城市軌道交通再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究畢業(yè)論文

1、華東理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 a城市軌道交通再生制動(dòng)能量7收系統(tǒng)研究學(xué)專年學(xué)姓院 華東理工大學(xué)業(yè)電氣自動(dòng)化級(jí) 2016號(hào)26140118名導(dǎo)師定稿日期：2016年11月12日摘要城市軌道交通作為一種運(yùn)量大、速度快、污染少、舒適性好的交 通工具，很有力的緩解大中型城市乘車難、環(huán)境污染及交通擁堵等難 題。近年來(lái)我國(guó)著力發(fā)展城市輕軌和地鐵，本文主要以地鐵作為研宄 對(duì)象。城市軌道交通站間距離短、運(yùn)行密度高，機(jī)車頻繁制動(dòng)吋產(chǎn)生 相當(dāng)可觀的再生能量，將產(chǎn)生的能量得以利用，不僅節(jié)約能源、保護(hù) 環(huán)境同時(shí)降低電壓利于機(jī)車安全運(yùn)行。再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量得以利用 是本文研究的重點(diǎn)，提出逆變電阻混合型再生制動(dòng)能量吸

2、收方案。本 課題以建立地鐵再生制動(dòng)及能量吸收仿真平臺(tái)為目的，利用仿真軟件 建立機(jī)車運(yùn)行制動(dòng)模型及混合型能景吸收模型。首先，分析和總結(jié)幾 種城市軌道交通車輛制動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)研宄饋能型再生制動(dòng)方 案的基本原理及主要技術(shù)問(wèn)題，提出逆變電阻混合型再生制動(dòng)能量吸 收方案。然后基于電阻制動(dòng)原理，結(jié)合逆變并網(wǎng)電阻制動(dòng)方案進(jìn)行建 模、仿真分析，并對(duì)再生制動(dòng)產(chǎn)生功率及電流進(jìn)行粗略的計(jì)算。關(guān)鍵詞：再生制動(dòng)；逆變并網(wǎng)；電阻制動(dòng)abstractas a large capacity, fast speed, less pollution and comfortable transportation, urban

3、 rail transit effectively alleviate the transportation pressure of the large and medium-sized city, environmental pollution and traffic congestion . in recent years, china began to develop the light rail transit and subway. the subway stations has shorter distance and locomotive has haig density run

4、ning. during locomotive frequently braking, it produced considerable regeneration energy. reasonable utilization of the regeneration energy not only save energy，protect environment but also reduce the regeneration energy not only save energy， protect environment but also reduce the voltage grade for

5、 the locomotives safety operation. this paper is the focus on utilization of the regeneration energy，and the inverter-resistance hybrid method is propose. this topic is purposed to build metreo regenerative braking and inverter-resistance hybrid energy absorption model by simulationsoftware.firstly,

6、 the urban rail transit power supply system has been introduced. several vehicle braking scheme has been summarized and analyzed for their advantages and disadvantages. the inverter-resistance hybrid of regenerative braking energy absorption solution has been purposed.secondly，combined with inver an

7、d resistance braking scheme, the model was built analyze and the power and current ofregenerative braking was computd.key word: regenerative braking; inverter; resistance brakem 1胃¥ i侖51.1城市軌道交通的發(fā)展21.2再生制動(dòng)能量回饋的意義21.3本文的主要內(nèi)容3第2章再生制動(dòng)能量吸收利用技術(shù)32. 1城市軌道交通供電系統(tǒng)42.2城市軌道交通再生制動(dòng)能量吸收方案52.2. 1車輛制動(dòng)方式52.2.2電阻

8、能耗型62.2.3電容儲(chǔ)能型72. 2. 4逆變回饋型82.2.5三種方案比較82.3逆變電阻混合型主從配合方案92.4本章小結(jié)10第3章混合逆變-電阻制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.1逆變-電阻制動(dòng)系統(tǒng)113.1.1逆變-電阻型控制策略113.1.2逆變-電阻型仿真分析123. 2制動(dòng)工況仿真分析143. 3再生制動(dòng)的能量計(jì)算173. 3.1機(jī)車制動(dòng)特性及計(jì)算步驟173.4基于制動(dòng)特性曲線的計(jì)算實(shí)例193.5本章小結(jié)22麵2223第1章緒論1.1城市軌道交通的發(fā)展隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市人口密集度和流動(dòng)度口益增加， 現(xiàn)有的交通已經(jīng)不堪重負(fù)，交通不便己成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大 因素，同時(shí)造成大中城市

