交流傳動車輛電氣制動綜述

摘　要　電氣制動是交流傳動車輛安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。全面分析了應(yīng)用于交流傳動車輛的各種電氣制動方式的原理、應(yīng)用范圍以及制動效果,并以實例分析了各種制動方式在交流傳動車輛制動中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞　交流傳動車輛, 電氣制動, 制動力分配
　　交流傳動車輛的制動分類如圖1 所示。對于交流電機(jī)而言,可使用的電力制動方式除了再生制動, 還有反接制動和能耗制動,但在交流傳動車輛中一般不采用。本文分析了各種電氣制動方式在交流傳動車輛制動中的應(yīng)用。

圖1 　交流傳動車輛的制動分類
1 　車輛制動時的制動力分配
德國ICE —V 列車采用復(fù)合制動方式,其制動力分配試驗結(jié)果見圖2 。由圖2 可知,列車制動時, 高速區(qū)列車制動以軌道渦流制動為主,再生制動由于處于弱磁區(qū),隨轉(zhuǎn)速不斷降低而逐漸增大,總制動力不足可采用盤形摩擦制動補(bǔ)償;速度降至基速后(圖2 中基速對應(yīng)列車運(yùn)行速度162 km/ h) ,再生制動力增值到最大;低速下則以盤形摩擦制動為主。

圖2 　德國ICE —V 列車復(fù)合制動的制動力分配　

　 上海軌道交通3 號線(明珠線) 車輛的牽引、制動特性曲線如圖3 所示。城軌車輛的速度較低,車輛均采用再生制動和閘瓦摩擦制動的復(fù)合方式。在大部分的速度范圍內(nèi),均以電氣制動為主,速度在5 km/ h 以下時采用空氣制動。

圖3 　3 號線車輛牽引、制動特性曲線
2 　電力制動分析
力制動指牽引電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的電磁制動力。當(dāng)交流異步電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電工況下,電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作用方向與電機(jī)轉(zhuǎn)速方向相反,電磁轉(zhuǎn)矩使得電機(jī)處于制動狀態(tài),轉(zhuǎn)子減速,牽引電機(jī)軸輸入機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋０凑罩苿幽芰康牟煌a(chǎn)生方式,電力制動可分為反接制動、能耗制動及再生制動。
2. 1 　電力制動原理分析
異步電機(jī)在牽引[3 ] 和制動工況下的磁鏈?zhǔn)噶繄D如圖4。在牽引工況下,定子磁鏈ψs 帶動轉(zhuǎn)子磁鏈ψr 旋轉(zhuǎn),定子磁鏈在空間位置上超前轉(zhuǎn)子磁鏈,電機(jī)輸出正轉(zhuǎn)矩。在制動工況下,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率超過定子頻率,轉(zhuǎn)子電流與牽引狀態(tài)下方向相反,使得氣隙磁場幅值增大。為保持氣隙磁場恒定,定子電流需要反向以減小氣隙磁場,定子電流流向中間直流環(huán)節(jié), 在空間位置上滯后于轉(zhuǎn)子電流,電機(jī)輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩( Tem) 可由定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的叉積得到。B點(diǎn),電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值,電機(jī)將在負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩共同作用下迅速運(yùn)行至C 點(diǎn)。如果對電機(jī)繼續(xù)供電,則電機(jī)進(jìn)入反向牽引工況。在反接制動瞬間,電機(jī)將產(chǎn)生很大的制動電流和制動轉(zhuǎn)矩。如處理不當(dāng),電機(jī)將發(fā)生反向行駛。從安全角度考慮,電力傳動車輛上均不使用反接制動。
2. 3 　能耗制動
能耗制動時切斷三相交流電源,并在定子中通入直流電源產(chǎn)生恒定的靜止磁場。該靜止磁場與轉(zhuǎn)子磁場的相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,其方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。牽引工況與能耗制動工況下的電磁與轉(zhuǎn)矩關(guān)系如圖6 所示。

圖4　交流異步電機(jī)牽引、制動工況磁鏈?zhǔn)噶繄D
在實際運(yùn)行中,要改變電磁轉(zhuǎn)矩,可以通過改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的相位關(guān)系來實現(xiàn)。
2. 2 　反接制動
反接制動是通過控制定子磁場的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反來實現(xiàn)的。電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時, 定子磁場超前于轉(zhuǎn)子磁場,定子磁場拉動轉(zhuǎn)子磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn);當(dāng)改變電源的相序時,定子磁場的旋轉(zhuǎn)反向,而轉(zhuǎn)子磁場因轉(zhuǎn)子慣性的作用運(yùn)行方向不變,滑差s <1, 因而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反,電機(jī)進(jìn)入反接制動狀態(tài)。

圖5　反接制動工況下電機(jī)調(diào)速特性　　

在牽引狀態(tài)下,定子電壓與頻率一定時運(yùn)行于圖5 中A 點(diǎn),電磁轉(zhuǎn)矩與恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL 相平衡。反接制動時,電機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性曲線變?yōu)榍€2 , 由于電機(jī)轉(zhuǎn)速不能突變,電機(jī)工作點(diǎn)由A 點(diǎn)變?yōu)?/P>

