广州地铁4号线地面制动电阻的设计_李鲲鹏
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0. 95 × FB × V × η B (V ) ………… (4) P − 44 .55 W5 = 100
图1
列车制动能量流程图
图1 中, W 为列车动能, 1 1 W = mv 2 + Jω 2 2 2 式中:m 为列车质量;v 为列车速度;J 为走行部旋转机 构的转动惯量;ω 为旋转角速度。
1.2 制动能量的分析与计算 1.2.1 制动能量的分析与计算 以 A W 2 载荷为例进行列车制动能量的分析与计 算。 根据厂家提供的数据, 列车制动的减速度 a =-1 2 m/s , 制动力 F B =176 kN, 则列车再生制动时用于转换 为电能的机械功率 PBM=FB×V (kW) …………………………… (2) 式中:F B 为列车制动力, k N;V 为列车运行速度, m / s; P B M 为机械功率, kW。 根据四方—川崎标书提供的处于发电机工作状态 的直线电机的效率—速度曲线[1 ] , 给出了直线电机的 效率函数ηB(V), 13≤ V < 22 4(V − 13), 9 22≤V < 30 (V − 22) + 36, 4 6 (V − 30) + 54, 30≤V < 37 7 10 ≤V < 50 (V − 37) + 60, 37 ……… (3) ηB (V ) = 13 2 50≤V < 60 (V − 50) + 70, 5 2 (V − 60) + 74, 60≤V < 70 10 1 − 20 (V − 70) + 76, 70≤V < 90 依据能量守恒原理和式 (1) ~ (3) , 表2分析了广州 地铁4 号线车辆 (A W 2 载荷) 在列车再生制动的过程中, 列车运行基本阻力和列车制动力所消耗的能量以及在 动能转换为电能回馈牵引网的过程中各个环节所消耗 的能量。 由于式 (1 ) 为经验公式, 存在一定的误差, 因 此表2 中 W 0 ≠ W 1 + W B , 最大计算误差为 7 %, 在工程计 算允许的误差范围内。 1.2.2 制动功率和制动电流 由图1 可知, 列车制动时驱动电机处于发电状态产 生的电能, 需经逆变器变换之后方能供车辆辅助用电 设备和其他车辆使用。 列车辅助设备按能耗可以分为 2 种:一种辅助设备始终消耗电能, 如照明、 通风设备等; 另一种辅助设备不是始终消耗电能, 如空调压缩机, 空 气压缩机等。 为安全起见, 只考虑始终消耗电能的机电 设备, 这些设备消耗的功率根据四方—川崎标书提供 的数据, 约为44.55 kW 。 若取逆变器电能转换效率为 0.95, 则在制动速度为 V 时供其他列车使用或消耗于制 动电阻上的电功率
随着交流传动技术在城轨车辆中的广泛应用, 车 辆制动中广泛采用再生制动技术。 列车制动时直线电 机处于发电机工作状态, 将列车的动能转换为电能。 这 部分电能扣除直线电机、 逆变器损耗之后, 一部分供本 列车辅助设备 (如空调、 通风机、 空压机、 直流负荷等) 使用, 其余大部分供其他列车的牵引和辅助设备使用, 其能量流程如图1 所示。 W 1 为列车基本阻力所消耗的能 量;W 2 为直线电机损耗能量;W 3 为逆变器损耗能量; W 4 为列车辅助设备消耗能量;W 5 为供其他列车使用或
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机
车
电
传
动 2005年
消耗于制动电阻上的能量。
收稿日期:2005-03-10
的技术要求, 供电系统设计方和制动电阻制造厂家对 地面制动电阻电气参数的表述很不一致。 这会为日后 的系统验收和运营维护留下隐患。 本文将在分析列车 制动能量流程的基础上, 结合广州地铁4 号线的工程设 计实例, 系统阐述地面制动电阻的电气参数和计算方 法。
1
列车再生制动能量分析
A W 2 载荷下列车制动能量
计算 误差/(%) 7 6 6 5 4 4 3 3 直线电机损 耗能量 W2/kJ 2 857 2 470 2 207 2 091 2 068 1 985 1 960 1 349 逆变器损 耗能量 W3/kJ 434 386 331 269 202 138 72 11 电能 列车辅助设 备消耗能 量W4/kJ 124 124 124 124 124 124 124 87 回馈牵引网 能量 W5/kJ 8 128 7 206 6 166 4 985 3 717 2 506 1 240 122
表1
载荷条件 AW0
1.1
广州地铁4号线列车制动过程一览表
