交流传动电力机车的电气制动

在交流传动电力机车中，异步牵引电机也需要应用机械制动和电气制动来降低列车的运行速度。现代高速动车组普遍采用电气制动将列车储存的大量动能转换为热能或者电能。

一、电气制动原理

异步牵引电机在低于同步转速下作电动机运行，将电网的电能转换为机械能，产生牵引力驱动列车前进，此时转差率s＞0，电磁转矩为动力转矩。在电气制动时，异步牵引电机转子转速超过同步转速，即转差率s ＜ 0。此时，异步牵引电机作发电机运行，将列车储存的动能转换为电能，输出制动电流的同时，在牵引电机轴上产生反转矩并作用于轮对，形成制动力使列车减速或以一定的速度运行。

电气制动也称动力制动，其制动力受轮轨之间黏着系数的限制，属于黏着制动。电气制动分为电阻制动和再生制动。

二、电阻制动

在电阻制动时，牵引电机将动能转换为交流电能，通过逆变器将交流电能转化为直流电能，该直流电能通过制动电阻以热能的形式消耗掉，其工作原理如图2.15所示。

图2.15　电阻制动的工作原理

此时牵引电机作发电机运行，逆变器工作在整流状态，其输入端为二极管整流桥的三相脉宽调制逆变器。由于直流电流无法通过二极管整流桥流回电网，它将给滤波电容 Cd充电，导致直流环节电压上升，制动电阻 Rd将并联在电容器两端，用于消耗多余的能量。电阻制动可以看成一个降压的直-直变流电路，采用斩波控制将直流电压限制在一定范围。制动电阻两端的电压为：

由于直流电压恒定，因此制动电阻吸收的最大功率为U2/Rd，此时 IGBT 处于全导通状态。通过调节 IGBT的占空比，可以使逆变器-电机的功率与消耗在制动电阻上的功率相匹配。这种制动方式仅用于小功率系统。

三、再生制动

交流传动机车的网侧变流器大多采用四象限脉冲整流器，能实现能量的双向流动，方便地进行牵引和再生制动的转换。另外交流传动机车采用三相异步电机，相同速度下发电机电势要高于直流电机，能量转换效率及经济性明显好于直流传动机车，因此交流传动机车的电气制动一般采用再生制动。

机车由牵引工况转换为制动工况，通过降低牵引电机定子的供电频率，转子的机械惯性将使转子转速维持在高于同步转速的状态，此时转差率变为负值，牵引电机进入发电机状态，其三相定子绕组切割旋转磁场产生三相交流电。

再生制动时，牵引变流器工作状态发生改变，逆变器仅由每个主逆变器元件并联的二极管组成桥式不可控整流电路，将牵引发电机交流电能整流成直流电能，输出直流电能给中间环节。然后由四象限脉冲变流器将中间直流环节储存的直流电能逆变为单相工频交流电能回馈给电网。再生制动模式下交流电力机车的传动特性如图2.16所示。

图2.16　再生制动模式下交流电力机车的传动特性

四、非黏着制动

随着列车运行速度的提高，轮轨间的制动黏着系数下降，制动距离加长，而制动能量近似与机车运行速度的平方成正比，尤其是当速度超过300km/h时，轮轨制动已经不能满足高速制动的需求。为了获得较高的减速度和较短的制动距离，列车可采用非黏着制动。非黏着制动是指不受轮轨之间黏着系数限制的电制动方式。非黏着制动主要有电磁轨道制动和电磁涡流制动两种。

1.电磁轨道制动

电磁轨道制动是将制动电磁铁吸附在钢轨上，由电磁铁的摩擦块与钢轨摩擦产生制动力，其原理如图2.17所示。

图2.17　电磁轨道制动

电磁铁的摩擦块安装在转向架构架上。制动时，由励磁控制器向电磁铁的励磁线圈励磁，同时提升筒充气，使制动电磁铁降至轨面。电磁铁和钢轨面相吸，产生摩擦制动力。制动力通过连杆装置传到转向架上。由于制动力不经过轮对，因此与黏着无关。缓解时，励磁控制器使电磁铁失电，同时提升筒放气，使制动电磁铁回到悬空位置。

电磁轨道制动的特点是功率消耗小，对轨道表面有清洁作用，有利于提高黏着系数。不足之处是由于制动作用以摩擦块为基础，因此磨损大，会引起钢轨的局部过热磨损，严重时会导致钢轨损伤，因此此种制动方式仅限于紧急制动或安全制动。

2.涡流轨道制动

涡流轨道制动是利用涡流效应来产生制动力。与电磁轨道制动不同的是，磁铁和钢轨不接触，始终保持 7～10 mm的距离，其原理如图2.18所示。列车制动时，利用磁场交变，在钢轨内产生感应涡流，从而产生涡流制动力。

图2.18　涡流轨道制动原理

涡流制动的特点是可以无磨损地进行紧急制动和常规制动，无需维修。其制动力可以调节控制，在高速范围内具有良好的制动特性。但是涡流制动所需制动功率较大，制动时会产生轨道局部高温现象，且对轨道电路有一定的干扰作用。

高速时列车的动能转移方式由多种形式复合而成，即复合制动。一般复合制动系统主要包括空气制动、电气制动和非黏着制动。其能量分配的原则是：

（1）在正常制动情况下，优先发挥电气制动的制动能力，不足部分再以空气制动作为补偿。

（2）失电情况下，以空气制动为主。

（3）在紧急制动情况下，除空气制动和电气制动外，还应该有非黏着制动起保证安全的作用。