高信邁，張志強(qiáng)，鄭景文

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

軌道交通作為最經(jīng)濟(jì)、最節(jié)能和最環(huán)保的公共交通方式，一直以降低系統(tǒng)能耗、提高系統(tǒng)效率為主要目標(biāo)。隨著輪軌車輛逐漸接近理論運(yùn)行速度，進(jìn)一步提速幾乎不可能，而利用磁懸浮無接觸的高速磁浮列車具有突破速度限制的潛力。目前我國已經(jīng)擁有上海高速磁懸浮示范線、長沙機(jī)場磁懸浮線、北京S1線、清遠(yuǎn)線和鳳凰旅游線[1]。除上海示范線外，其余均為中低速磁懸浮線路?；谟绊戃壍澜煌芎暮托实囊蛩?，本文通過能量傳輸路徑分析了能耗與效率的關(guān)系，分別對高速磁懸浮、輪軌和中低速磁懸浮系統(tǒng)的牽引電機(jī)、牽引架構(gòu)及車輛阻力進(jìn)行了比較分析。不同牽引電機(jī)及牽引架構(gòu)對應(yīng)不同運(yùn)行速度和能量需求，感應(yīng)直線電機(jī)[2-4]因其效率和功率因數(shù)在系統(tǒng)中不占優(yōu)勢，但采用同步直線電機(jī)[5-6]的高速磁浮將勵(lì)磁與牽引電流分離，獲得不錯(cuò)的牽引效率。最后，通過對比，在相同速度下高速磁浮與輪軌人均能耗相當(dāng)，高速磁浮擁有更高速度運(yùn)行的能力，高速運(yùn)行時(shí)，效率進(jìn)一步提高。

1 軌道交通能量傳遞路徑

電氣化軌道交通系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為列車的高速動(dòng)能和克服車輛阻力的機(jī)械能。將公網(wǎng)電能通過專用輸電網(wǎng)絡(luò)連接到牽引變電站和接觸網(wǎng)，車輛配置受電弓，將高壓電引入車輛饋電傳輸網(wǎng)絡(luò)、牽引變流器和牽引電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)列車，如圖1所示。系統(tǒng)能耗主要包括能量傳輸損耗和車輛阻力能耗。牽引供電系統(tǒng)損耗主要包括變電所和饋線網(wǎng)絡(luò)的輸變電損耗、車載牽引設(shè)備損耗和輔助設(shè)備能耗。車輛阻力能耗至少包含機(jī)械傳動(dòng)摩擦能耗和行駛阻力能耗。

圖1 軌道交通能量傳遞路徑示意圖

式中：Esys_mc，Ep_loss，Ev_c分別為磁懸浮系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)和運(yùn)行阻力的能耗；Esys_rc，Efri_c分別為軌道系統(tǒng)能耗和摩擦阻力能耗；Fopti_r為車輛運(yùn)行的阻力。

高速磁浮采用非接觸式電磁直驅(qū)方式牽引，系統(tǒng)能量的傳輸和轉(zhuǎn)換均在地面完成。由于供電方式不同，高速磁浮能量損耗和輪軌系統(tǒng)也不同。主要有2個(gè)區(qū)別：①高速磁浮系統(tǒng)沒有滾動(dòng)摩擦和機(jī)械傳動(dòng)損耗；②輪軌系統(tǒng)采用集中式牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)，高速磁浮牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)遠(yuǎn)大于列車長度。

車輛阻力和能量傳輸效率是車輛能耗的決定性因素。在高速軌道交通中，車輛阻力能耗是系統(tǒng)能耗的主要組成部分，牽引供電系統(tǒng)需要滿足車輛能源需求，其效率間接影響系統(tǒng)能耗。不同的牽引架構(gòu)具有不同的能量傳輸模式、傳輸容量和效率。減小車輛阻力可以減少車輛運(yùn)行所需的能量。提高牽引供電系統(tǒng)及其部件的效率可以提高軌道交通系統(tǒng)的能量傳輸能力和效率，兩者都可以降低系統(tǒng)能耗。

2 不同速度等級下高速磁浮系統(tǒng)效率

目前，磁懸浮列車主要分為高速磁懸浮列車和低速磁懸浮列車。其牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和牽引電動(dòng)機(jī)截然不同。

