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城市轨道交通车辆永磁牵引系统应用研究

发表时间：2021/8/10 来源：《城市建设》2021年8月上15期作者：田玉刚

[导读] 随着我国城市轨道交通的快速发展，列车数量及运营里程不断增加，地铁列车作为能耗大户，绿色节能势必成为地铁列车的发展方向。而永磁牵引系统具有高效率、高功率密度、强过载能力、低噪音等优点，被业界视为下一代城市轨道交通车辆牵引系统，具有比现采用的异步牵引系统更节能、运行噪声更低等优势，能更好地满足城市轨道交通列车节能、降噪、高效的要求。

西安市轨道交通集团有限公司田玉刚陕西西安 710000

摘要：随着我国城市轨道交通的快速发展，列车数量及运营里程不断增加，地铁列车作为能耗大户，绿色节能势必成为地铁列车的发展方向。而永磁牵引系统具有高效率、高功率密度、强过载能力、低噪音等优点，被业界视为下一代城市轨道交通车辆牵引系统，具有比现采用的异步牵引系统更节能、运行噪声更低等优势，能更好地满足城市轨道交通列车节能、降噪、高效的要求。
关键词：城市轨道交通车辆；永磁牵引系统；应用研究
        1永磁牵引系统技术方案
        1.1永磁牵引系统总体方案
        以某地轨道交通1号线车辆为例，其采用4M2T、80km/h速度等级的B型列车，，其中45/46车采用永磁牵引系统，按照完全满足国内城轨DC1500V、4M2T、B型车的通用技术要求为目标，并以3M3T的车辆配置来满足4M2T的列车性能要求进行全面的研究。为保证永磁牵引系统列车与异步牵引系统列车的功能及性能一致且接口兼容，采用了与异步牵引系统列车兼容性设计，首次提出与异步牵引系统具有互换性的永磁牵引列车总体技术方案，永磁牵引系统列车除在动车I位端加了隔离接触器箱外，其他设备结构和安装位置均与异步牵引系统列车保持一致，完全满足车下设备的安装要求。同时确保了永磁牵引系统与异步牵引系统底架设备布置、车辆轴重平衡的兼容性、互换性，最大限度确保两种不同牵引系统底架设备的维护一致性。
        1.2永磁牵引系统技术方案、系统结构与系统配置
        某地轨道交通1号线永磁牵引系统深入研究基于永磁同步牵引系统列车的主电路拓扑结构，提出了多电机运行模式下永磁同步电传动系统主电路拓扑结构，同时在永磁同步牵引电动机与牵引逆变器之间增加隔离接触器，避免系统故障时由于永磁同步牵引电动机的反电势造成故障的进一步扩大。永磁牵引系统主电路采用两电平电压型直-交逆变电路，经受电弓输入的DC1500V直流电由VVVF逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电，向永磁牵引电机供电。VVVF逆变器由2个双管逆变模块单元组成，采用2个双管逆变器模块驱动4台牵引电机的工作方式，电阻制动斩波单元与逆变模块单元集成在一起。当电网电压在1000~1800V之间变化时，主电路能正常工作，并顺利实现牵引-制动的无接点转换。为防止永磁牵引系统失控时因永磁牵引电机发电产生的反电势对牵引系统造成影响，在牵引逆变器与永磁牵引电机之间设置隔离接触器，起到隔断作用。永磁牵引系统包含能耗记录仪箱、高压电器箱、滤波电抗器、VVVF逆变器、制动电阻、牵引电机、隔离接触器、齿轮驱动装置及联轴节等设备。各高压电气设备箱均采用箱体式车下悬挂结构。牵引电机采用架承式全悬挂结构，并通过联轴节与齿轮驱动装置连接，传递牵引或电制动力矩，驱动列车前进或使列车制动。
        1.3永磁牵引系统列车优化设计
        基于永磁牵引系统在某地轨道交通1号线列车上的成功应用，5号线一期工程全部采用永磁同步牵引系统。5号线与1号线均采用最高速度80km/h的4动2拖B型车，5号线一期工程永磁牵引系统列车较1号线45/46永磁牵引系统列车的牵引设备更加集中、永磁牵引电机由230kW降低至190kW，降低了电机的重量，有利于减轻列车重量。为简化车辆设备布局，永磁牵引系统平台规划为集高压电器箱2、滤波电抗器、牵引逆变器、隔离接触器箱于一体的四合一牵引逆变器，适用范围涵盖时速80公里~120公里。
        2永磁牵引系统改造
        永磁牵引系统改造的主要目标是以永磁牵引系统替代原车异步牵引系统，考核永磁系统的可靠性、可用性、可维护性及安全性指标，并通过系统采集的能耗数据与原牵引系统能耗数据进行对比，确定永磁牵引系统的节能效果。改造工作主要分为：系统设计、设备更新与软件升级、性能试验及运用考核几大部分内容。
        2.1系统设计
        与原车牵引系统相比，永磁牵引系统主要在主电路及系统设备方面与原系统有所区别。

