永磁牽引技術在南京地鐵9號線列車上的應用可行性分析

李 棟

(中鐵上海設計院集團有限公司,200042,上海)

0 引言

相比于傳統的異步牽引系統,永磁同步牽引系統在列車牽引能耗、列車再生制動能量、電動機運行噪聲、電動機維護等方面具有明顯的優勢,尤其是在列車運營能耗方面的優勢較大。但由于永磁同步牽引電動機(以下簡稱“永磁電機”)的市場價格略高于異步牽引電動機(以下簡稱“異步電機”),永磁同步牽引系統額外配置了隔離接觸器箱,且采用軸控控制方式,導致永磁電機的全壽命周期系統維護成本較高。相同動力配置下,永磁同步牽引系統的成本高于異步牽引系統,即所謂的“節能但不省錢”,這為永磁同步牽引系統的市場推廣帶來了一定的阻力。

本文比較了永磁同步牽引系統與異步牽引系統的系統配置、運行能耗和維護成本,并以南京地鐵9號線為例,結合其工程特點、車輛批復及招投標實際情況,針對采用永磁同步牽引系統引起的列車單價提升、維保費用增加等問題,基于本線最大坡度未達到30‰且均為地下線的情況,提出適當減小列車動力配置單元的改進措施,在保障故障運行能力和救援能力的前提下,降低購置成本和維護費用,達到“既節能又省錢”的目的,使本線應用永磁同步牽引系統具備了可行性。

1 工程概況

南京地鐵9號線一期工程是線網西北方向的局域線,工程北起紅山新城站,南至江蘇大劇院·憲法廣場站,途經玄武區、鼓樓區及建鄴區3個行政區。線路全長為19.677 km,共設車站16座,全部為地下線,線路最大坡度為29.896‰。

根據初步設計批復,列車采用6節編組B型車(4動2拖,以下簡稱“4M2T”),直流1 500 V架空接觸網供電方式,最高運行速度為80 km/h。全線初期、近期、遠期配屬車分別為20列、56列、69列,批復概算為650萬元/輛。

2 永磁同步牽引系統與異步牽引系統差異分析

2.1 系統配置對比

永磁同步牽引系統與異步牽引系統配備相同的受電弓、高壓電器箱、濾波電抗器和接地裝置,其設備安裝形式也完全相同。二者的主要差異為永磁同步牽引系統使用永磁電機,并在牽引逆變器與永磁電機之間設置有隔離接觸器,用于牽引電機與牽引系統的隔離保護。

以4M2T列車為例,永磁同步牽引系統和異步牽引系統對比如表1所示。由系統差異引起的車輛單價差異約為20%。

表1 永磁同步牽引系統和異步牽引系統對比

2.2 列車運行仿真能耗對比

列車運行仿真模擬是根據設計線路縱斷面、列車牽引特性、供電特性、列車阻力特性、牽引網電壓及運營組織要求等資料,仿真各運營階段全線列車的運行狀態。根據采用永磁電機的4M2T列車資料和南京地鐵9號線線路資料及行車組織資料,采用永磁電機和異步電機的4M2T列車運行仿真能耗對比如表2所示。

表2 采用永磁電機和異步電機的4M2T列車運行仿真能耗對比

相較于采用異步電機的4M2T列車,采用永磁電機的4M2T列車牽引單位能耗降低了4.3%,給電能耗降低了約4.3%,再生能量增加了約5.0%。按照全日行車計劃,采用永磁電機的4M2T列車方案全年可節約牽引能耗約2.58×106kWh。

2.3 維護成本對比

4M2T列車的永磁同步牽引系統和異步牽引系統的設備箱配置一致,但永磁同步牽引系統的牽引變流器IGBT模塊規格及數量、逆變電路數量、輸出隔離接觸器均有所增加。由此引起的牽引系統維護內容和成本也會有所不同,主要表現為兩種牽引電機和牽引逆變器在全壽命周期內的檢修項目、工時、物料成本均有所差異。永磁電機和異步電機工時及物料成本對比如表3所示。全壽命周期(按30年計)內永磁電機維護工時為935 h,物料成本為81 500元,而異步電機維護工時為1 140 h,物料成本為99 900元。永磁同步牽引逆變器的全壽命周期維護工時為914 h,物料成本為1 053 000元。異步牽引逆變器的全壽命周期維護工時為919 h,物料成本為595 400 元。

