劉川++羅敏
摘 要:地鐵列車的能耗主要是列車通過受電弓或集電靴從接觸網(wǎng)或接觸軌獲得并消耗掉的電能,為列車牽引能耗和列車輔助能耗兩部分之和。因此,從降低列車牽引能耗和降低列車輔助能耗兩方面進(jìn)行考慮,通過對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵車輛項(xiàng)目的研究,分析并總結(jié)地鐵車輛在各系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì),以及應(yīng)用并推薦的前沿節(jié)能技術(shù)。
關(guān)鍵詞:節(jié)能;輕量化;車體;輔助能耗;永磁直驅(qū)
中圖分類號(hào):TE08 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
一、概述
隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,對(duì)能源的需求日益增加,這就對(duì)各行業(yè)提出了更高的要求,尤其是在系統(tǒng)節(jié)能的方案設(shè)計(jì)選擇上尤為重要,同樣地鐵車輛的節(jié)能設(shè)計(jì)也顯得尤為突出。
地鐵列車的能耗主要是列車通過受電弓或集電靴兩類方式從接觸網(wǎng)或接觸軌上獲得并消耗電能,列車能耗包括了列車牽引能耗和列車輔助能耗兩部分之和。因此,列車的節(jié)能就要能夠從降低列車牽引能耗和降低列車輔助能耗兩方面入手進(jìn)行考慮,通過對(duì)國(guó)內(nèi)地鐵車輛項(xiàng)目的研究,分析并總結(jié)出地鐵車輛在各方面進(jìn)行的節(jié)能設(shè)計(jì),以及應(yīng)用并推薦的前沿節(jié)能技術(shù)。
二、降低列車牽引能耗
1.提高牽引系統(tǒng)效率
牽引傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)采用VVVF交流傳動(dòng)技術(shù)。牽引逆變器效率不宜低于0.97,牽引電機(jī)效率不宜低于0.9,齒輪傳動(dòng)效率不宜低于0.97。目前交流異步電機(jī)牽引系統(tǒng)的效率已經(jīng)達(dá)到該項(xiàng)技術(shù)的較高水平,要提高牽引系統(tǒng)的效率,可采用永磁直驅(qū)同步牽引電機(jī)(圖1)加碳化硅變流器技術(shù)。使用永磁直驅(qū)同步牽引電機(jī)后,減少了齒輪箱,提高了效率;使用碳化硅變流器,可使逆變器輸出近似完美的正弦波電流來控制電機(jī),從而減少電機(jī)的銅損和鐵損,進(jìn)一步提高效率。使用碳化硅變流器,在降低電機(jī)銅損和鐵損的同時(shí),大大降低了電機(jī)的發(fā)熱,使得永磁直驅(qū)電機(jī)可從水冷轉(zhuǎn)變?yōu)樽咝酗L(fēng)冷,可減少地鐵底架的水冷箱及水冷泵,減少整車自重量,也減少能耗。
2.制動(dòng)過程中的能量利用
當(dāng)前國(guó)內(nèi)所采用的地鐵列車普遍具備了電制動(dòng)功能,常用制動(dòng)情況下電制動(dòng)優(yōu)先,電制動(dòng)時(shí)優(yōu)先采用再生制動(dòng)。為了減少空氣制動(dòng)系統(tǒng)閘瓦的磨耗,建議在AW0-AW3載荷范圍內(nèi),電制動(dòng)的起始速度應(yīng)為80km/h,電制動(dòng)的結(jié)束速度應(yīng)為3km/h~0km/h,即實(shí)現(xiàn)整個(gè)速度范圍內(nèi)的全電制動(dòng)。
電制動(dòng)時(shí)優(yōu)先采用再生制動(dòng),當(dāng)再生能量不能被電網(wǎng)吸收時(shí)會(huì)施加電阻制動(dòng)。列車再生制動(dòng)時(shí),電流會(huì)反饋回電網(wǎng),被鄰近的列車吸收用于牽引;當(dāng)相鄰列車吸收的電能小于再生制動(dòng)的電能時(shí),列車就會(huì)通過制動(dòng)電阻將多余的電能消耗掉。因此,電制動(dòng)過程中的節(jié)能在于盡量多的吸收再生制動(dòng)的能量,這與在同一線路上的行車組織有關(guān)聯(lián);同時(shí)將原制動(dòng)電阻損耗的能量利用起來,安裝地面再生制動(dòng)吸收裝置。下面簡(jiǎn)單介紹國(guó)內(nèi)的幾種能量吸收方案。
(1)地面再生制動(dòng)吸收裝置
地面再生制動(dòng)吸收裝置分類:電阻能耗型、電容儲(chǔ)能型、電阻+逆變器回饋型。
在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用案例:
電阻消耗型能量吸收裝置:廣州4號(hào)線、天津1號(hào)線、重慶輕軌等項(xiàng)目。
電容或飛輪儲(chǔ)能型能量吸收裝置:北京5號(hào)線等項(xiàng)目。
電阻+逆變器回饋型能量吸收裝置:鄭州1號(hào)線等項(xiàng)目。
(a)電阻能耗型地面再生制動(dòng)吸收裝置
如圖1和圖2所示:吸收裝置控制系統(tǒng)采集到直流母線電壓及電流信號(hào)及整流變壓器一次側(cè)的交流電壓信號(hào),綜合判斷列車牽引、制動(dòng)情況,吸收裝置根據(jù)判斷來確定斬波器的導(dǎo)通比和吸收支路的投入數(shù)量,控制線網(wǎng)電壓維持在某一設(shè)定范圍之內(nèi),確保車輛的安全運(yùn)行。4個(gè)獨(dú)立的吸收電阻支路,每個(gè)支路由IGBT斬波器與吸收電阻組成,構(gòu)成四相不重恒壓吸收控制系統(tǒng)。
(b)電阻+逆變器回饋型地面再生制動(dòng)吸收裝置
