城轨车辆永磁同步电机牵引系统研究现状与发展前景
2009, 36(5)
电机控制及其在交通行业中的应用专题ξEM CA
城轨车辆永磁同步电机牵引系统
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研究现状与发展前景
徐英雷, 李群湛, 许峻峰
(1. 西南交通大学电气工程学院, 四川成都 610031; 2. 株洲电力机车研究所, 湖南株洲 412001)
摘 要:为促进我国城轨车辆用永磁同步电机牵引系统的理论研究与应用, 结合国内、外研究现状, 对城轨车辆用永磁同步电机的应用和设计特点, 。通过分析, 总结了城轨车辆用永磁同步电机的技术特点和发展趋势, 关键词:永磁同步电机; 城轨车辆; 弱磁控制
中图分类号:T M351 文献标识码:A 文章编号:1673) 0521
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O verv i ew on Synchronous M otors
Urban Ra il Rolli n g Stock
Ying 2lei , L I Q un 2zhan , XU Jun 2feng
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(1. College Engineering, Southwest J iaot ong University, Chengdu 610031, China;
2. Zhuzhou Electrical Locomotive Research I nstitute, Zhuzhou 412001, China )
Abstract:To p r omote the research and app licati on of per manent magnet synchr onous mot or (P MS M ) tracti on
syste m of China ’s urbar rail r olling st ock, the app licati on and design characteristics of P M S M , the contr ol techniques and efficiency op ti m izati on ways of syste m are overvie wed by discussing the current research all over the world . And then, the technical features, devel opment and app licati on p r os pect of P MS M are su mmarized .
Key words:per manen t magnet synchronous m otors ; urban ra il rolli n g stock; flux 2weaken i n g con trol
0 引 言
城轨车辆牵引系统直接决定着车辆运行性能, 关系到车辆的安全性、运行质量及对能源的消耗。与一般交通工具相比, 城轨车辆具有客运量大、站间距离短、行车密度大等特点。早期城轨车辆常采用直流电机来实现牵引系统。随着电力电子技术的进步, VVVF 逆变器控制的异步电机牵引系统得到了广泛应用, 替代了直流电机牵引系统。与直流电机相比, 异步电机没有换向器, 维修减少, 同时可做到小型轻量化。近年来随着永磁材料成本的降低和性能的提高, 永磁同步电机(P MS M ) 凭借其高效率和高功率密度的特点, 引
[123]
起了轨道车辆牵引系统开发者的密切关注。日本已经将P MS M 应用于低地板电动车、独立车
轮式电动车和可变轨距电动车, 德国和法国也
在高速动车组和低地板电动车上采用了永磁同步
[627]
牵引电机, 目前国内这方面的研究尚处于空白。
本文在对P MS M 牵引系统发展概况综述的同时, 从P MS M 矢量控制方法、弱磁控制方法和效率优化方法对P MS M 控制策略进行了全面综述, 希望为我国城轨车辆P MS M 牵引系统的理论研究和应用提供参考。
[425]
1 应用及特点
P MS M 在城轨车辆牵引系统的应用主要表现
为:一是取消齿轮箱, 实现城轨车辆的直接传动;
另一方面实现了将牵引电机做成全封闭电机。1. 1 P M S M 作为直接传动电机
使用齿轮传动装置会带来传递损耗、噪声和
3“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2007BAA12B05) ; 国家电网公司科技项目(SGKJ [2007]102)
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维修等问题。如采用异步电机作为直接传动电
机, 牵引电机的体积会加大, 从而导致簧下重量增加, 对轨道冲击加大, 对牵引电机的冲击也随之增大。因此, 在重量和尺寸受到严格限制的车体地
[8]
板下采用异步电机作为直接传动电机很困难。
P MS M 与过去的直流电机和异步电机相比, 具有极对数多, 转矩密度高的特点, 因此其体积和重量可大幅减小, 而且更易实现多级低速大扭矩运动, 从而能在现有尺寸和重量条件下实现直接传动。各发达国家均在积极开展P MS M 的直接传动系统研究。德国铁路公司对分别采用异步电机和P MS M 的I CE3原型车进行了详细的试验对
