阅读说明：本技术 用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器及其控制方法 (Traction converter for high-power permanent magnet direct drive system and control method thereof ) 是由 梁镇中 刘鹏 张佳峰 于 2018-08-30 设计创作，主要内容包括：本公开提供一种用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器及其控制方法,牵引变流器包括三个牵引变流单元以及辅助变流单元,其中,每一所述牵引变流单元包括预充电回路、四象限整流电路、中间直流回路、逆变器电路以及牵引控制单元,所述牵引控制单元包括用于控制所述四象限整流电路运行的四象限脉冲整流器以及用于控制所述逆变器电路运行的逆变器控制电路。本公开提供的牵引变流器可以应用于大功率永磁直驱系统。(The traction converter comprises three traction current conversion units and an auxiliary current conversion unit, wherein each traction current conversion unit comprises a pre-charging loop, a four-quadrant rectifying circuit, a middle direct current loop, an inverter circuit and a traction control unit, and the traction control unit comprises a four-quadrant pulse rectifier for controlling the four-quadrant rectifying circuit to operate and an inverter control circuit for controlling the inverter circuit to operate. The traction converter provided by the disclosure can be applied to a high-power permanent magnet direct drive system.)

用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器及其控制方法

技术领域

本公开涉及电机技术领域，具体而言，涉及一种大功率永磁直驱系统用牵引变流器及控制方法。

背景技术

随着高性能永磁材料技术的发展和产业的深入，永磁电机技术和产品从基础研究阶段正在向大功率、适用型、宽范围和多领域方向发展。

现阶段我国铁路机车一般采用异步电机驱动技术。在异步电机驱动技术中，由于异步电机中齿轮箱等部件的存在，有约2％的齿轮传动效率在运行中损失。此外，异步电机还存在驱动噪音大、润滑不便、密封不良等问题。而永磁电机具有结构简单、功率因数高等优点，因此采用永磁电机替代异步电机是机车研发领域未来的重要发展方向。

由于目前大功率驱动系统中的牵引变流器均为配套异步电机使用，因此需要设计一种用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器，以配合永磁同步电机运行，满足技术发展需要。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器及其控制方法，用于至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器的技术空白问题。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器，包括三个牵引变流单元，每一牵引变流单元包括：

预充电回路；

四象限整流电路；

中间直流回路；

逆变器电路，包括驱动板，驱动板的动态有源钳位电压分为3700V和4400V两级；以及

牵引控制单元，包括：

四象限脉冲整流器，耦接于四象限整流电路，用于控制四象限整流电路运行；

逆变器控制电路，耦接于电机和逆变器电路，用于根据电机的转速控制逆变器电路运行。

可选的，逆变器控制电路包括：

转速判断模块，用于检测电机转速，在电机转速小于等于预设值时发送第一信号，在电机转速大于预设值时发送第二信号；

MTPA控制信号产生模块，用于响应第一信号，采用MTPA方式生成控制信号；

弱磁控制信号产生模块，用于响应第二信号，采用弱磁方式生成控制信号。

可选的，逆变器控制电路还包括：

信号调制模块，用于在电机转速位于第一取值区域时，根据电机转速采用异步调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率，在电机转速位于第二取值区域时，根据电机转速采用中间60度同步调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率，以及在电机转速位于第三取值区域时，根据电机转速采用方波调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率。

可选的，四象限脉冲整流器包括：

电压控制闭环电路，用于控制直流母线电压为预设电压值；

电流控制闭环电路，用于控制交流电流的电流波形为正弦波。

可选的，还包括：

隔离接触器，耦接于逆变器电路。

可选的，还包括：

辅助变流单元，包括：

辅助预充电回路；

辅助四象限整流电路；

辅助中间直流回路，包括储能电路及测量保护电路；

辅助逆变器电路；以及

辅助控制单元，包括：

辅助四象限脉冲整流器，用于控制辅助四象限整流电路运行；

辅助逆变器控制电路，用于控制辅助逆变器电路运行。

可选的，还包括：

水冷却系统，耦接于牵引变流单元以及辅助变流单元。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种大功率永磁直驱系统，包括：

如上的牵引变流器；

永磁同步电机，耦接于牵引变流器；

挠性联轴器，耦接于永磁同步电机以及机车的轮对。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种牵引变流器控制方法，包括：

