交流傳動(dòng)車(chē)輛電氣制動(dòng)綜述

摘　要　電氣制動(dòng)是交流傳動(dòng)車(chē)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(dòng)車(chē)輛的各種電氣制動(dòng)方式的原理、應(yīng)用范圍以及制動(dòng)效果,并以實(shí)例分析了各種制動(dòng)方式在交流傳動(dòng)車(chē)輛制動(dòng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞　交流傳動(dòng)車(chē)輛, 電氣制動(dòng), 制動(dòng)力分配
　　交流傳動(dòng)車(chē)輛的制動(dòng)分類(lèi)如圖1 所示。對(duì)于交流電機(jī)而言,可使用的電力制動(dòng)方式除了再生制動(dòng), 還有反接制動(dòng)和能耗制動(dòng),但在交流傳動(dòng)車(chē)輛中一般不采用。本文分析了各種電氣制動(dòng)方式在交流傳動(dòng)車(chē)輛制動(dòng)中的應(yīng)用。

圖1 　交流傳動(dòng)車(chē)輛的制動(dòng)分類(lèi)
1 　車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力分配
德國(guó)ICE —V 列車(chē)采用復(fù)合制動(dòng)方式,其制動(dòng)力分配試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2 。由圖2 可知,列車(chē)制動(dòng)時(shí), 高速區(qū)列車(chē)制動(dòng)以軌道渦流制動(dòng)為主,再生制動(dòng)由于處于弱磁區(qū),隨轉(zhuǎn)速不斷降低而逐漸增大,總制動(dòng)力不足可采用盤(pán)形摩擦制動(dòng)補(bǔ)償;速度降至基速后(圖2 中基速對(duì)應(yīng)列車(chē)運(yùn)行速度162 km/ h) ,再生制動(dòng)力增值到最大;低速下則以盤(pán)形摩擦制動(dòng)為主。

圖2 　德國(guó)ICE —V 列車(chē)復(fù)合制動(dòng)的制動(dòng)力分配　

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

圖3 　3 號(hào)線車(chē)輛牽引、制動(dòng)特性曲線
2 　電力制動(dòng)分析
力制動(dòng)指牽引電機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的電磁制動(dòng)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(dòng)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?。按照制?dòng)能量的不同產(chǎn)生方式,電力制動(dòng)可分為反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)及再生制動(dòng)。
2. 1 　電力制動(dòng)原理分析
異步電機(jī)在牽引[3 ] 和制動(dòng)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(dòng)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(dòng)工況下,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率超過(guò)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(chǎng)幅值增大。為保持氣隙磁場(chǎng)恒定,定子電流需要反向以減小氣隙磁場(chǎng),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(duì)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(dòng)瞬間,電機(jī)將產(chǎn)生很大的制動(dòng)電流和制動(dòng)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(dòng)車(chē)輛上均不使用反接制動(dòng)。
2. 3 　能耗制動(dòng)
能耗制動(dòng)時(shí)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(chǎng)。該靜止磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(dòng)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(dòng)工況磁鏈?zhǔn)噶繄D
在實(shí)際運(yùn)行中,要改變電磁轉(zhuǎn)矩,可以通過(guò)改變定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈的相位關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2. 2 　反接制動(dòng)
反接制動(dòng)是通過(guò)控制定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相反來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)時(shí), 定子磁場(chǎng)超前于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng),定子磁場(chǎng)拉動(dòng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn);當(dāng)改變電源的相序時(shí),定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)反向,而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(dòng)狀態(tài)。

