動車組再生制動的研究

安春雷 張鵬

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點，因此在全國范圍內甚至世界許多國家中得到了普遍的使用和推廣。

再生制動與傳統的空氣制動相比具有不可比擬的優越性，是目前所使用的制動方式中唯一可以向電網回饋能量的一種制動方式，它較傳統的空氣制動而言，相關部件磨損程度較小，且在制動的同時還能節約能源，在資源日益匱乏的今天有著重大的意義。

關鍵詞：再生制動;動車組;交流牽引傳動系統

一、制動系統概述

（一）制動系統對動車組的意義

制動系統動車組即為了達成動車組調速或者停車，而采取某種合適的方式將動車的動能轉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設施成為制動裝置。動車組如果要實現提高速度的目標，除了牽引功率要足夠大之外，還必須要有足夠大的制動力。

（二）高速動車組復合制動系統

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合型制動系統需要被裝配到高速動車組上。該系統主要由動力制動和空氣制動系統、制動控制系統、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合，其中起關鍵作用的是電制動，電制動由電阻制動與再生制動兩種方式構成，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合起來可以確保為各種各樣復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各個部件的損耗，再生制動在此基礎上，還能夠做到把制動能量返回到電網，憑借其獨特的優越性，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生時，使用空氣制動為快速使列車停止提供充足的制動力。

二、高速動車組再生制動工作原理分析

近些年來，由于電子電力技術與電機調速技術取得了顯著的進步，人們開始意識到再生制動技術的應用在電力機車領域的關鍵作用。再生制動可以把牽引電動機轉化為發電機，在工作時因為制動產生的大量動能通過該原理轉化為電能，而且經由回流軌最后回饋到電網。

再生制動有著以下優勢：第一、達到了動車的制動;第二、通過把工作中產生的動能轉變為電能流向電網達到節約能源的作用;第三、對零部件的損耗較小，節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分成直流牽引系統和交流牽引系統兩種。其中直流牽引系統首先產生于十九世紀，隨后交流牽引系統誕生。在二十世紀，這兩種牽引系統均得到了很大的發展，開始廣泛投入使用。在這個過程中，直流牽引系統占領了更大的市場，因為其較之交流牽引系統調速功能更佳，當時性能較高的傳動系統基本使用直流電動機。這一情況從二十世紀后半紀開始發生轉變，在這一時期，電力電子技術與現代控制理論發展迅猛，勢頭強勁，使得交流牽引系統的調速能力大大提升，不僅如此，交流牽引系統還憑借安裝簡便、維修便捷、成本低、效率高等長處，逐漸取代直流牽引系統，成為新的發展方向。

圖1-1為動車組交流傳動系統能量流動圖。由圖可知，牽引工況時，受電弓由接觸網開始受電，以主斷路器為媒介，聯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電機狀態，電流朝相反方向流動，整流器與逆變器發生轉變，交流電先經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。

通過電機學的相關知識我們知道三相電流通過定子三相電阻，產生旋轉磁場，旋轉磁場的轉速用字母n表示，被叫做同步轉速。因為高速動車組使用的是異步牽引電動機，相對運動在轉子和旋轉磁場之間產生時，要想產生電磁轉矩，需要轉子繞組切割磁感線，這樣先產生感應電動勢與感應電流。因此同步轉速總是大于轉子轉速n，轉差率s指的是同步轉速n0與轉子轉速n的差與同步轉速n0之即：

在對異步電動機的工作情況進行研究時，轉差率時一項重要數據。堵轉指的是電動機即將開啟，剛開始連接電源，還沒有開始轉動的一種狀態，這種狀態下n=0， s=1;當理想空載時一種在現實操作中不可能實現的電動機的轉子轉速與同步轉速等同的情況，這種狀態下n=n0，s=0。由上述描述可知，異步電動機工作在電動狀態時，0<n<n0， 0<s<1，此時電機輸出正轉矩，能量從脈沖整流器流向逆變器、電機側。

假設把轉子轉速調節為大于同步轉速的情況下，異步電動機轉換為發電機狀態，較之電動機狀態，改變了轉子和旋轉磁場的相對運動的方向，轉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<n，s<0 。因為使用的是四象限脈沖整流器，異步電機電流先經過逆變器整流，再經過中間直流，最后經過四象限脈沖整流器逆變成交流電流回牽引網。

三、交流牽引傳動系統

現在交流異步牽引電機在世界范圍內大量應用于高速動車組上，只有使用三相異步電機，才能夠更高地服務于高速鐵路。在我國，三相交流異步電機也有著廣泛的應用。調速系統性能高低對交流異步牽引電機的性能起著至關重要的作用，所以交流異步牽引電機必須搭配合適的調速系統使用。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速系統。現在使用最廣泛的調速系統是交直交變壓變頻調速系統，主要由整流環節、中間直流環節和逆變環節三個環節組成。

四、再生制動的能量分析

當地鐵機車運用再生制動方式，直流供電網將有相關制動能量予以返回，相應的，假設其制動能量沒有能夠及時耗盡，都會促使直流電網的相應電壓很快提升，會造成用電設備的損壞，其后果極其嚴重。鑒于以上，出于電網的安全考慮，電阻制動裝置需要配套設立，同時將消耗掉再生制動能量，從而保持電網工作的穩定性，防止災害事故的產生。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。在設備投資上、日常維護上，地面裝置相對要更加合理。

五、 小結

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PWM整流器、中間直流環節、逆變器，異步電動機以及地面電阻制動裝置在內的五個重要組成部分。

參考文獻：

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