動車組再生制動的研究

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1、 摘要 帶動力的動車和不帶動力的動車通過固定編組共同組成了動車組，動車組具有舒適安全等優(yōu)點，因此在全國范圍內(nèi)甚至世界許多國家中得到了普遍的使用和推廣。 再生制動與傳統(tǒng)的空氣制動相比具有不可比擬的優(yōu)越性，是目前所使用的制動方式中唯一可以向電網(wǎng)回饋能量的一種制動方式，它較傳統(tǒng)的空氣制動而言， 相關(guān)部件磨損程度較小，且在制動的同時還能節(jié)約能源,在資源日益匱乏的今天有著重大的意義。 在再生制動的過程中，是將原本為電動機的異步牽引電機，變?yōu)榱税l(fā)電機，產(chǎn)生反向電流和反向轉(zhuǎn)矩，從而達到制動的目的。而因再生制動產(chǎn)生的三相交流電經(jīng)過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^牽

2、引變壓器反饋回電網(wǎng)。本文主要介紹了制動方式的分類，復(fù)合制動系統(tǒng)以及再生制動的工作原理，并深入研究了交流牽引傳動系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：再生制動；動車組；交流牽引傳動系統(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 國外現(xiàn)狀分析 5 1.1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀分析 7 1.2 本文主要研究內(nèi)容 8 第二章 制動系統(tǒng)概述 9 2.1 制動系

7、統(tǒng)對動車組的意義 9 2.2 制動方式的分類 9 2.2.1 按動能轉(zhuǎn)移方式分類 9 2.2.2 按制動力的形成方式 11 2.2.3 按制動力的操縱控制方式 12 2.3 高速動車組復(fù)合制動系統(tǒng) 12 2.3.1 高速動車組復(fù)合制動系統(tǒng)組成和特點 12 2.3.2 高速動車組復(fù)合制動系統(tǒng)制動能量分配 13 2.4 本章小結(jié) 14 第3章 高速動車組再生制動理論分析 15 3.1 高速動車組再生制動工作原理 15 3.2 交流牽引傳動系統(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 交流異步電動機 2

8、3 3.3 再生制動的能量分析 23 3.3.1 地面電阻制動 24 3.4本章小結(jié) 25 第一章 緒論 1.1 研究背景 動車組一種固定編組列車，它由帶動力的動車和不帶動力的拖車兩部分組成，兼具了動車的安全、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家內(nèi)占領(lǐng)了一席之地。 電氣化鐵道牽引負荷，是能源消耗的大號用戶，在當今這個能源緊缺的社會，鐵路運輸產(chǎn)生的巨大能源消耗成為亟待解決的一個問題，如何在保提高鐵路運輸?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之一。 再生制動是實現(xiàn)節(jié)能減排的措施之一。動車制動時，牽引電機變?yōu)榘l(fā)電機，產(chǎn)生

9、反向電流，形成反向力矩，以達到制動的目的。在這個過程中，制動產(chǎn)生的巨大動能通過牽引電機變來的發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能，并通過回流軌最終反饋到電網(wǎng)中，這就是再生制動。 動車組再運行過程中，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，需要很大的制動力，而再生制動不僅能夠提供這個制動力，實現(xiàn)安全停車，而且還能將因制動產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電能，并通過調(diào)壓整流等方式將電流反饋回了電網(wǎng)，實現(xiàn)了能源的再利用。 再生制動是唯一一種能向電網(wǎng)反饋電能從而達到節(jié)能減排目的的制動方式，它不僅實現(xiàn)了動車的制動，還實現(xiàn)了能源的減耗，是未來發(fā)展的必然趨勢。 1.1.1 國外現(xiàn)狀分析 20世紀六十年代，日本東海道新干線的建

