基于碳化硅及永磁電機(jī)技術(shù)的新型城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)研究

裴建紅

（西安中車(chē)永電捷通電氣有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

自1990年以來(lái)，中高壓絕緣柵雙極型晶體管（In‐sulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和交流傳動(dòng)控制技術(shù)推動(dòng)著我國(guó)對(duì)IGBT逆變器和三相異步電機(jī)牽引方式的應(yīng)用。時(shí)至今日，IGBT器件的功率密度實(shí)現(xiàn)了4倍的增長(zhǎng)，仍具備廣闊的提升空間，但從性能上來(lái)看，IGBT器件性能的發(fā)展已趨近極限。所謂全SiC，就是指開(kāi)關(guān)元件和反向并聯(lián)二極管都是以碳化硅為材料，混合SiC就是指僅反向并聯(lián)二極管采用SiC。當(dāng)前，以碳化硅為基礎(chǔ)的SiC變流器憑借其效率高、輸出功率強(qiáng)、系統(tǒng)體積小、冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，成為一種面向未來(lái)的電力電子半導(dǎo)體材料，隨著大功率3 300 V全SiC和混合SiC功率器件的逐步推出和試驗(yàn)應(yīng)用，發(fā)展新一代節(jié)能型、小型化、輕量化的變流器裝置成為可能。

現(xiàn)階段，永磁材料應(yīng)用日趨成熟，我國(guó)開(kāi)始高度重視高效能的永磁同步電機(jī)牽引，國(guó)內(nèi)的軌道交通車(chē)輛牽引供應(yīng)商逐步進(jìn)入永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)的工程化和商業(yè)化應(yīng)用階段。和三相異步電機(jī)對(duì)比，永磁同步牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子雖然成本花費(fèi)較高、存在退磁和損毀的缺陷、需要安設(shè)電機(jī)接觸器硬件和軟件功能才能實(shí)現(xiàn)功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但具備轉(zhuǎn)子損耗小、效率高、輕量化、噪聲低和高功率密度等優(yōu)勢(shì)，能夠顯著節(jié)約牽引能耗。

1 西安地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)概況

1.1 概述

在國(guó)家軌道交通設(shè)備節(jié)能技術(shù)發(fā)展政策和要求的指導(dǎo)下，西安中車(chē)永電捷通電氣有限公司聯(lián)合西安市地下鐵道有限責(zé)任公司在西安地鐵既有車(chē)平臺(tái)上進(jìn)行了永磁牽引系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，更換一列車(chē)其中一輛（M車(chē)）的牽引系統(tǒng)，包括一臺(tái)永磁同步牽引逆變器和4臺(tái)永磁牽引電機(jī)，同時(shí)，要求牽引系統(tǒng)的電氣接口、機(jī)械接口和網(wǎng)絡(luò)接口與既有車(chē)保持一致，并對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行相應(yīng)的例行試驗(yàn)、型式試驗(yàn)，完成永磁牽引逆變器、永磁牽引電機(jī)等組成的地面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，在西安地鐵2號(hào)線進(jìn)行裝車(chē)正線運(yùn)行試驗(yàn)，形成永磁牽引系統(tǒng)現(xiàn)車(chē)節(jié)能測(cè)試研究報(bào)告。

1.2 方案說(shuō)明

西安地鐵2號(hào)線車(chē)輛工程采用B型車(chē)輛、3動(dòng)3拖編組方式，每6輛為一列，要求電網(wǎng)電壓范圍為DC 1 000～1 800 V，可以將直流母線電壓逆變成可變電壓和頻率的三相交流電。牽引系統(tǒng)主要由熔斷器、隔離開(kāi)關(guān)、高速斷路器、牽引逆變器裝置、濾波電抗器、制動(dòng)電阻和牽引電機(jī)組成。為了能與異步牽引系統(tǒng)更好地進(jìn)行性能對(duì)比，本永磁牽引系統(tǒng)方案把既有車(chē)輛的一節(jié)動(dòng)車(chē)上的異步牽引逆變器和異步牽引電機(jī)更換為相應(yīng)的永磁牽引逆變器和永磁同步牽引電機(jī)。其中，牽引逆變器主電路采用2電平電路拓?fù)?、IGBT功率器件、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式、采用4×1C1M控制模，為4臺(tái)180 kW的永磁同步牽引電機(jī)供電，以保證列車(chē)的電氣牽引正常。牽引系統(tǒng)采用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，列車(chē)采用電制動(dòng)優(yōu)先、空氣制動(dòng)補(bǔ)充的電空聯(lián)合制動(dòng)方式。

2 牽引系統(tǒng)中的牽引逆變器

西安地鐵永磁牽引系統(tǒng)的永磁牽引逆變器由4個(gè)逆變單元組成，分別為4臺(tái)永磁同步牽引電機(jī)供電，控制方式為軸控，采用矢量控制算法，并能實(shí)現(xiàn)高速重投。牽引逆變器的額定輸入電壓為DC 1 500 V（牽引）/DC 1 650 V（制動(dòng)），輸入電壓范圍為DC 1 000～1 800 V，電力電子器件為IGBT器件，冷卻方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷。

