南昌地铁4号线列车永磁牵引系统设计

时间：2024-04-24

敖斌、范英芝

（南昌轨道交通集团有限公司运营分公司车辆中心，江西南昌330000）

0 引言

南昌地铁4 号线起点为白马山站，终点为鱼尾洲站，线路全长39.6km，设站29 座，其中高架站4 座、地下站25 座，全线共配属46 列标准的B2 型车，其中44列车采用传统VVVF 逆变器+异步电机的牵引系统，2列车采用VVVF 逆变器+永磁电机的牵引系统。

1 车辆基本参数及性能要求

1.1 车辆基本参数

列车采用架空接触网受电的供电方式，供电电压额定值为DC1500V，再生制动时网压不高于DC1800V，轮径为840/805/770mm（新轮/半磨耗/全磨耗轮径），采用4 动2 拖6 节编组形式，列车编组示意图如图1所示。

图1 6 节编组列车示意图

1.2 车辆动力性能

1.2.1 列车速度

最高运行速度为80km/h，平均技术速度不低于55km/h（不含停站时间），平均旅行速度不低于35km/h（平均站停时间31.7s）。

1.2.2 列车平均加速度

定员（AW2）情况下，在平直干燥轨道上，车轮半磨耗状态，额定电压时，列车从0 加速到40km/h 不小于1.0m/s2，从0 加速到80km/h 不小于0.6m/s2。

1.2.3 列车平均减速度

超员（AW3）情况下，在平直干燥轨道上，车轮半磨耗状态，列车从80km/h 减速到停车时，最大常用制动不小于1.0m/s2，紧急制动不小于1.2m/s2。

1.2.4 列车制动实现方式

由电制动（电阻制动、再生制动）和空气制动组成，优先采用再生制动和电阻制动，电制动力不足时，由空气制动补充，上述三种制动方式能自动转换、协调配合，并满足制动指令的要求。

1.2.5 列车故障运行能力

超员（AW3）情况下，当损失1/4 牵引动力时，列车仍然可以在35‰的坡道上起动，并能以正常运行方式完成当天运行；当损失1/2 牵引动力时，列车仍然可以在35‰的坡道上起动，并返回车辆段。

1.2.6 列车坡道救援能力

一列6 辆编组的空车应能将另一列停在35‰坡道上的6 辆编组超员故障列车移至最近的车站（上坡）；一列6 辆编组的空车应能将另一列停在40‰坡道上的6 辆编组故障空车救援到车辆基地（上坡）。

2 永磁牵引系统

永磁牵引系统是将直流电压转换成变频变压的三相交流电压，用于控制永磁电机，使电能与机械能相互转化，从而实现列车的牵引和电制动功能，满足车辆动力性能、故障运行、救援能力，主要由主电路、牵引控制系统及其装置组成[1]。

2.1 主电路的设计

系统主电路由牵引高压箱（MH 箱）、牵引辅助箱（MA 箱）、线路电抗器、制动电阻、永磁电机等装置组成。

2.1.1 牵引高压/辅助箱

牵引高压箱安装在Mp 车，由高压部分、中间部分和牵引变流器部分三个部分组成，主要设备有隔离接地开关、高速断路器、牵引变流器电抗器、牵引变流器模块、内部风扇、传感器等；牵引辅助箱安装在M 车，与牵引高压箱的区别是将线路电抗器集成到箱体内部，减少了单车重量。

图2 永磁牵引系统主电路原理图

牵引变流器模块的最大直流网压（停机）2000V，连续输出功率270～450kVA，最大短期输出功率550kVA，IGBT 额定值为3.3kV/450A；高速断路器的标称电压2000V，额定电流1000A，脱扣电流1800A，分断能力30kA/15ms；隔离接地开关最大供电电流1800A/30s，持续供电电流950A，车间电源供电模式持续电流350A。

2.1.2 线路电抗器

线路电抗器的额定输入电压为DC1500V、额定电流690A、电抗值1.6mH，它和内置在牵引逆变模块中的滤波电容一起构成线路滤波器，线路滤波器防止由变流器所产生的谐波干扰接触网。

2.1.3 制动电阻

制动电阻额定电压值为DC1800V、标称阻值为4×3.6Ω，用于过压保护和电制动时消耗电网不能吸收的电制动能量，对IGBT 电压进行监控以检测主电路是否发生过压保护故障，如果IGBT 触发命令与检测到的电压不匹配，将指示电路过压保护故障。

