城市轨道交通车辆电制动技术

项目4　城市轨道交通车辆电制动技术

【项目描述】

“快速、安全、舒适”是城轨车辆追求的目标。“快速”要求列车具有很大的牵引力，同时也给制动系统更高的要求，“安全”要求列车制动系统具有很大的制动力及稳定性，“舒适”要求列车在起步及制动时，冲击小，无不适感觉。这些要求都对城轨车辆的制动系统提出了很高要求，如何提高列车的制动能力，保证城轨制动系统的稳定性以及如何提高列车在制动时的冲击是城轨车辆制动系统需要解决的一个非常重要的问题。

目前，城市轨道交通车辆的制动按照能量的转移方式主要包括两种，即摩擦制动和电制动，摩擦制动主要包括闸瓦踏面制动、盘形制动、磁轨制动（多用于速度大于200km/h的列车上）等，电制动主要包括再生制动、电阻制动、电磁涡流制动（多用于速度大于200km/h的列车上）等。

【学习目标】

1.了解目前城市轨道车辆电气制动的种类。

2.理解电气制动的优越性。

3.了解各种电气制动的工作原理及特点。

【技能目标】

1.能够通过对电制动的理解，解释现场一些现象。

2.能够对一些电制动的简单故障进行处理及分析。

任务1　电气制动的必要性和基本原理分析与理解

【活动场景】

在城市轨道交通车辆制动机检修车间进行，可实际分析城轨车辆空气制动闸瓦与制动电阻的效果，可让学员通过实例分析与比较，从多个方面分析电制动的优越性，理解电制动的概念。

【任务要求】

1.了解电气制动的定义及必要性。

2.掌握电气制动的制动方式及基本组成。

【知识准备】

从能量的角度的观点出发进行研究，城轨车辆制动的本质就是将城轨列车在运动过程中获得的动能转移为其他形式的能量转移或消散出去，从物理学可知道列车的动能与速度的平方成正比；城轨列车系统转移动能的能力称为制动功率。在一定的制动距离的条件下，列车的制动功率与速度成三次方函数，而现代城市轨道交通交通车辆的速度普遍很高，这样大的制动功率如果仅采用空气制动的方式，同时空气制动因受制动材料摩擦性能对黏着利用的局限性、制动热容量和机械制动部件磨耗寿命的限制远远不能满足城市轨道交通交通车辆制动的需求，因此现代的城市轨道交通交通车辆采用电制动与空气制动联合作用的方式，且以电制动为主。电气制动技术在城市轨道交通交通车辆上一般有再生制动和电阻制动两种形式，而在习惯上我们也将再生制动与电阻制动统称为动力制动。

1.动力制动的必要性

通过前面项目的学习，我们知道制动就是将城轨列车的动能转化为其他形式的能量，实现列车停车或减速。目前城轨车辆的制动方式按照施加的形式主要有空气制动、电气制动（主要包括电阻制动和再生制动）。空气制动是通过在制动缸内充入压缩空气来控制闸瓦与轮对的摩擦力的大小，同时将列车的动能转化为热能散发到周围环境。电气制动是将电动机变为发电机，将列车动能转化为电能，然后通过制动电阻以热能的形式散发到周围环境或反馈回电网供其他列车使用。

空气制动主要包括闸瓦踏面制动和盘型制动。这两种形式的制动都是闸瓦与轮对踏面或制动盘之间产生摩擦从而使闸瓦、轮对（制动盘）的温度上升，通过闸瓦、轮对（制动盘）、钢轨之间进行热传递，将产生的热能散发到大气，从而实现列车制动。这样在长时间或施加大的制动力时，轮对（制动盘）、闸瓦温度上升值很大，但热量的散发又很慢，从而使轮对（制动盘）、闸瓦的温度急剧上升，严重可熔化闸瓦或烧灼踏面。因此空气制动在高速、重载的车辆上已经受到了一定的限制。同时，闸瓦与踏面摩擦会产生很大的粉尘以及热量，从而对隧道相对密闭环境造成很大的污染，给乘客及隧道设备造成严重影响。

