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城轨高交会|永磁牵引、高频辅助变流器,节能增效新利器
2022-11-01

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首届中国城市轨道交通高新技术成果交易会(简称:城轨高交会)举办的消息一出就受到了热烈反响,许多高新技术成果被将带到展会现场与大家见面。今天介绍两个新一代城轨列车节能的利器:永磁牵引和高频辅助变流器。永磁牵引的电机效率在频繁启停的工况下,可以提升效率20%以上,而高频辅助变流器重量较传统辅助变流器降低了30%以上,效率提升了2%。


“火车跑得快,全靠车头带”,被称为轨道交通车辆的“心脏”的牵引系统,是列车动力的关键来源。世界轨道交通车辆牵引系统技术在经历了“直流”“交流”后,正朝“永磁”驱动技术发展。由于永磁同步牵引系统具有高效率、高功率密度等优势,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的研制方向。此次城轨高交会上,株洲中车时代电气股份有限公司、江苏经纬轨道交通设备有限公司、中车永济电机公司、新誉集团有限公司等企业便带来了此类技术展示。


科技创新,交通先行。轨道交通装备作为“中国制造”的代表,是中国战略新兴产业的重要组成部分。辅助变流器是轨道列车上的关键电气设备,相对于传统的工频辅助变流器,中高频辅助变流器的模块化、轻量化、高效化具有更大的优势,能带来更大的经济效益,并且具备推广的技术条件和应用环境。此次城轨高交会,新誉集团有限公司、株洲中车时代电气股份有限公司、广州鼎汉轨道交通装备有限公司等企业带来该项技术展示。




株洲中车时代电气股份有限公司

此次共有两个参展项目,一是TMP-P2永磁同步牵引系统。


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TMP-P2永磁同步牵引系统适用于DC1500V供电、120公里时速等级及以下A/B型地铁列车具有高集成、高效率的优点。



安全可靠

最高可满足SIL4安全功能,SIL4/SIL2灵活配置。


采用XHP封装的IGBT器件功率循环次数提升3倍,寿命提升,可靠性提升20%。



绿色高效

通过新一代功率器件及壳式强自感电感设计,比原永磁变流器平台,额定损耗降低25.4%,每列车每天按15小时运行计算,省电360度。



小型轻量

采用新一代XHP小封装IGBT器件,满足永磁电机轴控的同时实现单变流模块拓扑结构,集成四路逆变单元和两路斩波单元,体积减小36.34%,重量降低34.5%。



智能便捷

智能诊断:6类关键器件、41个项点故障诊断、预警与状态评估功能,安全预警完备率提升30%。


维护便捷:模块抽屉式维护,省时便捷;滤网维护周期提升6倍,免拆维护;零部件种类减少20%,提高维护效率。


本项目研制的永磁同步牵引系统已实现装车应用,在轨道交通大发展的背景下,以及国家双碳政策的推动下,高效节能的永磁同步牵引系统具有广阔的市场前景。


二是碳之力-SiC辅助变流器。


“碳之力”是时代电气基于数字化集成开发系统打造的一款SiC辅助变流器平台。其具有小型轻量、高效节能、绿色低噪等特点,可提供满足轨道交通各类应用需求的谱系化产品,助力构建高效、绿色、智能化的城市交通系统。


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  • 小型轻量:整机功率密度>450VA/kg,相比最新一代Si高频隔离式辅助变流器,功率密度提升59%,重量降低38.5%,体积减少32%。

  • 高效节能:效率>96%,相比最新一代Si高频隔离式辅助变流器效率提升2%,损耗下降30%,节能效果十分显著。

  • 谱系完整:研发了LP/MP/HP等小/中/大容量系列化辅助变流器,满足不同输入电压、不同容量的应用需求,适配不同车型的安装要求。其配置的功率模块采用新一代SiC器件,基于标准化、可扩展的设计理念,打造出高度集成、结构紧凑、便于全生命周期管理的模块谱系。

