无轨电车等交通车辆的变频节能

分类：技术教程日期：2007-07-20 00:00:00

[摘要]
对城市中的无轨电车以及地铁等，采用可变电压、可变频率 (VVVF) 的变频控制最新技术，不仅可实现节能，而且在减少空气污染、降低CO2气体排放、抑制噪音等方面均有明显效果。因此，为节约能源与发展绿色交通，无轨电车为各类公交之首选，也是解决城市环境污染的最有效途径之一。
[关键词]
变频控制节能无轨电车
1、前言
最近一段时间，因为油价的飙升，公交系统纷纷叫苦不堪，唯有电车公司未受影响，可见发展电车交通的稳定性。尤其目前，对改善环境、加强环保显得愈益紧迫和重要。据统计，城市中新增加80辆电车（如广州市），市中心区的排污量就可减少一氧化碳179.2T（T-吨），减少氮化物83.2T。
为解决大城市日益突出的交通及空气污染等严重问题，国家计委计划在未来5年里建设400km的地铁建设的同时，应大力发展无轨电车，特别是新型的变频节能无轨电车。
本文介绍了城市中新型无轨电车的主要规格参数以及新采取的有效改进措施。此外还介绍了轨道车辆用驱动控制装置中的变频节能效果。
2 新型无轨电车及其节能效果
2.1 新型无轨电车概述
变频节能型无轨电车系统主要通过以下措施实现无轨电车的节能：（1）对主控装置中的驱动设备等采用高效率的电动机，而对主电动机则采用VVVF的变频器控制。对辅助电源装置也用VVVF起动方式，以便减小由起动时冲击电流导致空压机用电动机的损耗；（2）对车辆上各部机器实现小型轻量化的同时，尽力扩大电车的车内空间，增加乘客的定员数；（3）改善车辆性能，提高最大加速度，使在一般道路上能平稳地运转。新型无轨电车的主要规格参数列于表1。
表1 新型变频电车的规格参数

型号	9700型
自重	10500kg
乘客定员	105名
最高速度	60km/h
车辆外形尺寸	12420×2510×3485mm
架线电压	DC 600V
集电装置	轧道式电车集电器，滑动式
走行装置	2轴6轮，补胶输胎螺旋浆轴式，2段减速
主电动机	三相感应电动机，自通风式额定值：127kW，440V 214A，1765rpm
主控装置	VVVF变频器控制方式采用IPM元件
辅助电源装置	静止型，DC600V/AC 230V VVVF起动 / DC 24V
空气压缩机	650L/min，3.5HP

2.2 主电动机、主控制装置的特点
主电动机为采用玻璃纤维200C级绝缘的三相感应电动机，可大幅度地实现小型轻量化。同时，为提高效率，采用了低电阻材料的转子导体。
主控装置中，为将尽可能小型化的主控设备装在电车后部的座位底下，采用了低损耗的半导体元件（IGBT）和将控制功能与保护功能组合一体的IPM元件。半导体元件的冷却部分采用铝散热器控制风冷方式，制成完全无氟利昂等制冷剂的冷却结构。另外，在干旱季节，城市中有很多细微的尘埃漂浮于道路上，这些尘埃严重影响冷却性能。为防止尘埃进入和堆积于装置内，冷却结构的设计应能实现尘埃的抽排。
2.3 耗电量对比试验及测定结果
为验证新型无轨电车的变频节点效果，已将200台新电车取代152台电阻式控制的旧电车和48台斩波控制车。在实际的营运路线上，分别对各种电车进行耗电量测定。测定路线：往路12.3km，停留站数19，复路12.7km，停留数18。测定车型：新型车9700型，电阻控制车3200型，斩波控制车4700型。测定结果列于表2。
表2 无轨电车的耗电量测定

	控制方式	VVVF 变频器	电阻式	斩波控制式
	车号	9748	3220	4735
往路	耗电量（kwh/车）到达时间（分）乘客数（人）	12.95 25.5 12	15.01 28 24	13.32 28.8 12
复路	耗电量（kwh/车）到达时间（分）乘客数（人）	11.53 25 22	18.68 32.5 60	13.16 28 32
往复平均	耗电量（kwh/车） kwh/km/车到达时间（分）乘客数（人）	12.24 0.979 25.3 17	16.85 1.348 30.3 42	13.24 1.059 28.4 22

因为是营运车，乘客数不固定，且车体重量的差别及途中信号停车次数也不同等原因，测量数据难以避免有些误差，评定时未专门予以修正。
从测量结果可知，新型车的耗电量为电阻式控制车的72.6%，大幅度地下降了。此值与另外新作的，从停止状态到40km/加速试验中需要的耗电量进行比较，结果很吻合，说明测定数据是可靠的。
2.4 新型无轨电车的节电及综合效益
按一年中无轨电车行驶距离6900km，试分别计算200台新型电车和200台旧式电车全年的耗电量。
旧电车一年的耗电量（参照表2数据）：
Q1 =（1.348kwh/km/台车×152台+1.059kwh/km/台车×48台）×6900km = 17.65Gw.h…………（1）
新型节能电车一年的耗电量：
Q2 = 0.979kwh/km/台×200台×6900km = 13.5Gw.h
由式（1）与式（2）之差Q1 - Q2 = 4.15gwh可知，新型变频控制车的耗电量约减少24%，节电的效果很明显。因此，不仅需要更换、改造老式电车，而且还提倡将节能型无轨电车广泛取代其它交通工具。这样，除大量节能以外，在缓解交通堵塞、减少大气污染、抑制CO2的排放及噪音等方面均可取得较大效果。
3 轨道车辆用驱动控制装置的节能
城市轨道交通主要指地下铁道和地上轻轨，据悉，要完成未来5年建设400km城市轨道交通的任务，需耗资1300亿元。最近报纸透露国家投资将占其中1/3。国家计委同时宣布，即将放开大中城市轨道交通建设的审批禁令。
把低损耗的半导体元件IGBT用于无轨电车主控装置，实现小型轻量化。这同样也适用于其它的交通车辆。所有车辆中，即使是能量效率好的轨道车辆，为了节能，所用的电机均要求高性能化、轻量化和高效率化。
地铁主控装置为输入三相交流（550V）、由脉宽调制（PWM）的变换器保持COSf = 1，并将三相交流变换成直流以后，变频器对三相感应电动机进行控制。此法对降低供电侧的损耗极为有利。
与改进前原来的车用主控装置（斩波装置）比较，体积减小了（改前2.06M3，改后0.93M3）；重量减轻了（改前1090kg，改后445kg）。而且对调控性能优良的每台电动机实行了单独控制。此外，原来车辆的斩波装置额定容量为330kW/台，而VVVF变频器装置的额定容量仅为90kW×2台。