速度范围 制动模式 再生制动。 再生功率大, 除满足列 车 辅 助 用 电 外 ,还 向 电 网 输 送 电 能 再生制动。 再生功率小, 仅供列车辅 助用电 反相制动。 列车从电网吸收电能 机械制动 再生制动。 再生功率大, 除满足列 车 辅 助 用 电 外 ,还 向 电 网 输 送 电 能 再生制动。 再生功率小, 仅供列车辅 助用电 反相制动。 列车从电网吸收电能 机械制动 再生制动+机械制动。 再生功率 大, 除满足列车辅助用电外, 还向 电网输送电能 再生制动+机械制动。 再生功率 小 ,仅 供 列 车 辅 助 用 电 反 相 制 动 + 机 械 制 动 。列 车 从 电 网 吸收电能 机械制动
90 ̄16 km/h 16 ̄10 km/h 10 ̄5 km/h 5 km/h ̄ 停车
AW2
90 ̄13 km/h 13 ̄10 km/h 10 ̄5 km/h 5 km/h ̄ 停车
90 ̄13 km/h AW3 13 ̄10 km/h 10 ̄5 km/h 5 km/h ̄ 停车
式中:V = V B0 + at (m / s) , 其中 VB0 为制动的初始速度 2 (m/s), a为制动加速度(m/s )。 设 U B 为列车制动时输入直流电路的电压, 则回馈 牵引网的制动电流
∑
车辆的基本技术参数 根据四方—川崎标书提供的资料, 广州地铁4 号线 车辆为4 辆编组的全动车, 列车的空载 (A W 0 ) 质量为 115.26 t, 满载 (AW2) 质量为170.34 t, 超载 (AW3) 质量 为194.34 t, 列车旋转部件归算质量为空载质量的5%。 因此, 在A W 2 和 A W 3 载荷的情况下, 计及转动惯量的 等效质量AW2为176.103 t, AW3为200.103 t 。 列车运行的 基本阻力 R=20.286+0.3822V+0.002058V2 (N/t) ……… (1) 式中 V 为列车运行速度 (km/h) 。 列车的制动包括再生制动、 反相制动和机械制动 等3 种制动模式, 根据运行速度和载荷的不同, 制动过 程分为4 个阶段, 详见表1 。
2 0 0 5 年第 5 期 2005 年 9 月 10 日
机 车 电 传 动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
பைடு நூலகம்
№5, 2005 Sep 10, 2005
城 市 轨 道 车 辆
广州地铁4号线地面制动电阻的设计
李鲲鹏, 张振生
(广州市地下铁道设计研究院 总包总体部, 广东 广州 510010)
0
引言
为了减小车辆质量, 降低牵引电能的消耗, 降低车 辆对线路的冲击, 减少车辆噪声, 在城市轨道交通中常 采用地面再生能量吸收装置吸收制动能量。 在国外城 市轨道交通运输系统中, 已经投入运营的再生能量吸 收装置主要有制动电阻、 逆变器、 飞轮储能装置和双层 电容器等, 其中以制动电阻装置最为简单, 不仅技术成 熟、 可靠, 而且初期投资较低。 故在广州地铁4 号线中采 用了地面制动电阻再生能量吸收装置。 虽然地面制动电阻设计属于供电系统设计的一部 分, 但是它与车辆系统密切相关。 制动电阻的参数不仅 直接影响车辆制动性能的发挥和行车安全, 而且还影 响制动电阻设备和直流牵引供电系统的运行安全。 但 是在广州地铁 4 号线供电系统的设计中发现, 国内目前 还没有就地面制动电阻的电气参数及其计算形成统一
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第 5期
李鲲鹏, 张振生:广州地铁 4 号线地面制动电阻的设计
表2
制动速 度 /km・h -1 90~80 80~70 70~60 60~50 50~40 40~30 30~20 20~13 制动动 能W0/kJ 11 550 10 191 8 832 7 474 6 115 4 756 3 397 1 569 机械能 列车基本 列车制动消 阻力消耗 耗的能量 能量 W1/kJ WB/kJ 782 618 476 356 255 173 106 43 11 543 10 185 8 827 7 469 6 111 4 753 3 395 1 569
作者简介:李鲲鹏(1977-) , 男, 硕士, 主要从事轨道交 通领域供电系统的研究与 设计。
