動(dòng)車組再生制動(dòng)的研究

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1、 摘要 帶動(dòng)力的動(dòng)車和不帶動(dòng)力的動(dòng)車通過(guò)固定編組共同組成了動(dòng)車組，動(dòng)車組具有舒適安全等優(yōu)點(diǎn)，因此在全國(guó)范圍內(nèi)甚至世界許多國(guó)家中得到了普遍的使用和推廣。 再生制動(dòng)與傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)相比具有不可比擬的優(yōu)越性，是目前所使用的制動(dòng)方式中唯一可以向電網(wǎng)回饋能量的一種制動(dòng)方式，它較傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)而言， 相關(guān)部件磨損程度較小，且在制動(dòng)的同時(shí)還能節(jié)約能源,在資源日益匱乏的今天有著重大的意義。 在再生制動(dòng)的過(guò)程中，是將原本為電動(dòng)機(jī)的異步牽引電機(jī)，變?yōu)榱税l(fā)電機(jī)，產(chǎn)生反向電流和反向轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到制動(dòng)的目的。而因再生制動(dòng)產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)過(guò)中間的逆變器和脈沖整流，先變?yōu)閱蜗嘀绷麟?，再變?yōu)閱蜗嘟涣麟姡詈笸ㄟ^(guò)牽

2、引變壓器反饋回電網(wǎng)。本文主要介紹了制動(dòng)方式的分類，復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)以及再生制動(dòng)的工作原理，并深入研究了交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：再生制動(dòng)；動(dòng)車組；交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng) Abstract A emu is a fixed train consisting of a powered train and an unpowered trailer. Due to its safety, comfort and other characteristics, the emu has been widely used in countries and region

3、s around the world. Regenerative braking is the only braking method that can feed back energy to the power grid. Compared with the traditional air braking, the wear degree of relevant parts is small, and the braking can save energy at the same time, which is of great significance in today's inc

4、reasingly scarce resources. In the process of regenerative braking, the asynchronous traction motor originally used as a motor is turned into a generator to generate reverse current and reverse torque, so as to achieve the purpose of braking. The three-phase alternating current generated by regener

5、ative braking passes through the middle inverter and pulse rectification, and first becomes single-phase direct current, then single-phase alternating current, and finally feeds back to the power grid through traction transformer. This paper mainly introduces the classification of braking mode, the

6、working principle of compound braking system and regenerative braking system, and deeply studies the ac traction drive system. Key words：regenerative braking; The emu. Ac traction drive system 目錄 第一章 緒論 5 1.1 研究背景 5 1.1.1 國(guó)外現(xiàn)狀分析 5 1.1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析 7 1.2 本文主要研究?jī)?nèi)容 8 第二章 制動(dòng)系統(tǒng)概述 9 2.1 制動(dòng)系

7、統(tǒng)對(duì)動(dòng)車組的意義 9 2.2 制動(dòng)方式的分類 9 2.2.1 按動(dòng)能轉(zhuǎn)移方式分類 9 2.2.2 按制動(dòng)力的形成方式 11 2.2.3 按制動(dòng)力的操縱控制方式 12 2.3 高速動(dòng)車組復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng) 12 2.3.1 高速動(dòng)車組復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)組成和特點(diǎn) 12 2.3.2 高速動(dòng)車組復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)能量分配 13 2.4 本章小結(jié) 14 第3章 高速動(dòng)車組再生制動(dòng)理論分析 15 3.1 高速動(dòng)車組再生制動(dòng)工作原理 15 3.2 交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 16 3.2.1 PWM整流器 17 3.2.2 中間直流環(huán)節(jié) 19 3.2.3 逆變器 21 3.2.4 交流異步電動(dòng)機(jī) 2

8、3 3.3 再生制動(dòng)的能量分析 23 3.3.1 地面電阻制動(dòng) 24 3.4本章小結(jié) 25 第一章 緒論 1.1 研究背景 動(dòng)車組一種固定編組列車，它由帶動(dòng)力的動(dòng)車和不帶動(dòng)力的拖車兩部分組成，兼具了動(dòng)車的安全、速度與拖車的舒適度，因此在誕生后的五十年內(nèi)，便迅速地在全世界各大國(guó)家內(nèi)占領(lǐng)了一席之地。 電氣化鐵道牽引負(fù)荷，是能源消耗的大號(hào)用戶，在當(dāng)今這個(gè)能源緊缺的社會(huì)，鐵路運(yùn)輸產(chǎn)生的巨大能源消耗成為亟待解決的一個(gè)問(wèn)題，如何在保提高鐵路運(yùn)輸?shù)乃交A(chǔ)上，降低鐵路的能源消耗，節(jié)能減排是鐵路工作的重點(diǎn)之一。 再生制動(dòng)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的措施之一。動(dòng)車制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，產(chǎn)生

9、反向電流，形成反向力矩，以達(dá)到制動(dòng)的目的。在這個(gè)過(guò)程中，制動(dòng)產(chǎn)生的巨大動(dòng)能通過(guò)牽引電機(jī)變來(lái)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)回流軌最終反饋到電網(wǎng)中，這就是再生制動(dòng)。 動(dòng)車組再運(yùn)行過(guò)程中，速度很快，為了再能在規(guī)定的距離內(nèi)穩(wěn)定降速或者停車，需要很大的制動(dòng)力，而再生制動(dòng)不僅能夠提供這個(gè)制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)安全停車，而且還能將因制動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)調(diào)壓整流等方式將電流反饋回了電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了能源的再利用。 再生制動(dòng)是唯一一種能向電網(wǎng)反饋電能從而達(dá)到節(jié)能減排目的的制動(dòng)方式，它不僅實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車的制動(dòng)，還實(shí)現(xiàn)了能源的減耗，是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 1.1.1 國(guó)外現(xiàn)狀分析 20世紀(jì)六十年代，日本東海道新干線的建

10、成標(biāo)志著世界上第一條高速鐵路的誕生，自此之后，鐵路行業(yè)便開(kāi)始以突飛猛進(jìn)地速度得到迅速發(fā)展，從而促進(jìn)了高速動(dòng)車組的運(yùn)用和推廣。高速動(dòng)車組目前主要有三大技術(shù)體系，分別是德國(guó)ICE、法國(guó)TGV和日本新干線，還有一些國(guó)家根據(jù)自己的國(guó)情以及實(shí)際情況，也形成了獨(dú)具特色的鐵路干線，高速動(dòng)車組已經(jīng)在鐵路行業(yè)占據(jù)一席之地，并逐漸成為列車發(fā)展的方向。 日本高速動(dòng)車組0系新干線的設(shè)計(jì)與東海道新干線籌建幾乎同步實(shí)施，是世界各國(guó)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)高速動(dòng)車組的先驅(qū)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展已經(jīng)鐵路運(yùn)行規(guī)模的擴(kuò)大，打造更加舒適的乘車空間，提高動(dòng)車組的速度，增強(qiáng)動(dòng)車組的安全保證，減少地理環(huán)境等條件的限制性，日本高速動(dòng)車組的技術(shù)人員及研

