单元三 动力制动和电磁制动

城市轨道交通城市轨道交通车辆制动系统维护与检修动力制动和电磁制动单元3课题一动力制动课题二电磁制动课题1动力制动3.新干线100系动车组和我国城市轨道交通车辆电阻制动的构成和工作原理。

【知识要点】2.掌握新干线700系动车组和我国城市轨道交通车辆再生制动的构成和工作原理；

1.掌握动力制动系统的分类、基本原理和基本要求；

【课题任务】1.

分析各种动力制动的基本原理和基本要求；3.分析新干线700系动车组和我国城市轨道交通车辆各种再生制动的构成和工作原理，比较其异同点；5.分析新干线100系动车组和我国城市轨道交通车辆各种电阻制动的构成和工作原理，比较其异同点。2.搜集新干线700系动车组和我国城市轨道交通车辆各种再生制动电路图；4.

搜集动车组和我国城市轨道交通车辆各种电阻制动电路图；【相关理论知识】二、再生制动一、动力制动系统的基本原理和基本要求一、动力制动系统的基本原理和基本要求1.基本原理所谓动力制动，就是在列车制动时，将所有牵引电机的电动机工况转变为发电工况，将列车动能转化为电能再通过两种方式--反馈给接触网或消耗在电阻器上的方式将电能消耗掉。通过转换电路和受电器（受电弓）将电能反馈给供电接触网，提供本车辅助电源或同一电网中相邻运行的列车使用的方式，就是再生制动，又称为反馈制动。如果触网电压太高，不能接受反馈电能，电能只能通过列车上的电阻器发热消耗，转变成热能散发到大气中去，这种方式就是电阻制动，又称为能耗制动。

对于现代城市轨道交通车辆的设计来说，每列车都必须具有动力制动系统，而且在正常运行制动中应优先使用动力制动，尽量发挥动力制动的再生作用，以减少摩擦制动产生的热量和粉尘，这是个节能和环保的基础原则。从理论上说，即使列车在高速行进时，常用制动也都从动力制动开始，直至车速降为零完全停止。但是实际上，动力制动在列车最高速度时（80㎞/h）很难实现。有时为了在满载的情况下获得最大的轮轨黏着力，列车也需要使用部分拖车上的摩擦制动力。当列车速度降到很低时（约10km/h以下），动力制动作用迅速减弱，也需要摩擦制动逐渐予以补充将车完全停止。课题1动力制动

一个安全可靠的动力制动（电气制动）系统应满足以下基本要求：（1）应具有机械的稳定性，即电气制动时，如果列车速度增加，制动力也应随之增加；（2）应具有电气上的稳定性。电气制动时如果发生瞬时电流波动，系统能自动恢复原来的平衡状态；（3）各台电机的制动力应相等；（4）制动过程中无论外界条件有什么瞬时变化，例如电网电压波动、黏着条件变化以及人为的调节等，都不应产生大电流的冲击和制动力的冲击；（5）电气制动电路的设计力简单。上述要求应在设计、研制、和生产车辆时充分考虑，否则列车运行中就不能实施动力制动（电气制动）。(一)新干线700系动车组再生制动的构成和工作原理1.系统构成日本新干线700系动车组再生制动系统的组成与牵引传动系统一致，包括受电弓、主变压器、变流器和电机等。由于不使用主电阻器，可使车辆的质量减轻。其主回路如图3-1所示（新干线700系动车组，3辆车为一个单元）。

二、再生制动图3-1再生制动的原理2.工作原理再生制动与电阻制动相似，也是在制动时将牵引电动机变为发电机运行：交流电机将列车动能变为三相交流电，主变换器（包含整流器和逆变器）将此三相交流电转换为单相交流电，单相交流电再由主变压器变压后经受电弓回馈到电网，由正在牵引运行的动车组接受和利用。（二）城市轨道交通车辆再生制动1.直流再生制动电路时的工作原理和电流控制

