南昌地鐵4號線列車永磁牽引系統設計

敖斌、范英芝

（南昌軌道交通集團有限公司運營分公司車輛中心，江西南昌330000）

0 引言

南昌地鐵4 號線起點為白馬山站，終點為魚尾洲站，線路全長39.6km，設站29 座，其中高架站4 座、地下站25 座，全線共配屬46 列標準的B2 型車，其中44列車采用傳統VVVF 逆變器+異步電機的牽引系統，2列車采用VVVF 逆變器+永磁電機的牽引系統。

1 車輛基本參數及性能要求

1.1 車輛基本參數

列車采用架空接觸網受電的供電方式，供電電壓額定值為DC1500V，再生制動時網壓不高于DC1800V，輪徑為840/805/770mm（新輪/半磨耗/全磨耗輪徑），采用4 動2 拖6 節編組形式，列車編組示意圖如圖1所示。

圖1 6 節編組列車示意圖

1.2 車輛動力性能

1.2.1 列車速度

最高運行速度為80km/h，平均技術速度不低于55km/h（不含停站時間），平均旅行速度不低于35km/h（平均站停時間31.7s）。

1.2.2 列車平均加速度

定員（AW2）情況下，在平直干燥軌道上，車輪半磨耗狀態，額定電壓時，列車從0 加速到40km/h 不小于1.0m/s2，從0 加速到80km/h 不小于0.6m/s2。

1.2.3 列車平均減速度

超員（AW3）情況下，在平直干燥軌道上，車輪半磨耗狀態，列車從80km/h 減速到停車時，最大常用制動不小于1.0m/s2，緊急制動不小于1.2m/s2。

1.2.4 列車制動實現方式

由電制動（電阻制動、再生制動）和空氣制動組成，優先采用再生制動和電阻制動，電制動力不足時，由空氣制動補充，上述三種制動方式能自動轉換、協調配合，并滿足制動指令的要求。

1.2.5 列車故障運行能力

超員（AW3）情況下，當損失1/4 牽引動力時，列車仍然可以在35‰的坡道上起動，并能以正常運行方式完成當天運行；當損失1/2 牽引動力時，列車仍然可以在35‰的坡道上起動，并返回車輛段。

1.2.6 列車坡道救援能力

一列6 輛編組的空車應能將另一列停在35‰坡道上的6 輛編組超員故障列車移至最近的車站（上坡）；一列6 輛編組的空車應能將另一列停在40‰坡道上的6 輛編組故障空車救援到車輛基地（上坡）。

2 永磁牽引系統

永磁牽引系統是將直流電壓轉換成變頻變壓的三相交流電壓，用于控制永磁電機，使電能與機械能相互轉化，從而實現列車的牽引和電制動功能，滿足車輛動力性能、故障運行、救援能力，主要由主電路、牽引控制系統及其裝置組成[1]。

2.1 主電路的設計

系統主電路由牽引高壓箱（MH 箱）、牽引輔助箱（MA 箱）、線路電抗器、制動電阻、永磁電機等裝置組成。

2.1.1 牽引高壓/輔助箱

牽引高壓箱安裝在Mp 車，由高壓部分、中間部分和牽引變流器部分三個部分組成，主要設備有隔離接地開關、高速斷路器、牽引變流器電抗器、牽引變流器模塊、內部風扇、傳感器等；牽引輔助箱安裝在M 車，與牽引高壓箱的區別是將線路電抗器集成到箱體內部，減少了單車重量。

圖2 永磁牽引系統主電路原理圖

牽引變流器模塊的最大直流網壓（停機）2000V，連續輸出功率270～450kVA，最大短期輸出功率550kVA，IGBT 額定值為3.3kV/450A；高速斷路器的標稱電壓2000V，額定電流1000A，脫扣電流1800A，分斷能力30kA/15ms；隔離接地開關最大供電電流1800A/30s，持續供電電流950A，車間電源供電模式持續電流350A。

2.1.2 線路電抗器

線路電抗器的額定輸入電壓為DC1500V、額定電流690A、電抗值1.6mH，它和內置在牽引逆變模塊中的濾波電容一起構成線路濾波器，線路濾波器防止由變流器所產生的諧波干擾接觸網。

2.1.3 制動電阻

制動電阻額定電壓值為DC1800V、標稱阻值為4×3.6Ω，用于過壓保護和電制動時消耗電網不能吸收的電制動能量，對IGBT 電壓進行監控以檢測主電路是否發生過壓保護故障，如果IGBT 觸發命令與檢測到的電壓不匹配，將指示電路過壓保護故障。

