（电气工程专业论文）城市轨道动车再生制动能量吸收装置的研制.pdf

北京交通大学工程硕士专业学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t 1 1 i sp a p e rd c s c r i b e st 1 1 ef 曲c 石o n s ，d e v e l o p1 1 i s t o r ya 1 1 d 廿1 e o r yo fr e g e n e r a t e b m 垃培e n e 唱y - a b s o r bs y s t e mf b rc i t yr a i lt r a i n ，ar e s i s t a n c e a b s o r b s y s t e mi s d e s i 即e df o rt 1 1 es e c o n dp r o j e c to fc h o n g q i n gn o 2r a i l w a yt h cs y s t e ma d o p t s i g b tf o rt 1 1 em 血c i r c u i ta n dt h em 血c i r c u i td e v i c ep a r 锄e t e r sa i l d 也ep o w e r c a p a c 时a r ca l s oa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d t om e e tt 1 1 ed e s i 印d e m a n d ，p w m t e c h l o l o g yi su s e d ，a s 、v e ua st h eh o s ta n dm ec l i ms y s t e m ，、v h i c ha r ec o n n e c t e d t 1 1 r o u 曲r s 4 8 5b u s t h ec l i n ti sb a s e do n8 0 c 19 6 k cp r o d u c e db y1 1 1 t e l ，w h i c hc a nb eu s e dt o r e a l i z et h el o g i cc o n 仃0 1 ，d a t aa c q u i s i 廿o n ，c o n d i t i o nd e t e r m i n a t i o n ，d a l as a v i n 岛 p a r 锄e t e rs e t t 血g ，m a l l - m a c h i n ei n t e r f k e ，c o m m u i l i c a t i o n ，e t c t h e h o s ti s r e a l i z e db yv b 6 0 ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h cw i n d o w sb a s e d o ns y s t e m ，a n dh a s t h ea d v a m a g e ss u c ha ss i m p l e ，衔e n d l y ，e t c t h ee x p er i ：m e n t a lw a v e f o m l sa r eg i v e na n e rt h ew o r kd o n eb e f o r e ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e l a tt h i sa b s o r b s y s t e mm e e t st h ed e s i g nd e m a n da 1 1 d w o r k sw e l l f i n a l l y ，也ec i 、，i ld e s i g n ，m e c h a n i c a l 锄de l e c t r i c a ld e s i g i l sa r ea l s o g i v e n t om e c tt h er c a l 畸p r o j e c td e m 肋d k e y w o r d s ：r e g e n 蹦她b m k i l l g ，e n e 玛y a b s o r b ，m a n - m a c h m e 砬e m 【c e ，i g b t ， 8 0 c 1 9 6 k c v b 2 北京交通大学t 程硕士专业学位论文 第一章概述 地铁作为一种大运量、高密度的交通工具在城市公共交通中扮演着越来 越重要的角色，目前世界上许多城市都已开通或正在建设地铁。据统计，目 前世界上35 个国家和地区近80 个城市己修建了地铁，线路总长度达5 0 o0 多公里。我国地铁如今也有很大的发展，北京、天津、上海、广州、 深圳、南京、沈阳、长春、哈尔滨、青岛、大连、重庆、武汉、杭州、合肥 等十几个城市已有、在建或计划发展城市轨道交通。作为一种城市交通工具， 地铁客车在运行中既要频繁地启动加速，又需要频繁地制动减速，直至靠站 停车。