李 棟

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,200042,上海)

0 引言

相比于傳統(tǒng)的異步牽引系統(tǒng),永磁同步牽引系統(tǒng)在列車牽引能耗、列車再生制動(dòng)能量、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行噪聲、電動(dòng)機(jī)維護(hù)等方面具有明顯的優(yōu)勢,尤其是在列車運(yùn)營能耗方面的優(yōu)勢較大。但由于永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)(以下簡稱“永磁電機(jī)”)的市場價(jià)格略高于異步牽引電動(dòng)機(jī)(以下簡稱“異步電機(jī)”),永磁同步牽引系統(tǒng)額外配置了隔離接觸器箱,且采用軸控控制方式,導(dǎo)致永磁電機(jī)的全壽命周期系統(tǒng)維護(hù)成本較高。相同動(dòng)力配置下,永磁同步牽引系統(tǒng)的成本高于異步牽引系統(tǒng),即所謂的“節(jié)能但不省錢”,這為永磁同步牽引系統(tǒng)的市場推廣帶來了一定的阻力。

本文比較了永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)的系統(tǒng)配置、運(yùn)行能耗和維護(hù)成本,并以南京地鐵9號(hào)線為例,結(jié)合其工程特點(diǎn)、車輛批復(fù)及招投標(biāo)實(shí)際情況,針對(duì)采用永磁同步牽引系統(tǒng)引起的列車單價(jià)提升、維保費(fèi)用增加等問題,基于本線最大坡度未達(dá)到30‰且均為地下線的情況,提出適當(dāng)減小列車動(dòng)力配置單元的改進(jìn)措施,在保障故障運(yùn)行能力和救援能力的前提下,降低購置成本和維護(hù)費(fèi)用,達(dá)到“既節(jié)能又省錢”的目的,使本線應(yīng)用永磁同步牽引系統(tǒng)具備了可行性。

1 工程概況

南京地鐵9號(hào)線一期工程是線網(wǎng)西北方向的局域線,工程北起紅山新城站,南至江蘇大劇院·憲法廣場站,途經(jīng)玄武區(qū)、鼓樓區(qū)及建鄴區(qū)3個(gè)行政區(qū)。線路全長為19.677 km,共設(shè)車站16座,全部為地下線,線路最大坡度為29.896‰。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)批復(fù),列車采用6節(jié)編組B型車(4動(dòng)2拖,以下簡稱“4M2T”),直流1 500 V架空接觸網(wǎng)供電方式,最高運(yùn)行速度為80 km/h。全線初期、近期、遠(yuǎn)期配屬車分別為20列、56列、69列,批復(fù)概算為650萬元/輛。

2 永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)差異分析

2.1 系統(tǒng)配置對(duì)比

永磁同步牽引系統(tǒng)與異步牽引系統(tǒng)配備相同的受電弓、高壓電器箱、濾波電抗器和接地裝置,其設(shè)備安裝形式也完全相同。二者的主要差異為永磁同步牽引系統(tǒng)使用永磁電機(jī),并在牽引逆變器與永磁電機(jī)之間設(shè)置有隔離接觸器,用于牽引電機(jī)與牽引系統(tǒng)的隔離保護(hù)。

以4M2T列車為例,永磁同步牽引系統(tǒng)和異步牽引系統(tǒng)對(duì)比如表1所示。由系統(tǒng)差異引起的車輛單價(jià)差異約為20%。

表1 永磁同步牽引系統(tǒng)和異步牽引系統(tǒng)對(duì)比

2.2 列車運(yùn)行仿真能耗對(duì)比

列車運(yùn)行仿真模擬是根據(jù)設(shè)計(jì)線路縱斷面、列車牽引特性、供電特性、列車阻力特性、牽引網(wǎng)電壓及運(yùn)營組織要求等資料,仿真各運(yùn)營階段全線列車的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)采用永磁電機(jī)的4M2T列車資料和南京地鐵9號(hào)線線路資料及行車組織資料,采用永磁電機(jī)和異步電機(jī)的4M2T列車運(yùn)行仿真能耗對(duì)比如表2所示。

表2 采用永磁電機(jī)和異步電機(jī)的4M2T列車運(yùn)行仿真能耗對(duì)比

相較于采用異步電機(jī)的4M2T列車,采用永磁電機(jī)的4M2T列車牽引單位能耗降低了4.3%,給電能耗降低了約4.3%,再生能量增加了約5.0%。按照全日行車計(jì)劃,采用永磁電機(jī)的4M2T列車方案全年可節(jié)約牽引能耗約2.58×106kWh。

2.3 維護(hù)成本對(duì)比

4M2T列車的永磁同步牽引系統(tǒng)和異步牽引系統(tǒng)的設(shè)備箱配置一致,但永磁同步牽引系統(tǒng)的牽引變流器IGBT模塊規(guī)格及數(shù)量、逆變電路數(shù)量、輸出隔離接觸器均有所增加。由此引起的牽引系統(tǒng)維護(hù)內(nèi)容和成本也會(huì)有所不同,主要表現(xiàn)為兩種牽引電機(jī)和牽引逆變器在全壽命周期內(nèi)的檢修項(xiàng)目、工時(shí)、物料成本均有所差異。永磁電機(jī)和異步電機(jī)工時(shí)及物料成本對(duì)比如表3所示。全壽命周期(按30年計(jì))內(nèi)永磁電機(jī)維護(hù)工時(shí)為935 h,物料成本為81 500元,而異步電機(jī)維護(hù)工時(shí)為1 140 h,物料成本為99 900元。永磁同步牽引逆變器的全壽命周期維護(hù)工時(shí)為914 h,物料成本為1 053 000元。異步牽引逆變器的全壽命周期維護(hù)工時(shí)為919 h,物料成本為595 400 元。