摘 要: 在分析4号线直线电机车辆制动过程和制动能量流程的基础上, 结合广州地铁4号线的 工程设计, 系统地给出了地面制动电阻设置的基本要求、 电气参数及其计算方法、 制动电阻网络的控 制要求。 比较了4号线3个典型牵引变电所地面制动电阻的技术参数, 提出制动电阻应根据各地面制动 电阻在其工作的有效区段内列车的制动特性、 行车要求及线路特征分别进行计算。 关键词: 再生制动;制动电阻;轨道交通;广州地铁4号线 中图分类号 : U231; U266.2 文献标识码 : A 文章编号 : 1000-128X(2005)05-0043-04
Design of ground braking resistor in Guangzhou metro line 4
LI Kun-peng, ZHANG Zhen-sheng
(Guangzhou Metro Design and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 510010, China) Abstract: Based on the analysis of braking procedures and braking energy flow in the linear motor of the metro vehicle and on the engineering design for Guangzhou metro line 4, the basic requirement, electrical parameters and calculation methods are given for the ground braking resistor as well as its control requirement on the network. The technical parameters are compared of the resistors from 3 typical traction substations. It is put forth that the braking resistors should be calculated and designed according to the braking characteristics, running requirement and line characteristics respectively in their working sections. Key words: regenerative braking; braking resistor; rail transport; Guangzhou metro line 4
图1
列车制动能量流程图
图1 中, W 为列车动能, 1 1 W = mv 2 + Jω 2 2 2 式中:m 为列车质量;v 为列车速度;J 为走行部旋转机 构的转动惯量;ω 为旋转角速度。
1.2 制动能量的分析与计算 1.2.1 制动能量的分析与计算 以 A W 2 载荷为例进行列车制动能量的分析与计 算。 根据厂家提供的数据, 列车制动的减速度 a =-1 2 m/s , 制动力 F B =176 kN, 则列车再生制动时用于转换 为电能的机械功率 PBM=FB×V (kW) …………………………… (2) 式中:F B 为列车制动力, k N;V 为列车运行速度, m / s; P B M 为机械功率, kW。 根据四方—川崎标书提供的处于发电机工作状态 的直线电机的效率—速度曲线[1 ] , 给出了直线电机的 效率函数ηB(V), 13≤ V < 22 4(V − 13), 9 22≤V < 30 (V − 22) + 36, 4 6 (V − 30) + 54, 30≤V < 37 7 10 ≤V < 50 (V − 37) + 60, 37 ……… (3) ηB (V ) = 13 2 50≤V < 60 (V − 50) + 70, 5 2 (V − 60) + 74, 60≤V < 70 10 1 − 20 (V − 70) + 76, 70≤V < 90 依据能量守恒原理和式 (1) ~ (3) , 表2分析了广州 地铁4 号线车辆 (A W 2 载荷) 在列车再生制动的过程中, 列车运行基本阻力和列车制动力所消耗的能量以及在 动能转换为电能回馈牵引网的过程中各个环节所消耗 的能量。 由于式 (1 ) 为经验公式, 存在一定的误差, 因 此表2 中 W 0 ≠ W 1 + W B , 最大计算误差为 7 %, 在工程计 算允许的误差范围内。 1.2.2 制动功率和制动电流 由图1 可知, 列车制动时驱动电机处于发电状态产 生的电能, 需经逆变器变换之后方能供车辆辅助用电 设备和其他车辆使用。 列车辅助设备按能耗可以分为 2 种:一种辅助设备始终消耗电能, 如照明、 通风设备等; 另一种辅助设备不是始终消耗电能, 如空调压缩机, 空 气压缩机等。 为安全起见, 只考虑始终消耗电能的机电 设备, 这些设备消耗的功率根据四方—川崎标书提供 的数据, 约为44.55 kW 。 若取逆变器电能转换效率为 0.95, 则在制动速度为 V 时供其他列车使用或消耗于制 动电阻上的电功率
