基于碳化硅及永磁電機技術的新型城軌車輛牽引系統(tǒng)研究

裴建紅

（西安中車永電捷通電氣有限公司，陜西 西安 710018）

0 引言

自1990年以來，中高壓絕緣柵雙極型晶體管（In‐sulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和交流傳動控制技術推動著我國對IGBT逆變器和三相異步電機牽引方式的應用。時至今日，IGBT器件的功率密度實現(xiàn)了4倍的增長，仍具備廣闊的提升空間，但從性能上來看，IGBT器件性能的發(fā)展已趨近極限。所謂全SiC，就是指開關元件和反向并聯(lián)二極管都是以碳化硅為材料，混合SiC就是指僅反向并聯(lián)二極管采用SiC。當前，以碳化硅為基礎的SiC變流器憑借其效率高、輸出功率強、系統(tǒng)體積小、冷卻系統(tǒng)簡單的優(yōu)勢，成為一種面向未來的電力電子半導體材料，隨著大功率3 300 V全SiC和混合SiC功率器件的逐步推出和試驗應用，發(fā)展新一代節(jié)能型、小型化、輕量化的變流器裝置成為可能。

現(xiàn)階段，永磁材料應用日趨成熟，我國開始高度重視高效能的永磁同步電機牽引，國內(nèi)的軌道交通車輛牽引供應商逐步進入永磁同步電機牽引系統(tǒng)的工程化和商業(yè)化應用階段。和三相異步電機對比，永磁同步牽引電機的轉子雖然成本花費較高、存在退磁和損毀的缺陷、需要安設電機接觸器硬件和軟件功能才能實現(xiàn)功能的正常運轉，但具備轉子損耗小、效率高、輕量化、噪聲低和高功率密度等優(yōu)勢，能夠顯著節(jié)約牽引能耗。

1 西安地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)概況

1.1 概述

在國家軌道交通設備節(jié)能技術發(fā)展政策和要求的指導下，西安中車永電捷通電氣有限公司聯(lián)合西安市地下鐵道有限責任公司在西安地鐵既有車平臺上進行了永磁牽引系統(tǒng)的開發(fā)研究，更換一列車其中一輛（M車）的牽引系統(tǒng)，包括一臺永磁同步牽引逆變器和4臺永磁牽引電機，同時，要求牽引系統(tǒng)的電氣接口、機械接口和網(wǎng)絡接口與既有車保持一致，并對系統(tǒng)的各個部件進行相應的例行試驗、型式試驗，完成永磁牽引逆變器、永磁牽引電機等組成的地面系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗，在西安地鐵2號線進行裝車正線運行試驗，形成永磁牽引系統(tǒng)現(xiàn)車節(jié)能測試研究報告。

1.2 方案說明

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，每6輛為一列，要求電網(wǎng)電壓范圍為DC 1 000～1 800 V，可以將直流母線電壓逆變成可變電壓和頻率的三相交流電。牽引系統(tǒng)主要由熔斷器、隔離開關、高速斷路器、牽引逆變器裝置、濾波電抗器、制動電阻和牽引電機組成。為了能與異步牽引系統(tǒng)更好地進行性能對比，本永磁牽引系統(tǒng)方案把既有車輛的一節(jié)動車上的異步牽引逆變器和異步牽引電機更換為相應的永磁牽引逆變器和永磁同步牽引電機。其中，牽引逆變器主電路采用2電平電路拓撲、IGBT功率器件、強迫風冷散熱方式、采用4×1C1M控制模，為4臺180 kW的永磁同步牽引電機供電，以保證列車的電氣牽引正常。牽引系統(tǒng)采用先進的矢量控制技術，列車采用電制動優(yōu)先、空氣制動補充的電空聯(lián)合制動方式。

