深圳地鐵永磁同步牽引系統研究分析

朱偉鵬

（深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518026）

隨著城市規模的迅猛發展，城市人口不斷增多，交通擁堵越來越嚴重。城市軌道交通具有安全舒適、快捷正點、客流量大、節能環保等特點，是解決城市交通擁堵，實現大眾綠色出行的重要途徑，更是國家節能減排、打造綠色家園的發展綱要。隨著中國城市軌道交通運營數量及里程不斷增加，地鐵列車作為城市軌道交通運營單位能源消耗大戶，綠色節能逐步成為用戶的迫切需求。

1 深圳地鐵10號線車輛概況

深圳地鐵10號線車輛采用異步牽引、永磁同步牽引混跑運營的頂層設計，著力于深圳地鐵線路可靠、節能、通用的設計與發展理念。車輛采用A型車，最高速度80 km/h。其中異步牽引系統列車采用6M2T編組形式（M為動車，T為拖車）、永磁同步牽引系統列車采用5M3T編組形式，永磁同步牽引系統列車充分利用其高效率、高功率密度的特點，通過減少1套牽引系統，減輕車輛自重，實現了與異步牽引系統列車完全一樣的動力性能。

深圳地鐵10號線首次批量應用永磁同步牽引系統列車（圖1），共計35列。為保證運營、維保、檢修的統一性，設計階段提出永磁同步牽引系統列車采用與異步牽引系統列車功能及性能一致性設計，確保2種列車的兼容性和互換性，為2種列車混跑運營奠定堅實基礎，使10號線實現了永磁同步牽引系統與異步牽引系統列車在同一條線路批量混跑的運營模式。

2 永磁同步牽引系統

城市軌道交通車輛牽引系統電機同時工作，理論上，每臺電機的線速度與整車的速度保持一致，永磁同步牽引電機與對應輪對的線速度一致。但在車輛實際運營過程中，不同車輪對應的永磁同步牽引電機的定子供電頻率可能不一致，這就要求不同的永磁同步牽引電機不能采用同一個逆變器模塊供電，不能選擇與異步牽引系統相同的車控或架控的群控模式，須采用單個逆變器模塊驅動單臺永磁同步牽引電機的軸控模式。永磁同步牽引系統車輛經受電弓受流后，單個逆變器模塊驅動單臺電機（軸控），可以充分保證每臺牽引電機受獨立的控制硬件、軟件驅動。

圖1 深圳地鐵10號線永磁同步牽引系統列車

深圳地鐵10號線車輛永磁同步牽引系統與異步牽引系統配備相同的受電弓、高壓箱、濾波電抗器和接地裝置等系統部件。主要差異為永磁同步牽引系統使用永磁同步電機，為避免永磁電機電動勢（即反電勢）對牽引系統的影響，在牽引逆變器與永磁牽引電機之間設置隔離接觸器，用于牽引電機與牽引系統的隔離保護，保證車輛的正常運營。深圳地鐵 10號線車輛永磁同步牽引系統主電路拓撲結構如圖2所示。

（1）永磁同步牽引系統直流側采用架控模式，即每節動車對應2套獨立的充放電回路、濾波電抗器、直流電壓電流檢測回路以及斬波回路；而異步牽引系統直流側采用車控模式，即每節動車（2個轉向架，4臺異步電機）對應1套充放電回路、濾波電抗器、直流電壓電流檢測回路以及斬波回路。

（2）永磁同步牽引系統交流側采用軸控模式，每臺永磁同步電機對應1套獨立的三相逆變單元與隔離接觸器；而異步牽引系統交流側采用車控模式。

深圳地鐵10號線永磁同步牽引系統設計簡潔，提高了系統的可靠性和可維護性；同時采用高性能的交流傳動控制方式，反應迅速，實現可靠的空轉/滑行保護，并在車輛制動過程中優先使用電制動。

2.1 永磁同步牽引電機

圖2 永磁同步牽引系統主電路拓撲結構示意圖

深圳地鐵10號線永磁同步牽引系統采用JD183D永磁同步牽引電機，如圖3所示，全封閉結構，采用架承式剛性懸掛方式，通過聯軸節與齒輪驅動裝置連接，傳遞列車牽引或電制動力，驅動列車前進或使車輛制動。永磁牽引逆變單元采用VVVF 逆變器，與永磁同步牽引電機構成交流傳動系統；逆變器采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率元件，采用強迫自通風冷卻方式。電機轉子采用永磁體勵磁結構，定子為無機殼結構，絕緣等級為200級。永磁同步牽引電機主要技術參數如表 1所示。

圖3 永磁同步牽引電機

2.2 牽引逆變器

永磁同步牽引系統主電路由2個逆變器模塊組成，每個逆變器模塊均集成了2套三相逆變器的三相橋臂及1套制動相橋臂，2套三相逆變器獨立地驅動2臺牽引電機。2個逆變器模塊集成在1個牽引逆變器中，逆變器模塊采用抽屜式結構，采用熱管散熱器自然冷卻方式。