为了减少机械摩擦，弥补机械摩擦诸多缺点，电气制动就逐渐地以各种各样的形式诞生了。电气制动是一种无污染的制动方式，它可以避免闸瓦制动的诸多不足。车辆载客越多、速度越高，电气制动越能发挥自身的作用，同时电气制动不会产生额外的粉尘，对周围环境不会产生污染。由此可见空气制动已远远不能满足目前城轨车辆发展的需求，在追求速度和效率、环保的年代，电气制动已经成为必然。因此，城轨车辆的制动系统都是以动力制动为主，空气制动为辅，当然空气制动也有不可代替的重要作用，当列车速度比较低时或发生停电等紧急情况时，电制动力急剧下降或失去效力时，空气制动仍然有非常重要的作用。

2.动力制动系统的基本原理

所谓的动力制动（或电气制动），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，将列车的动力转换为电能，电能再通过不同的方式转换为有用的能量或热能消耗掉的制动方式。

如图4.1所示是西安地铁1号线列车的编组情况，即=Tc※Mp※M※T※Mp※Tc=，其中Tc为有司机室的拖车，Mp为动车，M为动车，T为拖车；由图可知西安地铁1号线列车，由3动3拖6辆组成一个列车单元，图中M和Mp车为动车，占整个列车组的1/2，城轨列车的司机在操纵列车制动时，在列车速度很高时就主要依靠这些动车来完成列车的制动作用，这时动车的电动机就转换成发电机，然后通过列车的电器转换装置，将电能进一步转换成能反馈的制式，或通过电阻变成热能消耗。电阻制动和再生制动是目前电气制动广泛应用的两种电气制动方式，电阻制动和再生制动的基本原理都是利用电机的可逆性，将牵引电机变为发电机，把列车的动能转换为电能来实现制动的。

图4.1　西安地铁1号线采用3动3拖6辆编组

从能量的角度来看，电阻制动是能耗制动，即将列车的动能转换成电能后予以消耗，而再生制动是一种能量的循环。无论是电阻制动还是再生制动，在制动时都需要给电机定子绕组供电，因此电阻制动和再生制动都需要提供能源。

3.电气制动的基本要求及特点

一个安全可靠的电气制动系统，应该具有下面基本要求：

①应具有电气稳定性，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。

②每节动车应产生同等的减速度，保证列车制动时的稳定性和平稳性。

③在电气制动与空气制动之间，以及电阻制动和再生制动之间过渡时，应平滑，对车辆不产生明显冲击。

④在电气制动与空气制动之间，以及电阻制动和再生制动之间过渡时应保证总的制动力基本不变。

⑤电气制动应具有自己独立的防滑系统。在电制动出现滑行时可以检测，并可以尽快调整让其恢复黏着。

4.电气制动的基本特点

通过上面分析，电气制动与常规的机械制动（摩擦制动）有其明显的特点，主要表现在如下几个方面：

①相对于机械制动而言，电气制动提高了列车的安全性。列车在高速运行时，机械制动产生的热量使闸瓦与轮对温度上升，而闸瓦与轮对之间的摩擦系数随温度的上升而下降，机械制动效率下降，制动力不稳定。电气制动效果明显，系统稳定性及摩擦系数与使用制动时间和施加制动力的大小无关。

②电气制动没有闸瓦与轮对的摩擦，不会产生多余的粉尘，对周围环境不会产生污染。

③电气制动没有闸瓦与轮对踏面的磨耗，与机械制动配合使用，缩短了机械制动的作用时间，提高机械制动效率。

④可以提高列车的速度。由于列车速度越大，越有利于电制动的发挥。列车在高速进行制动时，首先施加电制动，当速度比较低时，电制动力急剧变小，此时施加机械制动让列车停车。

⑤电气制动可以实现自动控制，在采用闭环控制后，大大提高了制动力的稳定性。

⑥电阻制动与再生制动仍然是通过轮轨关系传递，所以两者仍然属于黏着制动。

【任务实施】

如果条件允许，让学员现场了解闸瓦每月的磨耗情况、每日列车再生制动反馈电能情况，使学员从量上对电气制动的必要性有更深入的认识。

【知识链接】

在目前城市轨道交通车辆上一般都是以电制动优先，空气制动进行补充的形式，电磁制动很少使用，但它作为一种新型的制动方式，在此只作简单介绍。

电磁制动是一种比较新的制动方式，它是利用电磁作用产生一个阻碍列车运行的制动力，因此电磁制动需要消耗相当的能量。电磁制动主要有两种方式：磁轨制动方式、轨道涡流制动方式。电磁制动具有制动力大的特点，但其主要缺陷在于需要增加能耗。尽管需要能耗，电磁制动仍然广泛的运用，因为其制动力不受黏着限制的特点是其他形式的制动无法做到的。