在正常情况下，约在1 2 0 s 左右的时间内就要经历一次从起动到制动的 过程。因此，地铁客车制动的可靠性和可控性对地铁运行的安全性和停站的 准确性具有特别重要的意义。 随着我国城市轨道交通建设的迅速发展，地铁及轻轨电动客车控制技术 也得到长足的进步。目前应用得较为广泛的调速技术主要有直流斩波调压、 再生一电阻制动系统，交流v v v f 变频变压调速、再生电制动系统。 地铁列车运行具有站问运行距离短、运行速度较高、起动及制动频繁等 特点。地铁车辆的制动一般有电制动即( 再生制动) 和空气制动两级制动， 运行中以再生制动为主，空气制动为辅。在列车运行速度较高时，使用再生 制动，当列车减速到一定速度再生制动不起作用时，使用空气制动。传统的 再生制动做法是将再生制动电阻装设在车辆底部，当再生电阻不再起作用时 采用空气制动。这种做法的缺点是再生电阻产生的大量热量散发在地铁隧道 内，加剧了地铁洞体的温升，提高了对通风系统的要求，空气制动时将产生 大量粉尘，造成环境污染。与再生电能回收技术相比同时又加大了车辆的维 北京交通大学工程硕士专业学位论文 修工作量、增加了运营成本。 牵引电站再生制动能量吸收设备是城轨交通供电控制系统的重要组成部 分，对抑制地铁洞内温升、减少车载设备、减小车辆维修量带来了较大的便 利。原地铁、轻轨车辆电制动采用再生制动或再生一电阻制动模式，对于车 流密度不大的线路，再生制动功能得不到充分发挥，造成气制动投入频繁， 使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多，严重污染环境，且造成地铁隧道内温度不断 升高。同时为了减少电阻制动逸散在洞内的温度，工程中不得不加大洞内排、 通风量或增大空调功率，造成工程建设费用及运营费用昂贵。再生制动吸收 就是在牵引电站设置集中吸收设备，使车辆再生能量消耗在地面空间。 目前，实现再生制动通常有三种做法：再生电能电阻吸收制动、再生电 能存储制动和再生电能回馈制动。日本一些地铁公司及我国北京地铁车辆厂 就采用再生电能电阻吸收制动方式，其实质上是将原来装设在地铁车辆上的 吸收电阻装设在牵引变电所内，把吸收电阻支路接在变电所直流母线上。这 套装置由隔离开关、快速断路器、滤波装置、吸收电阻、i g b t 斩波器、续流 二极管、电流电压互感器、工控机及壁雷器装置等构成。其工作原理是先使 控制系统投入工作，微机控制系统自动检测各个传感器的信号，根据各系统 不同情况来设置再生电能装置投入运行的条件，一旦控制系统判定再生电能 吸收装置需要投入，斩波器马上投入，吸收电阻开始吸收再生电能。其系统 原理框图如图卜1 所示。 l 一一一一一一一一一一一堡些茎! 一一j 图卜1 再生制动能量电阻吸收装置原理框图 6 北京交通大学工程硕士专业学位论文 f i g 1 1 s c h e m a t i cb l o c kd i a 掣a i no f r e s i s t a n c e - a b s o r b e de q l l i p m e mf b rr e g e n e r a t e db r 砒 欧洲一些国家的做法是将再生电能回馈至交流供电系统，其主要工作单 元是脉冲整流器单元。其工作原理是控制系统根据真流牵引电网网压、电流 方向等控制条件，控制系统判定列车处于再生电能制动工况时，再生电能回 馈装置需要投入运行，则脉冲整流器投入工作回路。将列车再生制动电能由 直流电转换为与系统等电压、同频率、同相位的交流电供给变电站其他负荷。 其系统原理图如图卜2 所示。 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 图卜2 再生制动能量同馈装置原理框图 f i g 1 - 2 s c h e m a t i cb l o c kd i a g r 撇o f e n e 曙y f 酣e q u i p m e n tf o r r e g e n e r a t e db r 出 西门子公司推出的s i t r a s 8s e s 能量回收系统采用的方法是在直流母线 上接一电容器单元存储列车再生制动时产生的能量，如图卜3 所示。当控制系 统判定线路上有制动车辆产生再生电能时，接在直流母线上的电容器组处于 工作状态，将列车再生制动电能存储在电容器组中，当过一段时间牵引网上 又有列 车时的列车动能转换为再生电能，该装置能将列车再生电能存储在电容器组 中，列车制动时动能约为列车能量消耗的4 0 ，如能全部回收利用，效果相 7 北京交通大学1 ：程硕士专业学位论文 当可观。列车牵引用电时，存储在电容器组的电能可以释放出来供给牵引列 车。电容器采用双层电容器，控制技术采用最新的i g b t 控制技术。 吸收装置 图卜3 采用电容器的能量存储装置原理框图 f i g 1 3 s c h c m a t i cb l o c kd i a g r a mo f e n e r g y s t o r e de q u i p m e mb yc a p a c j t o r 另外，当采用吸收一储能一回馈这种方式来实现再生能回馈制动时， 以飞轮储能作储能装置，也不失为一种可行的方案。