第29卷第5期2007年10月铁 道 学 报
J OU RNAL OF T H E CHINA RA IL WA Y SOCIET Y Vol. 29 No. 5October 2007
文章编号:100128360(2007) 0520111206
铁道车辆牵引系统用永磁同步电机比较
冯江华1, 桂卫华1, 符敏利2, 许峻峰2
(1. 中南大学信息科学与工程学院, 湖南长沙 410083; 2. 株洲电力机车研究所, 湖南株洲 412001)
摘 要:永磁体的采用, 使永磁同步电机即使在空转的时候也能产生反电势, 并且随着转速的升高反电势亦升高。当永磁同步电机作为铁道车辆牵引电机时, 由于铁道车辆特有的惰行工况, 必须解决永磁同步电机在铁道车辆惰行时的高反电势, 以及由此带来的重投困难。如果仅从控制的角度, , 从而减弱合成气隙磁场, 以降低反电势, 但由此将带来惰行的铜耗, 的要求。本文从降低电机高速惰行时的反电势出发, , 电机的选择提供一定参考。
关键词:永磁同步电机; 铁道车辆; 牵引系统中图分类号:U264. 1 of Perm anent Magnet Synchronous
Applied to R ail w ay V ehicle T raction System
FEN G Jiang 2hua 1, GU I Wei 2hua 1, FU Min 2li 2, XU J un 2feng 2
(1. School of Information Science and Engineering , Cent ral Sout h University , Changsha 410083, China ;
2. Zhuzhou Electrical Locomotive Research Institute , Zhuzhou 412001, China )
Abstract :In use of t he permanent magnet material , t he permanent magnet synchronous motor (PMSM ) can generate t he back EM F even when rotating wit hout load. The railway vehicle has t he special working condition of costing. When PMSM is applied to t he railway t raction system , t he problem of t he high back EM F during co sting and t he difficulty of re 2clo sing must be resolved. Reducing t he synt hesized air 2gap flux linkage by adding t he negative d 2axis current can reduce t he back EM F , but t he copper lo ss is increased and t he reliability of t he cont rol unit and inverter must be enhanced. In t his paper , several PMSM designing schemes are p ut for 2ward f rom t he point of reducing t he back EM F. This gives a reference for selecting PMSM for t he railway vehi 2cle t raction system.
K ey w ords :permanent magnet synchrono us motor ; railway vehicle ; tractio n system
永磁同步电动机自从20世纪30年代问世以来, 由于其体积小、重量轻、效率高、功率因数高、结构简单、可靠性高等一系列优点, 在工业生产、民用等方面得到广泛应用[1]。随着新型永磁材料的出现, 现代稀土永磁同步电机具有向大功率和高速化方向发展的趋势, 并且在传动系统中的应用也越来越广泛[2～4]。日本已经将永磁同步电机应用于低地板电动车、独立车轮式电动车和可变轨距电动车上[5,6], 德国和法国也在高速动车组和低地板电动车上采用了永磁同步牵引
收稿日期:2006212204; 修回日期:2007204219
)
, 男, 湖南衡阳人, 教授级高级工程作者简介:冯江华(1964—
师。
E 2m ail :xujf @teg.cn
电机[7,8]。