11、發(fā)團(tuán)隊(duì)還相繼開(kāi)發(fā)了100系、200系、300系、400系、500系、700系、800系、E2系等多型列車，其中制動(dòng)方式為700系、500系、800系、E2系等的列車均采用了空氣盤行制動(dòng)和再生制動(dòng)。 法國(guó)的鐵路運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)也是數(shù)一數(shù)二的，鐵路運(yùn)輸?shù)臍v史悠久，早自20世紀(jì)70年代起，法國(guó)就已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)交直傳動(dòng)系統(tǒng)的TGV-PSE高速動(dòng)車組的研究，并在1981年正式開(kāi)通運(yùn)行，這批高鐵動(dòng)車組是法國(guó)第一代高鐵動(dòng)車組。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，法國(guó)轉(zhuǎn)而開(kāi)始研制交直交傳系統(tǒng)的高鐵動(dòng)車組，并成功研發(fā)出來(lái)多種型號(hào)的交直交高速動(dòng)車組，如TGV-A、TGV-TMST、TGV-R、TGV-2N、TGV-PBKA、

12、西班牙AVE、TGV-K等型號(hào)，這其中屬于法國(guó)第二代TGV高速動(dòng)車組的有TGV-A、TGV-TMST、TGV-R，TGV-2N的動(dòng)車結(jié)構(gòu)與TGV-R相似，但是其拖車結(jié)構(gòu)卻與前者大相徑庭，參照了最新一代的高鐵動(dòng)車組進(jìn)行設(shè)計(jì)，是TGV系列的最新車型，也是公認(rèn)的法國(guó)第三代TGV高鐵動(dòng)車組。法國(guó)鐵路部門從未停止前進(jìn)的步伐，最近幾年來(lái)，相關(guān)部門抓住最新的研究方向——?jiǎng)恿Ψ稚⑿透咚賱?dòng)車組，與阿爾斯等公司共同研制的AGV高速動(dòng)車組投入運(yùn)營(yíng)。不同型號(hào)的高速動(dòng)車組制動(dòng)方式也各不相同，TGV-2N的制動(dòng)方式采用電阻制動(dòng)和盤行制動(dòng),TGV-PSE、TGV-A的制動(dòng)方式采用閘瓦制動(dòng)和電阻制動(dòng),TGV-TMST(歐洲之

13、星)采用再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)和閘瓦制動(dòng),AGV則采用再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)的制動(dòng)方式。 德國(guó)的鐵路行業(yè)發(fā)展較其他國(guó)家開(kāi)始地較早，二十世紀(jì)六十年代德國(guó)的高速客運(yùn)車的運(yùn)行速度就已經(jīng)達(dá)到了160km/h，七十年代研制的ET型電動(dòng)車租速度更是高達(dá)200km/h，到了八十年代，德國(guó)鐵路部門更是斥巨資，打造ICE型城際高速列車，此后又過(guò)了三年，在上述已有的研究水平上，研制成功了兩個(gè)動(dòng)車三個(gè)拖車的ICE/V新型高速動(dòng)車組，試行速度高達(dá)4O6.9km/h，是當(dāng)時(shí)世界上速度最快的高鐵動(dòng)車組。進(jìn)入九十年代后，德國(guó)的高鐵動(dòng)車組在以往的研究基礎(chǔ)上更加精進(jìn)，并制訂了關(guān)于ICE1型高速動(dòng)車組的研究計(jì)劃，這項(xiàng)計(jì)劃在九十年代初期

14、便已成功完成，速度高達(dá)280km/h，并于1991年在漢堡-維爾茲堡之間正式投入運(yùn)營(yíng)。同年，隨著德國(guó)的統(tǒng)一，鐵路相關(guān)部門又開(kāi)始了第二代ICE高速動(dòng)車組的研究，并在1996年的柏林-漢諾威之間投入使用，速度與一代相比沒(méi)有提高。這兩代動(dòng)車組的共同點(diǎn)為都以動(dòng)力集中為牽引方式，在ICE的基礎(chǔ)上，ICE-M研制成功，它的作用主要為歐洲國(guó)際聯(lián)運(yùn)，在不同線路上運(yùn)行速度不同，在220-300km/h之間，擴(kuò)建線路上的速度高達(dá)30Okm/h。隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)達(dá)，人們對(duì)出行方式和出行條件也有了更高地需求，原有的型號(hào)已經(jīng)跟不上現(xiàn)代社會(huì)的需求，為了與時(shí)俱進(jìn)，提高現(xiàn)有線路動(dòng)車組的速度，滿足大眾的需求，2

15、0世紀(jì)末，ICE3型高鐵動(dòng)車組試制完成，并投入使用，運(yùn)行速度高達(dá)350km/h。ICE型高速動(dòng)車組的共同點(diǎn)為都使用的飾再生制動(dòng)方式。 除了以上國(guó)家之外，韓國(guó)、意大利以及英國(guó)、北歐等國(guó)家的高度鐵路也發(fā)展第較為迅速，并且各有各的特色，但是多數(shù)國(guó)家仍舊將再生制動(dòng)作為主要制動(dòng)方式，同時(shí)也有電阻制動(dòng)、空氣制動(dòng)或盤行制動(dòng)等作為輔助制動(dòng)方式。 1.1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀分析 1978年，隨著改革開(kāi)放的到來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使人們的生活水平日益提高，人們對(duì)出行的需求也越來(lái)越大，高速動(dòng)車組以其無(wú)比的優(yōu)越性也開(kāi)始吸引到我國(guó)鐵路相關(guān)部門的關(guān)注，黨和國(guó)家對(duì)國(guó)家鐵路事業(yè)也日益重視，1999年，我夠的第一列“春城”號(hào)動(dòng)車組

16、研制成功并成功運(yùn)行，其最初的目的是為了滿足昆明園藝博覽會(huì)的需求，因此其性質(zhì)為商業(yè)運(yùn)營(yíng)。其后，在此基礎(chǔ)上，我國(guó)又陸續(xù)車成功研制了“先鋒”號(hào)、“中原之星”、“長(zhǎng)白山”等動(dòng)力分散性高動(dòng)組，以及DDJ1型“大白鱉”號(hào)和DJJ1型“藍(lán)箭”號(hào)動(dòng)車組。 顯然，追求技術(shù)的步伐從來(lái)不會(huì)停止，近年來(lái)，為了滿足我國(guó)鐵路部門關(guān)于第六次大提速的政策要求，我國(guó)開(kāi)始向國(guó)外學(xué)習(xí)先進(jìn)的技術(shù)，先后研制了和諧號(hào)1號(hào)、2號(hào)和5號(hào)高速動(dòng)車組，均采用的是動(dòng)力分散型，其后，我國(guó)又成功研制除了速度高達(dá)3O0km/h的CRH3型高速動(dòng)車組，并在2008年正式投入使用。三種高速動(dòng)車組的制動(dòng)方式均以再生制動(dòng)為主，輔助制動(dòng)方式各不相同。 通過(guò)比

