【技术实现步骤摘要】
一种电力机车用大功率直驱永磁电传动系统
本专利技术涉及列车控制
，尤其涉及一种电力机车用大功率直驱永磁电传动系统。
技术介绍
电力机车的牵引变流器是电力机车的重要组成部分，用于将牵引供电网的电能转换为供给牵引电动机电能，以达到控制牵引电动机的转速，操纵机车速度的目的。牵引变流器的主电路的设计是牵引变流器的工作性能的主要因素之一，直接影响电力机车的重量、尺寸、效率以及相关技术经济指标。现有技术中的电力机车普遍采用交流异步电机加齿轮箱的驱动方式，为了提升电力机车的效率，减少损耗，本专利技术采用了直驱永磁同步电机应用到电力机车中。直驱永磁同步电机一方面充分利用了永磁同步电机高效、低损耗、高功率密度和启动转矩大的优点，一方面将齿轮箱去掉，采用直接驱动的方式将永磁同步电机和机车轮对结合在一起，减少了质量以及齿轮箱带来的损耗，更进一步的提高了电力机车的整体效率。当前电力机车中的牵引变流器以及现有的电传动系统并没有针对直驱永磁同步电机进行设计的，因此并没有一种电传动系统能够直接应用于使用直驱永磁同步电机的电力...
【技术保护点】
1.一种电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，用于控制使用直驱永磁同步电机的电力机车，所述电力机车包括三台直驱永磁同步电机；其特征在于，所述电力机车用大功率直驱永磁电传动系统包括：第一四象限整流器、第二四象限整流器、中间直流回路、第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块和辅助变流器，所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器均连接所述电力机车的主变压器和所述中间直流回路，所述中间直流回路分别连接所述第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块和所述辅助变流器；所述电力机车用大功率直驱永磁电传动系统用于：/n通过所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器将所述主变压器的交流电转换为...
【技术特征摘要】
1.一种电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，用于控制使用直驱永磁同步电机的电力机车，所述电力机车包括三台直驱永磁同步电机；其特征在于，所述电力机车用大功率直驱永磁电传动系统包括：第一四象限整流器、第二四象限整流器、中间直流回路、第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块和辅助变流器，所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器均连接所述电力机车的主变压器和所述中间直流回路，所述中间直流回路分别连接所述第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块和所述辅助变流器；所述电力机车用大功率直驱永磁电传动系统用于：
通过所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器将所述主变压器的交流电转换为直流电后输出至所述中间直流回路；
通过所述中间直流回路将接收到的直流电分别输出至所述第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块和所述辅助变流器；
通过所述第一逆变模块、第二逆变模块和第三逆变模块将接收到的直流电转换为三相交流电后分别输出至所述三台直驱永磁同步电机；
通过所述辅助变流器将接收到的直流电转换为三相交流电后输出至所述电力机车的辅助负载。
2.根据权利要求1所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，对于所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器中的任一四象限整流器，所述通过所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器将所述主变压器的交流电转换为直流电后输出至所述中间直流回路，具体包括：
对输入所述四象限整流器的交流电流进行采样，得到采样周期内的交流电流，所述交流电流包括正半周期的电流值和负半周期的电流值；其中，根据预设采样频率，对输入所述四象限整流器的交流电流进行采样，得到多个采样点，将得到的多个采样点绘制成曲线，得到一个正弦或者余弦曲线；所述预设采样频率为IGBT通断频率的N倍，所述N≥2；
获取正半周期的电流值的第一和值与负半周期的电流值的第二和值，并根据所述第一和值和所述第二和值，获取电流偏置值；其中，将正半周期的多个采样点的值进行加和得到第一和值P，再将负半周期的多个采样点的值进行加和得到第二和值N，P值与N值的绝对值进行做差计算，所得到的差值为Q；
将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值；其中，直流偏置值Q与零输入至第一PI控制器，第一PI控制器根据直流偏置值Q与零构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对交流电流进行控制，消除交流电流的直流偏置，控制量即为第一输出值；
根据所述第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，所述PR控制器用于对所述交流电流进行无静差控制，使所述交流电流的周期和相位与电网电压相同；其中，将交流电流输入到PR控制器，保证交流电流的相位和和周期与电网电压相同后，得到稳定的输出交流电流，即为第二输出值；