2.1 異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

用于輪軌車輛牽引電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)由硅鋼定子、電樞（由分布式多匝雙層銅繞組組成）、轉(zhuǎn)子（由短路自閉鑄鋁導(dǎo)體和軟磁鋼組成）和支撐轉(zhuǎn)子的機(jī)械軸承組成。中低速磁懸浮一般采用短定子異步直線電機(jī)。短定子屬于車載設(shè)備，由硅鋼片壓制堆疊定子鐵芯和多匝雙層銅繞組組成。次級反應(yīng)板沿軌道鋪設(shè)，由鋁板和軟磁鋼板組成。

定子繞組由交流變流器供電，通過車載三相變流器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流和磁場由交變定子磁場產(chǎn)生。基于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率的感應(yīng)磁場與旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止。通過這種方式，提供了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩并保持了電機(jī)的穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。從圖2可以看出，感應(yīng)電機(jī)勵(lì)磁電流和等效轉(zhuǎn)子電流的矢量和等于定子繞組電流。保持輸出功率不變，氣隙越大，需要的勵(lì)磁電流越大，勵(lì)磁電流占定子電流的比例越高，即功率因數(shù)越低。勵(lì)磁電流是建立電機(jī)氣隙磁場的電流，不會(huì)直接轉(zhuǎn)換功率，但其通過定子繞組饋入電機(jī)，也會(huì)導(dǎo)致定子銅損失，即電機(jī)效率低，如圖3所示。當(dāng)電機(jī)的氣隙磁場保持恒定時(shí)，滑差率越大，轉(zhuǎn)子電流越大，效率和功率因數(shù)越低，如圖4所示。

圖2 異步感應(yīng)電機(jī)等效電路

圖3 異步感應(yīng)電機(jī)氣隙特性

圖4 異步感應(yīng)電機(jī)滑差特性

異步旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)與異步直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的區(qū)別：①普通異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作氣隙僅為0.5～2 mm，中低速磁懸浮異步直線電動(dòng)機(jī)的工作間隙為8～13 mm。②一般異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率為0.02，中低速磁懸浮的轉(zhuǎn)差為0.2，即磁懸浮直線異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和磁場頻率更高。③直線電機(jī)磁路開路，端極磁場泄漏嚴(yán)重，端部電樞繞組不對稱，降低了電機(jī)效率。

基于間隙配合、機(jī)械裝配誤差和安全性等要求，磁懸浮異步直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)，一般為8～13 mm，中低速磁懸浮異步直線感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率都比旋轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)差。

2.2 同步電機(jī)

永磁旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)或電勵(lì)磁線性同步電機(jī)的等效電路如圖5所示。同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)取決于電動(dòng)機(jī)端電壓和反電勢之間的幅度差，即可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)同步電動(dòng)機(jī)的電源因數(shù)。

圖5 同步電機(jī)等效電路

永磁同步電機(jī)由具有硅鋼定子和雙層集中銅繞組的電樞、帶有軟磁鋼的嵌入式永磁轉(zhuǎn)子和支撐轉(zhuǎn)子的機(jī)械軸承組成。轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵可以等效于電路中的勵(lì)磁電流。高速磁懸浮長定子同步直線電機(jī)的長定子沿軌道左右兩側(cè)布置，由層壓硅鋼片和單匝波鋁繞組組成；磁極屬于車載設(shè)備，由硅鋼片和多匝鋁箔繞組組成。由永磁體或電勵(lì)磁產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁產(chǎn)生主磁極磁場。將與磁極位置相關(guān)的三相交流電引入定子電樞繞組，形成旋轉(zhuǎn)磁場或行波磁場，與主磁極磁場相互作用，產(chǎn)生牽引力矩或牽引力，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行。

從等效電路和同步電動(dòng)機(jī)的特性可知，勵(lì)磁電流隨著間隙的增大而增大。保持輸出功率不變，定子電流和功率因數(shù)與氣隙無關(guān)。由于勵(lì)磁功率的增加，電機(jī)效率略有下降，如圖6所示。對于高速磁懸浮同步直線電機(jī)，單車牽引功率約為4.2 MW，勵(lì)磁功率為80 kW。勵(lì)磁損耗占牽引傳輸功率的一小部分。與旋轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)相比，高速磁懸浮直線同步電機(jī)的主要區(qū)別在于氣隙為8～12 mm，遠(yuǎn)大于一般約2 mm的旋轉(zhuǎn)永磁同步電機(jī)。