17、對(duì)國(guó)內(nèi)外的高速動(dòng)車組的發(fā)展歷史以及發(fā)展現(xiàn)狀，不難發(fā)現(xiàn)，目前發(fā)展在前沿的高速動(dòng)車組采用的制動(dòng)方式均以再生制動(dòng)為主，且成為世界范圍內(nèi)高度動(dòng)車組制動(dòng)方式的發(fā)展方向。 1.2 本文主要研究?jī)?nèi)容 1、對(duì)高度動(dòng)車組的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，深入了解再生制動(dòng)方式的研究前景。 2、概述制動(dòng)系統(tǒng)是什么，包括其結(jié)構(gòu)以及分類、原理等。 3、深入研究高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的原理，并將理論聯(lián)系實(shí)際，探究這一系統(tǒng)對(duì)目前高速動(dòng)車組發(fā)展的意義及指導(dǎo)方向。 第二章 制動(dòng)系統(tǒng)概述 2.1 制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)車組的意義 制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)車組即為了達(dá)成動(dòng)車組調(diào)速或者停車，而采取某種合適的方式將動(dòng)車的動(dòng)

18、能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量，降低動(dòng)車的速度的過(guò)程。在車上安裝的以期達(dá)到制動(dòng)目的的相關(guān)設(shè)施成為制動(dòng)裝置。動(dòng)車組如果要實(shí)現(xiàn)提高速度的目標(biāo)，除了牽引功率要足夠大之外，還必須要有足夠大的制動(dòng)力。 2.2 制動(dòng)方式的分類 制動(dòng)方式的分類多種多樣，這里主要對(duì)下面三種分類方式進(jìn)行介紹： 2.2.1 按動(dòng)能轉(zhuǎn)移方式分類 盤形制動(dòng) 由空氣壓力作為動(dòng)力，推動(dòng)制動(dòng)夾鉗使閘片夾緊制動(dòng)圓盤，使閘片與制動(dòng)圓盤間產(chǎn)生摩擦，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能并消散于大氣中，以此達(dá)到制動(dòng)的目的。 特點(diǎn)：（1）制動(dòng)平穩(wěn)，幾乎無(wú)噪音（2）能大大減輕車輪踏面的機(jī)械磨損與熱負(fù)荷（3）可按照制動(dòng)要求選擇最佳的“摩擦副”。

19、 圖2-1 固定式鉗盤車輪制動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)圖 電阻制動(dòng) 在制動(dòng)過(guò)程中，將牽引電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，形成反向電流，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，達(dá)到制動(dòng)作用，并將反向電流通向耗能電阻進(jìn)行消耗，同時(shí)采取強(qiáng)迫通風(fēng)，使消耗在電阻上的熱量消散于大氣中。 速度低時(shí)，制動(dòng)力小；速度高時(shí)，制動(dòng)力大。 圖2-2 電阻制動(dòng)原理圖 再生制動(dòng) 將牽引電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，形成反向電流，產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，以此達(dá)到制動(dòng)的目的。但其產(chǎn)生的反向電流不會(huì)被消耗掉，而是將會(huì)反饋給電網(wǎng)。 顯而易見(jiàn)，再生

20、制動(dòng)比電阻制動(dòng)更節(jié)省能量。 圖2-3 再生制動(dòng)原理圖 磁軌制動(dòng) 在列車轉(zhuǎn)向架上安裝電磁鐵，制動(dòng)情況下，電磁鐵通過(guò)電磁勵(lì)，在電磁力作用下與鋼軌摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力。在摩擦過(guò)程中，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能消散在大氣中。 其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的制動(dòng)力不是通過(guò)輪軸黏著產(chǎn)生的，因此不受輪軌間黏著力限制。缺點(diǎn)是制動(dòng)力不能調(diào)節(jié)，而且對(duì)鋼軌有一定的損耗，且增加轉(zhuǎn)向架額外重量。 圖2-4 磁軌制動(dòng)原理圖 軌道渦流制動(dòng) 在轉(zhuǎn)向架下安裝一組電磁鐵，N極S極交替排列，制動(dòng)工況下，利用電磁鐵與鋼軌之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)出渦流，此渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電

21、磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用形成的電磁力作為制動(dòng)力。它是將動(dòng)車組的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，再將電能轉(zhuǎn)換為熱能并消散在大氣中。 優(yōu)點(diǎn)：與輪軌黏著狀態(tài)無(wú)關(guān)，制動(dòng)時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生摩擦損耗，制動(dòng)力的大小還可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)電磁鐵的勵(lì)磁進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。渦輪制動(dòng)的缺點(diǎn)：電磁鐵與鋼軌間的氣隙間隔要盡可能保持穩(wěn)定，這對(duì)制造與檢修水平要求較高。其次，軌道渦流制動(dòng)消耗勵(lì)磁電能比較大，并且感應(yīng)出的渦流磁場(chǎng)會(huì)對(duì)通信信號(hào)產(chǎn)生干擾。 圖2—5 電磁渦流制動(dòng)器 2.2.2 按制動(dòng)力的形成方式 按照制動(dòng)力的形成過(guò)程可將制動(dòng)力劃分為為黏著制動(dòng)和非黏著制動(dòng)兩種。非黏著制動(dòng)顧名思義，是不需要經(jīng)由

22、輪軌黏著作用形成的制動(dòng)力，所以，其制動(dòng)力的大小與黏著力沒(méi)有關(guān)系；黏著制動(dòng)則是經(jīng)由車輪與軌道之間的黏著形成的制動(dòng)力，該制動(dòng)力的上限與黏著力有關(guān)，如果出現(xiàn)超過(guò)輪軌黏著最大值的情況，車輪就會(huì)打滑。 2.2.3 按制動(dòng)力的操縱控制方式 空氣制動(dòng) 空氣制動(dòng)分為直通式空氣制動(dòng)和自動(dòng)式空氣制動(dòng)。 （1）直通式空氣制動(dòng)是制動(dòng)管直接通向制動(dòng)缸，制動(dòng)管減壓緩解，增加制動(dòng)力。它的優(yōu)點(diǎn)是有階段制動(dòng)，又有階段緩解，操縱靈活且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是當(dāng)列車發(fā)生分離事故，制動(dòng)管發(fā)生斷裂時(shí)，將完全失去制動(dòng)能力：并且，列車前后部制動(dòng)和緩解時(shí)間相差較大，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的縱向沖擊，因此，編組較長(zhǎng)的列車不宜使用。 （2）自動(dòng)式空氣