9、居民出行難坐車難的現(xiàn)象。機(jī)動(dòng)車輛的增長(zhǎng), 導(dǎo)致交通更加擁堵，同時(shí)造成y大氣污染和噪聲污染。城市軌道交通 具存運(yùn)量大、速度快、空間利用合理、污染少等特點(diǎn)，因此它受到 世界各國(guó)的青睞。大力發(fā)展城市軌道交通己成為各國(guó)解決城市交通擁 堵問(wèn)題的重要手段。我國(guó)城市軌道交通發(fā)展比較滯后，近年來(lái)國(guó)家己充分認(rèn)識(shí)到發(fā) 展城市軌道交通的重要性，各大省會(huì)城市均己修建地鐵或整改規(guī)劃地 鐵線，而特大城市已開(kāi)始發(fā)展軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)。北京、上海、 廣州、等城市己有多條軌道交通線路幵通運(yùn)行。同時(shí)青島、昆明、蘭 州、濟(jì)南、合肥等城市已經(jīng)開(kāi)展城軌交通的建設(shè)工作。至2016年， 國(guó)內(nèi)城軌線路將擁有89條，超過(guò)2500公里的運(yùn)營(yíng)里

10、程1。1.2再生制動(dòng)能量回饋的意義城市軌道交通已得到大力發(fā)展，地鐵作為城市軌道交通的主要運(yùn) 輸工具，相對(duì)干線電氣化鐵路而言，地鐵具有站間距離短、啟動(dòng)制動(dòng) 頻繁、運(yùn)行速度變化相對(duì)較大等特點(diǎn)。一般交流傳動(dòng)的地鐵車輛再生 制動(dòng)反饋能量占牽引吸收能量的，此反饋比例與.乍輛的特性、線路特 征息息相關(guān)。地鐵機(jī)車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的能量會(huì)使?fàn)恳W(wǎng)電壓升高， 若不釆取任何吸收或消耗措施，將導(dǎo)致?tīng)恳W(wǎng)壓超過(guò)規(guī)定值，造成其 他供電設(shè)備的損壞。對(duì)地鐵再生電能進(jìn)行回收再利用，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義：首先，右助于提高電能的利用率，減少電能消耗；其次，穩(wěn) 定牽引網(wǎng)電壓，提高供電可靠性；第三，可以降低地鐵隨道洞體和車 站內(nèi)的溫升，

11、改善地鐵站內(nèi)空氣質(zhì)量；第四，合理配置再生能量 回收裝置還能減少車載設(shè)備，減少車輛自重，從而降低列車能耗并減 輕電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，提高車輛行駛的安全性和使用的經(jīng)濟(jì)性從節(jié)約能源的角 度看，研宄能量的逆變并網(wǎng)十分必要。1.3本文的主要內(nèi)容本文主要研究?jī)?nèi)容如下：(1) 分析和總結(jié)幾種城市軌道交通車輛制動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn) 討論饋能型再生制動(dòng)方案的基本原理及主要技術(shù)問(wèn)題，提出逆變電阻 混合型再生制動(dòng)能量吸收方案。(2) 基于電阻制動(dòng)原理，結(jié)合逆變并網(wǎng)電阻制動(dòng)方案進(jìn)行建模、 仿真分析，保證列車供電系統(tǒng)的安全可靠經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，并將制動(dòng)工況 的仿真分析與再生制動(dòng)產(chǎn)生功率及電流進(jìn)行粗略計(jì)算結(jié)果相比較。第2章再生制動(dòng)能量吸

