（电力电子与电力传动专业论文）高速动车组再生制动工况变流器控制算法研究与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b r a k i n gc o n t r o ls y s t e mi s o n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nt h es a f e r u n n i n g p r o c e s so fh i g hs p e e de l e c t r i c a lm u l t i p l yu n i t ( e m u ) ，h i 曲s p e e de m ua d o p t s t h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls t r a t e g yc o m b i n e dw i t ht h ee l e c t r i ca i r b r a k i n g m e t h o d a m o n ga l lt h eb r a k i n gm e t h o d s ，o n l yc a l lr e g e n e r a t i v eb r a k i n gf e e d b a c k e n e r g yt ot h ec a t e n a r y t h u si th a sc o m et ob et h ep r e f e r e n t i a lb r a k i n gm o d eo fa c t r a c t i o ne u m b a s e do nt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o n t r o ls y s t e mo fh i g hs p e e de m u ，t h e t h e s i sr e s e a r c h st h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c ，d e s i g nm e t h o do fc o n t r o ls y s t e ma n d c o n t r o ls t r a t e g yi nd e t a i l f i r s t l y , t h ec o n s t i t u t ea n df u n c t i o no fb r a k i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，t h e p r i n c i p l eo fr e g e n e r a t i v eb r a k ea n di t sa p p l y i n gs t a t e sa r ep r e s e n t e di nd e t a i l t h e c o n t r o ls y s t e mo ft r a c t i o nc o n v e r t o ri s d e e p l yr e s e a r c h e dw h e ne m ui s a t r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs t a t e ，w h i c hi n c l u d et r a n s i e n td i r e c tc u r r e n tc o n t r o lo ft h e s i n o e - - p h a s et h r e e - l e v e lp w mr e c t i f i e ra n di n d i r e c tr o t o r - f l u x - f i e l d o r i e n t e d v e c t o rc o n t r o ls y s t e mo ft h r e e - l e v e li n v e r t e r o nt h eb a s i so fp r i n c i p l ea n a l y s i s ，t h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gs i m u l a t i o ns y s t e m o fh i g h s p e e de m ui se s t a b l i s h e db ym a t l a b s i m u l i n k ，t h et o r q u ea n df l u x c o m m a n da r es e n ta c c o r d i n gt ot h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gt r a i t ；ac o n s t a n ts p e e d c o n t r o l l e rb a s e do nd o u b l e h y s t e r e t i cb a n da d j u s t m e n ti sd e s i g n e di no r d e rt o r e a l i z et h ee m