2.1.4 永磁電機

永磁電機由定子、轉子、轉軸、端蓋、風扇等部件組成，額定電壓AC1170V、電流125A、功率200kW，采用無速度傳感器方案，轉子上安裝有永磁體材料，利用永磁體進行勵磁，沒有異步電機的勵磁損耗，具有高效率、高功率因素、低噪音、體積小等優點，不僅節能降耗，還能提高乘坐舒適度[2]。

由于永磁電機是一種同步電機，無法實現并聯控制，每臺永磁電機配置了1 臺牽引變流器模塊進行單獨控制，每臺電機設置電機斷路器，當出現嚴重故障時，電機接觸器將斷開所有供電，并隔離相應電機。

2.2 系統技術特性

2.2.1 牽引/制動特性曲線

經計算，列車空載（AW0）、定員（AW2）和超員（AW3）工況下的牽引、制動特性曲線如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 AW0 牽引/電制動力特性曲線

圖4 AW2 牽引/電制動力特性曲線

圖5 AW3 牽引/電制動力特性曲線

2.2.2 牽引/電制動功率限制

經計算，不同供電電壓下的輪周功率不同，供電電壓在DC1000V～DC1800V 范圍內，才有牽引/電制動功率輸出，見表1：

表1 各種電壓等級下牽引/電制動的功率

2.2.3 列車運行性能核驗

經核驗，列車在超員情況下，平均技術速度57.3km/h＞55km/h，平均旅行速度41.58km/h＞35km/h，符合車輛設計性能要求。

經核驗，列車在定員情況下，0～40km/h 加速度為1.03m/s2＞1.0m/s2，0～80km/h 加速度為0.65m/s2＞0.6m/s2，符合車輛設計性能要求。

經核驗，列車在超員情況下，從80km/h 減速到停車時，最大常用制動的平均減速度為1.18m/s2＞1.0m/s2，緊急制動的平均減速度不小于1.31m/s2＞1.2m/s2，符合車輛設計性能要求。

經核驗，列車的故障運行能力和坡道救援能力，均能滿足設計要求和現場最大坡道處運行要求。

2.3 牽引控制系統

2.3.1 牽引控制設備

牽引控制系統分為列車級和系統級控制兩個層級。列車級控制由列車控制管理系統（TCMS）中的中央處理單元（VCU）實現，根據每個電機軸的速度來計算列車的速度，給牽引輔助軟件單元（PSW）發送牽引/制動力參考值，變流器的每個獨立控制單元將通過PSW 的接口來激活，VCU 將通過PSW 的輸入接口來檢測實際狀況；系統級控制由PSW、牽引控制單元（MCCD）、交換單元（I/O）、數字量輸入輸出單元（DX2）四個設備實現，PSW 是在MCCD 裝置上獨立運行，可實現系統級功能，與TCMS 的控制命令、狀態和運行數據對接；MCCD 用于控制牽引變流器的，I/O、中繼單元（RS-12）用于MCCD、輔助控制單元（ACCD）與TCMS 的牽引輔助故障診斷單元（CCUD）通過以太網進行故障診斷；通過DX2 端口，每個獨立的牽引控制包能夠獲得備用模式的指令，當TCMS失效時，通過DX2 端口來控制列車(見圖6)。

圖6 牽引控制拓撲圖

2.3.2 牽引控制邏輯

MCCD 采用動態定子磁通定向轉矩控制的方法，從列車級網絡獲得牽引/制動力的參考，牽引變流器的IGBT 控制脈沖采用優化的PWM 控制方案，為避免牽引過程中線電壓的崩潰，系統將進行功率限制。在牽引/制動過程中，防滑/防空轉控制能在變化的鋼軌和車輪之間條件中，高效地使用附著力。

正常情況下，列車制動力是來自于司機或是ATO系統，通過BCU 或TCMS 的I/O 單元讀取或者ATO通過TCMS 進行傳送。在電制動過程中，BCU 將動車制動力參考分解并發送給PSW/MCCD（每個動車變流器），MCCD 不斷地將可用的制動傳送給PSW，PSW 通過TCMS 的MVB 網絡將這個值傳送給BCU，以便于在需要混合制動時更好的使用。

當TCMS 故障時，牽引系統能在備用模式下進行工作，主司控器提供了一套安裝在整個列車長度方向上的二進制列車線，所有牽引控制的子系統將使用本地的I/O 單元來讀取列車線上的信息：備用模式、牽引向前、牽引向后、牽引、制動、牽引力（2 位）等。

3 結語

南昌地鐵4 號線列車首次引進永磁牽引系統的整體設計方案，該永磁牽引系統采用了先進的設計理念和技術，經設計選型、仿真計算和相關型式試驗驗證，整體性能優良、牽引能耗低，系統可靠性較高。