CN103754119A - 一种交直电力机车制动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交直电力机车制动装置，包括制动能量转换模块和制动能量回馈模块，制动能量转换模块将制动时牵引电动机的动能转化为制动电能，制动能量回馈模块将制动能量转换模块输出的制动电能进行转换并回馈至机车的辅助装置或交流电网。本发明具有能够实现制动能量回馈、降低能耗、热污染小且无需更改机车电路结构的优点。

Description

一种交直电力机车制动装置

技术领域

本发明涉及交直电力机车技术领域，尤其涉及一种交直电力机车制动装置。

背景技术

电阻制动是铁路机车常用的一种制动方式，其基本原理是利用牵引电机运行的可逆性，一般可分为常规电阻制动方式和加馈电阻制动方式。在制动时，牵引电动机转变为发电机，利用列车的惯性由轮对带动电动机转子旋转而发电，从而产生反转力矩以消耗列车的动能，达到制动的目的，电机发出的电流则通过专门设置的制动电阻以热能的形式耗散。虽然电阻制动实现方法简单、作用效果可靠，但其制动能量无法回收再利用，且需要强力风冷设备为电阻提供散热，进一步增加了能耗。

以韶山SS4B型电力机车为代表的交直机车采用传统的交—直传动形式，使用串励式脉流牵引电动机，电制动方式为加馈电阻制动。机车的整流电路为大功率晶闸管与二极管组成的不等分三段半控整流桥，只能够实现电能由牵引网到机车的单向传输，因此在机车制动时产生的电能也只能够通过制动电阻转化成热能消散于大气中。

如图1所示，SS4B型电力机车在电阻制动工况时的主电路简化结构，包括交直电力机车主电路以及制动电阻31，交直电力机车主电路包括依次连接的整流电路11、平波电抗器12、直流电机13以及位置转换开关14，其中整流电路11与牵引绕组一侧a2-x2连接且整流电路11为由第一二极管D3、第二二极管D4以及第一晶闸管T5、第二晶闸管T6组成的不等分三段半控整流桥。机车运行在制动工况时，位置转换开关14置于“制动”位置，当机车速度高于33km/h时，处于纯电阻制动状态，制动电流的路径为：上母线→平波电抗器12→直流电机13电枢→位置转换开关14→制动电阻31→下母线→第二二极管D4→第一二极管D3→上母线，制动能量只能够通过制动电阻31转化成热能耗散掉。

机车制动力正比于电机电枢电流，而在电机主励磁最大恒定后，电枢电流（即制动电流）随着机车速度的减小而减小。因此，常规电阻制动在机车运行速度较低时，制动效率会大幅下降甚至失效，为克服这一状况，加馈电阻制动从电网中吸收电能，在低速制动时为电机转子补给一定电流并保持恒定，以获得理想的最大制动力恒定值。当机车速度低于33km/h时，机车处于加馈电阻制动状态，加馈电阻制动时的电流路径为：电源正半周时，电流从a2→第一二极管D3→上母线→平波电抗器12→直流电机13电枢→位置转换开关14→制动电阻31→下母线→第二晶闸管T6→x2→a2；电源负半周时，电流从x2→第一晶闸管T5→上母线→平波电抗器12→直流电机13电枢→位置转换开关14→制动电阻31→下母线→第二二极管D4→a2→x2。

对于交直机车在制动时产生的制动电能，可以回馈到电网中进行再利用，以节约资源同时减少热能的污染。再生制动就是在电阻制动基础上进一步发展起来的制动方式，将制动过程发出的电能反馈回电气化铁路供电网，使由电能变成的动能再生为电能，而不是转化为热能耗散掉。

如图2所示，具备制动能量回馈功能的SS7型交直电力机车主电路简化结构，采用第三晶闸管TG1、第四晶闸管TG2取代原有的第一二极管D3、第二二极管D4，由第三晶闸管TG1和第二晶闸管T6、第四晶闸管TG2和第一晶闸管T5分别构成两条电流通路，在制动时实现有源逆变，将制动能量反送至牵引变压器次边绕组。然而由于该方案采用晶闸管取代原有的二极管，使得其功率因数偏低、谐波较大且污染电网，此外还需供电系统进行适当的配套改造。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、能够实现制动能量的回馈、降低能耗、热污染小且无需更改机车电路结构的交直电力机车制动装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种交直电力机车制动装置，包括制动能量转换模块和制动能量回馈模块，所述制动能量转换模块将制动时牵引电动机的动能转化为制动电能，所述制动能量回馈模块将制动能量转换模块输出的制动电能进行转换并回馈至机车的辅助装置或交流电网。

