浅析直交永磁同步电机牵引试验系统的运用和发展

陶伟平

中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116000

引言

近年来我国经济迅速发展，城市规模不断扩大。轨道交通以其低碳环保等优点成为解决交通拥堵重要手段，电力牵引系统是轨道交通车辆核心设备，其性能是国产轨道车辆研究重点[1]。电力牵引传动系统分为交直流传动形式，直流传动方式长期应用于轨道交通领域，但运用中存在机械换向限制、机械功率难以提升等缺点，直流电机结构复杂，使用维护不便，限制了电力牵引在现代轨道车辆交通中的发展。随着交流电机控制理论的成熟，计算机控制技术广泛使用，交流传动系统体现良好的牵引特性，系统具有持续功率大等优势，永磁同步电机具有转矩密度高、运行效率高等特点，实现系统结构轻量化。永磁同步电机牵引系统成为轨道交通牵引技术发展新趋势[2]。

1 永磁同步电机牵引系统的特性

永磁同步电机自30年代问世后，由于重量轻、结构简单等系列优点，在工业生产等方面得到广泛应用。现代稀土永磁同步电机向大功率方向发展，瑞典ABB公司及布伦瑞克科技大学研制出功率500kW的永磁同步电机，目前永磁同步电机满足动力分散动车牵引电机的要求[3]。永磁同步电机牵引系统技术的优势体现在动态响应快、功率因数高等。

永磁同步电机励磁由永磁体产生，可提高功率因数，得到较小的定子电流，在稳态运行时总损耗降低。永磁同步电机效率比异步电机高2-8个百分点，可大幅度节省电能。永磁同步电机承受转矩扰动能力强，异步电机由于转差率阻碍电机快速响应，永磁同步的电机转动部分不会对转矩快速响应，电机公角改变使转速不变，其最大转矩是额定转矩的3倍以上。永磁同步电机应用高性能永磁材料，可以得到很高的功率密度，永磁同步电机质量轻1/3，系统得到简化[4]。永磁同步电机牵引系统转速与供电频率成正比，同列车不同轮对转速存在差异，异步电机由于转差率，牵引系统可采用车控方式。永磁同步电机转子与定子频率一致，为保证同列车不同轮对线速度一致，必须采用轴控方式。

表1 异步电机与永磁同步电机驱动系统比较

列车牵引特性保证系统安全可靠运行，列车牵引特性必须控制在允许限度内。要求满足下列黏着条件限制，牵引电机最大电流限制，最大功率限制等。车启动牵引力及在相应坡道剩余加速度满足用户要求；牵引电机最大电流限制称为最大启动电流，应小于电机最大允许电流；列车运行时保证轮轨粘着特性，列车黏着系数随线路条件及机车启动方式等因素变化，粘着 限制曲线是限制带[5]。列车牵引力与速度乘积为功率，列车运行最高速度必须小于车辆最大安全速度；要选择合适容量牵引变流器，保证系统安全可靠运行。永磁同步电机系统牵引电机应具备恒转矩特性，自然特性。

2 永磁同步电机牵引系统的应用研究

随着永磁材料性能的提高，永磁电机研究逐步成熟，使永磁电机在工农业生产等方面得到广泛应用。永磁同步电机的应用引起工程师的关注，由于安装控件有限，列车速度高，牵引电机体积小，电机质量轻。要求电机启动时输出转矩大，易于控制转矩等。异步电机具有比直流电机的优势，牵引变流器控制三相异步电机传动系统广泛应用于铁道牵引领域。永磁同步电机设计理论，控制技术等方面研究不断深入。

永磁同步电机传动系统开发重点是研制牵引电机，永磁电机性能取决于定子形状等设计变量，需要对变量优化设计。研究对永磁同步电机作电磁计算，将永磁电机磁体形状，轴向长度作为变量分析研究，对表面磁铁型电机进行优化设计[6]。采用齿轮传动装置可使牵引电机小型轻量化，通用异步牵引电机使用齿轮传动装置带来传递损耗等问题，近年来采用常温下剩磁密度高于1aT的高性能钐钴永磁体的永磁电机得到人们的关注，永磁电机体积质量减小，采用永磁同步电机直接传动系统研究不断开展。日本铁道东日本公司研究试制直接传动牵引电机，表明第二次试制方案得到计划要求性能，永磁电机为密封结构无转子笼条产生噪声，在电机噪声可降低10dB以上。永磁电机效率可提高5%。

1977年德国铁路公司开发适用于ICE3高速电动车组永磁同步电机，绕组布置在定子上，布伦瑞克科技大学开发适用于ICE3永磁同步电机，永磁体集成分布在定子中，磁通方向横向于旋转方向。可减轻质量，适用于无齿轮传动齿轮直接传动。根据研究成果制造永磁牵引电机实验样机，吸收西门子实验中心对永磁电机实验成果，样机在纽伦堡工厂按标准电机制造工艺生产。采用成形绕组线圈，叠片铁心用M330-50A标准硅钢片；转子用Polyglass玻璃纤维增强绑扎带绑扎。实验样机未使用磁化装置，单个磁铁加工困难，磁铁是材料允许最高工作温度190℃的Nd-Fe-B材料。

3 永磁同步电机牵引系统发展概况

国外永磁同步电机牵引系统发展以东芝公司、阿尔卑斯公司等为代表，目前完成样机开发实验。日本对永磁同步电机牵引系统研究始于90年代，在1998年将永磁同步电机应用于列车电力牵引系统，东日本铁路公司开发永磁同步电机牵引传动系统，用传动方式系下系统降噪5dB，东芝公司研制采用功率等级355kW永磁同步电机牵引电机， 永磁同步电机额定功率提高20%，采用自通风冷却方式满足列车轻量化发展趋势。