23、制動(dòng)是制動(dòng)管減壓制動(dòng)，增壓緩解。它的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)制動(dòng)管發(fā)生斷裂時(shí)，列車能夠自動(dòng)的形成制動(dòng)力；此外，列車前部與后部制動(dòng)與緩解有較好的一致性，從而大大減輕了列車的縱向沖擊，適合編組較長(zhǎng)的列車。 電空制動(dòng) 在空氣制動(dòng)的基礎(chǔ)上，給每輛車安裝電磁閥等電氣控制器件而成。其特點(diǎn)是用電完成操作控制，而采用壓縮空氣作為制動(dòng)的原動(dòng)力。當(dāng)制動(dòng)機(jī)的電氣控制無(wú)法工作時(shí)，仍可采用空氣壓強(qiáng)控制，暫時(shí)變成空氣制作機(jī)。因此，電空控制相較空氣制動(dòng)大大提升了列車前后部制動(dòng)和環(huán)節(jié)的一致性，降低了列車的縱向沖擊，減小了制動(dòng)距離。 電制動(dòng) 操縱控制與原動(dòng)力都是用電的制動(dòng)方式，前面所述的電阻制動(dòng)和再生制動(dòng)都是電制動(dòng)。因?yàn)殡娭苿?dòng)具有足夠

24、強(qiáng)的制動(dòng)能力以及其他諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為高速動(dòng)車組的主要制動(dòng)方式。 2.3 高速動(dòng)車組復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng) 2.3.1 高速動(dòng)車組復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)組成和特點(diǎn) 高速動(dòng)車組較之普通列車來(lái)說(shuō)行駛速度快，制動(dòng)能量大幅度上升。以前的制動(dòng)模式因?yàn)楸恢苿?dòng)熱容量、制動(dòng)的距離、機(jī)械制動(dòng)部件磨耗壽命等條件的制約，已經(jīng)不再符合高速動(dòng)車組的需求。因此，一套效率高、安全性能高、可滿足強(qiáng)大制動(dòng)力需求的復(fù)合型制動(dòng)系統(tǒng)需要被裝配到高速動(dòng)車組上。該系統(tǒng)主要由動(dòng)力制動(dòng)和空氣制動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、非黏著制動(dòng)裝置和防滑器等組成。 高速動(dòng)車組的制動(dòng)方式基本是用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)相結(jié)合，其中起關(guān)鍵作用的是電制動(dòng)，電制動(dòng)由電阻制動(dòng)與再生制動(dòng)

25、兩種方式構(gòu)成，這里面再生制動(dòng)的適用范圍更加廣泛，且重要搭配防滑器一起使用。將電制動(dòng)與空氣制動(dòng)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)可以確保為各種各樣復(fù)雜的情況下運(yùn)行的動(dòng)車提供可靠的制動(dòng)力。防滑器的使用可以很好地縮短制動(dòng)距離，其主要原理是借助車輪與軌道之間的黏著力。 電制動(dòng)較之空氣制動(dòng)，能夠有效地減輕對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)部件的損耗，再生制動(dòng)在此基礎(chǔ)上，還能夠做到把制動(dòng)能量返回到電網(wǎng)，憑借其獨(dú)特的優(yōu)越性，再生制動(dòng)一般會(huì)是首要選擇。空氣制動(dòng)大多被當(dāng)做電制動(dòng)的備選，一般在動(dòng)車調(diào)整速度、以較慢的速度行駛或者是電制動(dòng)突然失靈的意外狀況發(fā)生時(shí)，使用空氣制動(dòng)為快速使列車停止提供充足的制動(dòng)力。 2.4 本章小結(jié) 本章節(jié)首先對(duì)高速動(dòng)

26、車復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)的意義進(jìn)行概述，然后分別對(duì)高速動(dòng)車組制動(dòng)方式進(jìn)行描述，最后部分分析研究了高速動(dòng)車組復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)是由哪些部分組成的及每一部分的特點(diǎn)，還介紹了其能量分配方式。 第3章 高速動(dòng)車組再生制動(dòng)理論分析 3.1 高速動(dòng)車組再生制動(dòng)工作原理 近些年來(lái)，由于電子電力技術(shù)與電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了顯著的進(jìn)步，人們開(kāi)始意識(shí)到再生制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用在電力機(jī)車領(lǐng)域的關(guān)鍵作用。再生制動(dòng)可以把牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，在工作時(shí)因?yàn)橹苿?dòng)產(chǎn)生的大量動(dòng)能通過(guò)該原理轉(zhuǎn)化為電能，而且經(jīng)由回流軌最后回饋到電網(wǎng)。 再生制動(dòng)有著以下優(yōu)勢(shì)：第一、達(dá)到了動(dòng)車的制動(dòng)；第二、通過(guò)把工作中產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)

27、變?yōu)殡娔芰飨螂娋W(wǎng)達(dá)到節(jié)約能源的作用；第三、對(duì)零部件的損耗較小，節(jié)省了維護(hù)的時(shí)間和費(fèi)用。 牽引電機(jī)按照類型可以劃分為系統(tǒng)分成直流牽引系統(tǒng)和交流牽引系統(tǒng)兩種。其中直流牽引系統(tǒng)首先產(chǎn)生于十九世紀(jì)，隨后交流牽引系統(tǒng)誕生。在二十世紀(jì)，這兩種牽引系統(tǒng)均得到了很大的發(fā)展，開(kāi)始廣泛投入使用。在這個(gè)過(guò)程中，直流牽引系統(tǒng)占領(lǐng)了更大的市場(chǎng)，因?yàn)槠漭^之交流牽引系統(tǒng)調(diào)速功能更佳，當(dāng)時(shí)性能較高的傳動(dòng)系統(tǒng)基本使用直流電動(dòng)機(jī)。這一情況從二十世紀(jì)后半紀(jì)開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)變，在這一時(shí)期，電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制理論發(fā)展迅猛，勢(shì)頭強(qiáng)勁，使得交流牽引系統(tǒng)的調(diào)速能力大大提升，不僅如此，交流牽引系統(tǒng)還憑借安裝簡(jiǎn)便、維修便捷、成本低、效率高等長(zhǎng)處

28、，逐漸取代直流牽引系統(tǒng)，成為新的發(fā)展方向。 圖1-1為動(dòng)車組交流傳動(dòng)系統(tǒng)能量流動(dòng)圖。由圖可知，牽引工況時(shí)，受電弓由接觸網(wǎng)開(kāi)始受電，以主斷路器為媒介，聯(lián)通到機(jī)車主變壓器上，變壓后輸出單相交流電供給脈沖整流器，再由脈沖整流器將單相交流電轉(zhuǎn)化為單相直流電，通過(guò)中間直流電路把直流電傳送到逆變器，逆變器給三相交流異步電動(dòng)機(jī)輸送三相交流電；再生制動(dòng)工況與牽引工況的作用過(guò)程相反，在這里牽引電機(jī)是發(fā)電機(jī)狀態(tài)，電流朝相反方向流動(dòng)，整流器與逆變器發(fā)生轉(zhuǎn)變，交流電先經(jīng)由兩電平逆變器進(jìn)行整流，在通過(guò)中間直流，最后通過(guò)四象限脈沖整流器變換成交流電流回電網(wǎng)。 主變壓器 牽引網(wǎng) 牽引變電所 電網(wǎng)

