CN100411904C - 地铁机车电气软制动的方法 - Google Patents

Abstract

一种地铁机车电气软制动方法，当机车牵引控制器发出制动指令时，电力电子驱动装置中断输出，直流牵引电机立即由电动机工况转变为发电机工况，大容量平稳电压电容器两端的电压迅速得到提升；当电压升至1500V的瞬间，列车进入再生制动阶段，软制动控制器控制再生制动软开关实现软开通，进而通过大功率馈电二极管向1500V直流电网馈电；随着拖动机械运动速度的下降，电机转速随之降低，当发出的电压低于1500V时，列车进入能耗制动阶段，软制动控制器控制能耗制动软开关发实现软开通，将电机电压通过由能耗制动软开关与大功率能耗电阻器构成的能耗负载回路进行放电。本发明避免了电压应力与电流应力的集中，避免了故障隐患与器件崩溃性事故的发生。

Description

地铁机车电气软制动的方法

技术领域

本发明涉及电力电子与电力传动技术领域，具体是一种地铁机车电气软制动的方法。

背景技术

地铁列车已经日益成为城市中一种便捷和经济的交通工具，当前我国一些重要城市建成与即将建成的地铁已经具有一定的数量和规模。随着地铁建设规模的不断扩大，地铁运营中的机车车辆型号、种类、数量也随之增多(有进口的，也有国产的)。由于我国的地铁建设起步较晚，运营经验不足，在选购国外机型或自行设计与生产的地铁机车中或多或少地存在着机车技术本身存在的先天不足(即，先天技术缺陷)，随着运营经验的积累，已经十分清晰意识到，这些先天技术缺陷是地铁机车安全运行的隐患，必须在可能的情况下，采取种种新的技术手段予以逐一解决。

其中，地铁机车电气制动技术就存在着技术缺陷。当前在我国地铁线上运行的地铁机车的电气制动过程由两个制动阶段构成：再生制动与能耗制动，但是，无论机车处在再生制动阶段，还是处在能耗制动阶段，其中的线路连接方式均是通过开关器件采用极为简单的通/断控制，因此使得再生制动回路中的高压大功率二极管和/或能耗制动回路中的大功率能耗电阻与电机受到极大的电压应力和电流应力的冲击，这些大功率关键部件因此要受到难以避免的重大损伤，长此以往，会因为部/器件的崩溃而酿成机车运行的重大事故。

经对现有技术文献的检索发现，文献“重载列车制动技术的发展与进步”(孙福祥《铁道机车车辆》2004年第24卷第6期)对近几十年来机车制动技术的发展状况做了极为详尽的综合论述，虽然也提及电力机车的制动技术，但是，所综述的全部制动技术仅限于各种机车的机械制动技术方面，始终未涉及到电力机车中的电气制动技术。又发现，文献“SS3B型机车制动电阻柜烧损故障分析与技术改进”(袁伟、臧俊、石文生《铁道机车车辆》2005年第5卷第3期)针对电力机车中电气制动中制动电阻柜烧损故障进行分析并提出技术改进的意见。该技术仅仅局限于电阻柜本身所选用的器件材料质量、安装连接工艺、冷却风机的控制以及冷却风道的设计等的改进，虽然，这些技术改进以增加制造成本为代价，确实能对降低故障率与延长电阻柜的使用寿命方面起到一定的作用，但是，现有技术尚未从电气制动故障的根本原理上着眼，无法从根本上铲除形成电气制动故障的隐患。

发明内容

本发明针对现有同类技术的空缺，提出一种地铁机车电气软制动的方法。使其在制动过程所产生的非线性制动转矩避免了电压应力与电流应力的集中，避免了故障隐患的发生与器件崩溃性事故的出现。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的方法具体如下：

当机车牵引控制器发出制动指令时，电力电子驱动装置中断输出，直流牵引电机立即由电动机工况转变为发电机工况，此时大容量平稳电压电容器两端的电压迅速得到提升；

当电压升至1500V的瞬间，列车进入再生制动阶段，软制动控制器向再生制动软开关发出导通控制信号，实现再生制动软开关的软开通，进而通过大功率馈电二极管向1500V直流电网馈电，随着拖动机械运动速度的下降，直流牵引电机的转速也随着降低，当电机的发电机工况所发出的电压低于1500V时，再生制动中止；

列车进入能耗制动阶段，软制动控制器通过另一指令通道向能耗制动软开关发出导通控制信号，实现能耗制动软开关的软开通，将电机的发电机工况所发出的电压通过由能耗制动软开关与大功率能耗电阻器构成的能耗负载回路进行放电。