12、收利用技術(shù)2. 1城市軌道交通供電系統(tǒng)我國(guó)城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)電壓主要有dc750v、 dc1500v兩種電壓等級(jí)，牽引供電制式比較分析見(jiàn)表2-1。接觸網(wǎng)按 結(jié)構(gòu)分為架空式和接觸軌式，按懸掛方式可分為剛性、柔性接觸網(wǎng)。 結(jié)合牽引網(wǎng)的形式，牽引供電方式主要分為dc750v接觸軌系統(tǒng)、 dc1500v柔性架空牽引網(wǎng)系統(tǒng)、dc1500v剛性架空牽引網(wǎng)系統(tǒng)和 dc1500v接觸軌系統(tǒng)等四種基本形式?，F(xiàn)我國(guó)軌道交通供電系統(tǒng)多采 用dc1500v供電。表2-1牽引供電制式比較電壓等級(jí)特點(diǎn)適用范圍允許電壓波動(dòng)范 圍dc750v供電可靠性高、壽命 氏、維修費(fèi)用低。供 電距離短、牽引變電 所數(shù)量多、雜散

13、電流 大、運(yùn)營(yíng)電能損耗大適用于屮小運(yùn):w:軌道 交通系統(tǒng)500v-900vdc1500v供電距離長(zhǎng)、牽引 變電所少、牽引網(wǎng) 電流小、雜散電流 小、利于車輛再-生 制動(dòng)能量的吸收適用于中大運(yùn)量、站間距長(zhǎng)的軌道 交通系統(tǒng)1000v-1800v城市軌道交通供電系統(tǒng)，地鐵供電系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2-1所示,主要由以下幾部分構(gòu)成：(1)主變電所為地鐵建設(shè)的專用變電所，只有采用集中式供電 方式吋才設(shè)置，專為地鐵牽引供電系統(tǒng)和供配電系統(tǒng)供電。主變電所一般沿地鐵線路靠近車站的位置建設(shè)，以便于電纜線路的引入。(2)中壓網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系主變電所、牽引變電所、降壓變電所的供電網(wǎng)絡(luò)，一般采用電纜線路、環(huán)網(wǎng)供電方式。(3) 牽引供

14、電系統(tǒng)專為電動(dòng)車輛服務(wù)，包括牽引變電所、沿線 敷設(shè)的牽引網(wǎng)。(4) 供配電系統(tǒng)專為地鐵除電動(dòng)車輛以外的所有動(dòng)力照明負(fù)荷 供電，如車站和區(qū)間的動(dòng)力、照明及其他為地鐵服務(wù)的自動(dòng)化用電設(shè) 施，供配電系統(tǒng)包括降壓變電所、低壓配電系統(tǒng)2。1牽引供電糸統(tǒng)1供配電系統(tǒng)地鐵電_供 源電系統(tǒng)主變電所牽引變電所1牽引網(wǎng) -降壓變電所1動(dòng)力照明接觸軌架空接 觸網(wǎng)走行軌圖2-1地鐵供電系統(tǒng)構(gòu)成框圖2.2城市軌道交通再生制動(dòng)能量吸收方案2.2.1車輛制動(dòng)方式隨著地鐵列車交流傳動(dòng)技術(shù)的推進(jìn)，車輛制動(dòng)模式主要以電制動(dòng) 為主和機(jī)械制動(dòng)為輔，基本制動(dòng)方案見(jiàn)表2-2。機(jī)械制動(dòng)又稱空氣制動(dòng)，通過(guò)間與車輪的摩擦，使其制動(dòng)停止。電制動(dòng)

15、主要指控制牽引電 機(jī)的轉(zhuǎn)速使其由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能， 再通過(guò)其他方式消耗掉。若通過(guò)電阻消耗，則稱之為電阻制動(dòng)。若通 過(guò)逆變裝置，送回牽引網(wǎng)或供配系統(tǒng)，則稱之為逆變回饋再生制動(dòng)。 若通過(guò)電容，將其儲(chǔ)存起來(lái)，則稱之為電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)。當(dāng)機(jī)車制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，引起牽 引網(wǎng)電壓抬高，若不采取電能吸收或消耗措施，會(huì)使得網(wǎng)壓水平超出 電上限值，電壓過(guò)高給設(shè)備造成損害，可能引起故障從而造成系統(tǒng)癱 瘓。表2-2車輛的基本制動(dòng)方案制動(dòng)方式制動(dòng)原理常用制動(dòng)電制動(dòng)為主，機(jī)械制動(dòng)為輔緊急制動(dòng)機(jī)械制動(dòng)快速制動(dòng)電制動(dòng)為主，機(jī)械制動(dòng)為輔停放制動(dòng)彈簧施加，壓縮空氣緩解機(jī)械