作为本发明的进一步改进：所述制动能量回馈模块采用至少一个PWM变流器。

作为本发明的进一步改进：所述PWM变流器采用电流型PWM变流器。

作为本发明的进一步改进：还包括与制动能量回馈模块并联的制动能量消耗模块，所述制动能量消耗模块在制动能量回馈模块出现故障时消耗制动能量转换模块输出的制动电能。

作为本发明的进一步改进：所述制动能量消耗模块采用制动电阻。

    作为本发明的进一步改进：还包括与制动能量回馈模块连接的至少一个散热风机和至少一个控制器；所述散热风机对制动能量回馈模块进行散热，所述控制器控制制动能量回馈模块进行制动能量的转换。

作为本发明的进一步改进：所述制动能量回馈模块包括2个并联的PWM变流器，一个控制器和一个散热风机分别与2个PWM变流器连接。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明通过将制动能量进行回馈替代传统的电阻制动方式中制动能量的耗散，在制动工况时，将交直电力机车的动能转换成制动电能，并将制动电能回馈至机车辅助装置或交流电网，实现制动能量的回馈及再利用，一方面可以节约资源、减少能耗，且由于制动能量回馈模块的使用还可以减小散热装置的功率，进一步减少能耗；另一方面消除或减小了由制动电阻造成的热污染以及散热装置造成的噪声污染。

2）本发明采用PWM变流器实现制动能量的回馈，由一台变流器取代电阻制动交直机车中的一个制动电阻，实现方法简单，能够实现能量的双向传输，可控制交流侧电流为正弦波且其与电压的相位关系为可控，进而实现单位功率因数逆变，有效的优化电能质量；通过变流器间的错相控制还可以进一步降低谐波含量，减少对电网的污染。

3）本发明采用电流型PWM变流器实现制动能量的回馈，制动电流随机车速度的减小而减小时，经电流型PWM变流器回送的逆变电流也相应减小，因此能够在电流波动的全范围内实现电能回馈。

附图说明

图1是SS4B型电力机车在电阻制动工况时的主电路简化结构示意图。

图2是具备制动能量回馈功能的SS7型交直电力机车主电路简化结构示意图。

图3是本发明交直电力机车制动装置结构示意图。

图4是本发明实施例1中第一种具体结构示意图。

图5是本发明实施例1中第一种具体电路结构示意图。

图6是本发明实施例1中第二种具体结构示意图。

图7是本发明实施例1第二种具体结构中控制器的控制原理结构示意图。

图8是本发明实施例2中交直电力机车制动装置结构示意图。

图9是本发明实施例2中交直电力机车制动装置具体电路结构示意图。

图例说明：

1、制动能量转换模块；11、整流电路；12、平波电抗器；13、直流电机；131、第一直流电机；132、第二直流电机；14、位置转换开关；2、制动能量回馈模块；21、PWM变流器；211、电流型PWM变流器；3、制动能量消耗模块；31、制动电阻；4、散热风机；5、控制器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图3所示，本发明交直电力机车制动装置结构，包括制动能量转换模块1、制动能量回馈模块2，制动能量转换模块1将制动时牵引电动机的动能转化为制动电能，制动能量回馈模块2将制动能量转换模块1输出的制动电能进行转换并回馈至机车的辅助装置或交流电网。

本发明通过将制动能量进行回馈替代传统的电阻制动方式中制动能量的耗散，在制动工况时，将交直电力机车的动能转换成制动电能，并将制动电能回馈至机车辅助装置或交流电网，实现制动能量的回馈及再利用，一方面可以节约资源、减少能耗，另一方面消除了由制动电阻31造成的热污染。

本发明交直电力机车制动能量装置可以应用于多种交直电力机车中，以下以SS4B型交直电力机车为例进行说明。

实施例1：

如图4所示，本发明实施例1中第一种具体结构，包括由SS4B型交直电力机车主电路构成的制动能量转换模块1、制动能量回馈模块2。SS4B型交直电力机车主电路包括依次连接的整流电路11、平波电抗器12、直流电机13以及位置转换开关14，其中整流电路11的另一端连接牵引绕组a2-x2，且整流电路11为由第一二极管D3、第二二极管D4、第一晶闸管T5和第二晶闸管T6组成的不等分三段半控整流桥。制动能量回馈模块2采用一个PWM变流器21，PWM变流器21输入端的一端连接直流电机13的输出端，另一端连接下母线，PWM变流器21的交流侧输出端则连接至牵引绕组a2-x2。

