DC750V永磁同步牽引系統在地鐵車輛上的應用

陸遠基

（株洲中車時代電氣股份有限公司軌道交通技術中心 湖南省株洲市 412001）

地鐵車輛電氣牽引系統是地鐵車輛的重要組成部分，是列車運行的“心臟”，同時也是車輛耗能大戶。據統計，牽引系統耗能約占地鐵車輛總能耗的1/2以上，因此如何降低列車牽引系統的能耗是城市軌道車輛節能減排工作的重中之重。依托北京地鐵8號線三期工程，在第41列車上裝載DC750V永磁同步牽引系統（其余列車裝載異步牽引系統），通過技術方案論證、模擬計算、型式試驗、裝車試驗、正線測試等方法，實現地鐵DC750V永磁同步牽引系統的裝車考核。通過DC750V永磁牽引系統在車輛減重、節能、乘客舒適性、低維護成本等方面優異性的驗證，推動地鐵車輛關鍵技術的發展和應用。

1 永磁同步牽引系統概述

列車采用+Tc-M-T-M-M-Tc+的3動3拖編組方式，其中Tc車配有兩臺受流器，M車配有4臺受流器。每輛Tc車上配置一臺司機控制器，司機可通過操縱司機控制器驅動列車向前/向后牽引或制動。

永磁同步牽引系統主電路和設備配置如圖1所示，由永磁同步牽引電機、牽引逆變器（包含DCU）、高壓電器箱、電抗器、接觸器箱、過壓吸收電阻等組成。

牽引工況下，牽引逆變器將從第三軌取得的DC750V直流電逆變成變壓變頻的三相交流電，給兩個動力轉向架上的4臺永磁同步牽引電動機供電。永磁同步牽引電動機則通過電能和機械能的變換將電能轉換成驅動列車運行的牽引力。電制動時，永磁同步牽引電動機轉化為發電機，將制動能量轉換為電能反饋回電網，當中間電壓過高時開通斬波器將能量消耗在過壓吸收電阻上。

1.1 永磁同步牽引電動機

牽引電機為三相交流永磁同步牽引電動機，全封閉結構，采用自帶風扇強迫風冷方式，轉子采用永磁體勵磁，定子為無機殼結構，懸掛方式為架承式全懸掛，絕緣等級為200級（耐電暈）。

牽引電機的主要參數，如表1所示。

表1

永磁電機外形示意圖如圖2所示，機械接口完全兼容北京地鐵8號線列車異步電機。

與異步牽引電動機相比，永磁同步電機具有如下特點：

（1）轉速平穩、過載能力強。當永磁同步電機的負載轉矩發生變化時，僅需電機的功角適當變化，而轉速維持原來的同步轉速不變。永磁同步電機的瞬間最大轉矩可以達到額定轉矩的三倍以上，使得永磁同步電機非常適合在負載轉矩變化較大的工況下運行；

（2）高功率因數、高效率。永磁同步電機與異步電機相比，不需要無功勵磁電流，所以能得到比異步電機高很多的功率因數，進而得到相對更小的定子電流和定子銅耗，并且永磁同步電機在穩態運行時沒有轉子銅耗，進而可以因總損耗降低而減小風扇容量甚至去掉風扇，從而減小相應的風摩損耗，使它的效率比同規格的異步電機提高3～5個百分點，尤其是高效區范圍遠高于異步電機，如表2所示。

表2

（3）體積小、重量輕、散熱效果好。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應用，永磁同步電機的功率密度得到很大提高，同時定子采用全疊片無機殼結構，與同容量的異步電機相比，永磁同步電機的體積和重量大約能減少15～30%左右；

