城市軌道交通車輛電制動

1、第4章 電制動4.1 電制動的必要性和基本要求4.1.1 電制動的必要性現(xiàn)在最多采用的閘瓦制動，但其摩擦產(chǎn)生的熱能在閘瓦和車輪踏面間積聚，溫度急劇升高，嚴(yán)重時高溫可熔化閘瓦或燒灼踏面。同時，閘瓦與車輪踏面摩擦后會產(chǎn)生粉塵和熱量，對環(huán)境有嚴(yán)重的污染，而且，頻繁和過量的使用摩擦制動，將使閘瓦更換頻繁，車輛踏面的維修大量增加。為了減少機(jī)械摩擦的損耗，應(yīng)盡量采用無污染的制動方式，目前最好的方法就是使用電制動。由于現(xiàn)代城市軌道交通車輛一般都是采用電力牽引的動車組，采用直流或交流電動機(jī)牽引動力，因此以電氣制動作為主要制動已成為潮流。電動車組中既有動車又有拖車，除了拖車沒有電動機(jī)只能使用摩擦外，所有動車都可

2、以動力制動，并且還可以承擔(dān)部分拖車的制動力。通過轉(zhuǎn)換電路和受電器將電能反饋給供電觸網(wǎng)，提供本車輔助電源或同一電網(wǎng)中相鄰運(yùn)行列車使用的方式，叫再生制動。如果網(wǎng)壓太高，不能接受反饋電能，只能通過列車上的電阻器發(fā)熱消耗，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)到大氣中去，就叫電阻制動。4.1.2 電制動的基本要求一個安全可靠的電制動(動力制動)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下基本要求：(1)應(yīng)具有機(jī)械的穩(wěn)定性。即電制動時，如果列車速度增加，制動力也應(yīng)隨之增加。(2)應(yīng)具有電上的穩(wěn)定性。電制動時如果發(fā)生瞬時電流波動，系統(tǒng)能自動恢復(fù)原來的平衡狀態(tài)。(3)各臺電動機(jī)的制動力應(yīng)相等。(4)制動過程中無論外界條件有什么瞬時變化，例如，電網(wǎng)電壓波動、黏著

3、條件變化以及人為的調(diào)節(jié)等，都不應(yīng)產(chǎn)生大電流的沖擊和制動力的沖擊。(5)電氣制動電路的設(shè)計力求簡單。4.2 電阻制動再生制動失敗，列車主電路會自動切斷反饋電路轉(zhuǎn)入電阻制動電路。這時由列車運(yùn)行動能轉(zhuǎn)換成的電能將全部消耗在列車上的電阻器中，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苌l(fā)到大氣中去。因此，電阻制動又稱為能耗制動。圖4-1所示為一個直流斬波控制電阻制動電路。斬波控制器(GTO)按制動控制指令不斷改變導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)制動電壓和電流的大小。電路中的電阻(R7R9)也根據(jù)制動電流調(diào)節(jié)需要，按照車速的逐步減低而逐級短接，最后全部切除。圖4-1 直流制列車的直流斬波控制電阻制動電路在常規(guī)電阻制動中，電動機(jī)的電樞電流隨著機(jī)車速度的減小

4、而減小，機(jī)車輪周制動力也隨著機(jī)車的速度變化而變化。加饋電阻制動就是為提高機(jī)車在低速運(yùn)行時的輪周制動力，從電網(wǎng)中吸收電能，補(bǔ)足到電動機(jī)的電樞電流中去，以獲得理想的輪周制動力。其優(yōu)點(diǎn)一是加寬了調(diào)速范圍，最大制動力可以延伸至接近零；二是能較方便地實(shí)現(xiàn)恒制動力控制。目前大部分電力機(jī)車都采用這種制動方式。一般來說，相控機(jī)車上不另設(shè)加饋電源，而是使用牽引時整流調(diào)壓電路在制動工況作為加饋電源。在加饋區(qū)制動時，只需調(diào)節(jié)半控整流電路中晶閘管的移相角即可調(diào)節(jié)加饋電源輸出，及時補(bǔ)足制動電流，維持制動電流不變。從理論上講，加饋電阻制動可以使機(jī)車制停。而實(shí)際上由于牽引電動機(jī)整流器不允許靜止不動長時問通過額定電流，以防止