原理框图如图卜4 所示。 i 一一一一一一一一一一一型喽墨一： 图1 4 飞轮储能式能量吸收装景原理框图 f i g 1 - 4 s c h e m a t i c b l o c kd a g r 哪o f e n e r g y - s t o r e de q u i p m e n t b y n y w h e e l 飞轮储能技术作为一门新兴的高科技技术，由于其高效、节能、使用寿 8 北京交通大学工程硕士专业学位论文概述 命长以及无环境污染等优点，开始引起人们的重视。而且随着新型材料技术、 精密机械加工技术和电力电子技术的飞跃发展，飞轮储能技术越来越显示出 它巨大的优越性。日本、美国等发达国家对飞轮储能技术的开发和应用比较 多。日本已经制造出在世界上容量最大的变频调速飞轮蓄能发电系统( 容量 2 6 5 m v a ，电压1 1 0 0 v ，转速5 1 0 6 9 0 r m i n ，转动惯量7 1 0 t 2 ) 。飞轮储能 技术在美国发展得很成熟，他们制造出一种装置，在空转时的能量损耗达到 0 1 每小时。 本文结合重庆轻轨2 # 线二期工程的地铁运行状况，根据实际情况，决定 采用电阻能耗的方式进行。二号线的基本情况如下：采用跨座式轻轨车辆， 最高运行速度为7 5 k m h ，旅行速度不小于3 6k m h 。运营车辆采用直一交传 动方式：其牵引电动机为交流电动机，主要参数：额定功率：1 0 5 k w ：额定电 压：a c l l o o v ；车辆的制动方式为：电制动( 再生制动) + 空气制动( 磨擦制动) 。 运行中以电制动为主，空气制动为辅，并具有电制动与空气制动自动协调配合 的功能。供电系统采用1 1 0 1 0 k v 二级电压供电方式，正线接触网采用 d c l 5 0 0 v ，电阻柜的安装地点与供电站的距离不超过2 0 0 m 。在此环境下，本 文主要做了以下工作： 1 、 设计了适用于重庆轻轨2 # 线二期工程的再生制动能量消耗装置； 2 、 完成了吸收装置的主电路、控制电路、监控网络以及相关的计算和分 析，并考虑了系统的集成化、智能化和人性化设计； 3 、安装调试并最终完成了吸收装置的研制和使用。 本文第二章对各种吸收回馈方案的主电路拓扑进行了分析比较，说明了本 文所采用的吸收方案；第三章对吸收装置的性能和设计原理进行了详细的分 析，包括主电路结构组成、主电路参数选择和相关的理论计算；第四章则主 要设计吸收装置的控制系统，包括控制电路、软件设计，同时作为系统智能 化、人性化的重要组成部分，第四章详细设计了系统的监控系统和人机接口； 9 北京交通大学】：程硕士专业学位论文 在前面章节的基础上，第五章概括介绍了吸收装置的机械组成和电气、土建 安装；第六章是本文的结论，总结归纳了本文的设计思想和意义以及所做的 工作。 北京交通大学工程硕士专业学位论文 方案选择 第二章方案选择 由第一章概述可知，根据目前所掌握的技术水平，吸收装置采用消耗或回 收的方式比较合适，主电路形式也多种多样，本章拟就吸收装置的主电路形式 进行比较论述。 2 1 斩波调阻方式 再生制动回馈的能量通过多相i g b t 斩波恒压吸收方式直接消耗在吸收电 阻上，其原理如图2 1 所示。 直 图2 一l 多相斩波阑阻恒压吸收原理图 f i g 2 1s c h e m t i cd i a g ：r a mo fm 1 】1 t j 一1e v e lr e s i s t a n c e c h o p 口c rm o d e 该吸收装置方式具有四个独立的吸收电阻支路，每一支路由一个i g b t 斩 波器拧制，构成四相不重恒压吸收控制系统，并且可以根据容量需要增减并联 之路数。每一路斩波器主要由吸收电阻( r 1 r 4 ) 、i g b t 斩波器( t l t 4 ) 、 续流二极管组成。 这种吸收方式结构简单可靠，增减吸收容量方式简单，具有多年的运营经 这种吸收方式结构简单可靠，增减吸收容量方式简单，具有多年的运营经 北京交通大学工程硕十专业学位论文 方案选择 验，技术成熟，方便实现。但这种方式主要以电阻耗能为主，大量的电能消耗 在电阻上，在能源日益紧张的现代社会显然不是最佳方式。 2 2 再生能量回馈方式 与传统的电阻恒压吸收方式相比，回馈方式主要优点是： 将再生回馈的电能回馈到电网，避免了大量的电能消耗在电阻上，节 能效果好，经济效益高，同时降低了环境温度： 体积小、重量轻。由于该装置没有把再生的功率变成热量，因此不必 使用体积庞大的电阻箱及冷却设备，因而节约了安装空间： 采用先进的控制方法将直流电逆变成工频交流电回馈到交流电网，效 率高，谐波含量低，功率因数高( 近似为1 或一1 ) ，减少谐波抑制器和功率补 偿器的使用； 将再生能量回馈到供电系统，必须利用电力电子装置作为功率接口电路， 常用的有如下几种变换器。 2 2 1 多级h 桥并联回馈变换器 电力电子器件随着容量的增大其所容许开关频率越来越低，所以在大容量 变换器中面临着器件开关频率与容量之间的矛盾，采用多重化主电路实现大容 量变换器是解决这一矛盾的较好途径。 