深圳地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)研究分析

朱偉鵬

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026）

隨著城市規(guī)模的迅猛發(fā)展，城市人口不斷增多，交通擁堵越來(lái)越嚴(yán)重。城市軌道交通具有安全舒適、快捷正點(diǎn)、客流量大、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，是解決城市交通擁堵，實(shí)現(xiàn)大眾綠色出行的重要途徑，更是國(guó)家節(jié)能減排、打造綠色家園的發(fā)展綱要。隨著中國(guó)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)數(shù)量及里程不斷增加，地鐵列車作為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)單位能源消耗大戶，綠色節(jié)能逐步成為用戶的迫切需求。

1 深圳地鐵10號(hào)線車輛概況

深圳地鐵10號(hào)線車輛采用異步牽引、永磁同步牽引混跑運(yùn)營(yíng)的頂層設(shè)計(jì)，著力于深圳地鐵線路可靠、節(jié)能、通用的設(shè)計(jì)與發(fā)展理念。車輛采用A型車，最高速度80 km/h。其中異步牽引系統(tǒng)列車采用6M2T編組形式（M為動(dòng)車，T為拖車）、永磁同步牽引系統(tǒng)列車采用5M3T編組形式，永磁同步牽引系統(tǒng)列車充分利用其高效率、高功率密度的特點(diǎn)，通過(guò)減少1套牽引系統(tǒng)，減輕車輛自重，實(shí)現(xiàn)了與異步牽引系統(tǒng)列車完全一樣的動(dòng)力性能。

深圳地鐵10號(hào)線首次批量應(yīng)用永磁同步牽引系統(tǒng)列車（圖1），共計(jì)35列。為保證運(yùn)營(yíng)、維保、檢修的統(tǒng)一性，設(shè)計(jì)階段提出永磁同步牽引系統(tǒng)列車采用與異步牽引系統(tǒng)列車功能及性能一致性設(shè)計(jì)，確保2種列車的兼容性和互換性，為2種列車混跑運(yùn)營(yíng)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，使10號(hào)線實(shí)現(xiàn)了永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)列車在同一條線路批量混跑的運(yùn)營(yíng)模式。

2 永磁同步牽引系統(tǒng)

城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)電機(jī)同時(shí)工作，理論上，每臺(tái)電機(jī)的線速度與整車的速度保持一致，永磁同步牽引電機(jī)與對(duì)應(yīng)輪對(duì)的線速度一致。但在車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，不同車輪對(duì)應(yīng)的永磁同步牽引電機(jī)的定子供電頻率可能不一致，這就要求不同的永磁同步牽引電機(jī)不能采用同一個(gè)逆變器模塊供電，不能選擇與異步牽引系統(tǒng)相同的車控或架控的群控模式，須采用單個(gè)逆變器模塊驅(qū)動(dòng)單臺(tái)永磁同步牽引電機(jī)的軸控模式。永磁同步牽引系統(tǒng)車輛經(jīng)受電弓受流后，單個(gè)逆變器模塊驅(qū)動(dòng)單臺(tái)電機(jī)（軸控），可以充分保證每臺(tái)牽引電機(jī)受獨(dú)立的控制硬件、軟件驅(qū)動(dòng)。

圖1 深圳地鐵10號(hào)線永磁同步牽引系統(tǒng)列車

深圳地鐵10號(hào)線車輛永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)配備相同的受電弓、高壓箱、濾波電抗器和接地裝置等系統(tǒng)部件。主要差異為永磁同步牽引系統(tǒng)使用永磁同步電機(jī)，為避免永磁電機(jī)電動(dòng)勢(shì)（即反電勢(shì)）對(duì)牽引系統(tǒng)的影響，在牽引逆變器與永磁牽引電機(jī)之間設(shè)置隔離接觸器，用于牽引電機(jī)與牽引系統(tǒng)的隔離保護(hù)，保證車輛的正常運(yùn)營(yíng)。深圳地鐵 10號(hào)線車輛永磁同步牽引系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）永磁同步牽引系統(tǒng)直流側(cè)采用架控模式，即每節(jié)動(dòng)車對(duì)應(yīng)2套獨(dú)立的充放電回路、濾波電抗器、直流電壓電流檢測(cè)回路以及斬波回路；而異步牽引系統(tǒng)直流側(cè)采用車控模式，即每節(jié)動(dòng)車（2個(gè)轉(zhuǎn)向架，4臺(tái)異步電機(jī)）對(duì)應(yīng)1套充放電回路、濾波電抗器、直流電壓電流檢測(cè)回路以及斬波回路。

