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, 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162 km/ 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5 km/ 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ψr 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,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:
(1) 减速制动。图7所示为电机机械特性曲线。定子频率为f 1 , 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,在电磁转矩和负载转矩共同作用下沿f ′特性曲线减速,若不断降低定子供电频率,可获得满意的减速制动特性。
(2) 恒速下坡制动。车辆下坡时,特别在长大坡道上,由于重力作用迫使车辆加速, 电机工作点沿着f 1 机械特性曲线进入第四象限, 电磁转矩为负,电机为发电制动状态;直到电磁转矩与负载转矩相平衡的c 点,电机处于新的稳定状态。
3 　电磁涡流制动
电磁涡流制动是利用电磁涡流在磁场下产生劳伦磁力,而劳伦磁力方向与物体运动方向相反。电磁涡流制动具有无摩擦、无噪声、体积小、制动力大的优点。目前车辆利用电磁涡流制动的方式主要有盘形涡流制动和轨道直线涡流制动。
3. 1 　盘形涡流制动
盘形涡流制动利用安装在车轴上的圆盘切割磁力线产生涡流和劳伦磁力。根据产生磁场的机理可分为电磁涡流制动和永磁涡流制动。
日铁新干线的高速电动车组采用的电磁涡流制动原理如图8 所示。图中, if 为励磁电流, 使电磁铁心在制动工况下产生所需要的磁场; n 为轮对旋转速度; tb 为制动力。电磁涡流制动装置安装于电动车组的拖车上,利用相邻车辆牵引电机的主电路电源作为励磁电源。
永磁涡流盘形制动利用永磁铁代替电磁铁线圈产生电磁场,制动盘在磁场中产生涡流阻止磁场增加,产生制动转矩。日本铁道综合研究所试验的永磁涡流盘形制动装置原理如图9 所示。永磁涡流制动装置的制动盘安装于转轴上,定子为永磁圆盘。永磁圆盘分为内圈圆盘和外圈圆盘,配置有内、外两圈磁轭。两圈磁轭内均交错放置n 极和s 极的永久磁铁。车辆正常运行时,外圈和内圈的永磁铁极性为异性排列在一起,磁通在极片和磁轭内构成闭合磁路、不穿越制动圆盘,因而不产生制动转矩。车辆制动时,内、外圈的永磁铁极性为同性排列,永磁铁通过极片和制动圆盘构成磁路。制动盘随转轴转动,切割磁力线产生涡流和制动转矩,改变极片相对位置可以调节制动转矩的大小。
　　两种涡流制动中,电磁涡流盘型制动的制动功率大,但设备较多,已在日本新干线得以广泛应用; 永磁涡流盘型制动结构简单,但由于目前制动功率受到一定限制,尚处于试验阶段。

图7 　再生制动工况下的 图8 　电磁涡流盘形

图9 　永磁涡流盘形电机调速特性制动装置原理图制动工况的磁通流向
3. 2 　轨道直线涡流制动
轨道直线涡流制动通过对安装于转向架两侧车轮之间的条形磁铁励磁,在钢轨上产生涡流使车辆制动。具有无摩擦、制动迅速等优点。同时,轨道直线涡流制动装置可增加车辆轴重,提高车辆粘着力。其原理图见图10 。制动状态时,由于电磁铁的n 极和s 极相对于钢轨的运动,在钢轨内产生交变的磁场,使钢轨头部产生涡流,涡流与电磁铁相互作用, 产生一个垂直于钢轨面的吸引力和一个与车辆运行方向相反的制动力;垂直于轨面的力可增加车辆的粘着力,与车辆运行方向相反的力就是电磁涡流制动力。但轨道涡流制动如果要得到很大的涡流制动力,则需要很庞大的制动装置。这种轨道涡流制动装置应用于上海磁浮列车的制动控制系统中[4 ] 。

图10 　轨道涡流制动装置原理图

参考文献
1 　徐国卿. 城市轨道交通车辆电力传动. 上海:上海科学技术出版
社,2003
2 　王振民. 三相异步电动机的制动. 北京:机械工业出版社,1998
3 　吴峻. 鼠笼电机再生制动状态分析与控制. 微电机,2002(3) :60
4 　朱仙福. 磁悬浮列车的涡流制动问题. 机车电传动,2001(4) :33
5 　内田等(日). 永磁涡流盘形制动装置的基本特性. 变流技术与电力牵引,2001(4) :28
6 　胡波. 高速列车制动系统电空转换单元的研究[ 学位论文] . 上海: 同济大学电气工程系,2003 :18