永磁同步牽引系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

引 言

當(dāng)前，城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)以異步牽引系統(tǒng)為主， 但永磁同步牽引系統(tǒng)以其更加高效節(jié)能、輕量化及更低的全壽命周期得到了越來(lái)越多用戶的關(guān)注，故永磁同步牽引系統(tǒng)無(wú)疑將成為下一代城市軌道車輛牽引系統(tǒng)的主流，因此及時(shí)跟進(jìn)并了解其發(fā)展動(dòng)態(tài)是我們當(dāng)下面臨的課題。如果說異步電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)機(jī)是軌道交通牽引的第一次技術(shù)革命，那么永磁同步電機(jī)取代異步牽引電動(dòng)機(jī)將是軌道交通牽引的第二次技術(shù)革命。永磁同步牽引系統(tǒng)的特點(diǎn)符合國(guó)家節(jié)約、低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要，將為軌道交通節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保的軌道交通做出積極貢獻(xiàn)。

本文永磁牽引系統(tǒng)的研究是在西安地鐵 2 號(hào)線既有車輛

平臺(tái)上進(jìn)行的，只對(duì)一列車的其中 1 輛動(dòng)車進(jìn)行牽引系統(tǒng)的更換，要求牽引系統(tǒng)的電氣接口、機(jī)械接口和網(wǎng)絡(luò)接口與既有車輛保持一致。

1 永磁牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)

西安地鐵 2 號(hào)線車輛工程采用B 型車輛，3 動(dòng) 3 拖編組方式，6 輛 / 列，編組型式 =Tc*Mp*M*T*Mp*Tc=，如圖 1 所示。

圖1 列車編組示意圖

其中，牽引逆變器主電路采用兩電平電壓型直 - 交逆變電路。列車通過高壓電路將DC1500V直流電供給牽引逆變器，經(jīng)牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電后向永磁牽引電動(dòng)機(jī)供電。牽引逆變器由 4組三相逆變單元組成，由 4組逆變單元分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的 4臺(tái)永磁牽引電機(jī)的軸控工作方式。牽引逆變器主電路主要由充放電電路、濾波電路、功率單元、接觸器以及檢測(cè)元件等設(shè)備組成，將IGBT斬波單元與 4 組三相逆變單元集成后組成功率單元。

與既有車輛相比，保留主電路中原有的隔離開關(guān)箱、熔斷器箱、高速斷路器箱、濾波電抗器、制動(dòng)電阻，更換牽引逆變器。原異步牽引系統(tǒng)為車控方式，而裝載永磁同步牽引系統(tǒng)后為軸控方式。為避免系統(tǒng)失控時(shí)永磁電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)對(duì)系統(tǒng)造成影響，在牽引逆變器輸出端和永磁電機(jī)之間設(shè)置隔離接觸器。當(dāng)系統(tǒng)處于故障模式時(shí)，跳開隔離接觸器， 斷開永磁同步牽引電機(jī)和牽引逆變器，以保護(hù)牽引設(shè)備。同時(shí)， 設(shè)置故障單元切除接觸器與發(fā)生故障的逆變電路，保證正常單元可以繼續(xù)運(yùn)行。與既有車輛相比，該系統(tǒng)動(dòng)力損失小，故障運(yùn)行能力增強(qiáng)。牽引逆變器主要參數(shù)見表 1 所列。

2 永磁牽引逆變器主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)西安地鐵 2 號(hào)線既有車輛結(jié)構(gòu)和安裝特點(diǎn)，永磁牽引系統(tǒng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要遵循以下原則：

(1) 運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)，提高裝置可操作性、可維護(hù)性。

(2) 裝置分開放室和密閉室，需要大量散熱的部件經(jīng)過絕緣后布置在開放室，其他對(duì)于環(huán)境要求較高的設(shè)備安裝在密閉室；并在箱體底部設(shè)置開口，便于功率單元的安裝和拆卸。

(3) 功率器件采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，功率器件布置在密閉室，散熱器布置在開放室；冷空氣通過箱體頂部的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，經(jīng)過導(dǎo)流板后對(duì)散熱器進(jìn)行冷卻，熱空氣通過出風(fēng)口排放到空氣中；

(4) 功率器件的驅(qū)動(dòng)采用光纖進(jìn)行連接，可有效避免對(duì)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的電磁干擾。

牽引逆變器的外形結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖 2 牽引逆變器外形結(jié)構(gòu)圖

3 牽引逆變器關(guān)鍵技術(shù)說明

3.1 功率單元

功率單元的作用是通過開關(guān)器件，在牽引工況下將中間直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電壓供給相應(yīng)的永磁牽引電機(jī)，此過程中電壓和頻率根據(jù)系統(tǒng)控制的要求進(jìn)行變化；在制動(dòng)工況下，將永磁牽引電機(jī)發(fā)出的三相交流電壓整流，回饋至中間直流環(huán)節(jié)；在直流電壓過高時(shí)，開通制動(dòng)斬波（BCH），用 IGBT接通制動(dòng)斬波電阻，消耗從牽引電機(jī)反饋的能量。

