DC750V永磁同步牽引系統(tǒng)在地鐵車輛上的應(yīng)用

陸遠(yuǎn)基

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司軌道交通技術(shù)中心 湖南省株洲市 412001）

地鐵車輛電氣牽引系統(tǒng)是地鐵車輛的重要組成部分，是列車運(yùn)行的“心臟”，同時(shí)也是車輛耗能大戶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，牽引系統(tǒng)耗能約占地鐵車輛總能耗的1/2以上，因此如何降低列車牽引系統(tǒng)的能耗是城市軌道車輛節(jié)能減排工作的重中之重。依托北京地鐵8號線三期工程，在第41列車上裝載DC750V永磁同步牽引系統(tǒng)（其余列車裝載異步牽引系統(tǒng)），通過技術(shù)方案論證、模擬計(jì)算、型式試驗(yàn)、裝車試驗(yàn)、正線測試等方法，實(shí)現(xiàn)地鐵DC750V永磁同步牽引系統(tǒng)的裝車考核。通過DC750V永磁牽引系統(tǒng)在車輛減重、節(jié)能、乘客舒適性、低維護(hù)成本等方面優(yōu)異性的驗(yàn)證，推動地鐵車輛關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1 永磁同步牽引系統(tǒng)概述

列車采用+Tc-M-T-M-M-Tc+的3動3拖編組方式，其中Tc車配有兩臺受流器，M車配有4臺受流器。每輛Tc車上配置一臺司機(jī)控制器，司機(jī)可通過操縱司機(jī)控制器驅(qū)動列車向前/向后牽引或制動。

永磁同步牽引系統(tǒng)主電路和設(shè)備配置如圖1所示，由永磁同步牽引電機(jī)、牽引逆變器（包含DCU）、高壓電器箱、電抗器、接觸器箱、過壓吸收電阻等組成。

牽引工況下，牽引逆變器將從第三軌取得的DC750V直流電逆變成變壓變頻的三相交流電，給兩個(gè)動力轉(zhuǎn)向架上的4臺永磁同步牽引電動機(jī)供電。永磁同步牽引電動機(jī)則通過電能和機(jī)械能的變換將電能轉(zhuǎn)換成驅(qū)動列車運(yùn)行的牽引力。電制動時(shí)，永磁同步牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，將制動能量轉(zhuǎn)換為電能反饋回電網(wǎng)，當(dāng)中間電壓過高時(shí)開通斬波器將能量消耗在過壓吸收電阻上。

1.1 永磁同步牽引電動機(jī)

牽引電機(jī)為三相交流永磁同步牽引電動機(jī)，全封閉結(jié)構(gòu)，采用自帶風(fēng)扇強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁，定子為無機(jī)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）。

牽引電機(jī)的主要參數(shù)，如表1所示。

表1

永磁電機(jī)外形示意圖如圖2所示，機(jī)械接口完全兼容北京地鐵8號線列車異步電機(jī)。

與異步牽引電動機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、過載能力強(qiáng)。當(dāng)永磁同步電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，僅需電機(jī)的功角適當(dāng)變化，而轉(zhuǎn)速維持原來的同步轉(zhuǎn)速不變。永磁同步電機(jī)的瞬間最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍以上，使得永磁同步電機(jī)非常適合在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運(yùn)行；

（2）高功率因數(shù)、高效率。永磁同步電機(jī)與異步電機(jī)相比，不需要無功勵(lì)磁電流，所以能得到比異步電機(jī)高很多的功率因數(shù)，進(jìn)而得到相對更小的定子電流和定子銅耗，并且永磁同步電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)沒有轉(zhuǎn)子銅耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇容量甚至去掉風(fēng)扇，從而減小相應(yīng)的風(fēng)摩損耗，使它的效率比同規(guī)格的異步電機(jī)提高3～5個(gè)百分點(diǎn)，尤其是高效區(qū)范圍遠(yuǎn)高于異步電機(jī)，如表2所示。

表2

（3）體積小、重量輕、散熱效果好。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電機(jī)的功率密度得到很大提高，同時(shí)定子采用全疊片無機(jī)殼結(jié)構(gòu)，與同容量的異步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)的體積和重量大約能減少15～30%左右；

圖1：永磁同步牽引系統(tǒng)主電路原理圖

圖2：永磁同步牽引電動機(jī)外形圖

表3：系統(tǒng)差異點(diǎn)

（4）結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。由于采用永磁體勵(lì)磁，永磁同步電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)形狀和尺寸的靈活性；

（5）可靠性高、維護(hù)成本低、噪聲低、舒適性好。冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的冷卻風(fēng)不進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，通過端蓋、定子鐵心形成的外層風(fēng)道帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量。定子線圈絕緣不受到外部雜物的污染，可提高可靠性；永磁電機(jī)無需清理濾塵器，大大減少維護(hù)量及維護(hù)成本；外部冷卻風(fēng)不進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，更加安全可靠；永磁電機(jī)采用全封閉結(jié)構(gòu)，噪聲更低，尤其是低速階段，可有效提高站臺乘客的舒適性。