表3 永磁電機和異步電機工時及物料成本對比

對于一列4M2T列車而言,采用永磁電機與永磁同步牽引變流器的列車全壽命周期維護工時為8 616 h,物料成本為5 516 000元,采用異步電機與異步牽引變流器的列車全壽命周期維護工時為11 916 h,物料成本為3 980 000元。由此可知,采用永磁電機與永磁同步牽引變流器的4M2T列車的全壽命周期維護工時能夠降低3 300 h,但其物料成本增加了1 536 000元。將維護工時按50元/h 折算成總成本后進行對比,采用永磁電機與永磁同步牽引變流器的4M2T列車的總維護成本增加了1 371 000元。

3 4M2T和3M3T(3動3拖)永磁同步牽引系統對比

對于6節編組的地鐵列車而言,4M2T是主流的動力配置方式,可以更好地滿足地鐵列車牽引制動的需求,尤其適應列車故障救援時的牽引要求。根據文獻[1],3M3T列車配置的永磁同步牽引系統,在列車性能上完全能夠達到4M2T 列車的配置要求。

為了降低采用永磁同步牽引系統4M2T列車的購置成本和維保費用,本文結合南京地鐵9號線線路特點,提出將4M2T列車改為3M3T列車的編組方案,以達到經濟節能的目的。

根據南京地鐵9號線的線路參數,在干燥、清潔的平直軌道上,在AW2(滿座+6人/m2,額定載荷)工況、額定接觸網電壓及車輪半磨耗狀態下,采用4M2T和3M3T編組方案的列車牽引制動性能對比如表4所示。采用3M3T編組方案的列車平均啟動加速度和電制動減速度均有所降低,牽引黏著系數和電制動黏著系數均有所增加,表明牽引制動性能有所下降。鑒于南京地鐵9號線均為地下站,線路運行不存在極端惡劣天氣工況,故其空轉打滑風險可控。此外,南京地鐵9號線的最大坡度小于30‰,3M3T編組列車的故障運行性能和救援能力也都滿足相應的要求,因此本線采用3M3T具備可行性。

表4 采用4M2T和3M3T編組方案的列車牽引制動性能對比

采用永磁同步牽引系統的3M3T編組列車的全壽命周期維護工時為15 525.8 h,物料成本為3 687 400元。采用異步牽引系統的4M2T編組列車全壽命周期維護工時為23 519.6 h,物料成本為3 967 000元。由此可知,采用永磁同步牽引系統的3M3T編組列車的全壽命周期維護工時能夠降低7 993.8 h,物料成本降低了279 600元。將維護工時按50元/h 折算成總成本后進行對比,一列采用永磁同步牽引系統3M3T編組列車的全壽命維護成本能夠降低約68萬元。

4 結語

永磁電機具有節能、環保等優點,符合目前低碳、綠色發展政策,未來勢必會在軌道交通牽引傳動系統中獲得較為廣泛的應用。永磁同步牽引系統能夠有效降低列車的運營能耗,但由于增加了牽引逆變器模塊和三相隔離接觸器等設備,使得列車購置成本及維護成本有所增加。鑒于此,在既定線路條件下,本文通過仿真研究發現,3M3T編組列車在牽引制動、故障運行性能和救援能力方面均能滿足南京地鐵9號線的運營要求,且其全壽命維護成本也相對較低,為永磁同步牽引系統的推廣應用提供了思路。

由于種種原因,南京地鐵9號線最終未采用永磁同步牽引系統,但本文提出的通過改變動力配置的方式來平衡成本和效益,為推廣應用永磁同步牽引系統提供了可行性思路。假以時日,永磁同步牽引系統的應用必將帶來更多的經濟和社會效益。