《一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統》是株洲南車時代電氣股份有限公司於2010年5月21日申請的發明專利，該專利的申請號為2010101844818，公布號為CN101834552A，公布日為2010年9月15日，發明人是丁榮軍、馮江華、劉可安、許峻峰、張朝陽、李益豐、符敏利，該專利屬於幹線高速車輛領域。
《一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統》包括：多台逆變器和分別由每台逆變器單獨控制的相應的永磁同步電機，所述永磁同步電機採用低空載感應電壓電機。該幹線高速車輛永磁同步牽引系統的整體性能得到了較大的提高。
2014年11月6日，《一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統
- 公布號：CN101834552A
- 公布日：2010年9月15日
- 申請號：2010101844818
- 申請日：2010年5月21日
- 申請人：株洲南車時代電氣股份有限公司
- 地址：湖南省株洲市石峰區時代路
- 發明人：丁榮軍、馮江華、劉可安、許峻峰、張朝陽、李益豐、符敏利
- 分類號：H02P5/46（2006.01）I、H02P27/06（2006.01）I
- 代理機構：北京集佳智慧財產權代理有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：逯長明、王寶筠
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
由於永磁同步電機具有高效率、高功率因數的特點，將永磁同步電機套用於牽引系統，一方面可以保持齒輪直接替代異步電機，從而提高系統效率，降低能耗，實現牽引電機的全封閉結構；另一方面可以省去齒輪箱，實現直接傳動，從而提高系統傳動效率，減少系統維護工作，降低系統的壽命周期成本。
永磁同步電機在控制過程中由於受到電壓極限值Usmax（即電機穩態運行時端電壓Us的極限值）的限制，不可能無限制地升速，電機的反電勢將不斷升高，當電機轉速到達ωr1時，即np·ωr1·ψs＝Usmax時，電機兩端的反電勢等於逆變器的電壓極限值。如果要求轉速繼續升高，必須減弱定子磁場ψs才能保證np·ωr1·ψs≤Usmax成立。當電機轉速ωr＜ωr1時，電機運行在恆轉矩區域，採用線性最大轉矩電流比控制可以使永磁同步電機獲得最大的電磁轉矩Temax。當電機轉速ωr≥ωr1時，電機進入恆功率運行區域，需要採用弱磁控制，適當控制電流id，減小iq，輸出轉矩減小，輸出功率P保持不變，其中id和iq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弱磁控制過程中的功率、轉矩和電壓變化關係的曲線。為了保證即使在短路的情況下，永磁同步電機的電壓極限橢圓的圓心位於電流極限圓內，則當轉速進一步提高時，電壓極限橢圓和電流極限橢圓之間無交點，依據最大輸出功率控制原則，交直軸電流id和iq依據軌跡BC變化（參見圖2）。當轉速ωr＝ωr2時，iq＝0，此時輸出轉矩為0，電機輸出有功功率也為零。弱磁升速過程就是保持電機端電壓不變、而降低輸出轉矩的過程，同時也是調整d軸和q軸電流在受限狀態下分配關係的過程，如圖2所示。
另外，永磁同步牽引系統在幹線高速車輛套用過程中有別於異步牽引系統，永磁同步電機屬於同步電機，電機的供電頻率和旋轉速度嚴格成正比；另外，永磁同步電機由於採用永磁體勵磁，其磁場始終存在，由於永磁同步電機的勵磁無法管段，既是外部不供給電源，永磁同步電機的永磁體也能使定子線圈產生交鏈磁通，只要其旋轉，端子就會產生感應電壓，這種電壓稱為空載感應電壓，空載感應電壓的大小取決於永磁體產生的磁場和電機的轉速。在永磁同步牽引系統中，空載感應電壓可能帶來如下問題：1、逆變器出現故障時，電機向故障點供電，導致故障影響的擴大；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、增加了電機在高速時重新投入控制的困難程度；4、當電機發生匝間短路時，空載電壓的存在有可能造成故障的擴大。因此，在設計幹線高速車輛永磁同步牽引系統時需要對空載感應電壓進行合理的選擇。再者，短路電流也是影響永磁同步牽引系統的關鍵性因素。
發明內容
專利目的
《一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統》實施例的目的在於提供一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統，該系統的關鍵參數選擇能夠大幅提高系統的整體性能。