所述的再生制动中电机向电网馈电，所述的能耗制动中电机通过能耗负载回路放电，均使得电机获得一个与机械转矩相反的制动转矩；

采用了软制动技术方法，因此避免了以往技术所采用的简单通/断开关状态控制而造成的电压应力与电流应力对大功率馈电二极管、大功率能耗电阻器及电机转/定子的冲击，进而避免了故障隐患的发生与器件崩溃性事故的出现。

所述的制动指令，当机车牵引控制器发出制动指令B_k后，软制动控制器实

时检测大容量平稳电压电容器两端的电压V_c与直流电网的实际电压V_net；当V_c≥V_net时，软制动控制器向再生制动软开关发出控制信号V_ge1，

V_ge1＝k₁τ+V_go1，

其中：k₁为上升斜率、τ为控制时间、V_go1为再生制动软开关控制极起始电压，运用软开通的方法控制再生制动软开关的导通，可以避免了电流应力对大功率馈电二极管的冲击。

所述的再生制动，当再生制动软开关的导通呈现恒流特性时，即

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{ce}1}=I_{\mathrm{ce}1}^{(t+1)}-I_{\mathrm{ce}1}^{\left(t\right)}\≤\mathrm{\ϵ}$

其中：I_ce1 ^(t)、I_ce1 ^(t+1)分别表示前后相邻时刻的导通电流，ε为事先设定的允许正误差，

再生制动软开关控制极中止升压，并取 $V_{\mathrm{ge}1}=V_{\mathrm{ge}1}^{*},$ V_ge1 ^*为再生制动软开关的导通呈现恒流特性时的开关控制极最大电压。

所述的电压V_c，当V_c＜V_net时，软制动控制器向能耗制动软开关发出控制信号V_ge2(V_ge2＝k₂τ+V_go2，k₂为上升斜率、τ为控制时间、V_go2为能耗制动软开关控制极起始电压)；此时，随着电机转速的下降，能耗制动软开关的导通电流I_ce2会在几个毫秒中上升到最大值后开始逐渐下降；当 $V_{\mathrm{ge}2}=V_{\mathrm{ge}1}^{*}$ 时，V_ge2中止提升；与此同时，V_ge1从V_ge1 ^*变换到零，软制动控制器中断再生制动指令输出通道；当I_ce2→0时，将V_ge2也从V_ge1 ^*变换到零，软制动控制器中断能耗制动指令输出通道。

本发明经过再生制动与能耗制动的控制规律执行，使得电机获得一个与机械转矩相反的非线性制动转矩。因为在制动过程采用了软开关及其软制动技术，使得电机在制动过程所产生的非线性制动转矩避免了电压应力与电流应力的集中，形成了良好制动效果的同时，又确保了大功率馈电二极管、大功率能耗电阻器及电机转/定子处于理想的非线性工作状态，因此避免了故障隐患的发生与器件崩溃性事故的出现。

具体实施方式

结合本发明的技术方案提供以下的实施例：

实施例：上海地铁一号线DC-01直流电动机车的软制动技术

实施条件：

(1)构建本发明的硬件系统；

(2)取k₁＝k₂＝0.7(V/ms)、τ以ms为单位、V_go1＝V_go2＝3(V)、ε＝1(A)。

所述本发明的硬件系统，包括：直流牵引电机、拖动机械、机车牵引控制器、电力电子驱动装置、软制动控制器、再生制动软开关、大功率馈电二极管、大容量平稳电压电容器、能耗制动软开关、大功率能耗电阻器、1500V直流电网。当机车牵引控制器发出制动指令，电力电子驱动装置中断输出，直流牵引电机由电动机工况转变为发电机工况，此时大容量平稳电压电容器两端的电压迅速得到提升；当电压升至1500V的瞬间，列车进入再生制动阶段，软制动控制器向再生制动软开关发出导通控制信号，实现再生制动软开关的软开通，进而通过大功率馈电二极管向1500V直流电网馈电；随着拖动机械运动速度的下降，直流牵引电机的转速也随着降低，当电机的发电机工况所发出的电压低于1500V时，再生制动中止，列车进入能耗制动阶段，软制动控制器通过另一指令通道向能耗制动软开关发出导通控制信号，实现能耗制动软开关的软开通，将电机的发电机工况所发出的电压通过由能耗制动软开关与大功率能耗电阻器构成的能耗负载回路进行放电。

具体软制动过程如下：

(1)机车牵引控制器发出制动指令B_k，电力电子驱动装置中断输出，直流牵引电机立即由电动机工况转变为发电机工况；

(2)软制动控制器实时检测大容量平稳电压电容器两端的电压V_c与直流电网的实际电压V_net，并进行两者的比较，当获得V_c≥V_net＝1500(V)时，软制动控制器向再生制动软开关发出控制信号V_ge1；