  • 维护方便:一体模块化设计采用滑轨维护,单元组件轻量设计单人便可维护,机械迷宫式过滤器,维护周期长。


“碳之力”SiC辅助变流器为客户提供安全、可靠、绿色、舒适的辅助供电产品解决方案。




江苏经纬轨道交通设备有限公司

江苏经纬带来三大牵引系统和一大健康管理系统,四样展品均已落地应用。


首先是地铁高效混合磁阻电机牵引系统。


该系统展现了江苏经纬对钕铁硼永磁材料在轨道交通牵引电机的应用的丰富的经验,并已应用于苏州地铁3号线(已开通运营)和广州地铁1号线,有以下五大优势。


  • 广域高效。最高效率可达98%,效率大于90%的区域超过88%,与传统异步电机牵引系统相比,节能率为16%-20%,如配备地面能馈装置,综合节能率可达30%。

  • 性能强悍。具有高转矩密度、高功率密度、高过载能力的特点。

  • 安全可靠。由于采用了永磁转矩比例较低的方案,具有反电势低的优势。

  • 冗余性强。变流器具有两台独立的直流输入环节,故障任意一个仅损失1/8动力。

  • 维护简单。电机防护等级达到IP55,日常免维护。

 

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地铁高效混合磁阻电机


其次是地铁碳化硅变流加永磁直驱牵引系统。


该牵引变流器采用了高压碳化硅(SiC)MOSFET器件替代传统IGBT,实现了变流器的小型化、模块化、集成化。基于SiC器件的优异特性,变流器提升了开关频率、减小输出电压谐波,降低了电机的损耗,有助于实现电机的低噪音、轻量化、高效率、易维护,已应用于苏州地铁3号线。以下是该牵引系统的四大优势:


  • 节能高效。由于采用了直驱电机,取消了齿轮箱、联轴节,提升了传动系统整体效率,提升了系统节能率。

  • 轻量化。得益于电机先进的自然冷却设计,电机重量小于传统的异步电机加齿轮箱、联轴节重量,使得整车节能效果更加显著。

  • 低噪音。由于直驱电机采用了闭式结构、电机处于相对低速运转状态、无齿轮箱与内部风扇等原因,使得系统噪音下降20dB,提高了乘客舒适性。

  • 易维护。由于采用了自然冷却的闭式结构直驱电机,减少了日常清洁以及齿轮箱换油工作,减少了日常维护工作量。


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高效混合磁阻牵引系统


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碳化硅模块


接下来是有轨电车永磁同步电机牵引系统。


已应用于青岛城阳线(已开通运营)、佛山南海线(已开通运营)的有轨电车永磁同步牵引系统,采用了永磁直驱电机,电机直接驱动车轮轮对,省去了齿轮箱结构,具有以下五大优势:


  • 节能高效:采用了高效率的永磁直驱电机,同时取消了齿轮箱,提升了传动系统整体效率,系统节能效果显著。

  • 独立轮驱动:每台永磁直驱电机驱动一个车轮,使车辆拥有更好的低地板布局与小弯道通过性能。

  • 轻量化:集成式的牵引变流器包含了4台独立的逆变单元、三相隔离接触器、制动电阻、水冷系统,同时电机采用水冷,牵引系统具有集成化、轻量化、小型化的特点。

  • 低噪音:直驱电机采用了闭式结构,电机处于相对低速运转状态,无齿轮箱,采用水冷却,提高了乘客舒适性。

  • 易维护:采用了闭式结构直驱电机,减少了日常清洁以及齿轮箱换油工作,减少了日常维护工作量。


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有轨电车永磁同步电机


最后是健康管理系统。


该系统性能强大内核、优异的算法,使健康管理系统更智能,提供人性化的分析报告,减少无谓维修,能同时收集其他设备的运行数据,进行工业大数据挖掘,更易实现趋势预测,已在深圳地铁16号线落地应用。该系统具有三大优势:


  • 低运维成本。故障预测,降低维修成本。减少维修次数,缩短维修时间,增加系统运行时间。

  • 高可靠性。新增任何硬件都会增加故障点,能充分利用已有数据少增加硬件能保证系统可靠性。

  • 易维护。通讯接口丰富,可远程升级软件。

                         

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健康管理单元




中车永济电机有限公司


永磁牵引系统

牵引系统是轨道交通车辆的核心部件之一,以永磁牵引电机为核心的永磁同步牵引系统以高效、轻量化和低维护量等优势已成为城市轨道牵引系统的主流,牵引电机额定点效率提高3~5%,牵引系统整体效率可提升30%以上(配合地面能馈装置),符合国家低碳经济发展需要和绿色轨道交通导向,助力国家实现“双碳”目标。

集简统、自主、小型轻量、经济节能优势于一体,功能完备、性能优越,具有全面的故障诊断和保护功能的牵引系统平台,覆盖80km/h~120km/h城轨A/B型车永磁牵引系统、机车永磁直驱牵引系统、高速动车组永磁牵引系统。
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永磁牵引变流器