多级h 桥变换器电路原理如图2 2 所示。t x x 为变压器( 左边为原边，右 边为副边) ，c 和c d 为支撑电容，c f 与变压器副边漏感构成l c 低通滤波器。 每个开关管的反并联一个快恢复二极管，以保证续流的可靠性、减小恢复损耗。 整个系统由上、中、下三个功率变换模块( p o w e rc o n v e r s i o nm o d u l e ，p c m ) 构成，每个p c m 结构完全相同，不同的是三个部分的电压控制向量依次相差 北京交通大学工程硕士专业学位论文方案选择 0 。超前o 。滞后 丰吧髓。 u l _ 士o 嚆r l j 。fi 吧 竺 ! 求i 。1 叫f 末i 如卜“静l m l牛。中r 。卜_ 下_ 1 n 删删删叫嘲删 图2 2 多级h 桥电路原理图 f i g 2 2 s c h e m a t i cd i a g r a i no f 叫1 t i 一1 e v e lh _ b r i d g ec i r c u i t 2 0 。；每部分由三个h 桥构成，每个h 桥独立工作，三个h 桥之间电压相位依 次相差1 2 0 。；每个开关管的触发信号为5 0 h z 、1 8 0 。导通型的方波；每个h 桥的两臂之间接变压器的原边，共计9 个单相变压器，其中变压器t 1 1 、t 1 2 、 t 1 3 的副边由一个绕组构成，变压器t 2 1 、t 2 2 、t 2 3 、t 3 1 、t 3 2 、t 3 3 的副边 由两个绕组构成。对每个h 桥进行适当的控制，就可以在变压器副边叠加出一 个十八阶梯波，等效为正弦波。 多级h 桥并联变换器系统具有以下优点： 系统运行在功率因子约等于单位功率因素的工况下，不污染 电网，并可以对电网上的谐波进行补偿； 开关管上通过的都是方波，开关损耗小，系统效率高，可达 9 5 以上； 可以通过增加h 桥的数目提高输出功率，在工程上易于实现； 电压等级较低，使开关管具有较低的d v d t 值，开关管及续流 北京交通大学工程硕士专业学位论文方案选择 二极管上的损耗较小。 但是h 桥逆变器有输出变压器，使得装置体积庞大而笨重，成本大幅提高。 2 2 2p 删脉冲整流器 p w m 脉冲整流器可以运行在四个象限，主电路如图2 3 所示，这里采用的 是电压型p w m 整流器，其特点是直流侧电压不变。所以，p 1 v m 整流器的主要作 用是保持直流侧支撑电容两端的直流电压稳定，装置只是吸收能量，向电网侧 回馈能量，因此，整个装置单纯的工作在第一象限。一旦检测出直流侧电压高 于某个值，p w m 脉冲整流器开始工作，将再生能量回馈到电网。 图2 3p w m 整流器主电路原理图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fp w mr e c t i f i e rc i r c u i t 电网 主电路开关器件使用自关断器件i g b t ，控制方法采用s v p w m ，根据检测到 的直流侧电压状态去控制p w m 整流器的工作状态，决定是否向电网回馈能量。 p 1 v l 脉冲整流器的主要优点： 对直流侧电压的控制精度高； 交流侧线电压谐波畸变低，能获得近似正弦的电流波形，使电网的污 染减少到最小程度； 输出功率因数近似为一1 o ； 1 4 北京交通大学工程硕士专业学1 1 ：7 = 论文方案选择 没有相移和幅值偏差( 即不存在波动现象) ，动态响应好； p w m 整流器输出交流电压或电流的频率、相角和幅值任意可调，采用 适当的控制方法，可以用于功率因数补偿和谐波补偿； 由于本吸收装置容量大，其吸收的最高电压接近1 8 0 0 v ，主电路拓扑结构 如果采用传统的两电平，选用器件可能困难，也可以采用三电平电路结构，降 低器件的应力，如图2 4 所示。 p s l u s s w 勤 v d c ，2 n 图2 4 三相二极管中点筘位三电平逆变器 f i g 2 4 t h r e ep h a s ed i o d e c l a m p e dm o d eo ft h r e e l e v e li n v e r t e r 三电平除了可以应用于大功率系统之外，还有如下优点： 输出电压高。主开关器件承受的正向电压仅为母线直流电压的一半， 因此不需增加器件容量就可以提高逆变器的输出电压，且不需要均压电路； 输出电压波形好。在相同的开关频率下，输出电压的谐波含量小于两 电平逆变器。因此在相同的输出指标要求下，可以减小开关频率，因而减小了 开关损耗和开关应力，非常适合于电流比较大、开关频率不高的大功率器件； 电磁干扰问题大大减轻。因为开关元件一次动作的d v d t 通常只有传 统两电平逆变器的一半； 北京交通大学】：程硕士专业学位论文方案选择 效率高。消除同样谐波，两电平p _ l v m 控制开关频率高、损耗大，三电 平逆变器可以用较低频率进行开关动作，开关频率低，损耗小，效率提高。 