由于永磁体的存在, 即使外部不供给电源, 永磁同步电机的永久磁铁也能使定子线圈产生交链磁通, 惰行时牵引电机端子上也能产生空载感应电压[9]。空载感应电压的峰值若超过逆变器组件的耐压就会损坏组件。永久磁体产生的交链磁通较大, 在电机高速惰行时, 有可能发生感应电压的峰值高于逆变器直流母线电压, 则因与逆变器开关组件反并联的二极管起整流回路的作用, 就会产生再生制动。电机在高速惰行时一方面产生较高的反电势有可能造成制动的情况, 另一方面较高的反电势也为带速重投带来了困难。为了能够将永磁同步电机应用于铁道车辆牵引系统, 首先
112 铁 道 学 报第29
卷
必须解决永磁同步电机惰行时高反电势的问题。
本文通过对不同反电势永磁同步电机的比较和对绕组串并联永磁同步电机、具有电励磁和永磁体复合励磁的永磁同步电机的介绍, 为铁道车辆牵引系统应用永磁同步电机的选择提供参考。
应电压。3种方案的永磁电机与异步电机同时满足某铁道车辆用同一牵引特性, 见图2所示
。
1 不同反电势永磁电机方案及与异步电机对
比
为了解决永磁同步电机应用于铁道车辆存在高速惰行时的高反电势以及由此带来的带速重投的困难, 首先想到的解决办法就是降低永磁同步电机的反电势, 文献[10]也提出了这种思想。
最大反电势小于直流母线电压值, () , 1E o max =n p ωmax d 式中, E o max ; n p 数; ψf ; max 转速; E d 。
根据式(1) 可以得到参数ψf 。依据该方法得到的ψf 值相对较小, 根据永磁同步电动机的转矩公式
T e =1. 5n p [ψf i q +(L d -L q ) i d i q ]其中, L d 为直轴同步电感; L q 为交轴同步电感; i d 为
直轴电流分量; i q 为交轴电流分量。可以发现在电机容量不变的情况下, ψf 减小也就减小了永磁同步电机输出转矩中的永磁转矩分量。为了满足铁道车辆最大输出转矩的要求, 只能通过选择交直轴电感来增大磁阻转矩, 从而获得足够大的输出转矩。
从上面的分析可以看出, 通过减小ψf 、增大凸极率(L q /L d ) 来满足电机的转矩, 同时将最大反电势限制在最大允许值内。但是反电势的变化对电机的其余性能是否有影响呢? 必须综合考察反电势的变化对于电机性能的影响, 才能做出最终的结论。为此, 作者设计了3种永磁电机方案:第一种永磁电机的反电势依据某铁道车辆用异步电机的斜率上升, 该永磁电机称为永磁电机方案3; 第二种永磁电机的反电势上升斜率高于某铁道车辆用异步电机, 该永磁电机称为永磁电机方案2; 第三种永磁电机的反电势上升斜率低于某铁道车辆用异步电机, 该永磁电机称为永磁电机方案1。3种方案永磁电机和异步电机反电势随转速变化情况如图1所示。图1中异步电机反电势的值是实际测量值, 所以在弱磁区将其反电势限制在了最大允许值范围之内, 不再继续上升, 永磁电机方案1～方案3反电势值采用的是电机设计过程中的计算值, 异步电机在空转时并不像永磁电机一样存在独立的空载感
对永磁同步电机性能的分析, 是以其在转子旋转坐标系下的数学模型为基础[1], 如式(2) ～式(6) 所示
ψd =L d i d +ψf (2)
ψq =L q i q
ψd -ωψq u d =R s i d +p
ψq +ωψd u q =R s i q +p
T =
(3) (4) (5) (6)
(ψ
n p d i q -ψq i d ) 2
式中, R s 为定子绕组电阻; p 为微分算子, p =d/d t ; i d 、
ψd 、ψi q 、u d 、u q 、电压、磁链在d 、q 轴q 分别为定子电流、的分量; ω=ωr ・n p (ωr 为转子角频率) ; T 为电机转矩。
根据以上数学模型, 在恒转矩区采用最大转矩电流比控制方法[1], 在恒功区, 根据转矩和电压限制条件获得电机参数。
由于反电势的不同, 造成了电机的电流不同。在峰值功率情况下, 电机相电流随转速变化曲线如图3所示。从图3中可以看出, 反电势越低其对应的相电
流越大, 由此对逆变器功率器件的要求也就越高。
不同反电势的上升斜率, 使得反电势和电机端电压之间的差别也不一样, 从而导致了不同的功率因数分布曲线。图4是电机在峰值功率情况下, 功率因数随转速变化的曲线图。从图4中可以发现, 在恒转矩区, 反电势上升斜率越大的电机对应的功率因数也越高, 并且此时反电势上升斜率最小的永磁电机方案1
第5期铁道车辆牵引系统用永磁同步电机比较 113
的功率因数比异步电机还低, 但是随着电机转速的升高, 电机进入恒功区后, 反电势上升斜率最低的电机(永磁电机方案1) 对应的功率因数逐渐增加, 而反电势较高的电机(永磁电机方案2
和永磁电机方案3应的功率因数逐渐降低, 功率因数下降得也越快。
