CN1907751A - 地铁机车电气软制动系统 - Google Patents

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Abstract

一种地铁机车电气软制动技术系统，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。地铁机车进入制动工况，电力电子驱动装置与软制动控制器同时获得制动指令，电力电子驱动装置中断输出，电机转为发电机工况，在电容器两端的电压升至1500V的瞬间，软制动控制再生制动软开关实现软开通，进而直流电网馈电。当电机的发电机工况所发出的电压低于1500V时，软制动控制器控制能耗制动软开关实现软开通，将电机的发电机工况所发出的电压通过能耗负载回路进行放电。因此避免了故障隐患的发生与器件崩溃性事故的出现。

Description

地铁机车电气软制动系统
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系统。
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，文献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。现有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，因此文献所述技术无法从根本上铲除形成电气制动故障的隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种地铁机车电气软制动系统。使其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。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：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。每个部件之间的连接关系如下：机车牵引控制器控制机车的所有运行工况(包括：起动、加速、怠速与制动)，机车牵引控制器的两个输出通道分别连接到电力电子驱动装置与软制动控制器的控制指令输入通道；电力电子驱动装置的功率输出与直流牵引电机连接，并保证电力电子驱动装置的输出正极与直流牵引电机的正极连接，电力电子驱动装置的输出负极与直流牵引电机的负极连接；大容量平稳电压电容器并接于电力电子驱动装置功率输出的两个端点上；能耗制动软开关的阴极与大功率能耗电阻器串接后再与大容量平稳电压电容器并接，并保证能耗制动软开关的阳极与电力电子驱动装置的输出正极连接；再生制动软开关的阳极接在直流牵引电机的正极，再生制动软开关的负极与大功率馈电二极管的正极串接，大功率馈电二极管的负极接至1500V直流电网的正极；软制动控制器的两个控制输出通道分别与再生制动软开关和能耗制动软开关的控制极连接，以便两后者接收软制动控制器所发出的控制指令；直流牵引电机是机车的电气动力，通过机械传动结构与拖动机械连接。
当机车牵引控制器发出起动指令时，电力电子驱动装置向直流牵引电机输出直流驱动电功率，直流牵引电机开始运转；随着加速指令的到达，电力电子驱动装置的输出电压开始提升，直流牵引电机的输出功率与转矩也随之加大，接着拖动机械加速运转(即，列车加速行进)；当列车以怠速姿态运行一定时段后(根据列车在区间内的运行规律确定)，机车牵引控制器发出制动指令，此时制动指令会同时到达电力电子驱动装置与软制动控制器的控制指令输入口，电力电子驱动装置中止输出，直流牵引电机立即失电，直流牵引电机凭借自身与拖动机械高速运转所储存的机械动能使自身的工况产生逆转，由原先的电动机工况转换为发电机工况，向外输出电能，并且，其感生电动势会大大超出1500V直流电网的额定工作电压1500V，在电力电子驱动装置中止输出的同时，软制动控制器已经向再生制动软开关的控制极输出控制指令，控制再生制动软开关以软开启的方式导通再生制动软开关，将直流牵引电机发出的电能通过再生制动软开关和大功率馈电二极管向1500V直流电网馈送，在向电网馈电的同时，电机所产生的反向转矩促使电机的转速开始下降；电机转速下降到一定程度，其感应电动势开始下降至1500V以下，此时，再生电能丧失了向电网馈送的能力，在软制动控制器的控制下，能耗制动软开关按照软开通的方式开始导通，电机所产生的电能通过能耗制动软开关和大功率能耗电阻器与其所构成的闭合回路进行放电，放电所产生电机反向转矩使电机及其拖动机械逐渐降速到静止。
当电气制动从再生制动转至能耗制动后，软制动控制器中断再生制动指令输出通道，再生制动软开关控制极电压从最大值变换到零；随着电机转速的下降，当能耗制动软开关导通电流趋于零时，软制动控制器中断能耗制动指令输出通道，能耗制动软开关控制极电压也从最大值变换到零；系统结束整个制动过程。
所述直流牵引电机，即地铁机车牵引动力电机，具有两种工作状态：电动机工况与发电机工况。当电机处于电动机工况时，由地铁1500V直流电网向其授电；当电机处于发电机工况并产生高于1500V的直流电压时，电机向电网馈电。
所述拖动机械，系指地铁列车机械拖动系统。
所述机车牵引控制器，系地铁机车原有控制器，对列车运行过程的起动、加速、怠速与制动等工况实施变换与控制，其中，对制动过程的控制指令包括对电力电子驱动装置的驱动功率输出控制及对软制动控制器控制规律的信息传达。