圖6 同步電機(jī)氣隙特性

中低速磁懸浮采用短定子感應(yīng)直線電機(jī)，高速磁懸浮采用長定子同步直線電機(jī)。兩者的工作氣隙均為8～13mm，但氣隙對其影響明顯不同。

短定子直線感應(yīng)電機(jī)的主極磁場和轉(zhuǎn)子無功電流磁場的磁阻都隨著氣隙的增加而增加，并且主極磁場電流和轉(zhuǎn)子磁場電流都由電機(jī)定子繞組電流提供。當(dāng)氣隙增大或滑移率增大時(shí)，定子電流中的無功分量大大增加，導(dǎo)致短定子直線感應(yīng)電機(jī)的功率因數(shù)和效率嚴(yán)重下降。

直線同步電機(jī)氣隙增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流增加，但與定子電流無關(guān)。電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)可以通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來調(diào)節(jié)，并且電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁功率與電動(dòng)機(jī)的傳輸功率的比例很小，這對效率的影響有限。4種軌道交通不同制式牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能比較表，見表1。4種不同電機(jī)損耗和性能的定性比較，見表2。

表1 4種軌道交通不同制式牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能比較

表2 4種軌道交通不同制式牽引驅(qū)動(dòng)電機(jī)損耗和性能的定性比較

2.3 牽引系統(tǒng)架構(gòu)

不同軌道車輛的牽引系統(tǒng)的供電結(jié)構(gòu)有很大不同，牽引供電系統(tǒng)為車輛所需的能量提供傳輸通道。車輛的速度水平和阻力決定了車輛運(yùn)行時(shí)的供電水平，牽引系統(tǒng)架構(gòu)決定了供電能力和系統(tǒng)效率。

2.3.1 高速動(dòng)車組的供電架構(gòu)

由圖7可知，高速動(dòng)車組牽引電源從110 kV公共電網(wǎng)引入牽引變電所，通過接觸網(wǎng)沿軌道供電。該路段的車輛由受電弓移動(dòng)提供動(dòng)力。單相25 kV高壓電源通過高壓接線柜、牽引變壓器和牽引變流器為三相牽引電動(dòng)機(jī)提供變壓變頻電源。牽引電機(jī)與變速箱軸相連，實(shí)現(xiàn)輪對牽引車輛的機(jī)械驅(qū)動(dòng)。牽引供電網(wǎng)絡(luò)可滿足8節(jié)編組或16節(jié)編組列車350 km/h的要求。根據(jù)牽引電動(dòng)機(jī)的功率，牽引供電系統(tǒng)應(yīng)能提供23.5 MVA以上的能量傳輸通道。

圖7 高速動(dòng)車組牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)

2.3.2 中低速磁懸浮牽引架構(gòu)

中低速磁浮牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示，供電電源從35 kV配電網(wǎng)引入，經(jīng)整流成1 500 V直流電源，通過供電軌或受電弓移動(dòng)饋電至車輛。車輛設(shè)置牽引變流器、輔助變流器將直流電源變換為指定的交流電源。牽引變流器給牽引電機(jī)供電；輔助變流器為懸浮及車載設(shè)備供電。磁浮車輛采用直線電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，為提高車輛加速能力提供了可能，但是因懸浮控制的精度及系統(tǒng)安全的要求，懸浮間隙一般在8~13 mm，為提高電機(jī)能量傳輸效率，轉(zhuǎn)差頻率一般比旋轉(zhuǎn)電機(jī)高，兩者降低了牽引電機(jī)的功率因數(shù)和牽引效率。中低速磁浮牽引供電容量遠(yuǎn)大于車輛牽引功率，故該類型的軌道牽引功率因數(shù)低，效率也不高。

圖8 中低速磁浮牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)

2.3.3 高速磁懸浮牽引架構(gòu)