成气隙磁场, 。图7是电机在, 。
功率因数的变化, 导致电机效率也发生了相应的变化, 但是影响电机效率的因素较多, 所以电机效率的变化并没有功率因数变化明显, 但趋势是一样的。电机效率随转速变化的曲线如图5所示
。图6是电机效率在恒功区的放大图。
从永磁电机方案1～方案3、异步电机的对比可以发现, 与异步电机反电势上升斜率一致的永磁电机方案3综合性能相对较优。虽然减少永磁体产生的磁链, 增加凸极率从理论上可以降低永磁电机高速运行时的反电势, 并且满足电机最大输出转矩的要求。但是由于反电势的降低, 电机在低速时的功率因数和效率都降低了, 从而丧失了永磁电机的优势, 并且反电势的降低也导致了相电流的上升, 对功率器件提出了更高的要求, 为此仍需进一步寻找适合铁道车辆牵引系统用的永磁同步电机方案。以上所介绍的3种永磁电机方案, 对比了空载反电势对永磁同步电机性能的影响, 从其性能对比来看, 如果一味采用降低电机反电势来解决永磁同步电机应用于铁道车辆中存在高速惰行时的高反电势以及由此带来的带速重投的困难, 是不现实的, 为此我们提出了绕组串并联方案, 期望解决空载反电势的同时不影响电机性能。
2
绕组串并联永磁同步电机方案
对于永磁电机方案1～方案3, 为了在电机惰行时
将其反电势限制在最大允许值范围内, 即使电机不产生力矩
, 也需施加负向直轴电流, 以减小永磁电机的合
从上面的分析可以看出, 采用降低电机反电势的方法来满足铁道车辆牵引系统的要求, 具有一定的局限性, 并且如果反电势降的太低, 电机的转矩输出能力
将不能得到保证。绕组串并联是指在低速运行时采用
绕组串联的形式, 在电机高速运行时采用绕组并联的方式, 绕组并联运行时, 绕组串联匝数减少, 反电动势低, 转折转速高, 使电动机能够高速运行, 降低了对电动机弱磁扩速能力的要求, 这样电机在低速和高速段都能获得较好的性能。电机绕组由串联到并联换接示意图如图8所示。本文选择分析中得到的性能相对较好的永磁电机方案3与异步电机、绕组串并联永磁同步电机方案进行比较, 当然三者必须首先满足同一牵引特性, 如图9所示。三者的反电势随转速变化情况如图10所示。在绕组换接之前, 三者反电势上升斜率一样, 随着绕组由串联方案改为并联方案后, 电机的反电势迅速降低, 图11为电机位于100Hz 时绕组进行由串联到并联的转换的电机电流随转速变化曲线
14是电机效率在恒功, 采用绕组, 其性能与方案, 电机的功率因数和效率
,
并且在高速运行时不需要进行弱
从图11中可以发现, 随着电机绕组的转换, 电机反电势迅速降低, 绕组串并联永磁电机的相电流也迅速增大。
图12是电机功率因数随转速变化曲线。图
13是
磁控制, 能方便地将最大反电势限制在允许值范围内。但是, 从上面的对比中还可以发现, 绕组串并联方案存在最大的缺点就是在绕组换接后电机电流增加幅度太大(如图11所示) , 对逆变器功率器件要求较高。从图10中我们可以发现, 绕组串并联永磁电机方案即使在最高转速下反电势也没有达到最大限制值, 仍有30%左右的余量。如果能够增大电机反电势即在最高转速时达到最大限制值, 也许可能减小绕组换接后的相电流, 为此我们选择了电机在80Hz 时进行绕组换接(绕组串并联永磁电机方案2) , 电机在最大转速时达到了最大反电势限制值, 如图15所示。
但电流并没像预期
3 电励磁与永磁体复合励磁的永磁同步电机
简介
混合磁路电机是在20世纪末发展起来的电机新技术, 它是在稀土永磁材料及电子技术的基础上发展起来的, 在此电机内同时具有永磁磁场及电励磁磁场。永磁磁场由磁钢形成, 电励磁磁场由励磁线圈中流过的直流电流产生。永磁磁场与电励磁磁场组成混合磁路电机的等效合成磁场, , 可以方[11]。
, 。混合磁路电动机比, 因为它不仅可以通过改变电动机的端电压来调速, 还可以用改变电动机磁场的方法来调速。
混合磁路电机由于其混合磁路电机磁场的主要部分用永久磁钢产生, 明显节省了产生磁场所需的励磁功率, 因而效率较高。又因稀土磁钢磁特性很强, 磁钢的体积较电机励磁线圈及铁心体积要小得多, 因此混合磁路电机的体积小、重量轻、噪声低。永磁磁通与电励磁磁通可以根据电机特性需要任意设定, 而两种磁路均为独立结构, 因而磁性材料利用率高, 电机的磁场很容易调节。
将组合励磁永磁同步电机应用于铁道车辆牵引系统中, 虽然可以方便地解决高反电势对系统带来的影响, 却需要增加辅助励磁装置, 既使电机结构更加复杂, 又增加了系统的成本, 故西门子和日本铁道综合研究院的工程师均不建议采用。
4 结论