10、成標志著世界上第一條高速鐵路的誕生，自此之后，鐵路行業(yè)便開始以突飛猛進地速度得到迅速發(fā)展，從而促進了高速動車組的運用和推廣。高速動車組目前主要有三大技術(shù)體系，分別是德國ICE、法國TGV和日本新干線，還有一些國家根據(jù)自己的國情以及實際情況，也形成了獨具特色的鐵路干線，高速動車組已經(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。 日本高速動車組0系新干線的設(shè)計與東海道新干線籌建幾乎同步實施，是世界各國開通運營高速動車組的先驅(qū)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展已經(jīng)鐵路運行規(guī)模的擴大，打造更加舒適的乘車空間，提高動車組的速度，增強動車組的安全保證，減少地理環(huán)境等條件的限制性，日本高速動車組的技術(shù)人員及研

11、發(fā)團隊還相繼開發(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和再生制動。 法國的鐵路運輸在世界范圍內(nèi)也是數(shù)一數(shù)二的，鐵路運輸?shù)臍v史悠久，早自20世紀70年代起，法國就已經(jīng)開始了對交直傳動系統(tǒng)的TGV-PSE高速動車組的研究，并在1981年正式開通運行，這批高鐵動車組是法國第一代高鐵動車組。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，法國轉(zhuǎn)而開始研制交直交傳系統(tǒng)的高鐵動車組，并成功研發(fā)出來多種型號的交直交高速動車組，如TGV-A、TGV-TMST、TGV-R、TGV-2N、TGV-PBKA、

12、西班牙AVE、TGV-K等型號，這其中屬于法國第二代TGV高速動車組的有TGV-A、TGV-TMST、TGV-R，TGV-2N的動車結(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車組進行設(shè)計，是TGV系列的最新車型，也是公認的法國第三代TGV高鐵動車組。法國鐵路部門從未停止前進的步伐，最近幾年來，相關(guān)部門抓住最新的研究方向——動力分散型高速動車組，與阿爾斯等公司共同研制的AGV高速動車組投入運營。不同型號的高速動車組制動方式也各不相同，TGV-2N的制動方式采用電阻制動和盤行制動,TGV-PSE、TGV-A的制動方式采用閘瓦制動和電阻制動,TGV-TMST(歐洲之

13、星)采用再生制動、電阻制動和閘瓦制動,AGV則采用再生制動和電阻制動的制動方式。 德國的鐵路行業(yè)發(fā)展較其他國家開始地較早，二十世紀六十年代德國的高速客運車的運行速度就已經(jīng)達到了160km/h，七十年代研制的ET型電動車租速度更是高達200km/h，到了八十年代，德國鐵路部門更是斥巨資，打造ICE型城際高速列車，此后又過了三年，在上述已有的研究水平上，研制成功了兩個動車三個拖車的ICE/V新型高速動車組，試行速度高達4O6.9km/h，是當時世界上速度最快的高鐵動車組。進入九十年代后，德國的高鐵動車組在以往的研究基礎(chǔ)上更加精進，并制訂了關(guān)于ICE1型高速動車組的研究計劃，這項計劃在九十年代初期

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

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

16、研制成功并成功運行，其最初的目的是為了滿足昆明園藝博覽會的需求，因此其性質(zhì)為商業(yè)運營。其后，在此基礎(chǔ)上，我國又陸續(xù)車成功研制了“先鋒”號、“中原之星”、“長白山”等動力分散性高動組，以及DDJ1型“大白鱉”號和DJJ1型“藍箭”號動車組。 顯然，追求技術(shù)的步伐從來不會停止，近年來，為了滿足我國鐵路部門關(guān)于第六次大提速的政策要求，我國開始向國外學習先進的技術(shù)，先后研制了和諧號1號、2號和5號高速動車組，均采用的是動力分散型，其后，我國又成功研制除了速度高達3O0km/h的CRH3型高速動車組，并在2008年正式投入使用。三種高速動車組的制動方式均以再生制動為主，輔助制動方式各不相同。 通過比