高速磁懸浮牽引的供電能量傳輸路徑在地面。動(dòng)子的勵(lì)磁磁場與懸浮一起使用。車載磁極提供懸浮力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)同步線性電機(jī)的勵(lì)磁。高速磁浮牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。高速磁懸浮牽引電源來自公共110 kV電網(wǎng)，將通過主變電站提供35 kV電源，形成35 kV電源環(huán)網(wǎng)、牽引輸入變壓器、牽引變流器、牽引輸出變壓器和牽引線性電機(jī)。車載懸架引導(dǎo)和其他設(shè)備的電力由諧波線性發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，以向車輛供電，從而增加車輛牽引阻力。牽引線性電機(jī)沿軌道分段供電。車輛的定子部分需要整體電源，這導(dǎo)致了電源阻抗較大，電機(jī)功率因數(shù)和效率比旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)更低。高速磁浮運(yùn)行目標(biāo)為600 km/h，5節(jié)編組列車的牽引電機(jī)應(yīng)保持96 MVA的輸電能力。

圖9 高速磁浮牽引供電系統(tǒng)架構(gòu)

電機(jī)結(jié)構(gòu)對電機(jī)效率有著重大影響，車輛需求的功率等級和軌道型式?jīng)Q定了采用何種牽引電機(jī)。不同軌道牽引供電架構(gòu)效率比較見表3。

表3 不同軌道牽引供電架構(gòu)效率比較

1）磁浮直線電機(jī)氣隙（8~13 mm）較旋轉(zhuǎn)電機(jī)氣隙（1~3 mm）大。異步感應(yīng)電機(jī)對氣隙增大比較敏感，受影響較大。同步電機(jī)對氣隙增大不敏感，僅對勵(lì)磁電流比較敏感，電機(jī)效率及電機(jī)功率因數(shù)影響不大。

2）電力驅(qū)動(dòng)的軌道列車能量自公網(wǎng)接入牽引變電所，經(jīng)饋電線路、變壓器和變流器至牽引電機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械力的基本途徑差異不大。

3）不同牽引供電架構(gòu)的供電能力差異較大，對應(yīng)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行速度存在較大差異。

4）牽引電機(jī)在供電架構(gòu)中均是損失能量占比最大的部件，提升牽引電機(jī)的效率對提升牽引系統(tǒng)效率作用明顯。

3 運(yùn)行阻力

輪軌和高速磁浮系統(tǒng)車輛在支撐、導(dǎo)向和牽引實(shí)現(xiàn)的方式存在顯著差異，其車輛運(yùn)行中的阻力及阻力成分存在較大差異。車輛阻力主要包括行駛阻力和加速阻力，對于干線運(yùn)輸影響車輛能耗的主要為行駛阻力。行駛阻力中，對于輪軌車輛相關(guān)的阻力主要包括滾動(dòng)阻力、空氣可變阻力（車輛氣路、空調(diào)排風(fēng)等）和氣動(dòng)阻力；對于高速磁浮列車相關(guān)的阻力主要為發(fā)電阻力、磁化阻力和空氣阻力。

3.1 輪軌車輛阻力構(gòu)成

輪軌車輛中行駛阻力主要有與速度無關(guān)的相對恒定的滾動(dòng)阻力、與運(yùn)行速度相關(guān)的空氣脈沖阻力和與速度平方相關(guān)的氣動(dòng)阻力，如圖10所示。隨著速度的升高，氣動(dòng)阻力占比急劇上升，如圖11所示。影響氣動(dòng)阻力的主要因素有頭車、尾車及列車表面平滑度等。在高速列車中為了降低車輛氣動(dòng)阻力針對頭型進(jìn)行流線設(shè)計(jì)，表面進(jìn)行平滑處理。

圖10 輪軌車輛阻力構(gòu)成

圖11 高速動(dòng)車組平直道高速運(yùn)行阻力占比

3.2 高速磁浮車輛阻力構(gòu)成

常導(dǎo)高速磁浮列車的阻力有與速度倒數(shù)相關(guān)的車載負(fù)荷供電阻力、與速度均方根成正比的磁化阻力和與速度平方成正比的氣動(dòng)阻力，如圖12所示。同輪軌車相似的情況，隨著速度的增加，氣動(dòng)阻力占總阻力的比例上升，如圖13所示。同樣為了降低車輛氣動(dòng)阻力，對頭車車型及車輛表面進(jìn)行優(yōu)化處理。