2 2 3 多组p 删整流器并联运行 本文的吸收装置要承受的电流很高，峰值电流达到了数千安，采用一组p w m 整流器可能在选用器件上比较困难，且器件的电流等级很高，所以可以采用多 组p 1 v m 整流器并联运行，从而可以降低开关管的电流等级，其结构原理图如图 2 5 所示，这里采用的是两组p _ l v m 整流器并联运行。 直流母线 电网 图2 5 两组p w m 整流器并联运行原理图 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r 锄o ft w 0p a r a l l e l e dp w mr e c t i f i e rm o d e 采用两组p w m 整流器并联运行，每组上承受的电流大小是原来的一半，输 出有隔离变压器，原边采用星三角连接形式。 两组p w m 整流器并联运行除了具有单组p w m 整流的特点之外，可以大大降 低器件的电流等级，同时可以具有更大容量的吸收能力，在此基础上还可以继 续增加并联的组数以满足更高的需要。两组p _ l v m 整流器并联运行，需要协同控 制，相应的控制方法控制策略也会更加复杂，同时体积成本会增加。 北京交通大学工程硕士专业学位论文方案选择 2 3 比较分析 多相h 并联变换器属于多重电压型逆变器，逆变器经过多重化连接，不仅 可以消除谐波，改善波形，而且扩大了输出容量，但是它需要体积庞大输出变 压器。与之相比p 1 v m 整流器，控制方法先进，输出波形好且可调，效率高，当 主电路采用三电平甚至更多电平电路结构之后，p w m 整流器将承受更高的电压 等级，提高吸收的功率。 对于本吸收装置系统，要求吸收容量很大，其电压电流都很高，若采用p w m 整流器实现则需要几套相同的装置并联使用，这样会使系统结构复杂，相应的 协调控制方法也会更加复杂。p w m 整流器尤其是以多电平为主电路结构的，其 控制方法复杂。 多相斩波调阻恒压吸收装置这种吸收方式结构简单可靠，增减吸收容量方 式简单，具有多年的运营经验，技术成熟，方便实现。在本吸收装置中，最高 吸收电压为1 8 0 0 v ，现有器件的电压电流等级完全可以满足要求，因此，采用 多相斩波调阻恒压吸收方式来实现本装置。 2 4 小结 根据工程的实际情况，本文在设计吸收装置主电路的选择上对多种主电路 拓扑方式进行了比较，综合考虑各自的优缺点尤其是本身所具有的技术基础、 研发力量的前提下，最后选择了多相斩波调阻恒压吸收方式来实现本装置。具 体的设计原理将在后续章节进行详细论述。 北京交通大学上程硕士专业学位论文吸收装置原理设计 第三章吸收装置原理设计 为了满足重庆轻轨2 撑线二期工程的设计要求，本文选取了多相斩波调阻恒 压吸收方式来实现本装置。本章内容包括吸收装置的运行条件、设计原理、主 电路结构以及相关的理论分析计算。 3 1 吸收装置系统原理及构成 3 1 1 吸收装置设备技术规格 1 、使用环境条件 海拔：不超过1 2 0 0 m ； 环境温度：一5 + 4 5 ； 最湿月平均最大相对湿度不大于9 5 ，同时月平均最低温度不大于2 5 ； 饱和蒸气后：日平均值不大于2 2 1 0 3 m p a ，月平均值不大于 1 8 1 0 _ 3 m p a ； 地震裂度：7 。； 污秽等级：7 级。 2 、主要技术指标 功率：1 2 s 短时功率：3 7 5 0 k w ( 工作周期：1 5 0 s ) ： 2 0 s 短时功率：2 5 5 0 k w ； 持续功率：9 2 6 k w ； 额定工作电压：d c l 5 0 0 v ； 允许电网电压波动范围：d c l 0 0 0 v 1 8 5 0 v ； 额定工作电流：5 8 0 a ，短时电流：2 3 5 0 a 、1 2 s ，1 5 3 0 a 、2 0 s ；峰值电流 1r 北京交通大学丁程硕十专业学位论文吸收装置原理设计 3 2 0 0 a 。 电网电压恒定平均吸收控制值：1 6 3 0 v ： 斩波器每相工作频率：1 5 0 h z ； 合成频率：6 0 0 h z ： 斩波器调节范围：5 a 9 5 ； 工作制：间隙工作制； 3 、八辆编组时的吸收设备主要技术指标 假定条件：列车运行时间与六辆编组时相同。 功率：1 2 s 短时功率：5 0 0 0 k w ( 工作周期：1 5 0 s ) ； 2 0 s 短时功率：3 0 0 0 k w ； 持续功率：1 2 0 0 k w ； 额定工作电压：d c l 5 0 0 v ； 允许电网电压波动范围：d c l o o o v 1 8 5 0 v ； 额定工作电流：7 6 9 a ，短时峰值电流：3 2 ( ) o a ，1 2 s ；2 1 6 0 a ，2 0 s ；峰值电 流：4 1 7 0 a 。 