CN103414180B - 一种永磁电机牵引***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电机牵引***及其控制方法，***中包括直流母线、超级电容储能模块、制动电阻模块、永磁电机驱动模块，其中，超级电容储能模块、制动电阻模块和永磁电机驱动模块并联在直流母线上。当永磁电机驱动模块中的永磁同步电机处于弱磁运行模式，超级电容储能模块根据“最小直流母线电压”原则通过释放电能的方式升高直流母线电压，以达到减少甚至消除弱磁运行区域的目的，使得永磁电机牵引***的铜耗显著减少，从而提高了永磁电机牵引***的效率，达到了节能的目的。

Description

一种永磁电机牵引***及其控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动与控制技术领域，涉及一种永磁同步电机的控制方法。

背景技术

再生制动技术是现代城市轨道交通车辆常用的一种制动方式。由于现代城市轨道交通车辆是一种大功率电气***，其再生制动产生的电能非常可观。为了节能，车载储能装置逐渐被应用到现代城市轨道交通车辆电气牵引***中。以超级电容为代表的车载储能装置的常用能量管理策略如下：当直流母线电压低于某一给定值(此处称为放电电压阈值)时，储能装置开始释放电能；当直流母线电压高于某一给定值(此处称为充电电压阈值)时，储能装置开始储存电能。在传统的储能装置能量管理策略中，放电电压阈值和充电电压阈值通常为固定值。作为现代城市轨道交通车辆电气牵引***的另外一种节能方法，永磁电机以其效率高的优势正在逐渐被广泛采用。但是，当列车高速运行时，永磁同步电机需采用弱磁控制，即在绕组中加入足够大的直轴去磁电流，使永磁同步电机弱磁运行，该去磁电流将产生额外的损耗，降低了***运行效率。除此以外，储能装置和永磁电机通常是作为两个独立的***进行考虑。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种有效提高了永磁牵引***的效率且更加节能的永磁电机牵引***及其控制方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种永磁电机牵引***，包括直流母线、超级电容储能模块、制动电阻模块、永磁电机驱动模块，其中，所述制动电阻模块用于当直流母线上的电压值大于制动电压阀值时对直流母线上的电压进行调整；所述永磁电机驱动模块由一台或者多台永磁同步电机组成且与分别相应的逆变器连接；所述超级电容储能模块主要用于存储和释放电能；所述超级电容储能模块、制动电阻模块和永磁电机驱动模块并联在直流母线上。

其中，所述制动电阻模块由功率开关器件T1和制动电阻R_BR组成，所述功率开关器件T1和制动电阻R_BR串联；所述超级电容储能模块由功率开关器件T2和T3、滤波电感L_sc和超级电容c_sc组成，功率开关器件T2的一端接在直流总线上，另一端分别与功率开关器件T3的一端和滤波电感L_sc的一端连接，功率开关器件T3的另一端分别与滤波电感L_sc的另一端和直流总线连接。

本发明还提供了一种采用上述永磁电机牵引***的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：设定制动电压阈值u_{dc_brake}和充电电压阈值u_{dc_charge}，其中，制动电压阈值u_{dc_brake}大于充电电压阈值u_{dc_charge}；

步骤2：测量当前的直流母线电压u_dc，三相电流i_sa、i_sb、i_sc，转子位置角θ；

步骤3：比较直流母线电压u_dc和制动电压阈值u_{dc_brake}的大小，如果直流母线电压u_dc大于制动电压阈值u_{dc_brake}，制动电阻模块开始工作，否则，制动电阻模块不工作；

步骤4：比较直流母线电压u_dc和充电电压阈值u_{dc_charge}的大小，如果直流母线电压u_dc大于充电电压阈值u_{dc_charge}，检测超级电容储能模块电能是否充满，如果超级电容储能模块电能没有充满，则超级电容储能模块开始充电并转至步骤2，如果超级电容储能模块电能已充满，超级电容储能模块不进行充放电操作直接进行步骤2的操作；如果直流母线电压u_dc不大于充电电压阈值u_{dc_charge}，根据下式计算最小直流母线电压u_min：