圖12 常導(dǎo)高速磁浮車輛阻力構(gòu)成

圖13 常導(dǎo)高速磁浮350 km/h運(yùn)行時(shí)阻力占比

常導(dǎo)高速磁浮與高速輪軌運(yùn)行阻力與速度的關(guān)系圖，如圖14所示。圖中高速輪軌車輛為8節(jié)編組，高速磁浮車輛為5節(jié)編組。高速磁浮在車載發(fā)電機(jī)未投入工作時(shí)，車輛阻力低于輪軌車輛。當(dāng)運(yùn)行速度大于100 km/h后車載發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行，因要滿足車載設(shè)備載荷且車輛運(yùn)行速度較低，發(fā)電阻力占比較大。隨著速度的提升，氣動(dòng)阻力和磁化阻力增加，發(fā)電阻力下降，其占比關(guān)系發(fā)生顯著變化。在車輛高速運(yùn)行時(shí)，輪軌車輛氣動(dòng)阻力超過80%，磁浮車輛的氣動(dòng)阻力占比也達(dá)到76%，因此對車輛頭型及表面進(jìn)行優(yōu)化是降低車輛能耗的主要措施。這些減阻技術(shù)措施與輪軌還是磁浮制式無關(guān)。600 km/h高速磁浮在動(dòng)車車型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上優(yōu)化而成，600 km/h高速磁浮列車相對于既有的動(dòng)車車輛，其同等速度下氣動(dòng)阻力有所下降。

圖14 常導(dǎo)高速磁浮與高速輪軌運(yùn)行阻力與速度的關(guān)系

4 能耗組成及占比

為直觀地比較高速輪軌與高速磁浮能耗及各部分占比，參考8節(jié)編組標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組各阻力和動(dòng)車組牽引供電系統(tǒng)效率仿真計(jì)算了350 km/h速度下運(yùn)行1 000 km對應(yīng)的系統(tǒng)能耗，結(jié)果如圖15所示。同時(shí)，計(jì)算了高速磁浮8節(jié)編組列車按350 km/h速度運(yùn)行1 000 km對應(yīng)的系統(tǒng)能耗，結(jié)果如圖16所示。按照相同速度及線路條件下仿真計(jì)算輪軌與磁浮系統(tǒng)，高速磁浮系統(tǒng)能耗略優(yōu)于輪軌，約為99.2%。

圖15 動(dòng)車組350km/h運(yùn)行1 000 km系統(tǒng)能耗

圖16 高速磁浮350km/h運(yùn)行1 000 km系統(tǒng)能耗

5 結(jié)論

低能耗、高效率一直是軌道交通裝備追求的目標(biāo)之一。能耗是不同速度級的列車為達(dá)到期望運(yùn)營目標(biāo)而消費(fèi)的能量，通常以人均百公里能耗作為軌道車輛的節(jié)能降耗狀況的直接評價(jià)指標(biāo)。低能耗是綠色節(jié)能交通追求的直接目標(biāo)。效率是系統(tǒng)傳遞或變換能量時(shí)，有效傳遞或變換能量與系統(tǒng)輸入總能量的比值，是直接評價(jià)系統(tǒng)利用能量的技術(shù)水平指標(biāo)，是間接反映系統(tǒng)節(jié)能水平的指標(biāo)。

1）降低系統(tǒng)能耗是軌道交通追求的最終目標(biāo)，也是評判不同制式絕對節(jié)能水平的唯一直接指標(biāo)，效率是評價(jià)能量利用水平的指標(biāo)，是評判系統(tǒng)節(jié)能水平的相對的、間接的指標(biāo)。

2）大容量直驅(qū)的直線同步牽引系統(tǒng)效率略低于輪軌旋轉(zhuǎn)異步電機(jī)牽引系統(tǒng)效率。

3）按350 km/h運(yùn)行，高速磁浮系統(tǒng)能耗與輪軌系統(tǒng)能耗相當(dāng)。

4）采用何種形式的牽引電機(jī)，取決于車輛空間、運(yùn)行速度、加速要求、車輛阻力和系統(tǒng)效率等多種因素。