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城市轨道交通牵引技术

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城市轨道交通牵引技术

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城市轨道交通牵引技术 2014年3月 南车株洲电力机车研究所有限公司 目录 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 城市轨道交通牵引概述 异步牵引技术 永磁牵引技术 系统集成技术 1.1 概述 Tc Mp 交流电传动系统 VVVF逆变器 (含DCU) 牵引电机 高压电器箱 齿轮传动装置 (含联轴节) 线路电抗器 制动电阻 M M 电气牵引系统组成 辅助电源系统 辅助逆变器 (含蓄电池充电机) 辅助高压箱 扩展供电装置 Mp Tc 电气牵引系统组成 网络控制和诊断 系统 车辆控制模块 VCM 总线耦合模块 BCM 通信接口模块 RCM 模拟入出模块 AXM 数字入出模块 DXM 事件记录模块 REM 智能显示器 HMI 交流电传动系统 从受电弓至转向架轴上的 电气和机械驱动,包含主变 流器、牵引电机、和齿轮驱 动等。 辅助电源系统 基于IGBT的辅助电源供电 给全部车载辅助电气设备。 列车控制和诊断系统 全套控制、通信和诊断系 统包含列车网络、车载和地 面数据通信。 1.2 交流电传动系统 主电路原理图 车控 1.2 交流电传动系统 VVVF逆变器 输入电压 DC1500V(1000V-1800V) 额定输出容量 2×530kVA 最大输出容量 2×1000kVA 输出电压 0~1400V 输出频率 0~150Hz 最高脉冲频率 550Hz 额定输出电流 2×262A 牵引最大输出电流 2×344A(有效值) 最大制动电流 2×446A(有效值) 控制方式 VVVF直接力矩控制 体积(L×W×H,mm) 2400×883×660 重量 ≤490kg 冷却方式 热管走行风冷 A、B型车通用 1.3 南车株洲所城轨交通牵引系统业绩 境内业绩 境内已获得17个城市的28 个项目订单,项目车辆总 数超过4000辆,每日上线 运营车辆数超过1100辆, 日运营里重程庆接1近、76万、公3里号,线 上线运营车辆的累计里程 超过2000(万7公3里列。438辆) 昆明地铁1、2号线 北京房山、昌平、7 号线(83列498辆) 武汉地铁3、4号线 (53列318辆) (40列240辆) 深圳地铁1、5、11号线 Page 6 (74列510辆) 广州地铁1/2/8、5号 南宁地铁1号线 线(44列264辆) 长沙地铁1、2号线 (30列180辆) (39列234辆) 福州地铁1号线 (28列168辆) 南京宁天城际线 (26列104辆) 大连地铁1、2号线 (38列228辆) 沈阳地铁1、2号线 (41列246辆) 上海1号线改造车 (杭1州6列地1铁228号辆线) 宁(波27地列铁1622号辆线) (22列132辆) 无锡地铁1、2号线 (46列276辆) 南昌地铁1号线 (27列162辆) 1.3 南车株洲所城轨交通牵引系统业绩 境外业绩 土耳其 株洲 中国香港 吉隆坡 新加坡 Page 7 目录 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 城市轨道交通牵引概述 异步牵引技术 永磁牵引技术 系统集成技术 2.1 异步牵引基本方案 直接转矩控制与矢量控制特点及性能对比 坐标系 矢量控制(FOC) 转子坐标系,需要坐标变换 控制对象 磁链控制 转矩控制 通过控制电流矢量(转矩电流、励磁电流) 来控制转矩,需要解耦,但由于控制 电流,所以输出电流较优 转子磁链,对电机定子电阻、电感,转子 电阻、电感参数变化敏感 PI控制,阶跃响应快 直接转矩控制(DTC) 定子坐标系,无需坐标变换 直接控制转矩和磁场,无需解耦,直接响应, 转矩响应动态性能较优 定子磁链,仅对电机定子电阻参数敏感 Band-band控制,阶跃响应更快 eg.当发生空滑时,能更快速的响应粘着利用 要求,保证车辆的最大粘着利用率  为解决DTC低速转矩脉动大,电流峰值大,采用ISC(间接定子量控制)控制策略,圆 形磁链轨迹,获得正弦性输出电流; 为解决DTC高输出电压条件下,电流谐波大的问题,采用磁链优化方式结合同步调制技 术输出。低速、高速电流波形效果均与FOC相差无几,同时仍然保持更优的动态性能。 2.2 磁链轨迹跟踪控制 1 磁链轨迹跟踪控制基本原理 主控框图 转矩 指令 T 定子频率计算 s s' 转矩控制调节 调制比 a 计算  PWM同步 调制 S abc 逆变单元 磁链   指令 Tf r 磁链控制调节  电机模型计 U 算 I 电压重 构计算 反馈电 流计算  Ud I AB M 测 速 电机控制策略上基于定子磁链轨迹跟踪控制, 将传统矢量控制和直接转矩控制的优点有机结合。 