$u_{\min }=\sqrt{3}\·\sqrt{{(R_s{i}_{\mathrm{sd}}-{\mathrm{\ω}}_e{L}_s{i}_{\mathrm{sq}})}^2+{[R_s{i}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{PM}}+L_s{i}_{\mathrm{sd}})]}^2}$

式中，R_s是永磁同步电机的定子电阻，L_s是永磁同步电机的定子电感，i_sd和i_sq是永磁同步电机的交、直轴电流，ψ_PM是永磁同步电机的永磁磁链，ω_e是永磁同步电机的电角速度，其中，i_sd和i_sq、ω_e可以根据下式得到

${\mathrm{\ω}}_e=p_n\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}$

式中，p_n是永磁同步电机的极对数。

步骤5：将步骤4中获得的最小直流母线电压u_min与直流母线电压u_dc比较，若直流母线电压u_dc不小于最小直流母线电压u_min，那么超级电容储能模块不进行充放电操作并转至步骤2；若直流母线电压u_dc小于最小直流母线电压u_min，则检测超级电容储能模块电能是否已经完全释放，若超级电容储能模块电能已经完全释放，那么超级电容储能模块不进行充放电操作并转至步骤2，若超级电容储能模块电能没有完全释放，则比较最小直流母线电压u_min与充电电压阈值u_{dc_charge}的大小，如果最小直流母线电压u_min小于充电电压阈值u_{dc_charge}，那么超级电容储能模块通过释放电能将直流母线电压抬升到u_min后进行步骤2操作，如果最小直流母线电压u_min不小于充电电压阈值u_{dc_charge}，超级电容储能模块通过释放电能将直流母线电压抬升到u_{dc_charge}后进行步骤2操作。

工作原理：本发明考虑了永磁同步电机的弱磁运行、直流母线和超级电容储能模块的安全工作电压范围。在电动运行阶段，如果永磁同步电机处于非弱磁运行模式，则超级电容储能模块不进行任何充放电操作；如果永磁同步电机处于弱磁运行模式，则超级电容储能模块根据“最小直流母线电压”原则通过释放电能的方式来抬升直流母线电压，以达到减少甚至消除弱磁运行区域的目的。在永磁同步电机再生制动运行阶段，超级电容储能模块储存电能。在上述过程中，超级电容储能模块和直流母线的电压必须严格限制在安全范围内。其中，“最小直流母线电压”原则是指当超级电容储能模块所储存的电能没有完全释放时，如果当前的直流母线电压使得永磁同步电机即将进入弱磁运行，则超级电容储能模块主动释放电能，使得实际直流母线电压不低于最小直流母线电压，其中，最小直流母线电压是指确保永磁同步电机不进入弱磁运行的直流母线电压最小值。

有益效果：本发明与现有技术相比，本发明通过当永磁电机驱动模块中的永磁同步电机处于弱磁运行模式，超级电容储能模块根据“最小直流母线电压”原则通过释放电能的方式升高直流母线电压，以达到减少甚至消除弱磁运行区域的目的，使得永磁电机牵引***的铜耗显著减少，从而提高了永磁电机牵引***的效率，达到了节能的目的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明应用于城市轨道交通列车的试验框图；

图3是传统方法和本发明的列车车速实验波形；

图4是传统方法和本发明的列车牵引力的实验波形；

图5是传统方法和本发明的列车运行距离的实验波形；

图6是传统方法和本发明的直流母线电压的实验波形；

图7是传统方法和本发明的超级电容储能模块电压的实验波形；

图8是传统方法和本发明的永磁同步电机直轴电流的实验波形；

图9是传统方法和本发明的列车能耗的实验波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1所示，永磁电机牵引***，包括直流母线1、超级电容储能模块2、制动电阻模块3、永磁电机驱动模块4，其中，永磁电机驱动模块4并联在直流母线1上，制动电阻模块3由功率开关器件T1和制动电阻R_BR组成，功率开关器件T1和制动电阻R_BR串联后并联在直流母线1上，超级电容储能模块2由功率开关器件T2和T3组成、滤波电感L_sc和超级电容c_sc组成，其中，功率开关器件T2的一端接在直流母线1上，另一端分别与功率开关器件T3的一端和滤波电感L_sc的一端连接，功率开关器件T3的另一端分别与滤波电感L_sc的另一端和直流母线1连接。