圖1：永磁同步牽引系統主電路原理圖

圖2：永磁同步牽引電動機外形圖

表3：系統差異點

（4）結構多樣化，應用范圍廣。由于采用永磁體勵磁，永磁同步電機可以實現形狀和尺寸的靈活性；

（5）可靠性高、維護成本低、噪聲低、舒適性好。冷卻風扇產生的冷卻風不進入電機內部，通過端蓋、定子鐵心形成的外層風道帶走電機產生的熱量。定子線圈絕緣不受到外部雜物的污染，可提高可靠性；永磁電機無需清理濾塵器，大大減少維護量及維護成本；外部冷卻風不進入電機內部，更加安全可靠；永磁電機采用全封閉結構，噪聲更低，尤其是低速階段，可有效提高站臺乘客的舒適性。

1.2 牽引逆變器

每輛動車配置一臺VVVF逆變器，逆變器內裝有兩個IGBT變流器模塊，一個變流器模塊含有兩套三相逆變器橋臂和一套斬波相橋臂，每套三相逆變器橋臂獨立地驅動對應的牽引電動機。

由于系統要實現對牽引電動機的軸控方式，為了節省空間，變流器模塊采用雙管IGBT元件，即每個元件中含有兩個IGBT，每個IGBT的額定電流為800A。為了控制方便，斬波回路仍然使用單管IGBT元件，額定電流為1600A。

變流器模塊采用抽屜式的模塊化設計，集成了IGBT元件、二極管、熱管散熱器、溫度傳感器、門控單元、門控電源、脈沖分配單元、支撐電容等器件。采用熱管散熱，具有無吸收電路、結構緊湊、體積小、重量輕、維護工作量小等優點。

牽引逆變器采用霍爾電流和電壓傳感器實現牽引逆變器直流側電壓電流和交流側電流的檢測。

1.3 隔離接觸器箱

隔離接觸器在主電路中相當于三相隔離開關，具有迅速分斷高壓大電流的能力，故障工況下，可快速的實現牽引逆變器和永磁同步牽引電機的隔離，避免因永磁同步牽引電動機反電勢而造成故障擴大化，損壞設備。

1.4 傳動控制單元

傳動控制單元（DCU），是牽引系統的“大腦”，主要完成牽引系統的邏輯控制、網絡通信、牽引逆變器和牽引電機的實時控制、輪軌粘著利用控制、系統狀態監測、故障診斷和保護等功能。傳動控制單元采用機箱形式，安裝在牽引逆變器箱中。

2 永磁同步牽引系統與異步牽引系統的差異點

永磁同步牽引系統與異步牽引系統的差異點如表3所示。

3 試驗和驗證

3.1 永磁同步牽引系統各部件樣機試制

永磁同步牽引系統各部件的樣機全部于2016年9月份完成了試制與例行試驗，樣機例行試驗全部合格并出具了例行試驗報告。

3.2 永磁同步牽引系統各部件地面試驗驗證

關鍵零部件進行了地面可靠性試驗。如對隔離接觸器進行了完整的可靠性試驗與20萬次開關的長時間可靠性考核，最終驗證該接觸器滿足運營的應用要求。

完成樣機試制后，各部件迅速開展了型式試驗驗證。部件型式試驗以及系統組合試驗都順利完成，試驗結果合格，取得第三方試驗報告。

3.3 永磁同步牽引系統裝車調試及現場型式試驗

2016年下旬，永磁同步牽引系統產品順利交付車輛制造商并完成了整車的裝車調試和廠內試驗，2017年完成列車的現場型式試驗。

4 結語

DC750V永磁牽引系統在北京地鐵8號線上的實現裝車試驗，并于2018年7月開始載客運營至今，系統的可靠性、安全性、可維護性以及與列車其它子系統、信號系統的配合都得到了檢驗和驗證，滿足用戶的運營需求，得到了用戶的充分肯定。

隨著永磁同步牽引系統技術的日趨成熟，其優越的低能耗和低維護成本越來越受到地鐵用戶的關注，目前國內多個地鐵公司也在其項目中采用批量的永磁同步牽引系統，可以預見，在不久的將來，永磁同步牽引系統將在地鐵領域中得到更加廣泛的應用，創造巨大的經濟和社會效益。