地铁车辆永磁同步牵引系统与异步牵引系统选型分析

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。

关键词：地铁车辆;永磁同步牵引系统;异步牵引系统;选型

0    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[1-2]。

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[3]。

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64 kg和360 kg，实现整体降重848 kg/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、AW3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80 km/h、40 km/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、AW3载荷条件下，推动牵引手柄牵引加速至80 km/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3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≤0.75 m/s3）。

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79 dB（A），永磁列车为72 dB（A）。隋行段噪声：异步列车动车均值约为68 dB（A），拖车均值约为62 dB（A）;永磁列车动车均值约为64 dB（A），拖车均值约为62 dB（A）。永磁列车的整体噪声比异步列车低4～7 dB，乘客的听觉舒适感更优。

3.4    振动

由表4试验数据可知，在0～45 km/h加速过程中，异步列车地板垂向峰值（频率范围0.5～80 Hz）加速度为0.353 m/s2，按照ISO 2631标准，电机上方地板振动三向加权加速度均方根值为0.184 m/s2;永磁列车地板垂向峰值（频率范围0.5～80 Hz）加速度为0.285 m/s2，电机上方地板振动三向加权加速度均方根值为0.132 m/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—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%。

5    结论

本文重点阐述了永磁同步牵引系统的主要技术特点和实际应用情况，结合厦门地铁2号线实际运行测试的数据，针对永磁同步牵引系统主电路设计、性能、能耗等與异步牵引系统进行了对比分析，得出以下结论：

（1）永磁牵引系统更利于车辆减重。

（2）相较于异步牵引系统，永磁牵引系统的整体性能表现更加优异。

（3）永磁牵引系统比异步牵引系统整车节能降耗优势明显。以厦门地铁2号线为例，综合节能率为23.61%，且永磁列车在运行站间距短、车辆频繁启停（牵引电机在高低速频繁转换）的工况下，其节能优势更加明显。

综上，永磁同步牵引系统对比传统异步牵引系统具有性能较佳，噪声、振动指标更优，节能效益显著等优势，目前在城市轨道交通车辆上的应用也越来越多。截至2021年，国内运营时长最久的长沙1号线永磁牵引列车目前运行状态良好。

[参考文献]

[1] 柏欣欣.永磁牵引系统在城市轨道交通的发展及应用[J].科学技术创新，2019（26）：128-129.

[2] 马颖涛，李红，李岩磊，等.轨道交通中永磁同步牵引系统的优势与挑战[J].铁道机车车辆，2015，35（3）：66-70.

[3] 田春春.城市轨道交通车辆永磁牵引系统应用研究[J].交通世界，2021（S2）：23-24.

收稿日期：2021-08-20

作者简介：林泽雄（1992—），男，广东汕头人，助理工程师，研究方向：城轨车辆。