摘要：本文通过对苏州地铁三号线电客车永磁同步牵引系统和异步交流牵引系统的对比，介绍了永磁同步牵引系统的优势。同时结合实际试验，对永磁同步牵引系统的节能效果进行了验证。
关键词：永磁同步牵引系统、能耗试验、节能率
1 前言
永磁同步牵引系统作为交流牵引系统的另一种技术路线，自21世纪以来，欧美及日本的多家公司，如阿尔斯通、西门子、庞巴迪等，开始将永磁同步电机作为轨道交通车辆的牵引电机使用。2015年，长沙地铁1号线在国内首次将整列地铁列车装载了永磁同步电机。
苏州轨道交通在三号线0312、0345车列车上，也首次采用了永磁同步牵引系统。本文
以苏州轨道交通三号线0345车为例，介绍永磁同步牵引系统相较于交流异步牵引系统的区别与特点。
2 永磁同步牵引系统主电路
苏州轨道交通三号线列车为设计速度80km/h的B型车，采用4动2拖编组形式：=Tc1—Mp1—M1+M2—Mp2—Tc2=（Tc——带司机室拖车;Mp——带受电弓拖车;M——不带受电弓动车）。列车采用DC1500V接触网供电方式，Mp1、M1、M2、Mp2车上各配置1套牵引系统。
永磁同步牵引系统采用永磁同步牵引电机，每节动车4台，取代原有的异步交流电机。为了适应永磁同步电机的工作特性和控制特性，牵引系统的主电路也做了相应的改动。永磁同步牵引系统主电路与异步交流牵引系统的主电路相比更为复杂，主要有以下区别：
2.1电机控制方式
苏州三号线列车永磁同步牵引系统采用轴控的方式，即每台永磁同步电机都需要独立的VVVF逆变器进行控制，而异步交流牵引系统则采用车控的方式，即一台VVVF逆变器实现对
4台异步交流电机的集中控制。
节能汽车网 转向架各轮对的轮径值存在着客观差异，要使列车平稳运行，这就需要使同一节动车各个电机的转子旋转速度根据轮径值进行相应的调整，四个电机的转子转速、输出转矩需要分别进行控制。而永磁同步电机的特性决定了：永磁同步电机工作时，其转子旋转频率与定子绕组中的电流频率是一致的。因此，每台永磁同步电机都需要一台独立的VVVF逆变器来进行供电。
轴控的控制方式使得永磁同步牵引系统在故障冗余性、黏着利用、轮径容差等方面带来了优势，但也大大增加了牵引系统中各零部件的数量，可能的故障点倍增，对牵引系统的稳定性提出了更高的要求。
2.2 隔离接触器
永磁同步牵引系统在每台VVVF逆变器与相应的电机之间，安装了隔离接触器。永磁同步电机的转子采用永磁体来进行励磁，当牵引系统发生故障或列车处于惰行状态等情况导致逆变器停止工作时，永磁同步电机的定子绕组会因电机转子转动产生感应反电动势，并通过
逆变器的反并联二极管向直流回路进行充电，对牵引系统前端的电气部件造成影响和危害。通过在每台VVVF逆变器与相应的电机之间设置三相隔离接触器，由牵引控制单元进行控制，就能够实现在各类情况下永磁同步电机与逆变器的完全隔离，保证牵引系统不会因为反电动势造成故障的扩大化。这同样增加了牵引系统的复杂性。
3 永磁同步牵引电机
永磁同步牵引电机作为永磁同步牵引系统中最核心的部件，相比异步交流电机，有着以下优势：
3.1 节能优势
永磁同步电机的功率因数和效率均有较明显的提升。这主要是由于永磁同步电机转子采用永磁体来进行励磁，实现了功率因数的提高和定子铜耗的降低。同时转子转速与旋转磁场同频，基本消除了转子的铁耗和铜耗。功率因数和效率的提升带来的是电能的更有效利用，更具节能优势。
3.2 功率密度优势
苏州三号线0345车采用的永磁同步电机与其他电客车采用的异步交流牵引电机具有同样的额定功率，而永磁同步电机的重量有了明显的减小，因此功率密度得到了显著提高。这意味着，在同等尺寸和质量的条件下，永磁同步电机能够有更大的输出功率和输出转矩，这让电机直接驱动轮轴成为了可能。苏州三号线0312车就采用了永磁直驱牵引系统，取消了异步牵引系统中原有的齿轮箱和联轴节，这样就提高了整个牵引传动系统的效率，免除了齿轮箱的维护成本。但轮轴与电机直接连接，会造成各类有害冲击负荷直接由电机本体来承受，这对电机的设计有了更高的技术要求。
4 永磁同步牵引系统节能效果验证
节能优势作为永磁同步牵引系统最重要的优势之一，能给运营维护带来直观的经济效益。为了实际验证永磁同步牵引系统在节能方面的效果，通过在0345车和0330车上安装能耗仪，实际采集列车牵引与再生能耗，进行了能耗对比试验。
4.1 试验条件
0345车（永磁同步牵引系统）与0330车（异步交流牵引系统）都以AW0载荷状态，在3
号线运营结束后，从新区火车站下行出发，以ATO模式运行至唯亭站后折返并上行运行至宝带路站，期间按照ATO时刻表停站。
4.2 试验数据
试验结束后，分别读取了0345车、0330车的TCU（牵引控制单元）记录数据及能耗仪记录数据，统计数据见表1。（由于采样频率、精度等差异，TCU采集数据与能耗仪采集数据存在差异，差异精度在5%内）。
4.3 节能效果计算
根据TCU及能耗仪采集的能耗数据，分别对0345车的牵引消耗节能率，总能耗节能率进行计算，公式如下：
计算并整理结果如下：
试验结果表明，0345车的牵引能耗、总能耗均明显降低，总能耗节能率达到了近9%。因试验当天线网只有两列车在运行，再生制動率较低。实际线网运行过程中，随着再生制动率的提升、载荷的增加，总能耗节能率将会进一步提高，达到10%以上。
相比其他异步牵引电机车辆，0345车每公里的牵引系统能耗将节省约0.7kwh，按每列车每年约12万公里的运行里程计算，0345车一年将至少节省84000kwh的电能，如果3号线50列车全部采用永磁同步牵引系统，一年将至少节省420万kwh的电能，具有非常大的节能效应和经济效应。
5 结束语
永磁同步牵引系统凭借其节能、故障冗余性高、黏着利用高、轮径容差大等优势，已成为轨道交通牵引系统的重要发展方向，但也对各个部件的提出了更高的技术要求。随着生产工艺、控制系统的不断优化升级，可以预见，永磁同步牵引系统会成为轨道交通牵引系统新的主流。
（作者单位：苏州市轨道交通集团有限公司运营一分公司）
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