永磁同步牵引电机高速惰行时反电势问题的研究

Ｅｏ＝ｒ／ｐＯ。ｙ， （１．１）
上式中，Ｅｏ、行，、‰、ｙ，分别为电机反电势、极对数、机械角速度、转子
磁链。由上式可知，与永磁电机反电势直接相关的，就是转子磁链。在下面的讨 论中，都通过分析永磁体转子磁链对电机的影响，来反映永磁电机反电势的影响。
＾’
Ｂ
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Ａ
图１－１内置式永磁同步电机结构图
Ｆｉｇ．１－１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｉｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅ
对于应用于轨道交通上的永磁同步牵引电机来说，惰行是经常出现的一种工
况。所谓惰行，是列车的一种行驶方式，此方式下无牵引也无制动，列车靠惯性
行驶。具体到电机，就是电机断电，定子绕组不供电的情况。对于异步电机来说，
因为其转子励磁磁场由转子绕组产生，惰行时断电，其励磁磁场为０，因而不存在
反电势的问题咿Ｊ。但对于永磁同步电机来说，惰行时，电机仍然在旋转，因为转子 上永久磁铁的存在，会产生转子励磁，所以必然存在反电势。反电势的存在，会 给牵引传动系统带来诸多问题，根据永磁同步电机牵引传动系统的主电路图１．２
机构 韩国铁道 科学研究 院等 应用列车ＨＳＲ．３５０Ｘ日本东芝
Ｔｏｓｈｉｂａ［５】
法国阿尔斯通 ＡＬＳＴＯＭ［６】
加拿大 庞巴迪
德国 西门子
Ｓｉｅｍｅｎｓ【５】 Ｓｙｎｔｅｇｒａ
北车永济 电机【７】 西南交大 ＸＱＧ４５
－６００Ｐ
Ｂｏｍｂ砌ｉｅｒ【６】
Ｅ９５４
ＨＤ３００ ．９０１
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７２０
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致谢
本论文的工作是在我的导师杨中平教授的悉心指导下完成的。杨老师在两年 的研究生期间给了我很大的帮助和支持，他正直的人品、力求完美的做事风格、 严谨的治学态度和科学的工作方法我留下了很深刻的印象，为我树立了科学工作 者的榜样。在此表示衷心的感谢。 林飞老师耐心指导我完成实验室的科研工作，从课题的确定到最后实验的完 成，林老师都给予了我很大的帮助。他渊博的学识，和蔼可亲的态度给我留下了 深刻的印象，他的指导使我能够顺利完成科研课题。在平时的学习和生活中他也 给予我很大的关心，与他的讨论和交流也使我受益匪浅，谢谢林老师。 郭希铮老师平时认真耐心的为我答疑解惑，给我提供了力所能及的帮助，使 我的研究和实验能够顺利进行，感谢郭老师。 在论文的研究过程中，还得到了电力电子所其他老师，比如游小杰老师、郝 瑞祥老师、张立伟老师、孙湖老师、黄先进老师、李虹老师等的指导及帮助，他 们平时关心我的学习、工作和研究，让我深深的感受到了电力电子所这个大家庭 特有的温暖，在我未来的工作与生活中，我都会怀念在电气工程学院的两年研究
ｆａｃｔｏｒ
ｌｉｔｔｌｅ ｖｏｌｕｍｅ，ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ，ｈｉｇｈ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ
ａｎｄ ｈｉｇｌｌ
ｃａｌｌ
ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｅｒｅ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｏｆ
ｐｅｒｍａｎｅｎｔ
ｍａｇｎｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅ ｂａｃｋ ＥＭＦ
ｂｅ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏａｓｔｉｎｇ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｐｐｌｙ
ｔｏ
ａｒｅ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ
ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ
ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｂａｃｋ・ＥＭＦ ｐｒｏｂｌｅｍ ｄｕｒｉｎｇ
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ
ＣＩ。ＡＳＳＮ０：ＴＭ９２１．２‘
ｍａｇｎｅｔ
ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒｓ；ｂａｃｋ－ＥＭＦ；ｆｌｕｘ
ｗｅａｋｅｎｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
２）非受控再生制动（Ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
４１。
Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ
ＵＣＧ）的研究
对于非受控再生制动的研究，国内外较少有文章介绍。文献［１５］从稳态的角度，忽 略了定子电阻和交直轴电流耦合，讨论了电机非受控再生制动与电机凸极率的关 系ｔ坫】；文献［１６】讨论了应用于混合动力机车上的牵引电机非受控再生制动的控制方
ｏｎ
ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ
ａｎａｌｙｚｅｄ
ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅｏｒｙ．
ｔｏ
Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｃｏａｓｔｉｎｇ．
ＰＭＳＭ
ｓｏｌｖｅｄ．
ｔｏ ｒａｉｌｗａｙ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ
ｈｉ。曲ｂａｃｋ ＥＭＦ
ｍｕｓｔ ｂｅ
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ，ｂａｓｅｄ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ
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ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｂａｃｋ－ＥＭＦ
ｏｎ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＰＭＳＭ，ｔｈｅ
生生活。
在实验室学习期间，得到了赵坤博士悉心指点和耐心帮助，在此向他表示感 谢。在本论文的实验过程中，胡太元、袁倩、易泽宇、秦金飞等同学给予了大力 的支持和帮助，使我能够顺利进行实验，非常感谢他们。 同时，还得到了方晓春、李珂、林科振、李猛等同学在学习、生活等各个方 面的鼎力相助，与他们相处的时光是我最大的财富，在此表示深深的谢意。 最后，感谢我的爸爸妈妈兄弟姐妹和朋友们，他们的支持使我能够在学校专 心完成我的学业。
ｂａｃｋ—ＥＭＦ
ｏｎ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｎｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｓｔａｎｃｅｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
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ｋｍ／ｈ
的世界最高速，其中部分牵引电机即为功率等级１０００ｋＷ的永磁同步电机【４】。近年 来我国在这一领域也已有所突破，中国南车、中国北车等单位已经开始永磁同步 电机在城市轨道交通列车、高速列车、燃料电池列车等方面的研究，并研制出部 分样车，部分应用如表１．１所示。
表１－１近年来永磁同步电机在轨道交通方面的应用情况
１．２反电势及其对列车牵引传动系统的影响
北京交通大学硕士学位论文