u sc o n s t a n ts p e e dc o n t r o l ；t h r o u g ht h es m o o t h l ys w i t c h i n g s t r a t e g y , t h et o r q u e ，f l u xi m p u l s i o na r ea v o i d e dd u r i n gt h es w i t c h i n gp r o c e s s a d o p t i n gh i g hs p e e de m u sm a i nc i r c u i ta n dp a r a m e t e r s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v e t h es i m u l a t i o n s y s t e m w e l lr e a l i z e st h ee m u sr e g e n e r a t i v e b r a k i n g p e r f o r m a n c e i no r d e rt ov a l i d a t et h et h r e e - l e v e li n v e r t e rv e c t o rc o n t r o lm e a n sa p p l i e dt o t h eh i g hs p e e de m u ，at h r e e - l e v e ll a bp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ，t h eh a r d w a r ea n d c o n t r o lc i r c u i t sa r ei n t r o d u c e di n d e t a i l ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e m u s i n g t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7a n dt m s 3 2 0 v c 3 3i ss e tu p ，t h es o f t w a r ef l o w c h a r to fi n d i r e c t r o t o rf l u xf i e l do r i e n t e dv e c t o rc o n t r o li sd e s i g n e d ，a n dt h et h r e e - l e v e ls v p w mi s p r o v e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：r e g e n e r a t i v eb r a k e ；e n e r g yf e e d b a c k ；c o n s t a n ts p e e dc o n t r o l ； d o u b l e - h y s t e r e t i ca d j u s t m e n t ；t h r e e 1 e v e ls v p w m 西南交通大学曲南父遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密圈，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：之利彳 指导老师签名：逸p 之 日期：腻、j 同期：2 一n 玷r 舌 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 按照动车组再生制动特性，搭建单相三电平脉冲整流器一 三电平逆变器幸引电机再生制动系统仿真模型，使仿真系统按 照再生制动特性发出转矩和磁通指令，且能够实现再生能量接近 单位功率因数的回馈，验证了仿真系统的有效性和可行性； ( 2 ) 为了实现动车组在o - 2 5 0 k m h 范围内稳定运行，设计出 一种基于双滞环调节的恒速控制器，双滞环调节使牵引电机在牵 引模式、牵引恒速控制模式、惰行模式、再生制动恒速控制模式、 再生制动模式进行平滑切换，实现恒速控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 国内外动车组发展综述 速度是现代社会高效率的标志。世界交通运输的发展历史，就是速度不 断提高的历史。长期以来，世晃铁路的旅客列车运行速度一直保持在2 0 0 k m h 以内。但是，随着社会经济的迅速发展，人民生活水平的不断提高，人们对 运输服务质量的要求也愈来愈高。铁路旅客列车原来的速度已远不能满足人 们出行的要求。特别是2 0 世纪7 0 年代以来，世界出现了石油危机，公路堵 塞，环境严重污染，已成为全球性的社会问题，严重影响了人类的生存和发 展。为此，人们期望有一种能避免上述弊端，而且运能大、速度快、节约型 的公共交通工具的出现。 从1 9 6 4 年日本东海道新干线开始投入高速运营，带来了巨大的经济和社 会效益，自日本之后，法国、德国、意大利、西班牙、瑞典等国家相继也都 发展了不同类型的高速铁路，且速度不断刷新。为此，许多国家的政府从交 通运输发展的实践不断反思、总结，逐渐认识到旅客运输应该把高速铁路作 为发展的重点。