依托系列化标准地铁列车牵引系统平台开发的永磁牵引变流器,具有先进自主、易维护等优点,可进一步降低牵引系统成本。
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滤网快拆结构

先进自主:基于DSP+FPGA架构的新型控制单元,采用全速域MTPA与弱磁控制器相结合的控制策略,应用了无位置传感器矢量控制、高速带速重投等多种先进技术,同时优化控制算法抑制电流谐波,实现电机损耗降低5%。


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无位置传感器矢量控制扫频波形(转矩-转速)


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无位置传感器矢量控制扫频波形(电压、电流-转速)


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节能控制优化算法


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节能效果对比


易维护:牵引变流器采用强迫风冷散热方式,功率单元采用抽屉式结构,单人即可完成作业。顶部过滤网设计有抽拉导轨和快拆插销,方便拆卸的同时实现了滤网防脱。

低成本、高可靠:牵引变流器输入侧采用双路架控方式,故障时可单侧切除,故障运行能力强、可靠性高;以3M3T永磁牵引系统替代4M2T异步牵引系统,利用永磁牵引系统轴控模式高粘着特点,实现同样成本、同等性能的替换。


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永磁牵引变流器主电路拓扑



牵引系统对比说明


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标准地铁永磁牵引变流器


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牵引控制单元



永磁牵引电机

依托既有成熟地铁电机平台,采用ANSYS集成软件对电磁和结构进一步优化,针对时速80公里、120公里A/B型列车研发了功率等级为190kW、230kW、250kW的永磁同步牵引电机。

标准化、系列化、简统化:实现标准化设计,牵引电机完全满足标准地铁列车的使用要求;采用系列化设计,不同功率永磁电机端盖、轴承配置结构等一致,仅变化定、转子铁心长;实现简统化设计,针对不同用户的个性化需求,对现有电机进行简统,构建地铁领域性能优越、可靠性高的谱系产品。

高功率密度、高效率、高功率因数:牵引电机额定点效率提高3~5%,系统效率可提升20%以上(仅为永磁系统节能率,考虑地面能馈装置,可提升30%以上)。

不解体更换轴承维护技术:牵引电机全封闭设计,提高绕组抗污染能力,延长维护周期,对轴承室分体式设计,实现不解体电机更换轴承,减少维护工作量,降低全寿命周期成本。


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新誉集团有限公司

高频辅助变流器(简称APU)是新誉集团自主研发的新一代辅助变流器。它采用软开关技术,将功率器件IGBT的开关频率由老平台的1350Hz提高到15000Hz,大大降低了磁性元件(变压器,电抗器)的体积和重量,从而将整个辅助变流器的重量降低到原来的一半左右。


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APU主架构包括前级BUCK稳压电路,中间谐振电路,后级三相逆变电路和充电机电路等,所有拓扑设计和器件选型均由新誉集团自主完成,APU核心控制系统也由新誉集团完全自主研发,包括核心控制板,门级驱动板,电源板,采用板等硬件设计和控制软件,通讯软件,服务诊断软件设计。目前该高频辅助变流器已经在合肥4号线示范车应用,首列样车已完成运行前调试,准备进行试运营考核。


永磁牵引电机是新誉集团自主研发的新一代牵引电机,采用三相永磁同步电机,转子部分由异步鼠笼结构改为内置式永磁结构,大大消除了转子上的损耗,从而使整个电机的效率提升约3%~4%,提升了电机功率密度,电机重量降低约60-80kg。


永磁同步电机由定子机座、定子绕组、转子、轴等部分组成。定子机座具有重量轻和减小杂散磁场的特点;定子绕组绝缘采用C/200级;转子采用钕铁硼永磁体,具有高剩磁,高矫顽力和高工作温度等特点;采用混合陶瓷绝缘轴承,大大提升轴承使用寿命。


电机内部布置火灾电缆,牵引系统实时监控电机内部状态,提升永磁牵引电机的安全性;永磁电机为封闭式,自带风扇冷却,噪音低;永磁电机采用无速度传感器控制技术,大大提高可靠性。


