动车组再生制动的研究

谢兴龙 张鹏 宋程

【摘  要】随着人们出行对动车等交通工具需求的增长，人们研发出了动车组模式，利用带动力的动车和不带动力的动车进行编组，提高了人们乘坐的舒适程度，相比于以往的动车和火车具有更强的乘车优势，因此动车组得以在全世界范围内使用且受到了好评。此外，动车组的再生制动技术也打破了传统动车组利用空气制动的方式，再生制动是一种反馈制动，能够让动车组的制动能量形成一种循环，在启动的情况下向电网输送动能转化的能量，减少部件磨损情况。最重要的是，它最突出的优势就在于能源的节约，符合目前对能源新型利用的新形势。因此，本文对动车组再生制动的研究具有较强的现实意义。

【关键词】再生制动;动车组;能源

一、制动系统概述

（一）制动系统对动车组的意义

制动系统是一种回馈系统，能够通过动车的动能进行存储和转化，并重新回馈给电网，这样动能会尽可能减少转换成无用的热能，持续为动车充能。而这一过程同样能够帮助动车组调节车速，动车组需要降低车速甚至是停止的情况下，就需要通过制动器产生的制动力矩快速停止车轮的惯性，从而下降车轮的转速;若要提高车速，就要足够的牵引功率。

（二）高速动车组复合制动系统组成和特点

高速动车组是为了实现长时间保持在高速行驶的列车，因此相比于以前的动车来说，它所需要的制动能量更大，而传统的空气制动以及其他制动技术会随着列车的启动而造成制动零件的损耗，另外制动热容量以及制动距离等因素也有所限制，不能达到更高更平稳的车速，因此目前高速动车组采用更加有效的复合制动系统，满足高速动车组的各类需求，不仅可以保持长时间的高速行驶，还能够减少零件损耗和节约能源。一般而言，复合制动系统是包含了动力制动、传统的空气制动系统、制动控制系统以及非黏着制动装置和防滑器。

高速动车组的基本制动模式是由电制动和空气制动组合而成，而主要运行的是电制动。电制动系统是由电阻制动和再生制动相结合而成的系统，再生制动技术在动车组启动时会将牵引电机改为发电机，产生反向电流和反向力矩，而动能也会因为再生制动系统转换成电能，回复到电网中，完成两个制动技术的配合。另外，电制动系统需要和防滑器一起使用，防滑器利用行驶过程中的车轮和轨道之间的黏着力来缩短制动的距离。

而采用复合制动系统是为了防止电制动系统在失灵或者损坏的情况下需要动车快速停止而设计的。当然，因为电制动系统具有更强的优势，因此空气制动系统一般是作为备用系统使用，在动车组正常行驶中，会优先采用电制动系统，只有在动车调节车速的情况下会使用空气制动系统。

二、高速动车组再生制动理论分析

（一）高速动车组再生制动工作原理

为了满足动车组高速行驶的需求，人们对电机调速的研究一直不断进行中，电子电力技术也有了明显的进步，再加上再生制动技术的进展让人们看到了高速列车长时间平稳安全行驶且减少能源消耗的可能性。因此，人们将再生制动技术应用在电力机车上，并实现了高速动车组的普遍运行。

再生制动技术有三个明显的优势，一是动车的制动情况更加优越;二是有效地节约能源，能够利用技术将动车组产生的动能进行存储和转换，降低了热能的消耗，并将动能转换成有用的电能重新回馈给电网，从而补充能量，进行能量的部分循环;三是相较于空气制动系统，再生制动技术对制动零部件的损耗较小，更好地保证了动车组的安全行驶，降低了零件维护的成本。

高速动车组中的再生制动技术主要与牵引电机有关。而牵引电机分为直流牵引系统和交流牵引系统，总体来说直流牵引系统发展速度较快，而交流牵引系统则在后头突飞猛进。直流牵引系统首先产生于十九世纪，在二十世纪早期占领较大的市场，其优势就在于能够更好地为电机调速，且当时主要是传动系统，因此应用较广;交流牵引系统是随后产生的，虽然两者都在研究和应用上有所发展，但是直到二十世纪后期的电力电子技术和现代控制理论取得较大的进步，并且真正应用于实践中，交流牵引系统才算是真正在市场中开始立足，并且随着现代技术和动车高速运转的需求，交流牵引系统进行优化和升级，具有更高的性價比，因此逐渐取代直流牵引系统。

