屈斌; 詹哲军; 李霞
【年(卷),期】2019(046)008
【总页数】10页(P87-95,109)
【关键词】永磁同步牵引系统; 永磁同步电机; 高速列车; 牵引控制单元; 牵引辅助变流器
【作 者】屈斌; 詹哲军; 李霞
预应力压浆【作者单位】中车永济电机有限公司 陕西西安710016 mhhpa【正文语种】中 文
【中图分类】TM922.72
0 引 言
随着我国高铁时代的来临，高速铁路所承载的运营压力越来越大，承担的任务也越来越重。目前高速列车广泛采用交流异步牵引系统，但永磁同步电机相比异步电机，具有结构简单、效率高、响应速度快等优势，更能满足轨道交通车辆环保绿、安全可靠的行业和技术发展要求，得到了越来越多的用户关注。随着永磁材料性能的大幅度提升和控制算法的不断优化，永磁同步牵引系统得到更加广泛的应用，高效节能的永磁同步牵引系统正成为下一代牵引系统的发展方向[1-5]。
20世纪 90 年代，欧洲、日本等国家最先开始研究永磁同步系统技术，自1997 年开始，陆续有试验产品出现并成功应用到轻轨、高速列车、地铁等轨道交通领域并进行了装车考核。运行结果表明，相比异步牵引系统，永磁同步牵引系统有高效率、低速大扭矩、节能、低噪声等优势，整车节能10%～30%，效率提高3%～4%；永磁同步电机相比同规格异步牵引电机，效率提高3%～5%，功率密度提升30%，噪声级比IEC规定的限值低3～7 dB，以同样冷却方式为前提，体积和质量减小25%～30%[6]。国内的大功率牵引永磁同步电机及控制系统的研制处于起步和推广应用阶段。2003年以来，中车株洲电力机车研究所有限公司(以下简称株洲所公司)、中车永济电机有限公司(以下简称永济公司)、中车四方车辆有限公司(以下简称四方公司)等单位联合高校、研究院开始进行永磁同步系统理论和技 术研究，已经在城市轨道、高速铁路、低地板现代有轨电车、风力发电、船舶等多个领域开展验证，开始步入商业批量应用阶段。
本文结合某型高速列车的永磁同步牵引系统研究与开发，介绍了牵引变流器、永磁同步牵引电机及对应的系统牵引控制及网络通信设计过程，为高速列车永磁同步牵引系统研制及应用提供了一定的参考依据，同时为其他永磁系统设计提供了可用的技术平台。
1 国内外现况
1. 1 国外现况
1. 1. 1 法国阿尔斯通公司
2008年，阿尔斯通公司研制的永磁同步牵引电机分别在Citadis有轨电车和AGV单层高速动车上陆续装车应用，比异步电机效率提高3%～4%，节能15%，质量减少30%，噪声降低7 dB[7]。
2011年，意大利首批订购35 列采用永磁同步牵引系统的AGV 车辆完成交付使用。2018 年
接到法国国家铁路公司100 列下一代超高速TGV列车——Avelia Horizon订单，该列车均采用永磁同步牵引系统，2023年起开始分期交付。
1. 1. 2 加拿大庞巴迪公司
2007年，加拿大庞巴迪公司为瑞典国家铁路设计完成首代Mitrac永磁同步牵引系统产品，开始配属斯德哥尔摩至韦斯特罗斯的城际列车。与原异步系统牵引特性相比，牵引力增强2.6倍，额定工况系统最高效率97.1%，2台永磁同步电机可取代一辆车上的4台原异步电机。 2011 年开始，庞巴迪公司开发的第二代永磁同步系统陆续运用于瑞士联邦铁路公司动车组。电子防丢器
1. 1. 3 德国西门子公司
德国西门子公司在1997～1998年间联合达姆斯达特大学，依据ICE3 高速列车技术规格，研制完成2台500 kW永磁同步牵引电机。与同功率异步牵引电机相比，损坏率降低50%，质量减少30%，噪声降低15 dB[8]。
2005年，西门子公司运输部研究开发了集传动和制动技术为一体的创新型直驱转向架(Synt
蒸汽吸尘器egra)系统并应用在新一代城轨车辆上，其中永磁直驱电机为全封闭水冷电机，比异步电机效率提升了3%、噪声下降了15 dB，体积节减了30% [9]。2008年在德国慕尼黑地铁正式投入载客试运行。
k26082018年6月，西门子公司新推出的Velaro Novo 列车全部装配永磁牵引系统，最高时速360 km/h，线路综合能耗降低30%。目前测试车正在德国进行试运行，预计2023年前正式投产运行。