Page 10 2.2 磁链轨迹跟踪控制 2 磁链轨迹跟踪控制模式比较 多种优化控制模式的特定工况无缝切换,最大限度提升系统控制性能。 Page 11 2.2 磁链轨迹跟踪控制 3 丌同控制模式下电流波形比较 传统直接转矩控制电流波形 磁链轨迹跟踪控制电流波形 有效提升电机电流的一致性,减小电机尖峰电流,降低电机谐波电流及其损耗。 Page 12 2.3 无速度传感器控制 1 速度编码器存在的问题  高温、振动  易损坏  传输距离远  易干扰  布线复杂  后期维护工作量大 T1 M1 DCU M2 DCU M3 M4 T2 DCU DCU Page 13 2.3 无速度传感器控制 2 速度辨识基本原理 逆变器 电压 电流 参考模型 可调模型 参考模型   * r  Lr Lm [us  (RsLs p)is ]dt   * r  Lr Lm [us  (RsLs p)is ]dt 速度辨 识算法 辨识算法    r  * r  k( r  * r ) Page 14 速度 可调模型  r  r   Lm Tr Lm Tr is is   r  Trr Tr   r   r 2.3 无速度传感器控制 3 全速度范围满手柄牵引制动试验 直流侧电压 电流 转速 低速牵引 电流 转矩 转速 Page 15 高速制动 高高速速牵牵引引 低速制动 2.3 无速度传感器控制 4 粘着利用控制试验 20公里/小时满手柄牵引 80公里/小时满手柄牵引 高速波形 快速抑制空转/滑行、牵引/电制力发挥平稳 Page 16 2.3 无速度传感器控制 5 动态跟踪响应试验 牵引工况 制动工况 Page 17 动态响应跟踪性强 2.4 直线感应电机——恒转差频率磁场定向控制 1 荣获国家技术发明专利金奖  专利在实际工程中的应用优点 国家专利金奖证书  爬坡能力强  系统噪声低  维护费用低  振动小 “一种直线感应电机恒转差频率矢量控制方法及系统” 获得国家专利金奖 Page 18 2.4 直线感应电机——恒转差频率磁场定向控制 2 磁场恒定控制到转差恒定控制 给定单元 电流控制单元 转矩给定单元 转子时间常数 给定单元 给定电流 计算单元 + - + - ×转差频率 计算单元 PI调节器 反馈电流 计算单元 脉宽调 制单元 逆变单元 转差频率给定 单元 定子角速度 计算单元 转子磁链角 计算单元 反馈转速 计算单元 电机 频率控制单元 基于最优控制理论,提出高性能直线电机控制方法 Page 19 2.4 直线感应电机——恒转差频率磁场定向控制 3 转差最优实现方法 Tem TN 恒转矩 恒功率 最优控制 自然特性 0 n1 n2 n 基于多变量自寻优理论,提出转差频率精确控制算法 Page 20 2.4 直线感应电机——恒转差频率磁场定向控制 4 实际应用案例 广州地铁五号线2013年3月投入批量载客运营,首列运营里程达8万公里 广州地铁五号线 南车中低速磁浮示范线 唐山中低速磁浮试验线 上海磁浮示范运营线 2013年 北京CMS-03型试验列车 2001年 Page 21 目录 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 城市轨道交通牵引概述 异步牵引技术 永磁牵引技术 系统集成技术 3.1 永磁电机设计技术  创建了多材料体和永磁电机结构模型库 永磁材料 转子磁路结构 定子结构  钕铁硼  钐钴 表面式 内置式 矩形槽 犁形槽 绕组形式 成型绕组 分布绕组 3.1 永磁电机设计技术  集机、电、热于一体的协同仿真平台 3.1 永磁电机设计技术  设计目标优化技术 优化目标  永磁体用量  气隙磁密波形  反电势谐波  齿槽转矩  转矩脉动  效率 齿槽转矩比例由10%降到0.5% 转矩脉动比例由23%降到2.2% 3.2 永磁牵引控制技术  基于永磁电机的牵引控制技术  建立大功率永磁电机精确数学模型  永磁电机最大转矩电流比控制技术  永磁电机弱磁控制技术  永磁电机带速度重投控制技术  永磁系统控制策略 Page 26 永磁电机控制技术 半实物仿真平台 3.2 永磁牵引控制技术  建立大功率永磁电机非线性精确数学模型  考虑参数的时变性  考虑温度对参数的影响  考虑交直轴电感的耦合影响 ud  (rs  f (T ))id  (Ld  f ( L'q , L'd )) did dt e (Lq  f (L'q , L'd ))iq uq  (rs  f (T ))id  (Lq  f (L'q , L'd )) diq dt e ((Ld  f (L'q , L'd ))id  f (T ) f ) 3.2 永磁牵引控制技术 iq  