29、 電機(jī) 逆變器 直流環(huán)節(jié) 脈沖整流器 圖3-1 交流傳動(dòng)系統(tǒng)能量流動(dòng)圖 通過(guò)電機(jī)學(xué)的相關(guān)知識(shí)我們知道三相電流通過(guò)定子三相電阻，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速用字母n表示，被叫做同步轉(zhuǎn)速。因?yàn)楦咚賱?dòng)車組使用的是異步牽引電動(dòng)機(jī)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)在轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間產(chǎn)生時(shí)，要想產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，需要轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線，這樣先產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與感應(yīng)電流。因此同步轉(zhuǎn)速總是大于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n，轉(zhuǎn)差率s指的是同步轉(zhuǎn)速n0與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的差與同步轉(zhuǎn)速n0之即: s=n0-nn0 在對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的工作情況進(jìn)行研究時(shí)，轉(zhuǎn)差率時(shí)一項(xiàng)重要數(shù)據(jù)。堵轉(zhuǎn)指的是電動(dòng)機(jī)即將開(kāi)啟，剛開(kāi)始連接電源，還沒(méi)有開(kāi)始轉(zhuǎn)

30、動(dòng)的一種狀態(tài)，這種狀態(tài)下n=0， s=1；當(dāng)理想空載時(shí)一種在現(xiàn)實(shí)操作中不可能實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速等同的情況，這種狀態(tài)下n=n0，s=0。由上述描述可知，異步電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，0<n<n0， 0<s<1，此時(shí)電機(jī)輸出正轉(zhuǎn)矩，能量從脈沖整流器流向逆變器、電機(jī)側(cè)。 假設(shè)把轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為大于同步轉(zhuǎn)速的情況下，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，較之電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，改變了轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向，轉(zhuǎn)子電流朝相反的方向流動(dòng)，定子電流也朝相反的方向流動(dòng)，這種情況下n0<n，s<0 。因?yàn)槭褂玫氖撬南笙廾}沖整流器，異步電機(jī)電流先經(jīng)過(guò)逆變器整流，再經(jīng)過(guò)中間直流，

31、最后經(jīng)過(guò)四象限脈沖整流器逆變成交流電流回牽引網(wǎng)。 3.2 交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng) 現(xiàn)在交流異步牽引電機(jī)在世界范圍內(nèi)大量應(yīng)用于高速動(dòng)車組上，只有使用三相異步電機(jī)，才能夠更高地服務(wù)于高速鐵路。在我國(guó)，三相交流異步電機(jī)也有著廣泛的應(yīng)用。 調(diào)速系統(tǒng)性能高低對(duì)交流異步牽引電機(jī)的性能起著至關(guān)重要的作用，所以交流異步牽引電機(jī)必須搭配合適的調(diào)速系統(tǒng)使用。是不是可以做到再生制動(dòng)很大程度上也取決于交流異步牽引電機(jī)使用了什么調(diào)速系統(tǒng)。現(xiàn)在使用最廣泛的調(diào)速系統(tǒng)是交直交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要由整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)三個(gè)環(huán)節(jié)組成。 3.2.1 PWM整流器 在整個(gè)電力牽引的交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，PWM整流器以在高

32、速行駛的動(dòng)車組 中充當(dāng)網(wǎng)側(cè)變流器的身份，而扮演著十分重要的角色。PWM整流器可以有效的降低電網(wǎng)中的諧波含量，效果顯著的提升電力網(wǎng)的功率因數(shù)，對(duì)于穩(wěn)定中間環(huán)節(jié)---直流時(shí)的電壓也能發(fā)揮重要功效。在當(dāng)代的電力電子的領(lǐng)域中，PWM整流器憑借著其可以降低對(duì)附近場(chǎng)地環(huán)境所造成的的電磁干擾的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，成為了一個(gè)主要的新興熱點(diǎn)，其作用原理是當(dāng)處于幾乎沒(méi)有增加某些其它的元器件的狀態(tài)下, PWM整流器可以得到類似于單位功率因數(shù)，足以減少諧波含量，做到雙向流動(dòng)的能量的一個(gè)功率因數(shù)。 根據(jù)電源側(cè)之間存在的差異，可將PWM整流器分為多種類型 ，如單相型以及三相型等，根據(jù)中間的直流環(huán)節(jié)的構(gòu)成有所不同，又可將PW

33、M整流器區(qū)分成電流型以及電壓型等不同類型，在使用中，又以電壓型的使用為多，應(yīng)用面更大，比如在交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中，由于該裝置需要具有再生制動(dòng)的功能，因此使用電壓型的比較普遍。根據(jù)對(duì)輸出波形的不一致的改善狀態(tài)，可將其分為兩電平、多重疊加以及三電平等多種類型。 3.2.1.1 兩電平PWM整流器的結(jié)構(gòu)與工作原理 如圖1-2所示，為PWM整流器中兩電平型的電路圖，其中包含著交流回路、功率開(kāi)關(guān)橋路以及直流回路等部分。在交流回路中包含三部分，由變壓器牽引繞組的輸出電壓Un,變壓器漏電感Ln與以及繞組電阻Rn等所組成。功率開(kāi)關(guān)橋路主要含有四象限脈沖整流器。而直流回路則是由二次濾波環(huán)節(jié)L2， C2和中

34、間支撐電容Cd所組成。 圖3-2 兩電平PWM整流器電路原理圖 定義理想開(kāi)關(guān)函數(shù)SA和SB,則: SA=1 T1導(dǎo)通，T2關(guān)斷0 T1關(guān)斷，T2導(dǎo)通 SB=1 T3導(dǎo)通，T4關(guān)斷0 T3關(guān)斷，T4導(dǎo)通 從而得到簡(jiǎn)化等效電路圖2-2 圖3-3 兩電平PWM整流器開(kāi)關(guān)等效圖 由圖2-2，我們可以得知, 上橋臂和下橋臂，如圖中的T1與T2, T4與T3是不允許出現(xiàn)直通的，即不可同時(shí)發(fā)生導(dǎo)通或關(guān)斷的情況。在PWM整流器的輸入端電壓Uab會(huì)有Ud,0,- Ud這三種不同電平的情況出現(xiàn)。開(kāi)關(guān)組合為SASB，會(huì)