针对铁道车辆牵引系统特点, 分析了降低反电势对于永磁同步电机的影响。提出采用绕组串并联方案来降低电机高速惰行时的高反电势, 但是电机在绕组换接后电机的电流增加幅度太大, 对逆变器功率器件提出了更高的要求。通过分析, 为铁道车辆牵引系统用永磁电机的选择提供了参考。由于永磁体的采用使得永磁电机可以形成各种不同的结构, 为此我们需要研究各种永磁电机及其与各种已有电机的复合结构, 为铁道车辆牵引系统用永磁电机提供参考, 从而为使我国下一代铁道车辆达到国际先进水平成为可能。
的那样减少30%左右, 而只减少了12%, 如图16所示。如果进一步升高电机反电势, 即将绕组换接点对应的电机转速再降低, 则在最高转速时, 必须进行弱磁控制才能保证电机最高反电势低于最大限制值, 但是这样便失去了绕组串并联永磁同步的优势, 因此并不可取。如果增加绕组换接次数, 即将电机做成多个支路绕组的串并联, 虽然可以提高电机在各个速度段的性能并且可以降低电流, 但绕组换接次数的增加, 不仅增加了接线柱而且使控制更加繁琐, 并不是一种可取的方案。
116 铁 道 学 报
Traction ,2004, (4) :19220,36.
第29
卷
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(责任编辑 何 芳)
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铁道车辆牵引系统用永磁同步电机比较
冯江华1, 桂卫华1, 符敏利2, 许峻峰2
(1. 中南大学信息科学与工程学院, 湖南长沙 410083; 2. 株洲电力机车研究所, 湖南株洲 412001)
摘 要:永磁体的采用, 使永磁同步电机即使在空转的时候也能产生反电势, 并且随着转速的升高反电势亦升高。当永磁同步电机作为铁道车辆牵引电机时, 由于铁道车辆特有的惰行工况, 必须解决永磁同步电机在铁道车辆惰行时的高反电势, 以及由此带来的重投困难。如果仅从控制的角度, , 从而减弱合成气隙磁场, 以降低反电势, 但由此将带来惰行的铜耗, 的要求。本文从降低电机高速惰行时的反电势出发, , 电机的选择提供一定参考。
关键词:永磁同步电机; 铁道车辆; 牵引系统中图分类号:U264. 1 of Perm anent Magnet Synchronous
Applied to R ail w ay V ehicle T raction System
FEN G Jiang 2hua 1, GU I Wei 2hua 1, FU Min 2li 2, XU J un 2feng 2
(1. School of Information Science and Engineering , Cent ral Sout h University , Changsha 410083, China ;
2. Zhuzhou Electrical Locomotive Research Institute , Zhuzhou 412001, China )
Abstract :In use of t he permanent magnet material , t he permanent magnet synchronous motor (PMSM ) can generate t he back EM F even when rotating wit hout load. The railway vehicle has t he special working condition of costing. When PMSM is applied to t he railway t raction system , t he problem of t he high back EM F during co sting and t he difficulty of re 2clo sing must be resolved. Reducing t he synt hesized air 2gap flux linkage by adding t he negative d 2axis current can reduce t he back EM F , but t he copper lo ss is increased and t he reliability of t he cont rol unit and inverter must be enhanced. In t his paper , several PMSM designing schemes are p ut for 2ward f rom t he point of reducing t he back EM F. This gives a reference for selecting PMSM for t he railway vehi 2cle t raction system.