在这样的历史背景下，使高速铁路得到了迅速的发展1 1 3 1 。 1 1 1 国外高速动车组的发展 自1 9 6 4 年1 0 月1 日，世界上第一条高速铁路【4 l 日本东海道新干线 开通运营以来，动车组的运用随着高速铁路的发展日益广泛。经过4 0 余年的 发展，形成了以日本新干线、法国t g v 和德国i c e 高速动车组为代表的三 大技术体系。各国动车组从本国实际需要出发，具有各自的技术特色，为推 动世界铁路向高速化发展起到了积极的作用。 日本是世界上最早开行高速动车组的国家。在日本计划修建东海道新干 线时，其高速动车组设计就已经同步展开。o 系新干线列车成为世界上最早 运行的高速动车组。随着新干线网络的不断扩大，为了在不同的线路条件下 提高列车运行速度和乘客的舒适度，降低列车对环境的影响，相关企业与研 究机构在o 系、1 0 0 系、2 0 0 系、1 0 0 n 系列车的基础上先后开发了3 0 0 系、 4 0 0 系、5 0 0 系、7 0 0 系、n 7 0 0 系、8 0 0 系、e 1 系、e 2 系、e 3 系、e 4 系等 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 干线列车和w i n 3 5 0 、3 0 0 x 、s t a r 2 1 、f a s t e c h 、e 9 5 4 系等试验列车，共 有二十余种新干线用电动车组。自设计之初起，日本一直坚持采用动力分散 作为其动车组发展模式。此外，日本新干线动车组的另一大特点是注重新技 术的运用，如主动、半主动悬挂和旋转涡流制动、空气阻力制动等技术均最 早运用在新干线动车组上。其动车组轻量化、车辆空气动力学设计水平已经 走在世界前列。 作为世界铁路运输最发达的国家之一，早在1 9 5 5 年3 月2 9 日，法国就 创造了电力机车牵引列车3 3 1k m h 的速度记录。1 9 6 7 年5 月，c c 6 5 0 0 型电 力机车牵引客车实现最高速度2 0 0k m h 商业运行。然而随着社会的发展，在 2 0 世纪7 0 年代，迅速发展的公路和航空运输使法国铁路受到了前所未有的 冲击，传统铁路越来越不能适应现代社会对铁路旅客运输的需要。同时，1 9 6 4 年日本新干线建成并投入运行也大大激发了法国铁路同行的积极性。自1 9 6 7 年起，法国国营铁路公司( s n c f ) 开始着手研究高速运输。在设计制造高速动 车组方面，法国首先是尝试将航空用燃气涡轮发动机用于铁路动车组。1 9 6 9 年1 1 月，法国研制成功了第一代e t g 型燃气轮动车组，最高试验速度达到 2 4 8k m h 。此后，为了进一步提高燃气轮动车组质量，又研制出第二代e t g 型燃气轮动车组，最高试验速度为2 6 0k m h 。为了配合在巴黎一里昂建设高 速铁路，还研制了第三代t g v - 0 0 1 型燃气轮动车组，5 节编组，1 9 7 2 年最高 试验速度达到3 8 1k m h 。1 9 7 3 年中东战争引起第一次世界石油危机后，法国 开始将高速动车组技术政策转向电力牵引，并率先在欧洲实行将速度、环保 意识、充分利用能源、高新技术以及经济可靠性综合考虑的技术方针。1 9 7 3 年，法国研制出第一列z 7 0 0 1 电动组，1 9 7 5 年最高试验速度达到3 0 9k m h 。 自1 9 7 6 年开始，法国开始着力研究交一直传动的t g v - - p s e 动车组，并在 1 9 8 1 年9 月投入运用。此后，法国先后研制了交一直一交传动的t g v - a 、 t g v - r 、t g v - 2 n 、t g v - t m s t 、西班牙a v e 、t g v - p b k a 、t g v - k 等型号 的高速动车组。其中，t g v - a 3 2 5 号车组于1 9 9 0 年5 月在大西洋线创造了5 1 5 3 k m h 轮轨系统高速行车的世界记录。在保持了1 7 年后，该纪录再次被打破， 2 0 0 7 年4 月3 日，法国试验动车组v 1 5 0 创造了5 7 4 8k m h 的高速铁路试验 速度新纪录。近年来，法国国家铁路已经开始进行动力分散型电动车组的研 究，与a l s t o m 等共同设计的新型动力分散动车组a g v 已投入试验运行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 德国是一个铁路历史悠久的国家。与大多数欧洲国家一样，德国铁路在 2 0 世纪6 0 年代也不得不面对公路和航空运输带来的巨大压力。德国的政治 家比其他欧洲国家更早地认识到了铁路的重要性。早在1 9 7 0 年，原联邦德国 政府技术研究部就开始组织对未来长途运输系统新技术的研究。但是在发展 高速铁路采用磁悬浮技术还是轮轨技术的问题上，德国经过了旷日持久的讨 论，影响了德国铁路高速化的进程，1 9 7 3 年和1 9 7 6 年动工修建的两条高速 新线进展缓慢。直到2 0 世纪8 0 年代中期，原联邦德国政府才意识到以往政 策的失误，同时法国t g v 列车的成功运营也刺激着素以高技术著称的德国， 原联邦德国政府加快了发展高速铁路的步伐。1 9 8 2 年8 月，联邦铁路投资1 2 0 0 万马克，试制i c e 试验型城间快车。