哈爾濱地鐵2號線車輛永磁牽引系統(tǒng)應(yīng)用研究

姜宇

（哈爾濱地鐵集團(tuán)有限公司，黑龍江哈爾濱 150001）

0 引言

哈爾濱地鐵2 號線于2021 年9 月19 日載客試運(yùn)營，配屬車輛36 列，采用B2 型車鋁合金車體，DC 1500V 供電制式，4M2T 編組形式，最高運(yùn)行速度80km/h。目前已載客運(yùn)營車輛30 列，其中2 列車配置永磁牽引系統(tǒng)，累計運(yùn)營里程超過23 萬km。為切實(shí)掌握永磁和異步牽引系統(tǒng)在哈爾濱運(yùn)營線路上的節(jié)能效果，進(jìn)一步降低運(yùn)維成本，對永磁和異步牽引系統(tǒng)車輛的能耗情況進(jìn)行跟蹤。

1 永磁和異步牽引系統(tǒng)差異

1.1 控制原理差異

1.1.1 異步牽引系統(tǒng)

采用傳統(tǒng)VVVF 直—交流逆變+三相鼠籠異步牽引電機(jī)的車控方式，即每車由1 臺牽引變流器驅(qū)動4組IGBT 單元（3 組用于牽引逆變，1 組用于制動斬波）動作，牽引控制單元DCU 按照既定牽引/制動特性曲線，輸出三相可調(diào)電壓、頻率，實(shí)現(xiàn)對牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制。

1.1.2 永磁牽引系統(tǒng)

與異步牽引系統(tǒng)控制方式相比（見圖1），永磁牽引系統(tǒng)的主要差異在電機(jī)永磁體的特性上。永磁牽引系統(tǒng)采用軸控方式，解決由于車輛輪徑差值不同，電機(jī)定子頻率不同，電機(jī)速度無法同車輛速度一致的問題。

圖1 哈爾濱地鐵2 號線永磁牽引原理圖

永磁牽引電機(jī)與變流器之間配置對應(yīng)數(shù)量的隔離接觸器，避免在系統(tǒng)制動過程中牽引電機(jī)無法關(guān)斷反向電動勢對系統(tǒng)造成影響，保證在電機(jī)故障模式下車輛的安全運(yùn)行。

1.2 主要設(shè)備選型差異

1.2.1 牽引逆變器

與上文介紹的控制方法不同，永磁牽引系統(tǒng)選用2 套功率模塊，驅(qū)動4 組雙管500A 容量IGBT 模塊變流，異步牽引系統(tǒng)選用1 套功率模塊，驅(qū)動1 組1500A容量IGBT 模塊變流，前者采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，負(fù)載側(cè)單獨(dú)設(shè)置三相隔離接觸器，后者采用自然冷卻（液態(tài)水冷）方式，不單獨(dú)設(shè)置隔離接觸器[1]。

1.2.2 牽引電機(jī)

與傳統(tǒng)的異步電機(jī)相比，由于車輛編組形式相同，各套系統(tǒng)的電機(jī)功率均選用190kW。不同處在于永磁牽引電機(jī)具有高功率密度、高效率、低損耗等技術(shù)特點(diǎn)，永磁牽引電機(jī)為全封閉結(jié)構(gòu)，相比異步牽引電機(jī)體積小，重量輕。永磁和異步牽引系統(tǒng)設(shè)備選型差異對比見表1。

表1 永磁和異步牽引系統(tǒng)設(shè)備選型差異對比

1.3 性能分析

1.3.1 牽引制動能力

按照哈爾濱地鐵2 號線車輛技術(shù)規(guī)格書的要求，永磁牽引系統(tǒng)的平均加速度、制動減速度、故障救援運(yùn)行能力與異步牽引系統(tǒng)的技術(shù)要求保持一致。為驗證永磁牽引系統(tǒng)車輛的實(shí)際性能指標(biāo)，在車輛廠內(nèi)調(diào)試階段，分別對永磁和異步牽引系統(tǒng)的性能進(jìn)行型式試驗。試驗數(shù)據(jù)的主要結(jié)果見表2。

表2 永磁和異步牽引系統(tǒng)型式試驗記錄

綜合試驗數(shù)據(jù)結(jié)論，對比車輛技術(shù)規(guī)格書的規(guī)定，永磁牽引系統(tǒng)的總體性能指標(biāo)均滿足運(yùn)行要求[2]。

1.3.2 電機(jī)溫升

選取不同牽引系統(tǒng)EDRM 記錄的電機(jī)溫升進(jìn)行對比。在相同工況下（從車輛早出庫運(yùn)營-到晚回庫結(jié)束運(yùn)營，全天16h 的運(yùn)營數(shù)據(jù)），根據(jù)數(shù)據(jù)采樣結(jié)果（見圖2），永磁牽引電機(jī)的平均溫升最高不超過50℃，異步牽引電機(jī)的平均溫升最高不超過80℃。永磁牽引電機(jī)溫升均在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，在相同工況下溫升均低于異步電機(jī)溫升[3]。

