地鐵車輛永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)選型分析

摘 要：基于對地鐵車輛牽引系統(tǒng)控制原理、性能、能耗的分析研究，針對城市軌道車輛實際運用情況，通過測試及數(shù)值計算，總結(jié)了永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)在各方面的差異性，統(tǒng)籌分析了其對車輛運營的影響，可以為地鐵車輛牽引系統(tǒng)設(shè)計選型提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;永磁同步牽引系統(tǒng);異步牽引系統(tǒng);選型

0? ? 引言

牽引系統(tǒng)作為城市軌道交通車輛的“心臟”，是提供車輛動力的一個重要來源。隨著我國軌道交通的持續(xù)快速發(fā)展，城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)傳動技術(shù)在經(jīng)歷了“直流”“交流”之后，正在朝“永磁”驅(qū)動技術(shù)穩(wěn)步推進。永磁同步牽引系統(tǒng)擁有高效率、低能耗等明顯技術(shù)優(yōu)勢，正在逐漸替代目前傳統(tǒng)的異步牽引系統(tǒng)，成為列車牽引系統(tǒng)的技術(shù)主流以及發(fā)展戰(zhàn)略方向[1-2]。

本文結(jié)合永磁同步牽引系統(tǒng)在廈門地鐵2號線裝車后實際應(yīng)用的試驗結(jié)果，從牽引系統(tǒng)控制原理、重量、性能、能耗等角度出發(fā)，對比分析了永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)的差異性，可以為城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)設(shè)計和選型提供參考依據(jù)。

1? ? 控制原理

永磁同步牽引系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)電路直流側(cè)采用架控控制方式，逆變側(cè)則采用軸控控制方式，即同一節(jié)動車的每個永磁同步電機由一個獨立的逆變器模塊進行驅(qū)動控制。在高頻交流電的輸出端與驅(qū)動電機間分別設(shè)有隔離接觸器，防止驅(qū)動電機故障時產(chǎn)生反電勢對控制電路造成直接損害[3]。

異步交流牽引系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)電路直流側(cè)采用車控控制方式，交流側(cè)則采用架控控制方式，即同一節(jié)動車的同一轉(zhuǎn)向架上兩根車軸由同一個逆變器模塊進行驅(qū)動控制。

相比傳統(tǒng)異步牽引系統(tǒng)，永磁同步牽引系統(tǒng)每節(jié)動車需分別增加2套逆變器模塊和4套隔離接觸器。

2? ? 設(shè)備重量

廈門地鐵2號線永磁列車每輛動車上配置1個DCU（牽引控制單元）、2個變流器模塊、4臺永磁同步電機、4個隔離接觸器，模塊散熱采用翅片散熱器，強迫風(fēng)冷。異步列車每輛動車上配置1個DCU（牽引控制單元）、1個變流器模塊、4臺異步交流電機，模塊散熱采用走行風(fēng)冷。

永磁同步牽引系統(tǒng)和異步牽引系統(tǒng)的設(shè)備負載重量參數(shù)對比如表1所示。

從表1可以明顯看出，永磁同步牽引系統(tǒng)相比異步牽引系統(tǒng)，MP車和Mc車的重量分別減少64 kg和360 kg，實現(xiàn)整體降重848 kg/列。

3? ? 性能

由廈門地鐵2號線分別對永磁牽引列車和異步牽引列車的相關(guān)試驗結(jié)果、運營數(shù)據(jù)等可知：

3.1? ? 加速性能

試驗列車在AW0、AW3載荷條件下進行加速性能測試。試驗時列車全列停于平直道上，司機操作主控手柄直推牽引滿級位加速至80 km/h、40 km/h，測量、計算實際的加速度。由表2試驗數(shù)據(jù)可知，永磁列車的牽引加速性能略優(yōu)于異步列車，兩者均滿足標準要求。