K ey w ords :permanent magnet synchrono us motor ; railway vehicle ; tractio n system
永磁同步电动机自从20世纪30年代问世以来, 由于其体积小、重量轻、效率高、功率因数高、结构简单、可靠性高等一系列优点, 在工业生产、民用等方面得到广泛应用[1]。随着新型永磁材料的出现, 现代稀土永磁同步电机具有向大功率和高速化方向发展的趋势, 并且在传动系统中的应用也越来越广泛[2～4]。日本已经将永磁同步电机应用于低地板电动车、独立车轮式电动车和可变轨距电动车上[5,6], 德国和法国也在高速动车组和低地板电动车上采用了永磁同步牵引
收稿日期:2006212204; 修回日期:2007204219
)
, 男, 湖南衡阳人, 教授级高级工程作者简介:冯江华(1964—
师。
E 2m ail :xujf @teg.cn
电机[7,8]。
由于永磁体的存在, 即使外部不供给电源, 永磁同步电机的永久磁铁也能使定子线圈产生交链磁通, 惰行时牵引电机端子上也能产生空载感应电压[9]。空载感应电压的峰值若超过逆变器组件的耐压就会损坏组件。永久磁体产生的交链磁通较大, 在电机高速惰行时, 有可能发生感应电压的峰值高于逆变器直流母线电压, 则因与逆变器开关组件反并联的二极管起整流回路的作用, 就会产生再生制动。电机在高速惰行时一方面产生较高的反电势有可能造成制动的情况, 另一方面较高的反电势也为带速重投带来了困难。为了能够将永磁同步电机应用于铁道车辆牵引系统, 首先
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必须解决永磁同步电机惰行时高反电势的问题。
本文通过对不同反电势永磁同步电机的比较和对绕组串并联永磁同步电机、具有电励磁和永磁体复合励磁的永磁同步电机的介绍, 为铁道车辆牵引系统应用永磁同步电机的选择提供参考。
应电压。3种方案的永磁电机与异步电机同时满足某铁道车辆用同一牵引特性, 见图2所示
。
1 不同反电势永磁电机方案及与异步电机对
比
为了解决永磁同步电机应用于铁道车辆存在高速惰行时的高反电势以及由此带来的带速重投的困难, 首先想到的解决办法就是降低永磁同步电机的反电势, 文献[10]也提出了这种思想。
最大反电势小于直流母线电压值, () , 1E o max =n p ωmax d 式中, E o max ; n p 数; ψf ; max 转速; E d 。
根据式(1) 可以得到参数ψf 。依据该方法得到的ψf 值相对较小, 根据永磁同步电动机的转矩公式
T e =1. 5n p [ψf i q +(L d -L q ) i d i q ]其中, L d 为直轴同步电感; L q 为交轴同步电感; i d 为
直轴电流分量; i q 为交轴电流分量。可以发现在电机容量不变的情况下, ψf 减小也就减小了永磁同步电机输出转矩中的永磁转矩分量。为了满足铁道车辆最大输出转矩的要求, 只能通过选择交直轴电感来增大磁阻转矩, 从而获得足够大的输出转矩。
从上面的分析可以看出, 通过减小ψf 、增大凸极率(L q /L d ) 来满足电机的转矩, 同时将最大反电势限制在最大允许值内。但是反电势的变化对电机的其余性能是否有影响呢? 必须综合考察反电势的变化对于电机性能的影响, 才能做出最终的结论。为此, 作者设计了3种永磁电机方案:第一种永磁电机的反电势依据某铁道车辆用异步电机的斜率上升, 该永磁电机称为永磁电机方案3; 第二种永磁电机的反电势上升斜率高于某铁道车辆用异步电机, 该永磁电机称为永磁电机方案2; 第三种永磁电机的反电势上升斜率低于某铁道车辆用异步电机, 该永磁电机称为永磁电机方案1。3种方案永磁电机和异步电机反电势随转速变化情况如图1所示。图1中异步电机反电势的值是实际测量值, 所以在弱磁区将其反电势限制在了最大允许值范围之内, 不再继续上升, 永磁电机方案1～方案3反电势值采用的是电机设计过程中的计算值, 异步电机在空转时并不像永磁电机一样存在独立的空载感
