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1、2022年新能源车辆制动系统方案模板第4章电制动4.1电制动的必要性和基本要求4.1.1电制动的必要性现在最多采用的闸瓦制动，但其摩擦产生的热能在闸瓦和车轮踏面间积聚，温度急剧升高，严重时高温可熔化闸瓦或烧灼踏面。同时，闸瓦与车轮踏面摩擦后会产生粉尘和热量，对环境有严重的污染，而且，频繁和过量的使用摩擦制动，将使闸瓦更换频繁，车辆踏面的维修大量增加。为了减少机械摩擦的损耗，应尽量采用无污染的制动方式，目前最好的方法就是使用电制动。由于现代城市轨道交通车辆一般都是采用电力牵引的动车组，采用直流或交流电动机牵引动力，因此以电气制动作为主要制动已成为潮流。电动车组中既有动车又有拖车，除了拖车没有电动
2、机只能使用摩擦外，所有动车都可以动力制动，并且还可以承担部分拖车的制动力。通过转换电路和受电器将电能反馈给供电触网，提供本车辅助电源或同一电网中相邻运行列车使用的方式，叫再生制动。如果网压太高，不能接受反馈电能，只能通过列车上的电阻器发热消耗，转变为热能散发到大气中去，就叫电阻制动。4.1.2电制动的基本要求一个安全可靠的电制动（动力制动）系统应满足以下基本要求：（1）应具有机械的稳定性。即电制动时，如果列车速度增加，制动力也应随之增加。（2）应具有电上的稳定性。电制动时如果发生瞬时电流波动，系统能自动恢复原来的平衡状态。（3）各台电动机的制动力应相等。（4）制动过程中无论外界条件有什么瞬时变
3、化，例如，电网电压波动、黏着条件变化以及人为的调节等，都不应产生大电流的冲击和制动力的冲击。（5）电气制动电路的设计力求简单。4.2电阻制动再生制动失败，列车主电路会自动切断反馈电路转入电阻制动电路。这时由列车运行动能转换成的电能将全部消耗在列车上的电阻器中，转变为热能散发到大气中去。因此，电阻制动又称为能耗制动。图_所示为一个直流斩波控制电阻制动电路。斩波控制器（gto）按制动控制指令不断改变导通角，调节制动电压和电流的大小。电路中的电阻（r7r9）也根据制动电流调节需要，按照车速的逐步减低而逐级短接，最后全部切除。图4-1直流制列车的直流斩波控制电阻制动电路在常规电阻制动中，电动机的电枢电
4、流随着机车速度的减小而减小，机车轮周制动力也随着机车的速度变化而变化。加馈电阻制动就是为提高机车在低速运行时的轮周制动力，从电网中吸收电能，补足到电动机的电枢电流中去，以获得理想的轮周制动力。其优点一是加宽了调速范围，最大制动力可以延伸至接近零；二是能较方便地实现恒制动力控制。目前大部分电力机车都采用这种制动方式。一般来说，相控机车上不另设加馈电源，而是使用牵引时整流调压电路在制动工况作为加馈电源。在加馈区制动时，只需调节半控整流电路中晶闸管的移相角即可调节加馈电源输出，及时补足制动电流，维持制动电流不变。从理论上讲，加馈电阻制动可以使机车制停。而实际上由于牵引电动机整流器不允许静止不动长时问
5、通过额定电流，以防止整流器过热而烧毁。故机车速度低于一定值时，就切除加馈制动，改用空气制动制停机车。但是直流斩波控制电阻制动电路也有多种，不完全相同。_地铁dk型列车的主电路采用的是直流斩波器调阻和串接直流电动机方式，其动力（电气）制动是纯电阻制动。它的动力制动调节方法与_直流制列车的直流斩波控制电阻制动电路不同：斩波器通过控制导通角改变制动电路中某个制动电阻的电阻值，以此调节制动电流，使列车保持制动力恒定。这种制动电路的缺点是不能进行再生制动。交流制列车电阻制动的原理与直流制列车基本相同，只是控制设备不仅有直流斩波器，还有三相逆变器；不仅要调节制动电流、电压，还要调节频率。其具体方式请参考本
