長沙5號線永磁同步牽引系統(tǒng)集成設(shè)計

吳桂林 王丹梅

（中車株洲電力機車有限公司，株洲 412001）

永磁同步電機技術(shù)起源于20世紀60年代，最開始應(yīng)用于航空航天和高科技領(lǐng)域。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機設(shè)計及控制技術(shù)日趨成熟，逐步應(yīng)用于高鐵、城軌車輛以及低地板中[1]。相對于異步電機，永磁同步電機具有高功率因數(shù)、高效率和低噪聲等顯著優(yōu)勢。永磁同步電機應(yīng)用于軌道交通車輛牽引，可以節(jié)能降耗、減少維護量、降低全壽命周期成本以及優(yōu)化的噪聲指標，為乘客帶來更好的體驗[2-5]。

2015年長沙軌道集團聯(lián)合中車株洲電力機車有限公司和株洲中車時代電氣股份有限公司開始永磁牽引系統(tǒng)列車研制和應(yīng)用工作，在長沙市軌道交通1號線T23列車上安裝了一整套永磁牽引系統(tǒng)，已完成全部試驗和試運行考核，并通過專家組評審?fù)度胼d客運營，目前已安全載客運營超過3×105km。基于長沙1號線的研究及應(yīng)用成果，長沙地鐵5號線全線列車實現(xiàn)了永磁牽引系統(tǒng)裝車應(yīng)用。本文對永磁同步與異步牽引系統(tǒng)的差異、系統(tǒng)集成相關(guān)風險及應(yīng)對措施、整車試驗進行了分析和介紹，為永磁同步牽引系統(tǒng)批量推廣應(yīng)用提供了參考。

1 永磁同步牽引系統(tǒng)總體方案

1.1 牽引主電路

長沙5號線采用4動2拖編組B型車[1]，編組型式為直流1 500 V接觸網(wǎng)供電。牽引系統(tǒng)采用VVVF永磁逆變器-永磁牽引電動機構(gòu)成的交流電傳動系統(tǒng)。牽引主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。經(jīng)受電弓輸入的1 500 V直流電由VVVF逆變器變換成頻率和電壓均可調(diào)的三相交流電向永磁牽引電機供電。VVVF逆變器由2個雙管逆變模塊單元組成，每個逆變器模塊含有2個逆變單元，每個逆變單元驅(qū)動1臺牽引電機，有別于異步牽引系統(tǒng)采用車控控制方式。永磁同步牽引系統(tǒng)采用軸控的控制方式，過壓斬波單元與逆變模塊單元集成在一起。

為防止永磁牽引系統(tǒng)失控時由于永磁牽引電機發(fā)電時產(chǎn)生的反電勢對牽引系統(tǒng)的影響，在牽引逆變器與永磁牽引電機之間增加了隔離接觸器，起到了有效隔斷故障工況的作用。永磁同步牽引系統(tǒng)主電路如圖1所示。

1.2 主要設(shè)備及參數(shù)

牽引系統(tǒng)主要由牽引逆變器（含充電接觸器、短接接觸器、濾波電抗器、逆變單元、制動斬波單元、牽引控制單元、三相隔離接觸器）、高壓箱、永磁同步牽引電機以及過壓吸收電阻組成。以下對與異步牽引系統(tǒng)差異較大的兩個設(shè)備進行了配置說明。

1.2.1 牽引逆變器

每輛動車配置一臺VVVF逆變器，逆變器內(nèi)裝有1個充電接觸器、1個短接接觸器、1個預(yù)充電電阻、2個IBBM系列IGBT變流器模塊以及1個牽引控制單元（Drive Control Unit，DCU）。DCU對逆變器進行控制并與列車通信。同時，為了減少體積和質(zhì)量，牽引逆變器首次集成了控制牽引電機供電的隔離接觸器。

IBBM系列IGBT變流器模塊集成了24個3 300 V/500 A的IGBT雙管元件以及2個33 300 V/1 000 A的IGBT單管元件，分別作為三相逆變器的三相橋臂與制動斬波相橋臂。模塊還包括熱管散熱器、溫度傳感器、門控單元、門控電源、脈沖分配單元以及支撐電容器等部件。牽引逆變器主要的技術(shù)性能參數(shù)如表1所示，單個模塊參數(shù)如表2所示。

圖1 永磁同步牽引系統(tǒng)主電路

表1 牽引逆變器主要的技術(shù)性能參數(shù)

表2 單個模塊參數(shù)

