制动电阻
制动电阻范文第1篇
关键词：制动电阻；城铁车；作用
中图分类号：U270.35 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0084-01
城铁车是城市轨道交通列车的简称，其本身与我国民众的生活有着较为紧密的联系。在民众生活水平不断提高的今天，我国民众在近些年对城铁车提出了更高的要求，安全与舒适就是这一要求的最直观体现，而为了较好的实现这一要求，制动电阻就必须在城铁车中较好的发挥自身效用。
1 城铁车制动电阻的种类
为了较好的完成本文就制动电阻在城铁车中作用展开的相关研究，我们首先需要了解城铁车中制动电阻的种类，在这一制动电阻的种类划分中，按制动电阻冷却形式我可以将其分为强迫通风冷却型制动电阻、自然通风冷却型制动电阻两类，而如果按制动电阻安装位置分类，我们则可以将其分为车载型制动电阻、地面型制动电阻两类，由于本文研究主要集中在城铁车方面，为此本文不对地面型制动电阻进行详细论述。对于强迫通风冷却型制动电阻来说，其本身具备着初期投资成本较低但长期应用成本较高的特点，这一特点的出现主要是由于这类制动电阻很容易引发制动电阻烧毁、通风相关问题，为此笔者不建议城铁车采用强迫通风型制动电阻；而对于自然通风冷却型制动电阻来说，其本身具备着初期投资成本较大，但长期应用成本较低的特点，但需要较大控制布置电阻带、质量较大的特点也需要引起我们重视；而对于车载型制动电阻来说，刚刚提到的两种制动电阻都包括在这一车载型制动电阻之中，其本身具备着控制容易、列车运行灵活可靠的特点，但其对城铁车质量以及购置、维护成本带来的影响，也需要引起我们重视[1]。
2 制动电阻种类的选择
上文中我们了解了多种城铁车应用的制动电阻，而结合这一内容，我们就可以较好完成不同城铁车制动电阻的选择。由于不同的制动电阻本身存在着不同的优缺点，所以在为城铁车选择制动电阻时，我们必须考虑城铁车所在线路的地理条件、城铁车对环境影响、城铁车制动能量等因素，并对不同制动电阻形成方案的全寿命周期进行成本分析，这样才能够为具体的城铁车选择最为适用的制动电阻。此外，对于城铁车来说，结合制动电阻的特点进行其发车间隔时间的合理安排，就能够实现对制动能量的较高限度利用，这自然就使得制动电阻能够在城铁车中得到更好的应用[2]。
3 制动电阻在城铁车中发挥的作用
对于我国当下的很多城市来说，城铁车早已不是什么新鲜玩意，而对于城铁车来说，制动电阻本身发挥着较好的节能效用。在广州地铁2014―2015年对运量较大的地铁1号线进行的两次全面测试中，这一测试对各区间列车上牵引系统输入电能、再生制动馈入电网电能及制动电阻能耗进行了较好的反映，而结合测试结果我们能够发现，制动电阻本身能够实现较好的电力再生回馈，这自然就大大降低了城铁车本身的能源消耗[3]。
制动电阻本身具备着简单可靠且造价低廉的优点，这就使得其能够较好的在我国城铁车中得到应用，但对于不同的城铁车，在制动电阻的使用中也存在着不同的策略。例如，对于行车间隔在3分钟以内的城铁车来说，笔者便不建议对其设置制动电阻，这主要是由于对于这类城铁车来说，制动电阻本身发挥的作用较为有限，单纯的小功率吸能装置就能够满足其需求；而对于线路客流一般且行车间隔时间在4分钟以上的城铁车来说，笔者建议为这类城铁车设置一定容量的制动电阻，但不能够设置全功率的制动电阻，按全功率的40%设置制动电阻就能够较好的满足其需求。此外，长期处于客流偏少的城铁车也可以选用这种制动电阻的设置方式[4]。
为了能够保证制动电阻在城铁车中发挥较好的应用效果，笔者建议城铁车采用集中设置的方式完成制动电阻的设置，这种设置不仅能够较好保证城铁车制动电阻的本身效用发挥，还可以撤销城铁车中的防火、隔热材料，这对于城铁车功用的更好发挥自然有着较为积极的意义。此外，减轻车辆质量、减少风机耗电、防止地铁洞内温度逐年上升、为其他节能设备预留空间、减少维修工作量、提高运营安全性等都属于制动电阻在城铁车中发挥的积极效用，我们必须对其产生较为全面的认识。
4 结语
在本文就制动电阻在城铁车中作用展开的研究中，笔者详细论述了城铁车制动电阻的种类、制动电阻种类的选择、制动电阻在城铁车中发挥的作用，结合这一系列论述笔者清楚认识到了制动电阻对于城铁车的重要性，希望这一内容能够为我国城铁车的相关发展带来一定帮助。
参考文献
[1]陈穗九.地铁列车制动电阻设置的探讨[J].都市快轨交通，2009，02：47-51.