目前该永磁牵引电机已经在合肥4号线示范车应用,首列样车已完成运行前调试,准备进行试运营考核。




广州鼎汉轨道交通装备有限公司

广州鼎汉轨道交通装备有限公司(简称广鼎装备)是由北京鼎汉技术集团股份有限公司(简称鼎汉技术)于2017年11月23日成立。立足于广州,在江门和深圳设立分公司。搭建德国鼎汉SMA高频辅助逆变器的成熟技术,集研发、生产、销售为一体,专注于车载辅助电源系统的业务产业化,2022年将完成广州高端装备与智慧化研发实验室的搭建,以及广州高端装备制造基地。


广鼎装备是鼎汉集团战略新产品轨道交通轻量化中/高频辅助电源系统在国内的主要研发创新及拓展推广中心,也是公司在粤港澳大湾区布局的重要本地化业务平台,广鼎装备以公司德国子公司Dinghan SMART Railway Technology GmbH超过30年成熟中频技术积累为基础,结合国内应用需求,推出的轨道交通轻量化中/高频辅助电源系统在轻量化、小型化、环保节能等关键指标全球领先。


公司中/高频车载辅助电源系统技术已发展到第三代技术平台。产品具有体积小、重量轻、质量可靠、效率高特点,与同功率的传统工频产品相比,减重约40%,体积减少30%,工效提升约5个百分点,节能效果显著,竞争优势明显。


广鼎装备基于第三代中/高频技术带来车辆电源的小型化和轻量化的技术和优势,大力培养自主研发能力,分别布局了服务于高铁车辆的SiC(碳化硅)中频辅助变流器、双层客车动车组中频辅助变流器、涡流制动励磁电源及磁浮列车“轻量化、小型化”部件;服务于城轨列车车辆的中高频辅助变流器产品系列平台,功率等级250kVA, 200kVA, 150kVA,100kVA,75kVA等,产品应用于地铁车辆、轻轨车辆、有轨电车等。

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江苏瑞铁轨道装备股份有限公司

江苏瑞铁带来的是WYP型动车滚动轴承智能压装单元,集机、电、液和数字控制技术于一体,适用于动车组、地铁车辆新造或检修时轴箱滚动轴承的智能化压装。且已形成系列化产品,并在中车四方股份、大同机车以及河北京车等机车车辆厂成熟应用。


工作时,压装油缸活塞杆导向主轴伸出;机器人抓取被安装轴承,内孔涂抹压装油脂(或压装膏)后套装在导向主轴上,轴承抱爪自动夹紧轴承;送轮机构将轮对推进工位,自动调整到合适位置并进行轴承压装作业;两边轴承同时压装;轴承一边压入一边随抱爪的摩擦旋转机构转动,直到轴承与车轴轴肩完全贴靠并保压;后生成压装曲线,并判定压装结果是否合格;将压装信息及结果通过网络传输到控制室的MES系统;最后将产品推送到出料工位,完成了一组轮对滚动轴承的压装。

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产品主要技术特点

主油缸采用智能双筒油缸,外缸压装,内缸定位,位移传感器检测,可满足多种规格轮对的轴承压装。


采用轴承导向、轴承自动夹紧、轮对自动调整位置,保证了被压装轴承中心与轮对中心的定位准确。


压装过程中,轮对不会串动,压力和轮对重力通过机构平稳地传递给了机架,保证了压装过程的平稳。


液压控制系统采用比例阀闭环控制,为油缸提供动力,实现系统压力、流量自动控制。


液压系统工作运行载荷保持恒定,调整方便,系统工作稳定。


轴承的上料机器人与压装主机的动作相互联动、协调。


数据录入由条形码扫描(亦可手动输入),作业完成后实现作业数据与该轮对条码自动绑定、存储,压装数据与生产MES系统数据联通。


轴承压装可自动生成压装曲线并判断是否合格,生成的压力—位移(时间)曲线可自动打印,并存储计算机、自动传输到生产MES数据库。


产品具有超压报警功能,工作中出现压力异常情况时,系统将自动停止工作,设有安全保护联锁装置和短路、断路及漏电保护装置,设有急停按钮,并有液压装置过载的保护系统,超压自动卸载。


产品通过智能化的实现,提高了生产效率,减少了操作工数量,降低了操作者的劳动强度。

展会信息

2022北京-青岛国际城市轨道交通展览会暨高峰论坛

首届中国城市轨道交通高新技术成果交易会


时间:11月23日至25日

地点:中铁青岛世界博览城

(山东省青岛市黄岛区三沙路3399号)

预定展位/展会咨询

李论   18600104403   010-83935791

祁继   13811845831   010-83935790

丁桥   15011422050   010-83935725

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陈岩  13717655325   010-83935796 

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