顧巍

摘要：本文通過對蘇州地鐵三號線電客車永磁同步牽引系統(tǒng)和異步交流牽引系統(tǒng)的對比，介紹了永磁同步牽引系統(tǒng)的優(yōu)勢。同時結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)，對永磁同步牽引系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：永磁同步牽引系統(tǒng)、能耗試驗(yàn)、節(jié)能率

1? 前言

永磁同步牽引系統(tǒng)作為交流牽引系統(tǒng)的另一種技術(shù)路線，自21世紀(jì)以來，歐美及日本的多家公司，如阿爾斯通、西門子、龐巴迪等，開始將永磁同步電機(jī)作為軌道交通車輛的牽引電機(jī)使用。2015年，長沙地鐵1號線在國內(nèi)首次將整列地鐵列車裝載了永磁同步電機(jī)。

蘇州軌道交通在三號線0312、0345車列車上，也首次采用了永磁同步牽引系統(tǒng)。本文以蘇州軌道交通三號線0345車為例，介紹永磁同步牽引系統(tǒng)相較于交流異步牽引系統(tǒng)的區(qū)別與特點(diǎn)。

2? 永磁同步牽引系統(tǒng)主電路

蘇州軌道交通三號線列車為設(shè)計速度80km/h的B型車，采用4動2拖編組形式：=Tc1—Mp1—M1+M2—Mp2—Tc2=（Tc——帶司機(jī)室拖車;Mp——帶受電弓拖車;M——不帶受電弓動車）。列車采用DC1500V接觸網(wǎng)供電方式，Mp1、M1、M2、Mp2車上各配置1套牽引系統(tǒng)。

永磁同步牽引系統(tǒng)采用永磁同步牽引電機(jī)，每節(jié)動車4臺，取代原有的異步交流電機(jī)。為了適應(yīng)永磁同步電機(jī)的工作特性和控制特性，牽引系統(tǒng)的主電路也做了相應(yīng)的改動。永磁同步牽引系統(tǒng)主電路與異步交流牽引系統(tǒng)的主電路相比更為復(fù)雜，主要有以下區(qū)別：

2.1電機(jī)控制方式

蘇州三號線列車永磁同步牽引系統(tǒng)采用軸控的方式，即每臺永磁同步電機(jī)都需要獨(dú)立的VVVF逆變器進(jìn)行控制，而異步交流牽引系統(tǒng)則采用車控的方式，即一臺VVVF逆變器實(shí)現(xiàn)對4臺異步交流電機(jī)的集中控制。

轉(zhuǎn)向架各輪對的輪徑值存在著客觀差異，要使列車平穩(wěn)運(yùn)行，這就需要使同一節(jié)動車各個電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)輪徑值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，四個電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩需要分別進(jìn)行控制。而永磁同步電機(jī)的特性決定了：永磁同步電機(jī)工作時，其轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率與定子繞組中的電流頻率是一致的。因此，每臺永磁同步電機(jī)都需要一臺獨(dú)立的VVVF逆變器來進(jìn)行供電。

軸控的控制方式使得永磁同步牽引系統(tǒng)在故障冗余性、黏著利用、輪徑容差等方面帶來了優(yōu)勢，但也大大增加了牽引系統(tǒng)中各零部件的數(shù)量，可能的故障點(diǎn)倍增，對牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。

2.2 隔離接觸器

永磁同步牽引系統(tǒng)在每臺VVVF逆變器與相應(yīng)的電機(jī)之間，安裝了隔離接觸器。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永磁體來進(jìn)行勵磁，當(dāng)牽引系統(tǒng)發(fā)生故障或列車處于惰行狀態(tài)等情況導(dǎo)致逆變器停止工作時，永磁同步電機(jī)的定子繞組會因電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動產(chǎn)生感應(yīng)反電動勢，并通過逆變器的反并聯(lián)二極管向直流回路進(jìn)行充電，對牽引系統(tǒng)前端的電氣部件造成影響和危害。通過在每臺VVVF逆變器與相應(yīng)的電機(jī)之間設(shè)置三相隔離接觸器，由牽引控制單元進(jìn)行控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)在各類情況下永磁同步電機(jī)與逆變器的完全隔離，保證牽引系統(tǒng)不會因?yàn)榉措妱觿菰斐晒收系臄U(kuò)大化。這同樣增加了牽引系統(tǒng)的復(fù)雜性。

3? 永磁同步牽引電機(jī)

