CN106121941B - 把地铁列车的势能变成电能的方法 - Google Patents

Abstract

一种把地铁列车的势能变成电能的方法，它是通过在地铁线路上增加一条回收电网，然后把每节牵引机车的4台牵引电机分离出一台进行单独控制，同时把地铁的3台拖车分别改成，高速制动车厢，低速制动车厢，电源稳定车厢，它们的每个车轴各带一台发电机，其中电源稳定车厢的4个车轴带的发电机要单独控制。工作方式是；地铁进站牵引电机停止工作后，高速制动车厢，电源稳定车厢，的发电机同时投入再生制动，经过一段时间地铁列车速度降低，势能逐渐减少，然后就停止，高速制动车厢，电源稳定车厢的再生制动通过控制系统转换成，低速制动车厢进行再生制动，再生制动发出的电用输电杆送入回收电网。

Description

把地铁列车的势能变成电能的方法

技术领域

本发明涉及一种城市地铁由于现在地铁进站时，主要靠气动刹车控制停车，所以把大量可以转化成电能的势能都转化成热能白白的浪费掉了，而本发明是要把地铁进站的势能全部转化成电能。

背景技术

长期以来世界上火车再生制动时，都是利用把机车牵引电动机转变成发电机后进行再生制动的，这样的制动方式存在许多重大缺陷是无法克服的。

首先地铁在坡度路面行驶时会产生巨大的势能，如果通过再生制动把势能全部转化成电能后送入电网，电网线会产生非常大的波动这是一个无法克服的缺陷。

如果地铁进站用再生制动时是通过把牵引电动机转变成发电机后，利用发电机发电把地铁产生的势能都转化成电能后送入电网，然后在利用发电机发电时产生的阻力进行刹车，可是这样的刹车方式存在一个重大缺陷，就是地铁牵引电动机的功率较大，把它转换成发电机后进行再生制动时制动力也会非常大，如果轨道湿滑时车轮会产生滑行和蠕动，长期工作后会使车轮出现多边型，从而使地铁在运行中产生震动，导致车轮，齿轮箱等关键部件的寿命降低，影响地铁的安全运行，这些在SS7型电力机车的再生制动中已经得到验证，因此地铁在运行中也会遇到相同的问题。

还有由于地铁进行再生制动时，是通过把牵引电动机转换成发电机后，进行再生制动的这种制动方式存在一个缺陷，就是随着地铁速度的不断降低，制动力逐渐减小，试验表明80公里时的制动力，是8公里时制动力的100倍，因此地铁进行再生制动，低速时制动力消失是又一个无法克服的缺陷。由于地铁再生制动存在上述缺陷，所以无法把地铁产生的势能全部转化成电能，而本发明就是要通过技术创新解决上述问题。

发明内容

发明中城市地铁用的再生制动技术和火车的再生制动技术原理是相同的，可是技术方案却完全不同，首先火车是利用机车把牵引电动机转变成发电机后，利用发电机发电产生的阻力进行刹车的，

而发明中地铁进行再生制动时，是靠增加一条回收电网，然后专门设计，高速制动车厢，低速制动车厢，电源稳定车厢，在动车上增加一台发电机，气动停车等，最后通过他们的相互配合顺利的把地铁产生的势能通过再生制动全部转化成电能，具体方法是；

(1)回收电网线

在发明中要首先取消地铁牵引机车的再生制动功能，然后在电网的旁边地铁列车上面，把新增加的两条电网连接在一起形成一条环路变成回收电网，然后把地铁再生制动发出的电经过输电杆送入回收电网，回收电网是一个没有任何电能的空网它只接收，高速制动车厢，低速制动车厢，电源稳定车厢，通过再生制动发出的电，不接收以外的任何电能，同时它还要把再生制动发的电送入变电站经过变压器调整后和电网并网成为一个稳定的供电电源，也可以为其它用电单位供电。

