新技术在城市轨道交通牵引设备的应用和发展趋势

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新技术在城市轨道交通牵引设备的应用和发展趋势随着时代的进步，新技术的不断涌现，各行各业的自动化程度不断提高。在国家大力倡导绿色出行的背景下，轨道交通行业由于其特有的安全、准时、舒适、节能、环保等诸多优点，正迅速发展。作为车辆核心系统，牵引系统也随着行业发展的大潮不断更新迭代，目前国内城市轨道交通牵引系统技术已经完全跨越前两代牵引系统，向着新的技术高度迈进。

目录

关键词

轨道交通；牵引逆变器；感应电机；永磁电机；直接

城市轨道交通系统包含如下九大系统：（1）线路（2）供电（3）车辆（4）通讯（5）信号（6）通风、空调与采暖（7）给排水及消防（8）综合监控（9）车站设备。车辆作为九大系统的核心，承担运输职能，其它系统围绕着车辆运营进行各种支持和保障。牵引系统作为车辆的核心系统，为车辆运行提供动力，理所当然成为核心的核心。

作为“重中之重”，轨道交通牵引系统的技术发展经历了三代更迭：

第一代：蒸汽机牵引。使用蒸汽机作为牵引动力，特点：效率低、空气污染。此种地铁牵引在世界范围内已经完全淘汰。

第二代：直流牵引。使用有刷直流电机+晶闸管斩波调阻方式牵引，特点：效率低、可靠性差、寿命低、调速范围窄。第二代地铁牵引技术只有在极少数地区的旧车上还在使用，很快将被新技术完全取代。

第三代：交流感应电机牵引。使用交流异步牵引电机+GTO或IGBT器件的牵引变流器，特点：相对上一代牵引更高效、稳定、长寿命、调速范围宽。第三代牵引是全球范围内使用最为广泛的技术。技术的发展不会因为行业广泛采用成熟产品而停滞不前。第三代技术在使用中也暴露了诸多问题：

（1）IGBT半导体器件耐温、耐压、耐冲击能力弱，其工作频率在一定基础上很难再提高；

（2）交流感应牵引电机高效工作区域小，额定效率达到瓶颈，目前行业内感应牵引电机额定工作点效率不超过94%；

（3）传统感应牵引电机采用强迫风冷或自通风冷却，运转时会产生很大的气动噪音，以自通风冷却牵引电机为例，在转速达到额定转速情况下，噪音等级普遍超过110dB；

（4）感应电机由于自身特性，鼠笼式转子必须有外部电源感应励磁，当供电消失时，无法实现电制动；

（5）传统的列车牵引控制采用电平信号、Can-Open网络、MVB列车网络接收牵引指令，由于介质的带宽和传输速率的限制，无法实现海量运行状态数据上传、故障诊断与维修；

（6）系统日常维护占用大量人力资源。汇川技术有限公司旗下子公司江苏经纬轨道交通设备有限公司专业从事轨道交通牵引设备研发、设计、制造，在用新技术引领行业进步的理念下，针对第三代技术暴露的典型问题，进行了深入研究，大胆进行技术创新和尝试。以苏州地铁3号线为载体，研发了全新一代的牵引系统，解决了上述问题。该牵引系统采用了如下三项新技术：

1　全SiC半导体器件替代传统的IGBT半导体功率器件

两种半导体主要参数对比

全SiC功率器件具备高开关频率、低损耗、耐冲击的特点，因此，牵引变流器功率单元损耗相对于第三代IGBT功率器件降低80%以上，相应的散热器等冷却系统的器件和材料体积都相应减少，变流器效率提高5%以上，变流器可靠性提高20%以上。逆变器输出波形对比。

另外，高频化输出经过滤波后，可以实现第三代牵引系统无法实现的正弦波驱动，电机侧电源没有谐波输入，电机的发热降低15%~25%，电机因此可以实现自然冷却（列车走行风冷）。

永磁牵引系统采用1台变流器拖动1台电机的方式驱动，相对于感应牵引系统冗余性更高。一旦其中一个功率单元故障，其它三个功率单元依旧可以正常工作。

2　走行风冷交流永磁直驱牵引电机

永磁电机和感应电机转子结构对比

两种转子采用完全不同的工艺：永磁电机转子表面采用特殊固定、除湿、绝缘、充磁处理工艺，保证30年寿命期内无结构损伤、不需额外充磁；鼠笼式转子需要采用感应钎焊工艺将导条和端环焊接到一起。直接驱动和间接驱动对比（如图7、8所示）：

直接驱动方式电机的转子和车轴加工装配成一体式结构；间接驱动必须和齿轮箱、弹性联轴器配合使用实现牵引。直接驱动方式取消了齿轮箱和联轴器，降低了辅助传动设备的采购成本。直接驱动采用正弦波牵引，电源无谐波输入，加之永磁电机转子不存在感应电机的转子铜耗，因而电机整体发热降低，车辆的走行风即可满足冷却要求。间接驱动的感应电机采用自通风冷却，其额定点噪声达到114dB，防护等级相对较低（IP22），而永磁牵引电机额定点噪声小于80dB，防护等级可以达到IP55。

3 牵引控制器硬件装备双归属列车以太网接口，软件功能实现智能诊断系统与维修

由于采用了双归属实时以太网接口，列车牵引系统得以实现以下功能：

（1）对各牵引系统的海量运行数据得以上传，例如：基本运行状态、主要变量数值、故障报警信息等；

（2）可对数据进行多维度的分析查询，为地铁运行方案定制提供丰富的数据参考；

（3）在监控中心通过服务器远程可以监控数据庞大的终端设备；

（4）系统自带的智能分析与诊断系统可以根据海量数据的分析和评估，提示临界损坏器件和寿命末期物料的更换，监控、提示和报警可以减少人工参与，节省了人力成本。

采用了上述三种新技术的牵引系统已经和第三代牵引系统有了质的区别，我们将其称为第四代牵引系统。表2将第四代牵引系统和第三代牵引系统的主要考察项点进行对比：

通过对比，第四代牵引系统相对于第三代牵引系统具备如下特点：广域高效、高功率因数、高功率密度、高冗余性、高防护等级、低噪音、易维护。未来的轨道交通牵引系统必然将向着更安全（人员安全、设备安全、环境安全），更舒适（乘坐舒适、操作舒适、管理舒适），更高效（省人、省时、省力、省料、省钱），更节能（提效、降耗、循环再利用），以及网络化（线路网络化、监控网络化、设备网络化）和智能化（运营智能化、诊断智能化、维修智能化）方向发展，采用新技术的第四代牵引系统为实现上述目标做了十分有益的尝试，相信在不久的将来，成熟的第四代牵引系统将在轨道交通领域开拓属于自己的一方天地。