牽引逆變器采用簡(jiǎn)統(tǒng)化和模塊化設(shè)計(jì)，便于操作和維護(hù)；由逆變器本體及控制單元構(gòu)成，安裝在車(chē)體下部；分為開(kāi)放室和密閉室兩部分，需要大量散熱的部件經(jīng)過(guò)絕緣后布置在開(kāi)放室，其他對(duì)于環(huán)境要求較高的設(shè)備安裝在密閉室；IGBT功率器件采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式；功率單元箱室底部設(shè)有開(kāi)口，功率單元由箱體底部向上安裝，將散熱器完全置于開(kāi)放室，功率單元支架與功率單元之間采用橡膠條密封，便于安裝和拆卸；采用光纖方式連接牽引控制單元和門(mén)極驅(qū)動(dòng)裝置［2］。牽引逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 牽引逆變器結(jié)構(gòu)

3 牽引系統(tǒng)中的永磁牽引電機(jī)

該系統(tǒng)中的牽引電機(jī)采用永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)，在牽引逆變器提供的整個(gè)工作電壓、頻率范圍內(nèi)運(yùn)行良好，性能優(yōu)良，采用架承式全懸掛方式安裝在轉(zhuǎn)向架上，一臺(tái)牽引電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)列車(chē)的一個(gè)輪對(duì)。永磁電機(jī)的額定功率為180 kW，額定電壓為1 000 V，額定頻率為133.3 Hz，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，額定效率為95%，電機(jī)轉(zhuǎn)向從傳動(dòng)端看為逆時(shí)針，冷卻方式為全封閉、機(jī)殼風(fēng)冷。

本系統(tǒng)中應(yīng)用永磁材料的電機(jī)，因?yàn)椴辉傩枰娔芟模?，也不?huì)產(chǎn)生熱量，具有更高的效率和功率密度，使?fàn)恳到y(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）由于城市軌道交通車(chē)輛頻繁啟停，永磁電機(jī)運(yùn)行全段效率較高，經(jīng)過(guò)單列車(chē)線路測(cè)試，采用永磁牽引系統(tǒng)后，節(jié)能效果達(dá)到20%以上。更低的損耗也能夠帶來(lái)較小的發(fā)熱，對(duì)隧道通風(fēng)的要求降低，更加環(huán)保［3］。

（2）永磁電機(jī)額定點(diǎn)效率和電機(jī)的功率密度更高、體積較小、重量較輕，可以采用全封閉結(jié)構(gòu)，免清掃，能延長(zhǎng)繞組壽命，同時(shí)，隔離電機(jī)里的電磁噪聲。

（3）永磁牽引系統(tǒng)單車(chē)測(cè)試最大粘著達(dá)到0.264，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行。因此，采用軸控模式的地鐵車(chē)輛永磁牽引系統(tǒng)，可以有效提高黏著利用率，減小動(dòng)拖比，為地鐵車(chē)輛永磁牽引系統(tǒng)降低成本提供了試驗(yàn)依據(jù)。

4 牽引系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

4.1 控制功能

永磁牽引系統(tǒng)能夠?qū)⒘熊?chē)控制給定值和控制指令轉(zhuǎn)換成牽引逆變器的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器和牽引電動(dòng)機(jī)的控制和保護(hù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)電制動(dòng)的控制，并進(jìn)行調(diào)整、保護(hù)和產(chǎn)生逆變器脈沖模式；實(shí)現(xiàn)空轉(zhuǎn)、滑行保護(hù)控制；實(shí)現(xiàn)列車(chē)加減速?zèng)_擊限制保護(hù)；通過(guò)列車(chē)總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）與其他控制單元的通信功能；能夠診斷到整個(gè)系統(tǒng)的最小可更換單元；實(shí)現(xiàn)坡道起動(dòng)控制；實(shí)現(xiàn)高速重投功能。

4.2 保護(hù)功能

永磁牽引系統(tǒng)具有完善的保護(hù)功能，主要包括：高速斷路器過(guò)流保護(hù)、電機(jī)過(guò)電流保護(hù)、相電流不平衡保護(hù)、門(mén)極電源欠壓保護(hù)、牽引控制單元電源欠壓保護(hù)、DC 110 V電源欠壓保護(hù)、微處理器故障保護(hù)、牽引逆變器過(guò)溫檢測(cè)保護(hù)、濾波電容過(guò)電壓保護(hù)、濾波電容欠壓保護(hù)、電網(wǎng)接地保護(hù)、速度傳感器異常檢測(cè)等。

