CN105083029A - 交流励磁轨道涡流制动器及其制动方法 - Google Patents

交流励磁轨道涡流制动器及其制动方法 Download PDF

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Abstract

交流励磁轨道涡流制动器及其制动方法。本发明是为了解决现有的直流励磁轨道涡流制动技术存在列车制动时，钢轨上的涡流产生大量的热，使钢轨的温度上升，对涡流制动力造成影响，同时，温升也使钢轨的机械特性发生变化，使钢轨变软，导致钢轨寿命降低；另外，轨道涡流制动需要外加励磁电源，制动时需要消耗电能，存在断电及电能不足时制动失效的危险，且低速时，制动力小，适用列车速度范围窄的问题。本发明初级铁心的面向气隙侧垂直运动方向开槽，槽中嵌放控制绕组和功率绕组，功率绕组同时并接多相励磁电容器组和多相整流器输入端，多相整流器输出端接车辆主牵引电机逆变器的直流母线上；励磁控制逆变器输出端连控制绕组。它可用于列车制动中。

Description

交流励磁轨道涡流制动器及其制动方法
技术领域
本发明涉及一种交流励磁轨道涡流制动器及其制动方法，属于电机领域。
背景技术
列车高速化涉及到列车的驱动和制动两个关键问题。其中高速列车的制动尤应给以足够的重视，高速列车制动的基本思路与目前常规速度下的列车制动一样，即消耗列车运动的动能，使列车减速或制停。由于高速列车的动能比普通列车大很多，而高速下轮轨间的粘着系数以及闸瓦与动轮之间的摩擦系数都大大降低，故高速列车必须采用新的制动体系。根据已有资料分析，高速列车的制动采用再生制动、涡流制动为主、摩擦制动为补充的联合制动系统，是一种经济效益和技术性能较好的制动系统。涡流制动有旋转涡流制动与轨道涡流制动两种形式。其中轨道涡流制动属于非粘着制动，其优点是当列车速度在80～400km/h范围内，制动特性平坦，制动力大。上述两种涡流制动形式均有一组电磁铁和具有相对运动的电磁感应体——钢轨，通过电磁感应，使列车的动能转化为钢轨中的涡流，并以热的形式向周围耗散掉，以此达到制动的目的。
图5为现有的直流励磁轨道涡流制动原理图。轨道涡流制动装置是在转向架两侧的车轮之间装设电磁铁，每组电磁铁长度约1200～2000mm；钢轨作电磁感应体，通入直流电流励磁的电磁铁的N、S极沿钢轨的延伸方向作交替配置。电磁铁的磁极数一般在4～20范围内选择。励磁电磁铁的磁极极面与钢轨面的垂直距离不小于6mm。
但是，目前直流励磁轨道涡流制动技术存在如下问题：列车制动时，钢轨上的涡流产生大量的热，使钢轨的温度上升，因此其电导率和磁导率等参数都将发生变化。涡流制动力与钢轨的电阻率和磁阻率有关，因此钢轨温升势必对涡流制动力造成影响。同时，温升也使钢轨的机械特性发生变化，使钢轨变软，会降低钢轨的寿命。另外，轨道涡流制动需要外加励磁电源，制动时需要消耗电能，存在断电及电能不足时制动失效的危险，且低速时，制动力小，适用列车速度范围窄。
发明内容
本发明是为了解决现有的直流励磁轨道涡流制动技术存在列车制动时，钢轨上的涡流产生大量的热，使钢轨的温度上升，对涡流制动力造成影响，同时，温升也使钢轨的机械特性发生变化，使钢轨变软，导致钢轨寿命降低；另外，轨道涡流制动需要外加励磁电源，制动时需要消耗电能，存在断电及电能不足时制动失效的危险，且低速时，制动力小，适用列车速度范围窄的问题。现提供交流励磁轨道涡流制动器及其制动方法。
交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器、多相整流器和励磁电容器组，
涡流制动单元包括初级铁心、初级控制绕组和初级功率绕组，
在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放两套环形多相对称绕组，分别为初级控制绕组和初级功率绕组，
初级功率绕组的输出端并接励磁电容器组，初级功率绕组的输出端与多相整流器的交流输入端连接，多相整流器的直流输出端接车辆主牵引电机逆变器的直流母线上；
励磁控制逆变器的交流输出端与涡流制动单元的初级控制绕组的输入端相连接。
交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器、能量吸收电阻器组和励磁电容器组，
涡流制动单元包括初级铁心、初级控制绕组和初级功率绕组，
在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放两套环形多相对称绕组，分别为初级控制绕组和初级功率绕组，
初级功率绕组的输出端同时并接励磁电容器组和能量吸收电阻器组，励磁控制逆变器的交流输出端与涡流制动单元的初级控制绕组相连接。
交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器和励磁电容器组，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放一套环形多相对称初级绕组，多相对称初级绕组的输出端并接多相励磁电容器组；励磁控制逆变器的每个交流端分别连接一个电感的一端，每个电感的另一端分别与一个初级绕组的输出端相连，励磁控制逆变器的直流端连接在车辆主牵引电机逆变器的直流母线上。