[2]杨俭，李发扬，宋瑞刚，方宇.城市轨道交通车辆制动能量回收技术现状及研究进展[J].铁道学报，2011，02：26-33.
制动电阻范文第2篇
【关键词】开关磁阻；电路；电动机控制系统
所谓开关磁阻电动机系统又被称作SRD，是近些年以来，在传统调速系统的基础之上研发的一种全新的调速系统，实现了机机电一体化。其主要构成分为两个部分，一个就是开关磁阻电动机，另一部分就是电子控制器。在使用过程中，它以相应的电子控制器来作为其运行核心，并以SR电机来作为它自身的受控对象，因此它具背了宽范围、灵活控制、启动力矩较大以及调速高校等优点，在现阶段的电工界中已经越来越多的普及应用开来。
1.系统硬件以及组成设计
当前所使用的开关磁阻电动机其内部系统，主要分为三个部分，即SR电机以及电源变换器还有控制器等。其中控制器是整个系统的指挥中枢以及相应的决策构件，它能够在运行过程中，对SR电机的实际转子位置以及速度还有相应的电流反馈信息，在结合实际情况之下，发出一些系列准确无误的控制指令，从而让整个电机能够稳定、安全的运行下去。所以从某种程度上说，控制器设计的好坏，对于整个SRD系统性能的高低都有着决定性的影响。
典型SRD系统
为了能够在设计过程中，确保控制器拥有优良的使用性能，应首先对控制器相应的输入以及输出信号进行有效分析。输入信号主要包括位置信号以及电流信号还有开停信号与各种保护信号等等；输出信号则主要包括触发信号还有各种指示信号等等。
应该说，在对控制器进行信号输入过程中，首先应将位置信号确定为频率信号，而将电流信号全部模拟成相应的饿电压信号，再经过A/D专业转换之后再进行输入；对于开停信号还有各种保护信号等都需要在对进行相应的电路处理之后，让它逐渐转变成为开关信号，然后经I/O口输入。需要注意的是，在信号输出过程中，相触发信号又被称作开关信号，而其余各种指示信号又被称作开关信号，所以在实际的运作过程中，我们可以使用单片机的I/O来进行信号输出。其图如下：
图2 控制器结构
8751单片机拥有4KEPROM以及128个字节的专用RAM，此外还包括2个定时计数器，还有4个8位设置的I/O口。在实际的设计过程中，要使用1个定时计数器来对A、C开关进行控制，而剩下的定时计数器则在B、D位置处进行开关控制。然后在经过P1—P3之后，对四个点的相主开关通断进行有效控制。此外需要注意的一点是，再对四组绕组开关进行有效控制之外，还应对其位置的过压以及过流还有斩波等进行有效控制。
位置传感器中的信号输入电路能够将电动机位置上的传感器所发出的信号波形，经过相应的整形转换在输进专用的8751单片机之后进行有效实现：（1）利用传感器波形来对电动机转子位置进行有效确定，从而对电动机通电相序进行有效控制；（2）利用传感器波形来对电动机运行过程中的实际转速进行有效确定，从而进行有效的PID运算。
这里所讲的位置传感器，其内部是由中间经过开槽之后的光电管还有6个安装在SR电机转子轴上的齿槽遮光转盘组成的。在安装过程中，应将齿槽的角度调整到30°，而2个光电管也应控制15°左右。当SR电机同遮光转盘同时间旋转时，能够迅速的输出两个周期为60°，且时间间隔位置同为16°的位置信号，然后这个信号在经过专用CD40106整形以及CD4009转换之后，再输进相应的8751单片机之内。