(2)每节动车上增加1台发电机

如果地铁的每节动车上有4台牵引电动机，就分离出一台牵引电动机进行单独控制，也可以增加一个车轴带动一台发电机把它进行单独控制，这样地铁需要增加制动力时，就可以通过动车发电机进行再生制动增加制动力，如果地铁需要增加牵引力时就可以把发电机转换成电动机，然后通过电网供电使电动机工作增加地铁的牵引力，

动车发电机的作用是；如果监测到地铁电网电压低于正常值时就用发电机进行再生制动，发出的电直接送入电网使电网电压恢复正常，如果因为动车发电机进行再生制动造成地铁牵引力不足时，就用电源稳定车厢上的一台电动机工作增加地铁牵引力保障地铁正常行驶，电源稳定车厢的电动机用电池组供电，也可以用回收电网供电。

动车上的发电机要和地铁上的，高速制动车厢，低速制动车厢，电源稳定车厢配合工作，就能把地铁产生的势能全部转化成电能。

(3)高速制动车厢

高速制动车厢是在车厢的每个车轴上带一台发电机，车轴和发电机中间有一个变速器，要根据每条地铁最高时速的不同配置不同的变速器，例如一条地铁最高时速60公里时配置的变速器就要求地铁50公里时发电机处在最佳发电状态，它的工作范围是上下浮动10公里，地铁时速低于40公里后高速制动车厢停止工作，通过控制系统让低速制动车厢进行再生制动。

地铁进站产生的势能有一个显著的特点，就是牵引电动机刚停止工作时势能最大，随着再生制动的进行势能会不断降低直至消失，因此在配置发电机时，高速制动车厢再生制动的发电机数量要高于低速制动车厢再生制动时的发电机数量，多出的部分用动车上的发电机和电源稳定车厢上的发电机提供。

(4)低速制动车厢

低速制动车厢是在车厢的每个车轴上带一台发电机，车轴和发电机中间有一个变速器，要根据地铁低速行驶时的速度配置不同的变速器，具体要求是；例如地铁列车40公里时低速制动车厢开始工作要求配置的变速器是，地铁在30公里时发电机处在最佳发电状态，上浮动10公里，下浮动20公里，地铁时速低于10公里后低速制动车厢通过控制系统停止再生制动工作。

由于地铁再生制动时势能是不断降低直至消失的，因此配置低速制动车厢目的是，要通过低速制动车厢，在地铁低速时能够使发电机处在最佳发电状态，就能把地铁在低速时的势能全部转化成电能，就解决了地铁再生制动中低速时制动力消失，势能不能全部回收的问题。

(5)电源稳定车厢

电源稳定车厢是在车厢的每个车轴上带一台发电机，车轴和发电机中间有一个变速器，变速器是用两挡组成，用第一挡时发电机和高速制动车厢的发电机转速相同，用第二挡时发电机和低速制动车厢的发电机转速相同。

电源稳定车厢的每个车轴带的发电机都是单独控制的，它可以随时根据路面情况的不同投入不同数量的高速发电机或者低速发电机进行再生制动，发出的电通过输电杆送入回收电网，

如果把电源稳定车厢的发电机转换成电动机后，也可以为地铁列车增加牵引力，那时电动机要用电池组供电，也可以用回收电网供电。

(6)保证准确停车

由于地铁再生制动时势能是不断降低直至消失的，当地铁速度降低到10公里以下时已经接近停车位置，因此为了保证地铁能够准确的停在停车线上，需要用气动刹车保证准确停车。

上面所述的，回收电网线，动车发电机，高速制动车厢，低速制动车厢，电源稳定车厢等，是保障把地铁在运行中产生的势能全部转化成电能的基础设备，通过它们的相互配合就能把地铁产生的势能全部转化成电能，具体方法是；

①把地铁进站的势能转化成电能的方法

地铁进站前到达刹车位置后，牵引电动机首先停止工作，地铁失去牵引动力后，高速制动车厢在地铁时速60公里时开始进行再生制动把势能转化成电能，当时速降到50公里时发电机处在最佳发电状态，当时速降到40公里后就通过控制系统使高速制动车厢停止工作，转换成低速制动车厢进行再生制动，再生制动发出的电通过输电杆送入回收电网。