[6]
比, 结果见表1。从表1可看出采用P MS M 直接驱动不仅减轻了系统重量, 而且提高了效率表1 I CE3异步电动机与P M S M 主要参数额定功率/k传动比
起动牵引力/(kN ・m ) 牵引电动机重量/kg牵引电动机最大效率/(%)
传动齿轮效率/(%)
总效率/(%)
1∶2. 79
3. 275094. 59791. 5
96. 59. 040096. 5M 500
与风扇直接相连的自通风结构, 高速运转时风扇
的噪声很大。如果电机为全封闭结构, 灰尘就不会侵入牵引电机内部, 也就不需要解体电机进行清扫, 同时电机里的噪声被隔离, 可实现低噪声牵引电机。但全封闭电机比通风冷却电机的冷却性能差, 因此全封闭电机要做到尺寸和性能与以往电机相同, 就必须采用效率高、发热小的P MS M , 并研究新的冷却结构, 以使各部分的温升控制在规定的限值以内。
法国ALST OM Citadis 型低地板轻轨车辆(LRV ) V 高速动车组开发了k , 2。其中采用P MS M 牵引系/AG V 高速列车已于2008年2月意大利首批订购35列将于2010年交付。
表2 C it ad is 和AGV 所用P M S M 部分参数
主要参数最大转速/(r ・m in -1)
牵引功率/kW 制动功率/kW
极数外部尺寸长度/mm总重/kg
Citadis 型低地板车辆
[1**********]极380mm ×420mm
525285
AG V 高速列车
[1**********]2极
直径650mm
650730
西门子针对未来城市轨道车辆Syntegra 开发
了P MS M 直接传动系统。其中噪声可降低15
[9]
d B , 体积减少30%, 效率提高3%。日本铁道综合技术研究所(RTR I ) 先后开发了R MT9、RMT11和R MT17型直接驱动式P MS M , 并在103系通勤车上进行了运行试验, 结果表明其效率和功率因数明显提高, 噪声水平大幅降低。东日本铁路公司AC Train 电动车组开发了直接驱动式P MS M , 并与异步电机传动系统进行了对比, 试验结果显示可节能10%以上, 沿线噪声约可降低5[10]
d B 。法国阿尔斯通公司也将开发用于单层AG V 高速列车的永磁同步直接传动电动机作为
[11]
未来牵引传动先进技术的一部分。1. 2 P M S M 作为全封闭牵引电机
由于城轨车辆牵引电机要求体积小、输出功率大, 所以通常采用强迫冷却方式, 而冷却风中含有尘埃, 会污染牵引电机内部, 因此牵引电机需要定期进行解体清扫。车辆的牵引电机多数是转子
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2 控制技术
2. 1 P M S M 矢量控制
矢量控制(VC ) 最早是在1971年由B lash 2
等人针对异步电动机提出的, 其基本思想源于对直流电机的严格模拟。在P MS M VC 系统中, 转子磁极的位置用来决定逆变器的触发信号, 以保证逆变器输出频率始终等于转子角频率。一ke
[13]
般电机控制策略的选取是根据电机转矩和电流之间的线性度、控制过程中电机端电压的允许变化程度、功率因数和调速范围等进行综合考虑来确定的。在P MS M VC 中, 常用的控制模式有直轴电流i d =0模式、功率因数cos
[14]
。其中i d =0模式应用最
多, 该控制方式突出的优点是没有直轴电枢反应, 不会引起永磁体的去磁现象, 且可以实现隐极式电机最大转矩电流比控制; 不足之处是电机端电
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压随负载增大而增大, 因而要求逆变器具有较高的输出电压和较大的容量。
在P MS M 控制系统的设计中, 最关键、最困难的问题是如何针对变化复杂及具有不确定性的被控对象和环境作出有效的控制策略。为提高P MS M 调速系统性能, 避开负载或参数变化对电机动态性能的影响, 自适应控制、滑模变结构控制、神经网络、模糊控制等现代控制方法和智能控制方法也在P MS M VC 系统中得到了广泛应[15218]用。
2. 2 P M S M 弱磁控制发展概况
P MS M 的转子磁场由永磁体产生, 因此不可能直接被减弱。其弱磁控制是利用直轴电枢反应使电机气隙磁场减弱, 的效果。并提出了众多方案]法, :, 电机的功角, 磁场。大利用。文献[20]提出了基于虚拟瞬时功率的弱磁控制方法。定义虚拟瞬时功率s =|u d ×i q +
ωe 的最优值实现P MS u q ×i d |, 通过寻找s /M 的弱
磁控制。文献[21]采用过调制技术, 根据零电压矢量作用时间判断过调制起始点, 用查表法确定调制比, 提高逆变器直流母线电压利用率, 实现对P MS M 弱磁运行区域的扩展。文献[22]采用电流调节器, 实现P MS M 的弱磁控制, 电流调节器包括前馈解耦环节和电压补偿环节, 定子交轴电流由电机角频率给定值与实际值之间的偏差决定, 定子直轴电流由每安培最大转矩控制方案决定。为补偿直流母线电压对弱磁控制的影响, 文献[23]提出了将直流母线电压作为一个反馈量用于电压外环调节的改进方案, 从而使系统工作在最大电压利用状态。控制外环的电压可以确保电流调节器在任何工况下不至于饱和, 从而取得较满意的控制效果。文献[24]提出了自适应弱磁控制法以克服电流调节器饱和的问题。文献[25]设计了复合转子结构的P MS M , 用于提高弱磁能力。