电网电压恒定平均吸收控制值：1 6 3 0 v ； 斩波器每相工作频率：1 5 0 h z ； 合成频率：6 0 0 h z ： 斩波器调节范围：5 a 9 5 ； 工作制：间隙工作制； 3 1 2 执行标准 1 、i e c 6 0 0 7 7 电力牵引设备规则或z b k 6 3 0 0 2 牵引电器基本技术条件； 2 、i e c 6 0 4 1 1 4 车辆用直接直流变换器或j b 5 3 4 8 牵引用直流斩波器基本 技术条件； 1 9 北京交通大学工程硕士专业学位论文吸收装置原理设计 3 、i e c 6 0 3 2 2 电动车主电路中的欧姆电阻器规则 4 、i e c 6 0 4 3 9 低压开关设备和控制设备； 5 、g b 5 0 1 5 7 9 地下铁道设计规范； 6 、g b 3 8 5 9 半导体电力变流器； 7 、g b 3 9 0 6 低压系统设备绝缘配合； 3 1 3 吸收装置总体设计原则 l 、采用成熟的有多年运营经验的，在北京地铁中应用的斩波调阻控制技术； 2 、主要元器件及材料采用具有地铁多年成功运用经验和国内外有着广泛应用 的成熟产品，包括软件编程方法等； 3 、吸收装置的容量除充分满足现有六辆编组列车的再生制动吸收外，并考虑 将来八辆编组列车情况下吸收容量的简单积木式扩展。 4 、可靠性：有完善的监测和安全运行自动保护系统，整个装置内不采用任何 冷却风机。 5 、直观性：用户能直观地知道装置的工作状态。 6 、可维护性：装置布局结构设计充分考虑维护方便的要求。 7 、采用多相i g b t 斩波恒压吸收方式直接从线网上吸收多余的再生能量，消耗 在吸收电阻上。 对此吸收装置而言，其设计关键点：如何准确快速地判断线网上有列车 处于再生制动状态且其能量不能被其他用电设备所吸收；如何确定每个吸收 装置的吸收功率：如何确定吸收电阻功率及其散热问题：如何确定滤波电 感器等系统参数。确定吸收装置斩波时不对电站系统通信及信号系统产生影响 等。 北京交通大学丁程硕+ 专业学位论文 吸收装置原理设计 3 1 _ 4 系统原理及组成 1 、主电路原理 如图3 1 所示：主电路由电动隔离开关( q s ) 、线路接触器( 1 k m ) 、滤波 装置、吸收电阻( r w l r w 4 ) 、i g b t 斩波器( t 1 t 4 ) 、续流二极管( d 1 d 4 ) 、 电流电压传感器( s a l s a 7 ，s v l s v 2 ) 及避雷器等构成。 d c l 5 0 0 v + 图3 1 主电路原理图 本装置具有四个独立的吸收电阻支路，每一支路由一个i g b t 斩波器控制， 构成四相不重恒压吸收控制系统。电网电压变化由电压传感器s v l 检测，牵引、 制动工况的信号由供电站提供的母线电流信号s a l o s a l l 及交流侧供电交流 北京交通大学工程硕十专业学位论文吸收装置原理设计 电压信号及s v l 电网电压传感器检测，送给微机控制系统，由微机控制系统综 合判断得出牵引或制动状况。 吸收装置的启动过程：启动时，先由电站室远程控制d c 2 2 0 v 直流控制电 源的合上，当吸收设备支路断路器合上后，通过电站自动化系统发出的工作指 令信号，本设备启动电动主隔离开关，操作人员可以通过显示来判断主隔离开 关的分合状态。当q s 电动隔离开关合好，其闭合信号送入微机控制系统。随后 微机控制系统将根据s v l 电网电压的大小来判断吸收装置是否工作。当电网低 于9 0 0 v 或高于1 9 0 0 v 时，车辆因不具备再生条件，吸收装置不投入工作；同 时发送相应的指示信号给电站值班室等。当线网电压回到9 0 0 v 1 9 0 0 v 之间 时，微机控制系统首先合上2 i ( m 充电接触器，给滤波电容充电，然后合上线路 接触器( 1 i ( m ) ，此时完成吸收装置投入工作前的准备。根据各个传感器检测信 号综合判断线网上是否有列车处于再生电制动状态。一旦确认列车处于再生制 动状态并需要吸收能量时，斩波器立即投入工作，稳定电网电压不再上升，确 保列车充分有效利用电制动。 根据设置参数要求或测定参数要求，微机控制系统进行快速的电流跟踪和 恒压控制运算。当车辆制动级位较低时，即回馈电流较小，经控制单元运算后， 调节斩波器导通比，使斩波器处于低开通状态。随着制动级位增加，控制系统 经p i d 实时运算，快速调节斩波器导通比，以维持电网电压的相对恒定，直至 线网电压值低于设定的吸收电压值后，关闭斩波器，等待下次车辆的再生吸收。 整个制动过程，可以根据线网电压变化及再生功率大小，实现实时控制。 吸收装置还配有热电偶温度检测功能，检测吸收电阻柜空气出口温度、斩 波器各热管温度，当发现某一环节温度过高，控制系统将自动降低吸收功率， 限制温度继续上升。直至关闭系统工作。保证吸收装置在无人监守的情况下自 动安全运行。 2 、控制电路系统 北京交通大学工程硕士专业学位论文 吸收装置原理设计 控制电路图是根据主电路的功能要求而设计的，由手动控制、远程微机控 制两部分组成，见附录中附图3 2 附图3 5 。 控制系统的工作工程可以描述如下： 启动按钮s b s l l 或经继电器i ( a 2 ，线圈k m l 得电自保持。k a 3 为微机控 制系统控制的自保持继电器触头，防止未经控制系统许可即断开控制电源。i ( m 1 吸收控制电源即给上。 