6、章有关直交电路的再生制动的内容。图4-2制动电阻箱结构图一般每个动车都_有制动电阻器箱，里面装有足够的制动电阻（如图4-2）。电阻材料一般采用合金带钢条，这种合金带钢条不仅具有稳定的电阻率，而且具有相当大的热容性。电阻带分阻_在由电磁瓶绝缘的铁架上，电阻带之间留有很大的通风空间。为了尽快将电阻制动产生的热量散发出去，制动电阻器箱的一端装有大功率的通风机。通风机转速非常高，排风量很大。强迫风冷可以使电阻带的温度迅速下降。但是热量会散发到隧道中，使隧道中的温度升高，这对地下车站的空调环境很不利，夏季极大增加了通风和空调的电费支出。电阻制动会造成车辆能量和车站能量的双重浪费。而且，电阻带产生的高温明
7、火会引起列车其他设备或者电缆的燃烧，给列车运行安全带来了潜在危险。所以要尽量减少电阻制动，提高再生制动。4.3再生制动4.3.1直流再生制动电路在各种形式的制动中，电气制动是一种较理想的动力制动方式，它是建立在电动机的工作可逆性基础上的。在牵引工况时，电动机从接触网吸收电能，将电能转换为机械能，产生牵引力，使列车加速或在上坡的线路上以一定的速度运行；在制动工况时，列车停止从接触网受电，电动机改为发电机工况，将列车运行的机械能转换为电能，产生制动力，使列车减速或在下坡线路上以一定的限速度运行。车辆进行电气制动时，首先应该是再生制动，即向供电网反馈电能。如果触网电压过高或同一供电区段无其他车辆吸收
8、反馈能量，则电路转为电阻制动，把能量消耗在电阻器上。图4-3直流制列车的再生制动示意图图_所示为_地铁一号线直流制列车的再生制动示意图。该列车主电路采用直流斩波器调压和串接直流电动机方式。直流斩波器调压和串接直流电动机的牵引方式将在列车牵引技术课程中讲述，这里只介绍制动工况。当一个直流斩波器控制的“两串两并”四个电动机的主电路由牵引工况转换成电制动t况时，原先的各自电枢和励磁绕组串联的两个支路，现在转换成交叉励磁，也就是电动机自己的励磁绕组去激励另一支路的电动机电枢，而另一支路电动机的励磁绕组来激励本机电枢。采用这种交叉励磁方法的目的是提高电路的电气稳定性。虽然这种交叉励磁电路看起来具有他励（
9、对每一组的电枢绕组而言）的性质，但由于电动机型号和参数相同，实际上还是具有串励的特性，因为励磁绕组与电枢还是串联连接，只不过不是同一电动机的罢了。在制动回路中还需接入一个预励磁电路，因为当回路由牵引工况转为制动工况时，原先剩磁方向必须改变，为此必须对电动机预先他激励磁，以便使电动机建立起发电机工况的初始电压。再生制动电路工作时，斩波器导通，制动电流流过各个电动机电枢、励磁线圈、平波电抗器（1l3）和制动电阻，使电动机建立起电枢电势，从而使平波电抗器也建立起感应电势；当斩波器关闭，电路通过二极管（v5）续流，电枢电势与平波电抗器上的感应电势（此时感应电势的方向改变）叠加，向电网馈电。如果这时网上
10、有负载（如本列车的辅助电源）或其他列车在附近，则可以作为负载吸收电能，再生制动成功；如果电网不吸收电能，网压太高，则再生制动失败，由制动电阻吸收电能，转为电阻制动。在最近的十几年，由于城市轨道交通车辆乘坐舒适性的提高，列车客室空调消耗的能量已极大增加，客室内乘客服务设施（如报站显示器、广告电视屏）的耗能也日渐增多，使得列车辅助电源用量大为增加。因此，再生制动的能量被本车辅助电源消耗吸收的比例已占到_左右，而反馈到电网上可供其他列车使用的能量已经很少了。这样一来，再生制动的节能效果非常明显，而由制动电阻消耗的能量也相对减少了。从上述描述中可以看到，实施再生制动必须满足以下两个条件：（1）再生（反
