南昌地鐵4號(hào)線列車永磁牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

敖斌、范英芝

（南昌軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司車輛中心，江西 南昌 330000）

0 引言

南昌地鐵4號(hào)線起點(diǎn)為白馬山站，終點(diǎn)為魚尾洲站，線路全長39.6km，設(shè)站29座，其中高架站4座、地下站25座，全線共配屬46列標(biāo)準(zhǔn)的B2型車，其中44列車采用傳統(tǒng)VVVF逆變器+異步電機(jī)的牽引系統(tǒng)，2列車采用VVVF逆變器+永磁電機(jī)的牽引系統(tǒng)。

1 車輛基本參數(shù)及性能要求

1.1 車輛基本參數(shù)

列車采用架空接觸網(wǎng)受電的供電方式，供電電壓額定值為DC1500V，再生制動(dòng)時(shí)網(wǎng)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(dòng)2拖6節(jié)編組形式，列車編組示意圖如圖1所示。

圖1 6節(jié)編組列車示意圖

1.2 車輛動(dòng)力性能

1.2.1 列車速度

最高運(yùn)行速度為80km/h，平均技術(shù)速度不低于55km/h（不含停站時(shí)間），平均旅行速度不低于35km/h（平均站停時(shí)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(tài)，額定電壓時(shí)，列車從0加速到40km/h不小于1.0m/s，從0加速到80km/h不小于0.6m/s。

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(tài)，列車從80km/h減速到停車時(shí)，最大常用制動(dòng)不小于1.0m/s，緊急制動(dòng)不小于1.2m/s。

1.2.4 列車制動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式

由電制動(dòng)（電阻制動(dòng)、再生制動(dòng)）和空氣制動(dòng)組成，優(yōu)先采用再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)，電制動(dòng)力不足時(shí)，由空氣制動(dòng)補(bǔ)充，上述三種制動(dòng)方式能自動(dòng)轉(zhuǎn)換、協(xié)調(diào)配合，并滿足制動(dòng)指令的要求。

1.2.5 列車故障運(yùn)行能力

超員（AW3）情況下，當(dāng)損失1/4牽引動(dòng)力時(shí)，列車仍然可以在35‰的坡道上起動(dòng)，并能以正常運(yùn)行方式完成當(dāng)天運(yùn)行；當(dāng)損失1/2牽引動(dòng)力時(shí)，列車仍然可以在35‰的坡道上起動(dòng)，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(yīng)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(yīng)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(tǒng)

永磁牽引系統(tǒng)是將直流電壓轉(zhuǎn)換成變頻變壓的三相交流電壓，用于控制永磁電機(jī)，使電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)列車的牽引和電制動(dòng)功能，滿足車輛動(dòng)力性能、故障運(yùn)行、救援能力，主要由主電路、牽引控制系統(tǒng)及其裝置組成。

2.1 主電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)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(dòng)電阻、永磁電機(jī)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(gè)部分組成，主要設(shè)備有隔離接地開關(guān)、高速斷路器、牽引變流器電抗器、牽引變流器模塊、內(nèi)部風(fēng)扇、傳感器等；牽引輔助箱安裝在M車，與牽引高壓箱的區(qū)別是將線路電抗器集成到箱體內(nèi)部，減少了單車重量。

圖2 永磁牽引系統(tǒng)主電路原理圖

牽引變流器模塊的最大直流網(wǎng)壓（停機(jī)）2000V，連續(xù)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(biāo)稱電壓2000V，額定電流1000A，脫扣電流1800A，分?jǐn)嗄芰?0kA/15ms；隔離接地開關(guān)最大供電電流1800A/30s，持續(xù)供電電流950A，車間電源供電模式持續(xù)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(nèi)置在牽引逆變模塊中的濾波電容一起構(gòu)成線路濾波器，線路濾波器防止由變流器所產(chǎn)生的諧波干擾接觸網(wǎng)。

2.1.3 制動(dòng)電阻

制動(dòng)電阻額定電壓值為DC1800V、標(biāo)稱阻值為4×3.6Ω，用于過壓保護(hù)和電制動(dòng)時(shí)消耗電網(wǎng)不能吸收的電制動(dòng)能量，對(duì)IGBT電壓進(jìn)行監(jiān)控以檢測(cè)主電路是否發(fā)生過壓保護(hù)故障，如果IGBT觸發(fā)命令與檢測(cè)到的電壓不匹配，將指示電路過壓保護(hù)故障。

2.1.4 永磁電機(jī)

永磁電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、端蓋、風(fēng)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(zhuǎn)子上安裝有永磁體材料，利用永磁體進(jìn)行勵(lì)磁，沒有異步電機(jī)的勵(lì)磁損耗，具有高效率、高功率因素、低噪音、體積小等優(yōu)點(diǎn)，不僅節(jié)能降耗，還能提高乘坐舒適度。