5、整流器過熱而燒毀。故機(jī)車速度低于一定值時，就切除加饋制動，改用空氣制動制停機(jī)車。但是直流斬波控制電阻制動電路也有多種，不完全相同。北京地鐵DK型列車的主電路采用的是直流斬波器調(diào)阻和串接直流電動機(jī)方式，其動力(電氣)制動是純電阻制動。它的動力制動調(diào)節(jié)方法與上海直流制列車的直流斬波控制電阻制動電路不同：斬波器通過控制導(dǎo)通角改變制動電路中某個制動電阻的電阻值，以此調(diào)節(jié)制動電流，使列車保持制動力恒定。這種制動電路的缺點(diǎn)是不能進(jìn)行再生制動。交流制列車電阻制動的原理與直流制列車基本相同，只是控制設(shè)備不僅有直流斬波器，還有三相逆變器；不僅要調(diào)節(jié)制動電流、電壓，還要調(diào)節(jié)頻率。其具體方式請參考本章有關(guān)直交電路的

6、再生制動的內(nèi)容。圖4-2 制動電阻箱結(jié)構(gòu)圖一般每個動車都安裝有制動電阻器箱，里面裝有足夠的制動電阻（如圖4-2）。電阻材料一般采用合金帶鋼條，這種合金帶鋼條不僅具有穩(wěn)定的電阻率，而且具有相當(dāng)大的熱容性。電阻帶分阻安裝在由電磁瓶絕緣的鐵架上，電阻帶之間留有很大的通風(fēng)空間。為了盡快將電阻制動產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，制動電阻器箱的一端裝有大功率的通風(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速非常高，排風(fēng)量很大。強(qiáng)迫風(fēng)冷可以使電阻帶的溫度迅速下降。但是熱量會散發(fā)到隧道中，使隧道中的溫度升高，這對地下車站的空調(diào)環(huán)境很不利，夏季大大增加了通風(fēng)和空調(diào)的電費(fèi)支出。電阻制動會造成車輛能量和車站能量的雙重浪費(fèi)。而且，電阻帶產(chǎn)生的高溫明火會引起列

7、車其他設(shè)備或者電纜的燃燒，給列車運(yùn)行安全帶來了潛在危險。所以要盡量減少電阻制動，提高再生制動。4.3 再生制動4.3.1 直流再生制動電路在各種形式的制動中，電氣制動是一種較理想的動力制動方式，它是建立在電動機(jī)的工作可逆性基礎(chǔ)上的。在牽引工況時，電動機(jī)從接觸網(wǎng)吸收電能，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生牽引力，使列車加速或在上坡的線路上以一定的速度運(yùn)行；在制動工況時，列車停止從接觸網(wǎng)受電，電動機(jī)改為發(fā)電機(jī)工況，將列車運(yùn)行的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生制動力，使列車減速或在下坡線路上以一定的限速度運(yùn)行。車輛進(jìn)行電氣制動時，首先應(yīng)該是再生制動，即向供電網(wǎng)反饋電能。如果觸網(wǎng)電壓過高或同一供電區(qū)段無其他車輛吸收反饋能

8、量，則電路轉(zhuǎn)為電阻制動，把能量消耗在電阻器上。圖4-3 直流制列車的再生制動示意圖圖4-3所示為上海地鐵一號線直流制列車的再生制動示意圖。該列車主電路采用直流斬波器調(diào)壓和串接直流電動機(jī)方式。直流斬波器調(diào)壓和串接直流電動機(jī)的牽引方式將在列車牽引技術(shù)課程中講述，這里只介紹制動工況。當(dāng)一個直流斬波器控制的“兩串兩并”四個電動機(jī)的主電路由牽引工況轉(zhuǎn)換成電制動T況時，原先的各自電樞和勵磁繞組串聯(lián)的兩個支路，現(xiàn)在轉(zhuǎn)換成交叉勵磁，也就是電動機(jī)自己的勵磁繞組去激勵另一支路的電動機(jī)電樞，而另一支路電動機(jī)的勵磁繞組來激勵本機(jī)電樞。采用這種交叉勵磁方法的目的是提高電路的電氣穩(wěn)定性。雖然這種交叉勵磁電路看起來具有他勵