3.2? ? 再生制動性能

試驗列車在AW0、AW3載荷條件下，推動牽引手柄牽引加速至80 km/h后，司機將主控手柄推至最大常用制動位，測試制動距離及電制動投入情況。由表3試驗數(shù)據(jù)可知，永磁列車的電制動性能優(yōu)于異步列車，制動距離較短，但瞬間沖擊率會相對較大（滿足標準≤0.75 m/s3）。

3.3? ? 噪聲

整個車輛加速、制動過程中，車內(nèi)動車、拖車噪聲峰值：異步列車為79 dB（A），永磁列車為72 dB（A）。隋行段噪聲：異步列車動車均值約為68 dB（A），拖車均值約為62 dB（A）;永磁列車動車均值約為64 dB（A），拖車均值約為62 dB（A）。永磁列車的整體噪聲比異步列車低4～7 dB，乘客的聽覺舒適感更優(yōu)。

3.4? ? 振動

由表4試驗數(shù)據(jù)可知，在0～45 km/h加速過程中，異步列車地板垂向峰值（頻率范圍0.5～80 Hz）加速度為0.353 m/s2，按照ISO 2631標準，電機上方地板振動三向加權(quán)加速度均方根值為0.184 m/s2;永磁列車地板垂向峰值（頻率范圍0.5～80 Hz）加速度為0.285 m/s2，電機上方地板振動三向加權(quán)加速度均方根值為0.132 m/s2。永磁列車的振動明顯小于異步列車。

4? ? 能耗

根據(jù)列車每月平均能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以廈門地鐵2號線2020年9月—12月永磁列車能耗數(shù)據(jù)為參考樣本，計算永磁牽引列車和異步牽引列車的平均能耗，如表5所示。永磁牽引列車相比異步牽引列車，其正線運營時牽引節(jié)能13.92%，反饋回電網(wǎng)的再生能力達12.63%，總節(jié)能率可達23.61%。由于永磁列車采用強迫風(fēng)冷方式及增加了逆變器模塊，故其輔助能耗高于異步列車，如果排除輔助能耗，永磁列車可節(jié)能38.46%。

5? ? 結(jié)論

本文重點闡述了永磁同步牽引系統(tǒng)的主要技術(shù)特點和實際應(yīng)用情況，結(jié)合廈門地鐵2號線實際運行測試的數(shù)據(jù)，針對永磁同步牽引系統(tǒng)主電路設(shè)計、性能、能耗等與異步牽引系統(tǒng)進行了對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）永磁牽引系統(tǒng)更利于車輛減重。

（2）相較于異步牽引系統(tǒng)，永磁牽引系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)更加優(yōu)異。

（3）永磁牽引系統(tǒng)比異步牽引系統(tǒng)整車節(jié)能降耗優(yōu)勢明顯。以廈門地鐵2號線為例，綜合節(jié)能率為23.61%，且永磁列車在運行站間距短、車輛頻繁啟停（牽引電機在高低速頻繁轉(zhuǎn)換）的工況下，其節(jié)能優(yōu)勢更加明顯。

綜上，永磁同步牽引系統(tǒng)對比傳統(tǒng)異步牽引系統(tǒng)具有性能較佳，噪聲、振動指標更優(yōu)，節(jié)能效益顯著等優(yōu)勢，目前在城市軌道交通車輛上的應(yīng)用也越來越多。截至2021年，國內(nèi)運營時長最久的長沙1號線永磁牽引列車目前運行狀態(tài)良好。

[參考文獻]

[1] 柏欣欣.永磁牽引系統(tǒng)在城市軌道交通的發(fā)展及應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（26）：128-129.

[2] 馬穎濤，李紅，李巖磊，等.軌道交通中永磁同步牽引系統(tǒng)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)[J].鐵道機車車輛，2015，35（3）：66-70.

[3] 田春春.城市軌道交通車輛永磁牽引系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].交通世界，2021（S2）：23-24.

收稿日期：2021-08-20

作者簡介：林澤雄（1992—），男，廣東汕頭人，助理工程師，研究方向：城軌車輛。