SR电机在其进行低速运行过程中，往往选择使用斩波控制，也就是控制器在运行过程中，在其相应的绕组电流没有达到规定最大值之后进行主开关切断；而当绕组电流衰减到最小值之后，再重新将主开关开通，进而让绕组电流可以不断的上升。此外可以利用改变相绕组电流其相应的平均值来对SR内部的电机输出转柜进行有效控制。当绕组电流在传输过程中达到规定中的最大值以及最小值时，经过专用的8751单片机来对D/A转换电路进行有效设定，在对电流传感器所检测的相应电流信号同原先既定的设计值相对比之后，再使用RS锁存器进行及时锁存。而当SR电机绕组中通过的电流值超过规定允许值之后，就会在相应的过流保护电路中产生相应的保护信号，由于这种信号的传输过程中，会以外部中断的方式来及时的通知单片机，同时也会逻辑电路进行实时封锁，从而实现了对过流软硬件的有效保护。
平常所使用到的晶振电路，一般都是由8MHZ的石英晶体所组成。而专用的8751单片机，其运行设备的每个周期都是由相应的12个振荡周期所构成的。因而在进行实际操作的过程中，每个指令所产生的机器周期应该为T=12/f=1.5us。
经过A/D转换之后，再使用用户设置功能可以模拟出一个真实的转速给定值，并将其看做开关信号及时的输入到专用的8751单片机中。不过需要注意的是，在实际设计过程中，应注意外界干扰，以避免在设计以及以后的使用过程中出现误触况。
2.控制软件
为了能够尽快的实现和完成对SRD系统的闭环控制，需要对单片机相应的给定速度以及实际电机速度还有相应的电机相电信号等进行实时获取，由于这些信号大都是由一些专用的硬件系统进行直接提供的，所以我们在对控制软件进水设定时，必须包含以下一些模块：对给定速度进行测量、对实际速度进行测量以及对电流信号进行测量。另外在相关的软件中，还应含有对PID进行调节模块、构成程序的保护模块以及相触发信号的实际输出模块等等。
3.总结
文章主要对SRD系统控制进行相应的介绍和说明，并对其使用性能进行详细的描述与讨论，得出使用四象8/6极结构，以及自身额定功率为2.2KW，其相应调速范围控制在60-1500的r/min的SRD电机系统，可以在一定范围内确保较高转速效率的基础之上，保证整个系统良好运行。从而有效的证明了该控制方法以及设计方法是相对可行的。
【参考文献】
[1]肖芳，潘庭龙.关于开关磁阻电动机的控制与仿真[J].防爆电机，2009，（01）.
[2]雷菊妹，王宏华.开关磁阻电动机电压斩波续流方式研究[J].中小型电机，2009，（06）.
制动电阻范文第3篇
关键词:城市轨道交通;列车电制动;地面电阻吸收装置;参数分析;计算方法
在取消城市轨道交通列车车载制动电阻器、代之以设置地面电阻吸收装置后,地面电阻吸收装置就成为牵引供电系统的一部分。本文在分析列车电制动功率、列车电制动再生时刻牵引供电系统模型的基础上,提出了列车电阻制动地面电阻吸收装置的电阻值、短时功率、持续发热功率以及开关元件电流值等参数的计算方法和实现装置电流最小脉动的最佳控制方案。
1 列车电制动时的最大输出功率和电阻吸收装置的阻值
城市轨道交通运输中区间内典型的一列列车的运行曲线图如图1所示。基于 文献 [1],根据车辆生产厂商提供的制动曲线、电机转换效率和逆变器效率,在全电制动时可以得到列车电制动的最大输出电功率为
式中:Im,Um分别为电机在全部投入电制动时输出的最大电流(A)和最大电压值(V);η为逆变器效率,通常取0.98;q为牵引电机数,台;cosφ为电机功率因数。
2 列车再生制动时的牵引供电系统 于是,对于图2所示模型,根据KCL定律可得牵引网各节点电流为
再生制动时的牵引供电 网络 与列车在牵引状态下的牵引供电网络相同,也是1个实时动态网络。因此,以上计算只是在t时刻扫描的网络状态。对于下一个(t+Δt)时刻扫描,首先应根据列车运行图及列车牵引计算资料,确定该扫描时刻的列车数量与位置,建立起新扫描时刻的牵引网等效网络图,然后再根据新等效网络图,依据以上方法建立新的矩阵方程,以此求解新扫描时刻的各项参数。如此循环往复,直至最后一个扫描时刻。