16、制動(dòng)控制計(jì)算機(jī)數(shù)字指令，模擬氣控制2.2.2電阻能耗型電阻耗能是利用大功率電阻將列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量消耗并 以熱量的形式消散于空氣中。電阻耗能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要 采用多相斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的lii空比，達(dá)到改變電阻消耗功率 的目的，使直流電壓穩(wěn)定在某一設(shè)定值的范圍內(nèi)。該吸收裝置的電氣 系統(tǒng)主要由三部分組成：隔離控制部分、濾波和斬波器部分、吸收電 阻部分。電阻制動(dòng)系統(tǒng)按安裝地點(diǎn)不同可分為車載式和地面式。不論是車 載式還是地面式，再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量都要以熱量的形式散耗。該裝 置國(guó)內(nèi)己有成熟產(chǎn)品，且己經(jīng)在開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的上海地鐵8號(hào)

17、線、廣州地 鐵5號(hào)線、北京機(jī)場(chǎng)線應(yīng)用。2.2.3電容儲(chǔ)能型常見(jiàn)的儲(chǔ)能型再生制動(dòng)系統(tǒng)有三種：飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能及超級(jí) 電容儲(chǔ)能。飛輪儲(chǔ)能是將能量存儲(chǔ)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中，當(dāng)需要能量時(shí)，電動(dòng)機(jī) 變發(fā)電機(jī)狀態(tài)釋放能量。飛輪儲(chǔ)能其儲(chǔ)能密度較高、易于安裝，但長(zhǎng) 期高速旋轉(zhuǎn)使機(jī)械摩損嚴(yán)熏、壽命縮短。電池儲(chǔ)能是將再生制動(dòng)的電能存儲(chǔ)在電池中，但其使用材料為化 學(xué)原料，其使用壽命有限、價(jià)格較高、儲(chǔ)能能力有限及對(duì)環(huán)境造成污 染等。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，超級(jí)電容技術(shù)日益成熟，超級(jí)電容器 具備儲(chǔ)能密度高、充放電速度快，但重量較大、成本較高等特點(diǎn)。超 級(jí)電容組通過(guò)雙向變換器與牽引供電立流電網(wǎng)相連，超級(jí)電容組是由多個(gè)電容器單

18、體通過(guò)串并聯(lián)方式組成3。2. 2. 4逆變回饋型逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大 功率晶鬧管三相逆變器，該逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的直流母 線相聯(lián)，將再生制動(dòng)能量通過(guò)逆變裝置逆變?yōu)榕c系統(tǒng)等電壓、同相位 的交流電源，供地鐵中的其他系統(tǒng)負(fù)荷使用。目前，逆變回饋型分為 回饋至中壓環(huán)網(wǎng)35kv側(cè)和回饋至負(fù)載0. 4kv側(cè)。逆變回饋至0. 4kv 的技術(shù)和產(chǎn)品目前國(guó)內(nèi)有研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行研宄，且有試驗(yàn)裝置正在 進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)。逆變回饋裝置的技術(shù)和產(chǎn)品成熟，在國(guó)外己經(jīng)有在線 運(yùn)營(yíng)的工程實(shí)例。h前比較成熟的產(chǎn)品供貨商主要右西門(mén)子、abb、 曰立等。2.2.5三種方案比較電阻耗能裝置，

19、優(yōu)點(diǎn)是控制方法簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格相對(duì)較 低、穩(wěn)定可靠、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成熟等。其缺點(diǎn)是浪費(fèi)能源、熱污染、能量 綜合使用率低、增加通風(fēng)設(shè)備供電負(fù)擔(dān)。超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，優(yōu)點(diǎn)是充放電速度快、容量大、環(huán)保性強(qiáng)、 起到節(jié)約能量的效果。缺點(diǎn)是控制方法復(fù)雜、價(jià)格較貴、重量大、體 積大、不利于在車輛上或變電所上安裝、國(guó)內(nèi)技術(shù)不夠成熟、產(chǎn)品的 可靠性和可維護(hù)性不夠。逆變回饋裝置，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能效果好、環(huán)保性強(qiáng)、減少制動(dòng)電阻容量、不需要額外的儲(chǔ)能器件直接回饋至電網(wǎng)。缺點(diǎn)是價(jià)格較貴、控制 較復(fù)雜。在歐洲、口本均有成功的應(yīng)用，但造價(jià)相對(duì)較高，對(duì)系統(tǒng)有 一定的諧波影響，但可通過(guò)選擇合適的濾波器，可以合理抑制諧波水 平。目前，業(yè)