对永磁同步电机性能的分析, 是以其在转子旋转坐标系下的数学模型为基础[1], 如式(2) ～式(6) 所示
ψd =L d i d +ψf (2)
ψq =L q i q
ψd -ωψq u d =R s i d +p
ψq +ωψd u q =R s i q +p
T =
(3) (4) (5) (6)
(ψ
n p d i q -ψq i d ) 2
式中, R s 为定子绕组电阻; p 为微分算子, p =d/d t ; i d 、
ψd 、ψi q 、u d 、u q 、电压、磁链在d 、q 轴q 分别为定子电流、的分量; ω=ωr ・n p (ωr 为转子角频率) ; T 为电机转矩。
根据以上数学模型, 在恒转矩区采用最大转矩电流比控制方法[1], 在恒功区, 根据转矩和电压限制条件获得电机参数。
由于反电势的不同, 造成了电机的电流不同。在峰值功率情况下, 电机相电流随转速变化曲线如图3所示。从图3中可以看出, 反电势越低其对应的相电
流越大, 由此对逆变器功率器件的要求也就越高。
不同反电势的上升斜率, 使得反电势和电机端电压之间的差别也不一样, 从而导致了不同的功率因数分布曲线。图4是电机在峰值功率情况下, 功率因数随转速变化的曲线图。从图4中可以发现, 在恒转矩区, 反电势上升斜率越大的电机对应的功率因数也越高, 并且此时反电势上升斜率最小的永磁电机方案1
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的功率因数比异步电机还低, 但是随着电机转速的升高, 电机进入恒功区后, 反电势上升斜率最低的电机(永磁电机方案1) 对应的功率因数逐渐增加, 而反电势较高的电机(永磁电机方案2
和永磁电机方案3应的功率因数逐渐降低, 功率因数下降得也越快。
成气隙磁场, 。图7是电机在, 。
功率因数的变化, 导致电机效率也发生了相应的变化, 但是影响电机效率的因素较多, 所以电机效率的变化并没有功率因数变化明显, 但趋势是一样的。电机效率随转速变化的曲线如图5所示
。图6是电机效率在恒功区的放大图。
从永磁电机方案1～方案3、异步电机的对比可以发现, 与异步电机反电势上升斜率一致的永磁电机方案3综合性能相对较优。虽然减少永磁体产生的磁链, 增加凸极率从理论上可以降低永磁电机高速运行时的反电势, 并且满足电机最大输出转矩的要求。但是由于反电势的降低, 电机在低速时的功率因数和效率都降低了, 从而丧失了永磁电机的优势, 并且反电势的降低也导致了相电流的上升, 对功率器件提出了更高的要求, 为此仍需进一步寻找适合铁道车辆牵引系统用的永磁同步电机方案。以上所介绍的3种永磁电机方案, 对比了空载反电势对永磁同步电机性能的影响, 从其性能对比来看, 如果一味采用降低电机反电势来解决永磁同步电机应用于铁道车辆中存在高速惰行时的高反电势以及由此带来的带速重投的困难, 是不现实的, 为此我们提出了绕组串并联方案, 期望解决空载反电势的同时不影响电机性能。
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绕组串并联永磁同步电机方案
对于永磁电机方案1～方案3, 为了在电机惰行时
将其反电势限制在最大允许值范围内, 即使电机不产生力矩
, 也需施加负向直轴电流, 以减小永磁电机的合
从上面的分析可以看出, 采用降低电机反电势的方法来满足铁道车辆牵引系统的要求, 具有一定的局限性, 并且如果反电势降的太低, 电机的转矩输出能力
将不能得到保证。绕组串并联是指在低速运行时采用