株洲南车时代电气公司对永磁同步电机牵引系统研究始于2003年，主要研究用词同步电机设计方法及控制策略，建立永磁同步电机半实物仿真平台。2008年完成中国南车项目永磁同步电机控制技术研究，搭载在纯电动大巴上考核运行，针对并联混合动力客车用40kW/90kW永磁同步电机进行研制[7]。2010年对额定功率200kW永磁同步牵引系统实验研究，试制多种转子结构永磁同步电机，解决高速带速重投等技术，掌握电机设计方法，2011年对沈阳地铁二号线装车实验永磁同步电机牵引系统进行定型，完成7000kmAWO空载，系统运行良好。2014年我国首辆永磁高铁下线，证明装备永磁电机后，采用4台4拖即可，使得安装永磁电机列车牵引系统成本降低20%，提高列车牵引效率，但我国永磁同步电机系统距离商业化存在一定距离。

国内许多科研机构为研制牵引交流传动系统，借鉴国外先进技术建立实验平台，目前轨道交通车辆传动试验平台系统分为能量消耗式与互馈式。能量消耗式系统特点是被试系统产生机械能消耗在陪试系统负载，通过控制阻力设备阻力达到调节转矩的目的。其优点是控制简单，但存在只能考核传动系统电动工况；阻力设备只能模拟负载静态过程，负载设备以热形式消耗，严重时需额外增加风机等缺点。能耗式仅适用于功率小的场合。能量反馈式在系统运行中将被试系统输出机械能转化为电能，牵引系统分为机组与交流反馈型系统。能量互馈式系统实验中陪试系统产生电能输送给被试系统，牵引试验系统由相同逆变器-异步牵引电机构成，能量在直流侧实现互馈，日本东芝等公司交流传动实验平台采用此方案搭建系统。

4 直交永磁同步电机牵引实验平台构建

直角永磁同步电机实验系统可实现对城轨车辆牵引系统开发，模拟列车在电气控制特性工作静态特性，直角永磁同步电机牵引系统实验平台要求采用能量回馈实验平台构建方案，被试系统被试机力矩功率需与陪试系统陪试机匹配；陪试系统作用是为被试系统加载，为系统提供拖动动力；系统可对牵引试验系统开发，对各部分部件单独实验。利用系统对直角永磁同步电机牵引系统开发。

直角永磁同步电机实验系统平台构建方案，能量互馈式实验系统节能效果显著，不存在电能质量污染电网情况，采用能量互馈式进行系统构建。为保证系统安全运行，陪试系统应用可靠性的系统，三相异步电机试验运行超速不会出现过压情况，异步电机调速系统控制技术成熟，为被试机提供负载。能量互馈式实验平台方案是系统动力实验最佳方案，对系统动力试验平台构建方法研究。永磁同步电机特性决定转子与定子频率一致，由于存在轮径差，对各电机定子供电频率要求不同，运行中因轮径差产生滑行，每台永磁同步电机需有单独逆变器控制。陪试电机通过联轴器进行耦合连接，保证系统稳定运行。动力试验平台由直流供电系统与陪试系统构成，被试机采用转矩控制方式，被试机通过联轴器连接，通过陪试系统牵引变流器控制模拟列车运动特性。

永磁同步电机牵引实验系统中，被试电机采用永磁同步电机，三相异步电机优点是结构简单、价格低廉，坚固耐用，缺点是功率因数较差。系统运行中被试电机在四象限运行状态，电动机工作点可能出现在坐标系任意象限，电动机工作状态分为电动与制动，第二四象限对应电机制动工况。牵引逆变器是牵引电机侧牵引变流器，直角永磁同步电机牵引系统正常牵引，将直流侧直流逆变成三相交流电，陪试系统逆变器在整流状态，将发出三相交流电转变为直流电。制动时被试系统逆变器工作在整流状态，将发出三相交流电变成直流电，陪试系统逆变器将直流侧直流电逆变为三相交流电。

为实现对直流永磁同步电机牵引系统控制，需分析控制系统结构。被试系统开发分为厂家提供直观被试系统，与需对被试系统开发实验，直角永磁同步电机牵引系统分为顶层中层与底层控制。牵引实验系统顶层包括TCU开发平台，为牵引系统中间层发送控制指令；中间层有被试机牵引变流操控系统，把传输控制指令信号变为可控底层控制信号。直角永磁同步电机牵引系统建立后，TCU开发平台中间层被试系统输出转矩指令，通过控制被试机工况控制电磁转矩。通过上层列车模拟运行系统发送速度指令，将指令转换为底层陪试机控制系统信号。陪试系统采用速度控制方式，静态试验中根据设定工况确定陪试机转速。

5 结束语

永磁同步电机牵引系统成为轨道电力牵引系统新趋势，本文对直角永磁同步电机牵引系统构建方法及TCU控制策略开发平台研究。永磁同步电机试验系统只能采用轴控方式，完整的系统由若干独立单轴实验系统组成。系统运行控制采用三层控制系统结构，顶层控制具有通用性，可移植到其他系统中使用；直角永磁同步电机牵引系统利用能量互馈式构建实验平台结构简单。被试系统按照电气控制特性运行，基本控制方式按力矩方式控制，陪试系统对速度响应要求高。