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(dòng)力的一個(gè)重要來(lái)源。隨著我國(guó)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(dòng)技術(shù)在經(jīng)歷了"直流""交流"之后,正在朝"永磁"驅(qū)動(dòng)技術(shù)穩(wěn)步推進(jìn)。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(shì),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(hào)線裝車后實(shí)際應(yīng)用的試驗(yàn)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(duì)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(shè)計(jì)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(dòng)車的每個(gè)永磁同步電機(jī)由一個(gè)獨(dú)立的逆變器模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。在高頻交流電的輸出端與驅(qū)動(dòng)電機(jī)間分別設(shè)有隔離接觸器,防止驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障時(shí)產(chǎn)生反電勢(shì)對(duì)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(dòng)車的同一轉(zhuǎn)向架上兩根車軸由同一個(gè)逆變器模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)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(dòng)車需分別增加2套逆變器模塊和4套隔離接觸器。

2設(shè)備重量

廈門地鐵2號(hào)線永磁列車每輛動(dòng)車上配置1個(gè)DCU（牽引控制單元）、2個(gè)變流器模塊、4臺(tái)永磁同步電機(jī)、4個(gè)隔離接觸器,模塊散熱采用翅片散熱器,強(qiáng)迫風(fēng)冷。異步列車每輛動(dòng)車上配置1個(gè)DCU（牽引控制單元）、1個(gè)變流器模塊、4臺(tái)異步交流電機(jī),模塊散熱采用走行風(fēng)冷。

永磁同步牽引系統(tǒng)和異步牽引系統(tǒng)的設(shè)備負(fù)載重量參數(shù)對(duì)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(shí)現(xiàn)整體降重8480k/列。

3性能

由廈門地鐵2號(hào)線分別對(duì)永磁牽引列車和異步牽引列車的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)等可知:

3.1加速性能

試驗(yàn)列車在Aw0、Awg載荷條件下進(jìn)行加速性能測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)列車全列停于平直道上,司機(jī)操作主控手柄直推牽引滿級(jí)位加速至800m/h、400m/h,測(cè)量、計(jì)算實(shí)際的加速度。由表2試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2再生制動(dòng)性能

試驗(yàn)列車在Aw0、Awg載荷條件下,推動(dòng)牽引手柄牽引加速至800m/h后,司機(jī)將主控手柄推至最大常用制動(dòng)位,測(cè)試制動(dòng)距離及電制動(dòng)投入情況。由表g試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,永磁列車的電制動(dòng)性能優(yōu)于異步列車,制動(dòng)距離較短,但瞬間沖擊率會(huì)相對(duì)較大（滿足標(biāo)準(zhǔn)≤0.75m/sg）。

3.3噪聲

整個(gè)車輛加速、制動(dòng)過(guò)程中,車內(nèi)動(dòng)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(dòng)車均值約為68dB（A）,拖車均值約為62dB（A）:永磁列車動(dòng)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(tīng)覺(jué)舒適感更優(yōu)。

3.4振動(dòng)

由表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在0～45km/h加速過(guò)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(biāo)準(zhǔn),電機(jī)上方地板振動(dòng)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(jī)上方地板振動(dòng)三向加權(quán)加速度均方根值為0.132m/s2。永磁列車的振動(dòng)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(jì)數(shù)據(jù),以廈門地鐵2號(hào)線2020年9月一12月永磁列車能耗數(shù)據(jù)為參考樣本,計(jì)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(yùn)營(yíng)時(shí)牽引節(jié)能13.92%,反饋回電網(wǎng)的再生能力達(dá)12.63%,總節(jié)能率可達(dá)23.61%。由于永磁列車采用強(qiáng)迫風(fēng)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(diǎn)闡述了永磁同步牽引系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用情況,結(jié)合廈門地鐵2號(hào)線實(shí)際運(yùn)行測(cè)試的數(shù)據(jù),針對(duì)永磁同步牽引系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)、性能、能耗等與異步牽引系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)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(shì)明顯。以廈門地鐵2號(hào)線為例,綜合節(jié)能率為23.61%,且永磁列車在運(yùn)行站間距短、車輛頻繁啟停(牽引電機(jī)在高低速頻繁轉(zhuǎn)換）的工況下,其節(jié)能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

綜上,永磁同步牽引系統(tǒng)對(duì)比傳統(tǒng)異步牽引系統(tǒng)具有性能較佳,噪聲、振動(dòng)指標(biāo)更優(yōu),節(jié)能效益顯著等優(yōu)勢(shì),目前在城市軌道交通車輛上的應(yīng)用也越來(lái)越多。截至2021年,國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)最久的長(zhǎng)沙1號(hào)線永磁牽引列車目前運(yùn)行狀態(tài)良好。