哈爾濱地鐵2號線車輛永磁牽引系統應用研究

姜宇

（哈爾濱地鐵集團有限公司，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

哈爾濱地鐵2 號線于2021 年9 月19 日載客試運營，配屬車輛36 列，采用B2 型車鋁合金車體，DC 1500V 供電制式，4M2T 編組形式，最高運行速度80km/h。目前已載客運營車輛30 列，其中2 列車配置永磁牽引系統，累計運營里程超過23 萬km。為切實掌握永磁和異步牽引系統在哈爾濱運營線路上的節能效果，進一步降低運維成本，對永磁和異步牽引系統車輛的能耗情況進行跟蹤。

1 永磁和異步牽引系統差異

1.1 控制原理差異

1.1.1 異步牽引系統

采用傳統VVVF 直—交流逆變+三相鼠籠異步牽引電機的車控方式，即每車由1 臺牽引變流器驅動4組IGBT 單元（3 組用于牽引逆變，1 組用于制動斬波）動作，牽引控制單元DCU 按照既定牽引/制動特性曲線，輸出三相可調電壓、頻率，實現對牽引電機的轉速和轉矩的控制。

1.1.2 永磁牽引系統

與異步牽引系統控制方式相比（見圖1），永磁牽引系統的主要差異在電機永磁體的特性上。永磁牽引系統采用軸控方式，解決由于車輛輪徑差值不同，電機定子頻率不同，電機速度無法同車輛速度一致的問題。

圖1 哈爾濱地鐵2 號線永磁牽引原理圖

永磁牽引電機與變流器之間配置對應數量的隔離接觸器，避免在系統制動過程中牽引電機無法關斷反向電動勢對系統造成影響，保證在電機故障模式下車輛的安全運行。

1.2 主要設備選型差異

1.2.1 牽引逆變器

與上文介紹的控制方法不同，永磁牽引系統選用2 套功率模塊，驅動4 組雙管500A 容量IGBT 模塊變流，異步牽引系統選用1 套功率模塊，驅動1 組1500A容量IGBT 模塊變流，前者采用強迫風冷，負載側單獨設置三相隔離接觸器，后者采用自然冷卻（液態水冷）方式，不單獨設置隔離接觸器[1]。

1.2.2 牽引電機

與傳統的異步電機相比，由于車輛編組形式相同，各套系統的電機功率均選用190kW。不同處在于永磁牽引電機具有高功率密度、高效率、低損耗等技術特點，永磁牽引電機為全封閉結構，相比異步牽引電機體積小，重量輕。永磁和異步牽引系統設備選型差異對比見表1。

表1 永磁和異步牽引系統設備選型差異對比

1.3 性能分析

1.3.1 牽引制動能力

按照哈爾濱地鐵2 號線車輛技術規格書的要求，永磁牽引系統的平均加速度、制動減速度、故障救援運行能力與異步牽引系統的技術要求保持一致。為驗證永磁牽引系統車輛的實際性能指標，在車輛廠內調試階段，分別對永磁和異步牽引系統的性能進行型式試驗。試驗數據的主要結果見表2。

表2 永磁和異步牽引系統型式試驗記錄

綜合試驗數據結論，對比車輛技術規格書的規定，永磁牽引系統的總體性能指標均滿足運行要求[2]。

1.3.2 電機溫升

選取不同牽引系統EDRM 記錄的電機溫升進行對比。在相同工況下（從車輛早出庫運營-到晚回庫結束運營，全天16h 的運營數據），根據數據采樣結果（見圖2），永磁牽引電機的平均溫升最高不超過50℃，異步牽引電機的平均溫升最高不超過80℃。永磁牽引電機溫升均在正常運行范圍內，在相同工況下溫升均低于異步電機溫升[3]。

圖2 永磁和異步電機溫升曲線

1.3.3 電機噪聲

電機噪聲主要源于電磁噪聲、機械噪聲和通風噪聲三個方面。由于永磁牽引電機轉子表面開槽，依據永磁和異步牽引電機相關的型式試驗報告測試結果，永磁牽引電機的平均噪聲比異步牽引電機低，0～1900r/min 平均降 低5.5dB(A)，1900～3500r/min 平均降低0.1dB(A)。全封閉結構使永磁牽引電機噪聲更低，尤其是在低速階段可有效提高乘客的舒適性[4]。

2 永磁牽引運用情況

2.1 能耗統計

選取2 列永磁車（0229—0230）和異步車（0201—0228）對運營1 年的能耗情況進行跟蹤，每月定期對每列車EDRM 記錄的牽引、再生、輔助、總能耗進行統計，見表3。

如表3 能耗數據匯總得知，永磁牽引系統的牽引能耗普遍低于異步牽引系統，再生能耗高于異步牽引系統。 經估算，永磁牽引系統的牽引凈能耗為4.25kW·h/(列·km)，再生率為0.55，異步牽引系統的牽引凈能耗系統為6.56kW·h/(列·km)，再生率為0.42，結論：牽引系統的節能率約35%（忽略輔助系統能耗），永磁牽引系統的節能率均高于異步牽引系統。

表3 永磁和異步牽引系統能耗數據單位：kW·h/（列·km)

2.2 維護量對比

永磁和異步牽引系統最主要的區別在于牽引逆變器和牽引電機。依據各系統檢修規程的規定，牽引逆變器日常清潔維護的工作量基本相同，由于逆變器的結構不同，主要區別是更換內部部件，如IGBT 單元等。牽引電機維護工作的主要區別：其一，由于結構差異，異步牽引電機采用開啟式結構，永磁牽引電機采用封閉式結構，減少了架修、大修周期內對電機定子與轉子表面的吹灰、清洗等維護的工作量。其二，永磁牽引電機內部無須濾塵器，維護時只需對網板及風道進行簡單的處理即可。異步牽引電機采用濾塵器過濾進入電機內部的冷卻空氣，濾塵器的構造復雜，濾網細密，維護時需要拆卸濾塵器的濾網進行沖洗。架修時，需將濾塵器整體卸下，清潔、除塵及檢查各構件的狀態，更換濾網脫落的濾塵器等。其三，由于兩種電機的原理及配置不同，在架修及大修時，需要對電機進行的試驗及檢驗項目也有所不同，永磁牽引電機在架修可省去堵轉、空轉等試驗[5]。

3 預期經濟效益

按照目前能耗數據統計及實際運營圖，每列車年平均運營里程約12 萬km，異步牽引系統凈能耗為6.56kW·h/(列·km)，電費按0.7 元/（kW·h)計算，一列異步車每年電費約為55.4 萬元，按照永磁牽引系統節能率35%估算，一列永磁車每年可節約電費約19.4萬元，若按車輛30 年全壽命周期計算，一列永磁車30年節約電費約582 萬元[6]。

4 結語

綜上所述，哈爾濱地鐵2 號線運營1 年后，對永磁和異步車輛牽引車輛的能耗數據、故障率、維修效率、運行指標等各方面進行綜合對比，永磁牽引系統基本滿足哈爾濱現場運營環境的實際需求，下一步將繼續對其系統運行的可靠性進行考核評估。為實現國家“雙碳”目標及中國城市軌道交通協會倡導綠色城軌方案的行動部署，考慮將永磁牽引系統在后續新線項目中逐步推廣實施。