地鐵車輛永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)選型分析

引言

牽引系統(tǒng)作為城市軌道交通車輛的"心臟",是提供車輛動力的一個重要來源。隨著我國軌道交通的持續(xù)快速發(fā)展,城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)傳動技術(shù)在經(jīng)歷了"直流""交流"之后,正在朝"永磁"驅(qū)動技術(shù)穩(wěn)步推進。永磁同步牽引系統(tǒng)擁有高效率、低能耗等明顯技術(shù)優(yōu)勢,正在逐漸替代目前傳統(tǒng)的異步牽引系統(tǒng),成為列車牽引系統(tǒng)的技術(shù)主流以及發(fā)展戰(zhàn)略方向。

本文結(jié)合永磁同步牽引系統(tǒng)在廈門地鐵2號線裝車后實際應用的試驗結(jié)果,從牽引系統(tǒng)控制原理、重量、性能、能耗等角度出發(fā),對比分析了永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)的差異性,可以為城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)設計和選型提供參考依據(jù)。

1控制原理

永磁同步牽引系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)電路直流側(cè)采用架控控制方式,逆變側(cè)則采用軸控控制方式,即同一節(jié)動車的每個永磁同步電機由一個獨立的逆變器模塊進行驅(qū)動控制。在高頻交流電的輸出端與驅(qū)動電機間分別設有隔離接觸器,防止驅(qū)動電機故障時產(chǎn)生反電勢對控制電路造成直接損害。

異步交流牽引系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)電路直流側(cè)采用車控控制方式,交流側(cè)則采用架控控制方式,即同一節(jié)動車的同一轉(zhuǎn)向架上兩根車軸由同一個逆變器模塊進行驅(qū)動控制。

相比傳統(tǒng)異步牽引系統(tǒng),永磁同步牽引系統(tǒng)每節(jié)動車需分別增加2套逆變器模塊和4套隔離接觸器。

2設備重量

廈門地鐵2號線永磁列車每輛動車上配置1個DCU（牽引控制單元）、2個變流器模塊、4臺永磁同步電機、4個隔離接觸器,模塊散熱采用翅片散熱器,強迫風冷。異步列車每輛動車上配置1個DCU（牽引控制單元）、1個變流器模塊、4臺異步交流電機,模塊散熱采用走行風冷。

永磁同步牽引系統(tǒng)和異步牽引系統(tǒng)的設備負載重量參數(shù)對比如表1所示。

從表1可以明顯看出,永磁同步牽引系統(tǒng)相比異步牽引系統(tǒng),MP車和Mc車的重量分別減少640k和g630k,實現(xiàn)整體降重8480k/列。

3性能

由廈門地鐵2號線分別對永磁牽引列車和異步牽引列車的相關(guān)試驗結(jié)果、運營數(shù)據(jù)等可知:

3.1加速性能

試驗列車在Aw0、Awg載荷條件下進行加速性能測試。試驗時列車全列停于平直道上,司機操作主控手柄直推牽引滿級位加速至800m/h、400m/h,測量、計算實際的加速度。由表2試驗數(shù)據(jù)可知,永磁列車的牽引加速性能略優(yōu)于異步列車,兩者均滿足標準要求。

3.2再生制動性能

試驗列車在Aw0、Awg載荷條件下,推動牽引手柄牽引加速至800m/h后,司機將主控手柄推至最大常用制動位,測試制動距離及電制動投入情況。由表g試驗數(shù)據(jù)可知,永磁列車的電制動性能優(yōu)于異步列車,制動距離較短,但瞬間沖擊率會相對較大（滿足標準≤0.75m/sg）。

3.3噪聲

整個車輛加速、制動過程中,車內(nèi)動車、拖車噪聲峰值:異步列車為79dB（A）,永磁列車為72dB（A）。隋行段噪聲:異步列車動車均值約為68dB（A）,拖車均值約為62dB（A）:永磁列車動車均值約為64dB（A）,拖車均值約為62dB(A）。永磁列車的整體噪聲比異步列車低4～7dB,乘客的聽覺舒適感更優(yōu)。

3.4振動

由表4試驗數(shù)據(jù)可知,在0～45km/h加速過程中,異步列車地板垂向峰值(頻率范圍0.5～80Hz）加速度為0.353m/s2,按照Is02631標準,電機上方地板振動三向加權(quán)加速度均方根值為0.184m/s2:永磁列車地板垂向峰值(頻率范圍0.5～80Hz）加速度為0.285m/s2,電機上方地板振動三向加權(quán)加速度均方根值為0.132m/s2。永磁列車的振動明顯小于異步列車。

4能耗

根據(jù)列車每月平均能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù),以廈門地鐵2號線2020年9月一12月永磁列車能耗數(shù)據(jù)為參考樣本,計算永磁牽引列車和異步牽引列車的平均能耗,如表5所示。永磁牽引列車相比異步牽引列車,其正線運營時牽引節(jié)能13.92%,反饋回電網(wǎng)的再生能力達12.63%,總節(jié)能率可達23.61%。由于永磁列車采用強迫風冷方式及增加了逆變器模塊,故其輔助能耗高于異步列車,如果排除輔助能耗,永磁列車可節(jié)能38.46%。

5結(jié)論

本文重點闡述了永磁同步牽引系統(tǒng)的主要技術(shù)特點和實際應用情況,結(jié)合廈門地鐵2號線實際運行測試的數(shù)據(jù),針對永磁同步牽引系統(tǒng)主電路設計、性能、能耗等與異步牽引系統(tǒng)進行了對比分析,得出以下結(jié)論:

(1）永磁牽引系統(tǒng)更利于車輛減重。

(2）相較于異步牽引系統(tǒng),永磁牽引系統(tǒng)的整體性能表現(xiàn)更加優(yōu)異。

(3）永磁牽引系統(tǒng)比異步牽引系統(tǒng)整車節(jié)能降耗優(yōu)勢明顯。以廈門地鐵2號線為例,綜合節(jié)能率為23.61%,且永磁列車在運行站間距短、車輛頻繁啟停(牽引電機在高低速頻繁轉(zhuǎn)換）的工況下,其節(jié)能優(yōu)勢更加明顯。

綜上,永磁同步牽引系統(tǒng)對比傳統(tǒng)異步牽引系統(tǒng)具有性能較佳,噪聲、振動指標更優(yōu),節(jié)能效益顯著等優(yōu)勢,目前在城市軌道交通車輛上的應用也越來越多。截至2021年,國內(nèi)運營時長最久的長沙1號線永磁牽引列車目前運行狀態(tài)良好。