永磁地鐵揭開城軌交通動力變革序幕
2016-08-16
（原標(biāo)題：永磁地鐵揭開城軌交通動力變革序幕）
與常見的地鐵不同，一列安裝了“永磁同步牽引系統(tǒng)”的地鐵，在業(yè)界引起了熱議。8月6日，長沙市地鐵一號線永磁牽引系統(tǒng)順利通過載客前評審，成為我國首列全車裝載永磁牽引系統(tǒng)并投入載客運(yùn)營的地鐵列車。
能耗低、噪音孝轉(zhuǎn)速穩(wěn)、體積小，得益于這些特點(diǎn)，“永磁同步牽引系統(tǒng)”被稱之為下一代軌道交通牽引系統(tǒng)。在中國之前，擁有軌道交通先進(jìn)技術(shù)的德國、法國、日本等已在此方面取得了重大研究成果，并逐步進(jìn)入了商業(yè)化和工程化應(yīng)用階段。
一直以來，我國地鐵主要采用的牽引系統(tǒng)為“異步傳動系統(tǒng)”，而異步傳動系統(tǒng)也經(jīng)歷了“齒輪轉(zhuǎn)動”和“直接驅(qū)動”兩個階段。長沙市這列地鐵的運(yùn)行，則揭開了我國城市軌道交通“永磁列車”的序幕。
南方日報(bào)記者王偉凱黃祖健策劃統(tǒng)籌李江萍
外觀上與普通地鐵無異
這列安裝了中國國產(chǎn)永磁牽引系統(tǒng)的地鐵，是由長沙市軌道交通集團(tuán)、中車株洲電力機(jī)車有限公司和中車時代電氣公司聯(lián)合研發(fā)。實(shí)際上，中車的前身“南車”，早在2011年，就曾在沈陽的地鐵2號線上進(jìn)行了永磁牽引系統(tǒng)試驗(yàn)。
只不過，在當(dāng)時只裝載了一列車12個電機(jī)中的一臺。沈陽地鐵的工程師郭楓曾撰文描寫當(dāng)時裝機(jī)方案，第一個轉(zhuǎn)向架不變，仍使用兩臺異步牽引電動機(jī)；第二個轉(zhuǎn)向架換成兩臺永磁同步牽引電動機(jī)，但只用其中一臺；其余轉(zhuǎn)向架電動機(jī)不變；整個方案是在原有異步牽引系統(tǒng)上變更而成。而長沙地鐵一號線上的這列“永磁地鐵”，完全按照滿足城軌1500V、B型車的通用要求來設(shè)計(jì)，并且一整列地鐵中的16臺電機(jī)全部采用了永磁電機(jī)，實(shí)現(xiàn)永磁牽引系統(tǒng)在整列地鐵車輛上的裝載運(yùn)營。
不過，需要指出的是，并非所有的長沙地鐵一號線上的列車都采用該牽引技術(shù)。據(jù)了解，于今年6月28日試運(yùn)營的長沙一號線是長沙市第二條地鐵線路（長沙地鐵二號線先開通），全線共采購了23列車，其中只有一列地鐵采用永磁牽引系統(tǒng)。
根據(jù)長沙市軌道交通集團(tuán)相關(guān)負(fù)責(zé)人的介紹，在外觀上，永磁地鐵和普通地鐵一樣，“看不出來，只能聽出來。”公開資料顯示，傳統(tǒng)的異步傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的噪音是105分貝，而永磁同步牽引系統(tǒng)的噪音只有90分貝，汽車產(chǎn)生的噪音就介于80—100分貝之間。
在能耗功率上均有優(yōu)勢
據(jù)中車時代電氣公司總工程師尚敬介紹，牽引傳動系統(tǒng)可以說是軌道交通車輛中動力驅(qū)動的“心臟”，它的能耗約占軌道交通系統(tǒng)總能耗的40%50%。這也意味著如果牽引系統(tǒng)的能耗降低，那么整個車輛的能耗也將大大降低。
資料顯示，與異步電動機(jī)相比，永磁電機(jī)的體積和重量都更校記者檢索了同車輪一體中的異步牽引電機(jī)和永磁同步牽引電機(jī)、ICE3原型車異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)的數(shù)據(jù)對比。數(shù)據(jù)顯示，在前一組對比當(dāng)中，前者的質(zhì)量、效率、功率因數(shù)分別為395kg、90.5%、76%，后者在這三方面的數(shù)據(jù)則為260kg、93%、91%；在第二組對比中，前者的啟動牽引力、質(zhì)量、總效率分別為3.2kN／M、750kg、91.5%，而后者的三組數(shù)據(jù)則為9kN／M、400kg、96.5%。
可以看出，在功耗、功率密度、重量等方面，永磁同步電機(jī)都具備一定優(yōu)勢。而根據(jù)最新的測試結(jié)果，采用永磁牽引系統(tǒng)的列車，較異步牽引系統(tǒng)列車能耗降低約11.5%。
長沙市軌道交通集團(tuán)董事長彭旭峰就曾向媒體算了一筆賬，以長沙地鐵二號線為例，每年列車的總耗電量約為3721萬千瓦時，如果全部采用永磁牽引系統(tǒng)，則每年可節(jié)約用電400多萬千瓦時。按0.7元/度的電費(fèi)計(jì)算，一年就能節(jié)省約300萬元的運(yùn)營成本。
