标准地铁列车永磁牵引系统设计

标准地铁列车永磁牵引系统设计

白鹤博徐茂华李众

中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁 大连 116052

摘要：至2020年末，我国大陆境内设有45座城市投入城市轨道交通服务，共计244条运营线路，总里程数达7969.7公里。其中，地铁线路长度为6280.8公里，占总线路的78.8%。当年新增线路长度为1233.5公里。经过长期的发展，我国在列车组装、车身、转向装置、动力系统、网络操控及制动技术等关键领域，以及空调、自动门及内饰材料等关键辅助技术方面，已基本实现自主开发。动力系统作为轨道交通车辆的核心动力，也是实现完全自主开发的关键与难点。尽管国内动力系统供应商已突破西门子、庞巴迪、阿尔斯通等国际知名企业的技术封锁，实现了自主创新，但由于供应商众多，导致不同平台和技术路径的产品存在较大差异，接口形式和备件种类繁多，给用户使用带来不便。

关键词：标准地铁列车；永磁牵引；系统设计

1牵引系统简统方案概述

1.1顶层参数

在深入探讨标准地铁列车永磁牵引系统之前，我们首先需要明确这一系统的核心组成部分及其在地铁运行中的重要性。永磁牵引系统作为地铁列车动力系统的核心技术，其高效、节能、环保的特点使其成为现代城市轨道交通的理想选择。首先，标准地铁列车永磁牵引系统的设计理念是以提高能效和降低能耗为核心。系统采用高性能永磁材料，通过优化磁路设计和控制策略，实现了牵引电机的高效运行。在系统设计过程中，充分考虑了地铁列车的运行环境，如温度、湿度、振动等因素，确保了系统在各种工况下的稳定性和可靠性。此外，系统还具备良好的适应性，能够适应不同线路的运行需求，为地铁运营提供了强有力的技术支持。其次，永磁牵引系统在性能上具有显著优势。与传统牵引系统相比，永磁牵引系统具有更高的功率密度和效率。在相同功率下，永磁牵引系统的体积和重量更小，有利于减轻列车自重，降低能耗。同时，永磁材料具有优异的磁性能，使得牵引电机在启动和制动过程中响应速度更快，提高了列车的加速能力和制动性能。此外，永磁牵引系统还具有较低的噪音和振动，为乘客提供了更加舒适的乘坐体验。

1.2性能指标

首先，从牵引性能来看，标准地铁列车永磁牵引系统具有强大的牵引力。永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高功率因数等优点，使得牵引系统在启动、加速、爬坡等工况下均能提供稳定的牵引力。同时，永磁同步电机具有优异的动态响应特性，能够快速适应列车运行过程中的速度变化，确保列车平稳运行。其次，从制动性能来看，标准地铁列车永磁牵引系统采用再生制动技术，将制动能量转化为电能，实现能量的回收和利用。这种制动方式具有以下优点：一是制动效率高，能够有效降低制动能耗；二是制动距离短，提高列车运行的安全性；三是减少制动噪音，改善乘客乘坐体验。再者，从能耗方面来看，标准地铁列车永磁牵引系统具有低能耗的特点。永磁同步电机在运行过程中，能量损失较小，从而降低了列车的整体能耗。此外，永磁同步电机具有高功率因数，减少了无功功率的损耗，进一步降低了能耗。此外，从维护成本来看，标准地铁列车永磁牵引系统具有较低的维护成本。永磁同步电机结构简单，故障率低，维修方便。与传统牵引系统相比，永磁牵引系统减少了大量的机械部件，降低了维护工作量。

1.3简统平台

标准地铁列车永磁牵引系统，作为现代城市轨道交通的核心技术之一，其高效、节能、环保的特点使得它在国内外地铁建设中得到了广泛应用。永磁牵引系统相较于传统的异步牵引系统，具有更高的能量转换效率，更低的能耗和更小的噪音，为乘客提供了更加舒适的乘坐体验。在永磁牵引系统的设计中，关键在于永磁同步电机（PMSM）的应用。PMSM以其优异的磁性能和结构特点，在牵引系统中扮演着至关重要的角色。与传统电机相比，PMSM具有更高的功率密度、更宽的调速范围和更快的响应速度。此外，永磁材料的使用也使得电机结构更加紧凑，便于安装和维护。