(3)V_ge1从3V开始线性提升，此间，I_ce1 ^(t)迅速呈对数函数规律增加；

(4)当τ＝10ms时， ${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{ce}1}=I_{\mathrm{ce}1}^{(t+1)}-I_{\mathrm{ce}1}^{\left(t\right)}\≤\mathrm{\ϵ}=1\left(A\right),$ V_ge1中止提升，并获知

$V_{\mathrm{ge}1}=V_{\mathrm{ge}1}^{*}=10\left(V\right);$

(5)10s后，测得V_c＜V_net，软制动控制器向能耗制动软开关发出控制信号V_ge2；

(6)经过10ms的短暂时刻，能耗制动软开关的导通电流I_ce2上升到最大值后立即逐渐下降，此时维持 $V_{\mathrm{ge}2}=V_{\mathrm{ge}1}^{*}=10\left(V\right);$ 与此同时，V_ge1从V_ge1 ^*变换到零(软制动控制器中断再生制动指令输出通道)；

(7)当I_ce2→0时，V_ge2也从V_ge1 ^*变换到零(软制动控制器中断能耗制动指令输出通道)，电气制动过程结束。

具体实施结果：

电机在制动过程所产生的非线性制动转矩显示了良好的制动效果，列车制动平稳，未捕捉到任何机械间隙冲撞信息。

Claims (4)

1. 一种地铁机车电气软制动的方法，其特征在于，具体如下：

当机车牵引控制器发出制动指令时，电力电子驱动装置中断输出，直流牵引电机立即由电动机工况转变为发电机工况，此时大容量平稳电压电容器两端的电压迅速得到提升；

当电压升至1500V的瞬间，列车进入再生制动阶段，软制动控制器向再生制动软开关发出导通控制信号，实现再生制动软开关的软开通，进而通过大功率馈电二极管向1500V直流电网馈电，随着拖动机械运动速度的下降，直流牵引电机的转速也随着降低，当电机的发电机工况所发出的电压低于1500V时，再生制动中止；

列车进入能耗制动阶段，软制动控制器通过另一指令通道向能耗制动软开关发出导通控制信号，实现能耗制动软开关的软开通，将电机的发电机工况所发出的电压通过由能耗制动软开关与大功率能耗电阻器构成的能耗负载回路进行放电。

2. 根据权利要求1所述的地铁机车电气软制动的方法，其特征是，所述的制动指令，当机车牵引控制器发出制动指令B_k后，软制动控制器实时检测大容量平稳电压电容器两端的电压V_c与直流电网的实际电压V_net；当V_c≥V_net时，软制动控制器向再生制动软开关发出控制信号V_ge1，

V_ge1＝k₁τ+V_go1，

其中：k₁为上升斜率、τ为控制时间、V_go1为再生制动软开关控制极起始电压。

3. 根据权利要求2所述的地铁机车电气软制动的方法，其特征是，所述的再生制动，当再生制动软开关的导通呈现恒流特性时，即 ${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{ce}1}\text{=}{I}_{\mathrm{ce}1}^{(t+1)}-I_{\mathrm{ce}1}^{\left(t\right)}\≤\mathrm{\ϵ},$

其中：K_ce1 ^(t)、I_ce1 ^(t+1)分别表示前后相邻时刻的导通电流，ε为事先设定的允许正误差，

再生制动软开关控制极中止升压，并取 $V_{\mathrm{ge}1}=V_{\mathrm{ge}1}^{*},V_{\mathrm{ge}1}^{*}$ 为再生制动软开关的导通呈现恒流特性时的开关控制极最大电压。

4. 根据权利要求3所述的地铁机车电气软制动的方法，其特征是，所述的大容量平稳电压电容器两端的电压V_c，当V_c＜V_net时，软制动控制器向能耗制动软开关发出控制信号V_ge2，

V_ge2＝k₂τ+V_go2，

其中：k₂为上升斜率、τ为控制时间、V_go2为能耗制动软开关控制极起始电压；此时，随着电机转速的下降，能耗制动软开关的导通电流I_ce2会在几个毫秒中上升到最大值后开始逐渐下降；当 $V_{\mathrm{ge}2}=V_{\mathrm{ge}1}^{*}$ 时，V_ge2中止提升；与此同时，V_ge1从V_ge1 ^*变换到零，软制动控制器中断再生制动指令输出通道；当I_ce2→0时，将V_ge2也从V_ge1 ^*变换到零，软制动控制器中断能耗制动指令输出通道。