交流傳動車輛電氣制動綜述

摘　要　電氣制動是交流傳動車輛安全運行的關鍵技術之一。全面分析了應用于交流傳動車輛的各種電氣制動方式的原理、應用范圍以及制動效果,并以實例分析了各種制動方式在交流傳動車輛制動中的應用。
關鍵詞　交流傳動車輛, 電氣制動, 制動力分配
　　交流傳動車輛的制動分類如圖1 所示。對于交流電機而言,可使用的電力制動方式除了再生制動, 還有反接制動和能耗制動,但在交流傳動車輛中一般不采用。本文分析了各種電氣制動方式在交流傳動車輛制動中的應用。

圖1 　交流傳動車輛的制動分類
1 　車輛制動時的制動力分配
德國ICE —V 列車采用復合制動方式,其制動力分配試驗結果見圖2 。由圖2 可知,列車制動時, 高速區列車制動以軌道渦流制動為主,再生制動由于處于弱磁區,隨轉速不斷降低而逐漸增大,總制動力不足可采用盤形摩擦制動補償;速度降至基速后(圖2 中基速對應列車運行速度162 km/ h) ,再生制動力增值到最大;低速下則以盤形摩擦制動為主。

圖2 　德國ICE —V 列車復合制動的制動力分配　

　 上海軌道交通3 號線(明珠線) 車輛的牽引、制動特性曲線如圖3 所示。城軌車輛的速度較低,車輛均采用再生制動和閘瓦摩擦制動的復合方式。在大部分的速度范圍內,均以電氣制動為主,速度在5 km/ h 以下時采用空氣制動。

圖3 　3 號線車輛牽引、制動特性曲線
2 　電力制動分析
力制動指牽引電機運行中產生的電磁制動力。當交流異步電機運行于發電工況下,電機輸出轉矩作用方向與電機轉速方向相反,電磁轉矩使得電機處于制動狀態,轉子減速,牽引電機軸輸入機械能轉變為電能。按照制動能量的不同產生方式,電力制動可分為反接制動、能耗制動及再生制動。
2. 1 　電力制動原理分析
異步電機在牽引[3 ] 和制動工況下的磁鏈矢量圖如圖4。在牽引工況下,定子磁鏈ψs 帶動轉子磁鏈ψr 旋轉,定子磁鏈在空間位置上超前轉子磁鏈,電機輸出正轉矩。在制動工況下,轉子旋轉頻率超過定子頻率,轉子電流與牽引狀態下方向相反,使得氣隙磁場幅值增大。為保持氣隙磁場恒定,定子電流需要反向以減小氣隙磁場,定子電流流向中間直流環節, 在空間位置上滯后于轉子電流,電機輸出負轉矩。電磁轉矩( Tem) 可由定子磁鏈和轉子磁鏈的叉積得到。B點,電磁轉矩變為負值,電機將在負載轉矩與電磁轉矩共同作用下迅速運行至C 點。如果對電機繼續供電,則電機進入反向牽引工況。在反接制動瞬間,電機將產生很大的制動電流和制動轉矩。如處理不當,電機將發生反向行駛。從安全角度考慮,電力傳動車輛上均不使用反接制動。
2. 3 　能耗制動
能耗制動時切斷三相交流電源,并在定子中通入直流電源產生恒定的靜止磁場。該靜止磁場與轉子磁場的相互作用產生電磁轉矩,其方向與轉子旋轉方向相反。牽引工況與能耗制動工況下的電磁與轉矩關系如圖6 所示。

圖4　交流異步電機牽引、制動工況磁鏈矢量圖
在實際運行中,要改變電磁轉矩,可以通過改變定子磁鏈和轉子磁鏈的相位關系來實現。
2. 2 　反接制動
反接制動是通過控制定子磁場的旋轉方向與轉子磁場的旋轉方向相反來實現的。電機正向旋轉時, 定子磁場超前于轉子磁場,定子磁場拉動轉子磁場以同步轉速旋轉;當改變電源的相序時,定子磁場的旋轉反向,而轉子磁場因轉子慣性的作用運行方向不變,滑差s <1, 因而產生電磁轉矩與電機旋轉方向相反,電機進入反接制動狀態。

圖5　反接制動工況下電機調速特性　　

在牽引狀態下,定子電壓與頻率一定時運行于圖5 中A 點,電磁轉矩與恒負載轉矩TL 相平衡。反接制動時,電機的轉矩—轉速特性曲線變為曲線2 , 由于電機轉速不能突變,電機工作點由A 點變為