9、(對每一組的電樞繞組而言)的性質(zhì)，但由于電動機(jī)型號和參數(shù)相同，實(shí)際上還是具有串勵的特性，因?yàn)閯畲爬@組與電樞還是串聯(lián)連接，只不過不是同一電動機(jī)的罷了。在制動回路中還需接入一個預(yù)勵磁電路，因?yàn)楫?dāng)回路由牽引工況轉(zhuǎn)為制動工況時，原先剩磁方向必須改變，為此必須對電動機(jī)預(yù)先他激勵磁，以便使電動機(jī)建立起發(fā)電機(jī)工況的初始電壓。再生制動電路工作時，斬波器導(dǎo)通，制動電流流過各個電動機(jī)電樞、勵磁線圈、平波電抗器(1L3)和制動電阻，使電動機(jī)建立起電樞電勢，從而使平波電抗器也建立起感應(yīng)電勢；當(dāng)斬波器關(guān)閉，電路通過二極管(V5)續(xù)流，電樞電勢與平波電抗器上的感應(yīng)電勢(此時感應(yīng)電勢的方向改變)疊加，向電網(wǎng)饋電。如果這時網(wǎng)

10、上有負(fù)載(如本列車的輔助電源)或其他列車在附近，則可以作為負(fù)載吸收電能，再生制動成功；如果電網(wǎng)不吸收電能，網(wǎng)壓太高，則再生制動失敗，由制動電阻吸收電能，轉(zhuǎn)為電阻制動。在最近的十幾年，由于城市軌道交通車輛乘坐舒適性的提高，列車客室空調(diào)消耗的能量已大大增加，客室內(nèi)乘客服務(wù)設(shè)施(如報站顯示器、廣告電視屏)的耗能也日漸增多，使得列車輔助電源用量大為增加。因此，再生制動的能量被本車輔助電源消耗吸收的比例已占到80左右，而反饋到電網(wǎng)上可供其他列車使用的能量已經(jīng)很少了。這樣一來，再生制動的節(jié)能效果非常明顯，而由制動電阻消耗的能量也相對減少了。從上述描述中可以看到，實(shí)施再生制動必須滿足以下兩個條件：（1）再生

11、(反饋)電壓必須大于電網(wǎng)電壓。（2）再生電能可由本列車的輔助電源吸收，也可以由同一電網(wǎng)的其他列車吸收，這一條件不能由再生制動車輛自己創(chuàng)造，而取決于外界運(yùn)行條件。4.3.2 再生制動時的電流控制再生制動電路建立后，電動機(jī)接通負(fù)載就會有制動電流，然后制動電流產(chǎn)生制動力使列車減速。但列車減速會使電動機(jī)電樞轉(zhuǎn)速下降，引起電動機(jī)的電樞電勢下降，從而使制動電流和制動力下降。制動電流的下降還會使平波電抗器的感應(yīng)電勢減小，達(dá)不到再生制動的第一個條件。為了保證恒定的制動力矩和足夠的反饋電壓，在上述的直流制列車制動時，直流斬波器按列車控制單元及制動控制單元的指令，不斷調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比，無級、均勻地控制制動電流，使

12、制動力和再生制動電壓持續(xù)保持恒定。當(dāng)車速較高時，制動電流較大，再生制動電路需串入較大的電阻，并且將斬波器導(dǎo)通角控制得較小，以控制制動電流不能太大；當(dāng)車速太低時，制動電流較小，再生制動電路會在調(diào)節(jié)過程中逐級切除電阻，并將斬波器全導(dǎo)通，以提高制動電流并維持反饋電壓。在列車進(jìn)行再生制動時，再生制動產(chǎn)生的電能有時并不能完全反饋給電網(wǎng)，這時也需要將部分電能消耗在電阻器上，以保持制動恒定。4.3.3 直交電路的再生制動交流制列車進(jìn)行再生制動時，主電路連接方式不需改變，因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場。如果落后于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)差率小于0，三相異步電動機(jī)工況就改變?yōu)槿嘟涣靼l(fā)電機(jī)工況。在列車運(yùn)行過程中，如果外力(如下