1.磁轨制动

磁轨制动又称摩擦式轨道电磁制动，它是利用安装在转向架上的制动电磁铁励磁后吸附在钢轨上，电磁铁的极靴压在钢轨表面上滑行产生摩擦力，即制动力。磁轨制动的制动力取决于电磁铁的吸附力，即电磁铁对钢轨的正压力；电磁铁的吸附力越大，产生的摩擦力就越大。电磁铁的吸附力取决于励磁电流的大小，因此需要的制动力越大，励磁电流就越大，能量消耗就越大，如图4.2所示。

图4.2　磁轨制动

1—电磁铁；2—磨耗板；3—钢轨；4—励磁线圈；5—工作磁链；6—漏磁链；7—升降风缸；8—复位弹簧

磁轨制动的优点是：制动力不受黏着的限制。不足之处是：钢轨摩擦太大，滑动摩擦力小。所以磁轨制动一般只作为紧急制动时的一种辅助制动方式。

2.轨道涡流制动

轨道涡流制动又称线性涡流制动或涡流式轨道制动，它也是把电磁铁悬挂在转向架构架下的两个轮对之间，制动时电磁铁与钢轨不接触有2～7mm的距离，原理如图4.3所示，电磁感应体是轨道，电磁涡流制动时利用电磁涡流在磁场下产生涡流磁力，而涡流磁力方向和物体运动方向相反。

图4.3　轨道涡流制动原理示意图

在制动状态时，给电磁铁励磁，由于电磁铁的N极和S极相对于钢轨是运动的，在钢轨内产生交变的磁场，使钢轨上部产生涡流，涡流与电磁铁相互作用力Fm可以分解为一个垂直于钢轨面的吸引力和一个与车辆运行方向相反的电磁涡流制动力FB。

在轨道涡流制动方式下的电磁涡流制动力的大小与列车运行的速度有关，速度越高，制动力越大，因此在低速时，电磁涡流制动力很小，不具备制动停车的能力。轨道涡流制动的制动力还与电磁铁的磁场密度密切相关，因此需要很大的励磁电流才能产生较大的电磁制动力，能耗很大，同时要注意轨道涡流制动是非黏着制动，它不受轮轨之间黏着的限制，所以轨道涡流制动可以在高速列车上获得广泛地应用。

【效果评价】

评价表

任务2　电阻制动和再生制动的认知

【活动场景】

左图为西安地铁2号线车辆制动电阻实物图。在每个动车下悬挂一组制动电阻，当列车施行制动时，当再生能力不足时，电动车组开始投入此电阻制动，通过电阻将电能转化为热能，从而实现了制动。

【任务要求】

1.掌握电阻制动与再生制动的转换条件。

2.掌握电阻制动、再生制动的工作原理。

【知识准备】

按照牵引传动系统的不同，电制动可分为直流传动电制动和交流传动电制动。直流牵引系统的直流牵引电动机在电气制动工况时牵引电机作为发电机运行，这时牵引电机产生的扭矩和牵引工况相反，转速方向和牵引方向相同，因此这时就将发电机产生的转矩称为制动扭矩，产生的制动力可以使电动车组迅速减速。

交流异步电机的电制动原理可以表述如下：电磁转矩可以用定子磁链和转子磁链交叉表示，在牵引工况时，定子磁链带动转子磁链旋转，定子磁链在空间位置上超前于转子磁链，电机输出正转矩；在制动工况时，转子旋转频率超过定子频率，转子电流与牵引状态下方向相反，使得气隙磁场密度恒定，定子电流需要反方向以减少气隙磁场，定子电流流向直流环节，在空间位置上滞后于转子电流，电机输出负转矩。

由于直流电机的调速性能优于交流电机，随着电力电子及微控制技术的快速发展，交流电机的调速性能达到和直流电机一样平滑调速的性能，同时由于交流电机在运动时不需要像直流电机一样用换向器进行换向，采用交流传动就不怕在速度很高时产生环火，使电机产生故障，同时，在同等容量的情况下，交流电机的体积远远小于直流电机，从而使交流电机在车下的安装变得容易。