35、出現(xiàn)SASB=00、01、10、11這四種不同邏輯，則Uab為: Uab=SA-SBUd 按照?qǐng)D中所示的四個(gè)開(kāi)關(guān)可能出現(xiàn)的各異的狀態(tài)，可以得知，電路將會(huì)有有以下3種不同的工作模式: 當(dāng)SASB=00或11時(shí),對(duì)應(yīng)的 Uab=0，這種情況下的電壓矢量的平衡方程如下 UN=LNdiNdt+RNiN 當(dāng) SASB=01，對(duì)應(yīng)的Uab=-Ud這種情況下的電壓矢量的平衡方程如下 RNiN+LNdiNdt=UN+Ud 當(dāng)SASB=10，對(duì)應(yīng)的Uab=Ud，這種情況下的電壓矢量的平衡方程如下 RNiN+LNdiNdt=UN-Ud 在隨機(jī)的某一時(shí)刻時(shí)，在上述的3種模式中，PWM整流器也只

36、能按照某一種的模式進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn),通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，在維持中間直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定的情況下，可以轉(zhuǎn)換成3種不同模式，并同時(shí)完成能量的雙向流動(dòng)。 綜上所述，得到PWM整流器的瞬時(shí)等效電路，如圖2-3所示 圖3-4 PWM整流器瞬時(shí)等效電路 通過(guò)基爾霍夫電壓定律(KVL)，可以得到: UNt=RNiNt+LNdiN(t)dt+Uab(t) 按照兩種狀況：牽引工況和再生制動(dòng)工況，分別對(duì)上述公式進(jìn)行分析。 在第一種情況下，可以通過(guò)脈沖整流器，做到單相交流電與直流電之間的相互轉(zhuǎn)化,再經(jīng)由中間的直流電路，向逆變器運(yùn)輸,通過(guò)逆變器，向三相交流異步電機(jī)輸出可進(jìn)行調(diào)控的三相交流電。 在第二種情況

37、下,會(huì)發(fā)生逆變器與整流器之間的相互轉(zhuǎn)變,通過(guò)三電平逆變器，交流電可以完成整流,通過(guò)中間直流環(huán)節(jié),PWM脈沖整流器可以繼續(xù)將其轉(zhuǎn)換為交流電，并將其返回到牽引網(wǎng),做到能量回饋。 3.2.2 中間直流環(huán)節(jié) 按照交直交變壓變頻系統(tǒng)的電源在直流環(huán)節(jié)使用濾波器不同而存在的差異，將其分成包括電壓源型，電流源型的兩種類型的系統(tǒng)。在變壓變頻系統(tǒng)中，前者采用了在直流環(huán)節(jié)中使用的濾波類型為大電容濾波，即為一種在假想下，由一個(gè)內(nèi)阻抗為零的穩(wěn)定電源電壓,輸出了波形平直的直流側(cè)電壓,以及波形為矩形或者梯形的交流電壓。而后者采用了在直流環(huán)節(jié)使用的濾波類型為大電感濾波，即可將其視為一個(gè)含有較高電阻抗的電流源，可輸出波形平

38、直的直流側(cè)電壓，以及波形為矩形或者梯形的交流電壓。 在交直交變壓變頻系統(tǒng)的兩種類型中中，主要以電壓源型為首，因此，后續(xù)的討論主要以以使用大電容濾波的電壓源型為主，參考圖2-1。 設(shè)PWM整流器的電壓變比為ku,則有 uabku=udc 上式中，PWM整流器在ab端的輸入電壓表示為uab,PWM整流器在輸出端的電壓表示為 udc。 將un=2UNsinωt≈uab，即網(wǎng)側(cè)電壓代入上式，則可以得到電壓變比為： ku=udc2UNsinωt 在理想狀態(tài)下,PWM整流器中沒(méi)有電能的損耗以及儲(chǔ)能的過(guò)程,因此按照功率守恒原理,得出下式: uNiN=uabiN=udcidc 因此可得到電流

39、變比ki為: ki=idciN=uabudc=1ku=2UNsinωtudc 如果供電網(wǎng)中出現(xiàn)的是與交流電壓同相的，為純正弦形的交流電流，可得交流電流為： iN=2INsinωt 在理想狀態(tài)時(shí),會(huì)出現(xiàn)脈沖整流器的直流功率和交流功率的平均值相等的情況,即： uNiN=UdcIdc uNiN表示了交流側(cè)的平均功率,且滿足： uNiN=UNIN 綜合上述兩式,可得到交流電流的有效值IN為： IN=UdcIdcUN=UdIdcUN 因此，可求得PWM整流器的直流側(cè)電流，為： idc=kiiN=2Idsin2ωt=Id(1-cos2ωt) 由關(guān)系式i2+ic=idc-Id,得到儲(chǔ)

40、能器的電流為: i2+ic=-Idcos2ωt 根據(jù)上述分析可知,直流分量以及2次諧波分量都包含于直流環(huán)節(jié)。為了足以達(dá)到接近于單位功率因數(shù)的功率因數(shù)，從而滿足濾除二次諧波的要求，可以應(yīng)用諧振電路與支撐電容發(fā)生并聯(lián)，其中諧振電路應(yīng)選用電容器的諧振頻率為2倍電網(wǎng)頻率(100Hz)，將其與電抗器進(jìn)行串接，來(lái)完成這一條件。該電路中以達(dá)到供電頻率的兩倍頻率流通著與直流側(cè)負(fù)載電流相同幅值的正弦型電流。加在儲(chǔ)能器兩端的純直流電壓并不會(huì)引起電流，通過(guò)其中的交流電流也不會(huì)在其兩側(cè)引起電壓。由于諧振電路這一特性，使得其在中間直流環(huán)節(jié)得以扮演重要的角色。在功能上，可以做到與脈沖整流器交換無(wú)功以及諧波功率的支撐電

41、容Cd，也可以與逆變器以及異步電機(jī)等完成這一功能，同時(shí)還可以做到維持直流環(huán)節(jié)電壓的穩(wěn)定性。 3.2.3 逆變器 在中間直流環(huán)節(jié)和交流異步電機(jī)的環(huán)節(jié)之間, 出現(xiàn)了可將兩環(huán)節(jié)銜接起來(lái)，并在交直交變壓變頻系統(tǒng)中扮演著重要角色的逆變器環(huán)節(jié)。逆變器可以按照輸出的電壓電平數(shù)之間存在的差異，而分為相異的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括兩電平式以及三電平式。本文以對(duì)兩電平逆變器的介紹為主要內(nèi)容，其主電路的原理結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。 圖3-5 兩電平逆變器主電路原理圖 定義理想開(kāi)關(guān)函數(shù)SA、SB和SC,則: SA=1 T1導(dǎo)通，T4關(guān)斷0 T1關(guān)斷，T4導(dǎo)通 SB=1

