北京地铁1号线制动电阻设计浅析

目前国内外新型的城市轨道交通车辆, 一般具有电制动功能, 并且在正常制动过程中, 尽量充分发挥电制动能力, 减少空气制动时闸瓦粉尘对城市环境污染同时降低运行成本。

电制动是在制动时, 将牵引电机变为发电机, 使列车动能转化为电能。对这些电能的不同处理方式形成了不同方式的电制动, 目前城市轨道交通车辆上采用的电制动形式主要有电阻制动和再生制动。其原理简图如图1所示。

(1) 电阻制动:将发电机发出的电能送到电阻器中, 使电阻器发热, 即将电能转变成热能。电阻器上的热能靠风扇强迫通风或走行风而散于大气中。电阻制动一般能提供较稳定的制动力, 但车辆底架下需要安装体积较大的电阻箱。

(2) 再生制动:列车的动能通过电机转化为电能后, 再使电能反馈回电网供给其它列车使用。这种方式既能节约能源, 又减少制动时对环境的污染, 基本上无闸瓦磨耗, 是一种较为理想的制动方式。

下面以北京地铁1号线制动电阻的设计为例, 浅析一下制动电阻设计中需要重点关注的问题。

1 电阻制动工作原理

不管是在完全再生工况FI (IL=I0、Ich=0 (完全再生制动) ) 的情况下、还是在无再生负荷时的全电阻制动时 (I0=Ic h、Il=0 (完全电阻制动) ) 的情况下, 列车的V V V F逆变器电路通过计算都能够满足相同的电制动力, 其具体控制实施由制动斩波器BCH来完成。

制动斩波器通过监视滤波电容电压 (V f c) 、按照电压值来控制断路器的通流率、从而使电制动产生作用。当V f c较高时, 判定为再生负载小, 则提高通流率;反之, 当V f c较低时、降低通流率 (或使其为0) , 按这种方式来控制制动电阻中流过的电流。斩波器仅在制动时工作, 在列车牵引以及惰行时并不工作 (牵引时V f c产生过电压, 为了进行抑制过电压而动作除外) 。再生制动与电阻制动之间是自动而且连续的控制, 不存在使用硬触点控制的切换电路。

V f c与制动斩波器通过电流的关系如图2所示。斜线部分为制动斩波器中流过的电流。

由于目前在北京地铁1号线上运营的部分旧车 (复八线车辆) 不带制动电阻装置, 而进行再生节制控制, 在V f c为9 0 0 V时开

考虑到复八线车辆将和新车混用, 如果与复八线相同使电阻制动从9 0 0 V开始投入, 复八线车辆的制动电流会流到新车的制动电阻, 因此, 需要将制动电阻的开始投入电圧提高到比复八线要高, 将节制电流设定的小一些。需要将制动电阻的控制上V c的设定范围设定在8 0 V以上, 将制动电阻的动作点可以考虑设定在9 2 0 V。

制动斩波器具备推算制动电阻器温度的功能, 通过由通流率与V f c算出加在电阻器上的电功率、而算出电阻器的温度。当推算出的温度达到设定值以上时, 则限制通流率 (即使V f c过高也抑制通流率) 从而抑制电阻器温度的上升。此时, 由于V V V F逆变器的电压限制功能而导致的制动力的不足部分则由空气制动来补充。

在正常的运行中, 由于车辆一直不停的走行, 通过走行风的自然冷却即可使制动电阻温度限制在极限值以下。制动斩波器电路发生故障时, 与V V V F逆变器电路发生故障一样, 需将该部分的输入端接触器断开, 从而隔离故障。

2 制动电阻阻值和电流容量

(1) 电阻值的确定。

通过模拟满足列车超员时减速度1.0m/s2条件的最大输入直流电流的试验得出:

每4台主电机的电流计算如下。

粘着限制16%时:1342A (有效值) 。

粘着限制19%时:1673A (有效值) 。

按照以上条件换算为每1群 (主电机2台) 的情况:

粘着限制16%时:1342/2=671A。

粘着限制19%时:1673/2=836A。

该值为全部流到电阻器的电流。

16%时:

R= (Vc/Iave) ×γ

19%时:

R= (Vc/Iave) ×γ

(2) 电流容量的确定。

通过模拟典型区间地走行试验得出下列特性曲线 (玉泉路-八宝山) :

制动初始速度68km/h、减速度1.0m/s2、再生转换速度5km/h (图3) 。

粘着限制1 6%的电流特性曲线如下有效电流为176.7A (图4) 。

粘着限制1 9%的电流特性曲线如下, 有效电流为214.2A (图5) 。

在上述条件下电阻体的温度上升结果如下。

粘着限制1 6%时 (电制动全部为电阻制动) :

温度上升474K;

电阻器质量210kg/台合计2台。

粘着限制1 9%时 (电制动全部为电阻制动) :

温度上升448K;

电阻器质量295kg/2台合计3台。

由此可见若完全由电阻制动实现电制动, 电阻体的温度上升接近3 0 0度。

3 制动电阻安装要求

由于制动电阻的温度上升值接近于3 0 0度, 因此, 在进行车辆设计时需要考虑以下事项:

在电阻器的上部, 为控制客室地板的温度需安装遮热板。

地板面与电阻器的上部要尽量保留充分的空间。

为保证电阻器的散热尽量考虑保留电阻器周围的空间。

电阻器周围150mm之内不要有除电阻器接线以外的其它配线。

辅助材料等使用耐热性的材料。

电阻器周围从150mm到500mm以内的配线使用金属管进行保护。

到2台电阻器去的配线长度尽量保持一致。

4 结语

制动电阻的不仅仅需要与牵引电机的牵引特性匹配, 还需要充分考虑列车在线路上运营时的实际工作条件, 才能设计出符合车辆要求的高性能、高可靠性制动电阻;同时, 在设计制动电阻时, 一定要计算清楚电阻体在最恶劣工况时的最大温升, 以便在车辆整体设计时提前做好必要的隔热措施。

摘要：本文以北京地铁1号线制动电阻的设计过程为例, 介绍了地铁车辆电制动的工作原理, 分析了制动电阻参数选定的方法, 同时对制动电阻在车辆上的安装提出了合理建议。

关键词：制动电阻,电制动,斩波器