城市轨道第六章.

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1、第六章 城轨制动控制与粘着控制 6.1 城轨制动控制 6.2 城轨微机控制制动系统实例 6.3 城轨粘着控制实例 6.1 城轨制动控制 城轨交通车辆均采用了电制动为主、空气制动为辅的空电 联合制动。电动车组主要有三种不同的制动工况，即再生制 动、电阻制动和空气制动。 电气制动优先再生制动，若接触网电压过高或邻近供电区 段无其他车辆吸收反馈能量，则电路自动转为电阻制动，把 能量消耗在电阻上。 当电制动力不足时，再投入空气制动。 一、直流传动的电制动（第四章已有介绍） （1）为提高串励发电机的电气稳定性，保证两组制动主回路中 的电流均衡，通常采用两个支路上的电机交叉励磁方式，即 具有他励的形式和串

2、励的特性。 6.1 城轨制动控制 （2）当由牵引制动工况时，原剩磁方向必须改变，使励磁绕 组中原有剩磁被抵消为零。为此必须预先励磁，以便使电机 建立发电机工况时的初始电压。 （3）再生制动时，调节斩波器的导通比，使电感（平波电抗器 及电机绕组）足够贮能，当斩波器关断时与电机发电共同向 电网反馈。 （4）电阻制动时，为保证恒定制动力矩，斩波器分级短接制动 阻并无级调节制动电流。低速时，通过触发可控硅部分短接 制动电阻、增大制动电流来增大制动力，扩大低速电阻制动 的应用范围。 （5）理论上，调节斩波器的导通比可再生制动能制停列车。但 一般速度低于810 km/h时，通过控制系统自动切除电制动 ，代

3、之以空气制动，直至列车停止在预定位置。 6.1 城轨制动控制 二、交流传动的电制动 1、异步电动机的电气制动 异步电机转差频率f2为负值，将产生制动作用，通过VVVF 逆变器将制动电流变成直流反馈电网再生制动电流。 f2负值：使逆变器频率f1fR（电机的旋转频率）。（与牵 引时相反）。 控制逆变器频率f1，使f2=f1fR0 ，实现牵引再生制 动的切换。（直流传动主回路有“牵引/制动”转换开关） 异步电动机的机械特性，见图6-1所示。 6.1 城轨制动控制 图6-1 异步电动机机械特性 6.1 城轨制动控制 2、牵引与电制动控制 VVVF控制异步电机，需控制如下3个因素： 逆变电压U1； 逆变

4、频率f1； 转差频率f2 。 只需控制f2的正负即可进行牵引与再生制动的转换，而不 需对主回路作任何变动。 即：f20时牵引，f20时再生制动。 控制U1/f1或f2即可得到与直流电机传动机车相同的特性。 交流传动的牵引、制动特性曲线如图6-2所示。 6.1 城轨制动控制 图6-2 交流传动牵引、制动特性曲线 6.1 城轨制动控制 6.1 城轨制动控制 （1）牵引工况 模式1（恒转矩控制区） 恒U1/f1 、恒f2控制，有恒电流I1、恒牵引力F。 恒转矩控制直到电压达上限值为止。设逆变器输入电压（ 滤波电容电压）UC，则逆变器输出电压上限值为： （6-1） 例如：Uc=1 500V，则U1ma

5、x=1 170V 模式2（恒功率控制区） U1（上限值）恒定，增大f2维持电机电流I1恒定。 随着f1v，恒转差率f2/f1，近似有F1/f1（相当 于直流电动机的削弱磁场控制区）。 恒功率控制直到f2达到规定的最大值。 6.1 城轨制动控制 模式3（自然特性控制） U1、f2均恒定在最大值。 随着f1v，近似有I11/f1、F1/f12 （相当于 直流电动机最弱磁场下的自然特性区）。 （2）再生制动工况 模式4（再生制动的恒U1、f2 （负值）控制） U1、f2均恒定在最大值。 随速度vf1，近似有I11/f1、B1/f12 (相当于 直流复激电动机的换向限制区)。 注意：I1增加至与下述模