42、 T3導(dǎo)通，T6關(guān)斷0 T3關(guān)斷，T6導(dǎo)通 SC=1 T5導(dǎo)通，T2關(guān)斷0 T5關(guān)斷，T2導(dǎo)通 兩電平逆變器具有3個(gè)橋臂,以及6個(gè)功率管(IGBT),其中每個(gè)功率管都具有兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài):0和1,需要滿足單獨(dú)橋臂上存在的兩個(gè)功率管不以相同的狀態(tài)出現(xiàn),即上橋臂與下橋臂之間O或 1不可同時(shí)存在。可以假設(shè)上橋臂與該橋臂的狀態(tài)為相同，可同為1,反之亦然。因此每個(gè)橋臂都有兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相對(duì)應(yīng)的兩電平逆變器應(yīng)具有有8種的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路會(huì)有與之相對(duì)應(yīng)的8種工作模式?？梢?jiàn)圖表2-5 當(dāng)工作模式為O時(shí)，開(kāi)關(guān)管會(huì)出現(xiàn)如下?tīng)顩r，即T2T4T6會(huì)導(dǎo)通

43、,而 T1T3T5會(huì)關(guān)斷。A、b、c端的相電壓分別表示為uaN=0, ubN=0, ucN=0;與之相對(duì)應(yīng)的A、b、c端的線電壓則分別表示為uab=0, ubc=0,uca=0;這一模式對(duì)應(yīng)著表示為U0的電壓空間矢量。 七種工作模式如下： 第一種工作模式：導(dǎo)通開(kāi)關(guān)T4T5T6,關(guān)斷 T1T2T3。a、b、c端相電壓分別為uaN=0, ubN=0, ucN=Ud;相應(yīng)的線電壓分別為uab=0, ubc=-Ud,uca=Ud;電壓空間矢量為U5相對(duì)應(yīng)。 第二種工作模式：開(kāi)導(dǎo)通關(guān)T2T3T4,關(guān)斷 T1T5T6。a、b、c端相電壓分別為uaN=0, ubN=Ud, ucN=0;相應(yīng)的線電壓分別

44、為uab=-Ud, ubc=Ud,uca=0;電壓空間矢量為U3相對(duì)應(yīng)。 第三種工作模式：開(kāi)導(dǎo)通關(guān)T3T4T5,關(guān)斷 T1T2T6。a、b、c端相電壓分別為uaN=0, ubN=Ud, ucN=Ud;相應(yīng)的線電壓分別為uab=-Ud, ubc=0,uca=Ud;電壓空間矢量為U4相對(duì)應(yīng)。 第四種工作模式： 導(dǎo)通開(kāi)關(guān)T1T2T6,關(guān)斷 T3T4T5。a、b、c端相電壓分別為uaN=Ud, ubN=0, ucN=0;相應(yīng)的線電壓分別為uab=Ud, ubc=0,uca=-Ud;電壓空間矢量相對(duì)應(yīng)為U1。 第五種工作模式：導(dǎo)通開(kāi)關(guān)T1T5T6,關(guān)斷 T2T3T4。a、b、c端相電壓分別為uaN

45、=Ud, ubN=0, ucN=Ud;相應(yīng)的線電壓分別為uab=Ud, ubc=-Ud,uca=0;電壓空間矢量為U6相對(duì)應(yīng)。 第六種工作模式： 導(dǎo)通開(kāi)關(guān)T1T2T3,關(guān)斷 T4T5T6。a、b、c端相電壓分別為uaN=Ud, ubN=Ud, ucN=0;相應(yīng)的線電壓分別為uab=0, ubc=Ud,uca=-Ud;電壓空間矢量為U2相對(duì)應(yīng)。 第七種工作模式：導(dǎo)通開(kāi)關(guān)T1T3T5,關(guān)斷 T2T4T6。a、b、c端相電壓分別為uaN=0, ubN=0, ucN=0;相應(yīng)的線電壓分別為uab=0, ubc=0,uca=0;電壓空間矢量為U7相對(duì)應(yīng)。 圖3-6 逆變器8種開(kāi)關(guān)模式 從三相

46、逆變電路來(lái)看，其開(kāi)關(guān)組合共有8種方式，與之相對(duì)應(yīng)的是8種方式的電壓輸出模式。 3.2.4 交流異步電動(dòng)機(jī) 當(dāng)前，從高速動(dòng)車組應(yīng)用來(lái)看，交流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)采用的普遍較多，而作為交流傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要關(guān)鍵的執(zhí)行之一，兼具了耦合性強(qiáng)、階次較高而又兼具非線性的多變系統(tǒng)組合，而相較于直流電動(dòng)機(jī)而言，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)以及技術(shù)控制方面具有更大的復(fù)雜性。為優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用技能來(lái)看，基于控制模式改進(jìn)和技術(shù)改進(jìn)方法的總體考慮，需要具有針對(duì)性的建立異步電動(dòng)機(jī)相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，特別是我們?cè)诮涣鳟惒诫妱?dòng)機(jī)的實(shí)際教學(xué)中，可以做相關(guān)的假設(shè)，具體如下： 一是在不考慮磁路飽和的影響下，假設(shè)各繞組的互感、自感具有相關(guān)性，而且呈現(xiàn)線性相關(guān)

47、。 二是考慮三相繞組的對(duì)稱特性，基于正弦分步的磁通勢(shì)沿氣隙圓周。 三是異步電機(jī)電阻受溫度及頻率變化的影響暫不予以考慮。 四是鐵心損耗的程度應(yīng)予以忽略不計(jì)。 3.3 再生制動(dòng)的能量分析 當(dāng)?shù)罔F機(jī)車運(yùn)用再生制動(dòng)方式，直流供電網(wǎng)將有相關(guān)制動(dòng)能量予以返回，相應(yīng)的，假設(shè)其制動(dòng)能量沒(méi)有能夠及時(shí)耗盡，都會(huì)促使直流電網(wǎng)的相應(yīng)電壓很快提升，會(huì)造成用電設(shè)備的損壞，其后果極其嚴(yán)重。鑒于以上，出于電網(wǎng)的安全考慮，電阻制動(dòng)裝置需要配套設(shè)立，同時(shí)將消耗掉再生制動(dòng)能量，從而保持電網(wǎng)工作的穩(wěn)定性，防止災(zāi)害事故的產(chǎn)生。從電阻制動(dòng)放置分類來(lái)看，其分類為車載和地面兩類電阻制動(dòng)裝置。這兩種方式比較分析如下： 第1， 對(duì)于

48、車載電阻制動(dòng)裝置而言，其機(jī)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、制動(dòng)力相對(duì)穩(wěn)定，受電網(wǎng)電壓以及制動(dòng)負(fù)載吸收的影響相對(duì)較少，成熟度較高。雖然如此，但是其制動(dòng)電阻消耗再生電能的處理方式，尤其相對(duì)于地鐵線路，一方面成本較高，能量得不到循環(huán)利用，另一方面，由于制動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為熱能后，其外溢效果顯著，導(dǎo)致隧道和站臺(tái)的溫度急速上升，相應(yīng)造成站內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)過(guò)重，對(duì)能量耗費(fèi)嚴(yán)重，相應(yīng)的增加了運(yùn)營(yíng)的成本。 第2， 車載和地面的固定設(shè)置所采用的設(shè)備，相應(yīng)的要求也是差別很大。對(duì)于車載設(shè)備而言，運(yùn)行環(huán)境上看，通常要比地面情況要復(fù)雜的多，對(duì)其自身的大小、可靠程度和重量要求都是十分的嚴(yán)苛。而基于地面固定設(shè)置的設(shè)備看，其空間更大，一般講要