根据所述脉冲宽度调制符号控制所述四象限整流器中的绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断，以控制所述四象限整流器将所述主变压器的交流电转换为直流电。
3.根据权利要求2所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，所述对所述输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到采样周期内的交流电流之前，还包括：
获取所述四象限整流器的直流母线电压与指令电压的第二差值；
将所述第二差值输入至第二PI控制器，使得所述第二PI控制器输出的第三输出值与锁相环输出值相乘，得到与所述电网电压同相位的交流电流，所述锁相环用于控制所述交流电流的周期与相位和所述电网电压的周期与相位保持一致；
所述对输入所述四象限整流器的交流电流进行采样，得到采样周期内的交流电流，包括：
根据预设采样频率对输入四象限整流器的交流电流进行采样，得到采样电流，所述预设采样频率为所述IGBT通断频率的两倍；
根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到采样周期内的交流电流；
所述根据所述锁相环确定的电网电压相位和所述采样电流，得到采样周期内的交流电流之前，还包括：
通过第一带通滤波器和第二带通滤波器对所述采样电流进行滤波，得到滤波后的采样电流；其中，所述第一带通滤波器用于获取交流电流的主频信号，所述第二带通滤波器用于滤除干扰谐波。
4.根据权利要求2所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，所述将所述电流偏置值与零的第一差值输入至第一PI控制器，获取所述第一PI控制器输出的第一输出值之前，还包括：
判断所述第一差值的绝对值是否大于所述电流环宽的绝对值，得到的判断结果为是；
所述根据所述第一输出值以及PR控制器输出的第二输出值得到脉冲宽度调制符号，包括：
对所述第一输出值和所述第二输出值进行求和，得到第三和值，所述第一输出值为电流变量，所述第二输出值为电流值；
根据所述第三和值和单极倍频脉冲调制方式，得到所述脉冲宽度调制符号。
5.根据权利要求1所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，
所述电力机车用大功率直驱永磁电传动系统还包括：第一斩波模块和第二斩波模块，所述第一斩波模块连接所述第一四象限整流器和所述中间直流回路，所述第二斩波模块连接所述第二四象限整流器和所述中间直流回路；
所述电力机车用大功率直驱永磁电传动系统还用于：
通过第一斩波模块和第二斩波模块分别将所述第一四象限整流器和所述第二四象限整流器输出的直流电进行斩波处理后输出至所述中间直流回路；
具体地，对于所述第一斩波模块和所述第二斩波模块中的任一斩波模块，所述电力机车用大功率直驱永磁电传动系统还用于：
对中间直流母线电压进行周期性检测，所述中间直流母线电压为所述电力机车上直流母线上的电压；
当检测到的中间直流母线电压值大于斩波上限阈值时，采用P调节器对所述中间直流母线电压进行调节，直至检测到的所述中间直流母线电压值小于斩波下限阈值，所述斩波上限阈值大于所述斩波下限阈值；其中，所述P调节器的原理为：控制斩波管在检测周期的特定时间比例内处于开通状态。
6.根据权利要求5所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，所述采用P调节器对所述中间直流母线电压进行调节，包括：
采用所述P调节器，确定目标检测周期内的斩波占空比；所述目标检测周期包括：从检测到的中间直流母线电压值大于斩波上限阈值，到检测到的中间直流母线电压值小于斩波下限阈值之间的经历的检测周期；
根据所述斩波占空比，确定斩波管在目标检测周期内的开通时间；
根据所述开通时间，控制所述斩波管的开通或关断，以使所述中间直流母线电压值下降至小于所述斩波下限阈值；
所述控制方法还包括：
当检测到中间直流母线电压值小于所述斩波下限阈值时，控制斩波管关断。
7.根据权利要求6所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，所述采用所述P调节器，确定目标检测周期内的斩波占空比之前，还包括：
根据以下公式确定目标参数；
Err＝U1-斩波下限阈值
其中，Err表示目标参数，U1表示目标检测周期内检测到的中间直流母线电压值；
相应的，所述采用所述P调节器，确定目标检测周期内的斩波占空比，包括：
获取所述P调节器对应的控制系数；
根据所述控制系数和所述目标参数，确定所述斩波占空比；
所述获取所述P调节器的控制系数，包括：
根据如下公式确定所述控制系数；
Kp_chp＝1/(直流母线电压过压保护值阈值-斩波下限阈值)
其中，Kp_chp表示控制系数；
所述根据所述控制系数和所述目标参数，确定所述斩波占空比，包括：
根据如下公式确定所述斩波占空比；
C_duty＝Err*Kp_chp
其中，C_duty表示斩波占空比，Err表示目标参数，Kp_chp表示控制系数；
所述根据所述斩波占空比，确定斩波管在目标检测周期内的开通时间之前，还包括：
对所述斩波占空比进行防错处理；
其中，所述对所述斩波占空比进行防错处理，包括：
若所述斩波占空比的值大于1，则将所述斩波占空比的值设为1；
若所述斩波占空比的值小于0，则将所述斩波占空比的值设为0。
8.根据权利要求1所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，还包括：
确定待控制直驱永磁同步电机的转速；