下面用3动3拖的地铁再生制动为例进行说明；

地铁进站产生的势能有一个显著的特点，就是牵引机车刚停止工作时势能最大，随着再生制动的进行势能会不断降低直至消失，因此在配置发电机时，高速制动车厢再生制动的发电机数量要高于低速制动车厢再生制动时的发电机数量方法是，如果每个车轴上的发电机是200kw，那么开始进行再生制动时首先用，高速制动车厢4个车轴800kw，电源稳定车厢4个车轴800kw，进行再生制动，如果整个制动过程用60秒，那么就每10秒退出一台电源稳定车厢的发电机经过40秒后全部退出电源稳定车厢的发电机，同时在40秒时高速制动车厢的800kw发电机也同时退出，用控制系统转换成低速制动车厢的800kw发电机进行再生制动，这样就能根据再生制动时势能不断降低的特点，使回收电网实现平稳过渡让电压波动降到最低，当时速降到10公里后地铁进站时采用气动刹车，使地铁准确的停在停车线，如果频繁的退出发电机控制难度较大时也可以每20秒退出400kw发电机降低控制难度。

上面所说的具体，时间，速度，发电机功率，都是参考值在实际中要根据每一条线路的不同情况需要灵活掌握，以把地铁产生的势能最大化的转化成电能为目的。

②使电网和回收电网保持稳定的方法

下面用3动3拖的地铁再生制动为例进行说明；

全线路的地铁进行再生制动时的工作方式是，如果每一次制动过程为60秒，那么第一列地铁制动到30秒后，第二列地铁进入制动，制动30秒后，第三列地铁进入制动，制动30秒后，第四列地铁进入制动，制动30秒后……下面的地铁按照同样的方法不断重复直到全线路的地铁全部进入再生制动，这样设计是为了在制动过程中让发电量始终保持平衡获得一个波动最小的回收电网电压，

需要指出前后地铁列车的间隔距离必须保持在安全的范围。

使电网保持稳定的方法是；如果监测到电网电压低于正常值时就用动车上的发电机工作增加发电量使电网恢复正常，如果由于动车发电机工作导致地铁出现牵引力不足时，就用电源稳定车厢的一台电动机工作增加地铁牵引力使地铁保持正常运行，电源稳定车厢的电动机用电池组供电，也可以用回收电网供电。

如果电网电压高于正常值时就停止动车发电机工作使电网恢复正常，这样就能使电网电压永远保持在稳定状态。

使回收电网保持稳定的方法是；由于地铁进行再生制动时两列地铁之间衔接不可能非常紧密，发电量有可能出现波动，如果监测到回收电网电压低于正常值时，就用运行中的电源稳定车厢上的发电机工作，增加发电量使回收电网恢复正常，如果监测到回收电网电压高于正常值时，就停止一列地铁的再生制动使回收电网恢复正常，这样我们就具备了保持回收电网稳定的技术。

把地铁再生制动发出的电分散到电网和回收电网；由于采用了电网电压低于正常值时就用动车上的发电机工作增加发电量使电网恢复正常，如果电网电压高于正常值时就停止动车发电机工作使电网恢复正常，这样就能把地铁列车一小部分再生制动发出的电，分流到电网线上，

同时回收电网电压如果低于正常值时就用运行中的电源稳定车厢上的发电机工作，增加发电量使回收电网恢复正常，如果回收电网电压高于正常值时，停止一列地铁的再生制动使回收电网恢复正常，通过这样设计我们在实际工作中就能保持电网和回收电网的电压始终稳定。

下面结合附图及具体的实施方案，对本发明做出进一步的描述

图1，T1高速车厢，T2低速车厢，T3电源稳定车厢

图2，8是车厢发电机，10是动车电动机

图3，是回收电网线

本发明的设计思想是，提供一种能够把城市地铁在坡度路面和进站刹车时的势能最大化的转化成电能的再生制动技术，具体方案是；

参看，图1，图2，图3，首先在电网线的旁边，增加一条回收电网线12，回收电网是把两个行驶方向不同的地铁11上面的回收电网线连接到一起形成一条循环的电网，用它接收两条地铁线上列车再生制动产生的电，然后把电送到变电站经过变压器调整后和电网线并网成为一个稳定的电源，也可以为其它用电单位供电成为一个电源。