1.直流再生制动电路时的工作原理和电流控制在各种形式的制动中，电气制动是一种较理想的动力制动方式，它是建立在电动机的工作可逆性基础上的。在牵引工况时，电动机从接触网吸收电能，将电能转换为机械能，产生牵引力，使列车加速或在上坡的线路上以一定的速度运行；在制动工况时，列车停止从接触网受电，电动机改为发电机工况，将列车运行的机械能转换为电能，产生制动力，使列车减速或在下坡线路上以一定的限速度运行。车辆进行电气制动时，首先应该是再生制动，即向供电网反馈电能。如果接触网电压过高或在同一供电区无其他车辆吸收反馈能量，则电路转为电阻制动，把能量消耗在电阻器上。图3-2所示为上海地铁一号线直流制列车的再生制动示意图。该列车主电路采用直流斩波器调压和串接直流电动机方式。直流斩波器调压和串接直流电动机的牵引方式将在列车牵引技术课程中讲述，这里只介绍制动工况。当一个直流斩波器控制的“两串两并”四个电机的主电路由牵引工况转换成电制动工况时，原先的各自电枢和励磁绕组串联的两个支路，现在转换成交叉励磁，也就是电机自己的励磁绕组去激励另一支路的电机电枢，而另一支路电机的励磁绕组来激励本机电枢。

采用这种交叉励磁方法的目的是提高电路的电气稳定性。虽然这种交叉励磁电路看起来具有他励（对每一组的电枢绕组而言）的性质，但由于电机型号和参数相同，实际上还是具有串励的特性，因为励磁绕组与电枢还是串联连接，只不过不是同一电机的罢了。在制动回路中还需介入一个预励磁电路，因为当回路由牵引工况转为制动工况时，原先剩磁方向必须改变，为此必须对电机预先他激励磁，以便使电机建立起发电机工况的初始电压。图3-2直流制列车的再生制示意图再生制动电路工作时，斩波器导通，制动电流流过各个电机电枢、励磁线圈、平波电抗器（1L3）和制动电阻，使电机建立起电枢电势，从而使平波电抗器也建立起感应电势；当斩波器关闭，电路通过二极管（V5）续流，电枢电势与平波电抗器上的感应电势（此时感应电势的方向改变）叠加，向电网馈电。如果这时网上有负载（如本列车的辅助电源）或其他列车在附件，则可以作为负载吸收电能，再生制动成功；如果电网不吸收电能，网压太高，则再生制动失败，由制动电阻吸收电能，转为电阻制动。在最近的十几年，由于城市轨道交通车辆乘坐舒适性的提高，列车客室空调消耗的能量已大大增加，乘客内乘客服务设施（如报站显示器、广告电视屏）的耗能也日渐增多，使得列车辅助电源用量大为增加。因此，再生制动的能量被本车辅助电源消耗吸收的比例已占到80%左右，而反馈到电网上可供其他列车使用的能量已经很少了。这样一来，再生制动的节能效果非常明显，而由制动电阻消耗的能量也相对减少了。

实施再生制动必须满足以下两个条件：（1）再生（反馈）电压必须大于电网电压；（2）再生电能可由本列车的辅助电源吸收，也可以由同一电网的其他列车吸收，这一条件不能由再生制动车辆自己创造，而取决于外界运行条件。再生制动电路建立后，电机接通负载就会有制动电流，然后制动电流产生制动力使列车减速。但列车减速会使电机电枢转速下降，引起电机的电枢电势下降，从而使制动电流和制动力下降。制动电流的下降还会使平波电抗器的感应电势减小，达不到再生制动的第一个条件。为了保证恒定的制动力矩和足够的反馈电压，在上述的直流制动列车制动时，直流斩波器按列车控制单元及制动控制单元的指令，不断调节斩波器导通比，无级、均匀地控制制动电流，使制动力和再生制动电压持续保持恒定。当车速较高时，制动电流较大，再生制动电路需串入较大的电阻，并且将斩波器导通角控制得较小，以控制制动电流不能太大；当车速太低时，制动电流较小，再生制动电路会在调节过程中逐级切断电阻，并将斩波器全导通，以提高制动电流并维持反馈电压。在列车进行再生制动时，再生制动产生的电能有时并不能完全反馈给电网，这时也需要将部分电能消耗在电阻器上，以保持制动恒定。2.直-交电路的再生制动时的工作原理和电流控制交流制列车进行再生制动时，主电路连接方式不需改变，因为异步电机的旋转磁场如果落后于转子速度，即转差小于0，三相异步电动机工况就改变为三相交流发电机工况。在列车运行过程中，如果外力（如下坡）使车轮（也就是电机转子）加速，或人为控制定子频率降低，使转子频率高于定子频率，即可改变其牵引状态而处于制动状态。制动时（见图3-3，右侧电动机为三相交流牵引电动机），牵引逆变器控制旋转磁场，定子中的感应电流经流二极管（VD1～VD6）的整流向电容（Cd）及直流电源侧反馈。这样，牵引逆变器原来的输入端变为输出端，列车的电能转换成了电能。直流端输出的电能可以被本列车的辅助电源吸收或被相邻的列车牵引使用，这就是全部的再生制动。图3-3交流制列车的直-交逆变电路