1.2 牽引逆變器

每輛動車配置一臺VVVF逆變器，逆變器內(nèi)裝有兩個(gè)IGBT變流器模塊，一個(gè)變流器模塊含有兩套三相逆變器橋臂和一套斬波相橋臂，每套三相逆變器橋臂獨(dú)立地驅(qū)動對應(yīng)的牽引電動機(jī)。

由于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對牽引電動機(jī)的軸控方式，為了節(jié)省空間，變流器模塊采用雙管IGBT元件，即每個(gè)元件中含有兩個(gè)IGBT，每個(gè)IGBT的額定電流為800A。為了控制方便，斬波回路仍然使用單管IGBT元件，額定電流為1600A。

變流器模塊采用抽屜式的模塊化設(shè)計(jì)，集成了IGBT元件、二極管、熱管散熱器、溫度傳感器、門控單元、門控電源、脈沖分配單元、支撐電容等器件。采用熱管散熱，具有無吸收電路、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。

牽引逆變器采用霍爾電流和電壓傳感器實(shí)現(xiàn)牽引逆變器直流側(cè)電壓電流和交流側(cè)電流的檢測。

1.3 隔離接觸器箱

隔離接觸器在主電路中相當(dāng)于三相隔離開關(guān)，具有迅速分?jǐn)喔邏捍箅娏鞯哪芰Γ收瞎r下，可快速的實(shí)現(xiàn)牽引逆變器和永磁同步牽引電機(jī)的隔離，避免因永磁同步牽引電動機(jī)反電勢而造成故障擴(kuò)大化，損壞設(shè)備。

1.4 傳動控制單元

傳動控制單元（DCU），是牽引系統(tǒng)的“大腦”，主要完成牽引系統(tǒng)的邏輯控制、網(wǎng)絡(luò)通信、牽引逆變器和牽引電機(jī)的實(shí)時(shí)控制、輪軌粘著利用控制、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和保護(hù)等功能。傳動控制單元采用機(jī)箱形式，安裝在牽引逆變器箱中。

2 永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)的差異點(diǎn)

永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)的差異點(diǎn)如表3所示。

3 試驗(yàn)和驗(yàn)證

3.1 永磁同步牽引系統(tǒng)各部件樣機(jī)試制

永磁同步牽引系統(tǒng)各部件的樣機(jī)全部于2016年9月份完成了試制與例行試驗(yàn)，樣機(jī)例行試驗(yàn)全部合格并出具了例行試驗(yàn)報(bào)告。

3.2 永磁同步牽引系統(tǒng)各部件地面試驗(yàn)驗(yàn)證

關(guān)鍵零部件進(jìn)行了地面可靠性試驗(yàn)。如對隔離接觸器進(jìn)行了完整的可靠性試驗(yàn)與20萬次開關(guān)的長時(shí)間可靠性考核，最終驗(yàn)證該接觸器滿足運(yùn)營的應(yīng)用要求。

完成樣機(jī)試制后，各部件迅速開展了型式試驗(yàn)驗(yàn)證。部件型式試驗(yàn)以及系統(tǒng)組合試驗(yàn)都順利完成，試驗(yàn)結(jié)果合格，取得第三方試驗(yàn)報(bào)告。

3.3 永磁同步牽引系統(tǒng)裝車調(diào)試及現(xiàn)場型式試驗(yàn)

2016年下旬，永磁同步牽引系統(tǒng)產(chǎn)品順利交付車輛制造商并完成了整車的裝車調(diào)試和廠內(nèi)試驗(yàn)，2017年完成列車的現(xiàn)場型式試驗(yàn)。

4 結(jié)語

DC750V永磁牽引系統(tǒng)在北京地鐵8號線上的實(shí)現(xiàn)裝車試驗(yàn)，并于2018年7月開始載客運(yùn)營至今，系統(tǒng)的可靠性、安全性、可維護(hù)性以及與列車其它子系統(tǒng)、信號系統(tǒng)的配合都得到了檢驗(yàn)和驗(yàn)證，滿足用戶的運(yùn)營需求，得到了用戶的充分肯定。

隨著永磁同步牽引系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟，其優(yōu)越的低能耗和低維護(hù)成本越來越受到地鐵用戶的關(guān)注，目前國內(nèi)多個(gè)地鐵公司也在其項(xiàng)目中采用批量的永磁同步牽引系統(tǒng)，可以預(yù)見，在不久的將來，永磁同步牽引系統(tǒng)將在地鐵領(lǐng)域中得到更加廣泛的應(yīng)用，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。