（2）永磁同步牽引系統(tǒng)交流側(cè)采用軸控模式，每臺(tái)永磁同步電機(jī)對(duì)應(yīng)1套獨(dú)立的三相逆變單元與隔離接觸器；而異步牽引系統(tǒng)交流側(cè)采用車控模式。

深圳地鐵10號(hào)線永磁同步牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性；同時(shí)采用高性能的交流傳動(dòng)控制方式，反應(yīng)迅速，實(shí)現(xiàn)可靠的空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)，并在車輛制動(dòng)過(guò)程中優(yōu)先使用電制動(dòng)。

2.1 永磁同步牽引電機(jī)

圖2 永磁同步牽引系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

深圳地鐵10號(hào)線永磁同步牽引系統(tǒng)采用JD183D永磁同步牽引電機(jī)，如圖3所示，全封閉結(jié)構(gòu)，采用架承式剛性懸掛方式，通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與齒輪驅(qū)動(dòng)裝置連接，傳遞列車牽引或電制動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn)或使車輛制動(dòng)。永磁牽引逆變單元采用VVVF 逆變器，與永磁同步牽引電機(jī)構(gòu)成交流傳動(dòng)系統(tǒng)；逆變器采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）功率元件，采用強(qiáng)迫自通風(fēng)冷卻方式。電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁結(jié)構(gòu)，定子為無(wú)機(jī)殼結(jié)構(gòu)，絕緣等級(jí)為200級(jí)。永磁同步牽引電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表 1所示。

圖3 永磁同步牽引電機(jī)

2.2 牽引逆變器

永磁同步牽引系統(tǒng)主電路由2個(gè)逆變器模塊組成，每個(gè)逆變器模塊均集成了2套三相逆變器的三相橋臂及1套制動(dòng)相橋臂，2套三相逆變器獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)2臺(tái)牽引電機(jī)。2個(gè)逆變器模塊集成在1個(gè)牽引逆變器中，逆變器模塊采用抽屜式結(jié)構(gòu)，采用熱管散熱器自然冷卻方式。

表1 永磁同步牽引電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.3 隔離接觸器

牽引逆變器輸出端包含2個(gè)隔離接觸器，每個(gè)隔離接觸器有2個(gè)三相交流接觸器，用于故障時(shí)將永磁同步牽引電機(jī)與牽引逆變器隔離，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大，保證車輛的正常運(yùn)營(yíng)。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

永磁同步牽引系統(tǒng)具有高功率密度、高效率、高功率因數(shù)和低噪聲、輕量化等顯著優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于地鐵車輛牽引，可以提高牽引功率、節(jié)能降耗、減少維護(hù)量、降低全壽命周期成本。

3.1 節(jié)能減排

根據(jù)深圳地鐵10號(hào)線車輛能耗測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：永磁同步牽引系統(tǒng)列車在正常運(yùn)營(yíng)工況下，節(jié)能率在18%～35%；當(dāng)?shù)孛婺莛佈b置關(guān)閉時(shí)，平均節(jié)能率為19.68%；能饋裝置開啟時(shí)，平均節(jié)能率為34.91%。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)?shù)孛婺莛佈b置啟用后，永磁牽引系統(tǒng)車輛可極大地降低牽引能耗，真正起到節(jié)能減排的作用。

3.2 降低噪聲

地鐵車輛牽引電機(jī)噪聲的來(lái)源主要包括電磁噪聲，機(jī)械振動(dòng)、同軸風(fēng)扇引起的空氣動(dòng)力噪聲，機(jī)械噪聲相對(duì)較小。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于風(fēng)量較小，電磁噪聲為主要噪聲源；高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于冷卻風(fēng)量大，空氣動(dòng)力噪聲是主要噪聲源。列車進(jìn)站或啟動(dòng)時(shí)，乘客對(duì)列車噪聲感受較為敏感；列車低速運(yùn)行時(shí)電機(jī)噪聲是乘客感知噪聲和乘坐舒適度的關(guān)鍵。