①回收地铁列车进站的势能

用3动3拖的地铁再生制动为例进行说明；

地铁进站产生的势能有一个显著的特点，就是牵引电动机刚停止工作时势能最大，随着再生制动的进行势能会不断降低直至消失，因此在配置发电机8时，高速制动车厢1上的发电机4，低速制动车厢2上的发电机5，电源稳定车厢3上的发电机6，要根据线路路面的情况不同合理配置，例如；如果高速制动车厢1，低速制动车厢2，电源稳定车厢3上的车轴带的发电机都是200kw，那么开始进行再生制动时首先用，高速制动车厢4个车轴800kw的发电机4，电源稳定车厢4个车轴800kw的发电机6，进行再生制动，如果整个制动过程用60秒，那么就每10秒退出一台电源稳定车厢的发电机6经过40秒后全部退出电源稳定车厢的发电机，同时40秒时高速制动车厢的800kw发电机4也同时退出，用控制系统转换成低速制动车厢的800kw发电机5进行再生制动，这样就能根据再生制动时势能不断降低的特点，使回收电网实现平稳过渡让电压波动降到最低，当时速降到10公里后地铁进站时采用气动刹车准确的停在停车线上，

如果因为电源稳定车厢和高速制动车厢同时进入或者同时退出再生制动时，回收电网电压会突然升高和突然降低，那时可以在地铁列车牵引电动机停止工作前20秒，每5秒投入一台电源稳定车厢的发电机工作，在牵引电机停止工作后每10秒退出一台电源稳定车厢的发电机工作，40秒后全部退出电源稳定车厢的发电机，同时高速制动车厢也同时退出再生制动，用控制系统转换成低速制动车厢进行再生制动，这样回收电网就能实现平稳过渡，把电压波动降到最低。

上面所说的具体，时间，速度，发电机功率，都是参考值，在实际中要根据每一条线路的不同情况需要灵活掌握，争取把地铁产生的势能最大化的转化成电能。

②回收坡度路面的势能

如果地铁线路中有下坡路面要产生大量势能时，应该首先看电网和回收电网的电压，如果电网低于正常值时就用动车发电机10进行再生制动发电，使电网恢复正常。

如果地铁线路有上坡路面需要增加地铁牵引力时，就把动车上的发电机10转换成电动机增加牵引力，

如果回收电网低于正常值时就用电源稳定车厢发电机8进行再生制动发电，使回收电网恢复正常。

③保持电网稳定

如果监测到电网电压低于正常值时就用动车上的发电机10工作增加发电量使电网恢复正常，如果由于发电机10工作导致地铁出现牵引力不足时就用电源稳定车厢的一台电动机8工作增加地铁牵引力使地铁保持正常运行，电源稳定车厢的电动机用大型电池组供电，也可以用回收电网供电，图2中的7和9是传动轮。

如果电网电压高于正常值时就停止动车发电机工作使电网恢复正常，这样就能使电网电压永远保持在稳定状态。

由于地铁进行再生制动时两列地铁之间衔接不可能非常紧密，如果监测到回收电网12电压低于正常值时就用运行中的电源稳定车厢上的发电机8工作，增加发电量使回收电网恢复正常，如果监测到回收电网12电压高于正常值时，就停止一列地铁的再生制动使回收电网恢复正常，这样我们就具备了保持回收电网稳定的技术。

发明中通过用，回收电网，高速制动车厢，低速制动车厢，电源稳定车厢的配合工作，就能把地铁产生的势能最大化的转化成电能。

需要说明；在3动3拖的地铁中，每节动车要分离出一台电动机进行单独控制，3个拖车分别改成，高速制动车厢，低速制动车厢，电源稳定车厢，其中电源稳定车厢每个车轴上的发电机都要单独控制。

