稀土永磁電機(jī)在輕型軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用
駱光照，竇滿峰，范娟娟，陳哲
(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)
摘要：文章主要介紹了輕軌機(jī)車牽引用稀土永磁電機(jī)及其控制技術(shù)。根據(jù)輕型軌道交通的特點及應(yīng)用要求，分析了輕軌機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)的組成及凸極式永磁同步電機(jī)作為直驅(qū)牽引電機(jī)的優(yōu)勢，重點從電機(jī)本體設(shè)計及驅(qū)動控制技術(shù)兩個方面對稀土永磁電機(jī)作為輕軌機(jī)車牽引電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。最后介紹了在我們該領(lǐng)域己開展的階段性工作。
關(guān)鍵詞：輕型軌道交通；凸極式永磁同步電機(jī)；弱磁調(diào)速；斷電重投
1輕型軌道交通的特點及應(yīng)用
自從1881年在德國柏林近郊建成世界上第一條有軌電車線路以來，有軌電車技術(shù)在車輛及控制系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)等方面已有了質(zhì)的飛躍[1]。20世紀(jì)60年代，在傳統(tǒng)有軌電車的基礎(chǔ)上誕生并發(fā)展起來的輕型軌道交通(Light Rail Transit，LRT)是現(xiàn)代交通領(lǐng)域的又一次飛躍。2007年6月13日，國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ/T 114，2007《城市公共交通分類標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布，使得輕軌的概念更加清晰準(zhǔn)確。該標(biāo)準(zhǔn)對輕軌的定義是：輕軌系統(tǒng)是一種中運量的軌道運輸系統(tǒng)，采用鋼輪鋼軌體系，標(biāo)準(zhǔn)軌距為1435 mm，主要在城市地面或高架橋上運行，線路采用地面專用軌道或高架軌道，遇繁華街區(qū)，也可進(jìn)入地下或與地鐵接軌[3]。從該標(biāo)準(zhǔn)可以看出，輕軌機(jī)車主要有以下四方面的特點：
1)輕軌是中運量的軌道運輸系統(tǒng)之一，這有別于地鐵的大運量和有軌電車的低運量；2)輕軌是采用鋼輪鋼軌體系；3)輕軌與地鐵一樣，采用地面專用軌道或高架軌道，而不像有軌電車那樣與其他地面車輛混行；4)輕軌線路敷設(shè)方式以地面線或高架橋為主、以地下線為輔。
可以看出，輕軌機(jī)車主要用于城市交通運行，采用架線直流供電或后備電池供電，以大功率直流或交流電機(jī)驅(qū)動的輕型電機(jī)車。由于近年稀土永磁材料的開發(fā)以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，稀土永磁同步電機(jī)已經(jīng)開始逐步取代異步電機(jī)而作為輕軌機(jī)車系統(tǒng)的牽引電機(jī)[4]。另一方面，由于作為牽引電機(jī)用的永磁電機(jī)本體及其控制方式的研究尚處初級階段，在許多方面還需要加以深入研究及完善。因此，研究牽引用永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)是當(dāng)前的迫切需要。國外的一些專家學(xué)者對此已經(jīng)做了一些有益的研究[5-7]，國內(nèi)目前還處于起步階段。
2輕軌機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)的組成及特點
輕軌機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)由電機(jī)、驅(qū)動變流器與轉(zhuǎn)向架等構(gòu)成。常用的驅(qū)動電機(jī)有直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)等[8]。
早期的輕軌機(jī)車采用直流傳動，直流電機(jī)技術(shù)成熟，控制性好，但其使用壽命、維護(hù)成本及體積方面的弱勢使該類電機(jī)在輕軌機(jī)車上的應(yīng)用受到了很大限制。從80年代開始，異步電機(jī)設(shè)計、制造以及控制技術(shù)都相對成熟，且具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本及維護(hù)費用低、可靠性高等優(yōu)點，受到大多數(shù)國家的青睞。早在1986年，加拿大溫哥華市建成了異步電機(jī)驅(qū)動的輕軌交通系統(tǒng)，并投入了商業(yè)應(yīng)用。德國西門子的City Spdnte~高地板輕軌機(jī)車、日本川崎重工研制的Swimo型低地板輕軌車輛、ABB公司的Variotram系列輕軌車采用的都是異步電機(jī)驅(qū)動。2000年4月，首批兩臺國產(chǎn)城市輕軌車在湘潭電機(jī)股份有限公司研制成功，采用的就是異步電機(jī)。目前，異步電機(jī)驅(qū)動的輕軌機(jī)車發(fā)展成熟，且低地板輕軌車較受歡迎。
