一種軌道交通車輛制動(dòng)電阻超溫保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

邵躍虎

摘 要：軌道交通車輛制動(dòng)電阻安裝在車底，環(huán)境惡劣，振動(dòng)大，工作溫度在400攝氏度以上，對(duì)其進(jìn)行溫度監(jiān)控和超溫保護(hù)是保證制動(dòng)電阻可靠運(yùn)用的關(guān)鍵。文章介紹了軌道交通車輛制動(dòng)電阻的工作原理和一種電橋測(cè)溫并實(shí)現(xiàn)超溫保護(hù)的方法，對(duì)其各個(gè)功能模塊的工作原理進(jìn)行了闡述，可作為類似應(yīng)用場(chǎng)合的設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)電阻；制動(dòng)系統(tǒng)；溫度監(jiān)控；超溫保護(hù)

引言

軌道交通車輛在電制動(dòng)工況下電機(jī)產(chǎn)生的反向力矩將車輛動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，一部分能量反饋回電網(wǎng)，多余的能量則以斬波電流的形式通過(guò)制動(dòng)電阻發(fā)熱消耗掉。制動(dòng)電阻吸能發(fā)熱過(guò)程中，溫度一旦超過(guò)其設(shè)定的最高值，將對(duì)電阻造成破壞性影響。本文提出了一種制動(dòng)電阻溫度監(jiān)控方法，可以實(shí)時(shí)采集其溫度信息，并將超溫狀態(tài)傳送給車輛控制器，控制器根據(jù)超溫狀態(tài)控制制動(dòng)電阻是否繼續(xù)吸能，起到保護(hù)制動(dòng)電阻的作用。

1 制動(dòng)電阻介紹

車輛制動(dòng)方式分為摩擦制動(dòng)和電制動(dòng)兩類，摩擦制動(dòng)通過(guò)閘瓦與輪踏面摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力，一般通過(guò)壓縮空氣或者壓縮液體推動(dòng)閘瓦進(jìn)行制動(dòng)；電制動(dòng)則是通過(guò)電機(jī)的反向力矩，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，使車輛減速，目前國(guó)內(nèi)大部分軌道交通車輛采用空氣制動(dòng)和電制動(dòng)相結(jié)合。電阻制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是可以降低車輛制動(dòng)系統(tǒng)閘瓦等機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作頻率，減小車輛機(jī)械磨損，制動(dòng)無(wú)噪音，有效提高了列車制動(dòng)的效率。

制動(dòng)電阻箱一般安裝在車輛底部，采用自然風(fēng)冷和強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式，以某型號(hào)制動(dòng)電阻為例，其工作電壓為1800V，電阻箱阻值3歐姆，采用Cr20Ni80和Cr20Ni20兩種材料的電阻帶串聯(lián)而成。兩種材料在600℃范圍內(nèi)其電阻率隨溫度升高而遞增，其中Cr20Ni80材料溫度特性較為穩(wěn)定，隨溫度升高，電阻率變化較小，Cr20Ni20材料溫度系數(shù)較大，隨溫度升高，電阻率變化較為明顯，電阻箱設(shè)計(jì)的超溫保護(hù)值為550±30℃，制動(dòng)電阻雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其500℃的額定工作溫度對(duì)溫度監(jiān)控提出了難題，必須要有一種可靠的監(jiān)測(cè)手段保證制動(dòng)電阻超溫時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，切斷電阻箱斬波輸入，防止溫度進(jìn)一步升高。

2 超溫保護(hù)裝置工作原理

軌道交通車輛制動(dòng)電阻安裝在車輛底部，額定工作溫度高，常用的測(cè)溫手段易受高強(qiáng)度振動(dòng)和車底復(fù)雜的電磁環(huán)境干擾，測(cè)量不準(zhǔn)確。一種可行的辦法是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過(guò)電橋原理對(duì)溫度進(jìn)行精確測(cè)量。制動(dòng)電阻箱與超溫保護(hù)裝置的關(guān)聯(lián)關(guān)系圖如下所示：

制動(dòng)電阻箱A、B間電阻帶與超溫保護(hù)裝置的電位調(diào)節(jié)器形成電橋，其中制動(dòng)電阻箱A、B之間的電阻帶為第一對(duì)比例臂，A、B引出線同時(shí)作為超溫保護(hù)裝置的電源；超溫保護(hù)裝置的電位調(diào)節(jié)器也采用高精度的電阻組成，作為第二對(duì)比例臂，第一、第二比例臂中間點(diǎn)C和D引出線作為溫度監(jiān)控單元的差分輸入信號(hào)。

