李瑩+黃康
摘 要:描述了永磁牽引電機的技術(shù)優(yōu)勢及對于軌道交通車輛的意義,介紹了當前國內(nèi)外的技術(shù)現(xiàn)狀,然后講述了永磁電機牽引系統(tǒng)的技術(shù)特點并分析了與異步牽引電機相比的性能優(yōu)勢,最后展望了永磁牽引電機的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞:永磁;牽引電機;軌道交通車輛;能耗
中圖分類號:TM341 文獻標識碼:A 文章編號:1671-2064(2017)10-0086-01
1 永磁牽引電機
電機是機電能量交換的裝置,而能量的交換都是通過電機定子磁場與轉(zhuǎn)子磁場交互作用進行的,因此磁場是電機進行機電能量交換的核心。根據(jù)電機勵磁方式的不同,可以將電機分為永磁體勵磁電機(簡稱永磁電機)與電勵磁電機。19世紀初,法拉第發(fā)明的世界上第一臺電機就是永磁電機,但當時采用的永磁材料是鐵磁材料,磁能積不高,很快被后來居上的電勵磁電機所取代。
進入20世紀后半葉,隨著磁能積高、矯頑力強的稀土永磁材料的發(fā)展,永磁電機又逐漸回到了大家的視野。尤其是釹鐵硼材料的發(fā)展與應(yīng)用,有效降低了稀土永磁材料的成本,使得稀土永磁電機開始在工業(yè)與民用領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用,促進了永磁電機的長足發(fā)展。永磁牽引電機是當前軌道交通牽引系統(tǒng)技術(shù)研究的熱點,是業(yè)界公認的下一代牽引電機發(fā)展方向。
2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀
(1)國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。法國阿爾斯通分別為低地板輕軌車輛和AGV高速動車組開發(fā)了120kW和720kW全封閉永磁同步電機。裝有2個轉(zhuǎn)向架的永磁同步牽引系統(tǒng)在2007年幫助阿爾斯通創(chuàng)造了574.8km/h的世界鐵路第一速[1]。龐巴迪裝有永磁同步電機牽引系統(tǒng)的車輛已在瑞典的Stockholm與Vasteras之間運行,采用MTRAC自通風(fēng)永磁同步電機,額定效率可達97.1%,相比異步電機提高3.5%。德國西門子為地鐵列車開發(fā)了直驅(qū)式永磁牽引電機,取消傳動齒輪箱,幫助轉(zhuǎn)向架將軸距由2.5m降低至1.6m,系統(tǒng)效率提高3%,噪聲減低15dB。(2)國內(nèi)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀。在國內(nèi),中國中車從2003年開始永磁電機牽引系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究工作,十余年來先后攻克了永磁電機牽引系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與工藝,同時建立了永磁電機牽引系統(tǒng)仿真平臺、設(shè)計平臺與試驗平臺。2011年,中車在沈陽地鐵2號線成功實現(xiàn)了永磁電機牽引系統(tǒng)在軌道交通車輛的首次裝車應(yīng)用,并完成了載客運營里程60000公里。2014年,中車承擔國家863計劃項目開發(fā)的高速動車組永磁牽引系統(tǒng)成功實現(xiàn)裝車應(yīng)用。永磁牽引電機額定效率達到98.2%,功率密度超過1kW/kg。2015年,中車開發(fā)的120kW永磁電機牽引系統(tǒng)在低地板車上成功應(yīng)用,電機采用強迫水循環(huán)冷卻,額定效率達96%,體積小的優(yōu)勢有力解決了低地板車轉(zhuǎn)向架空間緊張的難題。2016年,中車在長沙地鐵1號線成功裝車應(yīng)用一整列車永磁同步牽引系統(tǒng),完成載客運營考核5萬公里后通過了中國城市軌道交通協(xié)會組織的專家評審,同意在地鐵領(lǐng)域開始批量應(yīng)用。
