永磁同步牽引系統(tǒng)及其關鍵技術的應用

李磊++寧波++牛一疆

摘 要：文中從永磁牽引系統(tǒng)的優(yōu)勢出發(fā)，從系統(tǒng)原理、牽引逆變器主電路工作原理和特點、結構特點及其關鍵技術等方面介紹了永磁同步牽引系統(tǒng)在西安地鐵2號線車輛上的應用。永磁同步牽引系統(tǒng)具有高效、節(jié)能等優(yōu)點，對城市軌道交通牽引系統(tǒng)的發(fā)展具有積極而深遠的意義。

關鍵詞：永磁同步；牽引逆變器；功率單元；牽引控制

中圖分類號：TP39；TM351 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）09-00-02

0 引 言

當前，城市軌道交通車輛牽引系統(tǒng)以異步牽引系統(tǒng)為主，但永磁同步牽引系統(tǒng)以其更加高效節(jié)能、輕量化及更低的全壽命周期得到了越來越多用戶的關注，故永磁同步牽引系統(tǒng)無疑將成為下一代城市軌道車輛牽引系統(tǒng)的主流，因此及時跟進并了解其發(fā)展動態(tài)是我們當下面臨的課題。如果說異步電動機取代直流電動機是軌道交通牽引的第一次技術革命，那么永磁同步電機取代異步牽引電動機將是軌道交通牽引的第二次技術革命。永磁同步牽引系統(tǒng)的特點符合國家節(jié)約、低碳經(jīng)濟的發(fā)展需要，將為軌道交通節(jié)能減排，實現(xiàn)綠色環(huán)保的軌道交通做出積極貢獻。

本文永磁牽引系統(tǒng)的研究是在西安地鐵2號線既有車輛平臺上進行的，只對一列車的其中1輛動車進行牽引系統(tǒng)的更換，要求牽引系統(tǒng)的電氣接口、機械接口和網(wǎng)絡接口與既有車輛保持一致。

1 永磁牽引電傳動系統(tǒng)

西安地鐵2號線車輛工程采用B型車輛，3動3拖編組方式，6輛/列，編組型式=Tc*Mp*M*T*Mp*Tc=，如圖1所示。

其中，牽引逆變器主電路采用兩電平電壓型直-交逆變電路。列車通過高壓電路將DC1 500 V直流電供給牽引逆變器，經(jīng)牽引逆變器變換成頻率、電壓均可調(diào)的三相交流電后向永磁牽引電動機供電。牽引逆變器由4組三相逆變單元組成，由4組逆變單元分別驅(qū)動兩個動力轉向架上的4臺永磁牽引電機的軸控工作方式。牽引逆變器主電路主要由充放電電路、濾波電路、功率單元、接觸器以及檢測元件等設備組成，將IGBT斬波單元與4組三相逆變單元集成后組成功率單元。

與既有車輛相比，保留主電路中原有的隔離開關箱、熔斷器箱、高速斷路器箱、濾波電抗器、制動電阻，更換牽引逆變器。原異步牽引系統(tǒng)為車控方式，而裝載永磁同步牽引系統(tǒng)后為軸控方式。為避免系統(tǒng)失控時永磁電機產(chǎn)生的反電動勢對系統(tǒng)造成影響，在牽引逆變器輸出端和永磁電機之間設置隔離接觸器。當系統(tǒng)處于故障模式時，跳開隔離接觸器，斷開永磁同步牽引電機和牽引逆變器，以保護牽引設備。同時，設置故障單元切除接觸器與發(fā)生故障的逆變電路，保證正常單元可以繼續(xù)運行。與既有車輛相比，該系統(tǒng)動力損失小，故障運行能力增強。牽引逆變器主要參數(shù)見表1所列。

2 永磁牽引逆變器主電路結構設計

根據(jù)西安地鐵2號線既有車輛結構和安裝特點，永磁牽引系統(tǒng)逆變器主電路結構設計主要遵循以下原則：

（1）運用模塊化設計，提高裝置可操作性、可維護性。

（2）裝置分開放室和密閉室，需要大量散熱的部件經(jīng)過絕緣后布置在開放室，其他對于環(huán)境要求較高的設備安裝在密閉室；并在箱體底部設置開口，便于功率單元的安裝和拆卸。

（3）功率器件采用強迫風冷散熱方式，功率器件布置在密閉室，散熱器布置在開放室；冷空氣通過箱體頂部的進風口進入，經(jīng)過導流板后對散熱器進行冷卻，熱空氣通過出風口排放到空氣中；