2 牽引系統(tǒng)中的牽引逆變器

西安地鐵永磁牽引系統(tǒng)的永磁牽引逆變器由4個逆變單元組成，分別為4臺永磁同步牽引電機供電，控制方式為軸控，采用矢量控制算法，并能實現(xiàn)高速重投。牽引逆變器的額定輸入電壓為DC 1 500 V（牽引）/DC 1 650 V（制動），輸入電壓范圍為DC 1 000～1 800 V，電力電子器件為IGBT器件，冷卻方式為強迫風冷。

牽引逆變器采用簡統(tǒng)化和模塊化設計，便于操作和維護；由逆變器本體及控制單元構成，安裝在車體下部；分為開放室和密閉室兩部分，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；IGBT功率器件采用強迫風冷散熱方式；功率單元箱室底部設有開口，功率單元由箱體底部向上安裝，將散熱器完全置于開放室，功率單元支架與功率單元之間采用橡膠條密封，便于安裝和拆卸；采用光纖方式連接牽引控制單元和門極驅動裝置［2］。牽引逆變器結構如圖1所示。

圖1 牽引逆變器結構

3 牽引系統(tǒng)中的永磁牽引電機

該系統(tǒng)中的牽引電機采用永磁同步牽引電動機，在牽引逆變器提供的整個工作電壓、頻率范圍內(nèi)運行良好，性能優(yōu)良，采用架承式全懸掛方式安裝在轉向架上，一臺牽引電機經(jīng)傳動齒輪驅動列車的一個輪對。永磁電機的額定功率為180 kW，額定電壓為1 000 V，額定頻率為133.3 Hz，額定轉速為2 000 r/min，額定效率為95%，電機轉向從傳動端看為逆時針，冷卻方式為全封閉、機殼風冷。

本系統(tǒng)中應用永磁材料的電機，因為不再需要電能消耗，所以，也不會產(chǎn)生熱量，具有更高的效率和功率密度，使牽引系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：

（1）由于城市軌道交通車輛頻繁啟停，永磁電機運行全段效率較高，經(jīng)過單列車線路測試，采用永磁牽引系統(tǒng)后，節(jié)能效果達到20%以上。更低的損耗也能夠帶來較小的發(fā)熱，對隧道通風的要求降低，更加環(huán)保［3］。

（2）永磁電機額定點效率和電機的功率密度更高、體積較小、重量較輕，可以采用全封閉結構，免清掃，能延長繞組壽命，同時，隔離電機里的電磁噪聲。

（3）永磁牽引系統(tǒng)單車測試最大粘著達到0.264，實現(xiàn)了穩(wěn)定運行。因此，采用軸控模式的地鐵車輛永磁牽引系統(tǒng)，可以有效提高黏著利用率，減小動拖比，為地鐵車輛永磁牽引系統(tǒng)降低成本提供了試驗依據(jù)。

4 牽引系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

4.1 控制功能

永磁牽引系統(tǒng)能夠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，實現(xiàn)對逆變器和牽引電動機的控制和保護；實現(xiàn)對電制動的控制，并進行調(diào)整、保護和產(chǎn)生逆變器脈沖模式；實現(xiàn)空轉、滑行保護控制；實現(xiàn)列車加減速沖擊限制保護；通過列車總線網(wǎng)絡實現(xiàn)自動變速箱控制單元（Transmission Control Unit，TCU）與其他控制單元的通信功能；能夠診斷到整個系統(tǒng)的最小可更換單元；實現(xiàn)坡道起動控制；實現(xiàn)高速重投功能。

4.2 保護功能

永磁牽引系統(tǒng)具有完善的保護功能，主要包括：高速斷路器過流保護、電機過電流保護、相電流不平衡保護、門極電源欠壓保護、牽引控制單元電源欠壓保護、DC 110 V電源欠壓保護、微處理器故障保護、牽引逆變器過溫檢測保護、濾波電容過電壓保護、濾波電容欠壓保護、電網(wǎng)接地保護、速度傳感器異常檢測等。