所述电力电子驱动装置，通过内部的斩波电路在机车牵引控制器触发脉冲信号的作用下，进行DC-DC变换，达到调节直流电压的作用，使得加到直流电机两端的授电电压服从列车运行工况规律变化，实现对直流牵引电机在电动机工况下输出功率与转矩的调节。
所述软制动控制器，在机车牵引控制器向电力电子驱动装置发出制动指令的同时，软制动控制器从机车牵引控制器的控制信号输出通道获取信息，向再生制动软开关和/或能耗制动软开关发出软开通/关断控制指令。同时，软制动控制器还具备从大容量平稳电压电容器、1500V直流电网与大功率馈电二极管分别检测电容端电压、电网电压与二极管导通电流等参数。当机车牵引控制器发出制动指令时，软制动控制器会通过测试直流牵引电机电极两端电压(包括：电压的大小与极性)、电网电压、再生制动软开关和能耗制动软开关的导通电流来决定对再生制动软开关与能耗制动软开关导通/关闭的控制规律。
所述再生制动软开关与能耗制动软开关，均系大功率电力电子开关器件，具有良好的零电流开通与零电压关断特性。
所述“再生制动”，即直流牵引电机在制动开始的高速运转状态下由电动机工况转换为发电机工况时，所产生的电动势在大容量平稳电压电容器两端形成的电压高出1500V电网电压时，会将发电机所产生的电功率向电网馈送，因此称其为“再生制动”，即依靠再生电能所形成制动转矩进行制动。
所述“能耗制动”，即，当电机的转速降低到一定程度后，所生成的发电机输出电压低于1500V电网电压时，不具备向电网馈电的能力，此时，将所生成的电功率通过大功率能耗电阻器构成的回路进行能量消耗，利用电能消耗的过程所成生的制动转矩进行制动，因此称之为“能耗制动”。
本发明通过向电网馈电或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，因此可以使得列车逐渐减速。因为在上述制动过程中的任一制动阶段(再生制动与能耗制动)，均采用了软开关技术，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。
附图说明
图1 本发明系统结构图
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：直流牵引电机1、拖动机械2、机车牵引控制器3、电力电子驱动装置4、软制动控制器5、再生制动软开关6、大功率馈电二极管7、大容量平稳电压电容器8、能耗制动软开关9、大功率能耗电阻器10、1500V直流电网11。
当地铁机车进入制动工况前，列车处于高速运行状态，一旦通过机车牵引控制器3发出制动指令时，电力电子驱动装置4与软制动控制器5同时获得相应的动作指令，电力电子驱动装置4中断驱动功率的输出，直流牵引电机1立即转变工作象限，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8两端的电压迅速得到提升，在大容量平稳电压电容器8两端的电压升至1500V的瞬间，软制动控制器5向再生制动软开关6的控制极发出触发脉冲，通过对触发脉冲的控制角与脉冲宽度的变化控制，实现再生制动软开关6的软开通，进而通过大功率馈电二极管7向1500V直流电网馈电。随着拖动机械2运动速度的下降，直流牵引电机1的转速也随着降低，当直流牵引电机1的发电机工况所发出的电压低于1500V时，再生制动即已中止，软制动控制器5的另一指令输出通道向能耗制动软开关9的控制极发出触发脉冲，通过对触发脉冲的控制角与脉冲宽度的变化控制，实现能耗制动软开关9的软开通，将直流牵引电机1的发电机工况所发出的电压通过由能耗制动软开关9与大功率能耗电阻器10构成的能耗负载回路进行放电。
当电气制动从再生制动转至能耗制动后，软制动控制器5中断再生制动指令输出通道，再生制动软开关6控制极电压从最大值变换到零；随着电机转速的下降，当能耗制动软开关9导通电流趋于零时，软制动控制器5中断能耗制动指令输出通道，能耗制动软开关9控制极电压也从最大值变换到零；系统结束整个制动过程。
在以上两个制动阶段中，通过向电网馈电或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，因此可以使得列车逐渐减速。因为在上述制动过程中的任一制动阶段(再生制动与能耗制动)，均采用了软开关技术，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9、大功率能耗电阻器10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。
实施例：上海地铁一号线DC-01直流电动机车的软制动技术研究
实施条件：
将本发明的再生制动软开关6与能耗制动软开关9替换原有的简单通/断控制晶闸管，增加本发明的软制动控制器5并按本发明构建的控制信号通道；在实际运行线上进行实验。
具体过程如下：
(1)实验机车按正常工况运行；
(2)自动启用本发明技术，实施软制动；
(3)实时采集并显示相关电压与电流变化曲线。
具体实施结果：
相邻两车站的运行区间检测数据显示：
再生制动软开关与能耗制动软开关从关断到全开通的过渡过程时间τ11＝τ21＝10ms；
再生制动软开关从全开通到关断的过渡过程时间τ12＝10s；
能耗制动软开关从全开通到关断的过渡过程时间τ22＝50s；
全制动过程显示出：大功率馈电二极管、大功率能耗电阻器与电机制动转矩具有良好的非线性特性，并获得列车运行平稳性和制动过程机械运动撞击音响检测效果的极好验证。