表3 永磁電機(jī)和異步電機(jī)工時(shí)及物料成本對(duì)比

對(duì)于一列4M2T列車而言,采用永磁電機(jī)與永磁同步牽引變流器的列車全壽命周期維護(hù)工時(shí)為8 616 h,物料成本為5 516 000元,采用異步電機(jī)與異步牽引變流器的列車全壽命周期維護(hù)工時(shí)為11 916 h,物料成本為3 980 000元。由此可知,采用永磁電機(jī)與永磁同步牽引變流器的4M2T列車的全壽命周期維護(hù)工時(shí)能夠降低3 300 h,但其物料成本增加了1 536 000元。將維護(hù)工時(shí)按50元/h 折算成總成本后進(jìn)行對(duì)比,采用永磁電機(jī)與永磁同步牽引變流器的4M2T列車的總維護(hù)成本增加了1 371 000元。

3 4M2T和3M3T(3動(dòng)3拖)永磁同步牽引系統(tǒng)對(duì)比

對(duì)于6節(jié)編組的地鐵列車而言,4M2T是主流的動(dòng)力配置方式,可以更好地滿足地鐵列車牽引制動(dòng)的需求,尤其適應(yīng)列車故障救援時(shí)的牽引要求。根據(jù)文獻(xiàn)[1],3M3T列車配置的永磁同步牽引系統(tǒng),在列車性能上完全能夠達(dá)到4M2T 列車的配置要求。

為了降低采用永磁同步牽引系統(tǒng)4M2T列車的購置成本和維保費(fèi)用,本文結(jié)合南京地鐵9號(hào)線線路特點(diǎn),提出將4M2T列車改為3M3T列車的編組方案,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的。

根據(jù)南京地鐵9號(hào)線的線路參數(shù),在干燥、清潔的平直軌道上,在AW2(滿座+6人/m2,額定載荷)工況、額定接觸網(wǎng)電壓及車輪半磨耗狀態(tài)下,采用4M2T和3M3T編組方案的列車牽引制動(dòng)性能對(duì)比如表4所示。采用3M3T編組方案的列車平均啟動(dòng)加速度和電制動(dòng)減速度均有所降低,牽引黏著系數(shù)和電制動(dòng)黏著系數(shù)均有所增加,表明牽引制動(dòng)性能有所下降。鑒于南京地鐵9號(hào)線均為地下站,線路運(yùn)行不存在極端惡劣天氣工況,故其空轉(zhuǎn)打滑風(fēng)險(xiǎn)可控。此外,南京地鐵9號(hào)線的最大坡度小于30‰,3M3T編組列車的故障運(yùn)行性能和救援能力也都滿足相應(yīng)的要求,因此本線采用3M3T具備可行性。

表4 采用4M2T和3M3T編組方案的列車牽引制動(dòng)性能對(duì)比

采用永磁同步牽引系統(tǒng)的3M3T編組列車的全壽命周期維護(hù)工時(shí)為15 525.8 h,物料成本為3 687 400元。采用異步牽引系統(tǒng)的4M2T編組列車全壽命周期維護(hù)工時(shí)為23 519.6 h,物料成本為3 967 000元。由此可知,采用永磁同步牽引系統(tǒng)的3M3T編組列車的全壽命周期維護(hù)工時(shí)能夠降低7 993.8 h,物料成本降低了279 600元。將維護(hù)工時(shí)按50元/h 折算成總成本后進(jìn)行對(duì)比,一列采用永磁同步牽引系統(tǒng)3M3T編組列車的全壽命維護(hù)成本能夠降低約68萬元。

4 結(jié)語

永磁電機(jī)具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),符合目前低碳、綠色發(fā)展政策,未來勢必會(huì)在軌道交通牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中獲得較為廣泛的應(yīng)用。永磁同步牽引系統(tǒng)能夠有效降低列車的運(yùn)營能耗,但由于增加了牽引逆變器模塊和三相隔離接觸器等設(shè)備,使得列車購置成本及維護(hù)成本有所增加。鑒于此,在既定線路條件下,本文通過仿真研究發(fā)現(xiàn),3M3T編組列車在牽引制動(dòng)、故障運(yùn)行性能和救援能力方面均能滿足南京地鐵9號(hào)線的運(yùn)營要求,且其全壽命維護(hù)成本也相對(duì)較低,為永磁同步牽引系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了思路。

由于種種原因,南京地鐵9號(hào)線最終未采用永磁同步牽引系統(tǒng),但本文提出的通過改變動(dòng)力配置的方式來平衡成本和效益,為推廣應(yīng)用永磁同步牽引系統(tǒng)提供了可行性思路。假以時(shí)日,永磁同步牽引系統(tǒng)的應(yīng)用必將帶來更多的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。