基于大功率直驱永磁系统的故障保护控制研究

詹哲军，张瀚宸

（1.中车永济电机公司，山西 永济 044502；2.西交利物浦大学，江苏 苏州 215000）

0 引言

直驱永磁牵引系统具有高效、绿色、环保、降成本等优势，是未来轨道交通行业牵引系统的发展趋势，是国内外轨道交通领域的主要研究方向。我国在直驱永磁牵引系统技术的研究运用刚处于起步阶段，而大功率机车永磁牵引系统在国内甚至全世界还处于空白阶段。机车正常运行过程中，如果保护逻辑不完善或者保护不及时，在遇到某些故障工况时可影响车辆正常运行，甚至损害机车某些部件[1]。因此，针对大功率直驱永磁系统的故障保护研究就显得尤为重要。

1 直驱永磁系统构成

1.1 系统顶层指标

牵引制动特性是列车最重要的特性，针对不同的运行环境实时控制列车的牵引/制动力，达到控制目标。

网压功率曲线图见图1。

图1 网压功率曲线

牵引特性曲线见图2；制动特性曲线见图3。

图2 系统牵引特性曲线

图3 系统制动特性曲线

1.2 主电路设计

本次设计的直驱永磁电传动系统采用两整三逆主回路拓扑（见图4），两组四象限整流器并联，通过中间直流环节、牵引逆变器给牵引电机供电，逆变器和永磁电机之间设计有隔离接触器；辅助变流器从中间直流回路取电，经过逆变、滤波后为辅助负载供电。

图4 主电路拓扑

1.3 变流器设计

牵引变流器采用两整三逆主回路拓扑，充分考虑电磁兼容设计，主回路采用高、低压分离，控制线束采用屏蔽线并可靠接地；模块化设计采用以水冷基板为中心单面排布IGBT器件的方式；散热采用水冷却方式，保证功率模块安全可靠；有较完善的保护功能，包含电源监测功能、短路保护功能及电压保护功能等[2-3]。

牵引变流器技术参数如下表1所示。

表1 牵引变流器参数

2 控制系统设计

2.1 控制装置硬件拓扑

控制装置是一种多处理器、多总线系统，采用变流控制、主控逻辑独立架构，如图5所示。

图5 控制装置功能图

2.2 四象限变流控制

控制框图如下图6所示：

图6 单相PWM 整流器控制框图

（1）数学模型。

整流器直流母线电容电压方程为：

交流侧电感电流方程为：

其中：L和R分别表示交流侧滤波电感和它的电阻（即变压器副边漏电感及副边侧等效电阻），e表示变压器副边绕组感应电势，u表示由开关管对斩波得到的变压器副边绕组端电压。

假设理想情况下，交流侧功率与直流侧功率平衡，得到：

其中：T表示工频周期。

假设直流母线电压基本不变，得到：

将电流内环近似为惯性环节，得到：

其中Ti表示电流环的闭环带宽。

（2）控制原理。

采用以电压为外环调节和电流为内环调节的双闭环控制，锁相环PLL用来保证输入电流和网侧电压同相，确保四象限尽可能工作在单位功率因数下；脉冲调制控制采用SPWM正弦脉宽调制，并加入多重化载波移相控制[4]。

电压外环的受控对象传递函数为：

电流内环采用PR控制，控制器传递函数为：

多重化技术主要是载波角度的计算分配，则每一组四象限变流器载波角度依次错开π/N，载波角度分配公式如下：

若x组四象限变流器故障后，载波角度重新分配，则多重化个数变为N-x，新分配每一组四象限变流器载波角度依次错开π/（N-x），载波角度重新分配公式如下：

2.3 直驱永磁电机控制

本系统应用于高压大功率场合，采用控制和调制分离的模式，在额定转速以下采用矢量控制策略，采用前馈电压和PI调节器相结合的电压生成模式；在额定转速以上采用单电流控制策略，输出电压幅值不再变化，通过控制输出电压和反电势的功角来调制牵引、制动转矩，并用Q轴 电流解耦项对转矩精度进行校准[2]。见图7。

图7 永磁电机矢量控制框图

调制采用多模式PWM调制策略，可以充分利用逆变器允许的开关频率，另一方面保证进入弱磁区后能有较高的直流电压利用率 。多模式调制策略：低频段采用异步调制，中频段采用同步调制，额定频率以上采用方波控制[3]。