20、界普遍認(rèn)為逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置是該類技 術(shù)的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)比較有實(shí)力的公司和研宄機(jī)構(gòu)，如株洲時(shí)代、許 繼電氣等都在進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)。三種再生制動(dòng)方式的簡(jiǎn)單綜合指標(biāo)比較 見(jiàn)表2-3。表2-3再生制動(dòng)技術(shù)比較 電阻耗能型電容儲(chǔ)能型逆變回饋型能否滿足地鐵再 生能量負(fù)荷特性 節(jié)能效果 對(duì)系統(tǒng)影響差無(wú)s聯(lián) 量并好 能套較無(wú)需要多能量吸收方向 國(guó)產(chǎn)化工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)無(wú)能量?jī)震伩梢员容^多使用壽命 環(huán)境影響 成本年高 20大較直流電網(wǎng) 需要進(jìn)門(mén) 國(guó)內(nèi)比較罕見(jiàn)10年小高能夠較好逆變至35kv側(cè)會(huì) 產(chǎn)生一定諧波影 響交流電網(wǎng) 能夠國(guó)產(chǎn)0. 4kv逆變裝置在 天津地鐵試運(yùn)行 10年以上 小高2.3逆變電阻混合型主

21、從配合方案基于電阻制動(dòng)和逆變回饋制動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用逆變-電阻混合 型再生制動(dòng)方案。采用此方案的優(yōu)勢(shì)：第一、對(duì)比純逆變裝置，減小 了裝置容量，從而提高了經(jīng)濟(jì)性。第二、加入電阻制動(dòng)作為后備吸收 裝置，提高了系統(tǒng)可靠性。第三、發(fā)揮節(jié)約能源的作用。當(dāng)?shù)罔F處于再生制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓升高，混合型能量吸收裝置設(shè)置兩個(gè)啟動(dòng)值，當(dāng)電壓升高到1650v時(shí)，啟動(dòng)逆變回饋裝 置，將吸收的電能轉(zhuǎn)換成380v三相交流給地鐵站用電的動(dòng)力照明系 統(tǒng)供電，牽引網(wǎng)電壓降低維持在電壓允許的范圍內(nèi)。當(dāng)?shù)罔F行車密度 較小時(shí)，同一時(shí)間段內(nèi)制動(dòng)產(chǎn)生的能量較多，超過(guò)了逆變回饋裝置或 逆變能景消耗端可以消化的能量，雖然啟動(dòng)y逆變回

22、饋裝置，但電壓 依舊在升高，如果網(wǎng)升高至1750v時(shí)，啟動(dòng)制動(dòng)電阻，吸收逆變回饋 裝置飽和后多余的能量，從而保證了，牽引網(wǎng)的安全運(yùn)行。當(dāng)電壓小 于1750v時(shí)，先退出電阻制動(dòng)裝置，若電壓又繼續(xù)降低至1650v時(shí)， 逆變回饋裝置退出。電阻制動(dòng)不僅起到二次吸收能量的作用，同時(shí)為 保證牽引網(wǎng)的可靠運(yùn)行，若逆變回饋裝置故障，電阻制動(dòng)作為后備吸 收裝置將啟動(dòng)，以穩(wěn)定網(wǎng)壓。2.4本章小結(jié)本章首先簡(jiǎn)介紹城市軌道交通的交通制式及地鐵供電系統(tǒng)。針 對(duì)再生制動(dòng)能量利用吸收的方案的優(yōu)劣性進(jìn)行比較分析，提出逆變電 阻混合型制動(dòng)方案。第3章混合逆變-電阻制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1逆變-電阻制動(dòng)系統(tǒng)3.1.1逆變-電阻型控制策略