圖5　反接制動(dòng)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(shí)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(dòng)時(shí),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(dòng)工況電磁模型　　
能耗制動(dòng)工況下,轉(zhuǎn)子和負(fù)載的動(dòng)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(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)改變定子繞組直流電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)磁場(chǎng),進(jìn)而控制制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于在車(chē)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(dòng)車(chē)輛上一般也不采用能耗制動(dòng)。
2. 4 　再生制動(dòng)
電機(jī)運(yùn)行過(guò)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(dòng)狀態(tài)。再生制動(dòng)可分為電阻制動(dòng)和能量回饋制動(dòng)。電阻制動(dòng)是將制動(dòng)反饋能量消耗在制動(dòng)電阻上,具有控制簡(jiǎn)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(dòng)是將再生制動(dòng)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(chē)輛。
出現(xiàn)再生制動(dòng)狀態(tài)通常有兩種工況:
(1) 減速制動(dòng)。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T(mén)L ,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(dòng)時(shí), 降低定子供電頻率為f ′ 1< f1) ,1 (f ′ 由于車(chē)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(shí), 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(dòng)特性。
(2) 恒速下坡制動(dòng)。車(chē)輛下坡時(shí),特別在長(zhǎng)大坡道上,由于重力作用迫使車(chē)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(dòng)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(dòng)
電磁渦流制動(dòng)是利用電磁渦流在磁場(chǎng)下產(chǎn)生勞倫磁力,而勞倫磁力方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相反。電磁渦流制動(dòng)具有無(wú)摩擦、無(wú)噪聲、體積小、制動(dòng)力大的優(yōu)點(diǎn)。目前車(chē)輛利用電磁渦流制動(dòng)的方式主要有盤(pán)形渦流制動(dòng)和軌道直線渦流制動(dòng)。
3. 1 　盤(pán)形渦流制動(dòng)
盤(pán)形渦流制動(dòng)利用安裝在車(chē)軸上的圓盤(pán)切割磁力線產(chǎn)生渦流和勞倫磁力。根據(jù)產(chǎn)生磁場(chǎng)的機(jī)理可分為電磁渦流制動(dòng)和永磁渦流制動(dòng)。
日鐵新干線的高速電動(dòng)車(chē)組采用的電磁渦流制動(dòng)原理如圖8 所示。圖中, IF 為勵(lì)磁電流, 使電磁鐵心在制動(dòng)工況下產(chǎn)生所需要的磁場(chǎng); n 為輪對(duì)旋轉(zhuǎn)速度; TB 為制動(dòng)力。電磁渦流制動(dòng)裝置安裝于電動(dòng)車(chē)組的拖車(chē)上,利用相鄰車(chē)輛牽引電機(jī)的主電路電源作為勵(lì)磁電源。
永磁渦流盤(pán)形制動(dòng)利用永磁鐵代替電磁鐵線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng),制動(dòng)盤(pán)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流阻止磁場(chǎng)增加,產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。日本鐵道綜合研究所試驗(yàn)的永磁渦流盤(pán)形制動(dòng)裝置原理如圖9 所示。永磁渦流制動(dòng)裝置的制動(dòng)盤(pán)安裝于轉(zhuǎn)軸上,定子為永磁圓盤(pán)。永磁圓盤(pán)分為內(nèi)圈圓盤(pán)和外圈圓盤(pán),配置有內(nèi)、外兩圈磁軛。兩圈磁軛內(nèi)均交錯(cuò)放置N 極和S 極的永久磁鐵。車(chē)輛正常運(yùn)行時(shí),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(dòng)圓盤(pán),因而不產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。車(chē)輛制動(dòng)時(shí),內(nèi)、外圈的永磁鐵極性為同性排列,永磁鐵通過(guò)極片和制動(dòng)圓盤(pán)構(gòu)成磁路。制動(dòng)盤(pán)隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng),切割磁力線產(chǎn)生渦流和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,改變極片相對(duì)位置可以調(diào)節(jié)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小。
　　兩種渦流制動(dòng)中,電磁渦流盤(pán)型制動(dòng)的制動(dòng)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(pán)型制動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但由于目前制動(dòng)功率受到一定限制,尚處于試驗(yàn)階段。

圖7 　再生制動(dòng)工況下的 圖8 　電磁渦流盤(pán)形

圖9 　永磁渦流盤(pán)形電機(jī)調(diào)速特性制動(dòng)裝置原理圖制動(dòng)工況的磁通流向
3. 2 　軌道直線渦流制動(dòng)
軌道直線渦流制動(dòng)通過(guò)對(duì)安裝于轉(zhuǎn)向架兩側(cè)車(chē)輪之間的條形磁鐵勵(lì)磁,在鋼軌上產(chǎn)生渦流使車(chē)輛制動(dòng)。具有無(wú)摩擦、制動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),軌道直線渦流制動(dòng)裝置可增加車(chē)輛軸重,提高車(chē)輛粘著力。其原理圖見(jiàn)圖10 。制動(dòng)狀態(tài)時(shí),由于電磁鐵的N 極和S 極相對(duì)于鋼軌的運(yùn)動(dòng),在鋼軌內(nèi)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng),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(gè)垂直于鋼軌面的吸引力和一個(gè)與車(chē)輛運(yùn)行方向相反的制動(dòng)力;垂直于軌面的力可增加車(chē)輛的粘著力,與車(chē)輛運(yùn)行方向相反的力就是電磁渦流制動(dòng)力。但軌道渦流制動(dòng)如果要得到很大的渦流制動(dòng)力,則需要很龐大的制動(dòng)裝置。這種軌道渦流制動(dòng)裝置應(yīng)用于上海磁浮列車(chē)的制動(dòng)控制系統(tǒng)中[4 ] 。

圖10 　軌道渦流制動(dòng)裝置原理圖

參考文獻(xiàn)
1 　徐國(guó)卿. 城市軌道交通車(chē)輛電力傳動(dòng). 上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版
社,2003
2 　王振民. 三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998
3 　吳峻. 鼠籠電機(jī)再生制動(dòng)狀態(tài)分析與控制. 微電機(jī),2002(3) :60
4 　朱仙福. 磁懸浮列車(chē)的渦流制動(dòng)問(wèn)題. 機(jī)車(chē)電傳動(dòng),2001(4) :33
5 　內(nèi)田等(日). 永磁渦流盤(pán)形制動(dòng)裝置的基本特性. 變流技術(shù)與電力牽引,2001(4) :28
6 　胡波. 高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)電空轉(zhuǎn)換單元的研究[ 學(xué)位論文] . 上海: 同濟(jì)大學(xué)電氣工程系,2003 :18