1.2.2 永磁同步電機

永磁同步牽引電機技術(shù)特征為全封閉結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為永磁體勵磁的內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，定子為無機殼結(jié)構(gòu)，懸掛方式為架承式全懸掛，絕緣等級為200級（耐電暈），冷卻方式為外風扇強迫自通風。它的主要技術(shù)性能參數(shù)如表3所示。

表3 主要技術(shù)性能參數(shù)

2 永磁同步牽引系統(tǒng)集成技術(shù)風險及應(yīng)對措施

2.1 磁場輻射

永磁電動機轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、壓圈、擋板以及永磁體組成。在斷電狀態(tài)下，異步電動機轉(zhuǎn)子沒有磁性，而永磁電動機轉(zhuǎn)子帶有磁性。由于永磁電機轉(zhuǎn)子位于定子鐵心的內(nèi)部，定子鐵心和端蓋對轉(zhuǎn)子磁場具有屏蔽作用，組裝完成后的永磁電機對外的電磁輻射甚微。試驗驗證，它并不會對人體帶來輻射影響。

對永磁牽引電機周邊空間磁感應(yīng)強度進行仿真分析和試驗檢測，表4為在永磁電機不同部位磁感應(yīng)強度的仿真分析結(jié)果，表5為試驗檢測結(jié)果。

表4 永磁電機周邊空間磁感應(yīng)強度的仿真分析結(jié)果

表5 永磁電機周邊空間磁感應(yīng)強度的測量值

由于電機表面剩磁強度隨距離增大衰減較快，當距離電機表面達到100 mm時，剩磁強度已小于地磁場（0.05～0.06 mT），因此僅記錄距離電機表面零距離點的測量值。

根據(jù)《對人體暴露于家用及類似用途電器電磁場的側(cè)量方法》（EN 62233-2008）標準要求，人體暴露于家用及類似用途電器的電磁場不大于0.4 mT。由表5可知，組裝完成后的永磁電機外部剩磁遠小于家用電器的標準要求，對人體沒有損害。

當永磁電機轉(zhuǎn)子未裝在電機里時，存在較大的漏磁場。因此，永磁電機在解體、組裝以及永磁電機轉(zhuǎn)子貯存和運輸時，必須采取特殊的防護措施。可使用特殊的非導(dǎo)磁材料的存儲裝置和運輸工具隔離磁場，并防止轉(zhuǎn)子之間或轉(zhuǎn)子與其他配件之間的吸附。操作人員禁止佩戴金屬飾品或攜帶鑰匙等金屬物品進行作業(yè)。

2.2 反電動勢

永磁電機區(qū)別于異步電機的最大特點在于勵磁無法關(guān)斷，其最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的反電勢的有效值為1 600 V。在故障工況下，需要針對反電勢采取保護措施。為了保護設(shè)備，避免永磁牽引電機反電勢造成故障的進一步擴大，在永磁牽引電機的U、V、W三相前端增加一個三相接觸器。當系統(tǒng)處于故障模式時，跳開三相接觸器，將永磁牽引電機和牽引逆變器斷開，保護牽引設(shè)備，同時若隔離接觸器發(fā)生卡合故障，失控反電勢不會損壞3 300 V功率器件。

3 試驗驗證

3.1 試驗概述

考慮到永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)的差異，需要對整車牽引功能、牽引加速度、電制動性能、空轉(zhuǎn)/滑行性能、牽引電機軸承電壓、整車能耗、列車救援能力、列車故障運行能力以及電磁兼容能力等進行重點試驗驗證。經(jīng)過試驗驗證，列車救援能力、列車故障運行能力以及電磁兼容能力與異步牽引系統(tǒng)性能基本一致，均能滿足技術(shù)規(guī)格書性能指標要求。

3.2 功能試驗

該試驗在車輛AW0載荷狀態(tài)下進行。高速斷路器的接通與分斷通過完成一次合主斷及分主斷的過程即可實現(xiàn)。通過試驗，高速斷路器、短接接觸器、充電接觸器以及隔離接觸器能根據(jù)指令正常的吸合/分斷，且不報故障。

3.3 加速性能試驗

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，牽引性能要求為半磨耗輪徑Φ805 mm（新輪為Φ840 mm，需要折算）、載荷AW2干燥清潔平直道線路及額定電壓1 500 V情況下，平均加速度應(yīng)滿足平均加速度（0～40 km·h-1）≥1.0 m·s-2和平均加速度（0 ～ 80 km·h-1）≥ 0.6 m·s-2。