交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器、励磁电容器组和能量吸收电阻器组，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放一套环形多相对称初级绕组，多相对称初级绕组的输出端同时并接励磁电容器组和能量吸收电阻器组，励磁控制逆变器的每个交流端都与一个电感的一端相连，每个电感的另一端分别与一个绕组的输出端相连。
交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、开关单元、主牵引电机逆变器和励磁电容器组，
涡流制动单元包括由初级铁心和初级绕组组成，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放一套环形多相对称初级绕组，多相对称初级绕组的输出端并接多相励磁电容器组；主牵引电机逆变器的各交流输出端分别接开关单元的各输入端，开关单元的各输出端分别与一个电感的一端相连，每个电感的另一端都与一个绕组的输出端相连。
交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、开关单元、能量吸收电阻器组、主牵引电机逆变器和励磁电容器组，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放两套环形多相对称初级绕组，分别为初级控制绕组和初级功率绕组，
初级功率绕组的输出端同时并接多相励磁电容器组和能量吸收电阻器组，主牵引电机逆变器的各交流输出端分别接开关单元的各输入端，开关单元的各输出端与涡流制动单元的初级控制绕组相连接，支撑调整装置将涡流制动单元的初级安装在车辆转向架上，并使初级和钢轨之间具有间隙。
交流励磁轨道涡流制动器的制动方法，所述方法为：调节励磁控制逆变器输出电流的频率及相位，当涡流制动单元初级与钢轨之间的相对速度为中速或者高速时，使涡流制动单元工作在发电制动模式；当涡流制动单元初级与钢轨之间的相对速度为低速及接近于零速时，使涡流制动单元工作在反接制动模式，当需要增加列车的牵引力时，列车的牵引力控制励磁逆变器，使涡流制动单元工作在电动状态。
本发明的有益效果为：涡流制动单元初级绕组采用环形绕组，减小了绕组端部长度，降低了涡流制动单元的体积和重量，提高了系统制动力密度；通过采用励磁电容器组及增加损耗能量吸收电阻器组，可以提高逆变器输出侧功率因数与可靠性，减小逆变器输出电流和损耗，降低逆变器的体积和重量；同时，通过调节逆变器输出电流的频率，扩展列车制动速度范围、提高制动力输出，还可减少钢轨中产生的涡流损耗，降低钢轨的温升，延长钢轨的寿命，
将涡流制动单元初级通过制动器支撑调整装置安装在车辆转向架两侧，制动器支撑调整装置还可以升降涡流制动单元初级，以调整涡流制动单元初级与钢轨之间的间隙；将钢轨作为涡流制动单元次级，利用车载电源(蓄电池)或主供电电源给励磁控制逆变器及涡流制动单元提供初始励磁能量，当涡流制动单元初级通入励磁电流后，会在初级与次级之间的气隙中产生行波磁场，行波磁场与钢轨相交链，会在钢轨中感应涡流，涡流与行波磁场相互作用，产生与列车行进方向相反的电磁制动力，该电磁制动力作用在涡流制动单元初级(列车)上，使列车减速。在列车减速的同时，列车的动能转化为涡流制动单元输出的电能及钢轨中的涡流损耗，输出的电能既可以消耗在涡流制动单元绕组及并联的能量吸收电阻器组上，也可以储存到车载蓄电池中或回馈到主牵引电机逆变器的直流母线上。这样，既可以降低钢轨的温升，又不需要消耗车载电源的能量，同时，还可以通过调节逆变器输出电流的频率，扩展制动速度范围，或通过采用反接制动来实现低速及零速制动。当需要增加列车的牵引力时，还可以控制励磁逆变器，使涡流制动单元工作在电动状态。
附图说明
图1为本发明所述的交流励磁轨道涡流制动器的结构示意图，
图2为具体实施方式三所述的交流励磁轨道涡流制动器的原理示意图，
图3为具体实施方式五所述的交流励磁轨道涡流制动器的原理示意图，
图4为具体实施方式一所述的交流励磁轨道涡流制动器的原理示意图，
图5为现有直流励磁轨道涡流制动原理图，附图标记A为涡流，附图标记B为钢轨，附图标记C为电枢线圈，附图标记D为制动片，附图标记E为磁极。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1和图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器1、多相整流器6和励磁电容器组3，
涡流制动单元包括初级铁心、初级控制绕组2-1和初级功率绕组2-2，
在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放两套环形多相对称绕组，分别为初级控制绕组2-1和初级功率绕组2-2，
初级功率绕组2-2的输出端并接励磁电容器组3，初级功率绕组2-2的输出端与多相整流器6的交流输入端连接，多相整流器6的直流输出端接车辆主牵引电机逆变器的直流母线上；