usb视频设备1. 1. 4 日本公司
1992年，日本东海铁路客运公司(JR东海)开发了新干线TMT908X型轻量永磁同步牵引电动机驱动系统，并在300系、700系新干线电动车组上开始应用，列车最高速度270 km/h，东京-新大阪运行时间由190 min缩短至150 min，实现整车性能大幅提高和运行能耗大幅降低。
日本东芝公司2001年开始进行155 kW小功率永磁同步电机试验；2003开始进行360 kW的高速车辆的永磁同步电机试验；2007年，完成120 kW永磁同步牵引电机研制并在东京地
铁Ginza线开始运营。与异步牵引电机相比，可降低噪声2～6 dB，实现节能10%[10]。2015 年开发完成永磁地铁牵引系统并获新加坡地铁改造订单，2018年7月装配韩国釜山地铁1号线并进入商业运营。
1. 2 国内现状
株洲所公司2003年开始进行永磁同步牵引系统理论和技术研究，2008年完成40/90 kW永磁同步系统研制并在混合动力公交车上实现装车运营，2011年在沈阳地铁2号线成功装车运用，2014年完成高速永磁动车组的装车，2018年高速永磁动车组完成30万km考核，百公里人均能耗降低11.7%[8]。
永济公司2014年完成电力机车1 200 kW直驱永磁系统研制。通过对比性研究试验，永磁系统比异步系统传动效率高2%～4%，谐波含量低15%。2015年开展时速400 km及以上高速客运装备永磁同步牵引电机的小型化、轻量化、低噪声、高速轴承及润滑结构、检修维护等方面研究，完成地面联调试验，具备动车永磁同步系统配套能力。2016年3月完成高速列车永磁同步牵引系统样机试制及试验，实现对原车异步系统的同等替换，全工况平均效率提高3%。10月为香港电车公司开发永磁电传动系统上线载客运营，运用情况良好。201
7年完成西安地铁2号线永磁同步牵引系统、青岛四编组导轨电车永磁电传动系统研制并开始装车运用。2018年研制完成世界最大功率(6台永磁同步牵引电机、2台牵引变流器，总功率7 200 kW)的电力机车大功率永磁直驱电传动系统并在同车公司装车运用。
四方公司2016年自主研制完成国内首台地铁车辆永磁直驱转向架，通过永磁电机直接驱动车辆轮对，与电机牵引、齿轮箱驱动的传统转向架技术相比，可实现降低噪声10 dB，降低能耗15%的良好技术和经济效益。
2 永磁同步牵引系统优势分析
因为采用永磁材料励磁，所以永磁同步牵引电机没有励磁损耗。经过国内外大量试验验证，永磁同步系统比异步牵引系统在动力品质、控制特性等方面具有显著优势。结合永磁同步牵引电机的应用特点，可从轻量化、节能性、兼容性等3个方面做具体的对比分析。
2. 1 轻量化
部件的小型轻量化，让整车可以做到小型轻量化，运行风阻减小，损耗降低。永磁同步电机采用永磁体励磁，结构简单、功率因数高、效率高，与同等功率的异步电机相比，永磁
同步电机体积小、重量轻、转动惯量小、功率密度高(可达1 kW/kg)，适合列车上有限的空间。根据设计值，该功率等级的永磁同步电机与异步电机相比，体积可缩小10%～20%，重量可缩减10%～30%，更节省空间。
由于永磁同步牵引系统的高效率特点，变流器和系统的其他部件设计时热损耗减少，产品可以做到小型轻量化。从整车角度来说，永磁同步牵引系统可以让车辆很好地“瘦身”，同时保证了优良的牵引性能，使列车的运行效率更高，自身负担更小。从长远利益来看，轻量化车辆，更加符合全社会提倡的“绿环保”的发展理念。
2. 2 节能性
图1和图2所示分别为系统牵引工况和再生制动工况的部件功率计算。由以上分析可知，同种工况下，永磁同步牵引系统比异步系统变压器容量少146 kVA ，制动工况下永磁系统比异步系统反馈能量多79 kVA。因此，永磁同步牵引系统在牵引时，比异步系统更节约能量，在制动时，永磁同步牵引系统比异步牵引系统馈网能量也更多。以现有车辆变速变负载运行工况统计，采用永磁同步牵引系统后预计节约电能消耗可达到10%以上。
图1 系统牵引工况部件功率计算
图2 再生制动工况部件功率计算
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