功率單元的設(shè)計(jì)采用平板熱管散熱 + 強(qiáng)迫風(fēng)冷，實(shí)現(xiàn)模塊的小型化和輕量化。相對(duì)于熱管散熱器，由于基板冷媒的均溫效果，散熱器冷凝部分尺寸可以縮小很多，便于風(fēng)道的設(shè)計(jì)，同時(shí)也減輕了重量。門極驅(qū)動(dòng)采用分離元件搭建，參數(shù)易于調(diào)節(jié)，方便后期電路的優(yōu)化；電路采用隔離脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)高低壓電源隔離，與控制單元通過光纖傳送信號(hào)，降低信號(hào)傳輸?shù)母蓴_。主電路的連接采用低電感疊層復(fù)合母排，盡可能降低雜散電感對(duì)功率器件造成的影響。

根據(jù)整個(gè)線路運(yùn)行過程中速度、電機(jī)電流和時(shí)間等數(shù)據(jù)， 對(duì)整個(gè)線路進(jìn)行熱仿真計(jì)算。功率器件在不同工況下最大損耗及結(jié)溫仿真數(shù)據(jù)見表 2 所列。

仿真結(jié)果滿足既有車結(jié)溫過熱保護(hù)值 120℃的要求。

3.2 牽引系統(tǒng)控制和邏輯功能

牽引逆變器通過控制單元完成對(duì)四臺(tái)永磁牽引電機(jī)的牽 引 / 制動(dòng)控制，保證車輛的正常運(yùn)行。控制單元主要實(shí)現(xiàn)功能 如下：

（1）對(duì)逆變器和牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制；

（2）牽引控制單元將列車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)，對(duì)牽引逆變器和牽引電機(jī)進(jìn)行控制， 包括列車速度調(diào)節(jié)、保護(hù)、逆變器脈沖模式的產(chǎn)生等 ；

（3）對(duì)牽引逆變器和牽引電機(jī)進(jìn)行保護(hù)；

（4）電制動(dòng)控制；

（5）對(duì)電制動(dòng)進(jìn)行調(diào)整、保護(hù)和逆變器脈沖模式的產(chǎn)生；

（6）空轉(zhuǎn) / 滑行保護(hù)控制；

（7）列車加減速?zèng)_擊限制保護(hù)；

（8）通過列車總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)牽引控制單元與其它控制單 元的通信功能 ；

（9）故障診斷功能，能夠做到診斷到整個(gè)系統(tǒng)的最小可 更換單元 ；

（10）坡道起動(dòng)控制；

（11）高速重投功能。

3.3 保護(hù)功能

牽引控制單元通過電壓、電流傳感器等測(cè)量元件對(duì)牽引 逆變器實(shí)施保護(hù)。牽引控制單元保護(hù)分為硬件保護(hù)和軟件保 護(hù)，硬件保護(hù)功能主要包括功率器件故障保護(hù)、直流電壓過 壓保護(hù)、牽引電機(jī)過流保護(hù)等。軟件保護(hù)可以通過軟件參數(shù)靈 活設(shè)置，主要包括速度推算異常、充電不良保護(hù)、變流器過熱、 三相電流不平衡、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩異常、空轉(zhuǎn) / 滑行等。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前該項(xiàng)目永磁系統(tǒng)牽引逆變器已完成設(shè)備研制，并已 通過系統(tǒng)的大電流考核試驗(yàn)，正在與永磁同步電機(jī)進(jìn)行地面 聯(lián)調(diào)試驗(yàn)，最終將在西安地鐵 2 號(hào)線項(xiàng)目上裝載一輛動(dòng)車，將 在完成車輛試驗(yàn)后投入載客運(yùn)營(yíng)。永磁牽引逆變樣機(jī)如圖 3 所示。

采用永磁同步牽引系統(tǒng)后，地鐵交通車輛可降低電能消 耗約 10%。隨著地鐵車輛運(yùn)營(yíng)成本不斷增大，必須從節(jié)能降 耗等方面采取措施，以降低運(yùn)營(yíng)成本。根據(jù)中國(guó)各城市軌道 交通規(guī)劃，近年我國(guó)將有 20 多個(gè)城市將新建軌道交通線路 89 條，總建設(shè)里程為 2 500 km，投資規(guī)模達(dá) 9 000 多億元， 需配屬車輛近萬(wàn)輛，年均需求量超過 1 500 輛。永磁牽引系統(tǒng) 具有廣闊的市場(chǎng)前景，該項(xiàng)目將為永磁同步牽引系統(tǒng)產(chǎn)品的開 發(fā)奠定基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)效益前景廣闊。