地鐵車輛節能設計方案

劉川++羅敏

摘 要：地鐵列車的能耗主要是列車通過受電弓或集電靴從接觸網或接觸軌獲得并消耗掉的電能，為列車牽引能耗和列車輔助能耗兩部分之和。因此，從降低列車牽引能耗和降低列車輔助能耗兩方面進行考慮，通過對國內地鐵車輛項目的研究，分析并總結地鐵車輛在各系統的節能設計，以及應用并推薦的前沿節能技術。

關鍵詞：節能；輕量化；車體；輔助能耗；永磁直驅

中圖分類號：TE08 文獻標識碼：A

一、概述

隨著中國經濟的發展，對能源的需求日益增加，這就對各行業提出了更高的要求，尤其是在系統節能的方案設計選擇上尤為重要，同樣地鐵車輛的節能設計也顯得尤為突出。

地鐵列車的能耗主要是列車通過受電弓或集電靴兩類方式從接觸網或接觸軌上獲得并消耗電能，列車能耗包括了列車牽引能耗和列車輔助能耗兩部分之和。因此，列車的節能就要能夠從降低列車牽引能耗和降低列車輔助能耗兩方面入手進行考慮，通過對國內地鐵車輛項目的研究，分析并總結出地鐵車輛在各方面進行的節能設計，以及應用并推薦的前沿節能技術。

二、降低列車牽引能耗

1.提高牽引系統效率

牽引傳動系統應采用VVVF交流傳動技術。牽引逆變器效率不宜低于0.97，牽引電機效率不宜低于0.9，齒輪傳動效率不宜低于0.97。目前交流異步電機牽引系統的效率已經達到該項技術的較高水平，要提高牽引系統的效率，可采用永磁直驅同步牽引電機（圖1）加碳化硅變流器技術。使用永磁直驅同步牽引電機后，減少了齒輪箱，提高了效率；使用碳化硅變流器，可使逆變器輸出近似完美的正弦波電流來控制電機，從而減少電機的銅損和鐵損，進一步提高效率。使用碳化硅變流器，在降低電機銅損和鐵損的同時，大大降低了電機的發熱，使得永磁直驅電機可從水冷轉變為走行風冷，可減少地鐵底架的水冷箱及水冷泵，減少整車自重量，也減少能耗。

2.制動過程中的能量利用

當前國內所采用的地鐵列車普遍具備了電制動功能，常用制動情況下電制動優先，電制動時優先采用再生制動。為了減少空氣制動系統閘瓦的磨耗，建議在AW0-AW3載荷范圍內，電制動的起始速度應為80km/h，電制動的結束速度應為3km/h～0km/h，即實現整個速度范圍內的全電制動。

電制動時優先采用再生制動，當再生能量不能被電網吸收時會施加電阻制動。列車再生制動時，電流會反饋回電網，被鄰近的列車吸收用于牽引；當相鄰列車吸收的電能小于再生制動的電能時，列車就會通過制動電阻將多余的電能消耗掉。因此，電制動過程中的節能在于盡量多的吸收再生制動的能量，這與在同一線路上的行車組織有關聯；同時將原制動電阻損耗的能量利用起來，安裝地面再生制動吸收裝置。下面簡單介紹國內的幾種能量吸收方案。

（1）地面再生制動吸收裝置

地面再生制動吸收裝置分類：電阻能耗型、電容儲能型、電阻+逆變器回饋型。

在國內的應用案例：

電阻消耗型能量吸收裝置：廣州4號線、天津1號線、重慶輕軌等項目。

電容或飛輪儲能型能量吸收裝置：北京5號線等項目。

電阻+逆變器回饋型能量吸收裝置：鄭州1號線等項目。

（a）電阻能耗型地面再生制動吸收裝置

如圖1和圖2所示：吸收裝置控制系統采集到直流母線電壓及電流信號及整流變壓器一次側的交流電壓信號，綜合判斷列車牽引、制動情況，吸收裝置根據判斷來確定斬波器的導通比和吸收支路的投入數量，控制線網電壓維持在某一設定范圍之內，確保車輛的安全運行。4個獨立的吸收電阻支路，每個支路由IGBT斬波器與吸收電阻組成，構成四相不重恒壓吸收控制系統。

