轨道交通电制动

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再生制动取决于接触网的接收能力,亦即取决于网压高低和负 载利用能力。以上海轨道交通2号线为例,接触网额定电压为 1500V,车辆最大运行速度为80Km/h,实际运行过程中制动初速 度约为70km/h。当列车进站前开始制动时,列车停止从接触网受 电,电动机改为发电机工况,将列车运行的动能转换为电能,产生 制动力,使列车减速。设接触网额定电压为U,当满足以下两个条 件时列车可以实行再生制动并向接触网反馈电能:一是接触网电压 在1~1.2U(理论值,对应于上海轨道交通2号线为1500V~1800V) 范围内;二是再生电能必须要由一定距离内的其他列车吸收。如图 4-2所示,当车辆2距离车辆1足够近且接触网电压在1500V~1800V 之间时,车辆2可以吸收车辆1所产生的反馈电能,从而使车辆1产 生再生制动。当接触网电压过压、欠压或一定距离内无其他车辆吸 收反馈能量时,通过车辆牵引控制单元切断向接触网反馈的电能, 再生制动不能实现,此时列车会自动切断反馈电路,实施电阻制动。 当列车速度小于8km/h时,利用压缩空气作为动力源,对车辆实施 机械制动,直至列车停止。
当发生常用制动时, 电动机M变成发电机状 态运行,将车辆的动能 变成电能,经VVVF逆 变器中六个二极管组成 的桥式整流电路整流成 直流电反馈于接触网, 供列车所在接触网供电 区段上的其它车辆牵引 用和供给本车的其它系 统(如辅助系统等), 此即再生制动。再生制 动的基本原理如图4-1所 示。
图4-1 再生制动原理图
一般制动工况下,列车由高速减速至50km/h期间,大约处于恒电压、恒转 差频率区;由50km/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10km/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 10km/h以下后,为保证制动力不变需要逐步补充空气制动。
城轨车组的制动系统是由作为电机牵引传动 的动力制动—也称电制动,和压缩空气制动— 简称空气制动两部分组成的。电牵引传动根据 采用的牵引电机的不同,分为直流电机牵引传 动和交流电机牵引传动两种。北京地铁列车现 已全部改为交流电机牵引传动。
空气制动运用情况如表4-1(“×”表示该车有空气制动 施加,“—”表示该车无空气制动力)
表 4-1 空气制动运用情况
Baidu Nhomakorabea
空气制动运用情况 电制动滑行时 电制动故障或严重滑行时 车辆载荷工况AW2以上或接触网电压低 于1500V时 列车速度低于8Km/h(可调)包括列车 停站时的保压制动 停放制动 快速制动 紧急制动
图4-3 电阻制动原理图
电阻制动是承担电机电流中不能再生的那部分制 动电流。再生制动电流加电阻制动电流等于制动控制 要求的总电流,此电流受电机电压的限制。再生制动 与电阻制动之间的转换由DCU控制,能保证它们连续 交替使用,转换平滑,变化率不能为人所感受到。当 列车处于高速时,动车采用再生制动,将列车动能转 换成电能;当再生制动无法再回收时(如当网压上升 到1800V时),再生制动能够平滑地过渡到电阻制动。
图4-2 城市轨道交能车辆制动原理示意图
如果在电制动的情况下,能量不能被电网完全吸收,多余的能量必 须转换为热能消耗在制动电阻上,否则电网电压将抬高到不能承受的水 平。制动斩波器的存在确保大部分的能量能反馈回电网,同时又保护了 电网上其他设备。
如果制动列车所在的接触网供电区段内无其他列车吸收该制动能量, VVVF则将能量反馈在线路电容上,使电容电压XUD迅速上升,当XUD 达到最大设定值1800V时,DCU启动能耗斩波器模块A14上的门极可关 断晶闸管GTO:V1,GTO打开制动电阻RB,制动电阻RB与电容并联, 将电机上的制动能量转变成电阻的热能消耗掉,即电阻制动(亦称能耗 制动),电阻制动能单独满足常用制动的要求。电阻制动原理如图4-3 所示。