2.1.4 永磁电机

永磁电机由定子、转子、转轴、端盖、风扇等部件组成，额定电压AC1170V、电流125A、功率200kW，采用无速度传感器方案，转子上安装有永磁体材料，利用永磁体进行励磁，没有异步电机的励磁损耗，具有高效率、高功率因素、低噪音、体积小等优点，不仅节能降耗，还能提高乘坐舒适度[2]。

由于永磁电机是一种同步电机，无法实现并联控制，每台永磁电机配置了1 台牵引变流器模块进行单独控制，每台电机设置电机断路器，当出现严重故障时，电机接触器将断开所有供电，并隔离相应电机。

2.2 系统技术特性

2.2.1 牵引/制动特性曲线

经计算，列车空载（AW0）、定员（AW2）和超员（AW3）工况下的牵引、制动特性曲线如图3、图4、图5所示。

图3 AW0 牵引/电制动力特性曲线

图4 AW2 牵引/电制动力特性曲线

图5 AW3 牵引/电制动力特性曲线

2.2.2 牵引/电制动功率限制

经计算，不同供电电压下的轮周功率不同，供电电压在DC1000V～DC1800V 范围内，才有牵引/电制动功率输出，见表1：

表1 各种电压等级下牵引/电制动的功率

2.2.3 列车运行性能核验

经核验，列车在超员情况下，平均技术速度57.3km/h＞55km/h，平均旅行速度41.58km/h＞35km/h，符合车辆设计性能要求。

经核验，列车在定员情况下，0～40km/h 加速度为1.03m/s2＞1.0m/s2，0～80km/h 加速度为0.65m/s2＞0.6m/s2，符合车辆设计性能要求。

经核验，列车在超员情况下，从80km/h 减速到停车时，最大常用制动的平均减速度为1.18m/s2＞1.0m/s2，紧急制动的平均减速度不小于1.31m/s2＞1.2m/s2，符合车辆设计性能要求。

经核验，列车的故障运行能力和坡道救援能力，均能满足设计要求和现场最大坡道处运行要求。

2.3 牵引控制系统

2.3.1 牵引控制设备

牵引控制系统分为列车级和系统级控制两个层级。列车级控制由列车控制管理系统（TCMS）中的中央处理单元（VCU）实现，根据每个电机轴的速度来计算列车的速度，给牵引辅助软件单元（PSW）发送牵引/制动力参考值，变流器的每个独立控制单元将通过PSW 的接口来激活，VCU 将通过PSW 的输入接口来检测实际状况；系统级控制由PSW、牵引控制单元（MCCD）、交换单元（I/O）、数字量输入输出单元（DX2）四个设备实现，PSW 是在MCCD 装置上独立运行，可实现系统级功能，与TCMS 的控制命令、状态和运行数据对接；MCCD 用于控制牵引变流器的，I/O、中继单元（RS-12）用于MCCD、辅助控制单元（ACCD）与TCMS 的牵引辅助故障诊断单元（CCUD）通过以太网进行故障诊断；通过DX2 端口，每个独立的牵引控制包能够获得备用模式的指令，当TCMS失效时，通过DX2 端口来控制列车(见图6)。

图6 牵引控制拓扑图

2.3.2 牵引控制逻辑

MCCD 采用动态定子磁通定向转矩控制的方法，从列车级网络获得牵引/制动力的参考，牵引变流器的IGBT 控制脉冲采用优化的PWM 控制方案，为避免牵引过程中线电压的崩溃，系统将进行功率限制。在牵引/制动过程中，防滑/防空转控制能在变化的钢轨和车轮之间条件中，高效地使用附着力。

正常情况下，列车制动力是来自于司机或是ATO系统，通过BCU 或TCMS 的I/O 单元读取或者ATO通过TCMS 进行传送。在电制动过程中，BCU 将动车制动力参考分解并发送给PSW/MCCD（每个动车变流器），MCCD 不断地将可用的制动传送给PSW，PSW 通过TCMS 的MVB 网络将这个值传送给BCU，以便于在需要混合制动时更好的使用。

当TCMS 故障时，牵引系统能在备用模式下进行工作，主司控器提供了一套安装在整个列车长度方向上的二进制列车线，所有牵引控制的子系统将使用本地的I/O 单元来读取列车线上的信息：备用模式、牵引向前、牵引向后、牵引、制动、牵引力（2 位）等。