1 9 8 5 年，2 动3 拖的i c e v 试验型 高速电动车组试制成功，同年，其最高试验速度达到3 1 7k m h 。1 9 8 8 年5 月， i c e n 型试验列车在汉诺威一维尔茨堡间创造了4 0 6 9k m h 的高速动车组速 度记录。在i c e n 的基础上，1 9 8 5 年1 2 月联邦铁路确定了i c e 设计任务书， 1 9 8 6 年开始试制i c e l 型高速动车组，1 9 9 0 年7 月试制完成并于1 9 9 1 年6 月2 日以2 8 0k m h 的速度正式投入运行。1 9 9 1 年原东、西德统一后，德国政 府决定修建柏林一汉诺威的高速铁路，同时开始了第二代i c e 高速动车组一 一i c e 2 的开发，1 9 9 6 年，该型动车组投入运用。德国1 9 9 5 年开始动工修建 的科隆一法兰克福的高速铁路最高运行速度提高到了3 0 0k m h ，线路最大坡 度达到4 0 ，既有的i c e l 、i c e 2 型列车已经不能满足运行需要。为此，德 国铁路于1 9 9 4 年向工业界订购了5 0 列i c e 3 型动力分散电动车组并于1 9 9 7 年投入运行。此外，为了在既有线路实现列车运行速度的提高，德国铁路还 开发了i c t 型摆式动车组。目前，运行速度达到3 5 0k m h 的i c e 2 1 型高速电 动车组正在研制中。 日本、法国和德国高速铁路的成功经验也带动了世界其它国家和地区高 速铁路的发展。意大利、西班牙、瑞典、韩国和我国台湾地区均已有高速铁 路投入运行。值得一提的是，除采用日本、法国和德国的技术外，瑞典等国 家还通过采用摆式列车提高列车运行速度，以实现既有线路高速化，取得了 良好的效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 1 2 我国高速动车组的发展 我国自2 0 世纪5 0 年代开始引进动车组这- n 车运行模式【5 j ，先后将从 匈牙利g a n z 工厂引进的n c 3 型内燃动车组和自行设计制造的“东风号双 层动车组在北京一天津等区段投入试验运行。但由于不能适应传统的机车车 辆运用、管理、检修体制，动车组并未得到广泛的运用。 改革开放后，基于城际旅客运输的需要，我国开始逐渐认识到动车组的 特有优势。1 9 8 9 年，长春客车厂与株洲电力机车研究所试制出一列k d z l 型 动力分散型动车组，环行线试验速度达到1 4 2 5k m h 。随后，随着提速战略 的实施，我国机车车辆工业企业制造出多种内燃、电力动车组。自唐山机车 车辆厂于1 9 9 8 年设计制造了“庐山 号双层内燃动车组并在南昌铁路局投入 运用后，四方机车车辆厂、戚墅堰机车车辆厂、大连机车车辆厂、南京浦镇 车辆厂、长春客车厂等企业前后设计制造了“晋龙号、“神州 号、“新曙 光”号等单、双层内燃动车组，部分车型最高运行速度达到1 8 0k m h ，并先 后在太原运城、北京一天津、兰州一西宁和上海一杭州一南京等区段投入 运用。此外，我国机车车辆工业企业与高校合作，还设计了动力集中和动力 分散两种摆式内燃动车组并投入试验。电动车组方面，为满足9 9 昆明世界园 艺博览会的需要，长春客车厂1 9 9 9 年制造了“春城 号动车组，并在我国首 次实现电动车组商业运营。为满足广州一深圳间城际运输的需要，株洲电力 机车厂与长春客车厂等单位合作，先后设计制造了d d j l 型“大白鲨 号和 d j j l 型“蓝箭”号动车组。d j j 2 型“中华之星动力集中型电动车组最高试 验速度达到3 2 1 5k m h ，为我国列车试验最高速度。此后，我国机车车辆工 业企业还设计、制造了“中原之星”、“长白山和“先锋号动力分散型动 车组，其中“先锋”号动力分散型动车组最高试验速度达到了2 9 2 2k m h 。 此外，我国还从瑞典a b b 公司引进一列x 2 0 0 0 摆式动车组在广深铁路投入 运用。 为进一步增强设计、制造能力，并满足第六次提速列车运行时速达到2 0 0 k m h 的需要，我国机车车辆工业企业引进技术制造了“和谐号”c r h l 、c r h 2 和c r h 5 型动力分散型高速动车纠酬，并已投入运营，这些动车组部分区段 最高运营速度可达到2 5 0k m h 。最高运营速度达3 0 0k m h 的c r h 3 型动车组 也刚刚下线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 高速动车组制动系统概述 列车制动是人为利用制动力使列车减速、停车的统称。要改变运动物体 的运动状态，必须对它施加外力。对于列车，人为使其减速或停车的外力是 由列车制动装置产生的，它与列车运动方向相反，由轨道作用制动力于车轮 的外力，称为制动力。为了能实行制动，需要在列车上安装一套完整的制动 装置。对传统的机车车辆模式而言，列车制动装置是指机车制动装置、基础 制动装置、手制动( 驻车制动) 装置。制动机是制动装置中受司机直接控制 的部分，通常包括从制动软管连接器至制动缸的一整套机构；基础制动装置 是制动装置中用于传递、放大制动力的一整套机构。制动作用的解除叫做缓 解。 对动力分散型动车组而言，列车制动装置是指动车制动装置、拖车制动 装置的组合，从而形成完整的系统，它包括两个部分：制动控制系统和制动 执行系统。制动控制系统由制动信号发生与传输装置和制动控制装置组成。 