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

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

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

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

21、磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用形成的電磁力作為制動力。它是將動車組的動能轉(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：與輪軌黏著狀態(tài)無關(guān)，制動時也不會產(chǎn)生摩擦損耗，制動力的大小還可以根據(jù)實際需要對電磁鐵的勵磁進行無級調(diào)節(jié)。渦輪制動的缺點：電磁鐵與鋼軌間的氣隙間隔要盡可能保持穩(wěn)定，這對制造與檢修水平要求較高。其次，軌道渦流制動消耗勵磁電能比較大，并且感應(yīng)出的渦流磁場會對通信信號產(chǎn)生干擾。 圖2—5 電磁渦流制動器 2.2.2 按制動力的形成方式 按照制動力的形成過程可將制動力劃分為為黏著制動和非黏著制動兩種。非黏著制動顧名思義，是不需要經(jīng)由

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

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

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

25、兩種方式構(gòu)成，這里面再生制動的適用范圍更加廣泛，且重要搭配防滑器一起使用。將電制動與空氣制動有機的結(jié)合起來可以確保為各種各樣復(fù)雜的情況下運行的動車提供可靠的制動力。防滑器的使用可以很好地縮短制動距離，其主要原理是借助車輪與軌道之間的黏著力。 電制動較之空氣制動，能夠有效地減輕對制動系統(tǒng)各個部件的損耗，再生制動在此基礎(chǔ)上，還能夠做到把制動能量返回到電網(wǎng)，憑借其獨特的優(yōu)越性，再生制動一般會是首要選擇。空氣制動大多被當做電制動的備選，一般在動車調(diào)整速度、以較慢的速度行駛或者是電制動突然失靈的意外狀況發(fā)生時，使用空氣制動為快速使列車停止提供充足的制動力。 2.4 本章小結(jié) 本章節(jié)首先對高速動

26、車復(fù)合制動系統(tǒng)的意義進行概述，然后分別對高速動車組制動方式進行描述，最后部分分析研究了高速動車組復(fù)合制動系統(tǒng)是由哪些部分組成的及每一部分的特點，還介紹了其能量分配方式。 第3章 高速動車組再生制動理論分析 3.1 高速動車組再生制動工作原理 近些年來，由于電子電力技術(shù)與電機調(diào)速技術(shù)取得了顯著的進步，人們開始意識到再生制動技術(shù)的應(yīng)用在電力機車領(lǐng)域的關(guān)鍵作用。再生制動可以把牽引電動機轉(zhuǎn)化為發(fā)電機，在工作時因為制動產(chǎn)生的大量動能通過該原理轉(zhuǎn)化為電能，而且經(jīng)由回流軌最后回饋到電網(wǎng)。 再生制動有著以下優(yōu)勢：第一、達到了動車的制動；第二、通過把工作中產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)

27、變?yōu)殡娔芰飨螂娋W(wǎng)達到節(jié)約能源的作用；第三、對零部件的損耗較小，節(jié)省了維護的時間和費用。 牽引電機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，隨后交流牽引系統(tǒng)誕生。在二十世紀，這兩種牽引系統(tǒng)均得到了很大的發(fā)展，開始廣泛投入使用。在這個過程中，直流牽引系統(tǒng)占領(lǐng)了更大的市場，因為其較之交流牽引系統(tǒng)調(diào)速功能更佳，當時性能較高的傳動系統(tǒng)基本使用直流電動機。這一情況從二十世紀后半紀開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，在這一時期，電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制理論發(fā)展迅猛，勢頭強勁，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)還憑借安裝簡便、維修便捷、成本低、效率高等長處