由于永磁同步电机不需要转子磁场励磁，而是由转子上的永久磁体提供转子 磁场，因而转子磁场不会随着外部所接三相电流的变化而变化。从永磁同步电机 （内置式）的结构图，即图１．１可以看到，当电机不供电且仍然转动时，在转子上 的永久磁铁仍然会产生转子旋转磁场，这个磁场在定子三相绕组中的感应电动势 来就称为反电势。反电势不仅与转子磁场的大小有关，而且与电机转速成正比， 其计算公式为【８】：
北京交通大学 硕士学位论文 永磁同步牵引电机高速惰行时反电势问题的研究 姓名：崔玲 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：杨中平 201206
中文摘要
中文摘要
摘要：
近年来，永磁同步电机以其高效率、高功率密度、大启动转矩以及宽调速范 围等优势而在轨道交通中的应用越来越多。反电势是永磁同步电机的重要参数之 一，其大小将影响到电机以致整个牵引传动系统的运行性能，必须要考虑不同应 用场合下的电机反电势该如何选择及反电势带来的问题和相应解决措施。 本文首先详细分析了反电势对永磁同步电机各方面性能的影响，并针对高速 列车和城市轨道交通列车两种应用类型，从理论上分析不同反电势大小的永磁同 步牵引电机所适用的场合。编写了带有永磁电机模型的牵引计算仿真软件，根据 两条实际线路上的计算数据，验证了理论分析的结果。 由于高反电势的存在，基于永磁同步牵引电机的高速列车在高速惰行时与现 有列车存在明显差别。本文研究了惰行时高反电势带来的非受控再生制动现象的 产生机理，分析了电机电流、电压和电磁转矩以及非受控再生制动的影响因素。 为了避免产生非受控再生制动，本文研究了两种惰行方案：其一为惰行时施加去 磁电流进行弱磁控制；其二是在惰行时通过接触器将逆变器与电机断开。基于 ＰＳＩＭ仿真软件，搭建了永磁同步电机牵引传动系统仿真模型，在此基础上对两种 方法进行了仿真验证。在基于Ｍｙｗａｙ电力电子数字控制器的实验平台上，对上述 两种方案进行了实验验证。 关键词：永磁同步牵引电机；反电势：弱磁控制：非受控再生制动； 接触器 分类号：ＴＭ９２１．２
ｃａｕｓｅ
ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏａｓｔｉｎｇ．Ａｆｔｅｒ ｓｏｍｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｕｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
ｈａｖｅ ｂｅｅｎ
ｏｎ
ｔｈｅ ｆｏｒｍｉｎｇ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ
ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ
１）反电势的选择 反电势是永磁同步电动机的重要参数，由于永磁同步电动机的励磁不能调节， 无法象电磁式同步电动机那样通过调节励磁改变功率因数以达到改善电网功率因 数的目的，因而必须合理选取反电势。 合理设计晶可降低定子电流，提高电动机效率、降低永磁材料用量。通过总 结，反电势的选取主要应该考虑以下几方面的影响： ①在较宽的负载变化范围，电机应该有较高的功率因数和效率； ②要满足电机的过载要求； ③要满足电机的起动要求； ④满足主电路中逆变器整流器的要求【ｌ
北京交通大学硕士学位论文
法，文章中的电机由电池供电，主要研究了非受控再生制动对电池温升等的影响 及加入泄放电阻和电容来避免危害，虽然对列车用永磁同步电机惰行时的非受控 再生制动有一定的参考价值，但是不具有代表性【１６］；文献［１７１主要从电机本身的角 度，比如电机磁饱和、电机定子电阻等在非受控再生制动发生时的变化情况讨论 非受控再生制动的影响，并没有针对列车用永磁同步牵引电机【１７】。大多数介绍非受 控再生制动的文章只是从现象方面定性分析，没有从电机数学建模角度对其分 析。因而从数学角度研究综合研究非受控再生制动就很有必要。 ３）惰行时高反电势问题的解决方法 要解决永磁同步电机高速惰行时的高反电势问题，可以从两个方面考虑：一 是高反电势产生的角度；另外一个是高反电势带来的问题角度。因而高反电势问 题也就有两种解决思路：１、从永磁同步牵引电机设计的角度，根本上解决反电势 的问题，主要以日本为代表。其策略是，在设计永磁电机之初，就降低电机反电 势；２、从电机控制的角度，在电机运行过程解决高反电势的问题，主要以欧洲国 家为代表。