23、圖5-1為逆變-電阻混合型制動(dòng)系統(tǒng)控制策略，本文第2. 3節(jié)己提 到逆變電阻制動(dòng)系統(tǒng)的主從配合方案。車輛制動(dòng)丄能量吸收結(jié)束，牽引網(wǎng)壓監(jiān)測(cè)圖3-1為逆變-電阻混合型制動(dòng)系統(tǒng)控制策略當(dāng)車輛制動(dòng)時(shí)，電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備檢測(cè)牽引網(wǎng)電壓高于1650v時(shí)，啟動(dòng)逆變裝置，并入0.4kv電網(wǎng)系統(tǒng)中，電能得以吸收電壓下降。若制動(dòng) 能量較大，超過(guò)逆變裝置吸收容量，電壓會(huì)繼續(xù)升高。當(dāng)牽引網(wǎng)電壓 升高到1750v時(shí)，啟動(dòng)電阻吸收裝置，吸收多余的能量。當(dāng)多余的能 量被吸收后，電壓回落判別是否低于1750v，若低于則退出電阻制動(dòng) 裝置。當(dāng)電壓再次降落低至1650v時(shí)，退出逆變并網(wǎng)裝置。同時(shí)，當(dāng) 檢測(cè)逆變裝置設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，電阻制

24、動(dòng)作為后備吸收裝置啟動(dòng)，吸 收再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能，以保證牽引網(wǎng)電壓水平的穩(wěn)定。3.1.2逆變-電阻型仿真分析多輛機(jī)車同時(shí)制動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生較多的電能，僅使用逆變裝置吸收能景其吸收容量有限，啟動(dòng)逆變-電阻混合型裝置電壓變化圖如圖5-2從圖中可看出在2. 53s附近電壓超過(guò)1650v啟動(dòng)逆變裝置，經(jīng)裝 置并入電網(wǎng)中，但逆變裝置容量有限，電壓繼續(xù)升高，2. 95s時(shí)升高 至1750v，啟動(dòng)電阻裝置，經(jīng)斬波器調(diào)整，電壓開(kāi)始下降。加入混合 型吸收裝置牽引網(wǎng)電流波形圖如圖3-3所示，其中2. 5s-3. 5s為制動(dòng)階段。3-3啟動(dòng)逆變-電阻混合型制動(dòng)牽引網(wǎng)電流波形0.51.54 2 0-2(mn)d<ss

25、:l£i«-時(shí)間t（s）2.53時(shí)間t(s)354圖（1）牽引、惰行、制動(dòng)時(shí)功率變換1 o.1-2-3-4-5圖（2）混合型制動(dòng)方案的功率波形圖 圖（1）、圖（2）為混合型制動(dòng)牽引網(wǎng)功率變化波形圖，從圖中分析可知2.5s時(shí)啟動(dòng)逆變裝置吸收電能，使得牽引網(wǎng)功率減??；3s 時(shí)啟動(dòng)制動(dòng)電阻裝置吸收電能，牽引網(wǎng)功率進(jìn)一步減小；3.5s以后 機(jī)車停止。3.2制動(dòng)工況仿真分析實(shí)際中機(jī)車啟動(dòng)、惰行、制動(dòng)過(guò)程需經(jīng)歷十幾分鐘，由于仿真軟 件計(jì)算容量及速度存限，在關(guān)注本文研究的秉點(diǎn)前提下，為方便仿真 計(jì)算，不妨假定啟動(dòng)、惰行、制動(dòng)過(guò)程時(shí)間為4s設(shè)定轉(zhuǎn)子磁通初始 給定值為0.95wb，機(jī)車從0.

26、5s開(kāi)始加速進(jìn)入牽引階段，1.5s加至最 大行車速度80km/h電機(jī)角速度為150rad/s，之后進(jìn)入惰性階段，2. 5s 后開(kāi)始減速進(jìn)入制動(dòng)階段，3. 5s車輛停止，圖3-4為電機(jī)轉(zhuǎn)速波形。 圖3-5為定子電機(jī)三相電流波形，0-0. 5s時(shí)電機(jī)處于未運(yùn)行階段， 故電流波形是非正弦的；0.5s-2.5s為機(jī)車的牽引階段，0.5s機(jī)車幵 始加速電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)經(jīng)過(guò)幾個(gè)周期控制調(diào)整，電機(jī)輸出較為穩(wěn)定的電 流波形，可看出矢量控制性能較好；2.5s-3.5s為機(jī)車制動(dòng)階段，由 于此階段電機(jī)由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，電機(jī)在降速的過(guò)程中發(fā) 生反轉(zhuǎn)，電流相位及幅值都會(huì)改變，由圖中也可觀察到。由于采用的 變頻調(diào)