制动执行系统通常称为基础制动装置，常见的有闸瓦制动与盘形制动。 电动车组的最高运行速度与其牵引功率有关，但也受其制动能力的限制。 电动车组的制动能力是指制动系统使动车组在规定的制动距离内安全停车的 能力，从能量的观点看，制动的实质就是将电动车组所具有的动能消耗掉或 从它上面转移出去，制动系统转移动能的能力称为制动功率。 对电动车组而言，制动系统的基本要求是： 1 ) 操作灵活，制动减速快，制动作用灵敏可靠，动车组前后车辆制动、 缓解作用一致： 2 ) 具有足够的制动能力，保证动车组在规定的制动距离内停车； 3 ) 具有动力制动能力，在正常制动过程中，应尽量发挥动力制动能力， 以降低运行成本： 4 ) 应具有动力制动与摩擦制动的联合制动能力： 5 ) 制动系统应能保证动车组在长大下坡道上运行时，其制动力不会衰减； 6 ) 电动车组各车辆的制动力应尽可能一致，制动系统应能根据乘客量的 变化，具有载荷调整能力，以减少制动时的纵向冲击： 7 ) 具有紧急制动能力，遇到紧急情况时，能使电动车组在规定距离内安 全停车。紧急制动作用除了可由司机操纵外，必要时还可由行车人员利用紧 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 急制动按钮进行操纵； 8 ) 电动车组在运行中发生诸如列车分离、制动系统故障等危及行车安全 的事故时，应能自动实施紧急制动作用。 1 2 1 动车组制动方式分类 动车组制动方式可以按照制动时电动车组动能转移方式、制动力获取方 式和制动源动力的不同进行分类1 7 l 。 1 ) 按电动车组动能的转移方式可分为两类：一类是摩擦制动方式，即通 过摩擦把动能转化为热能，然后耗散于大气。电动车组常用的摩擦制动方式 主要有闸瓦制动和盘形制动，在高速电动车组的制动系统中还有电磁制动方 式中的磁轨制动；二是动力制动方式，即把动能通过发电机转化为电能，然 后电能从车上转移出去，对这些电能的不同处理方式分为电阻制动和再生制 动两种形式。 2 ) 按制动力形成方式划分：按电动车组制动力的获取方式，可分为粘着 制动与非粘着制动。在常用的制动方式中，闸瓦制动、盘形制动( 包括油压 铅盘、盘式涡流) 、电阻制动和再生制动均属于粘着制动；轨道电磁制动( 磁 轨制动、轨道线性涡流制动) 则属于非粘着制动。 3 ) 按制动源动力分类：目前电动车组采用的制动方式中，制动的原动力 主要有压缩空气和电力。以压缩空气为源动力的制动方式称为空气制动。如 闸瓦制动、盘形制动等都称为空气制动方式；以电为原动力的制动方式称为 电气制动方式，如动力制动、轨道电磁制动等均为电气制动方式。 1 2 2 动车组不同制动方式简介 以下将几种常用制动方式及其应用情况作一介绍。 1 ) 电阻制动与空气制动 这两种制动方式可谓历史悠久，所谓电阻制动，即在制动时变牵引电动 机为发电机，将所发电能加于制动电阻上，使其发热，再靠冷却风扇给制动 电阻强迫通风而将热量散发于大气中；空气制动则是通过电空制动机作用使 列车管内充入压力空气，靠压力空气推动使闸瓦压紧滚动着的车轮，车轮与 闸瓦问发生摩擦，使列车动能转变为热能消耗，从而起到制动的作用。这两 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 种制动方式的优点是制动技术成熟，安全可靠，联合使用效果较好。不足之 处是电阻制动的制动容量受牵引电机额定容量及制动电阻温升限制，而空气 制动产生的制动力只能部分满足动车组高速运行条件下所需制动力要求，且 列车高速运行条件下，闸瓦与轮对的摩擦对轮对踏面及轨面损害较大，增加 了轮对踏面诊断的工作量。在国外高速动车组中，日本的第一代高速动车组 的o 系( 1 6 m ) 、1 0 0 系( 1 2 m + 4 t ) 、2 0 0 系( 1 2 m ) 、4 0 0 系( 6 m + 1 t ) 的动 车以及法国t g v - p s e 的动车均采用了电阻制动及空气闸瓦踏面制动方式，但 是其拖车的制动方式已由空气踏面制动改为盘形制动。 2 ) 盘形制动 所谓盘形制动也是由空气压力作为动力，推动制动夹钳使闸片夹紧装固 在车轴或车轮辐板上的制动圆盘，使闸片与制动圆盘问产生摩擦，把动能转 变为热能，达到制动的目的。这种方式优点是制动力较踏面制动大，且将轮 对踏面与闸瓦间的摩擦转换为闸片与制动盘问的摩擦，增大了摩擦制动散热 面积，减轻了车轮踏面及轨面的磨损，适合于高速列车使用。缺点是采用制 动盘使转向架的簧下质量增加，不利于高速运行，且粘着系数有所降低，为 防止高速滑行，需采用高质量的防滑装置。目前，日本的新干线系列、法国 t g v 以及德国的i c e 高速动车组的拖车基本都采用了这种制动方式作为其几 种联合制动方式之一，区别仅在于制动盘数量的不同。 3 ) 涡流制动 涡流制动又称线性涡流制动，它包括轨道涡流制动和涡流盘制动。轨道 涡流制动的原理是在转向架下安装一组电磁铁，s 极与n 极交替排列，磁铁 与钢轨顶面距离约7 - 1 0 m m ，列车运行时，电磁铁与钢轨间的相对运动感应 出涡流，该涡流产生的磁场与电磁铁磁场互相作用产生制动力。涡流盘制动 的原理与轨道涡流制动相同，只不过用一个装在车轴上的导电圆盘代替钢轨， 而电磁铁装在转向架上或套装在车轴上。涡流制动不同于盘形制动与轮对踏 面制动，后二者均为粘着制动，其制动力受粘着系数的限制，最大不能超过 粘着力，而涡流制动的优点在于它与轮轨粘着状态无关，其制动力不靠轮轨 之间传递，制动时也不需任何摩擦磨损件。