但是如果反馈的电能不能被吸收，储存在三相逆变器中间环节电容（Cd）上的电能会造成直流电压（Ud）急剧升高，该电压称为泵升电压，有可能瞬时击穿逆变器元件。因此，必须在电容边并联一个斩波调阻电路（R7和VT7），当直流侧电压高于1800V时，斩波器（VT7）开通，将再生制动电流消耗在电阻器（R7）上，这就变成电阻制动了。斩波器配合牵引逆变器，根据电机制动特性限制和调节制动电流，使电机保持恒转差率和恒转矩控制模式。这时电流制动转为部分电阻制动或全部电阻制动。列车由运动状态逐渐减速直至停止的控制大致经历三个模式，即恒转差模式（恒电压、恒转差频率）、恒转矩1（恒转矩1、恒电压）模式和恒转矩2（恒转矩2、恒磁通）模式。（1）恒转差率控制模式在高速时开始制动，此时三相逆变器电压保持恒定最大值，转差频率保持恒定最大值。随着列车速度的下降，减小逆变频率。电机电流与逆变频率成反比增加，制动力与逆变频率的平方成反比增加。当电机电流增大到与恒转矩相符合的值时，将进入恒转矩控制。但当电机电流增大到逆变器的最大允许值时，则从电机电流增大到该最大值的时刻起保持电机电流恒定，在一个小区段内用控制转差频率的方法进行恒流控制。在这种情况下，制动力将随逆变频率成反比增加。（2）恒转矩1模式逆变器电压保持恒定最大值，控制转差频率与逆变频率的平方成反比，随着速度的下降，减小逆变频率，则转差频率变小至最小值。电机电流与逆变器频率成正比减小，制动力保持恒定。（3）恒转矩2模式转差频率保持恒定最小值，此时电机电流亦保持恒定。随着车辆速度的下降，减小逆变频率。同时采用PWM控制减小电机电压，即保持V/ƒｉ恒定，则磁通恒定，制动力恒定。一般制动工况下，列车由高速减至50㎞/h期间，大约处于恒电压、恒转差频率区；由50㎞/h减速至完全停车期间，理论上大约处于恒转矩控制区。但实际上，在10㎞/h以下的某个点，再生制动力会迅速下降，所以当列车减速至10㎞/h以下后，为保持恒制动力需要逐步补充摩擦制动。列车在下较长距离和较大距离的坡道时，如果重力作用使列车加速运行，这种加速会使动车上的感应电机转子转速超过旋转磁场转速。列车会自动进入制动工况，制止转速的进一步增加。（三）其他城市轨道交通车辆再生制动电制动是车辆在常用制动下的而优先选择，仅带驱动系统的动车具有电制动。电制动分再生制动和电阻制动两种形式，优先使用再生制动。电制动具有独立的滑行保护和载荷校正功能。为此，每节动车装备有一个三相调频调压逆变器（VVVF）、一个牵引控制单元（DCU）、一个制动电阻、四个自冷式三相交流电动机M1、M2、M3、M4（每轴一个，互相并联）。当发生常用制动时，电动机M变成发电机状态运行，将车辆的动能变成电能，经VVVF逆变器整流形成直流电反馈于接触网，供列车所在接触网供电区段上的其他车辆牵引和本车的其他系统（如辅助系统等）用，此过程称为再生制动。再生制动的结构示意图，如图3-4所示。再生制动取决于第三轨（或接触网）的接收能力，亦取决于网压高低和负载利用能力。图3-4再生制动的结构示意图1.系统构成电阻制动系统在结构上的显著特点是主回路中有一个制动电阻，其主回路如图3-5（新干线100系动车组）。2.工作原理司机制动控制手柄或列车自动控制系统ATC发出制动指令后，制动控制装置首先对列车运行速度进行判断。当速度大于5km/h时，制动主回路构成（PB转换器转为制动位置），然后制动接触器动作（B11闭合、P11打开、P13打开），随后依次是励磁削弱接触器打开、预励磁接触器投入，最后，断路器投入（L1闭合）。此时，电枢绕组、励磁绕组和主电阻器构成电阻制动主回路，并使电流向增加原牵引剩磁的方向流动，再由主电阻器将电枢转动发出的电能变为热能消散掉。三、电阻制动（一）新干线100系动车组电阻制动的构成和工作原理图3-5电阻制动的原理