检测电机转速；

在电机转速小于等于预设值时，采用MTPA方式生成控制逆变器运行的控制信号；

在电机转速大于预设值时，采用弱磁方式控制生成控制逆变器运行的控制信号。

如上述任意一项的牵引变流器控制方法，还包括：

在电机转速位于第一取值区域时，根据电机转速采用异步调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率；

在电机转速位于第二取值区域时，根据电机转速采用中间60度同步调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率；

在电机转速位于第三取值区域时，根据电机转速采用方波调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率。

本公开提供的用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器及其控制方法至少具有以下优点：

首先，通过集成三个牵引变流单元，使牵引变流器的输出交流电压变换为电压和频率可变的三相交流电源，可以实现对永磁电机的特性控制；

第二，通过隔离接触器将牵引变流器与电机隔离，可以应对永磁同步电机反电势问题，避免故障扩大；

第三，通过采用双闭环控制策略控制四象限整流控制，并且在电机额定转速以上采用优化弱磁控制策略控制逆变器运行，可以抑制电机反电势，保证系统的可靠性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开示例性实施例中牵引变流器的方框图。

图2A是本公开示例性实施例中牵引变流单元的电路示意图。

图2B是本公开示例性实施例中牵引变流器的电路示意图。

图3是四象限脉冲整流器的电路示意图。

图4A是逆变器控制电路的框图。

图4B是逆变器控制电路的示意图。

图5是逆变器调制方式变化的示意图。

图6A是本公开实施例提供的牵引变流器的另一种示意图。

图6B是本公开示例性实施例中辅助变流单元的电路示意图。

图7A是本公开实施例提供的牵引变流器的再一种方框图。

图7B是本公开实施例提供的牵引变流器的机械结构示意图。

图8是本公开实施例提供的牵引变流器控制方法的流程图。

图9是本公开实施例提供的大功率永磁直驱系统的方框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或逆变器控制电路装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

下面结合附图对本公开示例实施方式进行详细说明。

图1是本公开用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器的方框图。

参考图1，牵引变流器1可以包括三个牵引变流单元11。

其中，每个牵引变流单元11可以包括：

预充电回路111，耦接于直流电压输入端，用于接收网侧交流电并将交流电的电流限制在预设安全范围内，以避免网侧交流电初接入时突发大电流对牵引变流器的器件造成损害；

四象限整流电路112，耦接于预充电回路111，用于对输入的网侧交流电进行整流以输出直流电；

中间直流回路113，耦接于四象限整流电路112，可以包括储能电路及测量保护电路，用于存储直流电能量并实现保护功能；

逆变器电路114，位于牵引变流器1的输出端，可以包括光电转换板、驱动电源、驱动板以及U相、V相、W相三个功率模块，其中每个功率模块可以由上下桥臂的两组IGBT元件和反并联二极管构成，用于将直流电转换为三相交流电输出给外部永磁同步电机以驱动永磁同步电机运行；

牵引控制单元115，同时耦接于预充电回路111、四象限整流电路112、中间直流回路113、逆变器电路114，用于接收各电路信号并对各电路输出控制信号。牵引控制单元115至少可以包括：

四象限脉冲整流器1151，耦接于四象限整流电路112，用于控制四象限整流电路112运行；

逆变器控制电路1152，耦接于牵引变流器1外部的永磁同步电机和内部的逆变器电路114，用于根据永磁同步电机的转速控制逆变器电路114运行。

在本公开实施例中，为更好保护IGBT器件适应永磁同步电机的不同应用工况，逆变器电路114的驱动板的动态有源钳位电压可以被设置为3700V(低门槛)和4400V(高门槛)两级设置。

在逆变器电路114中功率模块的IGBT元件的关断过程中，逆变器控制电路1152控制驱动板的有源钳位电压为低门槛值(3700V)，以对IGBT元件的集电极电位进行钳位，使IGBT元件避免由于电压尖峰过高而损坏。在IGBT元件持续保持关断时，逆变器控制电路1152控制驱动板的有源钳位电压为高门槛值(4400V)，以对IGBT元件的集电极电位进行钳位，使IGBT避免由于电压尖峰过高而损坏，从而保障用于大功率永磁直驱系统的牵引变流器即使出现极限特殊工况其内部电压也不会达到上述高门槛值。