圖2 永磁和異步電機(jī)溫升曲線

1.3.3 電機(jī)噪聲

電機(jī)噪聲主要源于電磁噪聲、機(jī)械噪聲和通風(fēng)噪聲三個方面。由于永磁牽引電機(jī)轉(zhuǎn)子表面開槽，依據(jù)永磁和異步牽引電機(jī)相關(guān)的型式試驗報告測試結(jié)果，永磁牽引電機(jī)的平均噪聲比異步牽引電機(jī)低，0～1900r/min 平均降 低5.5dB(A)，1900～3500r/min 平均降低0.1dB(A)。全封閉結(jié)構(gòu)使永磁牽引電機(jī)噪聲更低，尤其是在低速階段可有效提高乘客的舒適性[4]。

2 永磁牽引運(yùn)用情況

2.1 能耗統(tǒng)計

選取2 列永磁車（0229—0230）和異步車（0201—0228）對運(yùn)營1 年的能耗情況進(jìn)行跟蹤，每月定期對每列車EDRM 記錄的牽引、再生、輔助、總能耗進(jìn)行統(tǒng)計，見表3。

如表3 能耗數(shù)據(jù)匯總得知，永磁牽引系統(tǒng)的牽引能耗普遍低于異步牽引系統(tǒng)，再生能耗高于異步牽引系統(tǒng)。 經(jīng)估算，永磁牽引系統(tǒng)的牽引凈能耗為4.25kW·h/(列·km)，再生率為0.55，異步牽引系統(tǒng)的牽引凈能耗系統(tǒng)為6.56kW·h/(列·km)，再生率為0.42，結(jié)論：牽引系統(tǒng)的節(jié)能率約35%（忽略輔助系統(tǒng)能耗），永磁牽引系統(tǒng)的節(jié)能率均高于異步牽引系統(tǒng)。

表3 永磁和異步牽引系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)單位：kW·h/（列·km)

2.2 維護(hù)量對比

永磁和異步牽引系統(tǒng)最主要的區(qū)別在于牽引逆變器和牽引電機(jī)。依據(jù)各系統(tǒng)檢修規(guī)程的規(guī)定，牽引逆變器日常清潔維護(hù)的工作量基本相同，由于逆變器的結(jié)構(gòu)不同，主要區(qū)別是更換內(nèi)部部件，如IGBT 單元等。牽引電機(jī)維護(hù)工作的主要區(qū)別：其一，由于結(jié)構(gòu)差異，異步牽引電機(jī)采用開啟式結(jié)構(gòu)，永磁牽引電機(jī)采用封閉式結(jié)構(gòu)，減少了架修、大修周期內(nèi)對電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子表面的吹灰、清洗等維護(hù)的工作量。其二，永磁牽引電機(jī)內(nèi)部無須濾塵器，維護(hù)時只需對網(wǎng)板及風(fēng)道進(jìn)行簡單的處理即可。異步牽引電機(jī)采用濾塵器過濾進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部的冷卻空氣，濾塵器的構(gòu)造復(fù)雜，濾網(wǎng)細(xì)密，維護(hù)時需要拆卸濾塵器的濾網(wǎng)進(jìn)行沖洗。架修時，需將濾塵器整體卸下，清潔、除塵及檢查各構(gòu)件的狀態(tài)，更換濾網(wǎng)脫落的濾塵器等。其三，由于兩種電機(jī)的原理及配置不同，在架修及大修時，需要對電機(jī)進(jìn)行的試驗及檢驗項目也有所不同，永磁牽引電機(jī)在架修可省去堵轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)等試驗[5]。

3 預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益

按照目前能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計及實(shí)際運(yùn)營圖，每列車年平均運(yùn)營里程約12 萬km，異步牽引系統(tǒng)凈能耗為6.56kW·h/(列·km)，電費(fèi)按0.7 元/（kW·h)計算，一列異步車每年電費(fèi)約為55.4 萬元，按照永磁牽引系統(tǒng)節(jié)能率35%估算，一列永磁車每年可節(jié)約電費(fèi)約19.4萬元，若按車輛30 年全壽命周期計算，一列永磁車30年節(jié)約電費(fèi)約582 萬元[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，哈爾濱地鐵2 號線運(yùn)營1 年后，對永磁和異步車輛牽引車輛的能耗數(shù)據(jù)、故障率、維修效率、運(yùn)行指標(biāo)等各方面進(jìn)行綜合對比，永磁牽引系統(tǒng)基本滿足哈爾濱現(xiàn)場運(yùn)營環(huán)境的實(shí)際需求，下一步將繼續(xù)對其系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性進(jìn)行考核評估。為實(shí)現(xiàn)國家“雙碳”目標(biāo)及中國城市軌道交通協(xié)會倡導(dǎo)綠色城軌方案的行動部署，考慮將永磁牽引系統(tǒng)在后續(xù)新線項目中逐步推廣實(shí)施。