2·1 列车的再生制动电流
事实上,牵引供电网络各节点电流和电压都是随机变量。但是,在对n个扫描时刻的计算数据运用统计方法分析后,可以得到如图3所示的运行周期内列车电制动再生电流曲线。
由列车电制动再生电流曲线可得: 式中:a1,b1,a2,b2为方程的回归系数。
根据线性回归原理可以得到1列列车电制动周期T′内的电制动再生电流函数I(t)为=(a1t+b1)+(-a2t+b2)(6)
换算到1列列车电制动周期T′内的电制动再生电流均方根值为
换算到1列列车运行周期T内牵引网的电制动再生电流均方根值为
因此,当牵引供电臂内有1列列车时,不计牵引网损耗时的电阻吸收装置短时功率为
PT′=RbI2T′(9)
当牵引供电臂内有1列列车时,不计牵引网损耗时的电阻吸收装置持续(等效发热)功率为
PT=RbI2T(10)
2·2 消耗在牵引网上的列车电制动再生功率 由式(11)展开化简后,可以得到供电臂牵引网最大压降为于是,消耗在牵引网上的列车电制动再生功率为
P′=ΔUI(13)
3 地面电阻吸收装置的控制
由 文献 [3],为了可靠地吸收列车再生功率,方便控制,同时考虑到元件容量和牵引网谐波电流限制,电阻回路宜采用电力 电子 元件构成的N条支路斩波开关调阻电路(N为2的整数倍),即每支路的电阻值为NRb。同时,控制也是实现列车再生功率可靠吸收的重要环节。限于篇幅,在此进行简要探讨。
设支路电流幅值为A,斩波开关导通比为D,脉冲周期为C,在调制周期C′=C/n(n=1~N,n为整数)时间内,则可得到与控制和元件参数有关的回路电流值。
回路电流平均值为
于是,对于1个由典型4支路(T1~T4)斩波开关调阻电路构成的电阻吸收装置,当导通角α在0~0.9C变化时,各支路的I-,IR,IP等参数之间的相互关系见表1。
图4所示为该装置各支路脉冲波形图(α=5C/8)。从图中可以看出,当斩波开关导通时的滞后角β=C/4时,输出电流的脉动值最小。
4 结束语
通过分析列车电制动时的最大再生功率和地面电阻吸收装置的阻值、电制动再生时刻的牵引供电系统、列车电流、网压降之间的相互关系,系统地给出了地面电阻吸收装置的技术参数计算 方法 。
(1)在地面电阻吸收装置工作的有效区段内,应根据线路区段、列车运行方式和电制动特性、供电臂内列车状态以及线路特征的不同,分别计算和合理确定地面电阻吸收装置的技术参数。
(2)由于列车电制动的再生限制电压为1800V,地面电阻吸收装置的启动吸收电压宜取额定条件下的牵引网变电所空载出口电压1650V,以减少装置的误动。
(3)为方便控制和可靠地吸收列车再生电流,地面电阻吸收装置应采用多支路形式。 研究 还发现,地面电阻吸收装置的输出电流脉动与斩波器导通比、各支路斩波器的开关滞后角有关。当滞后角β=C/N(N为支路数)时,输出电流脉动值最小。
(4)提出的列车电制动地面电阻吸收装置参数计算方法与现行的城市轨道 交通 牵引供电计算方法结合,可构成完整的城市轨道交通列车牵引供电计算。
参考 文献[2]史凤丽,于松伟.地铁牵引供电系统数学模型的建立与求解[J].北京联合大学学报,2003,17(2):60-62.(SHIFengli,YUSongwEi.ToFoundandtoFindtheSolutionforMathematicalMethodofMetroTractionPower[3]松本哲弥.回生電力吸收装置(抵抗)[J].鉄道と電気技術,1997,8(6):13-17.
[4]邵丙衡.电力电子技术[M].北京: 中国 铁道出版社,1997.
