永磁牵引技术在南京地铁9号线列车上的应用可行性分析

李 栋

(中铁上海设计院集团有限公司,200042,上海)

0 引言

相比于传统的异步牵引系统,永磁同步牵引系统在列车牵引能耗、列车再生制动能量、电动机运行噪声、电动机维护等方面具有明显的优势,尤其是在列车运营能耗方面的优势较大。但由于永磁同步牵引电动机(以下简称“永磁电机”)的市场价格略高于异步牵引电动机(以下简称“异步电机”),永磁同步牵引系统额外配置了隔离接触器箱,且采用轴控控制方式,导致永磁电机的全寿命周期系统维护成本较高。相同动力配置下,永磁同步牵引系统的成本高于异步牵引系统,即所谓的“节能但不省钱”,这为永磁同步牵引系统的市场推广带来了一定的阻力。

本文比较了永磁同步牵引系统与异步牵引系统的系统配置、运行能耗和维护成本,并以南京地铁9号线为例,结合其工程特点、车辆批复及招投标实际情况,针对采用永磁同步牵引系统引起的列车单价提升、维保费用增加等问题,基于本线最大坡度未达到30‰且均为地下线的情况,提出适当减小列车动力配置单元的改进措施,在保障故障运行能力和救援能力的前提下,降低购置成本和维护费用,达到“既节能又省钱”的目的,使本线应用永磁同步牵引系统具备了可行性。

1 工程概况

南京地铁9号线一期工程是线网西北方向的局域线,工程北起红山新城站,南至江苏大剧院·宪法广场站,途经玄武区、鼓楼区及建邺区3个行政区。线路全长为19.677 km,共设车站16座,全部为地下线,线路最大坡度为29.896‰。

根据初步设计批复,列车采用6节编组B型车(4动2拖,以下简称“4M2T”),直流1 500 V架空接触网供电方式,最高运行速度为80 km/h。全线初期、近期、远期配属车分别为20列、56列、69列,批复概算为650万元/辆。

2 永磁同步牵引系统与异步牵引系统差异分析

2.1 系统配置对比

永磁同步牵引系统与异步牵引系统配备相同的受电弓、高压电器箱、滤波电抗器和接地装置,其设备安装形式也完全相同。二者的主要差异为永磁同步牵引系统使用永磁电机,并在牵引逆变器与永磁电机之间设置有隔离接触器,用于牵引电机与牵引系统的隔离保护。

以4M2T列车为例,永磁同步牵引系统和异步牵引系统对比如表1所示。由系统差异引起的车辆单价差异约为20%。

表1 永磁同步牵引系统和异步牵引系统对比

2.2 列车运行仿真能耗对比

列车运行仿真模拟是根据设计线路纵断面、列车牵引特性、供电特性、列车阻力特性、牵引网电压及运营组织要求等资料,仿真各运营阶段全线列车的运行状态。根据采用永磁电机的4M2T列车资料和南京地铁9号线线路资料及行车组织资料,采用永磁电机和异步电机的4M2T列车运行仿真能耗对比如表2所示。

表2 采用永磁电机和异步电机的4M2T列车运行仿真能耗对比

相较于采用异步电机的4M2T列车,采用永磁电机的4M2T列车牵引单位能耗降低了4.3%,给电能耗降低了约4.3%,再生能量增加了约5.0%。按照全日行车计划,采用永磁电机的4M2T列车方案全年可节约牵引能耗约2.58×106kWh。

2.3 维护成本对比

4M2T列车的永磁同步牵引系统和异步牵引系统的设备箱配置一致,但永磁同步牵引系统的牵引变流器IGBT模块规格及数量、逆变电路数量、输出隔离接触器均有所增加。由此引起的牵引系统维护内容和成本也会有所不同,主要表现为两种牵引电机和牵引逆变器在全寿命周期内的检修项目、工时、物料成本均有所差异。永磁电机和异步电机工时及物料成本对比如表3所示。全寿命周期(按30年计)内永磁电机维护工时为935 h,物料成本为81 500元,而异步电机维护工时为1 140 h,物料成本为99 900元。永磁同步牵引逆变器的全寿命周期维护工时为914 h,物料成本为1 053 000元。异步牵引逆变器的全寿命周期维护工时为919 h,物料成本为595 400 元。