與異步電機(jī)相比，稀土永磁同步電機(jī)具有功率密度高、效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大、可控性好、可靠性高、噪聲低等一系列優(yōu)點，得到電力牽****域研究人員的重視。目前，國外部分線路已經(jīng)完成了永磁同步電機(jī)牽引運行試驗，并取得了良好效果。2007年夏，由德國西門子公司開發(fā)的采用永磁同步電機(jī)直接驅(qū)動的地鐵車輛開始在慕尼黑地鐵線路上運行[9]。2006年，法國阿爾斯通公司研制的AGV高速列車正式定型，該列車使用的就是永磁同步電機(jī)牽引[10]。數(shù)年前東日本旅客鐵道公司E954／E955型高速電動車機(jī)組試驗已達(dá)到預(yù)期的基本要求[11]。相比而言，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究雖起步較晚，但目前也受到了極大重視，部分高校和科研所積極投身其中，取得了一定的成果[12-14]。
3稀土永磁電機(jī)用于輕軌交通的關(guān)鍵技術(shù)
稀土永磁電機(jī)根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝方式分表面式(隱極式)永磁同步電機(jī)(PMSM)
和內(nèi)置式(凸極式)永磁同步電機(jī)(IPMSM)。采用永磁體內(nèi)嵌的IPMSM由于交直軸電感不同
而產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有利于提高電機(jī)的功率密度、弱磁擴(kuò)速及過載能力，能夠在逆變器容量不變的情況下提高電驅(qū)動車輛的調(diào)速范圍，滿足輕軌機(jī)車牽引電機(jī)期望的堅固結(jié)構(gòu)、大啟動轉(zhuǎn)矩及直接驅(qū)動等特點，因此更適合做輕軌機(jī)車的牽引電機(jī)，并且也已經(jīng)成為牽引驅(qū)動的研究熱點[15-16]。從目前研究的狀況看，要使得稀土永磁電機(jī)能夠在輕軌機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，還必須解決以下幾方面的問題。
3 1電機(jī)本體設(shè)計
(1)適合軌道交通的新型凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計
對牽引電機(jī)來說，需要有堅固的結(jié)構(gòu)并希望能有效利用磁阻轉(zhuǎn)矩，同時為了更好地保護(hù)主電路，也希望****磁鐵引起的交鏈磁通能夠充分減小。因此，牽引電機(jī)適合采用嵌入永磁體型的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，即凸極結(jié)構(gòu)。嵌入式永磁體轉(zhuǎn)子(凸極式轉(zhuǎn)子)結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，表面沒有較脆的永磁材料，結(jié)構(gòu)堅固，省去了端環(huán)和護(hù)環(huán)，可使?fàn)恳姍C(jī)輕量化；同時電機(jī)在運轉(zhuǎn)時沒有轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的風(fēng)噪聲，具有噪音低的優(yōu)點。
凸極式永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)形式多種多樣，不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其空載漏磁系數(shù)、交直軸電樞反應(yīng)電抗等參數(shù)各不相同，電機(jī)的運行性能、控制性能、制造工藝和應(yīng)用場合也不同。為了在有限的空間內(nèi)放置足夠的永磁體，還要保證適宜的漏磁系數(shù)和電抗參數(shù)及其比值，需要對轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究[17]。常用的高效永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有“U”型和“W”型兩種。“U”型結(jié)合了徑向式和切向式的優(yōu)點，可以提高電動機(jī)的牽入同步能力、磁阻轉(zhuǎn)矩和電動機(jī)的過載倍數(shù)，這對電動車用驅(qū)動電機(jī)來講是非常重要的；同時，該結(jié)構(gòu)提供了更多的永磁體安裝空間，從而可以減小電機(jī)的體積，提高電機(jī)的功率密度[18]�！癢”型轉(zhuǎn)子在異步起動性能上****轉(zhuǎn)矩高于“U”型，在暫態(tài)起動性能上也更易于牽入同步速，因此具有較高的運行性能， 但要以增加永磁體用量作為代價[19]。