6、式（恒转矩控制）相符合的值，若在 达恒转矩控制之前I1已达逆变器容量的上限值，则从达最大值 时刻起就保持I1恒定，进行恒流控制。 6.1 城轨制动控制 模式5（再生制动的恒转矩控制I） 恒U1（最大值），随速度下降减小f1 ，控制f2（负值） 1/f12 ， I1f1，B恒定（相当于直流复激电动机的磁 场控制恒制动力区）。 模式6（再生制动的恒转矩控制II） 恒f2（最小值），恒U1/f1，随速度下降减小f1 ，I1恒定， B恒定。 注意：理论上再生制动可将列车制停，实际中较低速度时要切 换到空气制动（相当于直流复激电动机在最强磁场下切除再 生制动）。 6.2 城轨微机控制制动系统实例 4M2

7、T六节编组动车，拖车为两节控制车。动车的电制动力 限制为84kN，控制车的空气制动力限制为55kN。列车正常运 行时，为了减少制动部件的磨耗，首先充分使用电制动力。 电制动与空气制动 四动车电制动力达到336kN，尚需更大制动力时，拖车才 开始施加空气制动力，但两辆拖车的空气制动力最大不超过 110 kN； 若达中限制值仍不够时，则启动四动车的空气制动； 当动车中电制动出现故障时，动车中的空气制动立即启 动，以替代电制动； 当粘着条件恶化到某一轴或四轴的轮对滑行时，制动系 统将减少制动力，严重时会全部撤除，以抑制滑行的发展， 一旦滑行消失，即恢复施加制动力； 6.2 城轨微机控制制动系统实例

8、紧急状态需紧急制停时，施行紧急全空气制动保证列车 以最短距离制停。 电-空制动与防滑行系统 制动系统设电-空制动和防车轮滑行控制的微处理机系统。 制动控制过程：制动时，所有制动相关参数信号送微机，计算 所需制动力的制动指令；指令经电-空转换器转换成与电指令 成一定比例的控制空气压力；该压力使制动缸充入压力空气 或使制动缸排气，使制动缸压力与控制空气压力相对应。 6.2 城轨微机控制制动系统实例 1、输入信号 （1）制动指令：微机据司机施行制动的百分比（全制动为100 ）下达指令，为脉宽调制信号（PWM）。 （2）制动信号：表示制动，是制动指令的辅助信号。 （3）负载信号：由空气弹簧的空气压力通

9、过气-电转换器转换成 的电信号。 （4）电制动关闭信号：表示电制动即将消失立即施加空气制动 。 （5）紧急制动信号：表示跳过电子制动控制系统直接驱动制动 控制单元中紧急阀动作的安全保护。 （6）保持制动信号：防车辆在停止前的冲动，使车辆平稳地停 车。 6.2 城轨微机控制制动系统实例 （7）停车制动信号：运行中出现此信号，表示发生故障；信号 传给故障诊断环节。 （8）速度信号：速度传感器以与速度相应的频率产生脉冲信号 ，提供给防滑系统。 保持制动的三个实施阶段： 第一阶段：当车速低于10km/h时，首先保持制动，然后电制动逐 步消失，开始接受空气制动。出现保持制动信号后，电制动 的减小延迟0.

10、3S；动车、拖车的空气制动力只可达到制动指 令的70。 第二阶段：当车速低于4km/h时，将制动缸压力降低，开始实施 小于制动指令的保持制动。保持制动的级别取决于制动指令 并与时间有关，由停车检测根据最初的状态来决定。 6.2 城轨微机控制制动系统实例 第三阶段：停车检测和保持制动信号共同产生固定的停车制动级 别，由负载修正而与制动指令无关，与保持制动信号一起消 除。 2、输出信号 （1）电-空转换器控制信号：控制电-空转换器的入口和出口电 阀门，以产生预控制压力。 （2）安全阀控制信号。 （3）故障信号。 （4）速度信号。 （5）公里信号：每公里提供一个脉冲给公里计数器。 （6）速度限制信号

11、：表示须减小最大运行速度，如从80 kmh 小到60 kmh。 6.2 城轨微机控制制动系统实例 3、电-空制动控制原理 图6-3 电-空制动控制系统方框图 6.2 城轨微机控制制动系统实例 （1）微机根据制动要求发出制动指令，经开关线路R1、R2到冲 动限制器，检测减速度的变化率是否过大。 （2）经冲动限制器的制动指令送负载补偿器，据负载信号贮存 器中贮存的负载大小，调整制动指令，再送至开关线路R3。 （3）为防止制动力过大，R3平时断开，只有当电制动关闭信号 触发后才导通。通过R3的指令经R4又被送至制动力作用器。 （4）制动力作用器将指令信号转化为制动力。为了缩短空走时 间，制动力初始阶