制动力的大小还可以根据需要通 过调节电磁铁的励磁进行无级调节。但是涡流制动也有其缺点，首先是电磁 铁与钢轨间的微小气隙不易保持，气隙变化l m m ，制动力将改变1 0 ，因此 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 气隙间隔要尽可能保持不变，这对制造及检修水平要求较高。其次，涡流制 动消耗励磁电能比较大，如采用涡流盘制动还将增加转向架质量。此外，电 磁铁感应出的强大涡流磁场对高速列车信号电路也产生干扰，正是由于这个 原因，德国i c e v 动车组的拖车上改用了磁轨制动方式。由于该问题现已得 到解决，故现在生产的i c e 的拖车上已采用涡流制动。日本高速动车组1 0 0 系、3 0 0 系的拖车均采用了涡流盘制动与空气盘形制动相结合的制动方式， 涡流制动的励磁电能由相邻动车提供。 4 ) 磁轨制动 磁轨制动同样也是在转向架上安装电磁铁，电磁铁通电励磁后，在吸力 作用下与钢轨摩擦产生制动力。磁轨制动常用于紧急制动，其优点是车轮踏 面不会磨损擦伤，缺点是制动力不能调节，对钢轨有一定磨损，且增加转向 架额外质量。国外高速列车中只有德国的i c e v 及瑞典的摆式列车动车组的 拖车上采用了该种制动方式，且仅用于紧急制动。 5 ) 再生制动 采用交直交传动方式，以交流异步感应电动机作为牵引电机的高速动车 组适宜采用再生制动方式制动时，它是将交流电动机改为交流发电机，产生 制动力矩，并将所发电能反馈回电网的一种方式。在所有制动方式中，再生 制动是唯一向电网反馈能量的制动方式，同电阻制动相比，减少了庞大而笨 重的制动电阻，同时免去了一整套通风冷却装置，因此倍受青睐。日本新干 线高速动车组的e 1 系、e 2 系、e 3 系、5 0 0 系以及德国i c e 的动车均采用了 该种制动方式，且日益成为交流传动动车组的首选制动方式。 1 3 论文选题的背景与意义 2 0 0 3 年，铁道部提出中长期铁路网规划，到2 0 2 0 年，全国铁路营业 里程达到1 0 万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到 5 0 ，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国 际先进水平。 为满足快速增长的旅客运输的需求，建立省会城市及大中城市间的快速 客运通道，规划“四纵四横 铁路快速客运通道以及3 个城际快速客运系统。 建设客运专线1 2 万k m 以上，客运速度目标值达到2 0 0 k m h 及以上。因此 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 按照国务院提出的“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌 的要求， 我国机车车辆工业企业积极采用“先进、成熟、经济、适用、可靠 的技术 和标准，引进世界一流动车组技术，制造了“和谐号 c r h l 、c r h 2 和c r h 5 型动力分散型高速动车组，并已投入运营，这些动车组部分区段最高运营速 度可达到2 5 0k m h ，它们在第六次全国铁路大提速中发挥了巨大的作用。 本论文以铁道部重点攻关项目。列车牵引与网络控制 子项目课题 c r h 2 高性能驱动技术研究为依托，对动车组再生制动关键技术进行研究， 研究成果对高速动车组牵引变流关键技术的引进、消化、吸收、再创新具有 一定价值。 1 4 论文主要研究内容与工作 论文主要进行以下几个方面的研究： 第一章绪论部分介绍国内外高速动车组发展以及动车组制动系统概述， 阐述课题研究意义与主要内容； 第二章对c r h 2 动车组制动系统的组成和功能等进行介绍，着重对再生 制动系统的工作原理、运行工况等进行分析，为后续章节做好研究基础： 第三章深入研究c r h 2 动车组处于再生制动工况时单相三电平脉冲整流 器和三电平逆变器控制方式，给出三电平s v p w m 调制算法和间接转子磁场 定向矢量控制的工作原理及实现方法； 在理论研究的基础上，论文第四章利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了c r h 2 动 车组再生制动仿真系统。转矩、磁通指令的设定、恒速控制器的设计、不同 控制方式间的平滑过渡是仿真系统的特色，仿真分析了动车组在牵引、制动、 恒速、惰行等不同运行工况，验证系统的可行性； 为进一步从实验角度验证c r h 2 动车组三电平逆变器牵引电机控制策 略，搭建三电平逆变器实验平台。第五章介绍平台主电路选型及控制电路设 计，给出了间接转子磁场软件算法，利用d s p 仿真软件c c s 2 1 对三电平 s v p w m 进行开环实验验证。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章高速动车组制动控制系统 c r h 2 动车组的制动系统采用电气指令式微机控制直通式电空制动系 统。制动控制器由3 2 位单片微处理器，采用数字运算方式，司机室发出的制 动指令，经过中央处理装置和传输终端，通过光纤维传送到b c u ，b c u 根 据各车辆的载荷信号和速度信息运算出所要的制动力，从而对电气制动及空 气制动进行控制1 8 j 。 