高速磁浮系統(tǒng)能耗與效率分析

高信邁，張志強，鄭景文

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

軌道交通作為最經(jīng)濟、最節(jié)能和最環(huán)保的公共交通方式，一直以降低系統(tǒng)能耗、提高系統(tǒng)效率為主要目標。隨著輪軌車輛逐漸接近理論運行速度，進一步提速幾乎不可能，而利用磁懸浮無接觸的高速磁浮列車具有突破速度限制的潛力。目前我國已經(jīng)擁有上海高速磁懸浮示范線、長沙機場磁懸浮線、北京S1線、清遠線和鳳凰旅游線[1]。除上海示范線外，其余均為中低速磁懸浮線路。基于影響軌道交通能耗和效率的因素，本文通過能量傳輸路徑分析了能耗與效率的關系，分別對高速磁懸浮、輪軌和中低速磁懸浮系統(tǒng)的牽引電機、牽引架構及車輛阻力進行了比較分析。不同牽引電機及牽引架構對應不同運行速度和能量需求，感應直線電機[2-4]因其效率和功率因數(shù)在系統(tǒng)中不占優(yōu)勢，但采用同步直線電機[5-6]的高速磁浮將勵磁與牽引電流分離，獲得不錯的牽引效率。最后，通過對比，在相同速度下高速磁浮與輪軌人均能耗相當，高速磁浮擁有更高速度運行的能力，高速運行時，效率進一步提高。

1 軌道交通能量傳遞路徑

電氣化軌道交通系統(tǒng)將電能轉化為列車的高速動能和克服車輛阻力的機械能。將公網(wǎng)電能通過專用輸電網(wǎng)絡連接到牽引變電站和接觸網(wǎng)，車輛配置受電弓，將高壓電引入車輛饋電傳輸網(wǎng)絡、牽引變流器和牽引電動機實現(xiàn)驅動列車，如圖1所示。系統(tǒng)能耗主要包括能量傳輸損耗和車輛阻力能耗。牽引供電系統(tǒng)損耗主要包括變電所和饋線網(wǎng)絡的輸變電損耗、車載牽引設備損耗和輔助設備能耗。車輛阻力能耗至少包含機械傳動摩擦能耗和行駛阻力能耗。

圖1 軌道交通能量傳遞路徑示意圖

式中：Esys_mc，Ep_loss，Ev_c分別為磁懸浮系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和運行阻力的能耗；Esys_rc，Efri_c分別為軌道系統(tǒng)能耗和摩擦阻力能耗；Fopti_r為車輛運行的阻力。

高速磁浮采用非接觸式電磁直驅方式牽引，系統(tǒng)能量的傳輸和轉換均在地面完成。由于供電方式不同，高速磁浮能量損耗和輪軌系統(tǒng)也不同。主要有2個區(qū)別：①高速磁浮系統(tǒng)沒有滾動摩擦和機械傳動損耗；②輪軌系統(tǒng)采用集中式牽引驅動電機，高速磁浮牽引驅動電機遠大于列車長度。

車輛阻力和能量傳輸效率是車輛能耗的決定性因素。在高速軌道交通中，車輛阻力能耗是系統(tǒng)能耗的主要組成部分，牽引供電系統(tǒng)需要滿足車輛能源需求，其效率間接影響系統(tǒng)能耗。不同的牽引架構具有不同的能量傳輸模式、傳輸容量和效率。減小車輛阻力可以減少車輛運行所需的能量。提高牽引供電系統(tǒng)及其部件的效率可以提高軌道交通系統(tǒng)的能量傳輸能力和效率，兩者都可以降低系統(tǒng)能耗。

2 不同速度等級下高速磁浮系統(tǒng)效率

目前，磁懸浮列車主要分為高速磁懸浮列車和低速磁懸浮列車。其牽引系統(tǒng)結構和牽引電動機截然不同。

2.1 異步感應電動機

用于輪軌車輛牽引電動機的旋轉異步電動機由硅鋼定子、電樞（由分布式多匝雙層銅繞組組成）、轉子（由短路自閉鑄鋁導體和軟磁鋼組成）和支撐轉子的機械軸承組成。中低速磁懸浮一般采用短定子異步直線電機。短定子屬于車載設備，由硅鋼片壓制堆疊定子鐵芯和多匝雙層銅繞組組成。次級反應板沿軌道鋪設，由鋁板和軟磁鋼板組成。