(2)稀土永磁電機(jī)的場、路、熱結(jié)合的設(shè)計方法
輕軌機(jī)車牽引用直驅(qū)永磁電機(jī)直接安裝在機(jī)車底部，使用環(huán)境惡劣，必須采用全密封結(jié)構(gòu)，散熱條件差，因此電機(jī)本身的發(fā)熱及散熱是研究電機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)。大功率、高壓永磁同步電機(jī)內(nèi)部電磁場分布非常復(fù)雜，各部分發(fā)熱情況不均勻，散熱條件也相差懸殊，熱源之間又存在一定的熱交換，所以該類電機(jī)內(nèi)部的熱場分析存在一定困難。因此這方面的研究是一個難點。目前常用的方法是結(jié)合電磁場有限元分析和熱場有限元分析方法對大功率、高壓永磁同步電動機(jī)進(jìn)行電磁場一熱場耦合分析。首先通過電磁場分析得到電機(jī)的平均損耗，并以此作為熱源對電機(jī)進(jìn)行熱場分析；然后在此溫升的基礎(chǔ)上進(jìn)行電磁場計算；通過電磁場分析對電機(jī)損耗的重新計算，再轉(zhuǎn)而進(jìn)行熱場分析，以此循環(huán)直至電機(jī)達(dá)到熱平衡。最后，通過對電機(jī)的溫度云圖和熱能傳遞圖的分析，研究電機(jī)的發(fā)熱情況。采用這種方法不僅可以精確計算電機(jī)內(nèi)部電磁場的分布，而且可以得到電機(jī)內(nèi)部電磁場與熱場之間的能量交互過程，研究電機(jī)的發(fā)熱問題，因此可以更有效地對電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，使電機(jī)滿足高效率、損耗匹配、發(fā)熱合理等指標(biāo)。
3．2稀土永磁電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)
(1)永磁同步電機(jī)弱磁控制方法
輕軌機(jī)車的應(yīng)用領(lǐng)域要求牽引電機(jī)具有低速大扭矩及盡可能寬的高速恒功驅(qū)動能力，以擴(kuò)展輕軌機(jī)車的行駛速度范圍。牽引用稀土永磁同步電機(jī)為凸極結(jié)構(gòu)，具有更寬的弱磁調(diào)速能力。而實現(xiàn)電機(jī)的高性能運行，先進(jìn)的控制方法必不可少。弱磁控制技術(shù)能夠在電機(jī)****輸出功率不變的條件下提高輕軌機(jī)車的行駛速度，能夠更加充分地利用逆變器輸出能力，從而降低逆變器的容量，因而對輕軌機(jī)車永磁電機(jī)電牽引系統(tǒng)具有非常重要的意義和突出實用價值[20]。
水磁同步電機(jī)弱磁控制的思想來源于他勵直流電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)思想。對于永磁同步電機(jī)來說，勵磁磁動勢由位于轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生，無法像他勵直流電機(jī)一樣方便地調(diào)節(jié)勵磁電流，只有通過控制定子電流，即提高d軸電流分量的去磁作用來控制氣隙磁場強(qiáng)度，以維持電機(jī)高速運行時的電壓平衡，實現(xiàn)弱磁擴(kuò)速。文獻(xiàn)[21]提出了六步電壓法，其主要思想是當(dāng)電機(jī)弱磁運行時，通過控制電機(jī)的功角，調(diào)整電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和減弱電機(jī)的磁場。該方法可實現(xiàn)對逆變器直流母線電壓的****利用。文獻(xiàn)[22]采用過調(diào)制技術(shù)，根據(jù)零電壓矢量作用時間判斷過調(diào)制起始點，用查表法確定調(diào)制比，提高逆變器直流母線電壓利用率，實現(xiàn)對永磁同步電動機(jī)弱磁運行區(qū)域的擴(kuò)展。文獻(xiàn)[23]提出采用電流調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)永磁同步電動機(jī)的弱磁控制，電流調(diào)節(jié)器包括前饋解耦環(huán)節(jié)和電壓補償環(huán)節(jié)。另外，由于溫升和直流母線電壓引起的電壓變化會導(dǎo)致電壓補償器工作不正常，嚴(yán)重時可能引起整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。基于這一缺陷，文獻(xiàn)[24]提出了將直流母線電壓作為一個反饋量用于電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的改進(jìn)方案，從而使系統(tǒng)工作在****電壓利用狀態(tài)�？刂仆猸h(huán)的電壓可以確保電流調(diào)節(jié)器在任何工況下不至于飽和，從而取得較滿意的控制效果。
