蘇州三號線地鐵車輛永磁同步牽引系統節能分析

顧巍

摘要：本文通過對蘇州地鐵三號線電客車永磁同步牽引系統和異步交流牽引系統的對比，介紹了永磁同步牽引系統的優勢。同時結合實際試驗，對永磁同步牽引系統的節能效果進行了驗證。

關鍵詞：永磁同步牽引系統、能耗試驗、節能率

1? 前言

永磁同步牽引系統作為交流牽引系統的另一種技術路線，自21世紀以來，歐美及日本的多家公司，如阿爾斯通、西門子、龐巴迪等，開始將永磁同步電機作為軌道交通車輛的牽引電機使用。2015年，長沙地鐵1號線在國內首次將整列地鐵列車裝載了永磁同步電機。

蘇州軌道交通在三號線0312、0345車列車上，也首次采用了永磁同步牽引系統。本文以蘇州軌道交通三號線0345車為例，介紹永磁同步牽引系統相較于交流異步牽引系統的區別與特點。

2? 永磁同步牽引系統主電路

蘇州軌道交通三號線列車為設計速度80km/h的B型車，采用4動2拖編組形式：=Tc1—Mp1—M1+M2—Mp2—Tc2=（Tc——帶司機室拖車;Mp——帶受電弓拖車;M——不帶受電弓動車）。列車采用DC1500V接觸網供電方式，Mp1、M1、M2、Mp2車上各配置1套牽引系統。

永磁同步牽引系統采用永磁同步牽引電機，每節動車4臺，取代原有的異步交流電機。為了適應永磁同步電機的工作特性和控制特性，牽引系統的主電路也做了相應的改動。永磁同步牽引系統主電路與異步交流牽引系統的主電路相比更為復雜，主要有以下區別：

2.1電機控制方式

蘇州三號線列車永磁同步牽引系統采用軸控的方式，即每臺永磁同步電機都需要獨立的VVVF逆變器進行控制，而異步交流牽引系統則采用車控的方式，即一臺VVVF逆變器實現對4臺異步交流電機的集中控制。

轉向架各輪對的輪徑值存在著客觀差異，要使列車平穩運行，這就需要使同一節動車各個電機的轉子旋轉速度根據輪徑值進行相應的調整，四個電機的轉子轉速、輸出轉矩需要分別進行控制。而永磁同步電機的特性決定了：永磁同步電機工作時，其轉子旋轉頻率與定子繞組中的電流頻率是一致的。因此，每臺永磁同步電機都需要一臺獨立的VVVF逆變器來進行供電。

軸控的控制方式使得永磁同步牽引系統在故障冗余性、黏著利用、輪徑容差等方面帶來了優勢，但也大大增加了牽引系統中各零部件的數量，可能的故障點倍增，對牽引系統的穩定性提出了更高的要求。

2.2 隔離接觸器

永磁同步牽引系統在每臺VVVF逆變器與相應的電機之間，安裝了隔離接觸器。永磁同步電機的轉子采用永磁體來進行勵磁，當牽引系統發生故障或列車處于惰行狀態等情況導致逆變器停止工作時，永磁同步電機的定子繞組會因電機轉子轉動產生感應反電動勢，并通過逆變器的反并聯二極管向直流回路進行充電，對牽引系統前端的電氣部件造成影響和危害。通過在每臺VVVF逆變器與相應的電機之間設置三相隔離接觸器，由牽引控制單元進行控制，就能夠實現在各類情況下永磁同步電機與逆變器的完全隔離，保證牽引系統不會因為反電動勢造成故障的擴大化。這同樣增加了牽引系統的復雜性。

3? 永磁同步牽引電機

永磁同步牽引電機作為永磁同步牽引系統中最核心的部件，相比異步交流電機，有著以下優勢：

3.1 節能優勢

永磁同步電機的功率因數和效率均有較明顯的提升。這主要是由于永磁同步電機轉子采用永磁體來進行勵磁，實現了功率因數的提高和定子銅耗的降低。同時轉子轉速與旋轉磁場同頻，基本消除了轉子的鐵耗和銅耗。功率因數和效率的提升帶來的是電能的更有效利用，更具節能優勢。

3.2 功率密度優勢

蘇州三號線0345車采用的永磁同步電機與其他電客車采用的異步交流牽引電機具有同樣的額定功率，而永磁同步電機的重量有了明顯的減小，因此功率密度得到了顯著提高。這意味著，在同等尺寸和質量的條件下，永磁同步電機能夠有更大的輸出功率和輸出轉矩，這讓電機直接驅動輪軸成為了可能。蘇州三號線0312車就采用了永磁直驅牽引系統，取消了異步牽引系統中原有的齒輪箱和聯軸節，這樣就提高了整個牽引傳動系統的效率，免除了齒輪箱的維護成本。但輪軸與電機直接連接，會造成各類有害沖擊負荷直接由電機本體來承受，這對電機的設計有了更高的技術要求。

4? 永磁同步牽引系統節能效果驗證

節能優勢作為永磁同步牽引系統最重要的優勢之一，能給運營維護帶來直觀的經濟效益。為了實際驗證永磁同步牽引系統在節能方面的效果，通過在0345車和0330車上安裝能耗儀，實際采集列車牽引與再生能耗，進行了能耗對比試驗。

4.1 試驗條件

0345車（永磁同步牽引系統）與0330車（異步交流牽引系統）都以AW0載荷狀態，在3號線運營結束后，從新區火車站下行出發，以ATO模式運行至唯亭站后折返并上行運行至寶帶路站，期間按照ATO時刻表停站。

4.2 試驗數據

試驗結束后，分別讀取了0345車、0330車的TCU（牽引控制單元）記錄數據及能耗儀記錄數據，統計數據見表1。（由于采樣頻率、精度等差異，TCU采集數據與能耗儀采集數據存在差異，差異精度在5%內）。

4.3 節能效果計算

根據TCU及能耗儀采集的能耗數據，分別對0345車的牽引消耗節能率，總能耗節能率進行計算，公式如下：

計算并整理結果如下：

試驗結果表明，0345車的牽引能耗、總能耗均明顯降低，總能耗節能率達到了近9%。因試驗當天線網只有兩列車在運行，再生制動率較低。實際線網運行過程中，隨著再生制動率的提升、載荷的增加，總能耗節能率將會進一步提高，達到10%以上。

相比其他異步牽引電機車輛，0345車每公里的牽引系統能耗將節省約0.7kwh，按每列車每年約12萬公里的運行里程計算，0345車一年將至少節省84000kwh的電能，如果3號線50列車全部采用永磁同步牽引系統，一年將至少節省420萬kwh的電能，具有非常大的節能效應和經濟效應。

5 結束語

永磁同步牽引系統憑借其節能、故障冗余性高、黏著利用高、輪徑容差大等優勢，已成為軌道交通牽引系統的重要發展方向，但也對各個部件的提出了更高的技術要求。隨著生產工藝、控制系統的不斷優化升級，可以預見，永磁同步牽引系統會成為軌道交通牽引系統新的主流。

（作者單位：蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司）