永磁电机最大转矩电流比控制技术  实现了恒转矩区的最大转矩电流比控制: 永磁电机转矩公式 最小电流曲线 Te 1.5P( f iq  (Ld  Lq )idiq ) Tem8 Tem7 右图为恒转矩曲线-交直轴电流示意图 Tem6 Tem5 永磁同步电机的电流应该满足: Tem4 Tem3 Tem2 Tem1  (Tem  id is )  0   (Tem is )  0  iq id 0 id  f 2(Lq  Ld )     2( f Lq  Ld ) 2    iq2 Page 28 3.2 永磁牵引控制技术  永磁电机弱磁控制技术 弱磁控制的作用  拓宽调速范围  降低逆变器的容量 弱磁运行限制条件  电流极限圆  电压极限椭圆 电机只能运行在电压极限椭圆和 电流极限圆的交集内 Page 29 T pu 恒转矩区 Te max 弱磁区 p 功率 u 电压 us max Te 电磁转矩 永磁电机r1 转速r特2 性曲 线 弱磁运行限制条件示意图 3.2 永磁牵引控制技术  永磁电机弱磁控制技术-弱磁原理示意图 复合磁场(达到弱磁场目的) 转子磁场(恒定) Page 30 定子磁场(幅值、大小可调) 3.2 永磁牵引控制技术  永磁电机带速重投控制技术  通过对反电势和转子位置的自寻优,结合高速列车的运行工况,提出了永磁 电机带速重投控制策略,实现在任意位置下的无冲击带速度重新投入控制。 jeLqIq q Us  Is  R  je  Lq  Iq  je  Ld  Id  je  f jeLdId Is R Us  Q(e  f , ) U s Is R  Ef  e f Es es Is Iq  s  Lqiq d Id  f Ldid 3.2 永磁牵引控制技术  永磁系统控制策略 工况 牵引/制动 惰行 区域 恒转矩区 恒功区 低速区 高速区 控制模式 最大转矩电流比控制 弱磁控制 封锁脉冲,恢复时带速度重投 弱磁控制( ) iq  0 3.2 永磁牵引控制技术  永磁系统控制策略发展趋势  永磁同步电机无位置传感器控制技术  永磁同步电机参数辨识技术  永磁电机直接转矩控制技术  q i(Tsh ) B  I  Idp B A  A C d C uab V 电压传感器 电压型逆变器 断路器 A B 永磁同步电机 C V ubc q U 3(010) U 4(011)  U 2(110) d 90o 30o U1(100) U 5(001) U 6(101) 目录 第一部分 第二部分 第三部分 第四部分 城市轨道交通牵引概述 异步牵引技术 永磁牵引技术 系统集成技术 4.1 系统技术——电空联合制动控制策略 1 改进思路 基于减速度变化率的控制策略 Te(N.m) △t1 △t1 电制动力请求X(级位、载荷) 电制动力请求Y(级位、载荷) 根据电制动力的大小在不同的 速度点发电制动衰减信号 根据减速度的平均变化率来控 制电制动力的衰减 V(km/h) Vd Vc_y Vb_y Vc_x Vb_x Va 优点:1.电制动利用尽可能充分,电空联合制动阶段具有良 好的减速度特性;2.能有效适用于增购车及改造车,极大提 高参数整定效率。 Page 35 4.2 系统技术——SIC元件的应用 SiC器件应用于产品带来的好处 Si功率元件的特性 用于逆变器时的优点 导通电阻小 在200℃以上高温下工作 能以Si元件数倍的速度工作 Page 36 电力损失降低 冷却机构实现小型化 周边部件实现小型化 用于设备时的优点 效率提高(节能等) 电力转换实现小型化 4.2 系统技术——SIC元件的应用  日本、德国均已开始进行 SIC器件的应用;  2014年已完成采用SIC器件 的变流器模块样机研制, 并将逐步推进市场应用; 混合IGBT模块三维图 Page 37 4.3 系统技术——再生能馈式供电 充分利用列车再生制动能量 取消车辆制动电阻,车辆减重  完成北京14号线、广州4号线、南 车磁悬浮试验线和昆明地铁试车线 等工程项目;  北京14号线2套装置回馈电能超过 2500 度 ( 每 天 / 套 ) , 按 0.75 元 / 度 计 算,每套全年经济效益达68万元。 能量回馈 节约能源 降低运营成本 Page 38 4.3 系统技术——新型集成式平台 既有分散式平台 牵引逆变器 (490kg) 高压电器箱 (230kg) 线路电抗器 (650kg) 新型集成式平台 980kg 减重超过 25% Page 39 双模块 单模块 4.3 系统技术——新型集成式平台  设备体积、重量减少,车重 降低、能耗减少  有利于车辆设备布置  减少设备维护  2013年完成样机研制及型式试验;  2014年起新交付项目上批量推广应 用; Page 40 谢 谢! 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