制动电阻范文第4篇
【关键词】绕线式；电动机控制
0.前沿
绕线式异步电动机常用的启动方法是在转子回路串人三相电阻或串人频敏变阻器，前看多用于需要调速的场合。
1.绕线式电动机串电阻启动工作原理
绕线式异步电动机的转子绕组可通过3个滑环与外电路连接。所以，启动时可在电动机外电路串人不同的电阻，以改善它的启动性能。
电动机启动时转子回路接人全部电阻。在启动过程中，随着电动机转速的升高，逐段将转子电阻切除（通过控制接触器将电阻短接），最后将转：子绕组短接。根据电阻切除的方法不同，可分为三相平衡切除和不平衡切除两种。如果三相启动电阻对称，每次切除量也对称，称为平衡启动电阻，如果三相电阻不对称，每次切除量也不对称，称为不平衡启动电阻。不平衡启动电阻一般用于不经常启动的小容量电动机，且多为手动控制。大容量电动机则多采用平衡启动电阻启动。
转子串入电阻后，一方面使转子电流减小，从而使启动电流减小：另一方面转子回路的功率因数得到改善，因而使启动转矩增大。所以这种方式允许在重载下启动。
电动机转串平衡启动电阻启动时的特性曲线。启动时，转子串入全部电阻，电动机工作在R1特性曲线的1点，对应的启动转矩为M1。因为启动转矩M1大于电动机负载转矩ML，所以电动机开始加速，工作点沿R1特性曲线上升。随着转速的升高，电动机转矩减小，当运行到2点时，由外电路控制使接触器触点1KM闭合，切除第一段电阻，此时2点对应酶转矩称为切换转矩M2。由于转速惯性，电动机将工作在R2曲线上的3点，对应转矩为M1，则电动机加速。当转速上升到4点时，又对应电动机的切换转矩，外电路控制使触点2KM闭合，切除第二段电阻，工作点平移至5点后沿R3特性曲线上升。如此一段一段地切除电阻，电动机就在不同的曲线上加速，最后将所有串接电阻全部切除，电动机稳定工作在固有特性曲线的额定工作点N，从而完成启动过程。
启动电阻根据需要分成若干段，段数越多，平均启动转矩越大，启动时的转矩波动越小，启动越平稳。
绕线式电动机转子串电阻的控制电路。它是按电流（转矩）的变化控制接触器动作来逐段切除启动电阻的。
电路中电动机电流由主电路电流互感器TA二次所接的三相电流继电器KA取得，继电器的吸合电流整定为切换转矩M2对应的电流I2。
启动前，闭合电源隔离开关QS，接通控制回路，各接触器和继电器均为无电状态。
启动时，按下启动按钮SBq，主接触器KM闭合，电动机串人全部电阻启动；辅助触点KM1闭合，形成自保；触点KM2闭合，为中间继电器1K通电做准备。
电动机启动瞬间，由于启动电流I大于切换转矩对应的电流I2，使电流继电器KA吸合，其触点KA2打开，各加速接触器（控制启动电阻的接触器）暂不能送电；触点KA1闭合，电流从控制电源Ll端触点KA12K21K2KM2中间继电器1K电源L3端，使中间继电器1K有电吸合。
继电器1K有电吸合后，引起以下触点变化：
（1）触点1K1闭合，形成自保；
（2）触点1K2打开，切断以上继电器1K通路，保证继电器2K仍受电流继电器常开触点KAl控制；
（3）触点1K3闭合，使第一级加速接触器1KM处于待通状态。
电动机启动后，随着转速的上升，启动电流（转矩）下降到I2时，电流继电器KA释放，其触点KA1打开，暂缓中间继电器2K通电；触点KA2闭合，电流从电源Ll端KA22KM21KM2已闭合的1K3接触器1KM电源L3端，使第一级加速接触器1KM有电吸合，引起以下触点变化：
（1）主触头闭合，切除第一段加速电阻。
（2）触点1KM1闭合，形成自保。
（3）触点1KM2打开，切断以上电流通路，保证接触器2KM仍受电流继电器常闭触点KA2控制。
（4）触点1KM3闭合，使中间继电器2K处于待接通状态。
电动机切除第一段电阻后，主电路电流又一次增大，使I>I2电流继电器KA又一次吸合，其触点KA2打开，保证接触器2KM和3KM暂不通电；常开触点KA1闭合，处于待接通状态的中间继电器2K有电吸合：其触点2K1自保，触点2K2打开，作用同于1K2；触点2K3，闭合，使第二段加速接触器2KM待接通。
随着转速的上升，主电路电流I下降到I2时，电流继电器KA又一次释放，其触点KAl打开，暂缓继电器3K通电；触点KA2闭合，第二段加速接触器2KM有电吸合，主触头闭合，切除第二段电阻；触头2KM1闭合，形成自保，触头2KM2打开，作用同于1KM2；触头2KM3闭合，使中间继电器3K处于待接通状态。
经过相同过程切除第三段电阻后，电动机在额定状态下稳定运行。
停车时，按下停止按钮SBt，主接触器KM失电，主触头断开，电动机停车，触点KM2打开，各中间继电器、加速接触器相继断电释放，为下一次启动做准备。
2.绕线式电动机串频敏变阻器启动
