基于大功率直驅(qū)永磁系統(tǒng)的故障保護(hù)控制研究

詹哲軍，張瀚宸

（1.中車永濟(jì)電機(jī)公司，山西 永濟(jì) 044502；2.西交利物浦大學(xué)，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(shì)，是未來軌道交通行業(yè)牽引系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，是國(guó)內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域的主要研究方向。我國(guó)在直驅(qū)永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的研究運(yùn)用剛處于起步階段，而大功率機(jī)車永磁牽引系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)甚至全世界還處于空白階段。機(jī)車正常運(yùn)行過程中，如果保護(hù)邏輯不完善或者保護(hù)不及時(shí)，在遇到某些故障工況時(shí)可影響車輛正常運(yùn)行，甚至損害機(jī)車某些部件[1]。因此，針對(duì)大功率直驅(qū)永磁系統(tǒng)的故障保護(hù)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(biāo)

牽引制動(dòng)特性是列車最重要的特性，針對(duì)不同的運(yùn)行環(huán)境實(shí)時(shí)控制列車的牽引/制動(dòng)力，達(dá)到控制目標(biāo)。

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(dòng)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(dòng)特性曲線

1.2 主電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的直驅(qū)永磁電傳動(dòng)系統(tǒng)采用兩整三逆主回路拓?fù)洌ㄒ妶D4），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(jī)供電，逆變器和永磁電機(jī)之間設(shè)計(jì)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(fù)載供電。

圖4 主電路拓?fù)?/p>

1.3 變流器設(shè)計(jì)

牽引變流器采用兩整三逆主回路拓?fù)洌浞挚紤]電磁兼容設(shè)計(jì)，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(jì)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(hù)功能，包含電源監(jiān)測(cè)功能、短路保護(hù)功能及電壓保護(hù)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(jì)

2.1 控制裝置硬件拓?fù)?/h3>

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(dú)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(xué)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(yīng)電勢(shì)，u表示由開關(guān)管對(duì)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(duì)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(jì)算分配，則每一組四象限變流器載波角度依次錯(cuò)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(gè)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(cuò)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(jī)控制

本系統(tǒng)應(yīng)用于高壓大功率場(chǎng)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(shì)的功角來調(diào)制牽引、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并用Q軸 電流解耦項(xiàng)對(duì)轉(zhuǎn)矩精度進(jìn)行校準(zhǔn)[2]。見圖7。

圖7 永磁電機(jī)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(jìn)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(hù)

由于永磁體固有的反電勢(shì)，在電機(jī)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)在電機(jī)端部會(huì)有電壓（u=w＊φ），所以在封脈沖和故障模式時(shí)要根據(jù)轉(zhuǎn)速和目前的邏輯狀態(tài)來確認(rèn)隔離接觸器的狀態(tài)，配合整車邏輯進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。

（1）TCU級(jí)保護(hù)動(dòng)作類別，相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作存儲(chǔ)在TCU中。定義的保護(hù)動(dòng)作取決于各自不同的工況，保護(hù)動(dòng)作分為5級(jí)，從低保護(hù)層級(jí)到高保護(hù)層級(jí)依次為：繼續(xù)運(yùn)行、降功率運(yùn)行、封鎖使能、隔離斷主斷、牽引系統(tǒng)停止運(yùn)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(jī)隔離接觸器、斷開軸隔離繼電器；TCU檢測(cè)到軸隔離繼電器斷開，上傳隔離標(biāo)志位，進(jìn)入軸隔離狀態(tài)，不響應(yīng)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(yīng)動(dòng)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(cè)到架隔離繼電器斷開后，上傳架隔離標(biāo)志位。進(jìn)入架隔離狀態(tài)，不響應(yīng)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(yīng)動(dòng)作。

4 典型故障工況試驗(yàn)驗(yàn)證

完成樣機(jī)試制后，按IEC61377標(biāo)準(zhǔn)開展了系統(tǒng)地面組合試驗(yàn)和研究性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)效率高、諧波低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好及穩(wěn)態(tài)精度高[4]。下面對(duì)幾個(gè)典型故障工況的關(guān)鍵試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)進(jìn)行說明。

4.1 網(wǎng)側(cè)故障響應(yīng)

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

軟件采用網(wǎng)壓幅值、相位及電流環(huán)差值等多種檢測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)壓中斷的快速、精準(zhǔn)檢測(cè)，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(shí)序配合，實(shí)現(xiàn)該電傳動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的速度區(qū)間內(nèi)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

圖8 網(wǎng)壓中斷試驗(yàn)波形

試驗(yàn)結(jié)果表明：網(wǎng)壓中斷檢測(cè)時(shí)間2.2ms，所有部件未報(bào)出任何故障。

4.2 隔離接觸器邏輯保護(hù)

隔離接觸器邏輯保護(hù)主要有兩種應(yīng)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(jī)和變流器主回路隔離開，反電勢(shì)過高避免造成中間設(shè)備損壞；②在高速重投中的應(yīng)用，在額定轉(zhuǎn)速以上，機(jī)車由惰行轉(zhuǎn)牽引（制動(dòng)）時(shí)，需要先抑制反電勢(shì)，建立弱磁磁場(chǎng)然后再閉合接觸器輸出力矩。針對(duì)隔離接觸器保護(hù)做了兩組典型工況試驗(yàn)：

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

圖9 制動(dòng)160km/h 斷主斷試驗(yàn)

（2）高速重投試驗(yàn)，針對(duì)永磁電機(jī)反電勢(shì)問題，采取了優(yōu)化電機(jī)反電勢(shì)設(shè)計(jì)、增加隔離接觸器及優(yōu)化弱磁控制三個(gè)方案，徹底解決了高速重投反電勢(shì)可能對(duì)系統(tǒng)的不利影響。

圖10 高速重投試驗(yàn)

試驗(yàn)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(dòng)，所有部件未報(bào)出任何故障。

4.3 匝間短路保護(hù)試驗(yàn)

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(cè)，長(zhǎng)時(shí)間累積會(huì)損壞器件。

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

匝間短路在線診斷：設(shè)計(jì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，通過觀測(cè)故障電壓擾動(dòng)量的特征值，進(jìn)行判斷，可以在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：全速度范圍內(nèi)，匝短故障可以檢測(cè)、識(shí)別，檢測(cè)時(shí)間1.5s。

4.4 變壓器直流偏磁保護(hù)試驗(yàn)

圖11 匝短保護(hù)試驗(yàn)

變壓器直流偏磁導(dǎo)致控制器多次計(jì)算累加使交流側(cè)電流增加，段時(shí)間會(huì)造成電流累積過大，容易引起過流導(dǎo)致脈沖封鎖，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)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(dá)到對(duì)直流偏置的抑制作用。

試驗(yàn)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(yīng)用于電力機(jī)車的直驅(qū)永磁牽引系統(tǒng)，詳細(xì)分析了牽引控制單元軟硬件及邏輯保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)永磁電力機(jī)車的一些典型故障工況，地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)永磁直驅(qū)系統(tǒng)可靠高效，面對(duì)一些典型故障時(shí)可以快速準(zhǔn)確識(shí)別并保護(hù)，保證機(jī)車的穩(wěn)定運(yùn)行。