因为交流电机具有如此多的优点，交流电机因此逐渐成为城市轨道交通车辆传动的主流，直流电机将有被交流电机取代的趋势，下面重点对交流传动的电制动进行分析。

1.再生制动

当列车在制动时，电动机变为发电机产生三相交流电，然后输入给牵引逆变器，此时的逆变器就变为整流器，将三相交流电整流成直流电反馈回电网。再生制动时电流流向具体如图4.4所示。

2.电阻制动

电阻制动按照安装位置不同，有两种形式，即制动电阻安装在列车上（悬挂在构架上）和制动电阻安装地面上（变电所）。

（1）电阻安装在地面上

当列车在再生制动时，随着电能的反馈，当其他列车不能及时将反馈电能利用，此时网压会不断抬高，当网压值超过允许值时，系统开始控制制动斩波相，将接触网上多余的电能通过地面制动电阻以热能的形式散发到大气，当网压降低到规定值时，制动斩波相关闭。具体制动电阻时的电流流向如图4.5所示。

图4.5　制动电阻安装在地面上电阻制动时的电流流向

（2）制动电阻安装在车辆上

当列车在再生制动时，随着电能的反馈，当其他列车不能及时将反馈电能利用，此时网压会不断抬高，当超过允许值时，此时系统开始控制制动斩波相，将列车再生的能量不再反馈到电网，而是将再生的能量通过车上安装的制动电阻，将电能转换为电阻的热能散发到大气中。具体制动电阻时的电流流向如图4.6所示。

3.电阻制动与再生制动得到转换

图4.7为西安地铁2号线电制动时电阻制动与再生制动转换的示意图，当在制动时，列车优先使用再生制动，当随着网压的抬高，电压传感器检测到网压值大于1720V后，此时系统开始逐渐投入电阻制动，这时再生制动与电阻制动同时参与，随着再生电能的反馈，当检测到网压值大于1800V时，此时再生的能量不能反馈到电网，全部通过制动电阻以热能的形式散发到周围环境。

【任务实施】

①借助多媒体，给学员展示在进行制动时，空气制动、再生制动、电阻制动的投入顺序，以及在电阻制动、再生制动时电流的流向。

②如果条件允许，现场让学员对制动电阻的组成及基本参数有一直观的了解。

图4.7　电阻制动与再生制动的投入时机

【效果评价】

评价表

项目小结

城市轨道交通车辆制动系统以电制动为主，空气制动进行补充的形式，从而最大程度地使用电制动，减小闸瓦的磨耗，同时，目前城市轨道交通车辆的电制动包括两种形式，即再生制动、电阻制动。

再生制动属于能量的再利用，将列车的动能转化为电能反馈回电网供其他列车使用，而电阻制动属于能耗制动，将列车动能转换为热能消耗到周围环境，所以在制动时，优先使用再生制动，当随着网压的抬高不能再反馈时，此时开始投入电阻制动进行制动，直至检测到网压值满足要求，再生制动再次投入。

电磁制动是一种新型的制动形式，主要包括磁轨制动和轨道涡流制动，其中磁轨制动属于摩擦制动，它的大小主要取决于励磁电流的大小，但由于在磁轨制动时，钢轨摩擦太大，从而一般仅在紧急情况下使用此制动。轨道涡流制动属于非摩擦制动，它是利用电磁涡流在磁场下产生洛伦磁力，从而进行制动，它的大小主要取决于列车的速度，速度越大，制动力就越大，所以此制动一般在高速列车上使用。

思考与练习

1.简述国内地铁车辆电气制动都有哪几种？各自在什么情况下投入使用。

2.图示说明再生制动时电流的流向。

3.叙述再生制动属于黏着制动还是非黏着制动？为什么？

4.目前国内地铁制动电阻按照其安装位置都有哪些？并举例说明各形式都在哪些城市地铁车辆上使用。

5.试述电气制动与传统的空气制动相比都有哪些特点？

6.由于电气制动与空气制动相比具有诸多优点，空气制动有完全由电气制动取代的趋势，这种说法对吗？进行说明。

7.简单说明磁轨制动与轨道涡流制动的区别。