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1、交流传动车辆电气制动综述摘 要 电气制动是交流传动车辆安全运行的关键技术之一。全面分析了应用于交流传动车辆的各种电气制动方式的原理、应用范围以及制动效果,并以实例分析了各种制动方式在交流传动车辆制动中的应用。关键词 交流传动车辆,电气制动,制动力分配 交流传动车辆的制动分类如图1所示。对于交流电机而言,可使用的电力制动方式除了再生制动,还有反接制动和能耗制动,但在交流传动车辆中一般不采用。本文分析了各种电气制动方式在交流传动车辆制动中的应用。图1 交流传动车辆的制动分类1 车辆制动时的制动力分配德国ICE—V列车采用复合制动方式,其制动力分配试验结果见图2。由图2可知,列车制动时
2、,高速区列车制动以轨道涡流制动为主,再生制动由于处于弱磁区,随转速不断降低而逐渐增大,总制动力不足可采用盘形摩擦制动补偿;速度降至基速后(图2中基速对应列车运行速度162km/h),再生制动力增值到最大;低速下则以盘形摩擦制动为主。图2 德国ICE—V列车复合制动的制动力分配 上海轨道交通3号线(明珠线)车辆的牵引、制动特性曲线如图3所示。城轨车辆的速度较低,车辆均采用再生制动和闸瓦摩擦制动的复合方式。在大部分的速度范围内,均以电气制动为主,速度在5km/h以下时采用空气制动。图3 3号线车辆牵引、制动特性曲线2 电力制动分析力制动指牵引电机运行中产生的电磁制动力。当交流异步电机
3、运行于发电工况下,电机输出转矩作用方向与电机转速方向相反,电磁转矩使得电机处于制动状态,转子减速,牵引电机轴输入机械能转变为电能。按照制动能量的不同产生方式,电力制动可分为反接制动、能耗制动及再生制动。2.1 电力制动原理分析异步电机在牵引[3]和制动工况下的磁链矢量图如图4。在牵引工况下,定子磁链ψs带动转子磁链ψ4r旋转,定子磁链在空间位置上超前转子磁链,电机输出正转矩。在制动工况下,转子旋转频率超过定子频率,转子电流与牵引状态下方向相反,使得气隙磁场幅值增大。为保持气隙磁场恒定,定子电流需要反向以减小气隙磁场,定子电流流向中间直流环节,在空间位置上滞后于转子电流,电机输出负转
4、矩。电磁转矩(Tem)可由定子磁链和转子磁链的叉积得到。B点,电磁转矩变为负值,电机将在负载转矩与电磁转矩共同作用下迅速运行至C点。如果对电机继续供电,则电机进入反向牵引工况。在反接制动瞬间,电机将产生很大的制动电流和制动转矩。如处理不当,电机将发生反向行驶。从安全角度考虑,电力传动车辆上均不使用反接制动。2.3 能耗制动能耗制动时切断三相交流电源,并在定子中通入直流电源产生恒定的静止磁场。该静止磁场与转子磁场的相互作用产生电磁转矩,其方向与转子旋转方向相反。牵引工况与能耗制动工况下的电磁与转矩关系如图6所示。图4 交流异步电机牵引、制动工况磁链矢量图在实际运行中,要改变电磁转矩,
5、可以通过改变定子磁链和转子磁链的相位关系来实现。2.2 反接制动反接制动是通过控制定子磁场的旋转方向与转子磁场的旋转方向相反来实现的。电机正向旋转时,定子磁场超前于转子磁场,定子磁场拉动转子磁场以同步转速旋转;当改变电源的相序时,定子磁场的旋转反向,而转子磁场因转子惯性的作用运行方向不变,滑差s<1,因而产生电磁转矩与电机旋转方向相反,电机进入反接制动状态。图5 反接制动工况下电机调速特性 在牵引状态下,定子电压与频率一定时运行于图5中A点,电磁转矩与恒负载转矩TL相平衡。反接制动时,电机的转矩—转速特性曲线变为曲线2,由于电机转速不能突变,电机工作点由A点变为图6 电机牵
6、引工况和能耗制动工况电磁模型 能耗制动工况下,转子和负载的动能及从直流电源吸收的电能全部转换为转子回路的损耗,使得电机发热严重。能耗制动的最大优点是可以通过改变定子绕组直流电流的大小来调节磁场,进而控制制动转矩。由于在车上需加装可调的直流电源,以及牵引电机发热严重等因素,交流传动车辆上一般也不采用能耗制动。2.4 再生制动电机运行过程中,如果外力使电机转子加速,或人为控制定子频率降低,使转子频率高于定子频率,滑差s<0,电机输出转矩与旋转方向相反,进入再生制动状态。再生制动可分为电阻制动和能量回馈制动。电阻制动是将制动反馈能量消耗在制动电阻上,具有控制简单可靠,发热较大和能
7、量利用率低的特点。而能量回馈制动是将再生制动能量反馈给电网或给蓄电池充电。适用于电网供电的车辆。出现再生制动状态通常有两种工况:4(1)减速制动。图7所示为电机机械特性曲线。定子频率为f1,负载转矩为TL,电机工作于第一象限点A点(曲线1),电磁转矩与负载转矩相平衡。减速制动时,降低定子供电频率为f′1<f1),1(f′由于车辆惯性,电机转速不发生突变,电机工作于第四象限的B点(曲线2)。这时,n>n1、Tem<0,电机进入发电状态,在电磁转矩和负载