励磁控制逆变器1的交流输出端与涡流制动单元的初级控制绕组2-1的输入端相连接。
本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器在实际应用时，固定在列车车厢底部的车辆转向架上，在工作原理上，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器的涡流制动单元相当于初级，铁路钢轨7相当于次级，二者之间的距离为气隙，该交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨相互作用完成制动功能。
根据实际需要，为了精确控制本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离，可以采用相应的制动器支撑调整装置调整来实现，即：精确调整该交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的交流励磁轨道涡流制动器作进一步说明，本实施方式中，多相整流器6为不可控整流器或可控整流器。
具体实施方式三：参照图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器1、能量吸收电阻器组4和励磁电容器组3，
涡流制动单元包括初级铁心、初级控制绕组2-1和初级功率绕组2-2，
在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放两套环形多相对称绕组，分别为初级控制绕组2-1和初级功率绕组2-2，
初级功率绕组2-2的输出端同时并接励磁电容器组3和能量吸收电阻器组4，励磁控制逆变器1的交流输出端与涡流制动单元的初级控制绕组2-1相连接。
本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器在实际应用时，固定在列车车厢底部的车辆转向架上，在工作原理上，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器中的涡流制动单元相当于初级，铁路钢轨7相当于次级，二者之间的距离为气隙，该涡流制动单元与铁路钢轨7相互作用完成制动功能。
根据实际需要，为了精确控制本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离，可以采用相应的制动器支撑调整装置调整来实现，即：精确调整该交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离。
具体实施方式四：本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器1和励磁电容器组3，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组5，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放一套环形多相对称初级绕组5，多相对称初级绕组5的输出端并接多相励磁电容器组3；励磁控制逆变器1的每个交流端分别连接一个电感的一端，每个电感的另一端分别与一个初级绕组的输出端相连，励磁控制逆变器1的直流端连接在车辆主牵引电机逆变器的直流母线上。
本实施方式中，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器在实际应用时，固定在列车车厢底部的车辆转向架上，在工作原理上，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器中的涡流制动单元相当于初级，铁路钢轨7相当于次级，二者之间的距离为气隙，该涡流制动单元与铁路钢轨7相互作用完成制动功能。
根据实际需要，为了精确控制本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离，可以采用相应的制动器支撑调整装置调整来实现，即：精确调整该交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离。
具体实施方式五：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器1、励磁电容器组3和能量吸收电阻器组4，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组5，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放一套环形多相对称初级绕组5，多相对称初级绕组的输出端同时并接励磁电容器组3和能量吸收电阻器组4，励磁控制逆变器1的每个交流端都与一个电感的一端相连，每个电感的另一端分别与一个绕组的输出端相连。
本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器在实际应用时，固定在列车车厢底部的车辆转向架上，在工作原理上，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器中的涡流制动单元相当于初级，铁路钢轨7相当于次级，二者之间的距离为气隙，该涡流制动单元与铁路钢轨7相互作用完成制动功能。