27、速，所以電流波形的周期會(huì)發(fā)生變化。1601401201008060402000.511.522.533.54t(s)(s/p2) 3趙街狂+恕圖3-4電機(jī)轉(zhuǎn)速波形2 2 11 1-1iiiiiiiiii|1111iii00.511.522533.54時(shí)間t (s>圖3-5定子電機(jī)三相電流波形圖3-6為轉(zhuǎn)矩波形，可看出當(dāng)機(jī)車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)?負(fù)值，說(shuō)明電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)己發(fā)生改變。圖3-7牽引網(wǎng)功率波形圖3-7為直流牽引網(wǎng)功率波形圖，從圖中可明顯看出0.5s-1.5s 為機(jī)車牽引階段向牽引網(wǎng)取流；1.5s-2.5s為惰行階段，依靠慣性行 駛從牽引網(wǎng)中取流為0; 2.5s-3s階段為電

28、機(jī)產(chǎn)生電能向牽引網(wǎng)輸送 電能。00.511.522533.54時(shí)間t圖3-8牽引網(wǎng)電壓波形(voplthtllr圖3-9牽引網(wǎng)電流波形圖3-8和3-9分別為牽引網(wǎng)電壓、電流波形，由于機(jī)車0-0. 5s處于未運(yùn)轉(zhuǎn)階段，此時(shí)整流變電站空載運(yùn)行，據(jù)分析可知整流變壓器 空載電壓為1663v，由于線路上有其他電阻的消耗，從圖中可看出牽 引網(wǎng)電壓為接近1600v，與理論分析基木對(duì)應(yīng)；在0.5s-1.5s階段， 機(jī)車處于牽引狀態(tài)，牽引電機(jī)從電網(wǎng)中汲取電能，電壓降低；1. 5s-2. 5s為惰行階段，電壓升高恢復(fù)至1620v;在2. 5s_3. 5s的制動(dòng)階段，此時(shí)電機(jī)要開(kāi)始向牽引網(wǎng)輸送電能，右時(shí)會(huì)超過(guò)電壓規(guī)

29、定范 圍乃至達(dá)到1800v,此時(shí)需要電能吸收裝置的加入，以穩(wěn)定電壓吸收 電能。3.3再生制動(dòng)的能量計(jì)算3. 3.1機(jī)車制動(dòng)特性及計(jì)算步驟機(jī)車在運(yùn)行中受到較多的阻力，其中包括機(jī)械摩擦、空氣摩擦以 及附加阻力等，其中附加阻力的產(chǎn)生與坡道、曲線和隧道有關(guān)。由于 阻力與很多方面相關(guān)，這里只考慮基本阻力的情況，即平直道上運(yùn)行 時(shí)受到的阻力。機(jī)車的基本阻力主要由滑動(dòng)助力、軸承助力、滾動(dòng)助 力、振動(dòng)助力及空氣助力等+5，簡(jiǎn)化基本阻力的計(jì)算方法，機(jī)車的 基本阻力可以擬合為：尸=(a+bv+cv2) g(a)(3-1)式中a、b、c是與車輛類型有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù) m一機(jī)7t的乍輛總重(t)v 機(jī)車運(yùn)行速度(km/h

30、)計(jì)箅再生制動(dòng)功率及電流方法如下：(1) 根據(jù)廠家提供的車輛數(shù)據(jù)，求得制動(dòng)力曲線。（2）根據(jù)制動(dòng)力曲線中的自然特性區(qū)段、恒轉(zhuǎn)矩區(qū)段得出各區(qū)段 制動(dòng)吋間，以計(jì)算機(jī)車輪緣邊的總機(jī)械能和制動(dòng)時(shí)間內(nèi)總輸入機(jī)械功 率。（3）根據(jù)得到的機(jī)械功率和提供的齒輪轉(zhuǎn)化率，可得到車輛電機(jī) 輸出有功功率值，進(jìn)而求出逆變器功率，最后可求出送入牽引網(wǎng)的電 功率和制動(dòng)電流。以上海地鐵某線為例，列車采用a型車，初期、近期、遠(yuǎn)期均采用6 輛編組，采用4動(dòng)2拖編組。其主要技術(shù)參數(shù)如下：1）構(gòu)造速度：90km/h2）最大運(yùn)行速度：80 km/h3）列車在aw2 （定員）載荷，車輪半磨耗，標(biāo)稱電壓水平直線上的 牽引性能入下：0 36