此外b c u 还具有滑行控制功能。对于空气制动的滑行，使用滑行控制阀 来控制各轴的动作。对电气制动的滑行，采用减小电气制动力模式来进行滑 行轴的再粘着控制。制动控制器还跟传输终端之间相互进行信息的传输，实 时输出各种控制数据。 本章首先介绍c r h 2 动车组制动系统组成和功能，重点阐述再生制动系 统及其工作原理，最后对其运用工况进行说明。 2 1 高速动车组制动系统组成及功能 图2 - 1 为高速动车组制动系统，高速动车组制动系统主要由风源系统、 制动指令发生及传输系统、制动控制系统、动力制动装置、防滑器、转向架 制动装置、辅助制动装置、撒沙装置等子系统或部件组成。 丹 _ 图2 - 1 高速动t - 组制动系统组成 d r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 其中，动力制动作用由牵引系统来完成，所以动力制动装置属于牵引系 统的一部分；有时风源系统也单独作为一个系统。 c r h 2 动车组的制动系统采用再生制动和电气指令式空气制动相结合的 方式。制动控制以相邻的1 辆动车和1 辆拖车为一个控制单元。制动控制装 置通过中央监控装置接收来自司机制动控制器的制动指令，进行电空演算， 得到合适的再生制动力和空气制动力，完成列车的制动，制动系统尽可能地 让动车的再生制动来承担制动力，如果再生制动力不足，再采用拖车的空气 制动，如果拖车的空气制动也不足，再对动车实行空气制动。制动系统还设 置了滑行检测及载重检测控制功能。 2 1 1 制动控制系统工作原理 制动控制系统是制动系统在司机和其他控制装置下，产生、传递制动信 号，并对各种制动方式进行制动功率分配、协调的部分。以直通式空气制动 机为基础，电气指令控制车制动机，称为电气指令直通式电空制动机，微机 控制型制动控制系统，其制动指令的接收、处理和电气制动与空气制动协调 配合等，一般都是由微机来完成。 图2 - 2c r h 2 动车组制动系统工作原理示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 c r h 2 动车组制动系统工作原理示意图如图2 2 所示。电动车组各车辆 上的制动控制装置由制动控制单元( 简称b c u ，或者叫制动控制器) 、e p 阀、 中继阀、空重调整阀、紧急制动电磁阀等组成。在2 0 0 k m h 动车组上，载荷 调整装置直接来自空气弹簧空气压力。空气弹簧压力通过传感器转化为与车 重相应的电信号，b c u 根据制动指令及车重信号计算出所需的制动力，并向 电气制动装置发出制动信号。电气制动控制装置控制电气制动产生作用，并 将实际制动力的等值信号反馈给b c u ，b c u 经电空演算后，把与计算结果 相应的电信号送到e p 阀。e p 阀将此电信号转换成相应的空气压力信号送到 中继阀，中继阀进行流量放大后使制动缸获得相应的压力。 拖车常用制动时，制动控制装置的动作过程与动车的基本相同。但因为 没有电气制动，所以不必进行电气制动与空气制动的协调配和，所需制动力 全部通过e p 阀转化为相应的空气压力信号，然后由中继阀使制动缸产生相 应的制动力。 紧急制动时，紧急制动指令线失电，紧急制动电磁阀失电，紧急制动电 磁阀向中继阀提供压力指令，中继阀根据压力指令，将总风压力( 来自制动 风缸) 送往制动缸产生制动力。 2 1 3 制动系统的特点 c r h 2 动车组的制动系统采用电气指令式微机控制直通式电空制动系 统，其主要特点为： 1 ) 制动力由各车的电气指令式电空制动和动车的再生制动组成； 2 ) 具有适应粘着变化规律的速度一粘着模式： 3 ) 具有防滑保护功能； 4 ) 以1 m i t 为单元进行制动力的协调配合，充分利用动车再生制动力， 减少拖车空气制动力的使用，仅再生制动力不足时才由空气制动力补 充； 5 ) 具有与车载a t p l k j 2 0 0 0 的接口，施行安全制动； 6 ) 具有故障诊断和相关信息保存功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 1 4 制动控制规律 空气制动和电气制动都是粘着制动方式，粘着制动是利用车轮和钢轨之 间粘着实现，并受其制约。 轮轨间的粘着系数易受各种因素的影响，变化较大，比如会受到运行速 度和雨、霜、雪等气候条件的影响，还受轨面和车轮接触面的状态( 即生锈、 油脂或灰尘等污垢、接触面的表面光洁度等因素) 的影响。另外，轴重也会 在运行中随线路的变化而变化，另外列车加减速时会产生轴重转移。由此可 知其粘着力在运行中不免受到各种因素和条件的影响而总有变化。尤其对于 高速动车组，在高速运行下制动时发生滑行概率相当高，c r h 2 型动车组为 减少滑行的发生，专门采用能实现与粘着曲线相适应的制动力控制方法，即 速度一粘着模式控制方法。 粘着系数的计算公式： 湿轨面：p 坐 。 v + 8 5 干轨面：p ；里。 v + 8 5 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 制动减速度按下式换算： 卢- 3 5 2 8 , u ( k m h s ) ( 2 - 3 ) 应预先充分考虑到粘着系数的变化，采用较低的计算粘着系数。而实际 粘着系数则受气候、轨道面的状态影响会有大幅度降低。在这样低粘着条件 下制动，轮轨之间很容易产生滑行，甚至出现车轮被抱死的状态，引起制动 距离增大，带来安全隐患，还会使乘坐舒适性下降。