28、，逐漸取代直流牽引系統(tǒng)，成為新的發(fā)展方向。 圖1-1為動車組交流傳動系統(tǒng)能量流動圖。由圖可知，牽引工況時，受電弓由接觸網(wǎng)開始受電，以主斷路器為媒介，聯(lián)通到機車主變壓器上，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機輸送三相交流電；再生制動工況與牽引工況的作用過程相反，在這里牽引電機是發(fā)電機狀態(tài)，電流朝相反方向流動，整流器與逆變器發(fā)生轉(zhuǎn)變，交流電先經(jīng)由兩電平逆變器進行整流，在通過中間直流，最后通過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 逆變器 直流環(huán)節(jié) 脈沖整流器 圖3-1 交流傳動系統(tǒng)能量流動圖 通過電機學的相關(guān)知識我們知道三相電流通過定子三相電阻，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速用字母n表示，被叫做同步轉(zhuǎn)速。因為高速動車組使用的是異步牽引電動機，相對運動在轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間產(chǎn)生時，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)電動勢與感應(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 在對異步電動機的工作情況進行研究時，轉(zhuǎn)差率時一項重要數(shù)據(jù)。堵轉(zhuǎn)指的是電動機即將開啟，剛開始連接電源，還沒有開始轉(zhuǎn)

30、動的一種狀態(tài)，這種狀態(tài)下n=0， s=1；當理想空載時一種在現(xiàn)實操作中不可能實現(xiàn)的電動機的轉(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，異步電動機工作在電動狀態(tài)時，0<n<n0， 0<s<1，此時電機輸出正轉(zhuǎn)矩，能量從脈沖整流器流向逆變器、電機側(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，異步電動機轉(zhuǎn)換為發(fā)電機狀態(tài)，較之電動機狀態(tài)，改變了轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場的相對運動的方向，轉(zhuǎn)子電流朝相反的方向流動，定子電流也朝相反的方向流動，這種情況下n0<n，s<0 。因為使用的是四象限脈沖整流器，異步電機電流先經(jīng)過逆變器整流，再經(jīng)過中間直流，

31、最后經(jīng)過四象限脈沖整流器逆變成交流電流回牽引網(wǎng)。 3.2 交流牽引傳動系統(tǒng) 現(xiàn)在交流異步牽引電機在世界范圍內(nèi)大量應(yīng)用于高速動車組上，只有使用三相異步電機，才能夠更高地服務(wù)于高速鐵路。在我國，三相交流異步電機也有著廣泛的應(yīng)用。 調(diào)速系統(tǒng)性能高低對交流異步牽引電機的性能起著至關(guān)重要的作用，所以交流異步牽引電機必須搭配合適的調(diào)速系統(tǒng)使用。是不是可以做到再生制動很大程度上也取決于交流異步牽引電機使用了什么調(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)三個環(huán)節(jié)組成。 3.2.1 PWM整流器 在整個電力牽引的交流傳動系統(tǒng)中，PWM整流器以在高

32、速行駛的動車組 中充當網(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)，對于穩(wěn)定中間環(huán)節(jié)---直流時的電壓也能發(fā)揮重要功效。在當代的電力電子的領(lǐng)域中，PWM整流器憑借著其可以降低對附近場地環(huán)境所造成的的電磁干擾的特點與優(yōu)勢，成為了一個主要的新興熱點，其作用原理是當處于幾乎沒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，做到雙向流動的能量的一個功率因數(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的功能，因此使用電壓型的比較普遍。根據(jù)對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 從而得到簡化等效電路圖2-2 圖3-3 兩電平PWM整流器開關(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會有Ud,0,- Ud這三種不同電平的情況出現(xiàn)。開關(guān)組合為SASB，會

35、出現(xiàn)SASB=00、01、10、11這四種不同邏輯，則Uab為: Uab=SA-SBUd 按照圖中所示的四個開關(guān)可能出現(xiàn)的各異的狀態(tài)，可以得知，電路將會有有以下3種不同的工作模式: 當SASB=00或11時,對應(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 SASB=01，對應(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SASB=10，對應(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 在隨機的某一時刻時，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行運轉(zhuǎn),通過對開關(guān)進行控制，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，并同時完成能量的雙向流動。 綜上所述，得到PWM整流器的瞬時等效電路，如圖2-3所示 圖3-4 PWM整流器瞬時等效電路 通過基爾霍夫電壓定律(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工況，分別對上述公式進行分析。 在第一種情況下，可以通過脈沖整流器，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，向逆變器運輸,通過逆變器，向三相交流異步電機輸出可進行調(diào)控的三相交流電。 在第二種情況