車輛制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)電阻上將施加任意波形的單向斬波電壓，超溫保護(hù)裝置不需額外增加電源供給直接在制動(dòng)電阻上取電，制動(dòng)電阻隨著斬波電壓的輸入，電阻帶迅速升溫，根據(jù)電阻帶材料特性，在最大允許工作溫度范圍內(nèi)，電阻隨溫度增加而增加，Cr20Ni80電阻帶電阻變化慢，Cr20Ni20電阻帶電阻變化快，因此兩種材料中間點(diǎn)C點(diǎn)電壓隨溫度升高而緩慢升高，從而使C、D兩點(diǎn)的電位差隨制動(dòng)電阻平均溫度的升高呈單調(diào)遞增性，超溫保護(hù)裝置實(shí)時(shí)采樣C、D兩點(diǎn)間電位差，一旦其達(dá)到或超過(guò)預(yù)定值，溫度監(jiān)控單元將輸出開關(guān)報(bào)警信號(hào)給車輛控制器，以此停止制動(dòng)電阻的斬波輸入，防止電阻帶溫度進(jìn)一步升高，保證制動(dòng)電阻安全可靠運(yùn)行。超溫保護(hù)裝置的核心是溫度監(jiān)控單元，其邏輯框圖如下：

電源濾波儲(chǔ)能模塊：該模塊為超溫保護(hù)裝置提供規(guī)范電源，可接受規(guī)定幅值以內(nèi)的任意電壓波形供電，能夠快速充電，同時(shí)儲(chǔ)存電能，制動(dòng)電阻斬波消失后，仍然能為其他模塊提供電源支撐，通常設(shè)計(jì)支撐時(shí)間為3至5秒。

信號(hào)隔離濾波模塊：該模塊的作用是對(duì)輸入的信號(hào)的有無(wú)進(jìn)行濾波，得到數(shù)字信號(hào)。根據(jù)制動(dòng)電阻上斬波信號(hào)產(chǎn)生的特點(diǎn)，只有輸入的信號(hào)幅值達(dá)到一定幅值范圍，才認(rèn)為輸入信號(hào)有效，信號(hào)有效則輸出數(shù)字信號(hào)1到邏輯處理模塊，如果輸入信號(hào)未達(dá)到設(shè)定的電壓幅值門檻，則輸出數(shù)字信號(hào)0到邏輯處理模塊。

信號(hào)隔離比較模塊：該模塊以比較器作為核心元器件，其作用是對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大比較，得到數(shù)字信號(hào)，差分信號(hào)超過(guò)或者等于閥值，則輸出數(shù)字信號(hào)1，小于閥值，則輸出數(shù)字信號(hào)0。

邏輯處理模塊：將信號(hào)隔離濾波模塊和信號(hào)隔離比較模塊的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行綜合后輸出具有驅(qū)動(dòng)能力的數(shù)字信號(hào)，只有兩個(gè)信號(hào)處理模塊都輸出為1時(shí)該模塊才輸出具有較強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的數(shù)字信號(hào)1，邏輯處理模塊還將對(duì)數(shù)字信號(hào)1進(jìn)行鎖止，只要輸出為1則將輸出鎖定為1，直到整個(gè)裝置失電，其他情況都輸出數(shù)字信號(hào)0。

變壓器隔離輸出模塊：隔離輸出模塊接收邏輯處理模塊的數(shù)字信號(hào)，將該數(shù)字信號(hào)作為振蕩器的輸入，為變壓器提供震蕩源，當(dāng)接收到邏輯處理模塊輸出的具有驅(qū)動(dòng)能力的數(shù)字信號(hào)1時(shí)，震蕩器起震，為變壓器提供能量，并控制后級(jí)繼電器電路輸出，當(dāng)收到數(shù)字信號(hào)0時(shí)，關(guān)閉震蕩，無(wú)輸出。后繼繼電器輸出為開關(guān)量輸出，正常情況下繼電器輸出閉合，超溫狀態(tài)下繼電器輸出開路。通過(guò)振蕩器將電壓放大，通過(guò)變壓器和繼電器進(jìn)行隔離，提高了輸出信號(hào)與內(nèi)部邏輯電路的隔離能力，抗干擾能力強(qiáng)，具有優(yōu)良的開關(guān)輸出特性。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)的軌道交通蓬勃發(fā)展，車輛運(yùn)營(yíng)里程和發(fā)車頻次大為提高，車輛頻繁的加速和制動(dòng)，對(duì)制動(dòng)電阻超溫保護(hù)提出不小考驗(yàn)，現(xiàn)有的同類產(chǎn)品在溫度采樣精度、抗干擾能力上或多或少存在不足之處，本文的超溫保護(hù)裝置通過(guò)信號(hào)隔離濾波模塊對(duì)信號(hào)有無(wú)進(jìn)行濾波，提供了抗干擾能力，采用高精度電位器與制動(dòng)電阻形成電橋，通過(guò)電橋原理將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，采用無(wú)源的電壓檢測(cè)系統(tǒng)，安裝便捷，適用性強(qiáng)。

制動(dòng)電阻超溫保護(hù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，除了研制穩(wěn)定可靠的超溫保護(hù)電路外，制動(dòng)電阻的材料選擇，散熱設(shè)計(jì)、制造工藝、EMC防護(hù)等同樣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)精度和可靠性方面起著至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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