3 永磁系统逻辑保护

由于永磁体固有的反电势，在电机处于旋转状态时在电机端部会有电压（u=w＊φ），所以在封脉冲和故障模式时要根据转速和目前的逻辑状态来确认隔离接触器的状态，配合整车逻辑进行保护动作。

（1）TCU级保护动作类别，相应的保护动作存储在TCU中。定义的保护动作取决于各自不同的工况，保护动作分为5级，从低保护层级到高保护层级依次为：继续运行、降功率运行、封锁使能、隔离断主断、牵引系统停止运行。

（2）关于故障引起的轴隔离的具体操作如下，立即封锁逆变器脉冲、断开电机隔离接触器、断开轴隔离继电器；TCU检测到轴隔离继电器断开，上传隔离标志位，进入轴隔离状态，不响应任何其他任何控制指令。如果TCU接收到MPU的轴隔离取消指令，TCU取消隔离状态，接收MPU指令，执行相应动作；

（3）关于故障引起的架隔离的具体操作如下，立即封锁四象限和逆变脉冲，断开架隔离继电器；TCU检测到架隔离继电器断开后，上传架隔离标志位。进入架隔离状态，不响应任何其他任何控制指令。如果TCU接收到MPU的架隔离取消指令，TCU取消隔离状态，接收MPU指令，执行相应动作。

4 典型故障工况试验验证

完成样机试制后，按IEC61377标准开展了系统地面组合试验和研究性试验，试验结果表明该系统效率高、谐波低、动态响应性能好及稳态精度高[4]。下面对几个典型故障工况的关键试验项点进行说明。

4.1 网侧故障响应

网压中断是列车运行过程中经常碰到现象，如果检测不及时，会造成车上器件损坏，影响车辆正常运行。

软件采用网压幅值、相位及电流环差值等多种检测手段，实现对网压中断的快速、精准检测，然后快速将故障信息传递至逆变侧器和逻辑处理单元，通过逻辑、时序配合，实现该电传动系统在设计的速度区间内安全平稳运行。

图8 网压中断试验波形

试验结果表明：网压中断检测时间2.2ms，所有部件未报出任何故障。

4.2 隔离接触器逻辑保护

隔离接触器逻辑保护主要有两种应用工况：①永磁系统在高速断主断工况，采用隔离器件将永磁电机和变流器主回路隔离开，反电势过高避免造成中间设备损坏；②在高速重投中的应用，在额定转速以上，机车由惰行转牵引（制动）时，需要先抑制反电势，建立弱磁磁场然后再闭合接触器输出力矩。针对隔离接触器保护做了两组典型工况试验：

（1）高速160km/h断主断试验，分别进行牵引、制动及惰行三种工况，测试结果表明高速工况下可以很好地抑制反电动势，避免损害中间直流侧设备。

图9 制动160km/h 断主断试验

（2）高速重投试验，针对永磁电机反电势问题，采取了优化电机反电势设计、增加隔离接触器及优化弱磁控制三个方案，彻底解决了高速重投反电势可能对系统的不利影响。

图10 高速重投试验

试验结果表明：两种工况下，直流母线电压未发生明显冲击波动，所有部件未报出任何故障。

4.3 匝间短路保护试验

匝间短路故障一般由于线圈相邻绕组绝缘失效引起，不宜观测，长时间累积会损坏器件。

匝间短路离线诊断：当电机处于低速或者零速时，采用高频电压注入法，以id电流中的直流量为特征量进行判断。

匝间短路在线诊断：设计线性扩张状态观测器，通过观测故障电压扰动量的特征值，进行判断，可以在运行过程中实时检测。

试验结果表明：全速度范围内，匝短故障可以检测、识别，检测时间1.5s。

4.4 变压器直流偏磁保护试验

图11 匝短保护试验

变压器直流偏磁导致控制器多次计算累加使交流侧电流增加，段时间会造成电流累积过大，容易引起过流导致脉冲封锁，严重时会对功率器件造成损坏。

软件采用提取出直流偏置量构成闭环控制和在内环控制器中加入了直流偏置自调节功能的双重偏置抑制的控制方法，从而达到对直流偏置的抑制作用。

试验结果表明：交流侧电流中直流含量接近为0。

5 结语

本文介绍一种应用于电力机车的直驱永磁牵引系统，详细分析了牵引控制单元软硬件及逻辑保护关键技术，针对永磁电力机车的一些典型故障工况，地面联调试验进行故障复现验证，试验结果表明所设计永磁直驱系统可靠高效，面对一些典型故障时可以快速准确识别并保护，保证机车的稳定运行。