图2A是牵引变流单元的电路示意图，图2B是牵引变流器的电路示意图。

参考图2A和图2B，在一些实施例中，牵引变流单元11可以包括耦接于逆变器电路114的隔离接触器116，牵引变流器1可以通过隔离接触器116耦接永磁同步电机。

为应对永磁同步电机反电势问题，可以在逆变器后设计安装隔离接触器，以在必要时将电机与牵引变流器进行隔离。在逆变器后设计隔离接触器，一方面可以用于电传动系统控制逻辑，例如在电机的高速重投中，机车在额定转速以上由惰行转牵引(制动)时，建立弱磁磁场抑制反电势后需要闭合隔离接触器输出力矩。另一方面由于永磁电机会产生较高的反电势，对中间回路部件造成损害，在系统发生故障导致反电势超过预设阈值时，可以通过隔离接触器将牵引变流器与电机隔离可以避免故障扩大。

本公开实施例提供的牵引控制单元115可实现四象限整流控制、逆变器输出控制、斩波控制、防滑防空转黏着控制，以及过压、欠压、过流、过载、接地等保护功能。其中，四象限整流控制采用双闭环控制策略，在电机额定转速以上时，逆变器输出控制采用优化弱磁控制策略，以抑制电机反电势，保证系统可靠运行。

图3是四象限脉冲整流器1151的控制框图。

参考图3，四象限脉冲整流器1151包括：电压控制闭环电路11511，用于控制直流母线电压为预设电压值；电流控制闭环电路11512，用于控制交流电流的电流波形为正弦波。

其中，电压控制闭环电路11511包括耦接于直流母线的锁相环PLL和耦接于四象限整流电路112的PI控制器，锁相环PLL和PI控制器的输出电流均输入乘法器A，以输入电流控制闭环电路11512。

电流控制闭环电路11512中，PR控制器同时接收乘法器A的输出电流和直流母线的输出电流，PR控制器的输出电压与直流母线电压一同输入产生SPWM调制波，以实现双闭环控制，控制直流母线电压为预设值，控制网侧电流波形为正弦波，且功率因数接近1。

逆变器控制电路1152主要可以分为控制部分与调制部分。其中，控制部分负责电压指令的生成，调制部分负责将电压指令以脉冲的形式通过硬件实现，二者相互独立且采用不同的计算频率。控制部分采用固定的计算频率完成AD采样、指令接收以及矢量控制算法的实现，调制部分因为受到最高开关频率的限制，需要通过多模式调制策略在整个电机转速范围内根据电机转速不同采用变化的载波周期。

图4A是逆变器控制电路1152的框图。

参考图4A，在本公开的一种示例性实施例中，逆变器控制电路1152可以包括：

转速判断模块11521，耦接于连接永磁同步电机的速度传感器，用于检测电机转速，在电机转速小于等于预设值时发送第一信号，在电机转速大于预设值时发送第二信号；

MTPA控制信号产生模块11522，用于响应第一信号，采用MTPA方式生成控制信号；

弱磁控制信号产生模块11523，用于响应第二信号，采用弱磁方式生成控制信号。

信号调制模块11524，耦接于转速判断模块11521、MTPA控制信号产生模块11522、弱磁控制信号产生模块11523，用于在电机转速位于第一取值区域时，根据电机转速采用异步调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率，在电机转速位于第二取值区域时，根据电机转速采用中间60度同步调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率，以及在电机转速位于第三取值区域时，根据电机转速采用方波调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率。

其中，上述电机转速的预设值可以依据电机特性选择，但是本公开不以此为限。

信号调制模块11524在确定调制频率后，按照该调制频率对控制信号进行调制，以对耦接的逆变器输出控制信号。

为提高控制系统的精度和稳定性，本公开实施例采用控制算法与调制算法独立控制方式。

对于控制算法而言，可以根据电机转速的不同分别采用MTPA(Maximum TorquePer Ampere，最大转矩电流比)控制模式和弱磁控制模式。

MTPA控制模式是适用于非弱磁状态的控制策略。由于凸极电机直轴电感小于交轴电感，在基速以下范围内运行时，可以利用电机凸极效应产生的磁阻转矩来获得较高的转矩电流比值。运用该控制模式时可以采用双电流闭环控制实现电压指令值给定。

