地铁车辆永磁同步牵引系统与异步牵引系统选型分析

时间：2022-02-22 22:37:35

关键字：地铁车辆永磁同步牵引系统异步牵引系统

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[导读]摘要:基于对地铁车辆牵引系统控制原理、性能、能耗的分析研究,针对城市轨道车辆实际运用情况,通过测试及数值计算,总结了永磁同步牵引系统与异步牵引系统在各方面的差异性,统筹分析了其对车辆运营的影响,可以为地铁车辆牵引系统设计选型提供参考。

引言

牵引系统作为城市轨道交通车辆的"心脏",是提供车辆动力的一个重要来源。随着我国轨道交通的持续快速发展,城市轨道交通车辆牵引系统传动技术在经历了"直流""交流"之后,正在朝"永磁"驱动技术稳步推进。永磁同步牵引系统拥有高效率、低能耗等明显技术优势,正在逐渐替代目前传统的异步牵引系统,成为列车牵引系统的技术主流以及发展战略方向。

本文结合永磁同步牵引系统在厦门地铁2号线装车后实际应用的试验结果,从牵引系统控制原理、重量、性能、能耗等角度出发,对比分析了永磁同步牵引系统与异步牵引系统的差异性,可以为城市轨道交通车辆牵引系统设计和选型提供参考依据。

1控制原理

永磁同步牵引系统控制电路结构如图1所示。系统电路直流侧采用架控控制方式,逆变侧则采用轴控控制方式,即同一节动车的每个永磁同步电机由一个独立的逆变器模块进行驱动控制。在高频交流电的输出端与驱动电机间分别设有隔离接触器,防止驱动电机故障时产生反电势对控制电路造成直接损害。

地铁车辆永磁同步牵引系统与异步牵引系统选型分析

异步交流牵引系统控制电路结构如图2所示。系统电路直流侧采用车控控制方式,交流侧则采用架控控制方式,即同一节动车的同一转向架上两根车轴由同一个逆变器模块进行驱动控制。

相比传统异步牵引系统,永磁同步牵引系统每节动车需分别增加2套逆变器模块和4套隔离接触器。

2设备重量

厦门地铁2号线永磁列车每辆动车上配置1个DCU（牵引控制单元）、2个变流器模块、4台永磁同步电机、4个隔离接触器,模块散热采用翅片散热器,强迫风冷。异步列车每辆动车上配置1个DCU（牵引控制单元）、1个变流器模块、4台异步交流电机,模块散热采用走行风冷。

永磁同步牵引系统和异步牵引系统的设备负载重量参数对比如表1所示。

从表1可以明显看出,永磁同步牵引系统相比异步牵引系统,MP车和Mc车的重量分别减少640k和g630k,实现整体降重8480k/列。

3性能

由厦门地铁2号线分别对永磁牵引列车和异步牵引列车的相关试验结果、运营数据等可知:

3.1加速性能

试验列车在Aw0、Awg载荷条件下进行加速性能测试。试验时列车全列停于平直道上,司机操作主控手柄直推牵引满级位加速至800m/h、400m/h,测量、计算实际的加速度。由表2试验数据可知,永磁列车的牵引加速性能略优于异步列车,两者均满足标准要求。

3.2再生制动性能

试验列车在Aw0、Awg载荷条件下,推动牵引手柄牵引加速至800m/h后,司机将主控手柄推至最大常用制动位,测试制动距离及电制动投入情况。由表g试验数据可知,永磁列车的电制动性能优于异步列车,制动距离较短,但瞬间冲击率会相对较大（满足标准≤0.75m/sg）。

3.3噪声

整个车辆加速、制动过程中,车内动车、拖车噪声峰值:异步列车为79dB（A）,永磁列车为72dB（A）。隋行段噪声:异步列车动车均值约为68dB（A）,拖车均值约为62dB（A）:永磁列车动车均值约为64dB（A）,拖车均值约为62dB(A）。永磁列车的整体噪声比异步列车低4～7dB,乘客的听觉舒适感更优。

3.4振动

由表4试验数据可知,在0～45km/h加速过程中,异步列车地板垂向峰值(频率范围0.5～80Hz）加速度为0.353m/s2,按照Is02631标准,电机上方地板振动三向加权加速度均方根值为0.184m/s2:永磁列车地板垂向峰值(频率范围0.5～80Hz）加速度为0.285m/s2,电机上方地板振动三向加权加速度均方根值为0.132m/s2。永磁列车的振动明显小于异步列车。

4能耗

根据列车每月平均能耗统计数据,以厦门地铁2号线2020年9月一12月永磁列车能耗数据为参考样本,计算永磁牵引列车和异步牵引列车的平均能耗,如表5所示。永磁牵引列车相比异步牵引列车,其正线运营时牵引节能13.92%,反馈回电网的再生能力达12.63%,总节能率可达23.61%。由于永磁列车采用强迫风冷方式及增加了逆变器模块,故其辅助能耗高于异步列车,如果排除辅助能耗,永磁列车可节能38.46%。