随着交流传动技术在城轨车辆中的广泛应用, 车 辆制动中广泛采用再生制动技术。 列车制动时直线电 机处于发电机工作状态, 将列车的动能转换为电能。 这 部分电能扣除直线电机、 逆变器损耗之后, 一部分供本 列车辅助设备 (如空调、 通风机、 空压机、 直流负荷等) 使用, 其余大部分供其他列车的牵引和辅助设备使用, 其能量流程如图1 所示。 W 1 为列车基本阻力所消耗的能 量;W 2 为直线电机损耗能量;W 3 为逆变器损耗能量; W 4 为列车辅助设备消耗能量;W 5 为供其他列车使用或
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消耗于制动电阻上的能量。
收稿日期:2005-03-10
的技术要求, 供电系统设计方和制动电阻制造厂家对 地面制动电阻电气参数的表述很不一致。 这会为日后 的系统验收和运营维护留下隐患。 本文将在分析列车 制动能量流程的基础上, 结合广州地铁4 号线的工程设 计实例, 系统阐述地面制动电阻的电气参数和计算方 法。
1
列车再生制动能量分析
A W 2 载荷下列车制动能量
计算 误差/(%) 7 6 6 5 4 4 3 3 直线电机损 耗能量 W2/kJ 2 857 2 470 2 207 2 091 2 068 1 985 1 960 1 349 逆变器损 耗能量 W3/kJ 434 386 331 269 202 138 72 11 电能 列车辅助设 备消耗能 量W4/kJ 124 124 124 124 124 124 124 87 回馈牵引网 能量 W5/kJ 8 128 7 206 6 166 4 985 3 717 2 506 1 240 122
表1
载荷条件 AW0
1.1
广州地铁4号线列车制动过程一览表
速度范围 制动模式 再生制动。 再生功率大, 除满足列 车 辅 助 用 电 外 ,还 向 电 网 输 送 电 能 再生制动。 再生功率小, 仅供列车辅 助用电 反相制动。 列车从电网吸收电能 机械制动 再生制动。 再生功率大, 除满足列 车 辅 助 用 电 外 ,还 向 电 网 输 送 电 能 再生制动。 再生功率小, 仅供列车辅 助用电 反相制动。 列车从电网吸收电能 机械制动 再生制动+机械制动。 再生功率 大, 除满足列车辅助用电外, 还向 电网输送电能 再生制动+机械制动。 再生功率 小 ,仅 供 列 车 辅 助 用 电 反 相 制 动 + 机 械 制 动 。列 车 从 电 网 吸收电能 机械制动
90 ̄16 km/h 16 ̄10 km/h 10 ̄5 km/h 5 km/h ̄ 停车
AW2
90 ̄13 km/h 13 ̄10 km/h 10 ̄5 km/h 5 km/h ̄ 停车
90 ̄13 km/h AW3 13 ̄10 km/h 10 ̄5 km/h 5 km/h ̄ 停车
式中:V = V B0 + at (m / s) , 其中 VB0 为制动的初始速度 2 (m/s), a为制动加速度(m/s )。 设 U B 为列车制动时输入直流电路的电压, 则回馈 牵引网的制动电流
∑
车辆的基本技术参数 根据四方—川崎标书提供的资料, 广州地铁4 号线 车辆为4 辆编组的全动车, 列车的空载 (A W 0 ) 质量为 115.26 t, 满载 (AW2) 质量为170.34 t, 超载 (AW3) 质量 为194.34 t, 列车旋转部件归算质量为空载质量的5%。 因此, 在A W 2 和 A W 3 载荷的情况下, 计及转动惯量的 等效质量AW2为176.103 t, AW3为200.103 t 。 列车运行的 基本阻力 R=20.286+0.3822V+0.002058V2 (N/t) ……… (1) 式中 V 为列车运行速度 (km/h) 。 列车的制动包括再生制动、 反相制动和机械制动 等3 种制动模式, 根据运行速度和载荷的不同, 制动过 程分为4 个阶段, 详见表1 。
2 0 0 5 年第 5 期 2005 年 9 月 10 日
机 车 电 传 动 ELECTRIC DRIVE FOR LOCOMOTIVES
பைடு நூலகம்
№5, 2005 Sep 10, 2005
城 市 轨 道 车 辆
广州地铁4号线地面制动电阻的设计