采用弱磁控制模式时，同样可以采用双电流闭环控制实现电压指令值给定。此外，由于此时电机输入端电压受逆变器电压输出能力限制，可以设置电压前馈控制环来修正电流给定值，以进一步精确电压指令值给定，使电机输入端的电压需求在逆变器输出电压能力之内。

图4B是逆变器控制电路1152的电路示意图。

参考图4A和图4B，在本公开的一种示例性实施例中，逆变器控制电路的电路主要可以包括一个速度控制外环、一个电压控制外环以及两个电流控制内环；从逻辑上划分，可以包括转速判断模块11521、MTPA控制信号产生模块11522、弱磁控制信号产生模块11523以及信号调制模块11524。

逆变器控制电路1152以转速给定值为基础，通过速度外环获取实测转速ω，在与给定转速ω*进行比较后经由PI控制器向MTPA控制信号产生模块11522和弱磁控制信号产生模块11523输出给定转矩指令T*。

转速判断模块11521可以依据电机的实测转速ω判定选择控制模式，通过发送不同信号以控制MTPA控制信号产生模块11522和弱磁控制信号产生模块11523的运行，进而切换控制模式，其中第一信号S1和第二信号S2的切换速度可以依据逆变器特性及永磁同步电机参数确定。

在低速阶段(转速小于等于预设值)，MTPA控制信号产生模块11522响应第一信号S1运行，采用MTPA控制算法计算得到交直轴电流给定值i*_d与i*_q，两个电流控制内环将反馈电流i_q与i_d分别与对应给定电流i*_d与i*_q进行比较后经由对应的PI控制器输出给定交直轴电压指令u*_d与u*_q。

在高速阶段(转速大于预设值)，弱磁控制信号产生模块11523响应第二信号S2运行，采用弱磁控制算法计算得到交直轴电流给定值i*_d与i*_q，两个电流控制内环将反馈电流i_q与i_d分别与对应给定电流i*_d与i*_q进行比较后经由对应的PI控制器输出给定交直轴电压指令u*_d与u*_q。

由于在永磁同步电机运行过程中，电机端电压会逐渐接近逆变器输出电压极限值，因此在本公开实施例中，设置电压前馈控制环来修正d轴电流的给定i*_d。电压前馈控制环接收给定交直轴电压指令u*_d与u*_q，对其进行

的计算，并通过逆变器输出电压限制值u_sat对计算值进行修正，修正值经过PI调节器后可以得到电流修正量Δi*_d。电压前馈控制环输出Δi*_d作为d轴电流的附加分量，与通过弱磁给定算法计算出的i*_d1相加作为d轴电流给定值i*_d，在修正i*_d的同时也对i*_q进行了修正。

信号调制模块11524可以包括极坐标变换单元A及多模式调制单元B。其中极坐标变换单元A依据交直轴电压指令u*_d与u*_q与转子角位置θ计算得到静止αβ坐标系电压指令u_α与u_β；多模式调制单元B依据电机转速确定的不同调制频率生成脉冲波作用于逆变器以实现机端电压。在电机转速位于第一取值区域时，多模式调制单元B根据电机转速采用异步调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率；在电机转速位于第二取值区域时，多模式调制单元B根据电机转速采用中间60度同步调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率；在电机转速位于第三取值区域时，多模式调制单元B根据电机转速采用方波调制方式确定对控制信号进行调制的调制频率，并根据该调制频率生成载波脉冲以发送控制信号至逆变器电路114。

在图4B所示电路中，存在多种坐标系变换单元，以实现各类计算。其中，abc坐标系为三相静止坐标系，αβ坐标系为两相静止坐标系，dq坐标系为两相旋转坐标系。dq-αβ坐标系的变换为逆Park变换；abc-αβ坐标系的变换为Clarke变换；αβ-dq坐标系的变换为Park变换。

图5是本公开实施例中调制算法的示意图，即逆变器调制方式变化的示意图。

在图5中，横坐标是控制信息即调制波的频率，纵坐标是载波频率。参考图5，在本公开实施例中，调制算法例如可以为多模式调制算法，以满足大功率传动系统的低开关频率限制。

多模式调制策略例如包括异步调制(图5中0Hz到20Hz)、规则采样同步调制(图5中20Hz到30Hz)，或者可以采用分段同步调制(图5中30Hz到82Hz)的方式，在部分频率段采用中间60度调制，以抑制永磁电机反电势。

