無軌電車等交通車輛的變頻節(jié)能
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(shù)，不僅可實(shí)現(xiàn)節(jié)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(jié)約能源與發(fā)展綠色交通，無軌電車為各類公交之首選，也是解決城市環(huán)境污染的最有效途徑之一。
[關(guān)鍵詞]
變頻控制 節(jié)能 無軌電車
1、前言
最近一段時(shí)間，因?yàn)橛蛢r(jià)的飆升，公交系統(tǒng)紛紛叫苦不堪，唯有電車公司未受影響，可見發(fā)展電車交通的穩(wěn)定性。尤其目前，對改善環(huán)境、加強(qiáng)環(huán)保顯得愈益緊迫和重要。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市中新增加80輛電車（如廣州市），市中心區(qū)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(yán)重問題，國家計(jì)委計(jì)劃在未來5年里建設(shè)400km的地鐵建設(shè)的同時(shí)，應(yīng)大力發(fā)展無軌電車，特別是新型的變頻節(jié)能無軌電車。
本文介紹了城市中新型無軌電車的主要規(guī)格參數(shù)以及新采取的有效改進(jìn)措施。此外還介紹了軌道車輛用驅(qū)動(dòng)控制裝置中的變頻節(jié)能效果。
2 新型無軌電車及其節(jié)能效果
2.1 新型無軌電車概述
變頻節(jié)能型無軌電車系統(tǒng)主要通過以下措施實(shí)現(xiàn)無軌電車的節(jié)能：（1）對主控裝置中的驅(qū)動(dòng)設(shè)備等采用高效率的電動(dòng)機(jī)，而對主電動(dòng)機(jī)則采用VVVF的變頻器控制。對輔助電源裝置也用VVVF起動(dòng)方式，以便減小由起動(dòng)時(shí)沖擊電流導(dǎo)致空壓機(jī)用電動(dòng)機(jī)的損耗；（2）對車輛上各部機(jī)器實(shí)現(xiàn)小型輕量化的同時(shí)，盡力擴(kuò)大電車的車內(nèi)空間，增加乘客的定員數(shù)；（3）改善車輛性能，提高最大加速度，使在一般道路上能平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。新型無軌電車的主要規(guī)格參數(shù)列于表1。
表1 新型變頻電車的規(guī)格參數(shù)
|
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(dòng)式 |
|
走行裝置 |
2軸6輪，補(bǔ)膠輸胎 |
|
主電動(dòng)機(jī) |
三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，自通風(fēng)式 |
|
主控裝置 |
VVVF變頻器控制方式 |
|
輔助電源裝置 |
靜止型，DC600V/AC 230V |
|
空氣壓縮機(jī) |
650L/min，3.5HP |
2.2 主電動(dòng)機(jī)、主控制裝置的特點(diǎn) 控制方式 VVVF 電阻式 斬波 車號 9748 3220 4735 耗電量（kwh/車） 12.95 15.01 13.32 耗電量（kwh/車） 11.53 18.68 13.16 耗電量（kwh/車） 12.24 16.85 13.24
主電動(dòng)機(jī)為采用玻璃纖維200C級絕緣的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，可大幅度地實(shí)現(xiàn)小型輕量化。同時(shí)，為提高效率，采用了低電阻材料的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體。
主控裝置中，為將盡可能小型化的主控設(shè)備裝在電車后部的座位底下，采用了低損耗的半導(dǎo)體元件（IGBT）和將控制功能與保護(hù)功能組合一體的IPM元件。半導(dǎo)體元件的冷卻部分采用鋁散熱器控制風(fēng)冷方式，制成完全無氟利昂等制冷劑的冷卻結(jié)構(gòu)。另外，在干旱季節(jié)，城市中有很多細(xì)微的塵埃漂浮于道路上，這些塵埃嚴(yán)重影響冷卻性能。為防止塵埃進(jìn)入和堆積于裝置內(nèi)，冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)塵埃的抽排。
2.3 耗電量對比試驗(yàn)及測定結(jié)果
為驗(yàn)證新型無軌電車的變頻節(jié)點(diǎn)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(shí)際的營運(yùn)路線上，分別對各種電車進(jìn)行耗電量測定。測定路線：往路12.3km，停留站數(shù)19，復(fù)路12.7km，停留數(shù)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(jié)果列于表2。
表2 無軌電車的耗電量測定
變頻器
控制式
往路
到達(dá)時(shí)間（分）
乘客數(shù)（人）
25.5
12
28
24
28.8
12
復(fù)路
到達(dá)時(shí)間（分）
乘客數(shù)（人）
25
22
32.5
60
28
32
往復(fù)平均
kwh/km/車
到達(dá)時(shí)間（分）
乘客數(shù)（人）
0.979
25.3
17
1.348
30.3
42
1.059
28.4
22
因?yàn)槭菭I運(yùn)車，乘客數(shù)不固定，且車體重量的差別及途中信號停車次數(shù)也不同等原因，測量數(shù)據(jù)難以避免有些誤差，評定時(shí)未專門予以修正。
從測量結(jié)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?fàn)顟B(tài)到40km/加速試驗(yàn)中需要的耗電量進(jìn)行比較，結(jié)果很吻合，說明測定數(shù)據(jù)是可靠的。
2.4 新型無軌電車的節(jié)電及綜合效益
按一年中無軌電車行駛距離6900km，試分別計(jì)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(shù)據(jù)）：
Q1 =（1.348kwh/km/臺車×152臺+1.059kwh/km/臺車×48臺）×6900km = 17.65Gw.h…………（1）
新型節(jié)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(jié)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(jié)能型無軌電車廣泛取代其它交通工具。這樣，除大量節(jié)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(qū)動(dòng)控制裝置的節(jié)能
城市軌道交通主要指地下鐵道和地上輕軌，據(jù)悉，要完成未來5年建設(shè)400km城市軌道交通的任務(wù)，需耗資1300億元。最近報(bào)紙透露國家投資將占其中1/3。國家計(jì)委同時(shí)宣布，即將放開大中城市軌道交通建設(shè)的審批禁令。
把低損耗的半導(dǎo)體元件IGBT用于無軌電車主控裝置，實(shí)現(xiàn)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(jié)能，所用的電機(jī)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(diào)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(yīng)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。此法對降低供電側(cè)的損耗極為有利。
與改進(jìn)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(diào)控性能優(yōu)良的每臺電動(dòng)機(jī)實(shí)行了單獨(dú)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。
文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。
服務(wù)咨詢