DC750V永磁同步牵引系统在地铁车辆上的应用

陆远基

（株洲中车时代电气股份有限公司轨道交通技术中心 湖南省株洲市 412001）

地铁车辆电气牵引系统是地铁车辆的重要组成部分，是列车运行的“心脏”，同时也是车辆耗能大户。据统计，牵引系统耗能约占地铁车辆总能耗的1/2以上，因此如何降低列车牵引系统的能耗是城市轨道车辆节能减排工作的重中之重。依托北京地铁8号线三期工程，在第41列车上装载DC750V永磁同步牵引系统（其余列车装载异步牵引系统），通过技术方案论证、模拟计算、型式试验、装车试验、正线测试等方法，实现地铁DC750V永磁同步牵引系统的装车考核。通过DC750V永磁牵引系统在车辆减重、节能、乘客舒适性、低维护成本等方面优异性的验证，推动地铁车辆关键技术的发展和应用。

1 永磁同步牵引系统概述

列车采用+Tc-M-T-M-M-Tc+的3动3拖编组方式，其中Tc车配有两台受流器，M车配有4台受流器。每辆Tc车上配置一台司机控制器，司机可通过操纵司机控制器驱动列车向前/向后牵引或制动。

永磁同步牵引系统主电路和设备配置如图1所示，由永磁同步牵引电机、牵引逆变器（包含DCU）、高压电器箱、电抗器、接触器箱、过压吸收电阻等组成。

牵引工况下，牵引逆变器将从第三轨取得的DC750V直流电逆变成变压变频的三相交流电，给两个动力转向架上的4台永磁同步牵引电动机供电。永磁同步牵引电动机则通过电能和机械能的变换将电能转换成驱动列车运行的牵引力。电制动时，永磁同步牵引电动机转化为发电机，将制动能量转换为电能反馈回电网，当中间电压过高时开通斩波器将能量消耗在过压吸收电阻上。

1.1 永磁同步牵引电动机

牵引电机为三相交流永磁同步牵引电动机，全封闭结构，采用自带风扇强迫风冷方式，转子采用永磁体励磁，定子为无机壳结构，悬挂方式为架承式全悬挂，绝缘等级为200级（耐电晕）。

牵引电机的主要参数，如表1所示。

表1

永磁电机外形示意图如图2所示，机械接口完全兼容北京地铁8号线列车异步电机。

与异步牵引电动机相比，永磁同步电机具有如下特点：

（1）转速平稳、过载能力强。当永磁同步电机的负载转矩发生变化时，仅需电机的功角适当变化，而转速维持原来的同步转速不变。永磁同步电机的瞬间最大转矩可以达到额定转矩的三倍以上，使得永磁同步电机非常适合在负载转矩变化较大的工况下运行；

（2）高功率因数、高效率。永磁同步电机与异步电机相比，不需要无功励磁电流，所以能得到比异步电机高很多的功率因数，进而得到相对更小的定子电流和定子铜耗，并且永磁同步电机在稳态运行时没有转子铜耗，进而可以因总损耗降低而减小风扇容量甚至去掉风扇，从而减小相应的风摩损耗，使它的效率比同规格的异步电机提高3～5个百分点，尤其是高效区范围远高于异步电机，如表2所示。

表2

（3）体积小、重量轻、散热效果好。近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电机的功率密度得到很大提高，同时定子采用全叠片无机壳结构，与同容量的异步电机相比，永磁同步电机的体积和重量大约能减少15～30%左右；

图1：永磁同步牵引系统主电路原理图

图2：永磁同步牵引电动机外形图

表3：系统差异点

（4）结构多样化，应用范围广。由于采用永磁体励磁，永磁同步电机可以实现形状和尺寸的灵活性；

（5）可靠性高、维护成本低、噪声低、舒适性好。冷却风扇产生的冷却风不进入电机内部，通过端盖、定子铁心形成的外层风道带走电机产生的热量。定子线圈绝缘不受到外部杂物的污染，可提高可靠性；永磁电机无需清理滤尘器，大大减少维护量及维护成本；外部冷却风不进入电机内部，更加安全可靠；永磁电机采用全封闭结构，噪声更低，尤其是低速阶段，可有效提高站台乘客的舒适性。

1.2 牵引逆变器

每辆动车配置一台VVVF逆变器，逆变器内装有两个IGBT变流器模块，一个变流器模块含有两套三相逆变器桥臂和一套斩波相桥臂，每套三相逆变器桥臂独立地驱动对应的牵引电动机。

由于系统要实现对牵引电动机的轴控方式，为了节省空间，变流器模块采用双管IGBT元件，即每个元件中含有两个IGBT，每个IGBT的额定电流为800A。为了控制方便，斩波回路仍然使用单管IGBT元件，额定电流为1600A。

变流器模块采用抽屉式的模块化设计，集成了IGBT元件、二极管、热管散热器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元、支撑电容等器件。采用热管散热，具有无吸收电路、结构紧凑、体积小、重量轻、维护工作量小等优点。

牵引逆变器采用霍尔电流和电压传感器实现牵引逆变器直流侧电压电流和交流侧电流的检测。

1.3 隔离接触器箱

隔离接触器在主电路中相当于三相隔离开关，具有迅速分断高压大电流的能力，故障工况下，可快速的实现牵引逆变器和永磁同步牵引电机的隔离，避免因永磁同步牵引电动机反电势而造成故障扩大化，损坏设备。

1.4 传动控制单元

传动控制单元（DCU），是牵引系统的“大脑”，主要完成牵引系统的逻辑控制、网络通信、牵引逆变器和牵引电机的实时控制、轮轨粘着利用控制、系统状态监测、故障诊断和保护等功能。传动控制单元采用机箱形式，安装在牵引逆变器箱中。

2 永磁同步牵引系统与异步牵引系统的差异点

永磁同步牵引系统与异步牵引系统的差异点如表3所示。

3 试验和验证

3.1 永磁同步牵引系统各部件样机试制

永磁同步牵引系统各部件的样机全部于2016年9月份完成了试制与例行试验，样机例行试验全部合格并出具了例行试验报告。

3.2 永磁同步牵引系统各部件地面试验验证

关键零部件进行了地面可靠性试验。如对隔离接触器进行了完整的可靠性试验与20万次开关的长时间可靠性考核，最终验证该接触器满足运营的应用要求。

完成样机试制后，各部件迅速开展了型式试验验证。部件型式试验以及系统组合试验都顺利完成，试验结果合格，取得第三方试验报告。

3.3 永磁同步牵引系统装车调试及现场型式试验

2016年下旬，永磁同步牵引系统产品顺利交付车辆制造商并完成了整车的装车调试和厂内试验，2017年完成列车的现场型式试验。

4 结语

DC750V永磁牵引系统在北京地铁8号线上的实现装车试验，并于2018年7月开始载客运营至今，系统的可靠性、安全性、可维护性以及与列车其它子系统、信号系统的配合都得到了检验和验证，满足用户的运营需求，得到了用户的充分肯定。

随着永磁同步牵引系统技术的日趋成熟，其优越的低能耗和低维护成本越来越受到地铁用户的关注，目前国内多个地铁公司也在其项目中采用批量的永磁同步牵引系统，可以预见，在不久的将来，永磁同步牵引系统将在地铁领域中得到更加广泛的应用，创造巨大的经济和社会效益。