我國高鐵已用永磁技術(shù)
其實(shí)，早在上世紀(jì)90年代，國外就開始研究永磁同步牽引系統(tǒng)。
1993年，日本鐵道綜合技術(shù)研究所研制了第一臺RMT1型永磁同步直驅(qū)牽引電機(jī)，對比相同性能的直驅(qū)式異步電機(jī)，該永磁牽引電機(jī)重量降低了35%，功率因數(shù)卻提高了20%，效率增加了2.7%。
1998年，德國西門子公司以ICE3高速列車的要求和技術(shù)規(guī)格為基礎(chǔ)，和Starnbeng磁性電機(jī)公司設(shè)計(jì)了抱軸式直接驅(qū)動永磁同步電機(jī)，并在車輛最高速度達(dá)到330km/h的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。
法國的阿爾斯通公司也在2007年開發(fā)出用于輕軌和高速列車的永磁同步牽引系統(tǒng)，該公司研發(fā)的新一代高速AGV列車（V150），創(chuàng)下列車速度574.8km/h的世界紀(jì)錄。
我國的永磁同步牽引系統(tǒng)的研發(fā)相對較晚，起步于2003年。時稱為株洲南車時代電氣的中車時代在當(dāng)時開始了永磁同步牽引傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、永磁同步牽引電機(jī)控制策略、永磁同步牽引電機(jī)設(shè)計(jì)及相關(guān)制造工藝的研究工作。
剛開始時，主要針對純電動大巴的永磁同步牽引電機(jī)進(jìn)行研究，并實(shí)現(xiàn)了數(shù)千臺的商業(yè)應(yīng)用，首批系統(tǒng)也完成了40萬公里的穩(wěn)定可靠運(yùn)營。
此后，對地鐵、高鐵進(jìn)行研究試驗(yàn)。2009年，針對地鐵車輛進(jìn)行了永磁同步牽引系統(tǒng)研究，完成了樣機(jī)的試制和試驗(yàn)平臺的搭建。2011年在沈陽的地鐵2號線上進(jìn)行永磁牽引系統(tǒng)試驗(yàn)，今年8月6日，首列全車裝載永磁牽引系統(tǒng)的地鐵在長沙投入使用。
高鐵方面，2014年年底由南車時代電氣（時稱）研制的第三代“高鐵動力”——高速列車永磁同步牽引系統(tǒng)成功完成“首秀”，并通過中國鐵路總公司評審，標(biāo)志著我國成為世界上少數(shù)幾個掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。
專家觀點(diǎn)
采用何種電機(jī)需要綜合考慮
雖然，業(yè)內(nèi)普遍將永磁同步牽引系統(tǒng)看作是下一代軌道交通牽引技術(shù)，但廣東的一位業(yè)內(nèi)專家在接受記者采訪時表示，決定采用哪一種電機(jī)牽引系統(tǒng)，要參考很多因素，要從全流程的角度來考慮?！氨热缰本€電機(jī)，雖然能耗較高，但是它的維護(hù)成本會低一些。”
據(jù)其介紹，目前在國內(nèi)地鐵中使用的機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)主要有兩種：三相交流異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。
廣州是全國地鐵線路比較密集的一個城市，記者了解到，廣州地鐵已使用了10多年的直線電機(jī)，它的零部件也能夠比較方便地獲得，維修、維護(hù)成本比較低。目前，廣州的4、5、6三條地鐵線都使用了直線電機(jī)牽引系統(tǒng)，其他的線路都是使用交流電機(jī)。
這位專家告訴記者，采用不同電機(jī)的原因是各條線路的情況不同，直線電機(jī)爬坡能力強(qiáng)，一些地鐵線路要過江，從江底到地面，如果要坡度小，鋪設(shè)的軌道距離就要更長，那么車站設(shè)置也有可能要遠(yuǎn)離交通便利的位置。而采用了直線電機(jī)，可以讓線路更短，車站設(shè)置更加靈活。
選擇某一個驅(qū)動系統(tǒng)或者某一款列車，和整條線路的規(guī)劃設(shè)計(jì)是有關(guān)系的。優(yōu)先服從宏觀的規(guī)劃，再據(jù)此進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，根據(jù)一些原則，比如方便周邊居民的出行、節(jié)能等要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。
“每一個牽引系統(tǒng)都有一定的適應(yīng)范圍，不存在誰絕對好、誰絕對不好的說法。而且全國各地的線路條件不一樣，能耗也很難找到統(tǒng)一的口徑進(jìn)行對比?！边@位專家表示。
本文來源：南方日報(bào)