4.3 自診斷功能

牽引系統(tǒng)能夠確認系統(tǒng)工作是否處于正常狀態(tài)。操作轉換開關由正常位切換到試驗位可進行自診斷試驗。另外，自診斷功能可以連接列車信息系統(tǒng)，因此，能夠在司機臺顯示器上實施自診斷，診斷出一般的程序動作以及主要保護動作的設定值。診斷結果可以在列車信息系統(tǒng)的司機臺顯示器以及牽引控制單元的前面板發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）上顯示［4］。

5 牽引系統(tǒng)的防火設計

在進行電氣牽引系統(tǒng)的設計過程中，所選用的材料和部件的防火、耐火、防煙、防毒性能要求符合DIN 5510標準的相應等級，考慮到系統(tǒng)電路、設備的冗余和隔離以及完備的短路、接地、過流保護，選用低煙、無鹵、無毒、具有阻燃性能的電線電纜等，力求避免或減小火災風險。

電氣牽引系統(tǒng)主要設備箱體采用不銹鋼材料，滿足IP 65要求，箱體材料具備與箱內(nèi)潛在火災危險源匹配的阻燃、耐火性能，足以抵抗設備箱外局部火災。

在牽引逆變器等大功率設備、部件方面，選用了低煙、無鹵、無毒、阻燃性良好和絕緣性良好的電路導體銅排及電線。IGBT具有過熱保護功能，在主電路發(fā)生局部過熱的情況下，能夠采取有效的保護措施來迅速抑制。在高發(fā)熱部件方面，采用了具有良好難燃、阻燃性能的耐高溫扎帶。

分區(qū)域放置電氣牽引系統(tǒng)設備內(nèi)部各類部件，使用箱體隔板進行隔離，有效阻斷部件之間的相互影響。

由此可知，該牽引系統(tǒng)及設備具有可靠的設計防火性，在正常的使用和維護狀態(tài)下，能夠有效阻斷燃燒，防止火災的發(fā)生。

6 本牽引系統(tǒng)的進一步研究展望

在西安地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)中，使用了IGBT器件，下一步擬采用SiC功率器件，進一步使逆變裝置小型化和輕量化且更加節(jié)能。

目前，適用于城軌地鐵列車的3 300 V大功率SiC功率器件已經(jīng)推出。其中，混合SiC在國外城市軌道車輛上已實現(xiàn)商業(yè)應用，全SiC還在研發(fā)試驗階段。新一代適用于永磁牽引系統(tǒng)的牽引逆變器擬采用更加節(jié)能的全SiC功率器件，1 500 V電壓等級的軸控SiC牽引逆變模塊采用全SiC MOSFET功率器件，SiC MOSFET功率器件采用了新型低電感封裝，大幅改善了開關性能，同時，有助于降低浪涌電壓。由于外形尺寸的大幅度縮小，兩種類型的功率器件在相同功率條件下應用，4個新一代軸控牽引逆變模塊與一個車控牽引逆變模塊的散熱器表面積相當，有利于將4個軸控模塊集成于車控變流器箱體內(nèi)。器件的特性指標差異應結合不同的應用和封裝類型，放在同等條件下進行比較。通過簡單的數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)4個開關在450 A電流下的軸控SiC MOSFET比一個開關在1 500 A電流下的車控IGBT的開通、關斷損耗和反向恢復損耗分別下降了40%，71%和91%［5］。

現(xiàn)階段，可采用新型IGBT器件替換SiC器件，而面向未來則首選SiC器件。雖然SiC功率模塊的成本十分高昂，但不可忽視其未來技術發(fā)展?jié)摿统杀镜拇蠓认陆?。因此，基于碳化硅的變流裝置將是城軌車輛牽引系統(tǒng)技術的發(fā)展趨勢。

7 結語

文章以西安地鐵永磁同步牽引系統(tǒng)項目為例，闡述了永磁電機牽引系統(tǒng)的技術特征和關鍵指標，實踐證明，新一代軸控永磁電機牽引系統(tǒng)將在能耗率、質(zhì)量、尺寸、牽引可用性等方面給客戶應用帶來增值。此外，研究表明，未來，在地鐵牽引系統(tǒng)中采用SiC功率模塊會取得更加良好的節(jié)能效果。