绕组串联的形式, 在电机高速运行时采用绕组并联的方式, 绕组并联运行时, 绕组串联匝数减少, 反电动势低, 转折转速高, 使电动机能够高速运行, 降低了对电动机弱磁扩速能力的要求, 这样电机在低速和高速段都能获得较好的性能。电机绕组由串联到并联换接示意图如图8所示。本文选择分析中得到的性能相对较好的永磁电机方案3与异步电机、绕组串并联永磁同步电机方案进行比较, 当然三者必须首先满足同一牵引特性, 如图9所示。三者的反电势随转速变化情况如图10所示。在绕组换接之前, 三者反电势上升斜率一样, 随着绕组由串联方案改为并联方案后, 电机的反电势迅速降低, 图11为电机位于100Hz 时绕组进行由串联到并联的转换的电机电流随转速变化曲线
14是电机效率在恒功, 采用绕组, 其性能与方案, 电机的功率因数和效率
,
并且在高速运行时不需要进行弱
从图11中可以发现, 随着电机绕组的转换, 电机反电势迅速降低, 绕组串并联永磁电机的相电流也迅速增大。
图12是电机功率因数随转速变化曲线。图
13是
磁控制, 能方便地将最大反电势限制在允许值范围内。但是, 从上面的对比中还可以发现, 绕组串并联方案存在最大的缺点就是在绕组换接后电机电流增加幅度太大(如图11所示) , 对逆变器功率器件要求较高。从图10中我们可以发现, 绕组串并联永磁电机方案即使在最高转速下反电势也没有达到最大限制值, 仍有30%左右的余量。如果能够增大电机反电势即在最高转速时达到最大限制值, 也许可能减小绕组换接后的相电流, 为此我们选择了电机在80Hz 时进行绕组换接(绕组串并联永磁电机方案2) , 电机在最大转速时达到了最大反电势限制值, 如图15所示。
但电流并没像预期
3 电励磁与永磁体复合励磁的永磁同步电机
简介
混合磁路电机是在20世纪末发展起来的电机新技术, 它是在稀土永磁材料及电子技术的基础上发展起来的, 在此电机内同时具有永磁磁场及电励磁磁场。永磁磁场由磁钢形成, 电励磁磁场由励磁线圈中流过的直流电流产生。永磁磁场与电励磁磁场组成混合磁路电机的等效合成磁场, , 可以方[11]。
, 。混合磁路电动机比, 因为它不仅可以通过改变电动机的端电压来调速, 还可以用改变电动机磁场的方法来调速。
混合磁路电机由于其混合磁路电机磁场的主要部分用永久磁钢产生, 明显节省了产生磁场所需的励磁功率, 因而效率较高。又因稀土磁钢磁特性很强, 磁钢的体积较电机励磁线圈及铁心体积要小得多, 因此混合磁路电机的体积小、重量轻、噪声低。永磁磁通与电励磁磁通可以根据电机特性需要任意设定, 而两种磁路均为独立结构, 因而磁性材料利用率高, 电机的磁场很容易调节。
将组合励磁永磁同步电机应用于铁道车辆牵引系统中, 虽然可以方便地解决高反电势对系统带来的影响, 却需要增加辅助励磁装置, 既使电机结构更加复杂, 又增加了系统的成本, 故西门子和日本铁道综合研究院的工程师均不建议采用。
4 结论
针对铁道车辆牵引系统特点, 分析了降低反电势对于永磁同步电机的影响。提出采用绕组串并联方案来降低电机高速惰行时的高反电势, 但是电机在绕组换接后电机的电流增加幅度太大, 对逆变器功率器件提出了更高的要求。通过分析, 为铁道车辆牵引系统用永磁电机的选择提供了参考。由于永磁体的采用使得永磁电机可以形成各种不同的结构, 为此我们需要研究各种永磁电机及其与各种已有电机的复合结构, 为铁道车辆牵引系统用永磁电机提供参考, 从而为使我国下一代铁道车辆达到国际先进水平成为可能。
的那样减少30%左右, 而只减少了12%, 如图16所示。如果进一步升高电机反电势, 即将绕组换接点对应的电机转速再降低, 则在最高转速时, 必须进行弱磁控制才能保证电机最高反电势低于最大限制值, 但是这样便失去了绕组串并联永磁同步的优势, 因此并不可取。如果增加绕组换接次数, 即将电机做成多个支路绕组的串并联, 虽然可以提高电机在各个速度段的性能并且可以降低电流, 但绕组换接次数的增加, 不仅增加了接线柱而且使控制更加繁琐, 并不是一种可取的方案。
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(责任编辑 何 芳)