圖6　電機牽引工況和能耗制動工況電磁模型　　
能耗制動工況下,轉子和負載的動能及從直流電源吸收的電能全部轉換為轉子回路的損耗,使得電機發熱嚴重。能耗制動的最大優點是可以通過改變定子繞組直流電流的大小來調節磁場,進而控制制動轉矩。由于在車上需加裝可調的直流電源,以及牽引電機發熱嚴重等因素,交流傳動車輛上一般也不采用能耗制動。
2. 4 　再生制動
電機運行過程中,如果外力使電機轉子加速,或人為控制定子頻率降低,使轉子頻率高于定子頻率, 滑差s <0 , 電機輸出轉矩與旋轉方向相反,進入再生制動狀態。再生制動可分為電阻制動和能量回饋制動。電阻制動是將制動反饋能量消耗在制動電阻上,具有控制簡單可靠,發熱較大和能量利用率低的特點。而能量回饋制動是將再生制動能量反饋給電網或給蓄電池充電。適用于電網供電的車輛。
出現再生制動狀態通常有兩種工況:
(1) 減速制動。圖7所示為電機機械特性曲線。定子頻率為f 1 , 負載轉矩為TL ,電機工作于第一象限點A點(曲線1) ,電磁轉矩與負載轉矩相平衡。減速制動時, 降低定子供電頻率為f ′ 1< f1) ,1 (f ′ 由于車輛慣性,電機轉速不發生突變,電機工作于第四象限的B點(曲線2) 。這時, n > n1、Tem < 0 , 電機進入發電狀態,在電磁轉矩和負載轉矩共同作用下沿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特性。
(2) 恒速下坡制動。車輛下坡時,特別在長大坡道上,由于重力作用迫使車輛加速, 電機工作點沿著f 1 機械特性曲線進入第四象限, 電磁轉矩為負,電機為發電制動狀態;直到電磁轉矩與負載轉矩相平衡的C 點,電機處于新的穩定狀態。
3 　電磁渦流制動
電磁渦流制動是利用電磁渦流在磁場下產生勞倫磁力,而勞倫磁力方向與物體運動方向相反。電磁渦流制動具有無摩擦、無噪聲、體積小、制動力大的優點。目前車輛利用電磁渦流制動的方式主要有盤形渦流制動和軌道直線渦流制動。
3. 1 　盤形渦流制動
盤形渦流制動利用安裝在車軸上的圓盤切割磁力線產生渦流和勞倫磁力。根據產生磁場的機理可分為電磁渦流制動和永磁渦流制動。
日鐵新干線的高速電動車組采用的電磁渦流制動原理如圖8 所示。圖中, IF 為勵磁電流, 使電磁鐵心在制動工況下產生所需要的磁場; n 為輪對旋轉速度; TB 為制動力。電磁渦流制動裝置安裝于電動車組的拖車上,利用相鄰車輛牽引電機的主電路電源作為勵磁電源。
永磁渦流盤形制動利用永磁鐵代替電磁鐵線圈產生電磁場,制動盤在磁場中產生渦流阻止磁場增加,產生制動轉矩。日本鐵道綜合研究所試驗的永磁渦流盤形制動裝置原理如圖9 所示。永磁渦流制動裝置的制動盤安裝于轉軸上,定子為永磁圓盤。永磁圓盤分為內圈圓盤和外圈圓盤,配置有內、外兩圈磁軛。兩圈磁軛內均交錯放置N 極和S 極的永久磁鐵。車輛正常運行時,外圈和內圈的永磁鐵極性為異性排列在一起,磁通在極片和磁軛內構成閉合磁路、不穿越制動圓盤,因而不產生制動轉矩。車輛制動時,內、外圈的永磁鐵極性為同性排列,永磁鐵通過極片和制動圓盤構成磁路。制動盤隨轉軸轉動,切割磁力線產生渦流和制動轉矩,改變極片相對位置可以調節制動轉矩的大小。
　　兩種渦流制動中,電磁渦流盤型制動的制動功率大,但設備較多,已在日本新干線得以廣泛應用; 永磁渦流盤型制動結構簡單,但由于目前制動功率受到一定限制,尚處于試驗階段。

圖7 　再生制動工況下的 圖8 　電磁渦流盤形

圖9 　永磁渦流盤形電機調速特性制動裝置原理圖制動工況的磁通流向
3. 2 　軌道直線渦流制動
軌道直線渦流制動通過對安裝于轉向架兩側車輪之間的條形磁鐵勵磁,在鋼軌上產生渦流使車輛制動。具有無摩擦、制動迅速等優點。同時,軌道直線渦流制動裝置可增加車輛軸重,提高車輛粘著力。其原理圖見圖10 。制動狀態時,由于電磁鐵的N 極和S 極相對于鋼軌的運動,在鋼軌內產生交變的磁場,使鋼軌頭部產生渦流,渦流與電磁鐵相互作用, 產生一個垂直于鋼軌面的吸引力和一個與車輛運行方向相反的制動力;垂直于軌面的力可增加車輛的粘著力,與車輛運行方向相反的力就是電磁渦流制動力。但軌道渦流制動如果要得到很大的渦流制動力,則需要很龐大的制動裝置。這種軌道渦流制動裝置應用于上海磁浮列車的制動控制系統中[4 ] 。

圖10 　軌道渦流制動裝置原理圖

參考文獻
1 　徐國卿. 城市軌道交通車輛電力傳動. 上海:上海科學技術出版
社,2003
2 　王振民. 三相異步電動機的制動. 北京:機械工業出版社,1998
3 　吳峻. 鼠籠電機再生制動狀態分析與控制. 微電機,2002(3) :60
4 　朱仙福. 磁懸浮列車的渦流制動問題. 機車電傳動,2001(4) :33
5 　內田等(日). 永磁渦流盤形制動裝置的基本特性. 變流技術與電力牽引,2001(4) :28
6 　胡波. 高速列車制動系統電空轉換單元的研究[ 學位論文] . 上海: 同濟大學電氣工程系,2003 :18