交通运输交流传动车辆电气制动综述.doc

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木文分析了各种电 气制动方式在交流传动车辆制动中的应用图I 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I-J相反，电磁转矩使得电机处于制动状态，转了减速，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，定了磁链ws带动 转了磁链咿旋转，定了磁链在空间位置上超前转了磁链，电机输出正转矩在制动工况下，转 了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，定了电流需要反I何以减小气隙磁场，定了电流流向中间直流环节，在空间位置 上滞后于转了电流，电机输出负转矩电磁转矩（Tem）可由定了磁链和转了磁链的叉积得到 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，并在定了中通入直流电源产生恒定的静II：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了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了磁场的旋转方向与转了磁场的旋转方向相反来实现的电机正 向旋转时，定了磁场超前于转了磁场,定了磁场拉动转了磁场以同步转速旋转;当改变电源的 相序时，定了磁场的旋转反向，而转了磁场因转了惯性的作用运行方1仰不变，滑差s 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，电机的转矩一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丁况下,转了和负载的动能及从直流电源吸收的电能全部转换为转了网路的损耗, 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了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，或人为控制定了频率降低，使转子频率高于定 了频率，滑差s <O ,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I门I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fl,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，降低定了供电频率为 f，l<fl),l(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) o 这时,n > nlxTem < 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，若不断降低定了供电频率，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1可与物体运动方1可相 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LI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所示图电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，产生制动转矩口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，定了为永磁圆盘永磁圆盘分为内圈圆盘和 外圈圆盘，配置有内、外两圈磁藐两圈磁辄内均交错放置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，磁通在极片和磁辄内构成闭合磁路、 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, 提高车辆粘肴力其原理图见图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IE相反的制动力沌直于轨面的力E增加车辆的粘着 力,与车辆运行方|何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] o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,20032 王振民.三相异步电动机的制动.北京:机械工业出版社,19983 吴峻.鼠笼电机再生制动状态分析与控制.微电机,2002(3) :604 朱仙福.磁悬浮列车的涡流制动问题.机车电传动,2001(4) :335 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):286 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。