表3 永磁电机和异步电机工时及物料成本对比

对于一列4M2T列车而言,采用永磁电机与永磁同步牵引变流器的列车全寿命周期维护工时为8 616 h,物料成本为5 516 000元,采用异步电机与异步牵引变流器的列车全寿命周期维护工时为11 916 h,物料成本为3 980 000元。由此可知,采用永磁电机与永磁同步牵引变流器的4M2T列车的全寿命周期维护工时能够降低3 300 h,但其物料成本增加了1 536 000元。将维护工时按50元/h 折算成总成本后进行对比,采用永磁电机与永磁同步牵引变流器的4M2T列车的总维护成本增加了1 371 000元。

3 4M2T和3M3T(3动3拖)永磁同步牵引系统对比

对于6节编组的地铁列车而言,4M2T是主流的动力配置方式,可以更好地满足地铁列车牵引制动的需求,尤其适应列车故障救援时的牵引要求。根据文献[1],3M3T列车配置的永磁同步牵引系统,在列车性能上完全能够达到4M2T 列车的配置要求。

为了降低采用永磁同步牵引系统4M2T列车的购置成本和维保费用,本文结合南京地铁9号线线路特点,提出将4M2T列车改为3M3T列车的编组方案,以达到经济节能的目的。

根据南京地铁9号线的线路参数,在干燥、清洁的平直轨道上,在AW2(满座+6人/m2,额定载荷)工况、额定接触网电压及车轮半磨耗状态下,采用4M2T和3M3T编组方案的列车牵引制动性能对比如表4所示。采用3M3T编组方案的列车平均启动加速度和电制动减速度均有所降低,牵引黏着系数和电制动黏着系数均有所增加,表明牵引制动性能有所下降。鉴于南京地铁9号线均为地下站,线路运行不存在极端恶劣天气工况,故其空转打滑风险可控。此外,南京地铁9号线的最大坡度小于30‰,3M3T编组列车的故障运行性能和救援能力也都满足相应的要求,因此本线采用3M3T具备可行性。

表4 采用4M2T和3M3T编组方案的列车牵引制动性能对比

采用永磁同步牵引系统的3M3T编组列车的全寿命周期维护工时为15 525.8 h,物料成本为3 687 400元。采用异步牵引系统的4M2T编组列车全寿命周期维护工时为23 519.6 h,物料成本为3 967 000元。由此可知,采用永磁同步牵引系统的3M3T编组列车的全寿命周期维护工时能够降低7 993.8 h,物料成本降低了279 600元。将维护工时按50元/h 折算成总成本后进行对比,一列采用永磁同步牵引系统3M3T编组列车的全寿命维护成本能够降低约68万元。

4 结语

永磁电机具有节能、环保等优点,符合目前低碳、绿色发展政策,未来势必会在轨道交通牵引传动系统中获得较为广泛的应用。永磁同步牵引系统能够有效降低列车的运营能耗,但由于增加了牵引逆变器模块和三相隔离接触器等设备,使得列车购置成本及维护成本有所增加。鉴于此,在既定线路条件下,本文通过仿真研究发现,3M3T编组列车在牵引制动、故障运行性能和救援能力方面均能满足南京地铁9号线的运营要求,且其全寿命维护成本也相对较低,为永磁同步牵引系统的推广应用提供了思路。

由于种种原因,南京地铁9号线最终未采用永磁同步牵引系统,但本文提出的通过改变动力配置的方式来平衡成本和效益,为推广应用永磁同步牵引系统提供了可行性思路。假以时日,永磁同步牵引系统的应用必将带来更多的经济和社会效益。