(2)永磁同步電機(jī)斷電再投技術(shù)
機(jī)車惰行或運行過程中逆變器保護(hù)等造成輸出脈沖關(guān)斷，相當(dāng)于逆變器輸出斷電。當(dāng)需要重新牽引或從故障狀態(tài)恢復(fù)時，逆變器應(yīng)具備在機(jī)車運行過程中(具有一定的初速度)重新投入的功能。
在重新投入前，機(jī)車本身具有一定的速度。與異步機(jī)不同的是，由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場的存在，因此電機(jī)繞組線端有一個隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的、一定幅值的反電勢電壓。若投入時機(jī)不對，輕則造成系統(tǒng)沖擊、振蕩，重則造成逆變器燒毀。因此，當(dāng)逆變器重新投入時，要保證系統(tǒng)安全、沖擊最小，必須保證逆變器輸出電壓的相位及頻率與當(dāng)前的反電勢相位及頻率值相對應(yīng)，而且逆變器輸出電壓的施加也必須有一個逐步調(diào)節(jié)的過程。由于這個過程涉及永磁同步電機(jī)的瞬態(tài)過程，尤其在弱磁狀況下該過程更為復(fù)雜，因此該方面的研究是目前國內(nèi)外該領(lǐng)域的一個難點，國內(nèi)外在這方面的研究文獻(xiàn)很少，僅有的文獻(xiàn)也多從永磁電機(jī)電樞形式方面開展研究。不過從相對成熟的異步電機(jī)的帶速度重投的一些成果可能對研究永磁同步電機(jī)帶速度重投具有一定的啟發(fā)和借鑒意義。文獻(xiàn)[25]提出了針對異步電機(jī)無速度傳感器的斷電重投的方法，利用電機(jī)的Luenberger觀測器模型推導(dǎo)出自適應(yīng)辨識算法，提出了初始轉(zhuǎn)速自搜索算法。在斷電重投的時候，利用已經(jīng)準(zhǔn)確估計的速度得到定轉(zhuǎn)子磁鏈的精確值，通過調(diào)整磁鏈控制環(huán)節(jié)保證勵磁。文獻(xiàn)[26]提出在重投瞬間使得電動機(jī)順利勵磁的方法，勵磁成功后利用自適應(yīng)狀態(tài)觀測器進(jìn)行速度辨識。文獻(xiàn)[27]提出在斷電重投時分兩種情況進(jìn)行處理：一種是變流器短時封鎖后的帶電重投，該情況下保存當(dāng)前速度值，投入時以該速度作為當(dāng)前速度；一種是長期惰性以后，速度偏差較大時利用文獻(xiàn)[23]介紹的速度自搜索方法。
4當(dāng)前在該領(lǐng)域已開展的部分研究工作
目前，西北工業(yè)大學(xué)稀土永磁電機(jī)及控制技術(shù)研究所與北車集團(tuán)合作開展了蓄電池供電型輕型軌道車輛用稀土永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)工作。在電機(jī)設(shè)計方面，采用“場-路”結(jié)合的方法對凸極式徑向勵磁結(jié)構(gòu)永磁同步電動機(jī)進(jìn)行了電磁設(shè)計，在設(shè)計電機(jī)有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸及性能計算時從電機(jī)基本公式出發(fā)，在計算有關(guān)關(guān)鍵參數(shù)時利用有限元方法得到。同時，利用場的方法優(yōu)化設(shè)計了永磁體的磁化方向長度、寬度和傾斜角度，使永磁體工作于****工作點并滿足足夠的磁負(fù)荷；合理設(shè)計隔磁磁橋，在滿足轉(zhuǎn)子強(qiáng)度前提F，盡量減小漏磁，提高了永磁材料的利用率。利用該方法，設(shè)計制造了額定功率150KW、額定電壓380V、調(diào)速范圍O～2250r／nlin的凸極式稀土永磁同步電機(jī)。同時研發(fā)了額定直流母線電壓540V、額定功率220KVA、具有弱磁調(diào)速功能的矢量控制逆變器。目前，已完成系統(tǒng)的硬件調(diào)試及部分臺架實驗，并在此基礎(chǔ)上做了相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計。同時，由于永磁同步電機(jī)到有勵磁及嚴(yán)格同步的特性，其斷電再投難度較大，目前正在進(jìn)行相關(guān)研究及實驗驗證。初步實驗結(jié)果表明，重投及切換到正常運行狀態(tài)時電流沖擊仍然較大，仍需進(jìn)一步完善重投機(jī)制及程序。
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