11、馈）电压必须大于电网电压。（2）再生电能可由本列车的辅助电源吸收，也可以由同一电网的其他列车吸收，这一条件不能由再生制动车辆自己创造，而取决于外界运行条件。4.3.2再生制动时的电流控制再生制动电路建立后，电动机接通负载就会有制动电流，然后制动电流产生制动力使列车减速。但列车减速会使电动机电枢转速下降，引起电动机的电枢电势下降，从而使制动电流和制动力下降。制动电流的下降还会使平波电抗器的感应电势减小，达不到再生制动的第一个条件。为了保证恒定的制动力矩和足够的反馈电压，在上述的直流制列车制动时，直流斩波器按列车控制单元及制动控制单元的指令，不断调节斩波器导通比，无级、均匀地控制制动电流，使制动力
12、和再生制动电压持续保持恒定。当车速较高时，制动电流较大，再生制动电路需串入较大的电阻，并且将斩波器导通角控制得较小，以控制制动电流不能太大；当车速太低时，制动电流较小，再生制动电路会在调节过程中逐级切除电阻，并将斩波器全导通，以提高制动电流并维持反馈电压。在列车进行再生制动时，再生制动产生的电能有时并不能完全反馈给电网，这时也需要将部分电能消耗在电阻器上，以保持制动恒定。4.3.3直交电路的再生制动交流制列车进行再生制动时，主电路连接方式不需改变，因为异步电动机的旋转磁场。如果落后于转子转速，即转差率小于0，三相异步电动机工况就改变为三相交流发电机工况。在列车运行过程中，如果外力（如下坡）使车
13、轮（也就是电动机转子）加速，或人为控制定子频率降低，使转子频率高于定子频率，即可改变其牵引状态而处于制动状态。制动时（图4-4，电动机为三相交流牵引电动机），牵引逆变器控制旋转磁场，定子中的感应电流经续流二极管（vdlvd6）的整流向电容（cd）及直流电源侧反馈。这样，牵引逆变器原来的输入端变为输出端，列车的动能转换成了电能。直流端输出的电能可以被本车的辅助电源吸收或被相邻的列车牵引使用，这就是全部的再生制动。图4-4交流制列车的直交逆变电路但是如果反馈的电能不能被吸收，储存在三相逆变器中间环节电容（cd）上的电能会造成直流电压（ud）急剧升高，该电压称为泵升电压，有可能瞬时击穿逆变器元件。因
14、此，必须在电容边并联一个斩波调阻电路（r7和vt7），当直流侧电压高于_v时，斩波器（vt7）开通，将再生制动电流消耗在电阻器（r7）上，这就变成电阻制动了。斩波器配合牵引逆变器，根据电动机制动特性限制和调节制动电流，使电动机保持恒转差率和恒转矩控制模式。这时动力制动转为部分电阻制动或全部电阻制动。列车由运动状态逐渐减速直至停止的控制大致经历三个模式：即恒转差率控制模式（恒电压、恒转差频率）、恒转矩1（恒转矩1、恒电压）模式和恒转矩2（恒转矩2、恒磁通）模式。1.恒转差率控制模式在高速时开始制动，此时三相逆变器电压保持恒定最大值，转差频率保持恒定最大值。随着列车速度的下降，减小逆变频率。电动机
15、电流与逆变频率成反比增加，制动力与逆变频率的平方成反比增加。当电动机电流增大到与恒转矩相符合的值时，将进入恒转矩控制。但当电动机电流增大到逆变器的最大允许值时，则从电动机电流增大到该最大值的时刻起保持电动机电流恒定，在一个小区段内用控制转差频率的方法进行恒流控制。在这种情况下，制动力将随逆变频率成反比增加。2.恒转矩1模式逆变器电压保持恒定最大值，控制转差频率与逆变频率的平方成反比，随着速度的下降，减小逆变频率，则转差频率变小至最小值。电动机电流与逆变器频率成正比减小，制动力保持恒定。3.恒转矩2模式转差频率保持恒定最小值，此时电动机电流亦保持恒定。随着车辆速度的下降，减小逆变频率。同时采用pwm控制减小电动机电压，即保持v/f1恒定，则磁通恒定，制动力恒定。一般制动工况下，列车由高速减速至_km/h期问，大约处于恒电压、恒转差频率区；由_km/h减速至完全停车期间，理论上大约处于恒转矩控制区。但实际上，在l_km/h以下的某个点，再生制动力会迅速下降，所以当列车减速至l_km/h以下后，为保持恒制动力需要逐步补充摩擦制动。列车在下较长距离和较大坡度的坡道时，如果重力作用使列车加速运行，这种加速会使动车上的感应电动机转子转速超过旋转磁场转速。