李鲲鹏, 张振生
(广州市地下铁道设计研究院 总包总体部, 广东 广州 510010)
0
引言
为了减小车辆质量, 降低牵引电能的消耗, 降低车 辆对线路的冲击, 减少车辆噪声, 在城市轨道交通中常 采用地面再生能量吸收装置吸收制动能量。 在国外城 市轨道交通运输系统中, 已经投入运营的再生能量吸 收装置主要有制动电阻、 逆变器、 飞轮储能装置和双层 电容器等, 其中以制动电阻装置最为简单, 不仅技术成 熟、 可靠, 而且初期投资较低。 故在广州地铁4 号线中采 用了地面制动电阻再生能量吸收装置。 虽然地面制动电阻设计属于供电系统设计的一部 分, 但是它与车辆系统密切相关。 制动电阻的参数不仅 直接影响车辆制动性能的发挥和行车安全, 而且还影 响制动电阻设备和直流牵引供电系统的运行安全。 但 是在广州地铁 4 号线供电系统的设计中发现, 国内目前 还没有就地面制动电阻的电气参数及其计算形成统一
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第 5期
李鲲鹏, 张振生:广州地铁 4 号线地面制动电阻的设计
表2
制动速 度 /km・h -1 90~80 80~70 70~60 60~50 50~40 40~30 30~20 20~13 制动动 能W0/kJ 11 550 10 191 8 832 7 474 6 115 4 756 3 397 1 569 机械能 列车基本 列车制动消 阻力消耗 耗的能量 能量 W1/kJ WB/kJ 782 618 476 356 255 173 106 43 11 543 10 185 8 827 7 469 6 111 4 753 3 395 1 569
作者简介:李鲲鹏(1977-) , 男, 硕士, 主要从事轨道交 通领域供电系统的研究与 设计。
摘 要: 在分析4号线直线电机车辆制动过程和制动能量流程的基础上, 结合广州地铁4号线的 工程设计, 系统地给出了地面制动电阻设置的基本要求、 电气参数及其计算方法、 制动电阻网络的控 制要求。 比较了4号线3个典型牵引变电所地面制动电阻的技术参数, 提出制动电阻应根据各地面制动 电阻在其工作的有效区段内列车的制动特性、 行车要求及线路特征分别进行计算。 关键词: 再生制动;制动电阻;轨道交通;广州地铁4号线 中图分类号 : U231; U266.2 文献标识码 : A 文章编号 : 1000-128X(2005)05-0043-04
Design of ground braking resistor in Guangzhou metro line 4
LI Kun-peng, ZHANG Zhen-sheng
(Guangzhou Metro Design and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 510010, China) Abstract: Based on the analysis of braking procedures and braking energy flow in the linear motor of the metro vehicle and on the engineering design for Guangzhou metro line 4, the basic requirement, electrical parameters and calculation methods are given for the ground braking resistor as well as its control requirement on the network. The technical parameters are compared of the resistors from 3 typical traction substations. It is put forth that the braking resistors should be calculated and designed according to the braking characteristics, running requirement and line characteristics respectively in their working sections. Key words: regenerative braking; braking resistor; rail transport; Guangzhou metro line 4