永磁同步牽引電機(jī)作為永磁同步牽引系統(tǒng)中最核心的部件，相比異步交流電機(jī)，有著以下優(yōu)勢：

3.1 節(jié)能優(yōu)勢

永磁同步電機(jī)的功率因數(shù)和效率均有較明顯的提升。這主要是由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體來進(jìn)行勵磁，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的提高和定子銅耗的降低。同時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同頻，基本消除了轉(zhuǎn)子的鐵耗和銅耗。功率因數(shù)和效率的提升帶來的是電能的更有效利用，更具節(jié)能優(yōu)勢。

3.2 功率密度優(yōu)勢

蘇州三號線0345車采用的永磁同步電機(jī)與其他電客車采用的異步交流牽引電機(jī)具有同樣的額定功率，而永磁同步電機(jī)的重量有了明顯的減小，因此功率密度得到了顯著提高。這意味著，在同等尺寸和質(zhì)量的條件下，永磁同步電機(jī)能夠有更大的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩，這讓電機(jī)直接驅(qū)動輪軸成為了可能。蘇州三號線0312車就采用了永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)，取消了異步牽引系統(tǒng)中原有的齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)，這樣就提高了整個牽引傳動系統(tǒng)的效率，免除了齒輪箱的維護(hù)成本。但輪軸與電機(jī)直接連接，會造成各類有害沖擊負(fù)荷直接由電機(jī)本體來承受，這對電機(jī)的設(shè)計有了更高的技術(shù)要求。

4? 永磁同步牽引系統(tǒng)節(jié)能效果驗(yàn)證

節(jié)能優(yōu)勢作為永磁同步牽引系統(tǒng)最重要的優(yōu)勢之一，能給運(yùn)營維護(hù)帶來直觀的經(jīng)濟(jì)效益。為了實(shí)際驗(yàn)證永磁同步牽引系統(tǒng)在節(jié)能方面的效果，通過在0345車和0330車上安裝能耗儀，實(shí)際采集列車牽引與再生能耗，進(jìn)行了能耗對比試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)條件

0345車（永磁同步牽引系統(tǒng)）與0330車（異步交流牽引系統(tǒng)）都以AW0載荷狀態(tài)，在3號線運(yùn)營結(jié)束后，從新區(qū)火車站下行出發(fā)，以ATO模式運(yùn)行至唯亭站后折返并上行運(yùn)行至寶帶路站，期間按照ATO時刻表停站。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)束后，分別讀取了0345車、0330車的TCU（牽引控制單元）記錄數(shù)據(jù)及能耗儀記錄數(shù)據(jù)，統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。（由于采樣頻率、精度等差異，TCU采集數(shù)據(jù)與能耗儀采集數(shù)據(jù)存在差異，差異精度在5%內(nèi)）。

4.3 節(jié)能效果計算

根據(jù)TCU及能耗儀采集的能耗數(shù)據(jù)，分別對0345車的牽引消耗節(jié)能率，總能耗節(jié)能率進(jìn)行計算，公式如下：

計算并整理結(jié)果如下：

試驗(yàn)結(jié)果表明，0345車的牽引能耗、總能耗均明顯降低，總能耗節(jié)能率達(dá)到了近9%。因試驗(yàn)當(dāng)天線網(wǎng)只有兩列車在運(yùn)行，再生制動率較低。實(shí)際線網(wǎng)運(yùn)行過程中，隨著再生制動率的提升、載荷的增加，總能耗節(jié)能率將會進(jìn)一步提高，達(dá)到10%以上。

相比其他異步牽引電機(jī)車輛，0345車每公里的牽引系統(tǒng)能耗將節(jié)省約0.7kwh，按每列車每年約12萬公里的運(yùn)行里程計算，0345車一年將至少節(jié)省84000kwh的電能，如果3號線50列車全部采用永磁同步牽引系統(tǒng)，一年將至少節(jié)省420萬kwh的電能，具有非常大的節(jié)能效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

5 結(jié)束語

永磁同步牽引系統(tǒng)憑借其節(jié)能、故障冗余性高、黏著利用高、輪徑容差大等優(yōu)勢，已成為軌道交通牽引系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，但也對各個部件的提出了更高的技術(shù)要求。隨著生產(chǎn)工藝、控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化升級，可以預(yù)見，永磁同步牽引系統(tǒng)會成為軌道交通牽引系統(tǒng)新的主流。

（作者單位：蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營一分公司）