如圖3所示:當(dāng)電阻+逆變混合型制動(dòng)能量吸收裝置啟動(dòng)。逆變器率先投入,將再生電能逆變成三相交流電并饋入車站400 V 配電網(wǎng),給AC400 V負(fù)載使用。當(dāng)列車制動(dòng)能量較大,再生能量超出逆變器容量時(shí)(表現(xiàn)為線網(wǎng)電壓升高至某一限值)電阻投入,與逆變器共同吸收再生能量。當(dāng)再生能量下降至逆變器吸收范圍內(nèi)時(shí)(表現(xiàn)為線網(wǎng)電壓下降到某一限值)電阻退出,仍由逆變器獨(dú)自吸收再生能量。
(c)電容儲(chǔ)能型地面再生制動(dòng)吸收裝置
采用IGBT逆變器,將列車的再制動(dòng)能量吸收到電容或飛輪電機(jī)中,當(dāng)供電區(qū)有其他車牽引時(shí),裝置將儲(chǔ)存的電能釋放并進(jìn)行再利用。
對(duì)于以上3種地面能量吸收方案,個(gè)人的認(rèn)識(shí)為:
(1)發(fā)車密度小則制動(dòng)電阻容量需求大,間隔大于6min時(shí),再生制動(dòng)能量被其他列車吸收的概率幾乎為零。
(2)不同線路區(qū)間,列車運(yùn)行方式及線路特征不同,再生制動(dòng)能量回饋值差異很大,因此各變電站內(nèi)地面再生制動(dòng)能量吸收裝置設(shè)置應(yīng)根據(jù)列車在該區(qū)段的運(yùn)行特性分別進(jìn)行考慮。
(3)能量吸收裝置控制系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的判斷,具有完善的保護(hù)措施,如過壓、過流、過熱、短路保護(hù)等。
(4)具有遠(yuǎn)程與本地監(jiān)控系統(tǒng),能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能量吸收裝置的工作狀態(tài)。
(5)地面能量吸收裝置的安裝方式、散熱問題等需要慎重考慮。
3.輕量化節(jié)能
車輛的輕量化設(shè)計(jì),將直接降低牽引能耗,實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
(1)輕量化的車體
在滿足車體靜強(qiáng)度、碰撞及疲勞要求的情況下,目前國(guó)內(nèi)的鋁合金車體重量已經(jīng)做到Tc車6.5t,M1和M2車6.3t,車輛AW0狀態(tài)下重量為:Tc車29.8t、M1車31.3、M2車31.7t。這個(gè)重量比地鐵招標(biāo)模板規(guī)定的Tc車33t、M車35t輕很多。
若按照50%的電制動(dòng)能量反饋被使用情況,在AW2狀態(tài)下,使用輕量化列車的一條線路一年能夠節(jié)省約500多萬千瓦時(shí)電量,帶來非??捎^的電能節(jié)省。
(2)部件的輕量化設(shè)計(jì)
采用稀土耐蝕光亮鋁合金材質(zhì)的鋁合金扶手,在滿足乘客抓扶和沖擊工況的前提下,一輛車的鋁合金扶手比不銹鋼扶手輕約100kg。采用新型非鋁合金及鋁蜂窩結(jié)構(gòu)的風(fēng)道和鋁蜂窩地板,也能帶來每輛車減輕約200kg的重量。
三、降低列車輔助能耗
1.空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能
對(duì)于需要使用客室座椅下電加熱的城市,建議使用熱泵空調(diào),熱泵空調(diào)機(jī)組由于采用逆卡諾循環(huán),通過四通換向閥將空調(diào)系統(tǒng)的制冷循環(huán)轉(zhuǎn)換成制熱循環(huán),熱泵空調(diào)機(jī)組的能效比可以達(dá)到2.4以上;而電加熱由于采用電阻絲的方式,通過電加熱絲將電能轉(zhuǎn)化成熱能輸出。由于電加熱絲屬于物理制熱轉(zhuǎn)化,效率最大能達(dá)到0.9。
2.在提高列車自身的隔熱、隔音性能方面可以采用如下設(shè)計(jì):
(1)在車體內(nèi)表面,車頂、側(cè)墻、端墻上粘貼性能優(yōu)良的防寒材。
(2)車門門頁采用鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。
(3)車窗和車門玻璃均采用雙層中空結(jié)構(gòu)。
(4)貫通道棚布采用雙層結(jié)構(gòu),提高其隔熱隔音性能。
(5)地板采用5層夾層結(jié)構(gòu),內(nèi)貼防寒材,提高其隔熱隔音效果。
四、新技術(shù)推薦
永磁直驅(qū)地鐵車輛應(yīng)是地鐵發(fā)展的一個(gè)方向。
單個(gè)異步系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架重量與單個(gè)永磁直驅(qū)系統(tǒng)轉(zhuǎn)向架重量的對(duì)比,拖車轉(zhuǎn)向架重量可減重0.5t,動(dòng)車轉(zhuǎn)向架重量可減重0.4t。從這組數(shù)據(jù)可以看出,轉(zhuǎn)向架的減重為每個(gè)拖車減重1t,每個(gè)動(dòng)車減重0.8t,如整車為4動(dòng)2拖的6編組車輛,則整列車可減重5.2t,又能夠降低牽引能耗,節(jié)省電能。
結(jié)論
通過降低牽引能耗、減少輔助能耗能夠?yàn)榈罔F車輛帶來非??捎^的節(jié)能,隨著科技的發(fā)展,預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)以后會(huì)在地面能量吸收及永磁直驅(qū)車輛方面進(jìn)行更多的嘗試,進(jìn)一步降低能耗,實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
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