地铁车辆永磁牵引系统与异步牵引系统的对比分析

地铁车辆永磁牵引系统与异步牵引系统的对比分析

作者：李佩

来源：《科学导报·学术》2018年第33期

摘要：自20世纪70年代交流传动机车诞生，伴随电力电子、控制理论和信息等技术的进步，交流传动电力牵引（异步电机）系统以其优良的特性，至今已成为轨道交通领域公认的主流。本文根据永磁牵引系统技术在地铁车辆的应用和装车试验结果，总结了永磁牵引系统与异步牵引系统在结构原理、控制和主电路等方面的差异，以及两者的优缺点对比，为牵引系统选型提供参考。

关键词：永磁牵引系统；牵引电机

引言

长沙地铁1号线共配置23列6节编组的列车，其中前22列车牵引系统采用异步牵引电机，最后1列车牵引系统采用中车时代电气股份有限公司自主研发的永磁同步牵引电机。2016年8月8日，经过专家评审后，永磁牵引车正式投入载客运营。截止到2017年2月28日，永磁牵引车已载客运营超过7.4万km。长沙地铁1号线永磁牵引车是全国首例整车采用永磁同步电机的地铁列车，为更好地了解永磁列车牵引系统的耗能情况，运营部门对试运营以来永磁牵引车和异步牵引车的能耗进行了统计和对比。

1概述

轨道车辆的牵引力是由其车轮与铁轨的接触面和车轮相对车体的切向相对运动提供的。相对运动速度的提高能使有效提供的牵引力亦增大，但相对运动速度超过某一阈值，能传递的牵引力不增反而迅速减少。粘着特性就是指能传递的牵引力与车轮和车体的相对运动速度之间的关系。蠕滑速度vs与车轮速度vwheel和列车速度vvehicle的关系。

2永磁同步牵引系统与异步牵引系统的对比

2.1技术方案对比

永磁牵引列车牵引系统主电路直流侧为架控，电路逆变侧为轴控，即同一动车的每个永磁直驱同步电机由一个单独的逆变模块控制。在交流输出端与电机间设有隔离接触器，防止电机失控时其反电势造成的损害。异步牵引系统主电路直流侧采用车控，交流侧采用架控，同一动车的同一转向架上两根车轴由一个逆变模块控制。

2.2设备在车辆上的布置

异步和永磁同步牵引系统列车车底设备布置基本相同。与异步相比，永磁牵引系统列车多了隔离接触器箱。其它，如高压箱、牵引逆变器箱等设备箱大小和布置位置，均與异步牵引系统列车保持一致。

2.3主要部件对比

2.3.1牵引电机

永磁系统其电机采用三相交流永磁同步电机，与异步电机的不同点是永磁同步电机采用了永磁体励磁和同步电机的形式。永磁同步牵引电机与异步牵引电机的对比。

2.3.2牵引逆变器

牵引逆变器作为整个牵引系统的重要组成部分，其功能是把从直流电源获得的直流电压变换成频率和幅值都可调的三相交流电，给牵引电机供电。永磁牵引系统的牵引逆变器采用双管模块，每个散热器上集成两个逆变单元。一台牵引逆变器内装有2个IG-BT模块和1个传动控制单元（DCU），为4台电机提供三相电源。另一个逆变单元集成了3300V/400A双管IGBT 元件和2个3300V/800A的IGBT元件，作为逆变器的三相桥臂及制动桥臂，并集成了热管散热器、温度传感器、低感母排、门控单元、门控电源、脉冲分配单元、支撑电容器等。异步牵引系统的一台牵引逆变器内装有2个逆变器模块和1个传动控制单元，为4台牵引电机提供三相电源。1个模块集成了8个3300V/800A的IGBT。

2.3.3高压电器箱

永磁牵引系统高压电器箱具备2路充电短接电路，以适应直流侧架控的需求；而异步牵引系统直流侧采用车控方式，具备1路充电短接电路。

2.3.4滤波电抗器

在主电路上永磁牵引系统滤波电抗器为双线圈，而异步则为单线圈，其结构类型均为空心式，冷却方式为走行风冷。

2.4矢量控制时的扭矩

异步牵引电机发生的扭矩与磁通和二次侧电流（扭矩电流）之积成比例关系，同时，磁通与励磁电流成比例关系。矢量控制时的扭矩式中：K，K'为比例常量；Φ为磁通；Iq为扭矩电流；Id为励磁电流。异步牵引电机发生的扭矩正比于励磁电流与扭矩电流之积，所以通过分离励磁电流和扭矩电流并进行单独调整，便能够像对直流电机一样对异步牵引电机进行控制，无

论在正常控制还是在过渡控制中，都能获得灵敏的扭矩控制。由于异步牵引电机的励磁电感比漏电感大，所以在磁通（励磁电流）调节时需要大能量的进出而且所需的时间较长。为此，对于要求反应快速的扭矩控制来讲，通常的解决方法是：在保持稳定励磁电流的情况下调整扭矩电流。

3试验情况对比

3.1平均加速度/减速度性能试验

在平直干燥轨道以及额定网压情况下，AW2状态列车加减速性能。

3.2电机噪声对比试验

在定速测试中，永磁牵引电机的平均噪声值比异步牵引电机低，即0～1900r/min平均降低6.3dB（A），0～3686r/min平均降低2.7dB（A）。在模拟实际升速过程中，永磁牵引电机平均噪声值相较异步牵引电机降低7.4dB（A）。

3.3系统能耗试验

永磁牵引系统列车与异步牵引系统列车能耗对比，数据来源《长沙市轨道交通1号线永磁牵引系统列车与异步牵引系统列车能耗对比报告》。永磁牵引系统在牵引能耗及再生能量反馈两方面均比异步电机节能，总节能率可达30%。

3.4HMI数据对比

永磁牵引车和异步牵引车的牵引能耗、再生能量统计结果如表1、表2所示。从每个月的对比数据可以看出，采用永磁同步牵引系统的列车牵引能耗明显小于异步牵引车，至少节约2.34（kW·h）/km，而反馈回电网的再生能量大于异步牵引车，至少多反馈0.34（kW·h）

/km。根据HMI统计的数据，2种列车平均每公里牵引系统能耗差（2种列车“平均每公里牵引能耗—平均每公里再生能量”之差）。根据长沙地铁1号线每月日均客流量可知，客流量越大，永磁电机的节能效果越明显。

3.5总数据对比分析

根据HMI的统计数据来看，采用异步电机的列车再生率（再生能量/牵引能耗）为

48.2%，采用永磁电机的列车再生率为63.9%。永磁牵引系统列车平均每公里节约牵引能耗2.87kW·h，平均每公里再生能量多反馈0.74kW·h。根据能耗记录仪的统计数据来看，永磁牵引系统列车每公里节约总能耗3.31kW·h，相比采用异步电机的列车大约节约30.1%。永磁电机在牵引能耗及再生能量反馈2个方面均比异步电机节能，采用永磁电机的列车相比采用异步电机的列车节约总能耗30%以上。