长沙5号线永磁同步牵引系统集成设计

吴桂林 王丹梅

（中车株洲电力机车有限公司，株洲 412001）

永磁同步电机技术起源于20世纪60年代，最开始应用于航空航天和高科技领域。近年来，随着技术的发展，永磁同步电机设计及控制技术日趋成熟，逐步应用于高铁、城轨车辆以及低地板中[1]。相对于异步电机，永磁同步电机具有高功率因数、高效率和低噪声等显著优势。永磁同步电机应用于轨道交通车辆牵引，可以节能降耗、减少维护量、降低全寿命周期成本以及优化的噪声指标，为乘客带来更好的体验[2-5]。

2015年长沙轨道集团联合中车株洲电力机车有限公司和株洲中车时代电气股份有限公司开始永磁牵引系统列车研制和应用工作，在长沙市轨道交通1号线T23列车上安装了一整套永磁牵引系统，已完成全部试验和试运行考核，并通过专家组评审投入载客运营，目前已安全载客运营超过3×105km。基于长沙1号线的研究及应用成果，长沙地铁5号线全线列车实现了永磁牵引系统装车应用。本文对永磁同步与异步牵引系统的差异、系统集成相关风险及应对措施、整车试验进行了分析和介绍，为永磁同步牵引系统批量推广应用提供了参考。

1 永磁同步牵引系统总体方案

1.1 牵引主电路

长沙5号线采用4动2拖编组B型车[1]，编组型式为直流1 500 V接触网供电。牵引系统采用VVVF永磁逆变器-永磁牵引电动机构成的交流电传动系统。牵引主电路采用两电平电压型直-交逆变电路。经受电弓输入的1 500 V直流电由VVVF逆变器变换成频率和电压均可调的三相交流电向永磁牵引电机供电。VVVF逆变器由2个双管逆变模块单元组成，每个逆变器模块含有2个逆变单元，每个逆变单元驱动1台牵引电机，有别于异步牵引系统采用车控控制方式。永磁同步牵引系统采用轴控的控制方式，过压斩波单元与逆变模块单元集成在一起。

为防止永磁牵引系统失控时由于永磁牵引电机发电时产生的反电势对牵引系统的影响，在牵引逆变器与永磁牵引电机之间增加了隔离接触器，起到了有效隔断故障工况的作用。永磁同步牵引系统主电路如图1所示。

1.2 主要设备及参数

牵引系统主要由牵引逆变器（含充电接触器、短接接触器、滤波电抗器、逆变单元、制动斩波单元、牵引控制单元、三相隔离接触器）、高压箱、永磁同步牵引电机以及过压吸收电阻组成。以下对与异步牵引系统差异较大的两个设备进行了配置说明。

1.2.1 牵引逆变器

每辆动车配置一台VVVF逆变器，逆变器内装有1个充电接触器、1个短接接触器、1个预充电电阻、2个IBBM系列IGBT变流器模块以及1个牵引控制单元（Drive Control Unit，DCU）。DCU对逆变器进行控制并与列车通信。同时，为了减少体积和质量，牵引逆变器首次集成了控制牵引电机供电的隔离接触器。

IBBM系列IGBT变流器模块集成了24个3 300 V/500 A的IGBT双管元件以及2个33 300 V/1 000 A的IGBT单管元件，分别作为三相逆变器的三相桥臂与制动斩波相桥臂。模块还包括热管散热器、温度传感器、门控单元、门控电源、脉冲分配单元以及支撑电容器等部件。牵引逆变器主要的技术性能参数如表1所示，单个模块参数如表2所示。

图1 永磁同步牵引系统主电路

表1 牵引逆变器主要的技术性能参数

表2 单个模块参数

1.2.2 永磁同步电机

永磁同步牵引电机技术特征为全封闭结构，转子为永磁体励磁的内置式结构，定子为无机壳结构，悬挂方式为架承式全悬挂，绝缘等级为200级（耐电晕），冷却方式为外风扇强迫自通风。它的主要技术性能参数如表3所示。

表3 主要技术性能参数

2 永磁同步牵引系统集成技术风险及应对措施

2.1 磁场辐射

永磁电动机转子由转子铁心、转轴、压圈、挡板以及永磁体组成。在断电状态下，异步电动机转子没有磁性，而永磁电动机转子带有磁性。由于永磁电机转子位于定子铁心的内部，定子铁心和端盖对转子磁场具有屏蔽作用，组装完成后的永磁电机对外的电磁辐射甚微。试验验证，它并不会对人体带来辐射影响。

对永磁牵引电机周边空间磁感应强度进行仿真分析和试验检测，表4为在永磁电机不同部位磁感应强度的仿真分析结果，表5为试验检测结果。

表4 永磁电机周边空间磁感应强度的仿真分析结果

表5 永磁电机周边空间磁感应强度的测量值

由于电机表面剩磁强度随距离增大衰减较快，当距离电机表面达到100 mm时，剩磁强度已小于地磁场（0.05～0.06 mT），因此仅记录距离电机表面零距离点的测量值。

根据《对人体暴露于家用及类似用途电器电磁场的侧量方法》（EN 62233-2008）标准要求，人体暴露于家用及类似用途电器的电磁场不大于0.4 mT。由表5可知，组装完成后的永磁电机外部剩磁远小于家用电器的标准要求，对人体没有损害。

当永磁电机转子未装在电机里时，存在较大的漏磁场。因此，永磁电机在解体、组装以及永磁电机转子贮存和运输时，必须采取特殊的防护措施。可使用特殊的非导磁材料的存储装置和运输工具隔离磁场，并防止转子之间或转子与其他配件之间的吸附。操作人员禁止佩戴金属饰品或携带钥匙等金属物品进行作业。

