動車組再生制動的研究

謝興龍 張鵬 宋程

【摘? 要】隨著人們出行對動車等交通工具需求的增長，人們研發(fā)出了動車組模式，利用帶動力的動車和不帶動力的動車進行編組，提高了人們乘坐的舒適程度，相比于以往的動車和火車具有更強的乘車優(yōu)勢，因此動車組得以在全世界范圍內(nèi)使用且受到了好評。此外，動車組的再生制動技術也打破了傳統(tǒng)動車組利用空氣制動的方式，再生制動是一種反饋制動，能夠讓動車組的制動能量形成一種循環(huán)，在啟動的情況下向電網(wǎng)輸送動能轉(zhuǎn)化的能量，減少部件磨損情況。最重要的是，它最突出的優(yōu)勢就在于能源的節(jié)約，符合目前對能源新型利用的新形勢。因此，本文對動車組再生制動的研究具有較強的現(xiàn)實意義。

【關鍵詞】再生制動;動車組;能源

一、制動系統(tǒng)概述

（一）制動系統(tǒng)對動車組的意義

制動系統(tǒng)是一種回饋系統(tǒng)，能夠通過動車的動能進行存儲和轉(zhuǎn)化，并重新回饋給電網(wǎng)，這樣動能會盡可能減少轉(zhuǎn)換成無用的熱能，持續(xù)為動車充能。而這一過程同樣能夠幫助動車組調(diào)節(jié)車速，動車組需要降低車速甚至是停止的情況下，就需要通過制動器產(chǎn)生的制動力矩快速停止車輪的慣性，從而下降車輪的轉(zhuǎn)速;若要提高車速，就要足夠的牽引功率。

（二）高速動車組復合制動系統(tǒng)組成和特點

高速動車組是為了實現(xiàn)長時間保持在高速行駛的列車，因此相比于以前的動車來說，它所需要的制動能量更大，而傳統(tǒng)的空氣制動以及其他制動技術會隨著列車的啟動而造成制動零件的損耗，另外制動熱容量以及制動距離等因素也有所限制，不能達到更高更平穩(wěn)的車速，因此目前高速動車組采用更加有效的復合制動系統(tǒng)，滿足高速動車組的各類需求，不僅可以保持長時間的高速行駛，還能夠減少零件損耗和節(jié)約能源。一般而言，復合制動系統(tǒng)是包含了動力制動、傳統(tǒng)的空氣制動系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)以及非黏著制動裝置和防滑器。

高速動車組的基本制動模式是由電制動和空氣制動組合而成，而主要運行的是電制動。電制動系統(tǒng)是由電阻制動和再生制動相結(jié)合而成的系統(tǒng)，再生制動技術在動車組啟動時會將牽引電機改為發(fā)電機，產(chǎn)生反向電流和反向力矩，而動能也會因為再生制動系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成電能，回復到電網(wǎng)中，完成兩個制動技術的配合。另外，電制動系統(tǒng)需要和防滑器一起使用，防滑器利用行駛過程中的車輪和軌道之間的黏著力來縮短制動的距離。

而采用復合制動系統(tǒng)是為了防止電制動系統(tǒng)在失靈或者損壞的情況下需要動車快速停止而設計的。當然，因為電制動系統(tǒng)具有更強的優(yōu)勢，因此空氣制動系統(tǒng)一般是作為備用系統(tǒng)使用，在動車組正常行駛中，會優(yōu)先采用電制動系統(tǒng)，只有在動車調(diào)節(jié)車速的情況下會使用空氣制動系統(tǒng)。

二、高速動車組再生制動理論分析

（一）高速動車組再生制動工作原理

為了滿足動車組高速行駛的需求，人們對電機調(diào)速的研究一直不斷進行中，電子電力技術也有了明顯的進步，再加上再生制動技術的進展讓人們看到了高速列車長時間平穩(wěn)安全行駛且減少能源消耗的可能性。因此，人們將再生制動技術應用在電力機車上，并實現(xiàn)了高速動車組的普遍運行。

再生制動技術有三個明顯的優(yōu)勢，一是動車的制動情況更加優(yōu)越;二是有效地節(jié)約能源，能夠利用技術將動車組產(chǎn)生的動能進行存儲和轉(zhuǎn)換，降低了熱能的消耗，并將動能轉(zhuǎn)換成有用的電能重新回饋給電網(wǎng)，從而補充能量，進行能量的部分循環(huán);三是相較于空氣制動系統(tǒng)，再生制動技術對制動零部件的損耗較小，更好地保證了動車組的安全行駛，降低了零件維護的成本。

高速動車組中的再生制動技術主要與牽引電機有關。而牽引電機分為直流牽引系統(tǒng)和交流牽引系統(tǒng)，總體來說直流牽引系統(tǒng)發(fā)展速度較快，而交流牽引系統(tǒng)則在后頭突飛猛進。直流牽引系統(tǒng)首先產(chǎn)生于十九世紀，在二十世紀早期占領較大的市場，其優(yōu)勢就在于能夠更好地為電機調(diào)速，且當時主要是傳動系統(tǒng)，因此應用較廣;交流牽引系統(tǒng)是隨后產(chǎn)生的，雖然兩者都在研究和應用上有所發(fā)展，但是直到二十世紀后期的電力電子技術和現(xiàn)代控制理論取得較大的進步，并且真正應用于實踐中，交流牽引系統(tǒng)才算是真正在市場中開始立足，并且隨著現(xiàn)代技術和動車高速運轉(zhuǎn)的需求，交流牽引系統(tǒng)進行優(yōu)化和升級，具有更高的性價比，因此逐漸取代直流牽引系統(tǒng)。

