哈尔滨地铁2号线车辆永磁牵引系统应用研究

姜宇

（哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江哈尔滨 150001）

0 引言

哈尔滨地铁2 号线于2021 年9 月19 日载客试运营，配属车辆36 列，采用B2 型车铝合金车体，DC 1500V 供电制式，4M2T 编组形式，最高运行速度80km/h。目前已载客运营车辆30 列，其中2 列车配置永磁牵引系统，累计运营里程超过23 万km。为切实掌握永磁和异步牵引系统在哈尔滨运营线路上的节能效果，进一步降低运维成本，对永磁和异步牵引系统车辆的能耗情况进行跟踪。

1 永磁和异步牵引系统差异

1.1 控制原理差异

1.1.1 异步牵引系统

采用传统VVVF 直—交流逆变+三相鼠笼异步牵引电机的车控方式，即每车由1 台牵引变流器驱动4组IGBT 单元（3 组用于牵引逆变，1 组用于制动斩波）动作，牵引控制单元DCU 按照既定牵引/制动特性曲线，输出三相可调电压、频率，实现对牵引电机的转速和转矩的控制。

1.1.2 永磁牵引系统

与异步牵引系统控制方式相比（见图1），永磁牵引系统的主要差异在电机永磁体的特性上。永磁牵引系统采用轴控方式，解决由于车辆轮径差值不同，电机定子频率不同，电机速度无法同车辆速度一致的问题。

图1 哈尔滨地铁2 号线永磁牵引原理图

永磁牵引电机与变流器之间配置对应数量的隔离接触器，避免在系统制动过程中牵引电机无法关断反向电动势对系统造成影响，保证在电机故障模式下车辆的安全运行。

1.2 主要设备选型差异

1.2.1 牵引逆变器

与上文介绍的控制方法不同，永磁牵引系统选用2 套功率模块，驱动4 组双管500A 容量IGBT 模块变流，异步牵引系统选用1 套功率模块，驱动1 组1500A容量IGBT 模块变流，前者采用强迫风冷，负载侧单独设置三相隔离接触器，后者采用自然冷却（液态水冷）方式，不单独设置隔离接触器[1]。

1.2.2 牵引电机

与传统的异步电机相比，由于车辆编组形式相同，各套系统的电机功率均选用190kW。不同处在于永磁牵引电机具有高功率密度、高效率、低损耗等技术特点，永磁牵引电机为全封闭结构，相比异步牵引电机体积小，重量轻。永磁和异步牵引系统设备选型差异对比见表1。

表1 永磁和异步牵引系统设备选型差异对比

1.3 性能分析

1.3.1 牵引制动能力

按照哈尔滨地铁2 号线车辆技术规格书的要求，永磁牵引系统的平均加速度、制动减速度、故障救援运行能力与异步牵引系统的技术要求保持一致。为验证永磁牵引系统车辆的实际性能指标，在车辆厂内调试阶段，分别对永磁和异步牵引系统的性能进行型式试验。试验数据的主要结果见表2。

表2 永磁和异步牵引系统型式试验记录

综合试验数据结论，对比车辆技术规格书的规定，永磁牵引系统的总体性能指标均满足运行要求[2]。

1.3.2 电机温升

选取不同牵引系统EDRM 记录的电机温升进行对比。在相同工况下（从车辆早出库运营-到晚回库结束运营，全天16h 的运营数据），根据数据采样结果（见图2），永磁牵引电机的平均温升最高不超过50℃，异步牵引电机的平均温升最高不超过80℃。永磁牵引电机温升均在正常运行范围内，在相同工况下温升均低于异步电机温升[3]。

图2 永磁和异步电机温升曲线

1.3.3 电机噪声

电机噪声主要源于电磁噪声、机械噪声和通风噪声三个方面。由于永磁牵引电机转子表面开槽，依据永磁和异步牵引电机相关的型式试验报告测试结果，永磁牵引电机的平均噪声比异步牵引电机低，0～1900r/min 平均降 低5.5dB(A)，1900～3500r/min 平均降低0.1dB(A)。全封闭结构使永磁牵引电机噪声更低，尤其是在低速阶段可有效提高乘客的舒适性[4]。

2 永磁牵引运用情况

2.1 能耗统计

选取2 列永磁车（0229—0230）和异步车（0201—0228）对运营1 年的能耗情况进行跟踪，每月定期对每列车EDRM 记录的牵引、再生、辅助、总能耗进行统计，见表3。

如表3 能耗数据汇总得知，永磁牵引系统的牵引能耗普遍低于异步牵引系统，再生能耗高于异步牵引系统。 经估算，永磁牵引系统的牵引净能耗为4.25kW·h/(列·km)，再生率为0.55，异步牵引系统的牵引净能耗系统为6.56kW·h/(列·km)，再生率为0.42，结论：牵引系统的节能率约35%（忽略辅助系统能耗），永磁牵引系统的节能率均高于异步牵引系统。

表3 永磁和异步牵引系统能耗数据单位：kW·h/（列·km)

2.2 维护量对比

永磁和异步牵引系统最主要的区别在于牵引逆变器和牵引电机。依据各系统检修规程的规定，牵引逆变器日常清洁维护的工作量基本相同，由于逆变器的结构不同，主要区别是更换内部部件，如IGBT 单元等。牵引电机维护工作的主要区别：其一，由于结构差异，异步牵引电机采用开启式结构，永磁牵引电机采用封闭式结构，减少了架修、大修周期内对电机定子与转子表面的吹灰、清洗等维护的工作量。其二，永磁牵引电机内部无须滤尘器，维护时只需对网板及风道进行简单的处理即可。异步牵引电机采用滤尘器过滤进入电机内部的冷却空气，滤尘器的构造复杂，滤网细密，维护时需要拆卸滤尘器的滤网进行冲洗。架修时，需将滤尘器整体卸下，清洁、除尘及检查各构件的状态，更换滤网脱落的滤尘器等。其三，由于两种电机的原理及配置不同，在架修及大修时，需要对电机进行的试验及检验项目也有所不同，永磁牵引电机在架修可省去堵转、空转等试验[5]。

3 预期经济效益

按照目前能耗数据统计及实际运营图，每列车年平均运营里程约12 万km，异步牵引系统净能耗为6.56kW·h/(列·km)，电费按0.7 元/（kW·h)计算，一列异步车每年电费约为55.4 万元，按照永磁牵引系统节能率35%估算，一列永磁车每年可节约电费约19.4万元，若按车辆30 年全寿命周期计算，一列永磁车30年节约电费约582 万元[6]。

4 结语

综上所述，哈尔滨地铁2 号线运营1 年后，对永磁和异步车辆牵引车辆的能耗数据、故障率、维修效率、运行指标等各方面进行综合对比，永磁牵引系统基本满足哈尔滨现场运营环境的实际需求，下一步将继续对其系统运行的可靠性进行考核评估。为实现国家“双碳”目标及中国城市轨道交通协会倡导绿色城轨方案的行动部署，考虑将永磁牵引系统在后续新线项目中逐步推广实施。