37、下,會發(fā)生逆變器與整流器之間的相互轉(zhuǎn)變,通過三電平逆變器，交流電可以完成整流,通過中間直流環(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整流器中沒有電能的損耗以及儲能的過程,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,會出現(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

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)，將其與電抗器進行串接，來完成這一條件。該電路中以達到供電頻率的兩倍頻率流通著與直流側(cè)負載電流相同幅值的正弦型電流。加在儲能器兩端的純直流電壓并不會引起電流，通過其中的交流電流也不會在其兩側(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等完成這一功能，同時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)和交流異步電機的環(huán)節(jié)之間, 出現(xiàn)了可將兩環(huán)節(jié)銜接起來，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，而分為相異的拓撲結(jié)構(gòu)，包括兩電平式以及三電平式。本文以對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個橋臂,以及6個功率管(IGBT),其中每個功率管都具有兩種開關(guān)狀態(tài):0和1,需要滿足單獨橋臂上存在的兩個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。因此每個橋臂都有兩種開關(guān)狀態(tài)，相對應(yīng)的兩電平逆變器應(yīng)具有有8種的開關(guān)狀態(tài)，主電路會有與之相對應(yīng)的8種工作模式。可見圖表2-5 當工作模式為O時，開關(guān)管會出現(xiàn)如下狀況，即T2T4T6會導(dǎo)通

43、,而 T1T3T5會關(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相對應(yīng)。 第二種工作模式：開導(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相對應(yīng)。 第三種工作模式：開導(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相對應(yīng)。 第四種工作模式： 導(dǎo)通開關(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;電壓空間矢量相對應(yīng)為U1。 第五種工作模式：導(dǎo)通開關(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相對應(yīng)。 第六種工作模式： 導(dǎo)通開關(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相對應(yīng)。 第七種工作模式：導(dǎo)通開關(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相對應(yīng)。 圖3-6 逆變器8種開關(guān)模式 從三相

46、逆變電路來看，其開關(guān)組合共有8種方式，與之相對應(yīng)的是8種方式的電壓輸出模式。 3.2.4 交流異步電動機 當前，從高速動車組應(yīng)用來看，交流牽引傳動系統(tǒng)采用的普遍較多，而作為交流傳動系統(tǒng)中的重要關(guān)鍵的執(zhí)行之一，兼具了耦合性強、階次較高而又兼具非線性的多變系統(tǒng)組合，而相較于直流電動機而言，在靜態(tài)和動態(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)用技能來看，基于控制模式改進和技術(shù)改進方法的總體考慮，需要具有針對性的建立異步電動機相關(guān)的數(shù)學模型，特別是我們在交流異步電動機的實際教學中，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稱特性，基于正弦分步的磁通勢沿氣隙圓周。 三是異步電機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。 3.3 再生制動的能量分析 當?shù)罔F機車運用再生制動方式，直流供電網(wǎng)將有相關(guān)制動能量予以返回，相應(yīng)的，假設(shè)其制動能量沒有能夠及時耗盡，都會促使直流電網(wǎng)的相應(yīng)電壓很快提升，會造成用電設(shè)備的損壞，其后果極其嚴重。鑒于以上，出于電網(wǎng)的安全考慮，電阻制動裝置需要配套設(shè)立，同時將消耗掉再生制動能量，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。從電阻制動放置分類來看，其分類為車載和地面兩類電阻制動裝置。這兩種方式比較分析如下： 第1， 對于