（二）我国城市轨道交通车辆电阻制动1.直流制列车电阻制动的原理再生制动失败，列车主电路会自动切断反馈电路转入电阻制动电路。这是由列车运行电能转换成的电能将全部消耗在列车上的电阻器中，转变为热能散发到大气中去。因此，电阻制动又称为能耗制动。图3-7所示为一个直流斩波控制电阻制动电路。斩波控制器（GTO）按制动控制指令不断改变导通角，调节制动电压和电流的大小。电路中的电阻（R7～R9）也根据制动电流调节需要，按照车速的逐步减低而逐级短接，最后全部切除。图3-7直流制列车的直流斩波控制电阻制动电路

但是直流斩波控制电阻制动电路也有多种，不完全相同。北京地铁DK型列车的主电路采用的是直流斩波器调阻和串接直流电动机方式，其动力（电气）制动是纯电阻制动。它的动力制动调节方法与上海直流制列车的直流斩波控制电阻制动电路不同：斩波器通过控制导通角改变制动电路中某个制动电阻的电阻值，以此调节制动电流，使列车保持制动力恒定。这种制动电路的缺点是不能进行再生制动。2.交流制列车电阻制动的原理交流制列车电阻制动的原理与直流制列车基本相同，只是控制设备不仅有直流斩波器，还有三相逆变器；不仅要调节制动电流、电压，还要调节频率。如图3-8所示，城轨车辆每节动车装备有一个三相调频调压逆变器（VVVF）、一个牵引控制单元（DCU）、一个制动电阻、四个自冷式三相交流电动机M1、M2、M3、M4（每轴一个，互相并联）。如果制动列车所在的接触网供电区段内无其他列车吸收电制动能量，VVVF则将能量反馈在线路电容上，使电容电压XUD迅速上升，当XUD达到最大设定值1800V时，DCU启动能耗斩波器模块A14的门极关断晶闸管GTO:V1，GTO打开制动电阻RB，制动电阻RB与电容并联，将发电机上制动能量转变成热能消耗掉，此过程称为电阻制动（亦称能耗制动）。电阻制动能单独满足常用制动的要求。电阻制动的结构示意图。图3-8电阻制动结构示意图电阻制动是承担电动机电流中不能再生的那部分制动电流。再生制动电流加电阻制动电流等于制动控制要求的总电流，此电流受电动机电压的限制。再生制动与电阻制动之间的转换由DCU控制，能保证它们连续交替使用，转换平滑。制动电阻安装在车体底架上的牵引逆变箱外。制动电阻是由不会被磁化的镍铬合金制成的。制动电阻由一个1500W三相风机强迫风冷。制动电阻内有一个惠斯通电桥监测装置提供超温报警。监测装置的输出信号传送给牵引控制单元DCU。电制动具有独立的滑行保护功能。由于四台电动机是并联连接的，因此当DCU检测出任意一根轴发生滑行时，DCU只能对四台电动机进行同步控制，同时降低或切除四台电动机的电制动力。电制动是将列车运动的电能转变为电能后，在变成热能消耗掉或反馈回电网的制动方式。因为电气制动具有摩擦部件少（仅有轴承）、维修工作量少、可以反复使用等许多优点，所以担负着车辆制动减速时的大部分能量。但也有由于增加控制装置和制动电阻等设备使重量增加和如果条件不具备就不能产生制动作用（电气制动失效的）缺点。为提高可靠性，动车组或城轨车辆应该具有在由于某种原因使电制动系统不能工作时，能够切换到摩擦制动系统的控制功能。【实践与训练】学习工作单工作单动力制动任务掌握动力制动系统的基本原理和基本要求；掌握新干线700系动车组和我国城市轨道交通车辆再生制动的构成和工作原理；掌握新干线100系动车组和我国城市轨道交通车辆电阻制动的构成和工作原理。班级姓名学习小组工作时间【知识认知】1.分析动力制动的基本原理、基本要求和优点；

2.分析新干线700系动车组和我国城市轨道交通车辆再生制动的构成和工作原理；

3.分析新干线100系动车组和我国城市轨道交通车辆电阻制动的构成和工作原理。任务学习其他说明或建议：指导老师评语任务完成人签字：日期：年月日指导老师签字：日期：年月日课题2电磁制动【知识要点】1.掌握磁轨制动的特点、构成和工作原理；