绕线式异步电动机串频敏变阻器启动，具有启动电流小，启动转矩大，启动过程损耗小等特点。
频敏变阻器是一种特殊的铁心电抗器，它可等效成电阻与感抗的并联电路，所以这是一种转子回路串接阻抗的启动方法。
频敏变阻器等值电路，rb为频敏变阻器线圈电阻；Rp是反映频敏变阻器铁心损耗的等效电阻，频率越高，铁损越大，则Rp，越大；XL是频敏感抗。
开始启动时，电动机转速n=o，则转子电流频率最高，频敏变阻器阻抗最大；此时，XL>Rp，电流/大部分流过Rp，相当于转子回路串接电阻启动，因而启动电流得到限制，且启动转矩较大。随着转速n的升高，转子电流频率降低，XL，Rp的值减小，相当于连续自动减小启动阻抗。当转速继续上升，转子电流频率进一步降低，并使XL
转子回路串接频敏变阻器启动的控制电路。该电路用于绕线式电动机的不可逆控制。它由主回路和控制回路两部分组成。控制回路中的时间继电器KT用于控制频敏变阻器串人转子回路启动的时间。
启动前，首先闭合自动开关Q，主回路有电；闭合开关SA，控制回路有电，绿色指示灯HG亮。
启动时，按下启动按钮1SB，接触器1KM有电吸合；主触头闭合，电动机转子串人频敏变阻器RF启动；常开触点1KM1闭合，形成自保；触点1KM2闭合，红色指示灯亮，表示电动机正在启动；触点1KM3闭合，时间继电器KT有电，其常开触点经一段延时后闭合，接通中间继电器K。
中间继电器有电后，通过其常开触点使接触器2KM有电吸合，其主触头闭合切除频敏变阻器；同时辅助触点2KM1打开，绿色指示灯HG灭，表示电动机降压启动结束且进入全压运行状态。
制动电阻范文第5篇
关键词: 地铁列车; 能耗; 反馈制动; 制动电阻; 节能
0 引言
近年来, 随着我国经济水平的迅猛发展, 各主要城市地铁事业正在迅速发展, 在未来的几年我国将会有更多的地铁线路和更多的地铁列车投入运营。便利的城市轨道交通为市民的出行带来了极大便利的同时, 也带来了电能消耗的迅速增加。众所周知, 现代经济的迅速发展必须依靠能源, 而我国又是一个能源相对比较缺乏的国家。因此, 研究地铁列车的能源消耗情况, 分析并研究地铁列车节能途径是一件迫在眉睫的工作。
1 地铁列车反馈制动的使用
城市轨道交通列车的特点就是线路的站间距短, 列车运行时频繁地起动、制动, 就广州地铁而言, 现有线路基本上在列车达到最高速时很快就会制动。同时, 为了让列车能够准确地按照运行图来运行, 城市轨道车辆在ato( 自动驾驶) 模式下都是采用巡航方式来运行。目前,我国地铁列车大都采用接触网 / 轨直流供电, 牵引系统大都是变压变频的交流传动系统。列车牵引时从电网吸收能量, 制动时采用反馈制动把制动能量反馈回电网, 当电网电压升高到一定程度( 1 800 v) 时采用电阻制动。基于地铁车辆快速起动、快速制动、全线以精确的预设速度运行的特点, 列车在起动时会消耗大量的电能, 在制动时就必然要产生相当大的制动能量。反馈制动把动能转化为电能送入电网供其它列车使用, 这极大地降低了列车的实际能量损耗。
但是, 由于列车运行图及整个线路多种因素的影响,列车配置了制动电阻来消耗列车制动时线路其它列车不能吸收的制动能量。广州地铁现有 4 条地铁线路, 制动电阻的使用情况如表 1 所示。
而制动电阻的使用有以下弊端: 1) 制动电阻消耗电能, 制动能量被浪费; 2) 有强迫风冷的制动电阻, 列车必须提供强迫风, 这也是一种电能的浪费; 3) 车载的制动电阻增加了列车重量, 同时增加了列车的造价; 4) 制动电阻发热对列车其它设备和隧道内其它设备造成影响。
基于以上使用制动电阻弊端的考虑, 近年来有人提出了采用超级电容的方案来代替制动电阻。而且超级电容也分车载和地面放置两种方案来考虑。对于地铁列车有没有必要采用超级电容, 笔者认为需要从节能效果和制造维修成本等方面来考虑。为了能够得到比较准确的列车能量消耗的数据, 我们对广州地铁一号线列车在正常运营时的能量消耗情况进行了测量。通过对测量数据的分析, 明确了广州地铁一号线列车能耗的实际情况, 为综合考虑地铁列车节能方案提供依据。
2 数据的采集
2.1 数据采集的时间( 见表 2)
由于城轨列车在运营的不同时段列车间隔是不同的, 而不同间隔下列车制动时反馈电能被其它列车吸收的情况也可能不同。因此, 我们测量了列车分别在高峰和低峰运行下的能量消耗。
广州地铁一号线列车牵引控制单元( dcu) 信号处理板上有相应信号测量的接口, 这为我们此次测量带来了极大的方便, 表 3 中 a327 指的是 dcu 的一块信号处理板, pb115 指的是测量接口。由于我们所采集的这些信号最终是用来进行列车控制矢量计算的信号, 此处取得的信号值是非常准确的。因此不考虑测量误差。