其策略是，通过在电机运行过程中的控制方法，来减小或者避免高反 电势带来的不利峭Ｊ。 ①从电机设计角度降低反电势 主要就是磁链设计的大小，尽量减小永磁体的磁链，使电机在高速运行过程 中，也不会出现反电势过高的问题，从根本上解决了高反电势的问题。但是永磁 体磁链较小的永磁电机，需要增加凸极率，来保证电磁转矩的大小，因而需要采 用凸极率较高的内置式永磁同步电机【１ ２１，而且电机启动电流过大，因而存在其弊 端。 ②从电机控制角度避免高反电势的影响 惰行时，若反电势过高，或者采取弱磁来降低反电势，或者加入接触器，防 止过高反电势带来的不利影响。对于这两种方法，国内外的一些文献中，己对这 个问题做过阐述。文献［１１］中提到了当内埋永久磁铁时，惰行中会在磁场线圈上 产生电压，所以，必须在磁回路中设置断路器；同样，文献［１２］中也讲到，惰行 时牵引电动机两端存在电压，故而当逆变器出现相问短路等故障需把列车送回时， 可以在逆变器与牵引电动机之间设有接触器（称之为负载接触器），可以断开牵引 电动机【１２】；文献［１３］中则提到了几种处理方法：既可以施加直轴去磁电流，降低 转子磁场，从而减小惰行时的感应电压，使其低于逆变器直流侧电压；也可以在 逆变器与永磁电机之间加接触器，起到隔离作用，防止产生再生制动；最简单的 方法，是在电机设计之初就控制转子磁链值，使其惰行时不会产生危害【１３】；文献 ［１０］也提到了通过施加直轴去磁电流的弱磁控制方法来降低惰行时的反电势的方 法【ｌ ０１。上述文献只是简单的提了解决方法，但是对于具体如何实施，却没有介绍。
绪论
ｌ绪论 １．１课题提出的背景及意义
轨道交通的不断发展，要求牵引电动机有更高的功率密度以及更好的动态响 应性能，以适应轨道交通中各种复杂环境的需要【１】。 永磁同步电机的优良特性，对于轨道交通牵引传动系统来说很有吸引力。永 磁同步电机不需要转子绕组励磁，而是由转子上的永久性磁铁产生转子旋转磁场， 这种特殊的结构，使永磁同步电机具有更大的功率密度、更高的效率、更低的噪 声等优势【２】。因而自上个世纪８０年代以来，国外就开始了永磁同步电机在轨道交 通中的应用研究【引。２００７年４月，法国阿尔斯通公司的ＡＧＶ列车曾创下５７４．８
２
绪论
分析可得【１０】：
图１－２永磁同步电机主电路结构图
Ｆｉｇ．１—２ Ｍａｉｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｆＰＭＳＭ
（１）惰行时如果反电势较大，且逆变器直流侧电容不能完全吸收再生能量导 致直流侧过电压，电压的值大于ＩＧＢＴ的耐压值Ｕ孵。ｒ，那么ＩＧＢＴ有可能被烧毁【ｌｌ】； （２）如果电机反电势大于直流侧电压∽。，那么电流经逆变器的反并联二极
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＡＢ ＳＴＲＡＣＴ
ＡＢＳ’Ｉ’Ｉ己ＡＣＴ：
Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｉｖｉｌ
ｍｏｔｏｒｓ（ＰＭＳＭｓ）ｈａｖｅ
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管导通，将产生再生制动，这也是实际情况中所不允许的【１２】；
（３）电机若需要重新投入，则较高的反电势为重新投入带来困难； （４）如果逆变器发生故障，比如相与相之间短路，则惰行时的反电势会扩大 故障影响【１３１； 所以要将永磁同步电机应用于轨道交通中，必须要考虑反电势的问题。
１．３永磁同步牵引电机反电势问题的研究概况
Ｒｅｇｉｎａ
功率等级 （ｋＷ） 时速
（ｋｍ／ｈ）
１１００
３５５
１６０
３０２
１５０
３５５
３５０
３６０
１１０
５７４．８
３６０
２９５
１２０
６５
时间
２００２
２００５．６
２０１０．３
２００７．４
２００８．２
２００８．７
２００８．８
２０１０．１ｌ
对于永磁同步牵引电机在轨道交通中的应用，尚有许多问题值得探讨。其中， 永磁电机的反电势及其引起的列车惰行工况下的特殊问题尤为突出。本文讨论了 永磁电机反电势对电机其他性能的影响，针对适用于轨道交通不同应用场合的电 机反电势选择进行了讨论，详细分析了惰行时永磁同步牵引电机反电势会带来的 问题，论述了几种解决方案，并进行了仿真以及实验验证。