圖6　電機(jī)牽引工況和能耗制動工況電磁模型　　
能耗制動工況下,轉(zhuǎn)子和負(fù)載的動能及從直流電源吸收的電能全部轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子回路的損耗,使得電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。能耗制動的最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過改變定子繞組直流電流的大小來調(diào)節(jié)磁場,進(jìn)而控制制動轉(zhuǎn)矩。由于在車上需加裝可調(diào)的直流電源,以及牽引電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重等因素,交流傳動車輛上一般也不采用能耗制動。
2. 4 　再生制動
電機(jī)運(yùn)行過程中,如果外力使電機(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, 滑差s <0 , 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與旋轉(zhuǎn)方向相反,進(jìn)入再生制動狀態(tài)。再生制動可分為電阻制動和能量回饋制動。電阻制動是將制動反饋能量消耗在制動電阻上,具有控制簡單可靠,發(fā)熱較大和能量利用率低的特點(diǎn)。而能量回饋制動是將再生制動能量反饋給電網(wǎng)或給蓄電池充電。適用于電網(wǎng)供電的車輛。
出現(xiàn)再生制動狀態(tài)通常有兩種工況:
(1) 減速制動。圖7所示為電機(jī)機(jī)械特性曲線。定子頻率為f 1 , 負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL ,電機(jī)工作于第一象限點(diǎn)A點(diǎn)(曲線1) ,電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡。減速制動時, 降低定子供電頻率為f ′ 1< f1) ,1 (f ′ 由于車輛慣性,電機(jī)轉(zhuǎn)速不發(fā)生突變,電機(jī)工作于第四象限的B點(diǎn)(曲線2) 。這時, n > n1、Tem < 0 , 電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài),在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用下沿f ′特性曲線減速,若不斷降低定子供電頻率,可獲得滿意的減速制動特性。
(2) 恒速下坡制動。車輛下坡時,特別在長大坡道上,由于重力作用迫使車輛加速, 電機(jī)工作點(diǎn)沿著f 1 機(jī)械特性曲線進(jìn)入第四象限, 電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù),電機(jī)為發(fā)電制動狀態(tài);直到電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的C 點(diǎn),電機(jī)處于新的穩(wěn)定狀態(tài)。
3 　電磁渦流制動
電磁渦流制動是利用電磁渦流在磁場下產(chǎn)生勞倫磁力,而勞倫磁力方向與物體運(yùn)動方向相反。電磁渦流制動具有無摩擦、無噪聲、體積小、制動力大的優(yōu)點(diǎn)。目前車輛利用電磁渦流制動的方式主要有盤形渦流制動和軌道直線渦流制動。
3. 1 　盤形渦流制動
盤形渦流制動利用安裝在車軸上的圓盤切割磁力線產(chǎn)生渦流和勞倫磁力。根據(jù)產(chǎn)生磁場的機(jī)理可分為電磁渦流制動和永磁渦流制動。
日鐵新干線的高速電動車組采用的電磁渦流制動原理如圖8 所示。圖中, IF 為勵磁電流, 使電磁鐵心在制動工況下產(chǎn)生所需要的磁場; n 為輪對旋轉(zhuǎn)速度; TB 為制動力。電磁渦流制動裝置安裝于電動車組的拖車上,利用相鄰車輛牽引電機(jī)的主電路電源作為勵磁電源。
永磁渦流盤形制動利用永磁鐵代替電磁鐵線圈產(chǎn)生電磁場,制動盤在磁場中產(chǎn)生渦流阻止磁場增加,產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。日本鐵道綜合研究所試驗的永磁渦流盤形制動裝置原理如圖9 所示。永磁渦流制動裝置的制動盤安裝于轉(zhuǎn)軸上,定子為永磁圓盤。永磁圓盤分為內(nèi)圈圓盤和外圈圓盤,配置有內(nèi)、外兩圈磁軛。兩圈磁軛內(nèi)均交錯放置N 極和S 極的永久磁鐵。車輛正常運(yùn)行時,外圈和內(nèi)圈的永磁鐵極性為異性排列在一起,磁通在極片和磁軛內(nèi)構(gòu)成閉合磁路、不穿越制動圓盤,因而不產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。車輛制動時,內(nèi)、外圈的永磁鐵極性為同性排列,永磁鐵通過極片和制動圓盤構(gòu)成磁路。制動盤隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動,切割磁力線產(chǎn)生渦流和制動轉(zhuǎn)矩,改變極片相對位置可以調(diào)節(jié)制動轉(zhuǎn)矩的大小。
　　兩種渦流制動中,電磁渦流盤型制動的制動功率大,但設(shè)備較多,已在日本新干線得以廣泛應(yīng)用; 永磁渦流盤型制動結(jié)構(gòu)簡單,但由于目前制動功率受到一定限制,尚處于試驗階段。

圖7 　再生制動工況下的 圖8 　電磁渦流盤形

圖9 　永磁渦流盤形電機(jī)調(diào)速特性制動裝置原理圖制動工況的磁通流向
3. 2 　軌道直線渦流制動
軌道直線渦流制動通過對安裝于轉(zhuǎn)向架兩側(cè)車輪之間的條形磁鐵勵磁,在鋼軌上產(chǎn)生渦流使車輛制動。具有無摩擦、制動迅速等優(yōu)點(diǎn)。同時,軌道直線渦流制動裝置可增加車輛軸重,提高車輛粘著力。其原理圖見圖10 。制動狀態(tài)時,由于電磁鐵的N 極和S 極相對于鋼軌的運(yùn)動,在鋼軌內(nèi)產(chǎn)生交變的磁場,使鋼軌頭部產(chǎn)生渦流,渦流與電磁鐵相互作用, 產(chǎn)生一個垂直于鋼軌面的吸引力和一個與車輛運(yùn)行方向相反的制動力;垂直于軌面的力可增加車輛的粘著力,與車輛運(yùn)行方向相反的力就是電磁渦流制動力。但軌道渦流制動如果要得到很大的渦流制動力,則需要很龐大的制動裝置。這種軌道渦流制動裝置應(yīng)用于上海磁浮列車的制動控制系統(tǒng)中[4 ] 。

圖10 　軌道渦流制動裝置原理圖

參考文獻(xiàn)
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