新技術在城市軌道交通牽引設備的應用和發展趨勢

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新技術在城市軌道交通牽引設備的應用和發展趨勢隨着時代的進步，新技術的不斷湧現，各行各業的自動化程度不斷提高。在國家大力倡導綠色出行的背景下，軌道交通行業由於其特有的安全、準時、舒適、節能、環保等諸多優點，正迅速發展。作為車輛核心系統，牽引系統也隨着行業發展的大潮不斷更新迭代，目前國內城市軌道交通牽引系統技術已經完全跨越前兩代牽引系統，向着新的技術高度邁進。

目錄

關鍵詞

軌道交通；牽引逆變器；感應電機；永磁電機；直接

城市軌道交通系統包含如下九大系統：（1）線路（2）供電（3）車輛（4）通訊（5）信號（6）通風、空調與採暖（7）給排水及消防（8）綜合監控（9）車站設備。車輛作為九大系統的核心，承擔運輸職能，其它系統圍繞着車輛運營進行各種支持和保障。牽引系統作為車輛的核心系統，為車輛運行提供動力，理所當然成為核心的核心。

作為「重中之重」，軌道交通牽引系統的技術發展經歷了三代更迭：

第一代：蒸汽機牽引。使用蒸汽機作為牽引動力，特點：效率低、空氣污染。此種地鐵牽引在世界範圍內已經完全淘汰。

第二代：直流牽引。使用有刷直流電機+晶閘管斬波調阻方式牽引，特點：效率低、可靠性差、壽命低、調速範圍窄。第二代地鐵牽引技術只有在極少數地區的舊車上還在使用，很快將被新技術完全取代。

第三代：交流感應電機牽引。使用交流異步牽引電機+GTO或IGBT器件的牽引變流器，特點：相對上一代牽引更高效、穩定、長壽命、調速範圍寬。第三代牽引是全球範圍內使用最為廣泛的技術。技術的發展不會因為行業廣泛採用成熟產品而停滯不前。第三代技術在使用中也暴露了諸多問題：

（1）IGBT半導體器件耐溫、耐壓、耐衝擊能力弱，其工作頻率在一定基礎上很難再提高；

（2）交流感應牽引電機高效工作區域小，額定效率達到瓶頸，目前行業內感應牽引電機額定工作點效率不超過94%；

（3）傳統感應牽引電機採用強迫風冷或自通風冷卻，運轉時會產生很大的氣動噪音，以自通風冷卻牽引電機為例，在轉速達到額定轉速情況下，噪音等級普遍超過110dB；

（4）感應電機由於自身特性，鼠籠式轉子必須有外部電源感應勵磁，當供電消失時，無法實現電制動；

（5）傳統的列車牽引控制採用電平信號、Can-Open網絡、MVB列車網絡接收牽引指令，由於介質的帶寬和傳輸速率的限制，無法實現海量運行狀態數據上傳、故障診斷與維修；

（6）系統日常維護占用大量人力資源。匯川技術有限公司旗下子公司江蘇經緯軌道交通設備有限公司專業從事軌道交通牽引設備研發、設計、製造，在用新技術引領行業進步的理念下，針對第三代技術暴露的典型問題，進行了深入研究，大膽進行技術創新和嘗試。以蘇州地鐵3號線為載體，研發了全新一代的牽引系統，解決了上述問題。該牽引系統採用了如下三項新技術：

1　全SiC半導體器件替代傳統的IGBT半導體功率器件

兩種半導體主要參數對比

全SiC功率器件具備高開關頻率、低損耗、耐衝擊的特點，因此，牽引變流器功率單元損耗相對於第三代IGBT功率器件降低80%以上，相應的散熱器等冷卻系統的器件和材料體積都相應減少，變流器效率提高5%以上，變流器可靠性提高20%以上。逆變器輸出波形對比。

另外，高頻化輸出經過濾波後，可以實現第三代牽引系統無法實現的正弦波驅動，電機側電源沒有諧波輸入，電機的發熱降低15%~25%，電機因此可以實現自然冷卻（列車走行風冷）。

永磁牽引系統採用1台變流器拖動1台電機的方式驅動，相對於感應牽引系統冗餘性更高。一旦其中一個功率單元故障，其它三個功率單元依舊可以正常工作。

2　走行風冷交流永磁直驅牽引電機

永磁電機和感應電機轉子結構對比

兩種轉子採用完全不同的工藝：永磁電機轉子表面採用特殊固定、除濕、絕緣、充磁處理工藝，保證30年壽命期內無結構損傷、不需額外充磁；鼠籠式轉子需要採用感應釺焊工藝將導條和端環焊接到一起。直接驅動和間接驅動對比（如圖7、8所示）：

直接驅動方式電機的轉子和車軸加工裝配成一體式結構；間接驅動必須和齒輪箱、彈性聯軸器配合使用實現牽引。直接驅動方式取消了齒輪箱和聯軸器，降低了輔助傳動設備的採購成本。直接驅動採用正弦波牽引，電源無諧波輸入，加之永磁電機轉子不存在感應電機的轉子銅耗，因而電機整體發熱降低，車輛的走行風即可滿足冷卻要求。間接驅動的感應電機採用自通風冷卻，其額定點噪聲達到114dB，防護等級相對較低（IP22），而永磁牽引電機額定點噪聲小於80dB，防護等級可以達到IP55。

3 牽引控制器硬件裝備雙歸屬列車以太網接口，軟件功能實現智能診斷系統與維修

由於採用了雙歸屬實時以太網接口，列車牽引系統得以實現以下功能：

（1）對各牽引系統的海量運行數據得以上傳，例如：基本運行狀態、主要變量數值、故障報警信息等；

（2）可對數據進行多維度的分析查詢，為地鐵運行方案定製提供豐富的數據參考；

（3）在監控中心通過服務器遠程可以監控數據龐大的終端設備；

（4）系統自帶的智能分析與診斷系統可以根據海量數據的分析和評估，提示臨界損壞器件和壽命末期物料的更換，監控、提示和報警可以減少人工參與，節省了人力成本。

採用了上述三種新技術的牽引系統已經和第三代牽引系統有了質的區別，我們將其稱為第四代牽引系統。表2將第四代牽引系統和第三代牽引系統的主要考察項點進行對比：

通過對比，第四代牽引系統相對於第三代牽引系統具備如下特點：廣域高效、高功率因數、高功率密度、高冗餘性、高防護等級、低噪音、易維護。未來的軌道交通牽引系統必然將向着更安全（人員安全、設備安全、環境安全），更舒適（乘坐舒適、操作舒適、管理舒適），更高效（省人、省時、省力、省料、省錢），更節能（提效、降耗、循環再利用），以及網絡化（線路網絡化、監控網絡化、設備網絡化）和智能化（運營智能化、診斷智能化、維修智能化）方向發展，採用新技術的第四代牽引系統為實現上述目標做了十分有益的嘗試，相信在不久的將來，成熟的第四代牽引系統將在軌道交通領域開拓屬於自己的一方天地。