工作时，由SS4B型交直电力机车主电路将制动时牵引电动机的动能转化为制动电能，PWM变流器21将主电路输出的制动电能转换为交流电并回馈至牵引绕组。

本实施例中，PWM变流器21的交流侧输出端还可以连接至机车辅助装置，将回馈的制动能量进行再利用。

本发明采用PWM变流器21实现制动能量的回馈，由一台变流器取代电阻制动方式中的一个制动电阻31，能够实现能量的双向传输，通过控制可以实现变流器交流侧电流为正弦波，同时可控制交流侧电流与电压的相位关系，进而实现单位功率因数逆变，有效的优化电能质量。

本实施例中，PWM变流器21采用电流型PWM变流器211，如图5所示，本发明实施例1中第一种具体电路结构，PWM变流器21采用单相电流型PWM变流器，电流型PWM变流器211输入端的一端连接直流电机13的输出端，另一端连接下母线，电流型PWM变流器211的交流侧则连接至牵引绕组a2-x2。电流型PWM变流器211包括依次连接的直流储能电感L_dc、开关电路、滤波电路以及断路器。单相电流型PWM变流器相较于单相电压型PWM变流器电路，在交流侧增加了滤波电容C，滤波电容C与网侧电感L一起组成滤波电路。开关电路由四个功率开关管V1~V4和四个二极管VD1~VD4组成，每个功率开关管顺向串联一个二极管，阻断反向电流同时提高功率开关管的耐反压能力。

本实施例中，电流型PWM变流器211的控制系统将状态信息传送到网络系统，以使司机室能够对其进行监视。当电流型PWM变流器211发生轻微故障时，封锁PWM脉冲，司机室可发复位指令将其复位；当发生重大故障时，如IGBT器件损坏等，电流型PWM变流器211断开断路器，退出工作。

机车运行在牵引工况时，位置转换开关14置于“牵引”位置，电流型PWM变流器211不投入运行；机车进入制动工况，位置转换开关14置于“制动”位置，同时由控制器5发出指令控制断路器吸合，启动电流型PWM变流器211，电流型PWM变流器211将生成的制动电能转换为交流电后回馈至牵引绕组，实现制动能量的回馈。

本发明采用电流型PWM变流器211实现制动能量的回馈，制动电流随机车速度的减小而减小时，经电流型PWM变流器211回送至牵引绕组的逆变电流也相应减小，因此能够在电流波动的全范围内实现电能回馈。

本实施例中，电流型PWM变流器211采用直流储能电感L_dc，在其他实施例中直流储能电感L_dc还可直接利用电路中既有的平波电抗器12实现。

本实施中，PWM变流器21直接与与牵引绕组连接，在其他实施例中还可以通过一个变压器与牵引绕组连接，PWM变流器21交流侧连接至变压器的原边，变压器的副边连接至牵引绕组，PWM变流器21与牵引绕组之间由变压器进行隔离。

如图6所示，本发明实施例1中第二种具体结构，包括由交直电力机车主电路构成的制动能量转换模块1和制动能量回馈模块2，还包括一个散热风机4和一个控制器5，其中制动能量转换模块1与实施例1中制动能量转换模块1的结构基本相同，不同在于包括两条由平波电抗器12、直流电机13、位置转换开关14组成的电流支路，且两条支路中直流电机13分别采用1M的第一直流电机131、2M的第二直流电机132。制动能量回馈模块2包括2个并联的PWM变流器21，每个PWM变流器21输入端的一端与一条电流支路的输出端连接，另一端连接下母线，2个PWM变流器21交流侧输出端分别连接至牵引绕组a1-x1侧、a2-x2侧。2个PWM变流器21分别与散热风机4、控制器5连接，由散热风机4对2个PWM变流器21进行散热，控制器5分别发送控制指令、PWM脉冲至2个PWM变流器21，通过PWM脉冲控制2个PWM变流器21对制动电能进行转换并回馈至牵引绕组，控制指令控制2个PWM变流器21的开断。本实施例中，由一个控制器5同时控制2个PWM变流器21，2个PWM变流器21采用一个散热风机4进行散热，相比于传统的电阻制动方式中，减少了散热风机4的使用，进一步减少了能耗。

如图7所示，本发明实施例1第二种具体结构中控制器的控制原理，控制器5输入由传感器采集的直流电机13输出的直流电流、PWM变流器21的交流侧电流、牵引绕组两端的电压，经过内部算法和逻辑控制程序，输出PWM脉冲及控制指令至PWM变流器21，PWM脉冲控制PWM变流器21将制动电能进行转换，同时由控制指令对PWM变流器21进行控制。