永磁同步牽引電機(jī)采用全封閉結(jié)構(gòu)，對(duì)電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的電磁噪聲起到很好的屏蔽作用。深圳地鐵10號(hào)線永磁同步/異步牽引電機(jī)地面試驗(yàn)噪聲對(duì)比如圖4所示，永磁同步牽引電機(jī)的平均噪聲值比異步牽引電機(jī)低，其中當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～1 900 r/min時(shí)，永磁同步牽引電機(jī)的噪聲較異步電機(jī)平均降低5.5 dB（A）；在1 900～4 000 r/min時(shí)，平均降低0.1 dB（A）?？梢?，在低轉(zhuǎn)速下，永磁同步牽引電機(jī)噪聲明顯低于異步牽引電機(jī)噪聲。

圖4 永磁同步/異步牽引電機(jī)地面試驗(yàn)噪聲對(duì)比圖

3.3 電機(jī)溫升低

為分析深圳地鐵10號(hào)線永磁同步牽引電機(jī)的溫升情況，通過(guò)在電機(jī)外表面粘貼溫度試紙，進(jìn)行永磁電機(jī)溫升測(cè)試，如圖5所示。待列車正常運(yùn)營(yíng)結(jié)束后，車輛檢修人員隨機(jī)抽取永磁同步牽引電機(jī)，進(jìn)行溫度測(cè)量及溫度試紙顯示記錄。因永磁同步牽引電機(jī)裝有溫度傳感器，溫度信號(hào)通過(guò)列車事件記錄儀EDRM記錄，并顯示在車輛屏（HMI）上。列車載客運(yùn)營(yíng)回庫(kù)后，將記錄溫度試紙顯示的溫度與HMI顯示的電機(jī)溫度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)溫度試紙和HMI顯示的溫度均不超過(guò)55℃，而運(yùn)營(yíng)相同時(shí)間的異步牽引列車HMI顯示電機(jī)溫度達(dá)到 90℃。

圖5 深圳地鐵10號(hào)線永磁同步牽引電機(jī)溫升測(cè)試圖

對(duì)溫度試紙及溫度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明永磁同步牽引電機(jī)的溫升在正常范圍內(nèi)，且低于相同工況下的異步電機(jī)。

3.4 系統(tǒng)輕量化

永磁同步牽引系統(tǒng)設(shè)備中，輔助電源、制動(dòng)電阻、高壓箱采用與異步牽引系統(tǒng)相同型號(hào)的部件和設(shè)計(jì)。因此同容量的永磁同步牽引電機(jī)體積、重量較異步電機(jī)可以減少約30%，從而有效減少空間占比和能耗比，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化。

3.5 功率密度高

經(jīng)分析，永磁同步牽引電機(jī)功率密度相比異步電機(jī)更高，主要原因如下：

（1）永磁體磁能積不斷提升，永磁電機(jī)功率密度提高；

（2）隨著永磁電機(jī)效率的增高，電機(jī)的損耗降低，溫升也隨之減小，則在采用相同絕緣等級(jí)的情況下，永磁電機(jī)的體積設(shè)計(jì)更為緊湊。

3.6 效率高

永磁同步牽引電機(jī)額定效率高于異步牽引電機(jī)，尤其是高效區(qū)范圍遠(yuǎn)高于異步牽引電機(jī)。永磁同步牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子不需要?jiǎng)?lì)磁線圈，牽引電機(jī)沒有減速器，因此，機(jī)械傳動(dòng)效率更高，列車的固定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)也可以降低。此外，實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中地鐵車輛頻繁啟停，牽引電機(jī)工況復(fù)雜多變，永磁同步牽引電機(jī)效率優(yōu)勢(shì)更加明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

永磁同步牽引系統(tǒng)通過(guò)十余年的技術(shù)積累，形成了完整、成熟的制造與質(zhì)量保障體系，已具備在軌道交通領(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。其高效率、高功率密度、強(qiáng)過(guò)載能力、低噪聲等優(yōu)勢(shì)明顯，推廣應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益較為顯著。深圳地鐵對(duì)永磁同步牽引系統(tǒng)從理論研究、關(guān)鍵技術(shù)突破到測(cè)試論證，目前已具備在深圳地鐵運(yùn)營(yíng)線路應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)，此次深圳地鐵10號(hào)線永磁同步牽引系統(tǒng)的批量裝車運(yùn)用，將為永磁同步牽引系統(tǒng)的推廣形成更為良好的示范效應(yīng)。