（4）功率器件的驅(qū)動采用光纖進行連接，可有效避免對驅(qū)動控制信號的電磁干擾。

牽引逆變器的外形結構如圖2所示。

3 牽引逆變器關鍵技術說明

3.1 功率單元

功率單元的作用是通過開關器件，在牽引工況下將中間直流電壓轉換為三相交流電壓供給相應的永磁牽引電機，此過程中電壓和頻率根據(jù)系統(tǒng)控制的要求進行變化；在制動工況下，將永磁牽引電機發(fā)出的三相交流電壓整流，回饋至中間直流環(huán)節(jié)；在直流電壓過高時，開通制動斬波（BCH），用IGBT接通制動斬波電阻，消耗從牽引電機反饋的能量。

功率單元的設計采用平板熱管散熱+強迫風冷，實現(xiàn)模塊的小型化和輕量化。相對于熱管散熱器，由于基板冷媒的均溫效果，散熱器冷凝部分尺寸可以縮小很多，便于風道的設計，同時也減輕了重量。門極驅(qū)動采用分離元件搭建，參數(shù)易于調(diào)節(jié)，方便后期電路的優(yōu)化；電路采用隔離脈沖變壓器實現(xiàn)高低壓電源隔離，與控制單元通過光纖傳送信號，降低信號傳輸?shù)母蓴_。主電路的連接采用低電感疊層復合母排，盡可能降低雜散電感對功率器件造成的影響。

根據(jù)整個線路運行過程中速度、電機電流和時間等數(shù)據(jù)，對整個線路進行熱仿真計算。功率器件在不同工況下最大損耗及結溫仿真數(shù)據(jù)見表2所列。

仿真結果滿足既有車結溫過熱保護值120℃的要求。

3.2 牽引系統(tǒng)控制和邏輯功能

牽引逆變器通過控制單元完成對四臺永磁牽引電機的牽引/制動控制，保證車輛的正常運行。控制單元主要實現(xiàn)功能如下：

（1）對逆變器和牽引電動機進行控制；

（2）牽引控制單元將列車控制給定值和控制指令轉換成牽引逆變器的控制信號，對牽引逆變器和牽引電機進行控制，包括列車速度調(diào)節(jié)、保護、逆變器脈沖模式的產(chǎn)生等；

（3）對牽引逆變器和牽引電機進行保護；

（4）電制動控制；

（5）對電制動進行調(diào)整、保護和逆變器脈沖模式的產(chǎn)生；

（6）空轉/滑行保護控制；

（7）列車加減速沖擊限制保護；

（8）通過列車總線網(wǎng)絡實現(xiàn)牽引控制單元與其它控制單元的通信功能；

（9）故障診斷功能，能夠做到診斷到整個系統(tǒng)的最小可更換單元；

（10）坡道起動控制；

（11）高速重投功能。endprint

3.3 保護功能

牽引控制單元通過電壓、電流傳感器等測量元件對牽引逆變器實施保護。牽引控制單元保護分為硬件保護和軟件保護，硬件保護功能主要包括功率器件故障保護、直流電壓過壓保護、牽引電機過流保護等。軟件保護可以通過軟件參數(shù)靈活設置，主要包括速度推算異常、充電不良保護、變流器過熱、三相電流不平衡、制動轉矩異常、空轉/滑行等。

4 結 語

目前該項目永磁系統(tǒng)牽引逆變器已完成設備研制，并已通過系統(tǒng)的大電流考核試驗，正在與永磁同步電機進行地面聯(lián)調(diào)試驗，最終將在西安地鐵2號線項目上裝載一輛動車，將在完成車輛試驗后投入載客運營。永磁牽引逆變樣機如圖3所示。

采用永磁同步牽引系統(tǒng)后，地鐵交通車輛可降低電能消耗約10%。隨著地鐵車輛運營成本不斷增大，必須從節(jié)能降耗等方面采取措施，以降低運營成本。根據(jù)中國各城市軌道交通規(guī)劃，近年我國將有20多個城市將新建軌道交通線路89條，總建設里程為2 500 km，投資規(guī)模達9 000多億元，需配屬車輛近萬輛，年均需求量超過1 500輛。永磁牽引系統(tǒng)具有廣闊的市場前景，該項目將為永磁同步牽引系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)奠定基礎，經(jīng)濟效益前景廣闊。

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