永磁同步牵引系统及其关键技术的应用

引 言

当前，城市轨道交通车辆牵引系统以异步牵引系统为主， 但永磁同步牵引系统以其更加高效节能、轻量化及更低的全寿命周期得到了越来越多用户的关注，故永磁同步牵引系统无疑将成为下一代城市轨道车辆牵引系统的主流，因此及时跟进并了解其发展动态是我们当下面临的课题。如果说异步电动机取代直流电动机是轨道交通牵引的第一次技术革命，那么永磁同步电机取代异步牵引电动机将是轨道交通牵引的第二次技术革命。永磁同步牵引系统的特点符合国家节约、低碳经济的发展需要，将为轨道交通节能减排，实现绿色环保的轨道交通做出积极贡献。

本文永磁牵引系统的研究是在西安地铁 2 号线既有车辆

平台上进行的，只对一列车的其中 1 辆动车进行牵引系统的更换，要求牵引系统的电气接口、机械接口和网络接口与既有车辆保持一致。

1 永磁牵引电传动系统

西安地铁 2 号线车辆工程采用B 型车辆，3 动 3 拖编组方式，6 辆 / 列，编组型式 =Tc*Mp*M*T*Mp*Tc=，如图 1 所示。

图1 列车编组示意图

其中，牵引逆变器主电路采用两电平电压型直 - 交逆变电路。列车通过高压电路将DC1500V直流电供给牵引逆变器，经牵引逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电后向永磁牵引电动机供电。牵引逆变器由 4组三相逆变单元组成，由 4组逆变单元分别驱动两个动力转向架上的 4台永磁牵引电机的轴控工作方式。牵引逆变器主电路主要由充放电电路、滤波电路、功率单元、接触器以及检测元件等设备组成，将IGBT斩波单元与 4 组三相逆变单元集成后组成功率单元。

与既有车辆相比，保留主电路中原有的隔离开关箱、熔断器箱、高速断路器箱、滤波电抗器、制动电阻，更换牵引逆变器。原异步牵引系统为车控方式，而装载永磁同步牵引系统后为轴控方式。为避免系统失控时永磁电机产生的反电动势对系统造成影响，在牵引逆变器输出端和永磁电机之间设置隔离接触器。当系统处于故障模式时，跳开隔离接触器， 断开永磁同步牵引电机和牵引逆变器，以保护牵引设备。同时， 设置故障单元切除接触器与发生故障的逆变电路，保证正常单元可以继续运行。与既有车辆相比，该系统动力损失小，故障运行能力增强。牵引逆变器主要参数见表 1 所列。

2 永磁牵引逆变器主电路结构设计

根据西安地铁 2 号线既有车辆结构和安装特点，永磁牵引系统逆变器主电路结构设计主要遵循以下原则：

(1) 运用模块化设计，提高装置可操作性、可维护性。

(2) 装置分开放室和密闭室，需要大量散热的部件经过绝缘后布置在开放室，其他对于环境要求较高的设备安装在密闭室；并在箱体底部设置开口，便于功率单元的安装和拆卸。

(3) 功率器件采用强迫风冷散热方式，功率器件布置在密闭室，散热器布置在开放室；冷空气通过箱体顶部的进风口进入，经过导流板后对散热器进行冷却，热空气通过出风口排放到空气中；

(4) 功率器件的驱动采用光纤进行连接，可有效避免对驱动控制信号的电磁干扰。

牵引逆变器的外形结构如图 2 所示。

图 2 牵引逆变器外形结构图

3 牵引逆变器关键技术说明

3.1 功率单元

功率单元的作用是通过开关器件，在牵引工况下将中间直流电压转换为三相交流电压供给相应的永磁牵引电机，此过程中电压和频率根据系统控制的要求进行变化；在制动工况下，将永磁牵引电机发出的三相交流电压整流，回馈至中间直流环节；在直流电压过高时，开通制动斩波（BCH），用 IGBT接通制动斩波电阻，消耗从牵引电机反馈的能量。

功率单元的设计采用平板热管散热 + 强迫风冷，实现模块的小型化和轻量化。相对于热管散热器，由于基板冷媒的均温效果，散热器冷凝部分尺寸可以缩小很多，便于风道的设计，同时也减轻了重量。门极驱动采用分离元件搭建，参数易于调节，方便后期电路的优化；电路采用隔离脉冲变压器实现高低压电源隔离，与控制单元通过光纤传送信号，降低信号传输的干扰。主电路的连接采用低电感叠层复合母排，尽可能降低杂散电感对功率器件造成的影响。

根据整个线路运行过程中速度、电机电流和时间等数据， 对整个线路进行热仿真计算。功率器件在不同工况下最大损耗及结温仿真数据见表 2 所列。

仿真结果满足既有车结温过热保护值 120℃的要求。

3.2 牵引系统控制和逻辑功能

牵引逆变器通过控制单元完成对四台永磁牵引电机的牵 引 / 制动控制，保证车辆的正常运行。控制单元主要实现功能 如下：

（1）对逆变器和牵引电动机进行控制；

（2）牵引控制单元将列车控制给定值和控制指令转换成 牵引逆变器的控制信号，对牵引逆变器和牵引电机进行控制， 包括列车速度调节、保护、逆变器脉冲模式的产生等 ；

（3）对牵引逆变器和牵引电机进行保护；

（4）电制动控制；

（5）对电制动进行调整、保护和逆变器脉冲模式的产生；

（6）空转 / 滑行保护控制；

（7）列车加减速冲击限制保护；

（8）通过列车总线网络实现牵引控制单元与其它控制单 元的通信功能 ；

（9）故障诊断功能，能够做到诊断到整个系统的最小可 更换单元 ；

（10）坡道起动控制；

（11）高速重投功能。

3.3 保护功能

牵引控制单元通过电压、电流传感器等测量元件对牵引 逆变器实施保护。牵引控制单元保护分为硬件保护和软件保 护，硬件保护功能主要包括功率器件故障保护、直流电压过 压保护、牵引电机过流保护等。软件保护可以通过软件参数灵 活设置，主要包括速度推算异常、充电不良保护、变流器过热、 三相电流不平衡、制动转矩异常、空转 / 滑行等。

4 结 语

目前该项目永磁系统牵引逆变器已完成设备研制，并已 通过系统的大电流考核试验，正在与永磁同步电机进行地面 联调试验，最终将在西安地铁 2 号线项目上装载一辆动车，将 在完成车辆试验后投入载客运营。永磁牵引逆变样机如图 3 所示。

采用永磁同步牵引系统后，地铁交通车辆可降低电能消 耗约 10%。随着地铁车辆运营成本不断增大，必须从节能降 耗等方面采取措施，以降低运营成本。根据中国各城市轨道 交通规划，近年我国将有 20 多个城市将新建轨道交通线路 89 条，总建设里程为 2 500 km，投资规模达 9 000 多亿元， 需配属车辆近万辆，年均需求量超过 1 500 辆。永磁牵引系统 具有广阔的市场前景，该项目将为永磁同步牵引系统产品的开 发奠定基础，经济效益前景广阔。