表1 永磁同步牽引電機主要技術參數

2.3 隔離接觸器

牽引逆變器輸出端包含2個隔離接觸器，每個隔離接觸器有2個三相交流接觸器，用于故障時將永磁同步牽引電機與牽引逆變器隔離，避免故障進一步擴大，保證車輛的正常運營。

3 系統優勢

永磁同步牽引系統具有高功率密度、高效率、高功率因數和低噪聲、輕量化等顯著優勢，應用于地鐵車輛牽引，可以提高牽引功率、節能降耗、減少維護量、降低全壽命周期成本。

3.1 節能減排

根據深圳地鐵10號線車輛能耗測試數據統計：永磁同步牽引系統列車在正常運營工況下，節能率在18%～35%；當地面能饋裝置關閉時，平均節能率為19.68%；能饋裝置開啟時，平均節能率為34.91%。根據測試數據分析可知，當地面能饋裝置啟用后，永磁牽引系統車輛可極大地降低牽引能耗，真正起到節能減排的作用。

3.2 降低噪聲

地鐵車輛牽引電機噪聲的來源主要包括電磁噪聲，機械振動、同軸風扇引起的空氣動力噪聲，機械噪聲相對較小。在低轉速時，由于風量較小，電磁噪聲為主要噪聲源；高轉速時，由于冷卻風量大，空氣動力噪聲是主要噪聲源。列車進站或啟動時，乘客對列車噪聲感受較為敏感；列車低速運行時電機噪聲是乘客感知噪聲和乘坐舒適度的關鍵。

永磁同步牽引電機采用全封閉結構，對電機內部產生的電磁噪聲起到很好的屏蔽作用。深圳地鐵10號線永磁同步/異步牽引電機地面試驗噪聲對比如圖4所示，永磁同步牽引電機的平均噪聲值比異步牽引電機低，其中當電機轉速在0～1 900 r/min時，永磁同步牽引電機的噪聲較異步電機平均降低5.5 dB（A）；在1 900～4 000 r/min時，平均降低0.1 dB（A）。可見，在低轉速下，永磁同步牽引電機噪聲明顯低于異步牽引電機噪聲。

圖4 永磁同步/異步牽引電機地面試驗噪聲對比圖

3.3 電機溫升低

為分析深圳地鐵10號線永磁同步牽引電機的溫升情況，通過在電機外表面粘貼溫度試紙，進行永磁電機溫升測試，如圖5所示。待列車正常運營結束后，車輛檢修人員隨機抽取永磁同步牽引電機，進行溫度測量及溫度試紙顯示記錄。因永磁同步牽引電機裝有溫度傳感器，溫度信號通過列車事件記錄儀EDRM記錄，并顯示在車輛屏（HMI）上。列車載客運營回庫后，將記錄溫度試紙顯示的溫度與HMI顯示的電機溫度進行對比，發現溫度試紙和HMI顯示的溫度均不超過55℃，而運營相同時間的異步牽引列車HMI顯示電機溫度達到 90℃。

圖5 深圳地鐵10號線永磁同步牽引電機溫升測試圖

對溫度試紙及溫度傳感器的數據進行對比分析，結果表明永磁同步牽引電機的溫升在正常范圍內，且低于相同工況下的異步電機。

3.4 系統輕量化

永磁同步牽引系統設備中，輔助電源、制動電阻、高壓箱采用與異步牽引系統相同型號的部件和設計。因此同容量的永磁同步牽引電機體積、重量較異步電機可以減少約30%，從而有效減少空間占比和能耗比，實現系統輕量化。

3.5 功率密度高

經分析，永磁同步牽引電機功率密度相比異步電機更高，主要原因如下：

（1）永磁體磁能積不斷提升，永磁電機功率密度提高；

（2）隨著永磁電機效率的增高，電機的損耗降低，溫升也隨之減小，則在采用相同絕緣等級的情況下，永磁電機的體積設計更為緊湊。

3.6 效率高

永磁同步牽引電機額定效率高于異步牽引電機，尤其是高效區范圍遠高于異步牽引電機。永磁同步牽引電機轉子不需要勵磁線圈，牽引電機沒有減速器，因此，機械傳動效率更高，列車的固定轉動慣量系數也可以降低。此外，實際運營過程中地鐵車輛頻繁啟停，牽引電機工況復雜多變，永磁同步牽引電機效率優勢更加明顯。

4 結語

永磁同步牽引系統通過十余年的技術積累，形成了完整、成熟的制造與質量保障體系，已具備在軌道交通領域進行大規模應用的基礎。其高效率、高功率密度、強過載能力、低噪聲等優勢明顯，推廣應用的經濟和社會效益較為顯著。深圳地鐵對永磁同步牽引系統從理論研究、關鍵技術突破到測試論證，目前已具備在深圳地鐵運營線路應用的技術基礎，此次深圳地鐵10號線永磁同步牽引系統的批量裝車運用，將為永磁同步牽引系統的推廣形成更為良好的示范效應。