摘要：近年来，城市轨道交通发展迅猛，截至2017年末，中国内地（不含港澳台地区）共计34个城市开通城市轨道交通并投入运营，开通线路165条，运营线路长度达到5033公里。
永磁直驱牵引电机由于其高效节能的特点符合轨道交通节能减排的新需求，特别是永磁直驱牵引系统由于取消了齿轮箱、联轴节，降低了车重，可以进一步提升系统整体效率，降低运营以及维护成本，具有一定的前景。
基于苏州轨道交通3号线，通过对永磁直驱牵引系统列车（以下简称“永磁列车”）和普通三相异步电机牵引系统列车（以下简称“异步列车”）的列车配置、电机性能进行对比，同时进行全线往返的牵引仿真计算，并对计算结果进行比较。该结果对于永磁直驱牵引系统的应用具有一定的参考意义。
关键词：城市轨道交通车辆；牵引系统；永磁直驱电机；三相异步电机；牵引计算；节能运营
引言
本文通过对苏州轨道交通3号线永磁直列车和异步列车的列车配置、电机性能等方面进行比较，并在苏州3号线线路上进行一次往返牵引性能计算。该计算模拟了额定载荷（AW2）、额定网压工况下的列车，按照最高运行速度80km/h在线路上运行，计算牵引能耗、再生能量，并对具体进行比较分析。该计算对于永磁直驱列车的应用具有一定参考意义。
1 列车配置
永磁列车和异步列车均由2个单元组成，每个单元包括：一辆带司机室的拖车（Tc车）、一辆带受电弓的动车（Mp车）、以及一辆动车（M车）。采用受电弓受电的方式，额定电压1500V，最高持续网压1800V，最小持续网压1000V。
1.1 高压回路器件配置
永磁列车和异步列车的高压主回路配置基本一，包括受电弓、避雷器、高速断路器、隔离开关、车间电源、牵引逆变器、辅助逆变器、制动电阻、接地装置等。不同点在于，永磁列车不需要配置齿轮箱和联轴节，采用1C1M的控制方式。
1.2 列车车重对比
永磁列车与异步列车对比，虽然永磁直驱电机的重量有所增加（详见2.1~2.2），但是由于取消了齿轮箱和联轴节，因此永磁列车比异步列车的重量要轻。列车的轻量化意味着可以用更小的牵引力达到目标加速度，也具有节能的作用。
异步列车和永磁列车车重信息（AW0和AW2）如下：
表格 1列车车重信息
2 牵引电机对比
2.1 异步电机
异步电机为鼠笼式、4极、开放式、自通风的电机，是专门为轨道车辆车轴独立牵引而设计，满足IEC 60349-2：《电力牵引-铁路与道路车辆用旋转电机第2部分：电子变流器供电的交流电动机》的技术要求。主要技术参数如下：
极数（两对） 4
相数 3
最大运行速度（按车轮直径0.77m，速度80km/h计算）3500RPM
IP防护等级 IP20
冷却方式 IC01
绕组连线形式 Y
绝缘等级 200
耐压试验（50 Hz；60 sec） 4900V
重量 590kg±5%
噪声限度满足标准 IEC 60349-2：附录C
额定功率 190kW
工作制类型（根据IEC50（411）） S1
线间电压 3x920VAC
额定转速 1800rpm
额定电流 153A
频率 61 Hz
2.2 永磁直驱电机
永磁直驱电机为同步、极数12极、封闭式、自然冷却电机，该牵引电动机是专为地铁车辆设计，满足IEC 60349-4：《电力牵引-轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机第4部分：与电子变流器相连的永磁同步电机》的要求。
每个电机的额定功率是150kW，以直驱抱轴的方式安装在车轴上，用于驱动转向架上的一个轴。不需要再安装齿轮箱及联轴节，实现了车辆轻量化的目的。
利用碳化硅（SiC）具有的高开关频率的性能，在输出端设有正线滤波器，使得牵引逆变器可直接输出几乎不含谐波的正弦电压，使得电机可以实现自然冷却。
主要技术参数如下：
极数（两对） 6
相数 3
最大运行速度（按车轮直径0.67m，速度80km/h计算）713RPM
IP防护等级 IP55
冷却方式 IC40
绕组连线形式 Y
绝缘等级 180
耐压试验（50 Hz；60 sec） 4900V
重量 830kg±5%
噪声限度满足标准 IEC 60349-2：附录C
额定功率 150kW
工作制类型（根据IEC50（411）） S1
线间电压 3x776.7VAC
额定转速 325rpm
额定电流 176A
频率 29 Hz
2.3 效率对比
在热态（150℃/130℃）工况下，永磁直驱电机与异步电机的效率、力矩对比如下：
图片 1 热态工况对比
从对比图中可看出，在高速阶段，永磁直驱电机的效率优势非常明显。电机效率的提升，能够有效地减少损耗、降低电流，从而提升整个系统的效率，实现节能目的。
3 牵引计算对比
表格 2 能耗对比
在AW2载荷、额定网压工况下，使用全牵引模式直到加速到最大速度，保持最大速度直到接收到制动指令并停车，停站时间按照合同要求的30s执行。分别针对永磁列车和异步列车进行全线往返牵引计算。此时，牵引/电制动力vs速度的设定值已经设定成能够满足一致的加/减速度要求。该结果就是使得不管车重如何，运行速度和运行时间都能保持一致。只有在这种情况下，能耗对比才有意义。最终的全线往返仿真计算结果如下：
由仿真结果可知，在同样条件下，完成一趟往返运行的AW2载荷列车，永磁列车比异步列车最大牵引消耗能量约减少133.9kWh，虽然最大可再生能量也减少约59.86kWh，但是整体来说节能约7%~9%。
考虑15万公里/年的运行里程，在额定载荷及该运行模式的条件下，永磁列车和异步列车相比，每年预期节约能量约100800kWh至191200kWh之间。
4 结论
本文通过对苏州轨道交通3号线永磁直列车和异步列车的列车配置、电机性能以及相同工况下往返运行牵引计算进行了对比。根据对比结果可知，永磁直驱列车与异步列车相比，可节能7%~9%之间，该结果对于永磁列车的应用具有一定的参考意义。同时，也能反映出永磁列车由于其高效节能的特点符合轨道交通节能减排的新需求，提升了系统整体效率，降低运营以及维护成本，具有一定的发展前景。
论文作者:李夏威
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
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