高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)

高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)

概述牽引系統(tǒng)被認(rèn)為高速動車組等軌道交通車輛的“心臟〞，是高速列車動力的關(guān)鍵來源。其性能在某種程度上決定了軌道交通車輛的動力品質(zhì)、能耗和控制特性，是軌道交通車輛節(jié)能升級的關(guān)鍵部件。世界軌道交通車輛牽引系統(tǒng)技術(shù)，經(jīng)歷了直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)、永磁系統(tǒng)三大階段。從全球來看，永磁同步牽引系統(tǒng)因其高效率、高功率密度等顯著優(yōu)勢，正逐步取代傳統(tǒng)的異步牽引系統(tǒng)成為下一代列車牽引系統(tǒng)主流研制方向。世界形勢

在德、日、法等高鐵大國，永磁同步傳動系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用到了高速動車組、地鐵車輛、低地板車輛、單軌車以及機(jī)車調(diào)車等領(lǐng)域，大多完成了樣機(jī)的開發(fā)和實(shí)際線路的考核，在某些場合正逐步進(jìn)行小批量應(yīng)用。雖然法、德、日等國家都在進(jìn)行永磁牽引系統(tǒng)的研制，但一直對華實(shí)現(xiàn)技術(shù)封鎖，中國永磁在軌道交通上的研發(fā)雖然起步較晚，但目前已經(jīng)逐漸追趕上國外先進(jìn)水平。目前，西門子、龐巴迪等國際設(shè)備制造商均將永磁牽引系統(tǒng)作為其研發(fā)方向。我國開展2021年11月由中國南車株洲所研制的3.0版“高鐵動力〞——高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)成功通過國家鐵道檢測試驗(yàn)中心的地面試驗(yàn)考核，即將裝備到高速列車。2021年1月12日由中國南車株洲所研制的我國首套“永磁高鐵〞同步牽引系統(tǒng)近日完成首次軌道運(yùn)行，并順利通過中國鐵路總公司的試運(yùn)行評審。這是我國“永磁高鐵〞的首秀，標(biāo)志著我國成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。技術(shù)簡介高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)包含牽引變流器、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、永磁同步牽引電動機(jī)等。其中，該所自主研發(fā)的jd188型大功率永磁同步牽引電動機(jī)的額定功率到達(dá)690千瓦，是目前國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域最大功率的永磁同步牽引電動機(jī)。與傳統(tǒng)的異步電動機(jī)相比，永磁同步牽引電動機(jī)具有轉(zhuǎn)速穩(wěn)、效率高、體積小、重量輕、噪聲低、可靠性高等特點(diǎn)，節(jié)能可達(dá)10%以上。比方，一輛原來需要6動2拖的列車，在采用永磁同步牽引系統(tǒng)后，可以采用4動4拖，從而節(jié)省2輛動車的牽引系統(tǒng)本錢。技術(shù)簡介永磁同步電機(jī)牽引系統(tǒng)是列車的動力系統(tǒng)，由變流器和電機(jī)兩大局部組成，其中變流器相當(dāng)于列車的心臟，電機(jī)好比是列車的肌肉，電機(jī)主要負(fù)責(zé)傳達(dá)動力，完成電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)變，帶動列車平穩(wěn)行駛。永磁同步電動機(jī)的組成局部：定子、永久磁鋼轉(zhuǎn)子、位置傳感器、電子換向開關(guān)等。對于轉(zhuǎn)子直流勵磁的同步電動機(jī)，假設(shè)采用永磁體取代其轉(zhuǎn)子直流繞組那么相應(yīng)的同步電動機(jī)就成為永磁同步電動機(jī)。按照永磁體結(jié)構(gòu)分類：外表永磁同步電動機(jī)〔SPMSM〕、內(nèi)置式永磁同步電動機(jī)〔IPMSM〕技術(shù)優(yōu)勢一、牽引車減少至少省電10%雖然目前單個(gè)的高鐵用永磁電機(jī)本錢比現(xiàn)在普遍服役的交流異步電機(jī)本錢增加約10%，不過由于永磁電機(jī)具有高功率密度的特點(diǎn)，通過節(jié)省動拖比〔即指一列固定編組的列車中，動力車與無動力車的比例〕，比方一輛原來需要6動2拖的列車，在裝備了永磁電機(jī)后，只需要采用4動4拖就可以，其節(jié)省的2輛動車的牽引系統(tǒng)本錢會使得安裝永磁電機(jī)的整列車牽引系統(tǒng)本錢反而降低20%，另一方面可以利用永磁電機(jī)高效率特點(diǎn)，提高列車牽引效率，節(jié)省大量電能，降低列車的全壽命周期本錢。技術(shù)優(yōu)勢由于永磁發(fā)電機(jī)的功率可以比異步電機(jī)更大，所以在整個(gè)車跑起來的時(shí)候，電機(jī)要求的數(shù)量更少了，如果保持同樣的動拖比，將提升整車的牽引能力。