该防滑系统主要由1台控制单元、4个速度传感器、2个防滑 排风阀组成。该系统与我国目前铁路客车使用的防滑器的最大 区别是每套系统只有2个防滑排风阀,1个排风阀控制1台转向 架制动缸的充排气作用,控制的精确程度要低于铁路客车防滑 器。该防滑系统采用了3个滑行判据,即速度差(轴速与车辆 参考速度之差)、滑行率(速度差与参考速度之比值)和减速 度。制动时速度传感器将测得的订号传组控制单元。控制单元 计算出每根轴的速度、速度差、减速度 、滑行率等,当控制 单元根据上述3个判据判断出某根轴的车轮要出现滑行时,就 控制该轴所在转向架的防滑排风阀的排气、保压及充气作用, 从而控制该轴的制动缸压力,实现防滑的目的。
另一种是以上海、广州进口地铁车辆为代表的防滑控制方 式。图4-5所示是上海地铁的空气制动防滑系统组成。
图4-5 上海地铁空气制动防滑系统组成 — 空气管路;… 电信号线
该防滑系统主要由控制单元、4个速度传感器、4个防滑排风 阀组成。从组成上看,它与北京地铁客车制动系统防滑的主要区 别有:一是将主机与空气制动微机控制单元合二为一,二是每根 轴装有1个防滑排风阀,可单独控制每根轴制动缸的充排气作用。 该防滑系统采用的防滑控制原理及滑行判据与我国提速、准高速 客车使用的克诺尔防滑器基本一样。根据速度差、减速度的变化 进行防滑控制。但防滑排风阀有所不同,它利用总风压力作为先 导压力,打开排风阀上制动控制单元的中继阀与制动缸的通路, 切断制动缸与大气的通路;制动时制动风缸的压缩空气经中继阀、 防滑排风阀到达制动缸;产生防滑作用时,利用电磁力打开排风 阀上制动缸与大气的通路,可排出制动缸内的压缩空气,同时切 断中继阀到制动缸的通路。另外,该排风阀只有1个电磁阀,即排 气电磁阀。这是主要考虑地铁车辆运行速度较低,且空气制动通 常在低速时起作用,一旦判断出要滑行,需立即使制动缸排气, 当滑行停止,又要马上对制动缸充气,因而不设保压电磁阀。
一.直流牵引传动的电制动
PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断,把直流电压变成电压脉 冲列,并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的,或者控制电压脉冲宽 度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。PWM(Pulse Width Moddulation)译为脉宽调制。
制动是把车辆的速度调低,是在速度调低过程中对减速度的有效控制。因此,
五.动力制动控制模式
恒转矩1控制模式时,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,随着列车速度的下降,减小逆变频率,则转差频率减小至最 小值。电机电流与逆变器频率成正比减小,制动力保持恒定。
恒转矩2控制模式时,转差频率保持恒定最小值,此时电机电流亦保持恒定。 随着列车速度的下降,减小逆变频率,同时采用PWM(脉宽调制)控制减小电 机电压,即保持v/f1的值恒定,则磁通恒定,制动力恒定。
三.常用制动优先和混合原则
(1)电制动无故障状态下的制动原则 (2)电制动与空气制动混合的控制原则 (3)制动力的分配 (4)DCU与ECU之间有信号交换,以供ECU计算DCU是 否提供所必需的300%的制动力,并确定是否需要进行空 气制动补充或完全代替。 (5)为了清洁轮对踏面,同时使空气制动的响应时间最 小,制动指令发出后,制动缸获得约为30—50Kpa的压力, 制动闸瓦即向车轮踏面施加一个制动力。 (6)紧急制动距离 (7)停车制动
五.动力制动控制模式
列车由运动状态逐渐减速直至停止的过程大致经历三个控 制模式,即恒转差率控制模式(恒电压、恒转差频率)、恒 转矩1控制模式(恒转矩1、恒电压)和恒转矩2控制模式 (恒转矩2、恒磁通)。
恒转差率控制模式是在高速时开始制动,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。电机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。但当电机 电流增大到逆变器的最大允许值时,则从电机电流增大到该 最大值的时刻起保持电机电流恒定,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。