3 计算采用的概念
鉴于此前我们并没有看到完全针对地铁列车能量消耗进行的测量、计算和分析, 因此, 本文定义以下几个概念, 主要目的是为了能够完全清晰地描述列车能量的消耗情况。
1) 列车牵引系统输入能量: 列车在区间运行时牵引系统从电网取得的总电能, 其值是运行时间内对电容电压和正向线电流乘积的积分。
2) 再生制动馈入电网电能: 列车在区间运行时通过再生制动反馈进电网的能量, 其值是制动时间内对电容电压和反向线电流乘积的积分。
3) 制动电阻能耗: 制动斩波相开通时在制动电阻上消耗的能量, 其值是制动时间内对电容电压和斩波相电流乘积的积分。
4) 列车实际牵引电能: 列车在区间运行时牵引系统实际消耗的电能。列车实际牵引电能 = 列车牵引系统输入能量 - 再生制动馈入电网电能。
简要地说, 在列车牵引期间, 列车从电网吸收了能量, 这就是“列车牵引系统输入能量”; 列车在进行制动时, 在电制动满足列车制动要求的情况之下, 列车向电网反馈了电能, 这部分电能就是“再生制动馈入电网电能”;在列车制动期间, 当电网电压由于列车反馈制动的原因升高到 1 800 v 以上时, 列车不能再继续进行反馈制动,此时, 列车制动电阻投入使用, 在制动电阻上消耗的电能就是“制动电阻能耗”; 列车在正线运营期间, 不管电能是列车加速时消耗的, 还是制动期间消耗在了制动电阻上,对电网而言, 都是对电能的消耗, 因此我们定义一个“列车实际牵引电能”的概念。从电网对列车的能耗输出这一角度来看“,列车实际牵引电能”包括了“制动电阻能耗”。
为了能够对列车在区间运行时电能的去向有一个比较直观的认识, 我们采用以下两个概念进行分析。
1) 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率
其表达公式如下:
再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的
地铁列车在加速牵引时牵引系统会有大量的电能转换为列车动能, 而在制动时也会有相当一部分列车动能通过牵引逆变器的转换以电能的形式反馈回电网。通过对“再生制动馈入电网电能”和“列车牵引系统输入能量”两个量进行定量的比较分析, 我们可以直观的认识到列车牵引时牵引系统吸收电网电能转化为列车动能再在制动期间把列车动能转化为电能的这一过程中能量的转移、消耗情况。
对电网而言,“列车牵引系统输入能量 ”不是真正的消耗, 列车实际牵引电能才是对电网电能的真正消耗, 也就是说“:列车牵引系统输入能量 ”剔除了“再生制动馈入电网电能”这一部分, 它才是列车牵引系统对电网电能的真正消耗, 即“列车实际牵引电能”。
2) 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率,
其表达公式如下:
制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率 =
列车牵引系统在加速牵引阶段吸收了电网大量的电能, 在反馈制动阶段向电网反馈了部分电能。除此之外,从电网的角度来看, 没有能够反馈回电网的电能全部被列车吸收了, 这一部分就是以上所说的“列车实际牵引电能”。但是, 对列车本身而言, 这部分电能大多都用于列车加速牵引、惰行、制动等各运行阶段整个系统的消耗上,如轨道的阻力、风阻、整个牵引系统( 牵引逆变器、牵引电机、线路) 热能消耗、能量形式转换过程中的能量损失等,以上这些能量的消耗与列车行驶的线路、整个线网的运行状态有关, 同时也与列车牵引系统的效率有关, 在此我们不作详细分析。
“列车实际牵引电能”还有一少部分是当电网电压升高到 1 800 v 以上时, 列车制动电阻投入使用, 此时的“制动电阻能耗”有助于我们定量分析讨论列车制动电阻的价值所在, 因此我们通过“制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率”来定量讨论“制动电阻能耗”。
4 能耗测试数据
广州地铁一号线是 6 节编组, 4 个动车 2 个拖车。考虑到一列车 4 个动车的牵引系统完全相同, 本次测量仅采集一个动车的牵引系统的信号。
通过对测量数据的计算, 我们得到列车在高峰期间各区间运行时的能量消耗情况, 其汇总表见表 4 与表 5,表中区间号是从始发站开始依次排序。高峰期间, 列车上行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.524, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.083 4; 列车下行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.496, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.000 8。