一般來說，牽引系統(tǒng)能耗約占軌道交通系統(tǒng)總能耗的40%至50%。根據(jù)南車方面提供的數(shù)據(jù)稱，在沈陽地鐵測量中，永磁同步牽引系統(tǒng)相比于異步牽引系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能9.61%。經(jīng)測算，目前地鐵運(yùn)營統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)是一列車平均每公里耗能為13度，按一列車每天平均跑250公里，一條線按20列車進(jìn)行計(jì)算，那么一條線一天耗能為65000度，如果電費(fèi)按照0.85元/度電進(jìn)行計(jì)算，如果2021年全國規(guī)劃建設(shè)的96條軌道交通線路全部采用永磁同步牽引系統(tǒng)，那么每年新線運(yùn)營能耗將節(jié)約1.92億元。技術(shù)優(yōu)勢二、電機(jī)全封閉噪音低維護(hù)少永磁電機(jī)與異步電機(jī)的最大區(qū)別在于它的勵磁磁場是由永磁體產(chǎn)生的。異步電機(jī)需要從定子側(cè)吸收無功電流來建立磁場，用于勵磁的無功電流導(dǎo)致了損耗的增加，降低了電機(jī)效率和功率因數(shù)，所以永磁電機(jī)比異步電機(jī)要節(jié)能。技術(shù)優(yōu)勢由于為了通風(fēng)冷卻，地鐵用異步發(fā)電機(jī)是將線圈暴露在外的，需要定期將每臺電機(jī)的濾網(wǎng)進(jìn)行一次清潔，如果不清潔，濾網(wǎng)堵塞會影響電機(jī)的散熱。而永磁發(fā)電機(jī)那么使用全封閉式設(shè)計(jì)，更加平安可靠，此次株洲所研發(fā)的永磁發(fā)電機(jī)其絕緣技術(shù)結(jié)合了大功率機(jī)車和高鐵牽引電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，具有更高的絕緣可靠性，而全新的封閉式通風(fēng)設(shè)計(jì)，那么有效確保電機(jī)內(nèi)部冷卻系統(tǒng)清潔干凈，相對異步牽引電機(jī)維護(hù)更少，噪音低。由于永磁牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)和電磁方面的特點(diǎn)，其在地鐵現(xiàn)場應(yīng)用過程中在低速時(shí)系統(tǒng)噪音明顯比異步電機(jī)低。整個(gè)系統(tǒng)噪音大概降低了3分貝左右。沒有濾網(wǎng)清潔這樣繁瑣的工作，系統(tǒng)的壽命周期本錢也大大地降低了。永磁地鐵在通過評審后，中國首列“永磁地鐵〞已在長沙地鐵1號線正式投入載客運(yùn)營。這是中國首列具備載客運(yùn)營資質(zhì)的自主化“永磁地鐵〞，開啟了中國城市軌道交通的“永磁時(shí)代〞，其綜合節(jié)能率高達(dá)三成以上。據(jù)中車時(shí)代電氣技術(shù)專家介紹，與普通地鐵列車相比，永磁牽引系統(tǒng)列車的電機(jī)更加高效、功率密度更高，綜合節(jié)能達(dá)30%。以長沙地鐵為例，如果采用永磁牽引系統(tǒng)，每年可節(jié)省550萬元電費(fèi)。另外，由于永磁牽引系統(tǒng)的再生效率更高，反響回電網(wǎng)的能量更多，如能充分吸收利用，那么綜合節(jié)能效果更佳。永磁地鐵隨著首列自主化“永磁地鐵〞投入使用，中國城市軌道交通裝備的國際競爭力也顯著增強(qiáng)，將給未來城市軌道交通帶來良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。因具有更加高效節(jié)能、更加輕量化和更低全壽命周期本錢等優(yōu)點(diǎn)，永磁牽引系統(tǒng)被認(rèn)為是下一代軌道交通列車牽引系統(tǒng)。此前，阿爾斯通、龐巴迪等國際巨頭生產(chǎn)的軌道交通永磁列車已在法國、日本等國成功商業(yè)化。技術(shù)前景近幾年隨著國內(nèi)稀土材料價(jià)格下降，讓永磁體價(jià)格也隨之下降，大大降低永磁牽引系統(tǒng)本錢，而目前國外幾個(gè)大廠家一直希望到中國國內(nèi)尋找永磁材料供給商，以降低本錢。就海外市場而言，直到2021年7月，日本東芝才宣布首次獲得海外地鐵市場永磁同步牽引系統(tǒng)大單：新加坡66列396輛改造車永磁同步牽引系統(tǒng)訂單。未來的某些軌道交通將會去掉齒輪箱，采用直接驅(qū)動的方式進(jìn)行驅(qū)動，從而給軌道交通牽引系統(tǒng)帶來革命性的變化。由于軌道交通對體積、重量和空間限制很高，從目前技術(shù)狀態(tài)來說，異步電機(jī)無法做到直接驅(qū)動，目前只有永磁電機(jī)可以做到這一點(diǎn)。高鐵未來參照永磁地鐵的商業(yè)化進(jìn)程，永磁高鐵的商業(yè)化預(yù)計(jì)最快3年內(nèi)能達(dá)成。而屆時(shí)永磁高鐵的市場規(guī)模將非?？捎^：以2021年前后國內(nèi)將建設(shè)96條城市軌道交通線路，一條線按20列6輛編組，每輛機(jī)車100萬元進(jìn)行計(jì)算，一條線路永磁同步牽引系統(tǒng)將產(chǎn)生1.2億元的產(chǎn)值。如果96條線路全部采用永磁同步牽引系統(tǒng)，預(yù)期的產(chǎn)值將到達(dá)115億元。