在不同的速度区段设计不同的调制策略，可以实现从启动阶段的高载波比对方波下单脉冲模式的逐级过渡，以满足全速度范围内运行的需要。在不同调制策略之间过渡时，要保证切换过程不会出现严重电流冲击，即实现平滑过渡。在条件允许时，应尽量对低载波比下的调制方式进行一定的优化，以提高其谐波等方面性能，提升永磁同步电机的控制性能。采用多模式同步调制策略一方面可以充分利用逆变器的允许开关频率，另一方面保证进入弱磁区后实现较高的直流电压利用率。

通过上述控制算法实现对牵引变流器的输出交流电压进行调制以转换为电压和频率可变的三相交流电源，可以实现对永磁电机的特性控制。

图6A和图6B是本公开实施例提供的牵引变流器的另一种示意图。

参考图6A，在一个实施例中，变流器1还可以包括辅助变流单元12，为机车泵类、风机类等负载提供电源。

参考图6B，本实施例提供的辅助变流单元12可以包括辅助预充电回路121、辅助四象限整流电路122、辅助中间直流回路123、辅助逆变器电路124以及辅助控制单元125，其中，辅助中间直流回路123可以包括储能电路及测量保护电路。

在本公开的一种示例性实施例中，辅助控制单元125可以包括用于控制辅助四象限整流电路122运行的辅助四象限脉冲整流器以及用于控制辅助逆变器124电路运行的辅助逆变器控制电路。此外，辅助控制单元125还可以实现过压过流等保护。

图7A和图7B是本公开实施例提供的牵引变流器的再一种示意图。

参考图7A和图7B，在本公开的一种示例性实施例中，牵引变流器1还可以包括：

水冷却系统13，同时耦接于三个牵引变流单元11以及辅助变流单元12，包括但不限于冷却管路、水泵、膨胀水箱、截止阀、压力传感器、温度传感器及外置冷却塔。

参考图7B，安装有牵引变流器1的变流柜整体布局可以采用单元化模式，集成3组牵引变流器单元与1组辅助变流单元，并配备冷却系统及保护系统。由于集成有三组牵引变流器单元与一组辅助变流单元单元，变流柜中部件布局紧凑，发热量大，可以采用水循环冷却方式实现冷却。

在本公开实施例中，可以将牵引变流器中的IGBT器件进行单面排布，并对直流回路采用低感复合母排连接，从而在满足电磁兼容的前提下，使部件布局设计紧凑，提高空间利用率。

图8是本公开实施例中牵引变流器控制方法的流程图。

参考图8，在一个实施例中，牵引变流器控制方法100可以包括根据电机转速生成逆变器控制信号的步骤：

步骤S101，检测电机转速；

步骤S102，在电机转速小于等于预设值时，采用MTPA方式生成控制逆变器运行的控制信号；

步骤S103，在电机转速大于预设值时，采用弱磁方式生成控制逆变器运行的控制信号。

在本公开的一种示例性实施例中，牵引变流器控制方法100还可以包括根据电机转速确定发送该控制信号的调制频率：

步骤S104，在电机转速位于第一取值区域时，采用异步调制方式发送控制信号；

步骤S105，在电机转速位于第二取值区域时，采用中间60度同步调制方式根据电机转速确定对控制信号进行调制的调制频率；

步骤S106，在电机转速位于第三取值区域时，采用方波调制方式根据电机转速确定对控制信号进行调制的调制频率。

图9是本公开实施例中一种大功率永磁直驱系统的示意图。

参考图9，大功率永磁直驱系统可以包括：

如前文的牵引变流器1；

耦接于牵引变流器1的永磁同步电机2；

耦接于永磁同步电机2的挠性联轴器3。

牵引变流器1的逆变器具有两级动态的驱动板钳位电压，可以输出供永磁同步电机使用的变频变压电源。挠性联轴器3可以直接耦接于机车的轮对之间，实现直驱。

本公开提供的大功率永磁直驱系统通过使用联轴器代替现有技术中机车驱动技术中存在的齿轮箱，避免了齿轮箱的功率损耗与污染等问题，提高了功率转换率。此外，这种大功率永磁驱动系统填补了机车驱动领域的空白。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者单元，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者单元的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。

此外，上述附图仅是根据本发明示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和构思由权利要求指出。