将本发明应用到实际城市轨道交通列车电气牵引***的模拟***中，如图2所示，包括：直流母线、永磁电机驱动模块、超级电容储能模块和制动电阻模块。其中，永磁电机驱动模块中包括三相逆变器和三相永磁同步电机，永磁电机驱动模块采用SVPWM调制方法，额定的直流母线电压为160V,开关频率20kHz，超级电容储能模块和制动电阻模块分别由各自的控制器控制。列车采用直驱方式，车轮半径为0.804m，实验***的功率等级与实际城市轨道交通列车的电气牵引***功率等级的比例为1:8000。转换模块1和转换模块2的转换关系如下：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{m0\_\mathrm{ref}}=T_{m\_\mathrm{ref}}/8000\\ T_m=8000T_{m0}\end{array}\right.$

式中，T_{m0_ref}和T_m0分别是永磁电机驱动模块转矩的给定值和实际值，T_{m_ref}和T_m分别是列车总转矩的给定值和实际值。

本发明的应用于城市轨道交通列车的永磁牵引***的控制方法，包括如下实施步骤：

步骤1：设定制动电压阈值u_{dc_brake}=200V，充电电压阈值u_{dc_charge}=190V；

步骤2：测量当前的直流母线电压u_dc，三相电流i_sa、i_sb、i_sc，转子位置角θ；

步骤3：比较直流母线电压u_dc和制动电压阈值u_{dc_brake}的大小，如果直流母线电压u_dc大于大于200V，制动电阻模块开始工作，否则，制动电阻模块不工作；

步骤4：比较直流母线电压u_dc和充电电压阈值u_{dc_charge}的大小，如果直流母线电压u_dc大于190V，检测超级电容储能模块电能是否充满，如果超级电容储能模块电能没有充满，则超级电容储能模块开始充电并转至步骤2，如果超级电容储能模块电能已充满，超级电容储能模块不进行充放电操作直接进行步骤2的操作；如果直流母线电压u_dc不大于190V，根据下式计算最小直流母线电压:

$u_{\min }=\sqrt{3}\·\sqrt{{(R_s{i}_{\mathrm{sd}}-{\mathrm{\ω}}_e{L}_s{i}_{\mathrm{sq}})}^2+{[R_s{i}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{PM}}+L_s{i}_{\mathrm{sd}})]}^2}$

式中，R_s是永磁同步电机的定子电阻，L_s是永磁同步电机的定子电感，i_sd和i_sq是永磁同步电机的交、直轴电流，ψ_PM是永磁同步电机的永磁磁链，ω_e是永磁同步电机的电角速度，u_min是确保永磁同步电机不进入弱磁运行的直流母线电压最小值。其中，i_sd和i_sq、ω_e可以根据下式得到

${\mathrm{\ω}}_e=p_n\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}$

式中，p_n是永磁同步电机的极对数。

步骤5：将步骤4中获得的最小直流母线电压u_min与直流母线电压u_dc比较，若直流母线电压u_dc不小于最小直流母线电压u_min，那么超级电容储能模块不进行充放电操作并转至步骤2；若直流母线电压u_dc小于最小直流母线电压u_min，则检测超级电容储能模块电能是否完全释放，若超级电容储能模块电能已经完全释放，那么超级电容储能模块不进行充放电操作并转至步骤2，若超级电容储能模块电能没有完全释放，则比较最小直流母线电压u_min与充电电压阈值u_{dc_charge}的大小，如果最小直流母线电压u_min小于充电电压阈值u_{dc_charge}，那么超级电容储能模块通过释放电能将直流母线电压抬升到u_min后进行步骤2操作，如果最小直流母线电压u_min不小于充电电压阈值u_{dc_charge}，超级电容储能模块通过释放电能将直流母线电压抬升到u_{dc_charge}后进行步骤2操作。

