基于大功率直驅永磁系統的故障保護控制研究

2022-01-07 06:59:28詹哲軍張瀚宸

新型工業化 2021年9期

詹哲軍，張瀚宸

（1.中車永濟電機公司，山西永濟 044502；2.西交利物浦大學，江蘇蘇州 215000）

0 引言

直驅永磁牽引系統具有高效、綠色、環保、降成本等優勢，是未來軌道交通行業牽引系統的發展趨勢，是國內外軌道交通領域的主要研究方向。我國在直驅永磁牽引系統技術的研究運用剛處于起步階段，而大功率機車永磁牽引系統在國內甚至全世界還處于空白階段。機車正常運行過程中，如果保護邏輯不完善或者保護不及時，在遇到某些故障工況時可影響車輛正常運行，甚至損害機車某些部件[1]。因此，針對大功率直驅永磁系統的故障保護研究就顯得尤為重要。

1 直驅永磁系統構成

1.1 系統頂層指標

牽引制動特性是列車最重要的特性，針對不同的運行環境實時控制列車的牽引/制動力，達到控制目標。

網壓功率曲線圖見圖1。

圖1 網壓功率曲線

牽引特性曲線見圖2；制動特性曲線見圖3。

圖2 系統牽引特性曲線

圖3 系統制動特性曲線

1.2 主電路設計

本次設計的直驅永磁電傳動系統采用兩整三逆主回路拓撲（見圖4），兩組四象限整流器并聯，通過中間直流環節、牽引逆變器給牽引電機供電，逆變器和永磁電機之間設計有隔離接觸器；輔助變流器從中間直流回路取電，經過逆變、濾波后為輔助負載供電。

圖4 主電路拓撲

1.3 變流器設計

牽引變流器采用兩整三逆主回路拓撲，充分考慮電磁兼容設計，主回路采用高、低壓分離，控制線束采用屏蔽線并可靠接地；模塊化設計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；有較完善的保護功能，包含電源監測功能、短路保護功能及電壓保護功能等[2-3]。

牽引變流器技術參數如下表1所示。

表1 牽引變流器參數

2 控制系統設計

2.1 控制裝置硬件拓撲

控制裝置是一種多處理器、多總線系統，采用變流控制、主控邏輯獨立架構，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）數學模型。

整流器直流母線電容電壓方程為：

交流側電感電流方程為：

其中：L和R分別表示交流側濾波電感和它的電阻（即變壓器副邊漏電感及副邊側等效電阻），e表示變壓器副邊繞組感應電勢，u表示由開關管對斬波得到的變壓器副邊繞組端電壓。

假設理想情況下，交流側功率與直流側功率平衡，得到：

其中：T表示工頻周期。

假設直流母線電壓基本不變，得到：

將電流內環近似為慣性環節，得到：

其中Ti表示電流環的閉環帶寬。

（2）控制原理。

采用以電壓為外環調節和電流為內環調節的雙閉環控制，鎖相環PLL用來保證輸入電流和網側電壓同相，確保四象限盡可能工作在單位功率因數下；脈沖調制控制采用SPWM正弦脈寬調制，并加入多重化載波移相控制[4]。

電壓外環的受控對象傳遞函數為：

電流內環采用PR控制，控制器傳遞函數為：

多重化技術主要是載波角度的計算分配，則每一組四象限變流器載波角度依次錯開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，則多重化個數變為N-x，新分配每一組四象限變流器載波角度依次錯開π/（N-x），載波角度重新分配公式如下：

2.3 直驅永磁電機控制

本系統應用于高壓大功率場合，采用控制和調制分離的模式，在額定轉速以下采用矢量控制策略，采用前饋電壓和PI調節器相結合的電壓生成模式；在額定轉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的功角來調制牽引、制動轉矩，并用Q軸電流解耦項對轉矩精度進行校準[2]。見圖7。

圖7 永磁電機矢量控制框圖

調制采用多模式PWM調制策略，可以充分利用逆變器允許的開關頻率，另一方面保證進入弱磁區后能有較高的直流電壓利用率。多模式調制策略：低頻段采用異步調制，中頻段采用同步調制，額定頻率以上采用方波控制[3]。

3 永磁系統邏輯保護

由于永磁體固有的反電勢，在電機處于旋轉狀態時在電機端部會有電壓（u=w＊φ），所以在封脈沖和故障模式時要根據轉速和目前的邏輯狀態來確認隔離接觸器的狀態，配合整車邏輯進行保護動作。

（1）TCU級保護動作類別，相應的保護動作存儲在TCU中。定義的保護動作取決于各自不同的工況，保護動作分為5級，從低保護層級到高保護層級依次為：繼續運行、降功率運行、封鎖使能、隔離斷主斷、牽引系統停止運行。

（2）關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、斷開電機隔離接觸器、斷開軸隔離繼電器；TCU檢測到軸隔離繼電器斷開，上傳隔離標志位，進入軸隔離狀態，不響應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，接收MPU指令，執行相應動作；

（3）關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檢測到架隔離繼電器斷開后，上傳架隔離標志位。進入架隔離狀態，不響應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，接收MPU指令，執行相應動作。

4 典型故障工況試驗驗證

完成樣機試制后，按IEC61377標準開展了系統地面組合試驗和研究性試驗，試驗結果表明該系統效率高、諧波低、動態響應性能好及穩態精度高[4]。下面對幾個典型故障工況的關鍵試驗項點進行說明。

4.1 網側故障響應

網壓中斷是列車運行過程中經常碰到現象，如果檢測不及時，會造成車上器件損壞，影響車輛正常運行。

軟件采用網壓幅值、相位及電流環差值等多種檢測手段，實現對網壓中斷的快速、精準檢測，然后快速將故障信息傳遞至逆變側器和邏輯處理單元，通過邏輯、時序配合，實現該電傳動系統在設計的速度區間內安全平穩運行。

圖8 網壓中斷試驗波形

試驗結果表明：網壓中斷檢測時間2.2ms，所有部件未報出任何故障。

4.2 隔離接觸器邏輯保護

隔離接觸器邏輯保護主要有兩種應用工況：①永磁系統在高速斷主斷工況，采用隔離器件將永磁電機和變流器主回路隔離開，反電勢過高避免造成中間設備損壞；②在高速重投中的應用，在額定轉速以上，機車由惰行轉牽引（制動）時，需要先抑制反電勢，建立弱磁磁場然后再閉合接觸器輸出力矩。針對隔離接觸器保護做了兩組典型工況試驗：

（1）高速160km/h斷主斷試驗，分別進行牽引、制動及惰行三種工況，測試結果表明高速工況下可以很好地抑制反電動勢，避免損害中間直流側設備。