弱磁控制可使P MS M 在低速时输出恒定转矩, 高速时输出恒定功率, 有较宽的调速范围。较强的弱磁性能可在逆变器容量不变的情况下提高
系统性能。因此, 对P MS M 进行弱磁控制并拓宽弱磁范围有着重要意义。
2. 3 P M S M 牵引系统效率优化方法发展概况近年来, 随着建设节约型社会的要求和对节能减排要求的日益提高, 人们对能耗问题给予了充分关注。城轨车辆牵引系统是能耗大户, 因此电机牵引系统的效率优化控制技术的研究也引起了广泛关注, 尤其是对异步电机牵引系统。由于P MS M 牵引系统的效率相对更高, 并且P MS M 牵
, 使得对其效率的进一步挖掘并不迫切, , 对该问, P MS M 牵引系统的:(1) 定子电流最小控; (2) 基于损耗模型的永磁电机最小损耗控制; (3) 检测逆变器直流输入功率的变化, 动态调节控制量达到降低系统损耗的目的。最大转矩电流比可认为是P MS M 牵引系统最简单的一种效率优化方式, 该方法实现相对简单, 但其只能保证系统的铜耗最小, 而不能保证铁耗的降低, 因此系统的总损耗并不一定最小。文献[26]在建立表面式P MS M 损耗模型的基础上, 获得了表面式P MS M 电气损耗与直轴电流之间的关系, 用数值计算的方法求得优化的直轴电流。文献[27]在对P MS M 能量分流分析的基础上, 建立了考虑铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗模型, 获得了去除铜耗、铁耗、机械损耗和杂散损耗的机械输出转矩, 对机械输出转矩进行最大转矩电流比控制, 使定子电流最小, 从而使铜耗、铁耗和杂散损耗最小, 保证P MS M 最大效率运行。针对输入功率最小的效率优化方法, 文献[28]提出了采用模糊逻辑的方法来加速系统控制变量寻优过程的收敛速度。文献[29]针对P MS M 提出了自适应的最小输入功率搜索方法。
3 研究趋势
目前, 国内外对城轨车辆P MS M 牵引系统的研究具有以下趋势:(1) 研究永磁材料的热稳定性, 详尽分析各种不同磁路结构形式的抗去磁能力, 为设计制造提供理论依据; (2) 改进制造装配工艺, 设计专用工装与设备, 保证P MS M 工业化大批量生产; (3) 进一步提高P MS M 的弱磁控制
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性能, 不仅从控制方法上进一步完善, 更需要从电
机设计上提高P MS M 的弱磁性能, 尤其需要提高P MS M 弱磁的系统效率; (4) 研究P MS M 无速度和无位置传感器技术, 进一步降低系统成本、提高系统可靠性; (5) 分析P MS M 牵引系统对电网暂态稳定性的影响, 并提出相应的评价标准及控制策略; (6) 研究P MS M 牵引系统的参数匹配和系统优化, 加快牵引系统工程化进度, 提高城轨车辆P MS M 牵引系统的整体性能。
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4 结 语
高速铁路的发展需要机车牵引电机的体积、质量进一步减小。P MS M 相对异步电机而言具有效率高、体积小的优点, 一个发展方向, 源和环保的要求。现在P 德, 果。为保持与世界技术同步, 我国有必要对P MS M 在轨道车辆牵引电机上的应用研究加以重视。
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变频与调速ξEM CA
定量调整煤气吸力, 避免了使用回流调节带来的巨大振荡。
(4) 煤气鼓风机采用变频调速系统, 并应用P LC 构成风压闭环自动控制系统, 实现了电机负
炉生产及现场作业环境, 既满足了焦化工艺要求, 又达到了节能降耗的目的, 经济效益显著。P LC 和变频技术的完美结合对于推动企业技术进步有着极其重要的意义。实际工作中, 煤气鼓风机变频调速系统选用初冷气前吸力作为被控量, 采用闭环P I D 控制, 实现了初冷气前吸力的自动控制和系统的稳定, 达到了节能降耗和提高控制水平的目的。
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荷的变化变速运行自动调节风量, 既满足了生产需要, 又达到了节能降耗的目的。
(5) 噪声污染得到明显改善, 噪声由80d B 约降为40d B , 改善了焦炉生产及现场作业环境。
经过近两年的使用, 变频器运行中出现了一次计算机无法控制的情况, 从控制面板转换为变频器控制面板控制, 重起变频器, 电动机运行正常, 经查是由计算机故障造成的。通过实践使用, 基于P I D 控制的煤气鼓风机变频调速系统达到了预期的目的。
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收稿日期:2008211226
(上接第10页)
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