2控制系统设计

2.1控制装置硬件

首先，控制装置硬件应具备高可靠性。地铁列车运行环境复杂，频繁的启停、加减速以及复杂的线路条件对控制装置的可靠性提出了极高的要求。因此，在设计过程中，我们选用了高品质的元器件，如高性能的微处理器、高精度模拟电路等，确保了控制装置在恶劣环境下的稳定运行。其次，控制装置硬件应具备高性能。为了满足地铁列车高速、高效、节能的要求，控制装置硬件需要具备快速响应、高精度控制、高效率转换等功能。为此，我们采用了先进的数字信号处理器（DSP）技术，实现了对牵引电机的高精度控制，同时通过优化算法，提高了系统的转换效率。此外，控制装置硬件还应具备良好的可扩展性。随着地铁列车技术的不断发展，对控制装置的功能和性能提出了更高的要求。为了满足这一需求，我们在设计过程中充分考虑了模块化设计，使得控制装置硬件可以方便地进行升级和扩展。

2.2永磁电机控制

首先，永磁电机控制系统的设计应充分考虑电机的工作特性。永磁电机具有高功率密度、高效率、高稳定性等特点，但在实际运行过程中，仍存在一些问题，如电机启动转矩不足、调速范围有限等。因此，在设计永磁电机控制系统时，应针对这些问题进行优化。例如，通过合理设计电机绕组、采用先进的控制策略，提高电机的启动转矩和调速范围。其次，永磁电机控制系统的设计应注重电机驱动电路的优化。电机驱动电路是永磁电机控制系统的重要组成部分，其性能直接影响电机的运行效果。在设计驱动电路时，应充分考虑以下因素：降低驱动电路的损耗、提高驱动电路的可靠性、减小驱动电路的体积和重量。此外，还应采用先进的驱动电路拓扑结构，如三相桥式逆变器、多电平逆变器等，以提高驱动电路的效率和功率密度。

2.3牵引故障实时诊断和预测

首先，针对牵引故障的实时诊断，本文提出了一种基于数据驱动的故障诊断方法。该方法首先对列车牵引系统进行实时数据采集，包括电流、电压、速度等关键参数。然后，利用机器学习算法对采集到的数据进行处理和分析，提取故障特征。最后，根据故障特征建立故障诊断模型，实现对牵引故障的实时诊断。其次，针对牵引故障的预测，本文提出了一种基于深度学习的故障预测方法。该方法首先对历史故障数据进行预处理，包括数据清洗、特征提取等。然后，利用深度学习算法对预处理后的数据进行训练，建立故障预测模型。最后，将实时采集到的数据输入到故障预测模型中，预测未来一段时间内可能发生的故障。

结论

近期，我国轨道交通领域遵循“引入前沿技术，携手设计研发，创立自主名牌”的方针，依托于技术的引进、消化、吸收及再创新，成功打造出一系列具有模块化、集成化、平台化特点的地铁车辆产品，并掌握了核心的地铁车辆牵引系统设计和生产技术。在此过程中，地铁车辆牵引系统的研究焦点已经从技术的消化和应用转变为优化列车控制性能的设计、统一标准的设计，以及储备先进技术。

参考文献：

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[2]谭晓辉，王龙，陈文光，等.标准地铁列车牵引电传动平台研究[J].电力机车与城轨车辆，2021，44(5)：13-18.

[3]张宸玮.永磁同步电机在方波工况下的控制策略研究[D].北京：北京交通大学，2020.

[4]方晓春.城轨列车永磁同步牵引电机控制与逆变器直流侧振荡抑制研究[D].北京：北京交通大学，2021.