操作电动隔离开关，启动按钮s b s 2 或经继电器k a 5 ，线圈q s l a 吸合， 控制电机g 转动，隔离开关q s 合上，限位开关h w l 将切除k m 2 线圈，同时q s 电动隔离开关辅助触头送入微机控制系统。即工作指令。 接到微机工作指令后，微机系统将根据线网电压情况等决定是否进入 待吸收准备状态。即合支路电磁接触器1 k m 等。微机通过控制继电器l ( a 7 、k a 8 、 k a 9 来控制l k m 2 k m 的合与断。 主电路中的主开关闭合情况，可以通过其指示灯从柜面上或电站室内 的屏上直观看到。 吸收装置的投入与分断：正常投入与分断：通过钥匙开关k e y 的合 与断来实现。首先合控制电源，然后合隔离开关，再合k e y ，最后让微机控制 系统自动完成后面的合闸过程。分断时相反，先分断k e y ，让微机控制系统分 断相应的1 i ( m 等。然后分断隔离开关，最后分断控制电源。强行分断：可 按s b s t 4 按钮强行分断1 k m 接触器，之后微机控制系统将通过软件自动识别并 分断所有开关。 电动隔离开关是不带负荷分断的开关，因此，电路中隔离开关的分与 合必须受1 l ( m 接触器的常闭点连锁，即l k m 接触器分断，q s 才能操作。 3 2 吸收装置的容量分析计算 吸收装置的良好设计离不开对地铁工况的准确把握和模拟计算，下厩将根 北京交通大学工程硕士专业学位论文吸收装置原理设计 据牵引电机的工作特性、牵引和制动特性进行相关的计算和分析。 3 2 1 牵引电机工作特性 地铁列车牵引电机的工作特性曲线，包括牵引和制动特性曲线如图3 2 图3 4 所示。 3 2 2 吸收功率分析 1 、分析原则 再生制动吸收设备持续容量分析步骤 1 )不小于单轨车的旅行速度范围内，进行模拟牵引计算； 2 )根据模拟牵引计算，分析对各运行区间和上行及下行全线坡道上的抑 速制动电流和停车制动电流，换算成等效发热电流； 3 )把上行或下行中的较大等效发热电流作为计算再生吸收设备容量主要 依据； 4 )考虑适当的储备系数后估算出再生吸收设备的持续容量。 再生制动吸收设备反复短时工作制的短时容量分析步骤 1 ) 进行模拟牵引计算； 2 )根据模拟牵引计算，分析对各运行区间和上行及下行全线坡道上的停 车制动电流进行分析，找出其中的最大值和可能出现的最大值； 3 )把其最大值考虑适当的储备系数后作为计算再生制动吸收设备的反复 短时工作制容量的计算依据。 2 、设定条件 编组：m c l 十m 2 + m 4 + m 5 + m 3 + m c 2 ； 每列车牵引电机额定功率：1 0 5 k w 1 8 = 1 8 9 0 k w 2 4 北京交通大学工程硕士专业学位论文 吸收装置原理设计 牵别电动枫特壤姆鳝 图32 电机特性曲线图 螂 嘲 枷 蛳 栩 瑚 舯 螂 螂 舯 姗 舯 撕 册 棚 螂 嘶 哪 恤 哪 啪 啪 聃 舳 。 一 北京交通大学t 程硕士专业学位论文吸收装置原理设计 2 0 0 0 1 5 0 0 1 0 0 0 5 0 0 = = 一：= = ：= 二一一 一一一一一一1、 一型堡峰蛾耐吖 = = = = = s 耐呻r 瑚识o v e o a c 孵佃煳 图3 3 牵引特性图 f i g 3 3c u r eo fm o t o r i n gc h a r a c t e r i s t i c s 2 0 0 1 0 0 北京交通大学工程硕士专业学位论文 吸收装置原理设计 茎 毫 专 是 言 毫 三 2 0 0 0 船圊旧t 1 e 腿e 艋d 婚q i 根 c i 豫l 如岱 v 幽静1 5 0 0 、r w 埘啪岫g 曩岫心 t h 蛳蜮阻哦嘲删啪嘲1 6 缁l 1 6 0 0 b r a k i n ge f f o r f 【c r u s h l 一：o ，k m ，h ，s 1 o o 8 0 0 6 0 0 o o 2 0 0 1 2 0 喜 ， | 00 = 8 0 4 0 印e e d 衄删 图3 4 制动特性图 北京交通大学工程硕士专业学位论文 吸收装置原理设计 1 个供电区间只有1 列车运行； 无论在再生抑速制动还是停车过程中的再生制动，所再生的能量除吸收设 备外无其他吸收设备； 吸收电阻的发热时间常数足够大； 列车最高运行速度达到7 5 l ( i n h 后情形； 制动初速为7 0 k f 【i h ； 7 级常用制动； 制动最高电压：d c l 7 ：3 0 v ( 吸收设备最高恒压值) ； 运行时问1 2 0 s ，停站3 0 s ，周期1 5 0 s 。 3 、计算方式 以一个典型区间运行图在制动7 级条件下作为分析计算条件，见图3 5 所 示。 一一。 + ”甲 、广厂去“p t ：1 l jt 1 二! ! _ l 一一、 7 。v “竺 厂一、f 干气 0 广、 u 图3 5 区间运行示意图 f i g 3 5s c h e m a t i co fi n t e r v a lz o n ew 0 r k i n g 北京交通人学上程硕士专业学位论文吸收装置原理设计 制动时均方根电流 k ：平：厕万网 再生电网等效电流： j ，：血! 竺垫：! ! ! ! 