由于永磁電機(jī)是一種同步電機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)并聯(lián)控制，每臺(tái)永磁電機(jī)配置了1臺(tái)牽引變流器模塊進(jìn)行單獨(dú)控制，每臺(tái)電機(jī)設(shè)置電機(jī)斷路器，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，電機(jī)接觸器將斷開所有供電，并隔離相應(yīng)電機(jī)。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)特性

2.2.1 牽引/制動(dòng)特性曲線

經(jīng)計(jì)算，列車空載（AW0）、定員（AW2）和超員（AW3）工況下的牽引、制動(dòng)特性曲線如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 AW0牽引/電制動(dòng)力特性曲線

圖4 AW2牽引/電制動(dòng)力特性曲線

圖5 AW3牽引/電制動(dòng)力特性曲線

2.2.2 牽引/電制動(dòng)功率限制

經(jīng)計(jì)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(nèi)，才有牽引/電制動(dòng)功率輸出，見表1：

表1 各種電壓等級(jí)下牽引/電制動(dòng)的功率

2.2.3 列車運(yùn)行性能核驗(yàn)

經(jīng)核驗(yàn)，列車在超員情況下，平均技術(shù)速度57.3km/h＞55km/h，平均旅行速度41.58km/h＞35km/h，符合車輛設(shè)計(jì)性能要求。

經(jīng)核驗(yàn)，列車在定員情況下，0～40km/h加速度為1.03m/s＞1.0m/s，0～80km/h加速度為0.65m/s＞0.6m/s，符合車輛設(shè)計(jì)性能要求。

經(jīng)核驗(yàn)，列車在超員情況下，從80km/h減速到停車時(shí)，最大常用制動(dòng)的平均減速度為1.18m/s＞1.0m/s，緊急制動(dòng)的平均減速度不小于1.31m/s＞1.2m/s，符合車輛設(shè)計(jì)性能要求。

經(jīng)核驗(yàn)，列車的故障運(yùn)行能力和坡道救援能力，均能滿足設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)最大坡道處運(yùn)行要求。

2.3 牽引控制系統(tǒng)

2.3.1 牽引控制設(shè)備

牽引控制系統(tǒng)分為列車級(jí)和系統(tǒng)級(jí)控制兩個(gè)層級(jí)。列車級(jí)控制由列車控制管理系統(tǒng)（TCMS）中的中央處理單元（VCU）實(shí)現(xiàn)，根據(jù)每個(gè)電機(jī)軸的速度來計(jì)算列車的速度，給牽引輔助軟件單元（PSW）發(fā)送牽引/制動(dòng)力參考值，變流器的每個(gè)獨(dú)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(cè)實(shí)際狀況；系統(tǒng)級(jí)控制由PSW、牽引控制單元（MCCD）、交換單元（I/O）、數(shù)字量輸入輸出單元（DX2）四個(gè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，PSW是在MCCD裝置上獨(dú)立運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)功能，與TCMS的控制命令、狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)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(wǎng)進(jìn)行故障診斷；通過DX2端口，每個(gè)獨(dú)立的牽引控制包能夠獲得備用模式的指令，當(dāng)TCMS失效時(shí)，通過DX2端口來控制列車(見圖6)。

圖6 牽引控制拓?fù)鋱D

2.3.2 牽引控制邏輯

MCCD采用動(dòng)態(tài)定子磁通定向轉(zhuǎn)矩控制的方法，從列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)獲得牽引/制動(dòng)力的參考，牽引變流器的IGBT控制脈沖采用優(yōu)化的PWM控制方案，為避免牽引過程中線電壓的崩潰，系統(tǒng)將進(jìn)行功率限制。在牽引/制動(dòng)過程中，防滑/防空轉(zhuǎn)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(dòng)力是來自于司機(jī)或是ATO系統(tǒng)，通過BCU或TCMS的I/O單元讀取或者ATO通過TCMS進(jìn)行傳送。在電制動(dòng)過程中，BCU將動(dòng)車制動(dòng)力參考分解并發(fā)送給PSW/MCCD（每個(gè)動(dòng)車變流器），MCCD不斷地將可用的制動(dòng)傳送給PSW，PSW通過TCMS的MVB網(wǎng)絡(luò)將這個(gè)值傳送給BCU，以便于在需要混合制動(dòng)時(shí)更好的使用。

當(dāng)TCMS故障時(shí)，牽引系統(tǒng)能在備用模式下進(jìn)行工作，主司控器提供了一套安裝在整個(gè)列車長度方向上的二進(jìn)制列車線，所有牽引控制的子系統(tǒng)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(dòng)、牽引力（2位）等。

3 結(jié)語

南昌地鐵4號(hào)線列車首次引進(jìn)永磁牽引系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，該永磁牽引系統(tǒng)采用了先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，經(jīng)設(shè)計(jì)選型、仿真計(jì)算和相關(guān)型式試驗(yàn)驗(yàn)證，整體性能優(yōu)良、牽引能耗低，系統(tǒng)可靠性較高。