圖1所示的動車組交流傳動系統(tǒng)能量流動圖可以看出再生制動系統(tǒng)的運作方式。動車啟動時，牽引系統(tǒng)中的牽引工況開始，受電弓通過接觸網(wǎng)開始受電，以主斷路器為媒介，連接到變壓器上變壓之后的單相交流電由脈沖整流器轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗蛑绷麟姽┙o到逆變器中，逆變器給三相交流異步電動機輸送三相交流電;與此同時，牽引系統(tǒng)中的制動工況則將流程反轉(zhuǎn)，再生系統(tǒng)將牽引電機變?yōu)榘l(fā)電機，產(chǎn)生反向電流后，整流器與逆變器的功能就相互轉(zhuǎn)變，交流電先經(jīng)過兩電平逆變器整流，然后直流，最后通過四象限脈沖整流器又轉(zhuǎn)變成交流電反饋給電網(wǎng)，完成能量的補充。

圖1 交流傳動系統(tǒng)能量流動圖

（二）交流牽引傳動系統(tǒng)

目前高速動車組的交流牽引傳統(tǒng)系統(tǒng)主要靠交流異步牽引電機完成主要流程環(huán)節(jié)，其中三相交流異步電機是使用范圍較為廣泛的，我國由于高速動車組發(fā)展較快，三相交流異步電機的使用情況相對普遍。

想要發(fā)揮出交流異步牽引電機的功能，就需要匹配合適的調(diào)速系統(tǒng)和裝置，兩者若配合妥當才能滿足高速動車組再生制動系統(tǒng)的需求。就目前而言，根據(jù)交流異步牽引電機的性能，首先選擇的調(diào)速系統(tǒng)是交直交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，由整流環(huán)節(jié)、中間直流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)三個環(huán)節(jié)組合而成。

（二）再生制動的能量分析

上述提到，電制動中包含了電阻制動和再生制動裝置，原因是在地鐵機車實際的運行中，再生制動技術中的直流供電網(wǎng)會將制動能量流回，但是制動能量如果沒有消耗干凈，會使得直流電網(wǎng)的電壓提升。長此以往，會嚴重縮短用電設備的壽命，甚至造成更大的損失和安全隱患?；诖?，再生制動裝置中會加入電阻制動來損耗掉多余的制動能量，使得直流供電網(wǎng)保持在一個穩(wěn)定的電壓中，從而減少用電設備的異常損壞。而電阻制動裝置一般選擇車載和地面兩種，差別如下：

首先是成本問題。車載電阻制動裝置總體上成本要高于地面電阻制動裝置。相對于地面電阻制動裝置，車載整體而言較為穩(wěn)定和成熟，受到電網(wǎng)電壓和制動負載吸收的影響較小，而且結(jié)構相對簡單，但是缺點就在于對于地鐵線路而言，它的再生電能的處理方式成本較高，而且不能很好地將熱能轉(zhuǎn)換為電能，因此使用過程中，熱能很容易溢散到隧道和站臺上，加重站內(nèi)環(huán)控系統(tǒng)的負擔，進一步增加維護的成本。

其次是兩者為了固定而采用的設備要求也有所差別。車載電阻制動裝備因為是隨著地鐵而動，因此雖然結(jié)構簡單，但是要應對地鐵的具體情況進行設置，無論是大小還是重量都有嚴格的要求，對應的固定裝置也會有較高的要求;而地面電阻制動裝備只是安裝在地面中，空間較大，沒有太高的限制，主要的要求是能夠讓裝置起到降低隧道和站臺溫度的作用。因此，車載裝置本身的效率是不夠高的，運營要求也更多。

（三）地面電阻制動

電阻制動裝置就是為了防止直流電網(wǎng)中形成的多余電能導致直流電網(wǎng)電壓上升的情況，再加上地面電阻裝置相比于車載電阻制動裝置而言具有更高的性價比，因此一般地鐵會采用地面電阻制動裝置。該裝置主要是依靠電氣開關的方法，原理就是當直流電網(wǎng)上再生制動形成的電能電壓過高時，地面電阻制動就會啟動，然后消耗掉多余的電能，使電壓恢復到正常狀態(tài)再取出。電氣開關的操作較為簡單，但是過于頻繁也會導致設備損壞較快，而且電阻的安裝和去除過程會對電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成一定的影響。

三、結(jié)語

再生制動裝置是為了保持高速動車組的穩(wěn)定性和安全性，能夠讓動車組實現(xiàn)安全的調(diào)速，從而保證動車組的運行。另外，再生制動技術還能夠節(jié)約能源，將動能轉(zhuǎn)換為電能補給能量，實現(xiàn)環(huán)保出行的目的，因此受到全世界的歡迎和推廣。相關技術也在不斷地發(fā)展中，以實現(xiàn)更加安全、穩(wěn)定和高效的動車組運營，滿足人們的需求。

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（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）