4.3 自診斷功能

牽引系統(tǒng)能夠確認(rèn)系統(tǒng)工作是否處于正常狀態(tài)。操作轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)由正常位切換到試驗(yàn)位可進(jìn)行自診斷試驗(yàn)。另外，自診斷功能可以連接列車(chē)信息系統(tǒng)，因此，能夠在司機(jī)臺(tái)顯示器上實(shí)施自診斷，診斷出一般的程序動(dòng)作以及主要保護(hù)動(dòng)作的設(shè)定值。診斷結(jié)果可以在列車(chē)信息系統(tǒng)的司機(jī)臺(tái)顯示器以及牽引控制單元的前面板發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）上顯示［4］。

5 牽引系統(tǒng)的防火設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電氣牽引系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，所選用的材料和部件的防火、耐火、防煙、防毒性能要求符合DIN 5510標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)等級(jí)，考慮到系統(tǒng)電路、設(shè)備的冗余和隔離以及完備的短路、接地、過(guò)流保護(hù)，選用低煙、無(wú)鹵、無(wú)毒、具有阻燃性能的電線電纜等，力求避免或減小火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

電氣牽引系統(tǒng)主要設(shè)備箱體采用不銹鋼材料，滿足IP 65要求，箱體材料具備與箱內(nèi)潛在火災(zāi)危險(xiǎn)源匹配的阻燃、耐火性能，足以抵抗設(shè)備箱外局部火災(zāi)。

在牽引逆變器等大功率設(shè)備、部件方面，選用了低煙、無(wú)鹵、無(wú)毒、阻燃性良好和絕緣性良好的電路導(dǎo)體銅排及電線。IGBT具有過(guò)熱保護(hù)功能，在主電路發(fā)生局部過(guò)熱的情況下，能夠采取有效的保護(hù)措施來(lái)迅速抑制。在高發(fā)熱部件方面，采用了具有良好難燃、阻燃性能的耐高溫扎帶。

分區(qū)域放置電氣牽引系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部各類部件，使用箱體隔板進(jìn)行隔離，有效阻斷部件之間的相互影響。

由此可知，該牽引系統(tǒng)及設(shè)備具有可靠的設(shè)計(jì)防火性，在正常的使用和維護(hù)狀態(tài)下，能夠有效阻斷燃燒，防止火災(zāi)的發(fā)生。

6 本牽引系統(tǒng)的進(jìn)一步研究展望

在西安地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)中，使用了IGBT器件，下一步擬采用SiC功率器件，進(jìn)一步使逆變裝置小型化和輕量化且更加節(jié)能。

目前，適用于城軌地鐵列車(chē)的3 300 V大功率SiC功率器件已經(jīng)推出。其中，混合SiC在國(guó)外城市軌道車(chē)輛上已實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用，全SiC還在研發(fā)試驗(yàn)階段。新一代適用于永磁牽引系統(tǒng)的牽引逆變器擬采用更加節(jié)能的全SiC功率器件，1 500 V電壓等級(jí)的軸控SiC牽引逆變模塊采用全SiC MOSFET功率器件，SiC MOSFET功率器件采用了新型低電感封裝，大幅改善了開(kāi)關(guān)性能，同時(shí)，有助于降低浪涌電壓。由于外形尺寸的大幅度縮小，兩種類型的功率器件在相同功率條件下應(yīng)用，4個(gè)新一代軸控牽引逆變模塊與一個(gè)車(chē)控牽引逆變模塊的散熱器表面積相當(dāng)，有利于將4個(gè)軸控模塊集成于車(chē)控變流器箱體內(nèi)。器件的特性指標(biāo)差異應(yīng)結(jié)合不同的應(yīng)用和封裝類型，放在同等條件下進(jìn)行比較。通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)4個(gè)開(kāi)關(guān)在450 A電流下的軸控SiC MOSFET比一個(gè)開(kāi)關(guān)在1 500 A電流下的車(chē)控IGBT的開(kāi)通、關(guān)斷損耗和反向恢復(fù)損耗分別下降了40%，71%和91%［5］。

現(xiàn)階段，可采用新型IGBT器件替換SiC器件，而面向未來(lái)則首選SiC器件。雖然SiC功率模塊的成本十分高昂，但不可忽視其未來(lái)技術(shù)發(fā)展?jié)摿统杀镜拇蠓认陆怠Ｒ虼?，基于碳化硅的變流裝置將是城軌車(chē)輛牽引系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

7 結(jié)語(yǔ)

文章以西安地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)項(xiàng)目為例，闡述了永磁電機(jī)牽引系統(tǒng)的技術(shù)特征和關(guān)鍵指標(biāo)，實(shí)踐證明，新一代軸控永磁電機(jī)牽引系統(tǒng)將在能耗率、質(zhì)量、尺寸、牽引可用性等方面給客戶應(yīng)用帶來(lái)增值。此外，研究表明，未來(lái)，在地鐵牽引系統(tǒng)中采用SiC功率模塊會(huì)取得更加良好的節(jié)能效果。