31、km/h的平均啟動(dòng)加速度彡1.0m/s20 -> 80km/h的平均加速度彡0. 6m/s24）列車在空載（aw0）、有座（aw1）、定員（aw2）、極限載重載荷 （aw3）,水平直線上的制動(dòng)性能如下：常用制動(dòng)列車巾80km/h->0的平均減速度彡1.0m/s2 緊急制動(dòng)列車由80km/h->0的平均減速度彡1. 3m/s2停放制動(dòng)能使aw2載荷的列車在線路的最大坡道上制動(dòng)停車5）電機(jī)效率nl:0.93 電機(jī)功率因數(shù)cos：0.856）逆變器效率r（2：0.98齒輪傳動(dòng)效率r|3:0.9757）列車基本阻力：2. 736+0. 000438v2 （n/kn）8) 列車定員總重

32、m: 326. 6t9) 供電電壓：dc150010) 列車輔助用電功率s: 450kva/train3.4基于制動(dòng)特性曲線的計(jì)算實(shí)例根據(jù)以上計(jì)算再生制動(dòng)功率和電流的方法，假設(shè)機(jī)車定員情況 下，機(jī)車制動(dòng)時(shí)最大電制動(dòng)力下的輪軌粘著系數(shù)取15%o第一步：計(jì)算制動(dòng)性能特性曲線，最大電制動(dòng)力fi時(shí)的速度為 vi則：匕=剛二0. 15x326. 6二48. 99 (kn)設(shè)定在機(jī)車運(yùn)行速度最高時(shí)，其電制動(dòng)力為相同速度時(shí)的牽引 力的2倍。最大速度v2=80km/h的牽引力為7. 58 kn，則最大速度的 制動(dòng)力為：f2=2 x 7. 58=15. 16 (kn)自然特性區(qū)段滿足：fi vi2= f2 v2

33、2vi=am v2=j- x80=44. 5 (km/h)vf1 v 48.99為完成制動(dòng)力特性曲線的繪制，在自然特性區(qū)段vf44. 5km/h和 最大速度v2=80km/h之間任意取一值v3=65km/h,根據(jù)自然區(qū)段滿足：f3 v32= f2 v22f3二 f2 ( ) 2二22. 96 (kn)v3根據(jù)以上求得的制動(dòng)速度和制動(dòng)力，可繪制制動(dòng)力曲線如圖3-10所示。當(dāng)機(jī)車速度減為小于5km/h時(shí)，制動(dòng)力迅速減小，補(bǔ)入空氣制圖 3-10第二步：計(jì)算制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能 假設(shè)自然特性區(qū)段和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)段的減速度為a=-lm/s2。速度vi=12. 36 m/s (44. 5km/h ) ,

34、 v2=22. 22m/s ( 80km/h ) , v4=l. 39m/s(5km/h)可求自然特性區(qū)域和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域制動(dòng)時(shí)問(wèn)t，、t2。6= l= 222 -1236 =9.86a1t2: xu 12.36-139 二 10.97a1機(jī)車總制動(dòng)時(shí)間為：t= ti+tz二 20. 83自然特性區(qū)段中(12. 36m/s至22. 22m/s)產(chǎn)生的機(jī)械能和功率:c】二 f2v22二 15. 16 x 22. 22z二7484. 92 (knw)civ?2 ln翌=4390.11(m a v3-122.22pf-7484,92 =605.58 (kw)12.36恒轉(zhuǎn)矩區(qū)段中(1.39m/s至15.88m/s)產(chǎn)生機(jī)械能和功率：c2= fi=48. 99(kn)w2= (v?- vi2) =22. (1.392- 12. 362) =5154. 18(7)2a- 2p2= c2 vi=48. 99x12. 36=605. 52