里 “ v 网 其中，一逆变器效率 一功率因数 电机一电机电流 自n 一电机电压 v 月一网压 一个周期内制动均方根电流： 却_ j 等 其中，卜一制动时间 严一运行周期 牵引计算中阻力公式： 足= 9 8 a ( 1 3 + o 0 4 2 5u ) w + 0 0 0 2 2u2 ( n ) 其中，a 一加速度 u 制动速度 w 一车辆重量 4 、持续功率及短时功率 上下往返运行时，各区间再生抑速制动和停车时再生制动电流值、等效电 流、可能的最大再生电网电流、见表3 一l 、表3 2 所示，结果如下： 由制动特性可知：7 级制动停车过程中的峰值电流为2 1 9 0 a 2 9 北京交通大学1 ：程硕士专业学位论文 吸收装置原理设计 制动停车过程中的均方根电流：1 5 2 8 a 制动停车过程中吸收设备峰值功率：2 1 9 0 1 7 3 0 = 3 7 9 0 k w ： 制动停车过程中吸收设备短时功率：1 5 2 8 1 7 3 0 = 2 6 4 0 k w ； 吸收设备均方根电流为：厶。= 6 4 0 a ； 吸收设备持续功率：尸= 9 2 6 6 k w 。 5 、远期八辆车编组持续功率及短时功率 由制动特性可知：7 级制动停车过程中的峰值电流为3 1 0 0 a 制动停车过程中的均方根电流：2 1 6 0 a 制动停车过程中吸收设备峰值功率：3 1 0 0 1 7 3 0 = 5 3 6 0 k w 制动停车过程中吸收设备短时功率：2 1 6 0 1 7 3 0 = 3 7 4 0 k w 吸收设备均方根电流为：厶。= 8 0 0 a 吸收设备持续功率：p = 1 2 3 0 k w 6 、吸收电阻 设。= o 9 2 近期六辆车编组：四相控制 总电阻值：亓= 1 6 3 0 v 2 1 9 0 a 0 9 2 = 0 6 7 q取o 6 4 q 每相阻值：届= o 6 4 0 4 = 2 5 0 q 每相短时功率：只= 7 7 9k w 每相持续功率：只= 2 3 2k w 远期八辆编组：取六相控制 总电阻值：庐1 6 3 0 v 3 l o o a x0 9 2 = o 4 8q 每相阻值：届= o 4 8 6 = 2 8 6 q 考虑远期在原基础上扩展，故取尼= 2 5 q 则总电阻庐2 5 q 6 = o 4 2 q ，对 应最大瞬时电流五= 4 3 0 0 a 1 n 匿s 萋冀 稚 萋霪 留 嫂 v 怔怔 泉怅瞅献献限怔 扭妞扛 限 重 垂 端 脚 瑙，、 慧置 磊。 厘 苣3 删 划，、 制 惺互 堪。 蟹3 一 嫂 晷粼鞋 楚 鞋 圜 磐 二 忐 嘣 蘧 窖 蚓 匿霞 扣 嘏 h团联 沤 聪 s 匿 1 h 旨 婆 榉 剿懈 士l 搽 巷 憾 垦 辄 戈鄹蚪 罡墨 悠 霉臀 监 彬 蠼 一 噩霹 弧 袋野 团 沤 靛疑 蟛 目挂螂 憾 摆 碧 辩撩嚣 u 磐粗斗 驰 k艇 酶搽 臀 廿卅 巷蠼 眯旱手婚盎鬲徭叵q t 如懈 拳魁雕隧瓤蝌罂登 似秘掣扑爿啦书匿畦h扑阁杈慢暑 匿s 蒸羹 淞 薹霪 鲁 翊 v 瞬嘏忙悄忙 把妞 年 蕈菱 删 煳一 喜董 磊。 厘 藿3 制 赵一 恻 恒j 堪。 蟹3 匠 奇 觏理者鲜簧 爨螓 嫌 二 彬 摆 丑 料 亡l 退 塞 晷 髂耀 撩 赶搽 监m 垦 蔻 区嚣丑 蝴嚣 式 鞋 髂 撩 嫌 惴 耀 越 _ k 巷恃卜 眯蛞琳古不斟尽目n_e群 o o卜 一 o 卜 卜。 h l l得 k 孽 雷 螂 冀饕 蜒 区 脚 蝇 苦栏墓3 州 擎 哥 匿 哥 酬 世 位 登 七秘副隧删群善蓉 愀秘晕簪争_牟州器烈r上外k卿杈倏暑 o o卜_ n 一 o o 卜 一 l o 营 鞭 v 扭 悄悄悄恫 矩 起斟碍 k 孽 雷 喾量 蝼 靶 舞需蛊 憔 螂 匿 t = 耋垂墓 蔷翟詈 誊幕 掣 驰 斗 l ，所以l ( f r n f ) 2 i m l ( f r n f ) 2 i a n + s i n 4 n s i n ( n ( d t 十v n ) = ( f r n f ) 2 2 i a s i n ( 4 na ) s i n ( n t + v n ) n 3 f r = l 2 丌上c = 3 6 h zl = 4 m h c = 5 1 0 0 u f 对应各次谐波在a = o 1 ，o 1 5 ，0 1 2 5 ，o 1 7 5 ，0 2 0 0 ，o 2 2 j 时的离 散频谱( n 1 0 ) 由以上公式可得电源的n 次谐波分量幅值为： i n = ( 疔，f ) 2 2 i a 冗n 3 f r = 3 6 h z f = 6 0 0 h zi a = 7 6 9 3 a i n ：1 7 3 9 n 3 对于照查信号载频：1 4 2 5 k h z ，调制频率：9 7 h z ， 通频带：( 1 4 2 5 k 9 7 ) h z 可以算出电源的第2 3 ，2 5 次谐波在通频带附近其幅值分别为： 1 2 3 = 1 4 2 9 i i l a 工2 5 = 1 2 5 8 m a o t d 信号( 车上、下行方向驾驶台) 载频：1 3 5 k h z 调制频率：1 1 2 h z 通频带：( 1 3