直流牵引传动电制动和交流牵引传动电制动城轨车组的制动

4.2直流牵引传动电制动和交流牵引传动电制动城轨车组的制动系统是由作为电机牵引传动的动力制动—也称电制动，和压缩空气制动—简称空气制动两部分组成的。电牵引传动根据采用的牵引电机的不同，分为直流电机牵引传动和交流电机牵引传动两种。北京地铁列车现已全部改为交流电机牵引传动。（一）斩波调压调速PWM控制技术是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。PWM（PulseWidthModdulation）译为脉宽调制。制动是把车辆的速度调低，是在速度调低过程中对减速度的有效控制。因此，与牵引工况调速一样，在制动工况时对电制动的调速控制是必须把握住的，在不同的载荷、不同的轨道状态、不同的可用功率情况下，最大限度的利用电制动力，以达到需要的快速、准确停车。采用斩波器调压方式，使再生电流可返回电网，只有当电网网压过高或因某种原因而不能吸收时才投入电阻能耗，再生和电阻制动能平滑过渡。我国城市轻轨地铁供电主要是DC1500V的架空线或DC750V、DC1500V的第三轨供电方式。采用直流电机牵引，牵引时从供电到用电是DC→DC再生制动时从电机发电到电网也是DC→DC。这种直流电之间的转换是调节直流平均电压，在电力电子学中称斩波。图4-6是一直流电机M、端电压Ua受PWM控制的原理图。（一）斩波调压调速图4-6直流电机M端电压Ua受PWM控制的原理图。直流牵引电机斩波调压调速系统牵引工况牵引工况下，简化原理如图4-9所示。牵引接触器1K9、1K10闭合，制动接触器1K11打开，直流牵引电机1M1、1M2和1M3、1M4均为串励。此时若1K1、1K2闭合而1K3、1K4打开，1K5、1K6闭合而1K7、1K8打开，设电机为正转，电流和电枢反电动势方向相反，则为向前牵引工况；若将1K1、1K2打开而1K3、1K4闭合，将1K5、1K6打开而1K7、1K8闭合，则直流电机电枢端电压极性改变，电机反转，电枢反电动势方向也反向，电枢电流与电枢反电动势方向仍相反，因而，动车由向前牵引变为向后运转，为反向牵引工况。牵引工况下，无论牵引电机是正转还是反转，均可调节降压PWM斩波器主管V1、V2的占空比来改变电机的电枢端电压的大小，以调节电机的转速，从而控制动车的运行速度。斩波器的工作方式是定频调频，斩波器的两个GTO晶闸管（V1、V2主管）轮流工作，斩波器输出为两相一重，每相频率为250Hz，斩波器输出频率为500Hz，PWM降压输出电压波形如图4-6所示。在这里实际使用的占空比α调节范围为0.05≤α≤0.95。（二）直流牵引电机斩波调压调速系统图4-9向前牵引工况简化原理图直流牵引电机斩波调压调速系统制动工况制动工况下，简化原理如图4-10所示。此时将牵引接触器1K9、1K10打开，将制动接触器1K11闭合。若图4-11中1K1、1K2闭合，1K5、1K6闭合，而1K3、1K4打开，1K7、1K8打开，则为向前运行的制动工况。在向前牵引工况时，直流牵引电机电枢反电动势的方向如图4-9中+、-号所示。当转换为向前运动中的制动工况时，电路被改接成图4-10。此时，因为电机的转向未变，励磁方式由串励被改成为交叉式他励，励磁电流方向也未变，因而直流电机的电枢反电动势方向仍不变。所形成的电流回路如图中箭头方向所示，电流方向与电枢电动势方向一致了，因而直流牵引电机转换为发电机工况，而产生电制动力。（二）直流牵引电机斩波调压调速系统图4-10向前运行中的制动工况简化原理图4.2直流牵引传动电制动和交流牵引传动电制动交流牵引传动的电制动在轨道车辆牵引动力领域交流电机目前占据主导地位，交流电机最大的优点是不易受干扰，维护保养相对很少，但它的调速控制远比直流电机复杂。随着牵引控制技术的进步和相关产品的不断升级，交流电机在轨道交通领域的应用非常普及。交流调压变频车辆的传动与控制由受电弓、高速断路器HSCB、牵引逆变器VVVF、牵引控制单元DCU/UNAS、牵引电机、制动电阻等组成，并采用微机控制系统。其中，VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式，将直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电，平行供给车辆四台交流鼠笼式异步电动机，对电机进行调速，实现列车的牵引、制动功能。采用交流异步电机作为牵引电机，那么轻轨地铁的直流供电在牵引时，是直流电到交流用电：DC→AC，电制动时是交流发电到直流电网用电：AC→DC。但是在交流电传动变频调速中，变频的同时也必须协调地改变电机的端电压，否则电机将出现过励磁或欠励磁。因此交流电传动中的变频实际上是又变压（VariableVoltage—VV）又变频（VariableFrequency），即变压变频技术VVVF。（见图4-11）我们通常所说轻轨地铁车辆采用VVVF新技术。交流牵引传动的电制动二.交流牵引传动的电制动图4-11DC-AC变换示意图交流牵引传动的电制动交流电PWM控制的基本原理：在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量是指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅立叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。如图4-12所示，图4-12（a）为矩形脉冲，图4-12（b）为三角形脉冲，图4-12（c）为正弦半波脉冲，它们的面积（即冲量）都等于1。把它们分别加在具有相同惯性的同一环节上，输出响应基本相同。脉冲越窄，输出的差异越小。二.交流牵引传动的电制动图4-12形状不同而冲量相同的各种窄脉冲交流牵引传动的电制动上述结论是PWM控制的重要理论基础。下面来分析如何用一系列等幅而不等宽的脉冲代替正弦半波。把图4-13（a）所示的正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，这个脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积相等，就得到图4-13（b）所示的脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。所以对于单极性一个完整的正弦波可见图4-14。二.交流牵引传动的电制动图4-13PWM控制基本原理示意图二.交流牵引传动的电制动图4-14单极性PWM控制方式原理图4-15双极性PWM控制方式原理二.交流牵引传动的电制动对于双极性的见图4-15。而在实际应用中是三相交流电，如三相交流异步电机，主电路一般采用三相桥式逆变电路如图4-16所示，其控制方式中，一般也需是双极性的。U、V和W三相的PWM控制通常公用一个三角载波uc，三相调制信号uru，urv和urw的相位依次相差120度，U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。因涉及电力电子技术中很多知识，本书介绍一些必要的最基本概念，便于理解电制动是如何产生的。二.交流牵引传动的电制动图4-16三相PWM逆变电路波形二.交流牵引传动的电制动图4-17为一节地铁动车三相交流传动主电路原理简图。它表示出从DC1500V输电到该车4个电机的情况，它是一台逆变器拖带4台电机（1C4M）。图4-17三相交流传动系统原理简图在电制动工况时，通过对KM1～KM3直流接触器和V1～V9开关元件的控制使交流电机转变成交流发电机，产生制动转矩，并控制其大小，生成的三相交流电通过逆变器（VVVF中的六个二极管组成的桥式整流电路）变成直流电返回电网。现代城轨车辆，交流牵引传动的控制方式很多，目