技術方案
《一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統》包括：多台逆變器和分別由每台逆變器單獨控制的相應的永磁同步電機，所述永磁同步電機採用低空載感應電壓電機。
優選地，所述永磁同步電機最大轉速時的空載感應電壓經過二極體整流產生的電壓不超過輸入到牽引逆變器的直流電壓的最低值。
優選地，所述輸入到牽引逆變器的直流電壓的最低值為1300伏，所述永磁同步電機最大轉速時的空載感應電壓為930伏。
優選地，所述永磁同步電機的定子鐵芯長度為140毫米。
優選地，所述永磁同步電機的三相對稱短路穩態電流與永磁同步電機穩態運行時的定子電流最大值相等。
優選地，在所述每個永磁同步電機與每台相應的逆變器之間還串聯設定負載接觸器。
改善效果
該發明實施例提供的幹線高速車輛永磁同步牽引系統的整體性能得到了較大的提高。
附圖說明
圖1是永磁同步電機弱磁控制過程中的功率、轉矩和電壓變化關係的示意圖；
圖2是弱磁控制過程中交直軸電流變換關係圖；
圖3是該發明實施例提供的一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統的示意圖；
圖4是分別採用高空載感應電壓方案和低空載感應電壓方案時峰值工況下的功率因數和效率隨電機轉速的變化關係示意圖；
圖5是永磁同步電機與牽引逆變器控制的簡單示意圖；
圖6a是選擇狀態0時牽引逆變器和永磁同步電機的控制關係圖；
圖6b是選擇狀態7時牽引逆變器和永磁同步電機的控制關係圖；
圖7是系統進行對稱短路時的永磁同步電機三相電流變化情況示意圖。
權利要求
1.《一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統》其特徵在於，包括：多台逆變器和分別由每台逆變器單獨控制的相應的永磁同步電機，所述永磁同步電機最大轉速時的空載感應電壓經過二極體整流產生的電壓不超過輸入到牽引逆變器的直流電壓的最低值；所述永磁同步電機的三相對稱短路穩態電流與永磁同步電機穩態運行時的定子電流最大值相等。
2.根據權利要求2所述的幹線高速車輛永磁同步牽引系統，其特徵在於，所述輸入到牽引逆變器的直流電壓的最低值為1300伏，所述永磁同步電機最大轉速時的空載感應電壓為930伏。
3.根據權利要求3所述的幹線高速車輛永磁同步牽引系統，其特徵在於，所述永磁同步電機的定子鐵芯長度為140毫米。
4.根據權利要求1至5中任意一項所述的幹線高速車輛永磁同步牽引系統，其特徵在於，在所述每個永磁同步電機與每台相應的逆變器之間還串聯設定負載接觸器。
實施方式
2010年5月前已有技術中的異步牽引系統通常由一台控制器（通常是牽引逆變器）控制兩台同步電機或四台一部電機，此時同時被控的兩台或四台一部電機的定子供電頻率是一致的，由於轉差的存在，異步牽引系統可以避免由於輪徑差造成的線速度不一致的問題。但是在同步牽引系統中，永磁同步電機的旋轉轉速與供電頻率嚴格成正比，如果兩台甚至四台永磁同步電機一個控制器，由於定子頻率一致，所以被控的電機的旋轉速度一致，考慮到輪對之間的輪徑差，則採用統一控制器的多個永磁同步電機的線速度可能存在差別，這在實際的系統中是不允許的。為此該發明實施例提供的牽引系統中採用每個牽引逆變器控制單獨的一台永磁同步電機方式，具體地，可以採用圖3所示的逆變器和永磁同步電機的連線方式，在圖3中，特別的以系統中包含4台永磁同步電機為例，分別記為M1、M2、M3和M4，每台永磁同步電機各由一牽引逆變器控制。
以下詳細說明對空載感應電壓的選擇。
為完全克服空載感應電壓對系統性能的影響，保證即使在最高轉速下產生的空載感應電壓經二極體整流產生的電壓不超過中間直流電壓最低值，這裡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DC1300伏，經過發明人多次試驗，最優地選擇最大空載感應電壓（即最大轉速下產生的空載感應電壓）為930伏。而最大空載感應的選擇需要考慮系統安全，在系統安全不受控時，使得即使在最高轉速下空載感應電壓通過反向二極體整流得到的直流側電壓也不超過1900伏左右，對功率器件及主電路不會造成損壞，為此經過多次試驗，選擇最大空載感應電壓在1400伏左右。經過計算，上述選擇的最優的高空載感應電壓和低空載感應電壓對應的電機定子鐵心長度可以分別選為140毫米和160毫米。
圖4示出了經過實驗測得的分別採用高空載感應電壓方案和低空載感應電壓方案時峰值工況下的功率因數和效率隨電機轉速的變化關係示意圖，其中橫軸n為轉速，縱軸E0為空載感應電壓。由圖4所示，在低速段效率，選擇低空載感應電壓的永磁同步電機與高空載電壓的電機相比，效率有一定的降低，而在高速段降低不是很明顯。另外，在整個速度範圍內，採用低空載感應電壓的電機對應的功率因數要低於採用高空載感應電壓的電機。