2.掌握各种电磁涡流制动的特点、构成和工作原理。【课题任务】1.搜集各种磁轨制动原理图，分析磁轨制动的构成和工作原理；

2.搜集各种电磁涡流制动原理图，分析各种电磁涡流制动的构成和工作原理。

一、磁轨制动二、电磁涡流制动【相关理论知识】一、磁轨制动磁轨制动又称为轨道电磁制动（见图3-9），是一种很传统的制动方式。这种制动方式是在转向架前后两轮对之间的侧梁下装置升降风缸，风缸顶端装有一个电磁铁靴。电磁铁靴包括电磁铁和磨耗板。电磁铁靴悬挂安装在距轨面适当高度处，制动时电磁铁靴落下，并接通励磁电源使之产生电磁吸力，电磁铁靴吸附在钢轨上，并通过磨耗板与轨道摩擦产生制动作用。这种制动不受轮轨间黏着系数的限制，能在保证旅客舒适性的条件下有效地缩短制动距离。但磨耗板与轨道摩擦会产生很大的热量，对钢轨的磨损也很大。这种装置在有轨电车和轻轨上使用较多，因为其制动距离短，而且简单可靠。由于磁轨制动能获得较大的制动力并且与轮轨间黏着系数无关，所以在高速动车上通常装有磁轨制动，但仅在紧急制动时使用。。【相关理论知识】图3-9轨道电磁制动器1-电磁铁；2-升降风缸；3-钢轨；4-转向架构架侧梁；5-磨耗板。二、电磁涡流制动磁轨制动的优点是制动力大、不受轮轨间黏着系数的限制，但是与钢轨的磨耗很大，这也是它的主要缺点。为了发挥它的优点，避免它的缺点，人们又创造出了电涡流制动。电磁涡流制动是利用电磁涡流在磁场下产生洛伦兹力，而洛伦兹力方向与物体运动方向相反的物理原理创造的一种电车电磁制动方式。电磁涡流制动具有无摩擦、无噪声、体积小、制动力大的优点。目前，车辆利用电磁涡流制动的方式主要有盘形涡流制动和轨道直线涡流制动。（一）盘形涡流制动盘形涡流制动利用安装在车轴上的圆盘切割磁力线产生涡流和洛伦兹力，根据产生磁场的机理可分为电磁涡流盘形制动和永磁涡流盘形制动。在新干线100系、300系及700系的拖车上使用了盘形涡流制动。盘形涡流制动是将涡流制动线圈安装在制动盘的两侧，当线圈通以电流时在转动盘上就可以得到作用于轮对的制动转矩并在轮轨接触点产生对列车的制动力。使用直流电动机的100系车辆，涡流制动线圈与主回路设备的电枢绕组、励磁绕组及主电阻器串联，这样在控制主电阻器阻值的同时也控制了涡流制动线圈的电流。对于300系及700系车辆，通过涡流制动控制装置控制其电流，使其与制动要求相适应。使用Arago圆盘产生与转动方向相反制动力的作用原理如图3-10所示。设图中的感应盘向右转动，如果磁极S和磁极N靠近感应盘，根据右手法则可知在感应盘上有涡流产生，对产生的涡流再应用左手法则，可知会产生向左转动的制动力。如果把涡流制动盘当作感应盘，车轴当做轴，连接在主回路的涡流制动线圈当作磁极，那麽在车轴上安装的涡流制动盘就会产生制动作用。图3-10圆盘涡流制动原理图日本新干线的高速电动车组采用的电磁涡流盘形制动原理也可用图3-11说明。该图中IF为励磁电流，使电磁铁心在制动工况下产生所需要的磁场；n为轮对旋转速度；TB为制动力。电磁涡流盘形制动安装于电动车组的拖车上，利用相邻车辆牵引电机的主电路电源作为励磁电源。图3-11电磁涡流盘形制动原理永磁涡流盘形制动利用永久磁铁代替电磁铁线圈产生电磁场，制动圆盘在磁场中产生涡流阻止磁场增加，产生制动转矩。日本铁道综合研究所试验的永磁涡流盘形制动原理如图3-12所示。永磁涡流盘形制动装置的则对圆盘安装于转轴上，定子为永磁圆盘。永磁圆盘分为内圈圆盘和外圈圆盘，配置有内、外两圈磁轭。两圈磁轭内均交错放置N极和S极的永久磁铁。车辆正常运行时，外圈和内圈的永久磁铁极性味异性排列在一起，磁通在极片和磁轭内构成闭合磁路、不穿越制动圆盘，因而不产生制动转矩。车辆制动时，内、外圈的