国内现有地铁车辆的动力制动包括电阻制动和再生制动。防滑控制过 程中,同时对动车的4根轴进行集中控制,也就是说,在动力制动过程中 判断出某根轴的车轮出现滑行,总的动力制动力即4根轴的动力制动力均 要减少。在制动力的控制上,主要有2种控制方式:一种是在判断出滑行 时,将动力制动力全部切除,用空气制动代替(相应的动车和拖车中的空 气制动取代),再对空气制动进行防滑控制。北京地铁主要采用这种方式, 另一种是根据防滑要求,部分减少动力制动力,减少的制动力用空气制动 补充(首先是拖车的空气制动补充,如果仍不足,相应的动车也施加空气 制动),上海和广州地铁采用这种方式。另外,国内大多数地铁对动力制 动和空气制动防滑控制时的制动力缓解时间有所限制。空气制动防滑时, 如果防滑排风阀连续排风时间超过5s,将自动恢复制动作用。动力制动防 滑时,如果制动力连续降低时间超过5s,一种方法是切除动力制动,用空 气制动代替,如上海一号线;另一种办法是相应地保持部分动力制动力, 减少的部分由空气制动代替,如上海二号线。
动车的空气制动 -×
×
×
× × ×
拖车的空气制动 × ×
×
×
× × ×
注:广州地铁一号线车辆载荷工况定义如下: AW0-空载(拖车自重33t、动车自重38t); AW1-客座载荷(56位坐客,60Kg/ 人);AW2- 定员载荷(除坐客外,站客6人/m2);AW3-超员载荷(除坐客外, 站客9人/m2)。
与牵引工况调速一样,在制动工况时对电制动的调速控制是必须把握住的,在不 同的载荷、不同的轨道状态、不同的可用功率情况下,最大限度的利用电制动力, 以达到需要的快速、准确停车。
采用斩波器调压方式,使再生电流可返回电网,只有当电网网压过高或因某
种原因而不能吸收时才投入电阻能耗,再生和电阻制动能平滑过渡。我国城市轻 轨地铁供电主要是DC1500V的架空线或DC750V、DC1500V的第三轨供电方式。 采用直流电机牵引,牵引时从供电到用电是DC→DC再生制动时从电机发电到电 网也是DC→DC。这种直流电之间的转换是调节直流平均电压,在电力电子学中 称斩波。
三.常用制动优先和混合原则
第一优先再生制动。再生制动与接触网线路吸收能力, 即网压高低有关。
第二优先电阻制动。承担不能再生的那部分制动电流, 再生制动电流加电阻制动电流等于电制动所要求的总电流。
第三优先踏面摩擦制动(空气制动)。常用制动时补充 电制动的不足;当没有再生制动或电阻制动时,所需要的 总制动力必须由摩擦制动来提供。
二.空气制动
空气(摩擦)制动是用来补充制动指令所要求和电制 动已达到最大的电制动力之间的差额以及没有电制动时完全 由空气制动来承担的列车制动要求。电制动和空气制动之间 的混合制动是平滑的,并满足正常运行的冲击极限。
每节车设计有独自的空气制动控制及部件,每根轴设 计有独立的防滑装置,由ECU实时监控每根轴的转速,一旦 任一轮对发生滑行,能迅速向该轴的防滑电磁阀G01发出指 令,沟通制动缸与大气的通路,使制动缸排气,从而解除该 轮对的滑行现象。制动执行部件采用单元制动缸,有PC7Y 型和带停放制动器(也称弹簧制动器)的PC7YF型两种。
1.掌握电制动的基本原理及混合制动分配的原则
2.了解动力制动的控制模式和直流牵引传动控制的电 制动原理
3.掌握城轨车辆的防滑控制原理和交流牵引传动电制动 的基本作用原理
一.电制动的基本原理
电制动是车辆在常用制动下的优先选择, 仅带驱动系统的动车具有电制动,电制动又 有再生制动和电阻制动两种形式。电制动具 有独立的滑行保护和载荷校正功能。为此, 每节动车装备有:一个三相调频调压逆变器 (VVVF);一个牵引控制单元(DCU); 一个制动电阻;四个自冷式三相交流电机 M1、M2、M3、M4(每轴一个,相互并 联)。
四.地铁车辆制动防滑系统
(一)地铁车辆空气制动防滑系统 国内现有地铁车辆空气制动防滑系统的控
制原理基本相同,但结构组成有较大不同。主 要有2种形式:以北京地铁“新型地铁客车制 动系统”等为代表的组成形式,其空气制动防 滑系统组成如图4-4所示。
图4-4 北京地铁空气制动防滑系统组成 — 空气管路;…. 电信号线
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