由於幹線高速車輛長時間運行在最高轉速點，所以對最高轉速點進行詳細分析。由圖4所示，在最高轉速點低空載感應電壓的永磁同步電機在效率和功率因數上與高空載感應電壓永磁同步電機並沒有明顯的區別，而低空載感應電壓在整個運行區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系統重新建立控制。綜上，低空載感應電壓的電機在幹線高速車輛長時間運行時，效率和功率因數並不低，並且沒有高速重投的困難。
而對於高空載感應電壓的永磁同步電機，其接近最大滿電壓的時間最早，也就是說其最早的進入弱磁控制階段，其在最高轉速時的弱磁深度相對低空載感應電壓的電機要更深，而弱磁深度越深，需要施加的負向直軸電流越大，整個電流的幅值上升得也越快。
基於上文對不同的空載感應電壓對永磁同步電機的影響，該發明實施例採用相對較低的空載感應電壓的永磁同步電機。
另外，即使採用低空載感應電壓的永磁同步電機在系統發生故障時，電機不可控且高速旋轉時，仍然會向故障點供電，為了保證此時產生的空載感應電壓不對系統產生惡劣影響，優選地在電機與逆變器之間增加負載接觸器305，能夠有效地斷開永磁同步電機301與牽引逆變器302。
以下詳細說明對永磁同步牽引系統的短路電流的選擇。
圖5示出了永磁同步電機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個開關狀態，這裡A相的上橋臂和下橋臂的開關分別記為Sa和Sa’；B相的上橋臂和下橋臂的開關分別記為Sb和Sb’；C相的上橋臂和下橋臂的開關分別記為Sc和Sc’。牽引逆變器302的8個開關狀態可以表示為：
狀態 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Sa | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
Sb | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
Sc | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
其中，1表示上橋臂的開關管導通，0表示下橋臂的開關管導通。
選擇狀態0和狀態7可以實現永磁同步電機的對稱短路，圖6a示出了選擇狀態0時牽引逆變器302和永磁同步電機301的控制關係圖，圖6b示出了選擇狀態7時牽引逆變器302和永磁同步電機301的控制關係圖。圖7示出了系統進行對稱短路時的永磁同步電機三相電流變化情況。假設在0.05秒對系統進行對稱短路，當整個系統處於穩態時對應的永磁同步電機的電流稱之為永磁同步電機三相對稱短路穩態電流，在圖7中，大約在0.2秒以後進入穩態狀態。
經過研究表明，對於三相對稱短路穩態電流大於最大工作電流（在該發明實施例中，最大工作電流是指永磁同步電機穩態運行時的定子電流的最大值）的情況，理論上當電機轉速升高到一定的程度以後，電壓極限橢圓和電流極限橢圓沒有交點，系統無法繼續工作，即電機轉速不能再繼續增加。對於三相對稱短路穩態電流小於和等於最大工作電流的兩種情況，理論上轉速可以無限升高，但電機轉速高於一定值後，電壓極限橢圓在q軸方向越來越接近坐標軸q，即q軸的電流越來越接近零，系統已經無法出力。
從另一方面，對於三相對稱短路穩態電流遠大於系統最大工作電流時，為避免由於電機短路造成的永磁體退磁，所以在進行永磁體退磁校核時，必須以遠大於系統最大工作電流的短路電流為依據，從而增加永磁體設計時的抗退磁餘量。而對於三相對稱短路穩態電流小於和等於最大工作電流的兩種情況，不需要考慮三相對稱短路穩態電流增加永磁體抗退磁餘量的問題，但是對於三相對稱短路穩態電流小於最大工作電流的情況，如果三相對稱短路穩態電流遠小於系統最大工作電流，表明永磁同步電機的自身阻抗過大，消耗在電機內部的功率太大，從而降低電機的過載倍數，影響系統的出力能力。
針對高速車輛永磁同步牽引系統，在選擇短路穩態電流時，需要考慮以下兩個因素，一是不增加永磁體設計時的抗退磁餘量，同時保證系統的出力能力；另一方面，三相對稱斷路在永磁牽引系統中是被允許的工況，為了系統逆變器能承受該短路電流且不增加功率器件電流等級。
根據以上分析，該發明實施例中採用選擇三相對稱短路穩態電流選取與系統最大工作電流相當。這裡系統工作電流等於永磁同步電機的定子電流，最大工作電流等於永磁同步電機的最大定子電流。
榮譽表彰
2014年11月6日，《一種幹線高速車輛的永磁同步牽引系統》獲得第十六屆中國專利優秀獎。