3 永磁電機牽引系統(tǒng)的技術(shù)特點
永磁牽引電機的獨特性給牽引系統(tǒng)的設(shè)計帶來了新的挑戰(zhàn)。與異步電機牽引系統(tǒng)相比,永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)具有其獨特性[2]。一方面,永磁牽引電機為同步電機,其必須采用軸控供電方式,而異步牽引電機可以采用車控或架控等群控供電方式。軸控供電方式大幅增加了電力電子開關(guān)數(shù)量,但也在故障冗余性、粘著利用等方面帶來了優(yōu)勢。通過合理地選擇元器件,軸控供電方式并不會明顯增加成本。另一方面,永磁牽引電機轉(zhuǎn)子采用永磁體勵磁,系統(tǒng)故障時無法通過封鎖逆變脈沖關(guān)斷牽引電機反電勢,因此逆變器與牽引電機之間需要設(shè)置隔離接觸器,用來在系統(tǒng)故障時隔離永磁牽引電機反電勢以避免影響系統(tǒng)。
4 技術(shù)優(yōu)勢對比分析
與異步牽引電機相比,永磁牽引電機應(yīng)用于軌道交通車輛上的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高功率密度、低能耗與低噪聲等方面[3]。
(1)功率密度對比。根據(jù)現(xiàn)有應(yīng)用項目對比分析(見表1所示),在高速動車組、地鐵車輛、低地板車與跨座式單軌車幾個領(lǐng)域永磁牽引電機均體現(xiàn)了高功率密度的顯著優(yōu)勢。
(2)能耗對比。永磁牽引電機效率高,不僅在牽引工況時能耗更低,電制動工況時再生能量也更高,綜合的總能耗節(jié)能效果更為顯著。表2所示為長沙地鐵1號線永磁牽引電機考核時的實測能耗數(shù)據(jù),永磁牽引電機的列車總能耗相比異步牽引電機降低30%,對于軌道交通行業(yè)節(jié)能減排意義重大。
(3)噪聲對比。永磁牽引電機采用全封閉冷卻結(jié)構(gòu),可以有效降低電機的電磁噪聲,對于降低牽引電機低轉(zhuǎn)速的噪聲、提高站臺乘客舒適度有顯著效果。長沙地鐵1號線永磁牽引電機與異步牽引電機的噪聲對比測試結(jié)果如:一、在定速測試中,永磁牽引電機的平均噪聲值比異步牽引電機低,其中0~1900r/min平均降低6.3dB(A),0~3686r/min平均降低2.7dB(A)。二、在模擬實際升速過程中,永磁牽引電機平均噪聲值相較異步牽引電機降低7.4dB(A)。
5 結(jié)語
近年來,霧霾天氣嚴重困擾著我國北方廣大地區(qū),廣泛影響著群眾的健康狀況。霧霾的成因目前基本明確,大多數(shù)地區(qū)主要由工業(yè)燃煤產(chǎn)生的污染氣體如二氧化硫等造成的。我國70%以上的電力是火電,每年發(fā)電需要消耗煤炭近20億噸,對環(huán)境影響巨大。軌道交通是電力消耗大戶,將永磁牽引電機應(yīng)用于軌道交通車輛可有效降低牽引能耗,實現(xiàn)節(jié)能減排。據(jù)測算,一列地鐵列車采用永磁牽引電機每天可以減少排放3000公斤二氧化碳與10公斤二氧化硫。永磁牽引電機采用的永磁材料主要為釤鈷或釹鐵硼等稀土材料,我國是世界上稀土材料儲藏的第一大國,豐富的稀土資源使得我國非常適合永磁牽引電機的發(fā)展與應(yīng)用。
綜上,我國應(yīng)當積極推動永磁牽引電機在軌道交通車輛的批量應(yīng)用推廣,加快軌道交通行業(yè)節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展。
參考文獻
[1]馮江華.軌道交通永磁同步牽引系統(tǒng)研究[J].機車電傳動,2010(5):15-21.
[2]晏才松,張奕黃,曹君慈.地鐵用變頻調(diào)速永磁同步電機不同磁極結(jié)構(gòu)的性能分析[J].黑龍江大學(xué)工程學(xué)報,2012(4):105-111.
[3]劉雄,陳文光,許峻峰,等.地鐵永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)優(yōu)化策略與仿真分析[J].機車電傳動,2016(03):24-27.