Claims (4)

1、一种地铁机车电气软制动系统，包括：直流牵引电机(1)、拖动机械(2)、机车牵引控制器(3)、电力电子驱动装置(4)、大功率馈电二极管(7)、大容量平稳电压电容器(8)、大功率能耗电阻器(10)、1500V直流电网(11)，其特征在于，还包括：软制动控制器(5)、再生制动软开关(6)、能耗制动软开关(9)，机车牵引控制器(3)控制机车的所有运行工况，机车牵引控制器(3)的两个输出通道分别连接到电力电子驱动装置(4)与软制动控制器(5)的控制指令输入通道；电力电子驱动装置(4)的功率输出与直流牵引电机(1)连接，并保证电力电子驱动装置(4)的输出正极与直流牵引电机(1)的正极连接，电力电子驱动装置(4)的输出负极与直流牵引电机(1)的负极连接；大容量平稳电压电容器(8)并接于电力电子驱动装置(4)功率输出的两个端点上；能耗制动软开关(9)的阴极与大功率能耗电阻器(10)串接后再与大容量平稳电压电容器(8)并接，并保证能耗制动软开关(9)的阳极与电力电子驱动装置(4)的输出正极连接；再生制动软开关(6)的阳极接在直流牵引电机(1)的正极，再生制动软开关(6)的负极与大功率馈电二极管(7)的正极串接，大功率馈电二极管(7)的负极接至1500V直流电网(11)的正极；软制动控制器(5)的两个控制输出通道分别与再生制动软开关(6)和能耗制动软开关(9)的控制极连接，以便接收软制动控制器(5)所发出的控制指令；直流牵引电机(1)是机车的电气动力，通过机械传动结构与拖动机械(2)连接。
2、根据权利要求1所述的地铁机车电气软制动系统，其特征是，当电气制动从再生制动转至能耗制动后，软制动控制器(5)中断再生制动指令输出通道，再生制动软开关(6)控制极电压从最大值变换到零。
3、根据权利要求1所述的地铁机车电气软制动系统，其特征是，当能耗制动软开关(9)导通电流趋于零时，软制动控制器(5)中断能耗制动指令输出通道，能耗制动软开关(9)控制极电压也从最大值变换到零。
4、根据权利要求1或者2或者3所述的地铁机车电气软制动系统，其特征是，所述的软制动控制器(5)，从机车牵引控制器(3)至电力电子驱动装置(4)的制动指令输出通道上并行获取控制指令信号的同时，执行对再生制动软开关(6)或能耗制动软开关(9)的软开通/软关断控制指令。
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