将采用本发明***及其控制方法的列车（下文中记为E2）与传统***及方法的列车（下文中记为E1）进行试验，如图3至图5所示，将两个列车的车速、牵引力及运行的距离设置为相同。如图6所示，在列车高速的情况下，E2的直流母线电压高于E1的直流母线电压。如图7所示，E2的超级电容储能模块在列车刚开始低速运行时电能保持一段时间，然后在列车高速时进行释放，当列车进行制动时进行充电，E1的超级电容储能模块在列车刚开始低速运行时，就开始释放电能。如图8所示，E1的永磁同步电机直流电流在列车高速时会有个奏降的过程，而E1的永磁同步电机直流电流在列车高速时一直处于稳定状态。如图9所示，E1列车的能耗高于E2列车的能耗，经数据计算E2列车的能耗与E1列车的能耗相比下降了6.93%。

Claims (1)

1.一种永磁电机牵引***的控制方法，其中，永磁电机牵引***，包括直流母线、超级电容储能模块、制动电阻模块、永磁电机驱动模块，其中，所述制动电阻模块用于当直流母线上的电压值大于制动电压阀值时对直流母线上的电压进行调整；所述永磁电机驱动模块由一台或者多台永磁同步电机组成且与分别相应的逆变器连接；所述超级电容储能模块主要用于存储和释放电能；所述超级电容储能模块、制动电阻模块和永磁电机驱动模块并联在直流母线上；其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：设定制动电压阈值u_{dc_brake}和充电电压阈值u_{dc_charge}，其中，制动电压阈值u_{dc_brake}大于充电电压阈值u_{dc_charge}；

步骤2：测量当前的直流母线电压u_dc，三相电流i_sa、i_sb、i_sc，转子位置角θ；

步骤3：比较直流母线电压u_dc和制动电压阈值u_{dc_brake}的大小，如果直流母线电压u_dc大于制动电压阈值u_{dc_brake}，制动电阻模块开始工作，否则，制动电阻模块不工作；

步骤4：比较直流母线电压u_dc和充电电压阈值u_{dc_charge}的大小，如果直流母线电压u_dc大于充电电压阈值u_{dc_charge}，检测超级电容储能模块电能是否充满，如果超级电容储能模块电能没有充满，则超级电容储能模块开始充电并转至步骤2，如果超级电容储能模块电能已充满，超级电容储能模块不进行充放电操作直接进行步骤2的操作；如果直流母线电压u_dc不大于充电电压阈值u_{dc_charge}，根据下式计算最小直流母线电压u_min：

$u_{\min }=\sqrt{3}\·\sqrt{{(R_s{i}_{\mathrm{sd}}-{\mathrm{\ω}}_e{L}_s{i}_{\mathrm{sq}})}^2+{[R_s{i}_{\mathrm{sq}}+{\mathrm{\ω}}_e({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{PM}}+L_s{i}_{\mathrm{sd}})]}^2}$

式中，R_s是永磁同步电机的定子电阻，L_s是永磁同步电机的定子电感，i_sd和i_sq是永磁同步电机的交、直轴电流，ψ_PM是永磁同步电机的永磁磁链，ω_e是永磁同步电机的电角速度，其中，i_sd和i_sq、ω_e根据下式得到

${\mathrm{\ω}}_e=p_n\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}$

式中，p_n是永磁同步电机的极对数；

步骤5：将步骤4中获得的最小直流母线电压u_min与直流母线电压u_dc比较，若直流母线电压u_dc不小于最小直流母线电压u_min，那么超级电容储能模块不进行充放电操作并转至步骤2；若直流母线电压u_dc小于最小直流母线电压u_min，则检测超级电容储能模块电能是否已经完全释放，若超级电容储能模块电能已经完全释放，那么超级电容储能模块不进行充放电操作并转至步骤2，若超级电容储能模块电能没有完全释放，则比较最小直流母线电压u_min与充电电压阈值u_{dc_charge}的大小，如果最小直流母线电压u_min小于充电电压阈值u_{dc_charge}，那么超级电容储能模块通过释放电能将直流母线电压抬升到u_min后进行步骤2操作，如果最小直流母线电压u_min不小于充电电压阈值u_{dc_charge}，超级电容储能模块通过释放电能将直流母线电压抬升到u_{dc_charge}后进行步骤2操作。