本实施例中，由控制器5根据外部状态及条件等确定是否将PWM变流器21投入运行，若确定投入运行且此时的PWM变流器21处于正常待机状态，发出合上断路器并启动PWM变流器21的控制指令；当发生轻微故障时，逻辑控制程序在进行判断后发出封锁PWM脉冲的控制指令；当发生IGBT器件损坏等重大故障时，发出封锁PWM脉冲的同时断开断路器的控制指令。

本实施例中采用一个控制器5控制2个PWM变流器21，在其他实施例中还可以采用一个控制器5控制三个或更多个PWM变流器21，也可根据PWM变流器21的散热需求及散热风机4的性能进行调整，采用一个散热风机4用于三个或更多个PWM变流器21的散热。

本实施例中同一牵引变压器下连接2个PWM变流器21，在其他实施例中同一牵引变压器下还可以连接多个PWM变流器21。同一牵引变压器下连接2个或多个PWM变流器21时，控制各个PWM变流器21之间进行错相运行，即控制各PWM变流器21中的载波互相错开一定的相位，以进一步降低谐波水平。

本发明中制动能量回馈模块2采用风冷结构且无需增加散热装置，可以直接利用电阻制动方式中既有的散热风机4进行散热，甚至可以减小散热风机4的功率，从而进一步减少能耗以及散热风机4造成的噪声污染。

实施例2：

如图8所示，本发明实施例2中交直电力机车制动装置结构，包括制动能量转换模块1和制动能量回馈模块2，还包括与制动能量回馈模块2并联的制动能量消耗模块3。制动能量转换模块1将制动时牵引电动机的动能转化为制动电能，制动能量回馈模块2将制动能量转换模块1输出的制动电能进行转换并回馈至机车的辅助装置或交流电网；制动能量消耗模块3在制动能量回馈模块2出现故障时消耗制动电能。

由于一旦交直电力机车的制动能量回馈模块2发生故障，整列车会失去部分制动力，使得可靠性得不到保障。

本发明在正常情况下时，由制动能量回馈模块2将制动能量转换模块1输出的制动电能进行回馈，当制动能量回馈模块2发生紧急故障而停机时，启动制动能量消耗模块3，消耗制动能量转换模块1输出的制动电能，保证机车的正常制动运行。

如图9所示，本发明实施例2中交直电力机车制动装置具体电路结构，制动能量转换模块1由SS4B型交直电力机车主电路构成且与实施例1中制动能量转换模块1的结构相同，制动能量回馈模块2采用一个PWM变流器21，制动能量消耗模块3采用制动电阻31。

本实施例中，同时安装制动电阻31及PWM变流器21，在一般情况下启动PWM变流器21，执行回馈制动，将制动过程中产生的制动能量进行回馈；PWM变流器21发生紧急故障停机时，将制动电阻31投入使用，确保机车的正常制动运行。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。 

Claims (7)

1.一种交直电力机车制动装置，其特征在于：包括制动能量转换模块（1）和制动能量回馈模块（2），所述制动能量转换模块（1）将制动时牵引电动机的动能转化为制动电能，所述制动能量回馈模块（2）将制动能量转换模块（1）输出的制动电能进行转换并回馈至机车的辅助装置或交流电网。

2.根据权利要求1所述的交直电力机车制动装置，其特征在于：所述制动能量回馈模块（2）采用至少一个PWM变流器（21）。

3.根据权利要求2所述的交直电力机车制动装置，其特征在于：所述PWM变流器（21）采用电流型PWM变流器（211）。

4.根据权利要求1或2或3所述的交直电力机车制动装置，其特征在于：还包括与制动能量回馈模块（2）并联的制动能量消耗模块（3），所述制动能量消耗模块（3）在制动能量回馈模块（2）出现故障时消耗制动能量转换模块（1）输出的制动电能。

5.根据权利要求4所述的交直电力机车制动装置，其特征在于：所述制动能量消耗模块（3）采用制动电阻（31）。

6.根据权利要求5所述的交直电力机车制动装置，其特征在于：还包括与制动能量回馈模块（2）连接的至少一个散热风机（4）和至少一个控制器（5）；所述散热风机（4）对制动能量回馈模块（2）进行散热，所述控制器（5）控制制动能量回馈模块（2）进行制动能量的转换。

7.根据权利要求6所述的交直电力机车制动装置，其特征在于：所述制动能量回馈模块（2）包括2个并联的PWM变流器（21），一个控制器（5）和一个散热风机（4）分别与2个PWM变流器（21）连接。

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