根据实际需要，为了精确控制本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离，可以采用相应的制动器支撑调整装置调整来实现，即：精确调整该交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离。
具体实施方式六：本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、开关单元、主牵引电机逆变器和励磁电容器组3，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组组成5，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放一套环形多相对称初级绕组5，多相对称初级绕组5的输出端并接多相励磁电容器组3；主牵引电机逆变器的各交流输出端分别接开关单元的各输入端，开关单元的各输出端分别与一个电感的一端相连，每个电感的另一端都与一个绕组的输出端相连。
本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器在实际应用时，固定在列车车厢底部的车辆转向架上，在工作原理上，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器中的涡流制动单元相当于初级，铁路钢轨7相当于次级，二者之间的距离为气隙，该涡流制动单元与铁路钢轨7相互作用完成制动功能。
根据实际需要，为了精确控制本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离，可以采用相应的制动器支撑调整装置调整来实现，即：精确调整该交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离。
具体实施方式七：本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器，它包括涡流制动单元、开关单元、能量吸收电阻器组4、主牵引电机逆变器和励磁电容器组3，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组组成，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放两套环形多相对称初级绕组，分别为初级控制绕组2-1和初级功率绕组2-2，
初级功率绕组2-2的输出端同时并接多相励磁电容器组3和能量吸收电阻器组4，主牵引电机逆变器的各交流输出端分别接开关单元的各输入端，开关单元的各输出端与涡流制动单元的初级控制绕组2-1相连接。
本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器在实际应用时，固定在列车车厢底部的车辆转向架上，在工作原理上，本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器中的涡流制动单元相当于初级，铁路钢轨7相当于次级，二者之间的距离为气隙，该涡流制动单元与铁路钢轨7相互作用完成制动功能。
根据实际需要，为了精确控制本实施方式所述的交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离，可以采用相应的制动器支撑调整装置调整来实现，即：精确调整该交流励磁轨道涡流制动器与铁路钢轨7之间的距离。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一、三、四、五、六或七所述的交流励磁轨道涡流制动器作进一步说明，本实施方式中，涡流制动单元初级绕组为铝线绕组或者铜线绕组。
具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一、三、四、五、六或七所述的交流励磁轨道涡流制动器作进一步说明，本实施方式中，励磁电容器组和能量吸收电阻器组均为星型连接或者为环型连接。
具体实施方式十：具体实施方式一、三、四、五、六或七所述的交流励磁轨道涡流制动器的制动方法，本实施方式中，所述方法为：调节励磁控制逆变器输出电流的频率及相位，当涡流制动单元初级与钢轨之间的相对速度为中速或者高速时，使涡流制动单元工作在发电制动模式；当涡流制动单元初级与钢轨之间的相对速度为低速及接近于零速时，使涡流制动单元工作在反接制动模式，当需要增加列车的牵引力时，列车的牵引力控制励磁逆变器，使涡流制动单元工作在电动状态。

Claims (10)

1.交流励磁轨道涡流制动器，其特征在于，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器(1)、多相整流器(6)和励磁电容器组(3)，涡流制动单元包括初级铁心、初级控制绕组(2-1)和初级功率绕组(2-2)，