表 6 与表 7 是低峰期间列车在各区间运行时的能量消耗情况的汇总表。低峰期间, 列车上行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.47, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.000 9; 列车下行时, 再生制动馈入电网电能占列车牵引系统输入能量的比率为 0.42, 制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率为 0.031 2。
广州地铁一号线出于安全的考虑, 在列车停站开门时牵引系统会开通一次斩波相对电容进行放电。通过对列车采集的信号分析, 制动电阻能耗小于 0.01 kw/h 的记录全部是列车在车站停车且开门的瞬间产生的。因此,小于 0.01 kw/h 的记录全部是对电容放电的能量, 并不是制动时的消耗。
5 测量结果分析
1) 列车无论是在高峰还是在低峰期间运行, 电阻制动实际工作的次数非常少。在高峰期只有上行第 13 个区间有一次明显的电阻制动, 制动电阻消耗 10.5 kw/h 电能。低峰期只有下行第 5 个区间有一次明显的电阻制动,制动电阻消耗 3.1 kw/h 电能。
图 2 是低峰期间上行第 6 个区间列车牵引制动的信号, 3 条曲线从上至下依次是 xin、xud、xibs。由于列车在整个牵引制动过程中斩波相没有任何电流, 因此, 列车在此区间运行时没有进行电阻制动。同时,从图中的曲线可以看出, 电容电压迅速下降的同时斩波相电流瞬间增大, 这就是开门瞬间斩波相开通的记录。
2) 广州地铁一号线目前“列车牵引系统输入能量”在制动时有大约 48% 反馈回了电网用于其它列车消耗, 在“列车实际牵引电能”中有大约 2.9%被制动电阻消耗。“列车实际牵引电能”中 97.1%在列车的运行过程中由于线路阻力、风阻、制动时补充的气制动等消耗掉了。因此, 不管采用什么方式来节能, 理论上能够节约的电能不超过目前“列车实际牵引电能”的 2.9%。
3)“制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率”最大的是高峰期上行时, 达到了8.34%, 高峰期下行和低峰期上行期间制动斩波相均没有开通, 低峰期下行时“制动电阻能耗占列车实 际牵引电能的比率为3.12% 。两个往返中总的“制动电阻能耗占列车实际牵引电能的比率”是 2.9%。
图 3 是高峰期间上行第 13 个区间列车牵引制动的信号, 可以看出, 斩波相开通时制动电阻的电流非常大, 但此种情况很少发生。列车制动时反馈的电能大约是实际牵引时电能的 48%, 尽管正线运营列车各自起动、制动的时机受多个因素的影响, 但我们可以做一个简化。设正线运营列车总数为m, 制动列车数为 n, 则制动列车制动能量能够被牵引列车正好吸收的等式如下:
n×0.48 =( m- n) ×1
结果有: n / m= 0.67
即只要全线制动列车的数量不超过运营列车数量的67%, 在不考虑线路损耗的情况之下, 制动列车反馈的能量能够完全被此时正处于加速状态的列车吸收, 此时列车的反馈制动不会造成电网电压的升高, 列车制动电阻不会投入使用。
在实际的运行中, 出现超过 67%列车在同时进行制动的情况很少, 因此需要进行电阻制动的情况也比较少。当然, 此处分析不考虑有列车在惰行、停止等状态, 仅仅做简化分析。
4) 由于高峰期载客量明显比低峰期大, 载客量对牵引的能耗产生了影响, 低峰期列车行车间隔增大客流减少但制动电阻的使用并没有增加, 即只要列车运行图组织得好, 行车密度足够大, 间隔均匀, 且同一供电区间内各列车起动加速和制动的时机配合恰当, 反馈制动总是能够发挥很好的效果。
6 结论
目前地铁列车反馈制动的节能效果是明显的, 制动电阻消耗的能量是有限的, 这也是为什么有些日本城轨系统不配置制动电阻的原因。当然, 地铁运载系统是一个非常复杂的工程, 制动电阻上消耗的电能很有限并不代表制动电阻的作用不大, 也并不代表制动电阻可以取消。是否采用制动电阻, 制动电阻是否要安装在列车上, 以上问题都必须在地铁系统设计时综合考虑。本文通过对地铁列车电能消耗的分析, 明确了广州地铁一号线列车能耗的实际情况, 对综合考虑地铁列车制动电能的吸收装置有借鉴意义。