（b）電阻+逆變器回饋型地面再生制動吸收裝置

如圖3所示：當電阻+逆變混合型制動能量吸收裝置啟動。逆變器率先投入，將再生電能逆變成三相交流電并饋入車站400 V 配電網，給AC400 V負載使用。當列車制動能量較大，再生能量超出逆變器容量時（表現為線網電壓升高至某一限值）電阻投入，與逆變器共同吸收再生能量。當再生能量下降至逆變器吸收范圍內時（表現為線網電壓下降到某一限值）電阻退出，仍由逆變器獨自吸收再生能量。

（c）電容儲能型地面再生制動吸收裝置

采用IGBT逆變器，將列車的再制動能量吸收到電容或飛輪電機中，當供電區有其他車牽引時，裝置將儲存的電能釋放并進行再利用。

對于以上3種地面能量吸收方案，個人的認識為：

（1）發車密度小則制動電阻容量需求大，間隔大于6min時，再生制動能量被其他列車吸收的概率幾乎為零。

（2）不同線路區間，列車運行方式及線路特征不同，再生制動能量回饋值差異很大，因此各變電站內地面再生制動能量吸收裝置設置應根據列車在該區段的運行特性分別進行考慮。

（3）能量吸收裝置控制系統應能對車輛狀態進行快速、準確的判斷，具有完善的保護措施，如過壓、過流、過熱、短路保護等。

（4）具有遠程與本地監控系統，能實時監測能量吸收裝置的工作狀態。

（5）地面能量吸收裝置的安裝方式、散熱問題等需要慎重考慮。

3.輕量化節能

車輛的輕量化設計，將直接降低牽引能耗，實現節能。

（1）輕量化的車體

在滿足車體靜強度、碰撞及疲勞要求的情況下，目前國內的鋁合金車體重量已經做到Tc車6.5t，M1和M2車6.3t，車輛AW0狀態下重量為：Tc車29.8t、M1車31.3、M2車31.7t。這個重量比地鐵招標模板規定的Tc車33t、M車35t輕很多。

若按照50%的電制動能量反饋被使用情況，在AW2狀態下，使用輕量化列車的一條線路一年能夠節省約500多萬千瓦時電量，帶來非常可觀的電能節省。

（2）部件的輕量化設計

采用稀土耐蝕光亮鋁合金材質的鋁合金扶手，在滿足乘客抓扶和沖擊工況的前提下，一輛車的鋁合金扶手比不銹鋼扶手輕約100kg。采用新型非鋁合金及鋁蜂窩結構的風道和鋁蜂窩地板，也能帶來每輛車減輕約200kg的重量。

三、降低列車輔助能耗

1.空調系統節能

對于需要使用客室座椅下電加熱的城市，建議使用熱泵空調，熱泵空調機組由于采用逆卡諾循環，通過四通換向閥將空調系統的制冷循環轉換成制熱循環，熱泵空調機組的能效比可以達到2.4以上；而電加熱由于采用電阻絲的方式，通過電加熱絲將電能轉化成熱能輸出。由于電加熱絲屬于物理制熱轉化，效率最大能達到0.9。

2.在提高列車自身的隔熱、隔音性能方面可以采用如下設計：

（1）在車體內表面，車頂、側墻、端墻上粘貼性能優良的防寒材。

（2）車門門頁采用鋁蜂窩夾層結構。

（3）車窗和車門玻璃均采用雙層中空結構。

（4）貫通道棚布采用雙層結構，提高其隔熱隔音性能。

（5）地板采用5層夾層結構，內貼防寒材，提高其隔熱隔音效果。

四、新技術推薦

永磁直驅地鐵車輛應是地鐵發展的一個方向。

單個異步系統轉向架重量與單個永磁直驅系統轉向架重量的對比，拖車轉向架重量可減重0.5t，動車轉向架重量可減重0.4t。從這組數據可以看出，轉向架的減重為每個拖車減重1t，每個動車減重0.8t，如整車為4動2拖的6編組車輛，則整列車可減重5.2t，又能夠降低牽引能耗，節省電能。

結論

通過降低牽引能耗、減少輔助能耗能夠為地鐵車輛帶來非常可觀的節能，隨著科技的發展，預計國內以后會在地面能量吸收及永磁直驅車輛方面進行更多的嘗試，進一步降低能耗，實現節能。

參考文獻

[1]連鵬飛.深圳地鐵2號線工程再生制動能量吸收裝置設置方案研究[J].鐵道工程學報，2007，24（6）：85-89.

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