Claims (1)

1.一种把地铁列车的势能变成电能的方法，包括下述特征；

增加回收电网，动车发电机，高速制动车厢，低速制动车厢和电源稳定车厢，通过它们的相互配合把地铁在坡度路面产生的势能和进站刹车产生的势能，最大化的转化成电能，方法是：

①电网的旁边增加一条回收电网，回收电网是把在地铁列车上面新增的两条电网连接在一起形成一条环路，然后把地铁再生制动发出的电经过输电杆送入回收电网，回收电网是一个没有任何电能的空网它只接收高速制动车厢，低速制动车厢和电源稳定车厢通过再生制动发出的电，不接收以外的任何电能，同时它要把电送入变电站经过变压器调整后和电网并网，成为一个稳定的供电电源，也能为其它用电单位供电，

②把地铁每节动车上的4台牵引电动机分离出一台进行单独控制，这台电动机要能在电动机和发电机之间转换，按照需要参与地铁的牵引和再生制动工作，这样设计目的是，能把地铁列车在下坡路面产生的势能通过发电机再生制动转化成电能，还能通过再生制动增加地铁进站时的制动力，再生制动发出的电都送入电网，同时能够通过牵引电动机工作增加地铁列车的牵引力，

③高速制动车厢是在它的每个车轴上带一台发电机，车轴和发电机中间有一个变速器，要根据每条地铁列车最高时速的不同配置不同的变速器，如果一条地铁列车最高时速60公里时配置的变速器就要求地铁列车在50公里时发电机处在最佳发电状态，

④低速制动车厢是在它的每个车轴上带一台发电机，车轴和发电机中间有一个变速器，要根据地铁列车低速行驶时的速度，配置不同的变速器，如果地铁列车40公里时低速制动车厢开始工作，要求配置的变速器使地铁列车在30公里时发电机处在最佳发电状态，

⑤电源稳定车厢是在每个车轴上带一台发电机，车轴和发电机中间有一个变速器，变速器是用两挡组成，用第一挡时发电机和高速制动车厢的发电机转速相同，用第二挡时发电机和低速制动车厢的发电机转速相同，电源稳定车厢的每个车轴带的发电机都要单独控制，这样设计目的是地铁列车进行再生制动时，电源稳定车厢上的发电机可以按照顺序分别投入和分别退出再生制动，这样就解决了再生制动时发电机同时投入发电，回收电网电压会突然升高，而发电机同时退出发电时，回收电网电压又会突然降低的问题，因此就能保持回收电网稳定，

⑥如果监测到电网电压低于正常值时就用动车上的发电机工作增加发电量使电网恢复正常，如果由于动车发电机工作导致地铁列车出现牵引力不足时，就用电源稳定车厢的一台电动机工作增加地铁列车的牵引力使地铁保持正常运行，电源稳定车厢的电动机用电池组或者回收电网供电，如果电网电压高于正常值时就停止动车发电机工作使电网恢复正常，这样就能使电网电压永远保持在稳定状态，

⑦由于地铁进行再生制动时两列地铁之间衔接不可能非常紧密，发电量有可能出现波动，如果监测到回收电网电压低于正常值时，就用运行中的电源稳定车厢上的发电机工作，增加发电量使回收电网恢复正常，如果监测到回收电网电压高于正常值时，就停止一列地铁的再生制动使回收电网恢复正常，这样我们就具备了保持回收电网稳定的技术，

⑧在3动3拖的地铁中，每节动车要分离出一台电动机进行单独控制，3个拖车分别改成高速制动车厢，低速制动车厢和电源稳定车厢，其中电源稳定车厢每个车轴上的发电机都要单独控制，

⑨增加回收电网，动车发电机，高速制动车厢，低速制动车厢和电源稳定车厢后，就可以根据地铁线路坡度、进站速度的不同设计不同的制动时间、最高速度、发电机功率，通过它们的互相配合就能把地铁产生的势能最大化的转化成电能，同时还能不用储能装置就能同时保障电网和回收电网的电压稳定。