定子繞組由交流變流器供電，通過車載三相變流器產生旋轉磁場。轉子的感應電流和磁場由交變定子磁場產生。基于轉子旋轉頻率的感應磁場與旋轉磁場相對靜止。通過這種方式，提供了穩(wěn)定的轉矩并保持了電機的穩(wěn)定旋轉。從圖2可以看出，感應電機勵磁電流和等效轉子電流的矢量和等于定子繞組電流。保持輸出功率不變，氣隙越大，需要的勵磁電流越大，勵磁電流占定子電流的比例越高，即功率因數(shù)越低。勵磁電流是建立電機氣隙磁場的電流，不會直接轉換功率，但其通過定子繞組饋入電機，也會導致定子銅損失，即電機效率低，如圖3所示。當電機的氣隙磁場保持恒定時，滑差率越大，轉子電流越大，效率和功率因數(shù)越低，如圖4所示。

圖2 異步感應電機等效電路

圖3 異步感應電機氣隙特性

圖4 異步感應電機滑差特性

異步旋轉感應電動機與異步直線感應電動機的區(qū)別：①普通異步感應電動機的工作氣隙僅為0.5～2 mm，中低速磁懸浮異步直線電動機的工作間隙為8～13 mm。②一般異步感應電動機的轉差率為0.02，中低速磁懸浮的轉差為0.2，即磁懸浮直線異步電動機的轉子電流和磁場頻率更高。③直線電機磁路開路，端極磁場泄漏嚴重，端部電樞繞組不對稱，降低了電機效率。

基于間隙配合、機械裝配誤差和安全性等要求，磁懸浮異步直線感應電動機的氣隙遠大于旋轉異步電動機，一般為8～13 mm，中低速磁懸浮異步直線感應電動機的功率因數(shù)和效率都比旋轉異步電動機差。

2.2 同步電機

永磁旋轉同步電機或電勵磁線性同步電機的等效電路如圖5所示。同步電動機的功率因數(shù)取決于電動機端電壓和反電勢之間的幅度差，即可以通過調節(jié)勵磁電流來調節(jié)同步電動機的電源因數(shù)。

圖5 同步電機等效電路

永磁同步電機由具有硅鋼定子和雙層集中銅繞組的電樞、帶有軟磁鋼的嵌入式永磁轉子和支撐轉子的機械軸承組成。轉子上的永久磁鐵可以等效于電路中的勵磁電流。高速磁懸浮長定子同步直線電機的長定子沿軌道左右兩側布置，由層壓硅鋼片和單匝波鋁繞組組成；磁極屬于車載設備，由硅鋼片和多匝鋁箔繞組組成。由永磁體或電勵磁產生的轉子勵磁產生主磁極磁場。將與磁極位置相關的三相交流電引入定子電樞繞組，形成旋轉磁場或行波磁場，與主磁極磁場相互作用，產生牽引力矩或牽引力，實現(xiàn)車輛運行。

從等效電路和同步電動機的特性可知，勵磁電流隨著間隙的增大而增大。保持輸出功率不變，定子電流和功率因數(shù)與氣隙無關。由于勵磁功率的增加，電機效率略有下降，如圖6所示。對于高速磁懸浮同步直線電機，單車牽引功率約為4.2 MW，勵磁功率為80 kW。勵磁損耗占牽引傳輸功率的一小部分。與旋轉永磁同步電機相比，高速磁懸浮直線同步電機的主要區(qū)別在于氣隙為8～12 mm，遠大于一般約2 mm的旋轉永磁同步電機。

圖6 同步電機氣隙特性

中低速磁懸浮采用短定子感應直線電機，高速磁懸浮采用長定子同步直線電機。兩者的工作氣隙均為8～13mm，但氣隙對其影響明顯不同。

短定子直線感應電機的主極磁場和轉子無功電流磁場的磁阻都隨著氣隙的增加而增加，并且主極磁場電流和轉子磁場電流都由電機定子繞組電流提供。當氣隙增大或滑移率增大時，定子電流中的無功分量大大增加，導致短定子直線感應電機的功率因數(shù)和效率嚴重下降。

直線同步電機氣隙增大導致轉子勵磁電流增加，但與定子電流無關。電動機的功率因數(shù)可以通過調節(jié)勵磁電流來調節(jié)，并且電動機的勵磁功率與電動機的傳輸功率的比例很小，這對效率的影響有限。4種軌道交通不同制式牽引驅動電機性能比較表，見表1。4種不同電機損耗和性能的定性比較，見表2。