13、坡)使車輪(也就是電動機(jī)轉(zhuǎn)子)加速，或人為控制定子頻率降低，使轉(zhuǎn)子頻率高于定子頻率，即可改變其牽引狀態(tài)而處于制動狀態(tài)。制動時(圖4-4，電動機(jī)為三相交流牽引電動機(jī))，牽引逆變器控制旋轉(zhuǎn)磁場，定子中的感應(yīng)電流經(jīng)續(xù)流二極管(VDlVD6)的整流向電容(Cd)及直流電源側(cè)反饋。這樣，牽引逆變器原來的輸入端變?yōu)檩敵龆?，列車的動能轉(zhuǎn)換成了電能。直流端輸出的電能可以被本車的輔助電源吸收或被相鄰的列車牽引使用，這就是全部的再生制動。圖4-4 交流制列車的直交逆變電路但是如果反饋的電能不能被吸收，儲存在三相逆變器中間環(huán)節(jié)電容(Cd)上的電能會造成直流電壓(Ud)急劇升高，該電壓稱為泵升電壓，有可能瞬時擊穿逆變

14、器元件。因此，必須在電容邊并聯(lián)一個斬波調(diào)阻電路(R7和VT7)，當(dāng)直流側(cè)電壓高于1800V時，斬波器(VT7)開通，將再生制動電流消耗在電阻器(R7)上，這就變成電阻制動了。斬波器配合牽引逆變器，根據(jù)電動機(jī)制動特性限制和調(diào)節(jié)制動電流，使電動機(jī)保持恒轉(zhuǎn)差率和恒轉(zhuǎn)矩控制模式。這時動力制動轉(zhuǎn)為部分電阻制動或全部電阻制動。列車由運(yùn)動狀態(tài)逐漸減速直至停止的控制大致經(jīng)歷三個模式：即恒轉(zhuǎn)差率控制模式(恒電壓、恒轉(zhuǎn)差頻率)、恒轉(zhuǎn)矩1(恒轉(zhuǎn)矩1、恒電壓)模式和恒轉(zhuǎn)矩2(恒轉(zhuǎn)矩2、恒磁通)模式。1恒轉(zhuǎn)差率控制模式在高速時開始制動，此時三相逆變器電壓保持恒定最大值，轉(zhuǎn)差頻率保持恒定最大值。隨著列車速度的下降，減小逆

15、變頻率。電動機(jī)電流與逆變頻率成反比增加，制動力與逆變頻率的平方成反比增加。當(dāng)電動機(jī)電流增大到與恒轉(zhuǎn)矩相符合的值時，將進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩控制。但當(dāng)電動機(jī)電流增大到逆變器的最大允許值時，則從電動機(jī)電流增大到該最大值的時刻起保持電動機(jī)電流恒定，在一個小區(qū)段內(nèi)用控制轉(zhuǎn)差頻率的方法進(jìn)行恒流控制。在這種情況下，制動力將隨逆變頻率成反比增加。2恒轉(zhuǎn)矩1模式逆變器電壓保持恒定最大值，控制轉(zhuǎn)差頻率與逆變頻率的平方成反比，隨著速度的下降，減小逆變頻率，則轉(zhuǎn)差頻率變小至最小值。電動機(jī)電流與逆變器頻率成正比減小，制動力保持恒定。3恒轉(zhuǎn)矩2模式轉(zhuǎn)差頻率保持恒定最小值，此時電動機(jī)電流亦保持恒定。隨著車輛速度的下降，減小逆變頻率。同時采用PWM控制減小電動機(jī)電壓，即保持V/f1恒定，則磁通恒定，制動力恒定。一般制動工況下，列車由高速減速至50km/h期問，大約處于恒電壓、恒轉(zhuǎn)差頻率區(qū)；由50km/h減速至完全停車期間，理論上大約處于恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)。但實(shí)際上，在l0km/h以下的某個點(diǎn)，再生制動力會迅速下降，所以當(dāng)列車減速至l0km/h以下后，為保持恒制動力需要逐步補(bǔ)充摩擦制動。列車在下較長距離和較大坡度的坡道時，如果重力作用使列車加速運(yùn)行，這種加速會使動車上的感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速