無軌電車等交通車輛的變頻節能

分類：技術教程日期：2007-07-20 00:00:00

[摘要]
對城市中的無軌電車以及地鐵等，采用可變電壓、可變頻率 (VVVF) 的變頻控制最新技術，不僅可實現節能，而且在減少空氣污染、降低CO2氣體排放、抑制噪音等方面均有明顯效果。因此，為節約能源與發展綠色交通，無軌電車為各類公交之首選，也是解決城市環境污染的最有效途徑之一。
[關鍵詞]
變頻控制節能無軌電車
1、前言
最近一段時間，因為油價的飆升，公交系統紛紛叫苦不堪，唯有電車公司未受影響，可見發展電車交通的穩定性。尤其目前，對改善環境、加強環保顯得愈益緊迫和重要。據統計，城市中新增加80輛電車（如廣州市），市中心區的排污量就可減少一氧化碳179.2T（T-噸），減少氮化物83.2T。
為解決大城市日益突出的交通及空氣污染等嚴重問題，國家計委計劃在未來5年里建設400km的地鐵建設的同時，應大力發展無軌電車，特別是新型的變頻節能無軌電車。
本文介紹了城市中新型無軌電車的主要規格參數以及新采取的有效改進措施。此外還介紹了軌道車輛用驅動控制裝置中的變頻節能效果。
2 新型無軌電車及其節能效果
2.1 新型無軌電車概述
變頻節能型無軌電車系統主要通過以下措施實現無軌電車的節能：（1）對主控裝置中的驅動設備等采用高效率的電動機，而對主電動機則采用VVVF的變頻器控制。對輔助電源裝置也用VVVF起動方式，以便減小由起動時沖擊電流導致空壓機用電動機的損耗；（2）對車輛上各部機器實現小型輕量化的同時，盡力擴大電車的車內空間，增加乘客的定員數；（3）改善車輛性能，提高最大加速度，使在一般道路上能平穩地運轉。新型無軌電車的主要規格參數列于表1。
表1 新型變頻電車的規格參數

型號	9700型
自重	10500kg
乘客定員	105名
最高速度	60km/h
車輛外形尺寸	12420×2510×3485mm
架線電壓	DC 600V
集電裝置	軋道式電車集電器，滑動式
走行裝置	2軸6輪，補膠輸胎螺旋漿軸式，2段減速
主電動機	三相感應電動機，自通風式額定值：127kW，440V 214A，1765rpm
主控裝置	VVVF變頻器控制方式采用IPM元件
輔助電源裝置	靜止型，DC600V/AC 230V VVVF起動 / DC 24V
空氣壓縮機	650L/min，3.5HP

2.2 主電動機、主控制裝置的特點
主電動機為采用玻璃纖維200C級絕緣的三相感應電動機，可大幅度地實現小型輕量化。同時，為提高效率，采用了低電阻材料的轉子導體。
主控裝置中，為將盡可能小型化的主控設備裝在電車后部的座位底下，采用了低損耗的半導體元件（IGBT）和將控制功能與保護功能組合一體的IPM元件。半導體元件的冷卻部分采用鋁散熱器控制風冷方式，制成完全無氟利昂等制冷劑的冷卻結構。另外，在干旱季節，城市中有很多細微的塵埃漂浮于道路上，這些塵埃嚴重影響冷卻性能。為防止塵埃進入和堆積于裝置內，冷卻結構的設計應能實現塵埃的抽排。
2.3 耗電量對比試驗及測定結果
為驗證新型無軌電車的變頻節點效果，已將200臺新電車取代152臺電阻式控制的舊電車和48臺斬波控制車。在實際的營運路線上，分別對各種電車進行耗電量測定。測定路線：往路12.3km，停留站數19，復路12.7km，停留數18。測定車型：新型車9700型，電阻控制車3200型，斬波控制車4700型。測定結果列于表2。
表2 無軌電車的耗電量測定

	控制方式	VVVF 變頻器	電阻式	斬波控制式
	車號	9748	3220	4735
往路	耗電量（kwh/車）到達時間（分）乘客數（人）	12.95 25.5 12	15.01 28 24	13.32 28.8 12
復路	耗電量（kwh/車）到達時間（分）乘客數（人）	11.53 25 22	18.68 32.5 60	13.16 28 32
往復平均	耗電量（kwh/車） kwh/km/車到達時間（分）乘客數（人）	12.24 0.979 25.3 17	16.85 1.348 30.3 42	13.24 1.059 28.4 22

因為是營運車，乘客數不固定，且車體重量的差別及途中信號停車次數也不同等原因，測量數據難以避免有些誤差，評定時未專門予以修正。
從測量結果可知，新型車的耗電量為電阻式控制車的72.6%，大幅度地下降了。此值與另外新作的，從停止狀態到40km/加速試驗中需要的耗電量進行比較，結果很吻合，說明測定數據是可靠的。
2.4 新型無軌電車的節電及綜合效益
按一年中無軌電車行駛距離6900km，試分別計算200臺新型電車和200臺舊式電車全年的耗電量。
舊電車一年的耗電量（參照表2數據）：
Q1 =（1.348kwh/km/臺車×152臺+1.059kwh/km/臺車×48臺）×6900km = 17.65Gw.h…………（1）
新型節能電車一年的耗電量：
Q2 = 0.979kwh/km/臺×200臺×6900km = 13.5Gw.h
由式（1）與式（2）之差Q1 - Q2 = 4.15gwh可知，新型變頻控制車的耗電量約減少24%，節電的效果很明顯。因此，不僅需要更換、改造老式電車，而且還提倡將節能型無軌電車廣泛取代其它交通工具。這樣，除大量節能以外，在緩解交通堵塞、減少大氣污染、抑制CO2的排放及噪音等方面均可取得較大效果。
3 軌道車輛用驅動控制裝置的節能
城市軌道交通主要指地下鐵道和地上輕軌，據悉，要完成未來5年建設400km城市軌道交通的任務，需耗資1300億元。最近報紙透露國家投資將占其中1/3。國家計委同時宣布，即將放開大中城市軌道交通建設的審批禁令。
把低損耗的半導體元件IGBT用于無軌電車主控裝置，實現小型輕量化。這同樣也適用于其它的交通車輛。所有車輛中，即使是能量效率好的軌道車輛，為了節能，所用的電機均要求高性能化、輕量化和高效率化。
地鐵主控裝置為輸入三相交流（550V）、由脈寬調制（PWM）的變換器保持COSf = 1，并將三相交流變換成直流以后，變頻器對三相感應電動機進行控制。此法對降低供電側的損耗極為有利。
與改進前原來的車用主控裝置（斬波裝置）比較，體積減小了（改前2.06M3，改后0.93M3）；重量減輕了（改前1090kg，改后445kg）。而且對調控性能優良的每臺電動機實行了單獨控制。此外，原來車輛的斬波裝置額定容量為330kW/臺，而VVVF變頻器裝置的額定容量僅為90kW×2臺。