在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放两套环形多相对称绕组，分别为初级控制绕组(2-1)和初级功率绕组(2-2)，
初级功率绕组(2-2)的输出端并接励磁电容器组(3)，初级功率绕组(2-2)的输出端与多相整流器(6)的交流输入端连接，多相整流器(6)的直流输出端接车辆主牵引电机逆变器的直流母线上；
励磁控制逆变器(1)的交流输出端与涡流制动单元的初级控制绕组(2-1)的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的交流励磁轨道涡流制动器，其特征在于，多相整流器(6)为不可控整流器或可控整流器。
3.交流励磁轨道涡流制动器，其特征在于，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器(1)、能量吸收电阻器组(4)和励磁电容器组(3)，
涡流制动单元包括初级铁心、初级控制绕组(2-1)和初级功率绕组(2-2)，
在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放两套环形多相对称绕组，分别为初级控制绕组(2-1)和初级功率绕组(2-2)，
初级功率绕组(2-2)的输出端同时并接励磁电容器组(3)和能量吸收电阻器组(4)，励磁控制逆变器(1)的交流输出端与涡流制动单元的初级控制绕组(2-1)相连接。
4.交流励磁轨道涡流制动器，其特征在于，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器(1)和励磁电容器组(3)，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组(5)，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放一套环形多相对称初级绕组(5)，多相对称初级绕组(5)的输出端并接多相励磁电容器组(3)；励磁控制逆变器(1)的每个交流端分别连接一个电感的一端，每个电感的另一端分别与一个初级绕组的输出端相连，励磁控制逆变器(1)的直流端连接在车辆主牵引电机逆变器的直流母线上。
5.交流励磁轨道涡流制动器，其特征在于，它包括涡流制动单元、励磁控制逆变器(1)、励磁电容器组(3)和能量吸收电阻器组(4)，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组(5)，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放一套环形多相对称初级绕组(5)，多相对称初级绕组的输出端同时并接励磁电容器组(3)和能量吸收电阻器组(4)，励磁控制逆变器(1)的每个交流端都与一个电感的一端相连，每个电感的另一端分别与一个绕组的输出端相连。
6.交流励磁轨道涡流制动器，其特征在于，它包括涡流制动单元、开关单元、主牵引电机逆变器和励磁电容器组(3)，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组组成(5)，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放一套环形多相对称初级绕组(5)，多相对称初级绕组(5)的输出端并接多相励磁电容器组(3)；主牵引电机逆变器的各交流输出端分别接开关单元的各输入端，开关单元的各输出端分别与一个电感的一端相连，每个电感的另一端都与一个绕组的输出端相连。
7.交流励磁轨道涡流制动器，其特征在于，它包括涡流制动单元、开关单元、能量吸收电阻器组(4)、主牵引电机逆变器和励磁电容器组(3)，
涡流制动单元包括初级铁心和初级绕组，在初级铁心的面向气隙侧垂直于运动方向开槽，槽中嵌放两套环形多相对称初级绕组，分别为初级控制绕组(2-1)和初级功率绕组(2-2)，
初级功率绕组(2-2)的输出端同时并接多相励磁电容器组(3)和能量吸收电阻器组(4)，主牵引电机逆变器的各交流输出端分别接开关单元的各输入端，开关单元的各输出端与涡流制动单元的初级控制绕组(2-1)相连接。
8.根据权利要求1、3、4、5、6或7所述的交流励磁轨道涡流制动器，其特征在于，涡流制动单元初级绕组为铝线绕组或者铜线绕组。
9.根据权利要求1、3、4、5、6或7所述的交流励磁轨道涡流制动器，其特征在于，励磁电容器组和能量吸收电阻器组均为星型连接或者为环型连接。
10.权利要求1、3、4、5、6或7所述的交流励磁轨道涡流制动器的制动方法，其特征在于，所述方法为：调节励磁控制逆变器输出电流的频率及相位，当涡流制动单元初级与钢轨之间的相对速度为中速或者高速时，使涡流制动单元工作在发电制动模式；当涡流制动单元初级与钢轨之间的相对速度为低速及接近于零速时，使涡流制动单元工作在反接制动模式，当需要增加列车的牵引力时，列车的牵引力控制励磁逆变器，使涡流制动单元工作在电动状态。
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