因此，对轮轨间产生的 相对滑行状态，应尽快检测到，同时减小制动力以使轮轨间尽快重新恢复粘 着，防止制动距离的延长。为了满足这一点，动车组采用滑行快速检测和粘 着迅速恢复的控制方法：对来自各轴的速度信号，对其取样求出动车组的基 本速度，实时进行各轴之间的相对比较，以轴为单位进行粘着恢复控制，主 要有几下几点： 1 ) 滑行检测 在再生制动信号有效时进行电气制动滑行检测，在空气制动有效时进行 空气制动滑行检测。此外，在速度低于5 k m h 或牵引工况停止滑行控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 减速度检n - 当各轴的减速度超过规定值时，报检测到滑行； 速度差检测：当发生标准速度规定量的速度差时，报检测到滑行。 在进行上述检测时，如果处于电气制动工况，检测到滑行时则进行再生 模式选择，减小再生制动力指令；如果是空气制动时检测到滑行，则控制阀 输出该轴制动缸压力的缓解指令，使制动缸排气( b c 压力降低) 。 2 ) 再粘着控制 当检测到滑行轴的轴速度在标准规定的速度差之内时，即为粘着恢复点。 在进行上述检测时，如果处于电气制动工况，则回到再生模式；如果是空气 制动工况，则令该轴回到通常的制动状态。 2 1 5 制动系统的制动方式 c r h 2 动车组的制动方式通常包括常用制动、快速制动、紧急制动、辅 助制动等。常用制动采用复合制动，紧急制动为纯空气制动。 1 ) 常用制动 常用制动的制动力分为7 级控制( 对应司机制动控制器1 - 7 n 制动手柄 级位) ，实用中使用较多为7 n 。动车上产生的电气再生制动力除满足本车制 动力要求外，多余制动力用来代替拖车的一部分制动力，拖车不足的制动力 由其空气制动力补充，从而维持本动拖单元所需要的制动力，并实现和保持 规定减速度。另外常用制动具有空重车载荷适应功能，按需变化制动力，维 持一定的减速度。 2 ) 快速制动 当紧急制动继电器失电、司机制动器处于快速制动位或动车组未能减速 到在闭塞区间规定的速度时，控制装置接收a t p i k j 2 0 0 0 的指令立即发出快 速制动动作。快速制动具有比常用制动高1 5 倍的制动力，此时的制动力是 1 0 0 的电制动力再加上5 0 的空气常用制动力，当电制动力为o 时，则快速 制动力完全由1 5 0 的空气总制动力充当。 3 ) 紧急制动 在列车分离、总风缸压力不足、制动手柄在取出位或某车发生设备故障 时，产生独立于常用制动和快速制动的紧急情况时的暂停制动( 以下简称紧 急制动) ，它没有空重车载荷调整功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 4 ) 辅助制动 当制动控制装置发生故障、制动指令断线或救援时，司机操作控制台上 的控制开关及t c ( 头) 车配电盘辅助制动开关便能发出动作。但与常用制动、 快速制动不同，制动系统发出规定的制动力，只在头车与尾车产生制动力， 且制动力大小与发出辅助制动时动车组的速度快慢无关。 5 ) 耐雪制动 耐雪制动是防止下雪时雪块进入制动盘和闸片之间而专门设置的。此时 活塞推出，使闸片轻轻的压住制动盘面，从而消除闸片和制动盘面之间的间 隙，防止雪块进入。该制动作用在动车组运行速度在1 1 0 k m h 以下、操作耐 雪制动开关和制动手柄的条件下产生。 2 1 6b g 0 制动控制功能 b c u 从司机室控制台通过列车信息控制系统的中央装置、终端装置，经 由光纤传送，接受制动指令，以m t 单元制动力控制模式，根据空重车载荷 调整信号，用3 2 位微处理器数字运算方式进行电空制动力控制。 1 ) 制动指令输入 常用制动指令由光纤传送。此外，a t c 制动指令及紧急制动指令经由车 辆的穿引硬线按数字信号传送。 2 ) 空重车调整计算 常用制动时，制动系统根据载荷变化自动调整制动力。空气弹簧( a s ) 压力经过压力传感器进行空电变换，得到空重车载荷信号。制动力控制所采 用的空重车载荷信息是把每节车空气弹簧压力按前后两点进行比较，再进行 空车信号的预设保证和重车信号的限幅处理。 空车保证ta s 压力为空车压力的7 0 以下时，控制空重车载荷调整值 把相当于空车7 0 的压力作为a s 压力，从而限制空气弹簧或压力传感器故 障情况下制动力过分降低。 重车限幅：a s 压力在动车组定员压力的1 2 0 以上时，控制空重车载荷 调整值把相当于定员压力1 2 0 的压力作为a s 压力，限制空气弹簧或压力传 感器故障情况下制动力过分增大。 3 ) 冲动限制功能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 在采用微机控制直通电空制动系统的高速动车组上，为减小制动时的冲 动，都限制制动力的变化速率，称之为冲动限制功能。例如若把减速度变化 率控制在0 7 5 m s 3 或l m s 3 之内，由于制动指令是电信号，制动指令的变化 在瞬间就可以完成，如果制动力也跟随制动指令快速变化，就可能造成冲动， 所以要将制动力的变化速率限制在某一范围内，以避免冲动。 4 ) 电空制动配合控制的计算 优先使用粘着特性好的再生制动，根据制动指令，对电制动不足的部分 用空气制动力来补充，电空制动力的计算以一个m t 单元进行。 5 ) 补足制动力计算 在从变流器接收到再生信号时，