图1所示的动车组交流传动系统能量流动图可以看出再生制动系统的运作方式。动车启动时，牵引系统中的牵引工况开始，受电弓通过接触网开始受电，以主断路器为媒介，连接到变压器上变压之后的单相交流电由脉冲整流器转变为单向直流电供给到逆变器中，逆变器给三相交流异步电动机输送三相交流电;与此同时，牵引系统中的制动工况则将流程反转，再生系统将牵引电机变为发电机，产生反向电流后，整流器与逆变器的功能就相互转变，交流电先经过两电平逆变器整流，然后直流，最后通过四象限脉冲整流器又转变成交流电反馈给电网，完成能量的补充。

图1 交流传动系统能量流动图

（二）交流牵引传动系统

目前高速动车组的交流牵引传统系统主要靠交流异步牵引电机完成主要流程环节，其中三相交流异步电机是使用范围较为广泛的，我国由于高速动车组发展较快，三相交流异步电机的使用情况相对普遍。

想要发挥出交流异步牵引电机的功能，就需要匹配合适的调速系统和装置，两者若配合妥当才能满足高速动车组再生制动系统的需求。就目前而言，根据交流异步牵引电机的性能，首先选择的调速系统是交直交变压变频调速系统，由整流环节、中间直流环节和逆变环节三个环节组合而成。

（二）再生制动的能量分析

上述提到，电制动中包含了电阻制动和再生制动装置，原因是在地铁机车实际的运行中，再生制动技术中的直流供电网会将制动能量流回，但是制动能量如果没有消耗干净，会使得直流电网的电压提升。长此以往，会严重缩短用电设备的寿命，甚至造成更大的损失和安全隐患。基于此，再生制动装置中会加入电阻制动来损耗掉多余的制动能量，使得直流供电网保持在一个稳定的电压中，从而减少用电设备的异常损坏。而电阻制动装置一般选择车载和地面两种，差别如下：

首先是成本问题。车载电阻制动装置总体上成本要高于地面电阻制动装置。相对于地面电阻制动装置，车载整体而言较为稳定和成熟，受到电网电压和制动负载吸收的影响较小，而且结构相对简单，但是缺点就在于对于地铁线路而言，它的再生电能的处理方式成本较高，而且不能很好地将热能转换为电能，因此使用过程中，热能很容易溢散到隧道和站台上，加重站内环控系统的负担，进一步增加维护的成本。

其次是两者为了固定而采用的设备要求也有所差别。车载电阻制动装备因为是随着地铁而动，因此虽然结构简单，但是要应对地铁的具体情况进行设置，无论是大小还是重量都有严格的要求，对应的固定装置也会有较高的要求;而地面电阻制动装备只是安装在地面中，空间较大，没有太高的限制，主要的要求是能够让装置起到降低隧道和站台温度的作用。因此，车载装置本身的效率是不够高的，运营要求也更多。

（三）地面电阻制动

电阻制动装置就是为了防止直流电网中形成的多余电能导致直流电网电压上升的情况，再加上地面电阻装置相比于车载电阻制动装置而言具有更高的性价比，因此一般地铁会采用地面电阻制动装置。该装置主要是依靠电气开关的方法，原理就是当直流电网上再生制动形成的电能电压过高时，地面电阻制动就会启动，然后消耗掉多余的电能，使电压恢复到正常状态再取出。电气开关的操作较为简单，但是过于频繁也会导致设备损坏较快，而且电阻的安装和去除过程会对电网的稳定性造成一定的影响。

三、结语

再生制动装置是为了保持高速动车组的稳定性和安全性，能够让动车组实现安全的调速，从而保证动车组的运行。另外，再生制動技术还能够节约能源，将动能转换为电能补给能量，实现环保出行的目的，因此受到全世界的欢迎和推广。相关技术也在不断地发展中，以实现更加安全、稳定和高效的动车组运营，满足人们的需求。

参考文献：

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（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）