2.2 反电动势

永磁电机区别于异步电机的最大特点在于励磁无法关断，其最高转速对应的反电势的有效值为1 600 V。在故障工况下，需要针对反电势采取保护措施。为了保护设备，避免永磁牵引电机反电势造成故障的进一步扩大，在永磁牵引电机的U、V、W三相前端增加一个三相接触器。当系统处于故障模式时，跳开三相接触器，将永磁牵引电机和牵引逆变器断开，保护牵引设备，同时若隔离接触器发生卡合故障，失控反电势不会损坏3 300 V功率器件。

3 试验验证

3.1 试验概述

考虑到永磁同步牵引系统与异步牵引系统的差异，需要对整车牵引功能、牵引加速度、电制动性能、空转/滑行性能、牵引电机轴承电压、整车能耗、列车救援能力、列车故障运行能力以及电磁兼容能力等进行重点试验验证。经过试验验证，列车救援能力、列车故障运行能力以及电磁兼容能力与异步牵引系统性能基本一致，均能满足技术规格书性能指标要求。

3.2 功能试验

该试验在车辆AW0载荷状态下进行。高速断路器的接通与分断通过完成一次合主断及分主断的过程即可实现。通过试验，高速断路器、短接接触器、充电接触器以及隔离接触器能根据指令正常的吸合/分断，且不报故障。

3.3 加速性能试验

根据技术规格书要求，牵引性能要求为半磨耗轮径Φ805 mm（新轮为Φ840 mm，需要折算）、载荷AW2干燥清洁平直道线路及额定电压1 500 V情况下，平均加速度应满足平均加速度（0～40 km·h-1）≥1.0 m·s-2和平均加速度（0 ～ 80 km·h-1）≥ 0.6 m·s-2。

为了对列车性能进行充分验证，试验分别在AW0载荷工况、AW2载荷工况、AW3载荷条件下，新轮Φ840 mm工况下进行测试，结果如表6所示。

表6 AW0/AW2/AW3载荷下平均加速度

根据技术规格书要求，取表6中AW2载荷下上行和下行数据的平均，换算成半磨耗轮径Φ805 mm，则0～ 40 km·h-1平均加速度为 1.06 m·s-2，0 ～ 80 km·h-1平均加速度为0.88 m·s-2，试验通过。

3.4 电制动性能试验

根据技术规格书要求，电制动性能要求列车在半磨耗轮径Φ805 mm（新轮为Φ840 mm，需要折算）、载荷AW2干燥清洁平直道线路及额定电压1 500 V情况下，应满足平均减速度（0～80 km·h-1）≥1.0 m·s-2。试验分别在载荷AW0/AW2负载条件下，新轮Φ840 mm工况下执行。

AW2载荷下，换算成半磨耗轮径Φ805 mm，80～0 km·h-1平均减速度值为1.09 m·s-2，试验通过。测试结果如表7所示。

表7 AW0/AW2载荷下平均减速度

3.5 空转/滑行性能试验

为验证永磁同步牵引系统空转/滑行保护及粘着利用效率，通过在列车导轮前面的钢轨表面喷洒按UIC541-05规定的液体，检查防空转/滑行系统的性能。试验过程中可改变防空转/滑行系统的灵敏度，以得到最佳性能。如图2和图3所示，80 km·h-1防空转粘着利用效率为95.7%，80 km·h-1防滑粘着利用效率为88.8%。可见，永磁同步牵引系统防空转、滑行效率均大于80%，满足技术规格书要求。

3.6 牵引电机轴电压试验

当牵引电机由电压型变频器供电运行时，会存在一个特定的轴承电流源，即电动机转轴上感应出一定的轴电压。当轴电压形成导电回路后将产生轴承电流，而轴承中有电流存在是轴承发生电腐蚀的重要因素。为了减少电机轴承电腐蚀的风险，针对永磁同步牵引系统特别进行了轴电压测试。试验时，车辆以100%牵引加速至40 km·h-1，牵引手柄回“零”位，惰行1～3 s后以100%常用制动减速到0 km·h-1。如图7所示，轴电压最大值小于50 V，相对较低，轴承电腐蚀风险相对较小。

图2 80 km·h-1防空转粘着利用效率

图3 80 km·h-1防滑粘着利用效率

图4 动车牵引电机轴端电压曲线

3.7 整车能耗试验

考虑到长沙5号线与长沙1号线永磁牵引列车整车参数基本一致，未对长沙5号线列车进行单独的能耗测试。为了验证永磁同步牵引系统节能特性，2017年10月9—19日，委托国家铁路产品质量监督检验中心对长沙1号线永磁与异步牵引列车进行了能耗对比测量试验，选取一列（T23）永磁同步牵引系统列车和两列（T0412）异步牵引系统列车进行能耗测量。在地面能馈装置开启的工况下，永磁同步牵引列车综合节能率超过30%，具体测量数据如表8所示。

表8 永磁与异步牵引列车非工作日正常运营能耗对比（地面能馈装置开启）

4 结语

随着我国轨道交通行业对节能和环保的要求越来越高，异步牵引系统的节能空间已相对不大。因采用永磁体进行转子励磁，永磁同步牵引电机具有体积小和功率密度大的特点，顺应了轨道交通车辆装备小型化和轻量化的总体需求。永磁牵引系统推广应用的经济效益和社会效益较为显著，大批量应用推广意义重大。经过多年研究和验证，永磁牵引系统已在长沙地铁实现了从1号线小批量装车验证到5号线全线批量装车上线运营。5号线永磁同步牵引系统列车自2020年6月28日上线运营以来，单列车最大安全运营里程已超1.2×105km，技术方案成熟、可靠，进一步丰富了的运用维护经验，为永磁同步牵引系统在轨道交通领域进一步批量推广应用提供了良好示范及深远影响。