48、車載電阻制動裝置而言，其機構(gòu)較為簡單、制動力相對穩(wěn)定，受電網(wǎng)電壓以及制動負載吸收的影響相對較少，成熟度較高。雖然如此，但是其制動電阻消耗再生電能的處理方式，尤其相對于地鐵線路，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)致隧道和站臺的溫度急速上升，相應(yīng)造成站內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)的負擔過重，對能量耗費嚴重，相應(yīng)的增加了運營的成本。 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。對于車載設(shè)備而言，運行環(huán)境上看，通常要比地面情況要復(fù)雜的多，對其自身的大小、可靠程度和重量要求都是十分的嚴苛。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、求相對較低。那么針對地面設(shè)備的安裝，通過對電阻制動產(chǎn)生的熱量抑制，進一步降低隧道和站臺的溫升。 而且，車載設(shè)備的使用上看，受制于本車運用，其效率不高，浪費嚴重。 綜上，可以看出，在設(shè)備投資上、日常維護上，地面裝置相對要更加合理。 3.3.1 地面電阻制動 在電網(wǎng)接收再生電能時，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，進而消耗掉直流電網(wǎng)上消除不了的再生制動形成的電能，以規(guī)避直流供電電壓上升的問題，確保直流電網(wǎng)和相應(yīng)設(shè)備的安全性。 目前，電阻制動技術(shù)已經(jīng)非常成熟，利用地面裝置來消耗

50、直流電網(wǎng)多余電能的方式比較簡單便捷，采用電氣開關(guān)是最為簡單便捷的方法，當直流供電網(wǎng)壓過高時，采用制動電阻，待恢復(fù)正常網(wǎng)壓時，再予以去除制動電阻，如下圖所示。 這種方式最大的好處就是比較簡便快捷，而究其不足，主要是電氣開關(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烈的沖擊，將會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成較大影響。 電子固態(tài)開關(guān)（通常由IGBT構(gòu)成）通常運用于高頻開關(guān)電阻制動裝置上，以導(dǎo)通和切斷時間比的改變，以實現(xiàn)等效電阻在大范圍內(nèi)的改變。 斬波器往往也被高頻開關(guān)電阻所采用，正是采用了電子開關(guān)，使其開關(guān)次數(shù)比電氣開關(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設(shè)備

51、的可靠程度，而從開關(guān)頻率來看，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)對制動電阻上的能量隨意調(diào)節(jié)?；谝陨?，能夠進一步達成電網(wǎng)對直流電阻制動的較高要求，并且能夠較為穩(wěn)定的調(diào)整制動電流，保障供電質(zhì)量。 制動電阻特別是在消耗再生能量時，大量熱能迅速產(chǎn)生，要保障設(shè)備運行的穩(wěn)定性，通風設(shè)備必須配備，以更好的解決電阻散熱的棘手問題。 圖3-7 地面電阻制動示意圖 由于電阻對地鐵車輛在制動時形成的脈沖式的再生能量有極強的消耗作用，所以在應(yīng)用電阻進行制動時，不用另外再予以配備儲能設(shè)備，這樣來看，電阻制動方式投入低、成效明顯。 此外，當前電阻制動方式已十分成熟穩(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) 本文從動車組牽引與再生制動原理入手，進一步分析了交-直-交傳動系統(tǒng)PWM整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器，異步電動機以及地面電阻制動裝置在內(nèi)的五個重要組成部分。 致謝 四年大學生活一晃而過，在這四年中，我收獲頗多，進步明顯，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、各位同學以及我的父母表示由衷的感謝。 論文從開題到最終定稿，無不傾注了舒銳老師的全部心血，老師治學嚴謹， 一絲不茍的作風和為人謙和,平易近人的態(tài)度一直是我學習

53、的榜樣，作為舒老師的學生，我感到非常榮幸。在此，謹向舒老師表達由衷的敬意和感激。 再次向一直關(guān)心我成長的各位伙伴，道聲感謝，謝謝你們陪伴我走過美好的四年時光。 最后，對辛苦審閱和論文答辯的老師們表示衷心的謝意！ 參考文獻 · [1]電力機車黏著控制研究[J]. 高翔,陸陽.  鐵道機車車輛. 2017(03) · [2]高速動車組電空制動系統(tǒng)的建模和參數(shù)分析[J]. 李萬新.  中國鐵道科學. 2017(02) · [3]新型動車組常用制動控制模式[J]. 陳磊,張冬冬,梁建全,王東星,李化明.

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