表1 4種軌道交通不同制式牽引驅動電機性能比較

表2 4種軌道交通不同制式牽引驅動電機損耗和性能的定性比較

2.3 牽引系統(tǒng)架構

不同軌道車輛的牽引系統(tǒng)的供電結構有很大不同，牽引供電系統(tǒng)為車輛所需的能量提供傳輸通道。車輛的速度水平和阻力決定了車輛運行時的供電水平，牽引系統(tǒng)架構決定了供電能力和系統(tǒng)效率。

2.3.1 高速動車組的供電架構

由圖7可知，高速動車組牽引電源從110 kV公共電網(wǎng)引入牽引變電所，通過接觸網(wǎng)沿軌道供電。該路段的車輛由受電弓移動提供動力。單相25 kV高壓電源通過高壓接線柜、牽引變壓器和牽引變流器為三相牽引電動機提供變壓變頻電源。牽引電機與變速箱軸相連，實現(xiàn)輪對牽引車輛的機械驅動。牽引供電網(wǎng)絡可滿足8節(jié)編組或16節(jié)編組列車350 km/h的要求。根據(jù)牽引電動機的功率，牽引供電系統(tǒng)應能提供23.5 MVA以上的能量傳輸通道。

圖7 高速動車組牽引供電系統(tǒng)架構

2.3.2 中低速磁懸浮牽引架構

中低速磁浮牽引供電系統(tǒng)架構如圖8所示，供電電源從35 kV配電網(wǎng)引入，經(jīng)整流成1 500 V直流電源，通過供電軌或受電弓移動饋電至車輛。車輛設置牽引變流器、輔助變流器將直流電源變換為指定的交流電源。牽引變流器給牽引電機供電；輔助變流器為懸浮及車載設備供電。磁浮車輛采用直線電機直接驅動，為提高車輛加速能力提供了可能，但是因懸浮控制的精度及系統(tǒng)安全的要求，懸浮間隙一般在8~13 mm，為提高電機能量傳輸效率，轉差頻率一般比旋轉電機高，兩者降低了牽引電機的功率因數(shù)和牽引效率。中低速磁浮牽引供電容量遠大于車輛牽引功率，故該類型的軌道牽引功率因數(shù)低，效率也不高。

圖8 中低速磁浮牽引供電系統(tǒng)架構

2.3.3 高速磁懸浮牽引架構

高速磁懸浮牽引的供電能量傳輸路徑在地面。動子的勵磁磁場與懸浮一起使用。車載磁極提供懸浮力，同時實現(xiàn)同步線性電機的勵磁。高速磁浮牽引供電系統(tǒng)架構如圖9所示。高速磁懸浮牽引電源來自公共110 kV電網(wǎng)，將通過主變電站提供35 kV電源，形成35 kV電源環(huán)網(wǎng)、牽引輸入變壓器、牽引變流器、牽引輸出變壓器和牽引線性電機。車載懸架引導和其他設備的電力由諧波線性發(fā)電機產生，以向車輛供電，從而增加車輛牽引阻力。牽引線性電機沿軌道分段供電。車輛的定子部分需要整體電源，這導致了電源阻抗較大，電機功率因數(shù)和效率比旋轉同步電機更低。高速磁浮運行目標為600 km/h，5節(jié)編組列車的牽引電機應保持96 MVA的輸電能力。

圖9 高速磁浮牽引供電系統(tǒng)架構

電機結構對電機效率有著重大影響，車輛需求的功率等級和軌道型式?jīng)Q定了采用何種牽引電機。不同軌道牽引供電架構效率比較見表3。

表3 不同軌道牽引供電架構效率比較

1）磁浮直線電機氣隙（8~13 mm）較旋轉電機氣隙（1~3 mm）大。異步感應電機對氣隙增大比較敏感，受影響較大。同步電機對氣隙增大不敏感，僅對勵磁電流比較敏感，電機效率及電機功率因數(shù)影響不大。

2）電力驅動的軌道列車能量自公網(wǎng)接入牽引變電所，經(jīng)饋電線路、變壓器和變流器至牽引電機轉換為機械力的基本途徑差異不大。

3）不同牽引供電架構的供電能力差異較大，對應驅動車輛運行速度存在較大差異。

4）牽引電機在供電架構中均是損失能量占比最大的部件，提升牽引電機的效率對提升牽引系統(tǒng)效率作用明顯。

3 運行阻力

輪軌和高速磁浮系統(tǒng)車輛在支撐、導向和牽引實現(xiàn)的方式存在顯著差異，其車輛運行中的阻力及阻力成分存在較大差異。車輛阻力主要包括行駛阻力和加速阻力，對于干線運輸影響車輛能耗的主要為行駛阻力。行駛阻力中，對于輪軌車輛相關的阻力主要包括滾動阻力、空氣可變阻力（車輛氣路、空調排風等）和氣動阻力；對于高速磁浮列車相關的阻力主要為發(fā)電阻力、磁化阻力和空氣阻力。

