一种基于安全导向的轨道交通永磁牵引系统的制作方法

1.本发明涉及电力机车永磁牵引系统技术领域，具体为一种基于安全导向的轨道交通永磁牵引系统。


背景技术：

2.目前，轨道交通多采用交流传动系统，具有结构简单、造价低、维护简单、动态响应快等优点，但是异步交流电机定子电流在运行时需要提供一部分励磁分量转子与定子旋转磁场不同步，转子中有感应电流，固有铜耗，存在调速性能差和低速时电机损耗大、功率因数和效率低的缺点。
3.为了节能增效，进一步提高功率因数和效率，永磁同步传动系统逐渐应用在了轨道交通传动系统上，除了节能增效外，永磁同步系统可实现高性能、高精度的传动，动态响应快。但永磁同步电机存在过载能力较差、弱磁能力差、高速反电势大等缺点，反电势大的缺点是当永磁同步牵引电机发生匝间短路后，即便切除此牵引动力，短路回路在转子磁场的作用下，仍然有短路电流的产生，反电势越大，短路电路越大，此时定子线圈不能承受高速下的短路电流，如继续高速运行，定子短路线圈将会熔化，造成定转子相蹭、轴承故障，最终有可能导致电机脱落等次生灾害。为避免这种影响安全的故障发生，此情况下只有将车辆降速到很低的速度下运行，这又会影响整个运营秩序。所以有必要开发低反电势的永磁牵引系统来保障车辆的安全运营，同时不能牺牲车辆正常运营秩序。
4.为解决现有轨道交通永磁牵引系统可能带来的安全风险，当车辆在高速行驶时，电机如果发生匝间短路，由于驱动轴与车辆转向架机械连接，无法隔离，车辆动能将输入电机，由于永磁体的存在，磁力线将切割电机绕组，产生反电势，车辆动能转变为电能输入电机内部，如果此时发生匝间短路，电能将以热能的形式呈现，短路电流会瞬间造成局部烧损，产生飞溅物，随着转子的旋转，飞溅物可能造成新的短路故障点，故障影响将不断扩大，可能造成电机过热，引发着火，飞溅物若进入定转子间的气隙，可能造成电机旋转卡滞，进而引起电机跌落，严重者可能造成翻车。
5.采用常规永磁电机构成牵引系统，如图1所示，永磁牵引电机最高反电势只是考虑了正常工作时电机最高反电势对逆变电源的冲击，仅保证低于逆变功率元件可承受的工作电压。为提高系统全速域范围内的效率和功率因数，配套常规永磁电机，电机匝短故障状态下，短路电流很大。具有缺点：1)、永磁同步电机高速运行反电势较高，现有未考虑高反电势对电机本身匝间短路可能带来安全性的影响，存在运用风险；2)、未考虑电机单点匝间短路后，由于车辆高速行驶可能引发的多点短路及由此造成故障扩大化，进而带来的火灾及车辆颠覆的安全隐患；3)、由于反电势较高，导致电网低电压时或车辆速度较高时，系统无法实现故障重投，只能采用降低车速后方可实施，无法及时重投将影响运营秩序。