為了對列車性能進行充分驗證，試驗分別在AW0載荷工況、AW2載荷工況、AW3載荷條件下，新輪Φ840 mm工況下進行測試，結(jié)果如表6所示。

表6 AW0/AW2/AW3載荷下平均加速度

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，取表6中AW2載荷下上行和下行數(shù)據(jù)的平均，換算成半磨耗輪徑Φ805 mm，則0～ 40 km·h-1平均加速度為 1.06 m·s-2，0 ～ 80 km·h-1平均加速度為0.88 m·s-2，試驗通過。

3.4 電制動性能試驗

根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求，電制動性能要求列車在半磨耗輪徑Φ805 mm（新輪為Φ840 mm，需要折算）、載荷AW2干燥清潔平直道線路及額定電壓1 500 V情況下，應(yīng)滿足平均減速度（0～80 km·h-1）≥1.0 m·s-2。試驗分別在載荷AW0/AW2負載條件下，新輪Φ840 mm工況下執(zhí)行。

AW2載荷下，換算成半磨耗輪徑Φ805 mm，80～0 km·h-1平均減速度值為1.09 m·s-2，試驗通過。測試結(jié)果如表7所示。

表7 AW0/AW2載荷下平均減速度

3.5 空轉(zhuǎn)/滑行性能試驗

為驗證永磁同步牽引系統(tǒng)空轉(zhuǎn)/滑行保護及粘著利用效率，通過在列車導(dǎo)輪前面的鋼軌表面噴灑按UIC541-05規(guī)定的液體，檢查防空轉(zhuǎn)/滑行系統(tǒng)的性能。試驗過程中可改變防空轉(zhuǎn)/滑行系統(tǒng)的靈敏度，以得到最佳性能。如圖2和圖3所示，80 km·h-1防空轉(zhuǎn)粘著利用效率為95.7%，80 km·h-1防滑粘著利用效率為88.8%。可見，永磁同步牽引系統(tǒng)防空轉(zhuǎn)、滑行效率均大于80%，滿足技術(shù)規(guī)格書要求。

3.6 牽引電機軸電壓試驗

當牽引電機由電壓型變頻器供電運行時，會存在一個特定的軸承電流源，即電動機轉(zhuǎn)軸上感應(yīng)出一定的軸電壓。當軸電壓形成導(dǎo)電回路后將產(chǎn)生軸承電流，而軸承中有電流存在是軸承發(fā)生電腐蝕的重要因素。為了減少電機軸承電腐蝕的風險，針對永磁同步牽引系統(tǒng)特別進行了軸電壓測試。試驗時，車輛以100%牽引加速至40 km·h-1，牽引手柄回“零”位，惰行1～3 s后以100%常用制動減速到0 km·h-1。如圖7所示，軸電壓最大值小于50 V，相對較低，軸承電腐蝕風險相對較小。

圖2 80 km·h-1防空轉(zhuǎn)粘著利用效率

圖3 80 km·h-1防滑粘著利用效率

圖4 動車牽引電機軸端電壓曲線

3.7 整車能耗試驗

考慮到長沙5號線與長沙1號線永磁牽引列車整車參數(shù)基本一致，未對長沙5號線列車進行單獨的能耗測試。為了驗證永磁同步牽引系統(tǒng)節(jié)能特性，2017年10月9—19日，委托國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對長沙1號線永磁與異步牽引列車進行了能耗對比測量試驗，選取一列（T23）永磁同步牽引系統(tǒng)列車和兩列（T0412）異步牽引系統(tǒng)列車進行能耗測量。在地面能饋裝置開啟的工況下，永磁同步牽引列車綜合節(jié)能率超過30%，具體測量數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 永磁與異步牽引列車非工作日正常運營能耗對比（地面能饋裝置開啟）

4 結(jié)語

隨著我國軌道交通行業(yè)對節(jié)能和環(huán)保的要求越來越高，異步牽引系統(tǒng)的節(jié)能空間已相對不大。因采用永磁體進行轉(zhuǎn)子勵磁，永磁同步牽引電機具有體積小和功率密度大的特點，順應(yīng)了軌道交通車輛裝備小型化和輕量化的總體需求。永磁牽引系統(tǒng)推廣應(yīng)用的經(jīng)濟效益和社會效益較為顯著，大批量應(yīng)用推廣意義重大。經(jīng)過多年研究和驗證，永磁牽引系統(tǒng)已在長沙地鐵實現(xiàn)了從1號線小批量裝車驗證到5號線全線批量裝車上線運營。5號線永磁同步牽引系統(tǒng)列車自2020年6月28日上線運營以來，單列車最大安全運營里程已超1.2×105km，技術(shù)方案成熟、可靠，進一步豐富了的運用維護經(jīng)驗，為永磁同步牽引系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域進一步批量推廣應(yīng)用提供了良好示范及深遠影響。