3.1 輪軌車輛阻力構成

輪軌車輛中行駛阻力主要有與速度無關的相對恒定的滾動阻力、與運行速度相關的空氣脈沖阻力和與速度平方相關的氣動阻力，如圖10所示。隨著速度的升高，氣動阻力占比急劇上升，如圖11所示。影響氣動阻力的主要因素有頭車、尾車及列車表面平滑度等。在高速列車中為了降低車輛氣動阻力針對頭型進行流線設計，表面進行平滑處理。

圖10 輪軌車輛阻力構成

圖11 高速動車組平直道高速運行阻力占比

3.2 高速磁浮車輛阻力構成

常導高速磁浮列車的阻力有與速度倒數(shù)相關的車載負荷供電阻力、與速度均方根成正比的磁化阻力和與速度平方成正比的氣動阻力，如圖12所示。同輪軌車相似的情況，隨著速度的增加，氣動阻力占總阻力的比例上升，如圖13所示。同樣為了降低車輛氣動阻力，對頭車車型及車輛表面進行優(yōu)化處理。

圖12 常導高速磁浮車輛阻力構成

圖13 常導高速磁浮350 km/h運行時阻力占比

常導高速磁浮與高速輪軌運行阻力與速度的關系圖，如圖14所示。圖中高速輪軌車輛為8節(jié)編組，高速磁浮車輛為5節(jié)編組。高速磁浮在車載發(fā)電機未投入工作時，車輛阻力低于輪軌車輛。當運行速度大于100 km/h后車載發(fā)電機投入運行，因要滿足車載設備載荷且車輛運行速度較低，發(fā)電阻力占比較大。隨著速度的提升，氣動阻力和磁化阻力增加，發(fā)電阻力下降，其占比關系發(fā)生顯著變化。在車輛高速運行時，輪軌車輛氣動阻力超過80%，磁浮車輛的氣動阻力占比也達到76%，因此對車輛頭型及表面進行優(yōu)化是降低車輛能耗的主要措施。這些減阻技術措施與輪軌還是磁浮制式無關。600 km/h高速磁浮在動車車型設計的基礎上優(yōu)化而成，600 km/h高速磁浮列車相對于既有的動車車輛，其同等速度下氣動阻力有所下降。

圖14 常導高速磁浮與高速輪軌運行阻力與速度的關系

4 能耗組成及占比

為直觀地比較高速輪軌與高速磁浮能耗及各部分占比，參考8節(jié)編組標準動車組各阻力和動車組牽引供電系統(tǒng)效率仿真計算了350 km/h速度下運行1 000 km對應的系統(tǒng)能耗，結果如圖15所示。同時，計算了高速磁浮8節(jié)編組列車按350 km/h速度運行1 000 km對應的系統(tǒng)能耗，結果如圖16所示。按照相同速度及線路條件下仿真計算輪軌與磁浮系統(tǒng)，高速磁浮系統(tǒng)能耗略優(yōu)于輪軌，約為99.2%。

圖15 動車組350km/h運行1 000 km系統(tǒng)能耗

圖16 高速磁浮350km/h運行1 000 km系統(tǒng)能耗

5 結論

低能耗、高效率一直是軌道交通裝備追求的目標之一。能耗是不同速度級的列車為達到期望運營目標而消費的能量，通常以人均百公里能耗作為軌道車輛的節(jié)能降耗狀況的直接評價指標。低能耗是綠色節(jié)能交通追求的直接目標。效率是系統(tǒng)傳遞或變換能量時，有效傳遞或變換能量與系統(tǒng)輸入總能量的比值，是直接評價系統(tǒng)利用能量的技術水平指標，是間接反映系統(tǒng)節(jié)能水平的指標。

1）降低系統(tǒng)能耗是軌道交通追求的最終目標，也是評判不同制式絕對節(jié)能水平的唯一直接指標，效率是評價能量利用水平的指標，是評判系統(tǒng)節(jié)能水平的相對的、間接的指標。

2）大容量直驅的直線同步牽引系統(tǒng)效率略低于輪軌旋轉異步電機牽引系統(tǒng)效率。

3）按350 km/h運行，高速磁浮系統(tǒng)能耗與輪軌系統(tǒng)能耗相當。

4）采用何種形式的牽引電機，取決于車輛空間、運行速度、加速要求、車輛阻力和系統(tǒng)效率等多種因素。