12、段陡峭，然后再转向较平坦斜线平稳地上 升，直至达到指令要求。 （5）制动力（电信号）送电-气转换器，转换成控制电流，控制 制动控制单元中的模拟转换阀；同时，压力转换器反馈电信 号，进一步调整控制电流，完成微机对制动控制单元的控制 。 6.2 城轨微机控制制动系统实例 （6）当常用全制动（即100制动指令）和紧急制动时，二者均 可触发一个旁路或门电路，输出高电平来驱动开关电路R4，使 制动力作用器直接接受负载贮存器的信号，大大缩短了信号 传输时间，并使电-气转换器工作。 注意：制动力作用初始阶段陡峭是由跃升元件所导致的。 跃升元件是一个非稳态触发器，它可由电制动关闭信号、 制动信号及制动指令信号

13、中的任一个信号将其触发，使它输 出一个高电平。同样这个高电平也可使旁路或门电路触发输 出一个高电平从而使R4动作，导致制动力作用器直接接收负载 信号，产生一段陡峭的线段。 6.2 城轨微机控制制动系统实例 4、电-空制动控制电子插件 组成：中央处理器插件、诊断插件、电源插件、界面接口插件、 连接插件等。 中央处理单元（CPU）：处理制动监控、防滑系统所有信号。制 动控制，根据输入信号，由CPU计算出制动压力需求值并把它 传送到电-空模拟转换器，将制动压力（Cv）经由安装在模拟 转换器上的压力传感器提供给反馈回路，从而实现对输出压 力的闭环控制。 诊断插件板（包括一个两位数码显示器）：贮存并显示

14、输入回路 的、输出回路的、信号处理过程的以及CPU本身的故障诊断信 号。 若多个故障同时发生，则以3s的周期依次显示所有故障， 在按下某一键后，即使在电源中断的情况下，这个故障信号 也得以保持。 6.2 城轨微机控制制动系统实例 显示器上显示出的故障分为三个故障组： v 故障组A，非常严重的故障 v 故障组B，严重故障 v 故障组C，轻微故障 6.3 城轨粘着控制实例 防空转与防滑行保护系统的粘着控制，为电牵引、电制动 设集中式控制；为摩擦制动设分散式控制。 1、电牵引与电制动的防空转与防滑行保护系统 图6-4 滑行保护控制原理框图 6.3 城轨粘着控制实例 （1）空转与滑行信号 空转与滑行信

15、号：轮对的转速差。 动车轴，设双通道速度传感器，给该节车电牵引与电制动的空转 与滑行保护控制、摩擦制动滑行保护控制提供速度信号； 拖车轴，设单通道式速度传感器，为该节车辆摩擦制动滑行保护 控制提供速度信号。 （2）空转与滑行保护的控制 判断：将该节车的四个速度信号放大比较，选最大与最小的差与 给定的空转与滑行限制值作比较，当大于该限值，判断车辆 发生空转或滑动，进行空转与滑动保护控制。 控制：控制系统为一双闭环调节系统。电机的电枢电流调节为内 环；空转与滑动保护为外环，采用PI调节方式，其输出使 6.3 城轨粘着控制实例 触发脉冲相位后移，改变主斩波器中GTO元件的导通角，降低 牵引电机的端电

16、压（亦即电机电流），使动车的牵引力（或 电制动力）减小，抑制空转与滑行，快速恢复粘着。 缓冲：一旦空转与滑行消失，为了不使车辆产生明显的冲动，缓 冲环节使牵引力与制动力恢复有一个缓冲的过程。 保护：当车辆某一轴的加速度或减速度（即dndt）超过一定值 ，系统立即执行保护功能，抑制空转与滑行的蔓延。 严重空转：即使牵引力全部撤除仍不能完全消除空转时，控制系 统会让车辆适当施加摩擦制动以迅速抑制轮对空转，以免严 重擦伤轮对钢轨。 注意：空转与滑行的限制值随空转或滑行产生时的速度以及车轮 的直径不同而改变。当速度传感器出现故障，则系统认为四 6.3 城轨粘着控制实例 根轴无速度差，不再生空转和滑行保护控制。 控制功能的实现：由动车组主控制系统来实现，包括速度选择、 空转与滑动保护、空转与滑动保护速度匹配等功能模块。 6.3 城轨粘着控制实例 2、空气制动的滑行保护系统 图6-5 滑行保护控制原理框图 v1v4为轴IV轴圆周速度；v1