技术实现要素：

6.为解决现有永磁同步牵引系统中永磁同步电机匝间短路造成的故障，本发明目的
是提供一种基于安全导向的轨道交通永磁牵引系统；基于永磁辅助牵引系统的控制器结构以及控制策略，降低反电势，以保证定子线圈中的最小匝间短路线圈能够承受此电流，且长时运行。
7.本发明是采用如下技术方案实现的：
8.一种基于安全导向的轨道交通永磁牵引系统，包括永磁辅助牵引电机m，隔离接触器b，三相逆变器，斩波模块及直流支撑电容c。
9.包括控制器，所述控制器包括电流分配模块、电流控制模块、坐标变换模块以及pwm调制模块。
10.所述永磁辅助牵引电机m安装位置传感器；所述位置传感器输出转子信息至控制器。
11.所述控制器的具体控制策略为：参考转矩经过电流分配模块计算后得到参考转矩电流和参考励磁电流电流传感器测得的相电流i
sa
、相电流i
sb
经过三相静止坐标系至两相静止坐标系变换得到电流i
sα
、电流i
sβ
，电流i
sα
、电流i
sβ
经过两相静止坐标系至两相旋转坐标系变换得到励磁电流反馈值i
rd
和转矩电流反馈值i
rq
；参考转矩电流与转矩电流反馈值i
rq
进行加法运算后通过比例积分控制器调节，得到旋转坐标系下的参考电压参考励磁电流和励磁电流反馈值i
rd
进行加法运算后通过比例积分控制器调节，得到旋转坐标系下的参考电压参考电压参考电压经过两相旋转坐标系至两相静止坐标系变换得到静止坐标系下的参考电压和参考电压结合直流侧电容电压udc、转子位置信息θ，经过分段同步svpwm调制，产生6路pwm信号控制三相逆变器，从而驱动电机运行。
12.本发明具有如下特点：
13.1、本发明提出了一种解决现有永磁同步系统中由于永磁电机正常运营发生匝短后可能造成车辆颠覆风险的方案，将使永磁牵引系统推向无障碍工程化应用，能够有效的解决现有轨道交通永磁同步牵引系统中潜在的安全风险。
14.2、本发明作为一种集成低反电势设计的永磁辅助电机作为牵引电机的故障导向安全的永磁牵引系统，从故障导向安全角度分析，该系统必须保证电机在最高反电势下，即使发生匝间短路，也不会造成绕组烧熔，系统无安全运营风险。
15.3、设计的永磁辅助牵引电机即使高速运行时，其反电势也小于直流母线侧最低电压，因此控制策略中无需对高速重投策略进行特殊设计，降低了高速重投控制的复杂度。
16.4、由于采用了永磁辅助电机，降低了永磁材料的使用，系统造价更低，同时降低了战略物资的使用。
17.5、本发明方案不仅适用于直流供电的车辆系统，同时适用于ac25kv供电的电力机车及高速动车组，适用范围广。
18.本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。
附图说明
19.图1表示现有永磁电机牵引系统主电路拓扑示意图。
20.图2表示永磁辅助牵引系统拓扑结构示意图。
21.图3表示永磁辅助牵引系统拓扑结构简化示意图。
22.图4表示永磁辅助牵引系统控制框图。
23.图5表示控制器结构示意图。
24.图6表示永磁辅助牵引系统控制策略框图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
26.永磁辅助牵引系统拓扑结构如图2所示，三相逆变器中功率开关管s
a1
和功率开关管s
a2
、功率开关管s
b1
和功率开关管s
b2
、功率开关管s
c1
和功率开关管s
c2
分别输出逆变器三相电流，即相电流isa、相电流isb、相电流isc。永磁辅助牵引电机m通过隔离接触器b连接三相逆变器。电阻r1、二极管d1与功率开关管s
d1
构成斩波模块。c为直流支撑电容，udc为直流母线电压。
27.永磁磁阻牵引电机满足最高速下的反电势除以最小线圈回路阻抗(匝间短路时的最小阻抗)所得到的电密在此线圈导线承受范围内，且在此条件下不发生熔断，感应的短路电流能够在短路线圈中的持续运行。
28.为了简化分析，永磁辅助牵引系统拓扑简化，如图3所示，其中isabc代表牵引逆变器的三相电流isa、isb、isc，udc为牵引逆变器直流侧电流电压。
29.如图4所示为永磁辅助牵引系统控制框图，永磁辅助牵引电机m安装位置传感器；所述位置传感器输出转子信息至控制器；控制器从采集牵引逆变器直流侧电容电压、逆变器输出电流，经过运算得到逆变器控制脉冲，实现永磁辅助电机控制。
30.如图5所示，控制器采用dsp+fpga构架，dsp与fpga之间通过dsp的xintf的数据线和地址线进行采样数据交互。由dsp实现牵引制算法，fpga实现数据采样、故障保护以及系统启停时序。
31.如图6所示，控制器包括电流分配模块(最大转矩电流比电流分配模块以及弱磁控制模块)、电流控制模块(pi)、坐标变换模块(3s/2s变换、2s/2r变换、2r/2s变换)以及pwm调制模块(svpwm调制)。由于系统中牵引电机采用永磁辅助电机，设计反电势最大值小于牵引变流器直流侧最低电压，在系统运行过程中，全速度段均可实现故障重投，无需特别设计重投控制策略，简化了控制系统控制策略。
32.控制策略采用转矩外环控制，具体控制策略为：位置传感器获得的转子位置信息θ；参考转矩经过电流分配模块计算后得到参考转矩电流和参考励磁电流控制器分别通过电流传感器获得相电流i
sa
、相电流i
sb
，电流传感器测得的相电流i
sa
、相电流i
sb
经过三相静止坐标系至两相静止坐标系变换(3s/2s变换)得到电流i
sα
、电流i
sβ
，电流i
sα
、电流i
sβ
经过两相静止坐标系至两相旋转坐标系变换(2s/2r变换)得到励磁电流反馈值i
rd
和转矩电流反馈值i
rq
；参考转矩电流与转矩电流反馈值i
rq
进行加法运算后通过比例积分(pi)控
制器调节，得到旋转坐标系下的参考电压参考励磁电流和励磁电流反馈值i
rd
进行加法运算后通过比例积分(pi)控制器调节，得到旋转坐标系下的参考电压参考电压参考电压经过两相旋转坐标系至两相静止坐标系变换(2r/2s变换)得到静止坐标系下的参考电压和参考电压结合直流侧电容电压udc、转子位置信息θ，经过分段同步(在低速段采用异步调制策略，高速段采用同步调制策略)svpwm(space vector pulse width modulation)svpwm调制，产生6路pwm信号控制三相逆变器，从而驱动电机运行。
33.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。