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其中，在系统主电路方面，由于采用了永磁体励磁，因此系统在设计过程中，在逆变器与永磁电机之间设置了三相隔离接触器，用以隔离永磁电机不可关断的反电势；此外，由于永磁电机是同步电机，因此系统在设计时，将牵引电机的供电方式设定为独立供电（即轴控方式），用以解决轮径差导致4台电机定转子频率不同步的问题。在系统设备方面，牵引电机除了采用永磁体励磁外，作为同步电机，其控制算法中还需要电机转子位置及转速信号，因此电机内部还安装有旋转变压器用于转子位置和转速的测量。除此之外，由于控制方式不同，牵引逆变器和滤波电抗器等设备也与原系统存在差异，需要进行更换。由于此改造是对原系统的替代尝试，为尽量减少后续改造的工作量，新系统在设计过程中，应对所有更新设备的外形尺寸、机械接口等进行特殊要求，与原系统设备要保持一致；在电气接口方面，仅允许牵引电机及逆变器的接口进行微调，其他设备接口保持不变。在此基础上，设计完成后的系统设备在重量、效率及噪声等指标方面与原车系统会有所提升。
        2.2设备更新及软件升级
        新系统的设备更新及配套软件升级工作主要在车辆基地现场完成，此项工作分为硬件与软件两部分。硬件方面，主要是完成原有设备的拆卸、新设备的安装并根据新设备的需求情况，重新在车辆上进行相应的线路布置，确保设备能够安全、可靠地安装到列车上，保证高、低压线路的正确连接；软件方面主要是完成新系统与车辆TCMS系统之间的网络通信链接，升级TCMS现有程序，保证车辆驾驶指令可以准确传输给新的牵引系统，同时新系统的运行信息及故障信息可以通过TCMS网络准确反映给驾驶者。
        2.3验证试验
        完成设备及软件升级后应进行相关验证试验，主要包含部分：1）平均加速度/减速度性能试验，要求在平直干燥轨道以及额定网压情况下列车达到标准要求加速度，永磁牵引系统应能满足地铁列车的加速度/减速度性能要求；2）粘着利用试验，粘着利用率应达到80%以上，均能通过30‰坡道救援试验；3）永磁牵引系统温升试验，要求所有部件温升均完全符合整车技术条件要求。4）电机噪声对比试验，永磁牵引电机的平均噪声值比异步牵引电机低。全封闭结构使得永磁牵引电机噪声更低，尤其是低速阶段可有效提高站台乘客的舒适性。5）系统能耗试验，由于地铁车辆频繁启停，牵引电机工况复杂多变，理论上永磁牵引电机节能优势明显，尤其是高效区范围远高于异步电机。6）通过载客运营考核，与异步牵引系统进行对比测试。
同时电机热分析影响电磁、机械结构、冷却结构的设计，十分重要。在热分析工作需要重点关注轴承温度仿真值的准确性和对转子温度的监测。为满足永磁牵引电动机精细化设计需求，对热分析稳定性和准确性提出了更高要求，更加趋向于采用多物理场的耦合分析。
        3存在问题及解决措施
        3.1电机失磁
        由于高温、大电流去磁、振动、腐蚀等情况，引起永磁体失磁。若发生失磁，电机性能急剧下降，甚至导致电机停转，在对可靠性要求非常高的轨道交通领域，必须重视永磁电机运行的可靠性。针对此类问题，可在永磁体的槽内采用灌胶来防止振动引起的失磁，表面镀层防止因暴露引起的锈蚀，进行短路失磁仿真分析，确保电机发生短路后不会发生不可逆失磁；设置合理最大电流限值和温度告警值，通过监控电流值和温度值确保电机可靠运行。
        3.2匝间短路
        由于永磁牵引电机发生匝间短路故障，采用新型联轴节可在电机故障后，及时将电机脱开进行机械隔离，避免故障扩大。匝间短路时，即便切除此牵引力，短路回路在转子磁场下，仍有短路电流，继续高速运行，在定子线圈短路会产生飞溅的熔渣，造成其他线圈短路，最终有可能导致电机脱落等次生灾害。通过应用新型结缘结构，加强匝间绝缘，有效避免匝间短路故障发生。并通过优化磁路，采用基于故障导向的新型永磁辅助电机，降低反电势，避免故障恶化，保障线路可靠运行。
        结语
        随着永磁牵引系统在国内外轨道交通的各车型均有成功应用，永磁材料的稳定可靠性越来越高，永磁牵引系统在国内项目应用度越来越高，在注重其经济效益，社会效益同时，应注重永磁电机热分析等试验，形成了完整、成熟的永磁牵引系统技术、制造与质量保障体系，结合试验验证，也可为新材料、新冷却技术的应用提供方向和数据支持。
参考文献
[1]周永刚,陈超录,刘雄.地铁永磁直驱牵引系统设计方法[J].机车电传动,2015(6):34-37.