基于地鐵制動電阻地面化方案的研究

方 剛

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司電化處供變電所，武漢 430063）

基于地鐵制動電阻地面化方案的研究

方 剛

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司電化處供變電所，武漢 430063）

文中闡述地鐵車輛能耗制動的基本方案及原理，結(jié)合變頻器制動電阻的計算原理對地鐵制動電阻地面化方案中電阻的阻值進(jìn)行修正，最后提出了制動電阻功率計算的新思路。

地鐵；制動電阻；方案

1 引言

地鐵以其快捷、準(zhǔn)時、舒適、運(yùn)輸能力強(qiáng)等特點(diǎn)越來越被人們認(rèn)同，發(fā)展地鐵已成為我國城市實(shí)現(xiàn)交通現(xiàn)代化的首選。為了滿足地鐵車輛安全性的要求，主要采用機(jī)械制動與電氣制動相結(jié)合的方式。電氣制動主要包括兩種：能耗制動和再生制動。基本原理都是頻率下降過程中，電動機(jī)將處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速隨頻率的下降而下降。能耗制動通過控制制動電阻把直流母線升高的電壓以熱能的方式消耗掉。為了系統(tǒng)平穩(wěn)降速，選擇合適的制動電阻和制動單元。目前關(guān)于制動電阻參數(shù)的計算方法有很多種，常用的方法就是估算法。從工程的角度看，要精確計算制動電阻的阻值和功率在應(yīng)用過程中是比較困難的，主要原因是部分參數(shù)無法精確測量[1]。

2 制動電阻研究現(xiàn)狀

目前，由于再生制動能量吸收裝置技術(shù)的限制，在國內(nèi)廣泛采用能耗制動方式。能耗制動主要分車載制動電阻方式和制動電阻地面化方式。為了減小車體重量，降低地下隧道溫升，以及為今后再生制動能量吸收裝置預(yù)留安裝位置等原因，載制動電阻方式逐漸被制動電阻地面化方式所取代，地鐵牽引降壓車站制動電阻室平面布置如圖1所示。

圖1 車站電阻室平面布置示意圖

采用地面型制動電阻，為保證列車行車制動安全，每個牽引變電所均考慮設(shè)置一套制動電阻，并配套安裝制動控制系統(tǒng)。制動電阻可安裝在地下牽引變電所內(nèi)，也可單獨(dú)安裝在地上，通過檢測直流母線電壓調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比而改變制動電阻消耗功率。由于在一個牽引變電所供電范圍內(nèi)有數(shù)列列車運(yùn)行，需要消耗的制動能量大大增加，因此制動電阻體積和容量龐大；同時，由于產(chǎn)生的大量熱量集中排放，必須有制動電阻專門的散熱環(huán)控設(shè)備。合理安排列車發(fā)車間隔時間，使車輛制動時相鄰車輛運(yùn)行于同一牽引變電所供電范圍內(nèi)且處于牽引工況，可最大限度利用再生制動能量，減少制動電阻上的電能消耗，從而可選擇功率、體積更小的制動電阻，以降低制動電阻采購和使用成本[2]。

實(shí)際電阻的阻值選擇范圍為[1]

式中，UD為制動電壓閥值；IMN為電機(jī)的額定電流值；RB為制動電阻阻值。

式中， 為制動電阻的降額系數(shù)；R實(shí)際選用的電阻阻值；PB為制動電阻的功率；nED為剎車使用率。

3 制動電阻阻值

選取某城市地鐵線路中的4個車站A、B、C、D，其中車站A、D為牽引降壓車站，車站B、C為降壓車站，則車站A、D構(gòu)成了一個供電區(qū)間，截取上行線為例，如圖2所示。根據(jù)地鐵車輛的運(yùn)行特性，列車制動都出現(xiàn)在列車將要進(jìn)入車站的時間段，因此在該時間段中列車將產(chǎn)生大量的再生能量，假設(shè)情況最惡劣的時刻，如圖2中，列車1號、2號、3號同時開始制動分別進(jìn)入車站 A、B、C，而制動電阻裝置設(shè)置在牽引降壓車站即車站A、車站D，因此該供電區(qū)間產(chǎn)生的能量主要只能靠設(shè)置在A、D中的電阻來吸收轉(zhuǎn)化為熱量。因此，電阻阻值應(yīng)該根據(jù)牽引降壓車站之間車站的數(shù)量將計算結(jié)果進(jìn)行修正，對全線的牽引降壓車站進(jìn)行差別化考慮。

如圖3所示，在牽引降壓車站B產(chǎn)生的再生制動能量為PX，該能量為該牽引降壓車站兩側(cè)3輛列車同時制動產(chǎn)生，由于電動機(jī)額定電流IMN為定值，則電阻即

4 制動電阻功率

制動電阻的功率如果按照式（2）計算無法準(zhǔn)確獲取nED。因此，可以根據(jù)某一牽引變電所在極限情況下，牽引功率運(yùn)行曲線來計算車輛在某一周期內(nèi)產(chǎn)生的再生能量，如圖4所示，中圖對一個牽引降壓變電所在極端運(yùn)行方式下，600S牽引功率運(yùn)行曲線，電壓閥值

圖3 某牽引降壓車站列車運(yùn)行示意圖

根據(jù)圖4所示，我們可以粗略統(tǒng)計車輛牽引功率運(yùn)行周期，如表1所示。同時選取第三個周期為研究對象，在 S1、S2區(qū)域范圍內(nèi)瞬時功率的統(tǒng)計數(shù)值如表2、表3所示。根據(jù)積分基本原理，對面積 S1，S2區(qū)域內(nèi)再生能量求和，從而計算制動電阻功率為132kW。

圖4 某牽引降壓變電所牽引功率運(yùn)行曲線

表1 周期時間統(tǒng)計

5 結(jié)論

根據(jù)地鐵牽引降壓變電所設(shè)置的特點(diǎn)，差別化計算制動電阻的電阻值，利用牽引降壓變電所牽引功率運(yùn)行曲線求取制動電阻的功率為今后實(shí)際工程中對制動電阻地面化方案設(shè)計提供了重要依據(jù)。

表2 S1區(qū)間的瞬時功率數(shù)值

表3 S2區(qū)間的瞬時功率數(shù)值

[1] 劉元剛.臺達(dá)變頻器制動電阻設(shè)計[J].電機(jī)與控制應(yīng)用.2007,34(7).

[2] 李友瑜,楊守?zé)?陽吉初,劉能文.地鐵列車制動電阻的種類及優(yōu)化設(shè)計[J].城市軌道交通研究,2010(5).

Research Based on the Ground of the Braking Resistor Program on Subway

Fang Gang
（Fourth Survey and Design Institute of China Railway Group Ltd.,Wuhan 430063）

The scheme and principles of analysis of train braking in subway was described on the paper. The braking resistor value was modified of the program on ground by the principle of inverter braking resistor. The new ideas of calculation about the braking resistor power proposed.

subway；braking resistor；program

方 剛（1985-），男，浙江衢州人，助理工程師，研究方向：城市軌道交通變電設(shè)計。