49、求相對(duì)較低。那么針對(duì)地面設(shè)備的安裝，通過(guò)對(duì)電阻制動(dòng)產(chǎn)生的熱量抑制，進(jìn)一步降低隧道和站臺(tái)的溫升。 而且，車載設(shè)備的使用上看，受制于本車運(yùn)用，其效率不高，浪費(fèi)嚴(yán)重。 綜上，可以看出，在設(shè)備投資上、日常維護(hù)上，地面裝置相對(duì)要更加合理。 3.3.1 地面電阻制動(dòng) 在電網(wǎng)接收再生電能時(shí)，線路電壓的不穩(wěn)定以及直流電網(wǎng)和用電設(shè)備的非正常運(yùn)行是不能被允許的，如果發(fā)生此類情況，將導(dǎo)致其他相關(guān)設(shè)備遭到破壞。 需要有一套裝置安置在直流電網(wǎng)上，進(jìn)而消耗掉直流電網(wǎng)上消除不了的再生制動(dòng)形成的電能，以規(guī)避直流供電電壓上升的問(wèn)題，確保直流電網(wǎng)和相應(yīng)設(shè)備的安全性。 目前，電阻制動(dòng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，利用地面裝置來(lái)消耗

50、直流電網(wǎng)多余電能的方式比較簡(jiǎn)單便捷，采用電氣開(kāi)關(guān)是最為簡(jiǎn)單便捷的方法，當(dāng)直流供電網(wǎng)壓過(guò)高時(shí)，采用制動(dòng)電阻，待恢復(fù)正常網(wǎng)壓時(shí)，再予以去除制動(dòng)電阻，如下圖所示。 這種方式最大的好處就是比較簡(jiǎn)便快捷，而究其不足，主要是電氣開(kāi)關(guān)的操作頻繁，容易產(chǎn)生故障，再加上電阻的投入以及切除上容易形成較強(qiáng)烈的沖擊，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成較大影響。 電子固態(tài)開(kāi)關(guān)（通常由IGBT構(gòu)成）通常運(yùn)用于高頻開(kāi)關(guān)電阻制動(dòng)裝置上，以導(dǎo)通和切斷時(shí)間比的改變，以實(shí)現(xiàn)等效電阻在大范圍內(nèi)的改變。 斬波器往往也被高頻開(kāi)關(guān)電阻所采用，正是采用了電子開(kāi)關(guān)，使其開(kāi)關(guān)次數(shù)比電氣開(kāi)關(guān)更加優(yōu)越，大大降低了電氣設(shè)備的故障率，能夠有效提升電阻制動(dòng)設(shè)備

51、的可靠程度，而從開(kāi)關(guān)頻率來(lái)看，其提升幅度在幾kHz到十幾kHz,加上斬波器的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)制動(dòng)電阻上的能量隨意調(diào)節(jié)?；谝陨希軌蜻M(jìn)一步達(dá)成電網(wǎng)對(duì)直流電阻制動(dòng)的較高要求，并且能夠較為穩(wěn)定的調(diào)整制動(dòng)電流，保障供電質(zhì)量。 制動(dòng)電阻特別是在消耗再生能量時(shí)，大量熱能迅速產(chǎn)生，要保障設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，通風(fēng)設(shè)備必須配備，以更好的解決電阻散熱的棘手問(wèn)題。 圖3-7 地面電阻制動(dòng)示意圖 由于電阻對(duì)地鐵車輛在制動(dòng)時(shí)形成的脈沖式的再生能量有極強(qiáng)的消耗作用，所以在應(yīng)用電阻進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，不用另外再予以配備儲(chǔ)能設(shè)備，這樣來(lái)看，電阻制動(dòng)方式投入低、成效明顯。 此外，當(dāng)前電阻制動(dòng)方式已十分成熟穩(wěn)定，出于電網(wǎng)安全

52、的考慮出發(fā)，不論 3.4本章小結(jié) 本文從動(dòng)車組牽引與再生制動(dòng)原理入手，進(jìn)一步分析了交-直-交傳動(dòng)系統(tǒng)PWM整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器，異步電動(dòng)機(jī)以及地面電阻制動(dòng)裝置在內(nèi)的五個(gè)重要組成部分。 致謝 四年大學(xué)生活一晃而過(guò)，在這四年中，我收獲頗多，進(jìn)步明顯，特別是綜合素質(zhì)得到很大提高，這都得意于母校的悉心培養(yǎng)。這四年，是我人生中最重要的四年，是我終生難忘的四年。在本次畢業(yè)論文付梓定稿之際，我要向各位老師、各位同學(xué)以及我的父母表示由衷的感謝。 論文從開(kāi)題到最終定稿，無(wú)不傾注了舒銳老師的全部心血，老師治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)， 一絲不茍的作風(fēng)和為人謙和,平易近人的態(tài)度一直是我學(xué)習(xí)

53、的榜樣，作為舒老師的學(xué)生，我感到非常榮幸。在此，謹(jǐn)向舒老師表達(dá)由衷的敬意和感激。 再次向一直關(guān)心我成長(zhǎng)的各位伙伴，道聲感謝，謝謝你們陪伴我走過(guò)美好的四年時(shí)光。 最后，對(duì)辛苦審閱和論文答辯的老師們表示衷心的謝意！ 參考文獻(xiàn) · [1]電力機(jī)車黏著控制研究[J]. 高翔,陸陽(yáng).  鐵道機(jī)車車輛. 2017(03) · [2]高速動(dòng)車組電空制動(dòng)系統(tǒng)的建模和參數(shù)分析[J]. 李萬(wàn)新.  中國(guó)鐵道科學(xué). 2017(02) · [3]新型動(dòng)車組常用制動(dòng)控制模式[J]. 陳磊,張冬冬,梁建全,王東星,李化明.

54、60; 中國(guó)鐵路. 2015(03) · [4]CRH5A型動(dòng)車組制動(dòng)控制軟件優(yōu)化方案[J]. 孟繁輝,楊川.  鐵道機(jī)車車輛. 2015(01) · [5]基于軌面辨識(shí)的電力機(jī)車粘著控制仿真研究[J]. 黃景春,唐守乾,林鵬峰,任強(qiáng).  計(jì)算機(jī)仿真. 2015(01) · [6]動(dòng)車組電空制動(dòng)協(xié)調(diào)控制優(yōu)化研究[J]. 朱琴躍,包世炯,譚喜堂,王東響.  計(jì)算機(jī)工程. 2013(12) · [7]和諧號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)概述[J]. 李和平,曹宏發(fā),楊偉君,韓曉輝,李繼山.  鐵道機(jī)車車輛. 2011(05)