高速列车永磁同步牵引系统

高速列车永磁同步牵引系统

概述牵引系统被认为高速动车组等轨道交通车辆的“心脏〞，是高速列车动力的关键来源。其性能在某种程度上决定了轨道交通车辆的动力品质、能耗和控制特性，是轨道交通车辆节能升级的关键部件。世界轨道交通车辆牵引系统技术，经历了直流系统、交流系统、永磁系统三大阶段。从全球来看，永磁同步牵引系统因其高效率、高功率密度等显著优势，正逐步取代传统的异步牵引系统成为下一代列车牵引系统主流研制方向。世界形势

在德、日、法等高铁大国，永磁同步传动系统已经应用到了高速动车组、地铁车辆、低地板车辆、单轨车以及机车调车等领域，大多完成了样机的开发和实际线路的考核，在某些场合正逐步进行小批量应用。虽然法、德、日等国家都在进行永磁牵引系统的研制，但一直对华实现技术封锁，中国永磁在轨道交通上的研发虽然起步较晚，但目前已经逐渐追赶上国外先进水平。目前，西门子、庞巴迪等国际设备制造商均将永磁牵引系统作为其研发方向。我国开展2021年11月由中国南车株洲所研制的3.0版“高铁动力〞——高速列车永磁同步牵引系统成功通过国家铁道检测试验中心的地面试验考核，即将装备到高速列车。2021年1月12日由中国南车株洲所研制的我国首套“永磁高铁〞同步牵引系统近日完成首次轨道运行，并顺利通过中国铁路总公司的试运行评审。这是我国“永磁高铁〞的首秀，标志着我国成为世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家之一。技术简介高速列车永磁同步牵引系统包含牵引变流器、网络控制系统、永磁同步牵引电动机等。其中，该所自主研发的jd188型大功率永磁同步牵引电动机的额定功率到达690千瓦，是目前国内轨道交通领域最大功率的永磁同步牵引电动机。与传统的异步电动机相比，永磁同步牵引电动机具有转速稳、效率高、体积小、重量轻、噪声低、可靠性高等特点，节能可达10%以上。比方，一辆原来需要6动2拖的列车，在采用永磁同步牵引系统后，可以采用4动4拖，从而节省2辆动车的牵引系统本钱。技术简介永磁同步电机牵引系统是列车的动力系统，由变流器和电机两大局部组成，其中变流器相当于列车的心脏，电机好比是列车的肌肉，电机主要负责传达动力，完成电能到机械能转变，带动列车平稳行驶。永磁同步电动机的组成局部：定子、永久磁钢转子、位置传感器、电子换向开关等。对于转子直流励磁的同步电动机，假设采用永磁体取代其转子直流绕组那么相应的同步电动机就成为永磁同步电动机。按照永磁体结构分类：外表永磁同步电动机〔SPMSM〕、内置式永磁同步电动机〔IPMSM〕技术优势一、牵引车减少至少省电10%虽然目前单个的高铁用永磁电机本钱比现在普遍服役的交流异步电机本钱增加约10%，不过由于永磁电机具有高功率密度的特点，通过节省动拖比〔即指一列固定编组的列车中，动力车与无动力车的比例〕，比方一辆原来需要6动2拖的列车，在装备了永磁电机后，只需要采用4动4拖就可以，其节省的2辆动车的牵引系统本钱会使得安装永磁电机的整列车牵引系统本钱反而降低20%，另一方面可以利用永磁电机高效率特点，提高列车牵引效率，节省大量电能，降低列车的全寿命周期本钱。技术优势由于永磁发电机的功率可以比异步电机更大，所以在整个车跑起来的时候，电机要求的数量更少了，如果保持同样的动拖比，将提升整车的牵引能力。一般来说，牵引系统能耗约占轨道交通系统总能耗的40%至50%。根据南车方面提供的数据称，在沈阳地铁测量中，永磁同步牵引系统相比于异步牵引系统可实现节能9.61%。经测算，目前地铁运营统计的数据是一列车平均每公里耗能为13度，按一列车每天平均跑250公里，一条线按20列车进行计算，那么一条线一天耗能为65000度，如果电费按照0.85元/度电进行计算，如果2021年全国规划建设的96条轨道交通线路全部采用永磁同步牵引系统，那么每年新线运营能耗将节约1.92亿元。技术优势二、电机全封闭噪音低维护少永磁电机与异步电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。异步电机需要从定子侧吸收无功电流来建立磁场，用于励磁的无功电流导致了损耗的增加，降低了电机效率和功率因数，所以永磁电机比异步电机要节能。技术优势由于为了通风冷却，地铁用异步发电机是将线圈暴露在外的，需要定期将每台电机的滤网进行一次清洁，如果不清洁，滤网堵塞会影响电机的散热。而永磁发电机那么使用全封闭式设计，更加平安可靠，此次株洲所研发的永磁发电机其绝缘技术结合了大功率机车和高铁牵引电机绝缘结构的优点，具有更高的绝缘可靠性，而全新的封闭式通风设计，那么有效确保电机内部冷却系统清洁干净，相对异步牵引电机维护更少，噪音低。由于永磁牵引电机结构和电磁方面的特点，其在地铁现场应用过程中在低速时系统噪音明显比异步电机低。整个系统噪音大概降低了3分贝左右。没有滤网清洁这样繁琐的工作，系统的寿命周期本钱也大大地降低了。永磁地铁在通过评审后，中国首列“永磁地铁〞已在长沙地铁1号线正式投入载客运营。这是中国首列具备载客运营资质的自主化“永磁地铁〞，开启了中国城市轨道交通的“永磁时代〞，其综合节能率高达三成以上。据中车时代电气技术专家介绍，与普通地铁列车相比，永磁牵引系统列车的电机更加高效、功率密度更高，综合节能达30%。以长沙地铁为例，如果采用永磁牵引系统，每年可节省550万元电费。另外，由于永磁牵引系统的再生效率更高，反响回电网的能量更多，如能充分吸收利用，那么综合节能效果更佳。永磁地铁随着首列自主化“永磁地铁〞投入使用，中国城市轨道交通装备的国际竞争力也显著增强，将给未来城市轨道交通带来良好的经济和社会效益。因具有更加高效节能、更加轻量化和更低全寿命周期本钱等优点，永磁牵引系统被认为是下一代轨道交通列车牵引系统。此前，阿尔斯通、庞巴迪等国际巨头生产的轨道交通永磁列车已在法国、日本等国成功商业化。技术前景近几年随着国内稀土材料价格下降，让永磁体价格也随之下降，大大降低永磁牵引系统本钱，而目前国外几个大厂家一直希望到中国国内寻找永磁材料供给商，以降低本钱。就海外市场而言，直到2021年7月，日本东芝才宣布首次获得海外地铁市场永磁同步牵引系统大单：新加坡66列396辆改造车永磁同步牵引系统订单。未来的某些轨道交通将会去掉齿轮箱，采用直接驱动的方式进行驱动，从而给轨道交通牵引系统带来革命性的变化。由于轨道交通对体积、重量和空间限制很高，从目前技术状态来说，异步电机无法做到直接驱动，目前只有永磁电机可以做到这一点。高铁未来参照永磁地铁的商业化进程，永磁高铁的商业化预计最快3年内能达成。而届时永磁高铁的市场规模将非常可观：以2021年前后国内将建设96条城市轨道交通线路，一条线按20列6辆编组，每辆机车100万元进行计算，一条线路永磁同步牵引系统将产生1.2亿元的产值。如果96条线路全部采用永磁同步牵引系统，预期的产值将到达115亿元。