根据所述转速与第一映射关系确定第一控制策略，所述第一映射关系包括至少一个转速的范围和至少一个控制策略的一一对应关系；
根据所述第一控制策略确定所述待控制直驱永磁同步电机的预期控制相角。
9.根据权利要求8所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，所述第一映射关系包括：额定转速以下的转速与MTPA控制策略的对应关系；
额定转速以上的转速与弱磁控制策略的对应关系。
10.根据权利要求9所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，所述MTPA控制策略包括：
根据转矩电流曲线确定q轴电流给定和d轴电流给定；
计算所述q轴电流给定与q轴实际电流的第一差值和所述d轴电流给定与d轴实际电流的第二差值；
通过第一PI控制器根据所述第一差值得到d轴电压给定、通过第二PI控制器根据所述第二差值得到q轴电压给定；
计算所述q轴电压给定与q轴前馈电压之和得到实际q轴电压给定、计算所述d轴电压给定与d轴前馈电压之和得到实际d轴电压给定；其中，所述前馈电压可通过如下前馈解耦的闭环传递函数矩阵计算：
其中，所述前馈解耦的闭环传递函数通过如下前馈解耦的电压计算方程得到：
11.根据权利要求9所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，所述弱磁控制策略包括：
通过PI控制器根据电压极限值与前馈电压幅值之差计算给定弱磁状态下d轴电流变化量；
通过给定弱磁状态下d轴电流变化量和d轴电流给定之和得到弱磁调节后的d轴电流给定；
根据所述d轴电流给定和转矩公式计算弱磁调节后的q轴电流给定；
通过PI控制器根据所述q轴电流给定与q轴实际电流之差得到功角β；
通过如下公式计算实际q轴电压给定和实际d轴电压给定；
Ud＝Uscosβ
Uq＝Uscosβ
其中，Us为电压极限值，Ud为实际d轴电压给定，Uq为实际q轴电压给定。
12.根据权利要求9-11任一项所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，还包括：
当控制策略从所述MTPA控制策略切换至所述弱磁控制策略时，将切换瞬间MTPA控制策略中的电压矢量角度作为所述弱磁控制策略中初始功角β；
当控制策略从所述弱磁控制策略切换至所述MTPA控制策略时，通过切换瞬间弱磁控制策略中的最后一拍功角β通过公式计算出MTPA控制策略中的实际q轴电压给定和实际d轴电压给定。
13.根据权利要求1所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，还包括：
获取待调制直驱永磁同步电机的调制波的频率；
根据所述调制波的频率所在范围与第二映射关系确定第一调制策略，所述第二映射关系包括至少一个调制波的频率范围和至少一个调制策略的一一对应关系；
根据所述第一调制策略确定所述直驱永磁同步电机的PWM载波频率。
14.根据权利要求13所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，所述第二映射关系包括：
调制波的频率为低速阶段时对应异步调制策略；
调制波的频率大于低速阶段低于高速阶段时对应同步调制策略；
调制波的频率为高速阶段时对应方波调制策略。
15.根据权利要求1所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，
向所述直驱永磁同步电机的定子绕组注入高频电压信号，获取三相定子绕组电流；
根据所述三相定子绕组电流获取预期两相同步旋转坐标系下的d轴目标电流和q轴目标电流；
根据所述d轴目标电流和所述q轴目标电流获取转子的初始位置角，其中，所述初始位置角为根据所述直驱永磁同步电机的磁极极性进行补偿后的初始位置角。
16.根据权利要求15所述的电力机车用大功率直驱永磁电传动系统，其特征在于，所述根据所述d轴目标电流和所述q轴目标电流获取转子的初始位置角，包括：
根据所述q轴目标电流获取转子的第一初始位置角；
根据所述d轴目标电流获取转子的磁极补偿角；
根据所述第一初始位置角以及所述磁极补偿角，获取所述转子的初始位置角；
所述根据所述q轴目标电流获取转子的第一初始位置角，包括：
对所述q轴目标电流进行低通滤波处理，获取误差输入信号；
根据所述误差输入信号，获取所述第一初始位置角；
所述对所述q轴目标电流进行低通滤波处理，获取误差输入信号，包括：
采用调制信号对所述q轴目标电流进行调制，获取调制后的q轴目标电流；
对所述调制后的q轴目标电流进行低通滤波处理，获取所述误差输入信号；
所述根据所述误差输入信号，获取所述第一初始位置角，包括：
根据所述输入误差信号获取所述误差输入信号的比例偏差和积分偏差；
根据所述比例偏差和所述积分偏差的线性组合，获取所述第一初始位置角；
所述根据所述d轴目标电流获取转子的磁极补偿角，包括：
向所述永磁同步电机注入多个电压幅值相等、角度不同的电压脉冲信号，获取每个所述电压脉冲信号的响应电流；
根据多个所述响应电流，确定所述转子的磁极补偿角；
所述根据多个所述响应电流，确定所述转子的磁极补偿角，包括：
当注入的所述电压脉冲信号的角度与所述第一初始位置角之差满足预设误差范围，所述电压脉冲信号的响应电流的幅值大于第一值，则确定所述转子的磁极...
【专利技术属性】
技术研发人员：王彬，詹哲军，张瑞峰，于森林，张宇龙，梁海刚，葸代其，柴璐军，王龙刚，
申请(专利权)人：中车永济电机有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14
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