列車牽引效率，但我國永磁同步電機系統距離商業化存在一定距離。

國內許多科研機構為研制牽引交流傳動系統，借鑒國外先進技術建立實驗平臺，目前軌道交通車輛傳動試驗平臺系統分為能量消耗式與互饋式。能量消耗式系統特點是被試系統產生機械能消耗在陪試系統負載，通過控制阻力設備阻力達到調節轉矩的目的。其優點是控制簡單，但存在只能考核傳動系統電動工況；阻力設備只能模擬負載靜態過程，負載設備以熱形式消耗，嚴重時需額外增加風機等缺點。能耗式僅適用于功率小的場合。能量反饋式在系統運行中將被試系統輸出機械能轉化為電能，牽引系統分為機組與交流反饋型系統。能量互饋式系統實驗中陪試系統產生電能輸送給被試系統，牽引試驗系統由相同逆變器-異步牽引電機構成，能量在直流側實現互饋，日本東芝等公司交流傳動實驗平臺采用此方案搭建系統。

4 直交永磁同步電機牽引實驗平臺構建

直角永磁同步電機實驗系統可實現對城軌車輛牽引系統開發，模擬列車在電氣控制特性工作靜態特性，直角永磁同步電機牽引系統實驗平臺要求采用能量回饋實驗平臺構建方案，被試系統被試機力矩功率需與陪試系統陪試機匹配；陪試系統作用是為被試系統加載，為系統提供拖動動力；系統可對牽引試驗系統開發，對各部分部件單獨實驗。利用系統對直角永磁同步電機牽引系統開發。

直角永磁同步電機實驗系統平臺構建方案，能量互饋式實驗系統節能效果顯著，不存在電能質量污染電網情況，采用能量互饋式進行系統構建。為保證系統安全運行，陪試系統應用可靠性的系統，三相異步電機試驗運行超速不會出現過壓情況，異步電機調速系統控制技術成熟，為被試機提供負載。能量互饋式實驗平臺方案是系統動力實驗最佳方案，對系統動力試驗平臺構建方法研究。永磁同步電機特性決定轉子與定子頻率一致，由于存在輪徑差，對各電機定子供電頻率要求不同，運行中因輪徑差產生滑行，每臺永磁同步電機需有單獨逆變器控制。陪試電機通過聯軸器進行耦合連接，保證系統穩定運行。動力試驗平臺由直流供電系統與陪試系統構成，被試機采用轉矩控制方式，被試機通過聯軸器連接，通過陪試系統牽引變流器控制模擬列車運動特性。

永磁同步電機牽引實驗系統中，被試電機采用永磁同步電機，三相異步電機優點是結構簡單、價格低廉，堅固耐用，缺點是功率因數較差。系統運行中被試電機在四象限運行狀態，電動機工作點可能出現在坐標系任意象限，電動機工作狀態分為電動與制動，第二四象限對應電機制動工況。牽引逆變器是牽引電機側牽引變流器，直角永磁同步電機牽引系統正常牽引，將直流側直流逆變成三相交流電，陪試系統逆變器在整流狀態，將發出三相交流電轉變為直流電。制動時被試系統逆變器工作在整流狀態，將發出三相交流電變成直流電，陪試系統逆變器將直流側直流電逆變為三相交流電。

為實現對直流永磁同步電機牽引系統控制，需分析控制系統結構。被試系統開發分為廠家提供直觀被試系統，與需對被試系統開發實驗，直角永磁同步電機牽引系統分為頂層中層與底層控制。牽引實驗系統頂層包括TCU開發平臺，為牽引系統中間層發送控制指令；中間層有被試機牽引變流操控系統，把傳輸控制指令信號變為可控底層控制信號。直角永磁同步電機牽引系統建立后，TCU開發平臺中間層被試系統輸出轉矩指令，通過控制被試機工況控制電磁轉矩。通過上層列車模擬運行系統發送速度指令，將指令轉換為底層陪試機控制系統信號。陪試系統采用速度控制方式，靜態試驗中根據設定工況確定陪試機轉速。

5 結束語

永磁同步電機牽引系統成為軌道電力牽引系統新趨勢，本文對直角永磁同步電機牽引系統構建方法及TCU控制策略開發平臺研究。永磁同步電機試驗系統只能采用軸控方式，完整的系統由若干獨立單軸實驗系統組成。系統運行控制采用三層控制系統結構，頂層控制具有通用性，可移植到其他系統中使用；直角永磁同步電機牽引系統利用能量互饋式構建實驗平臺結構簡單。被試系統按照電氣控制特性運行，基本控制方式按力矩方式控制，陪試系統對速度響應要求高。