动车组再生制动的研究

文/樊晟姣

（苏州智能交通信息科技股份有限公司 江苏省苏州市 215000）

动车组在运行过程中，速度很快，为了能在规定的距离内稳定降速或者停车，需要很大的制动力，而再生制动不仅能够提供这个制动力，实现安全停车，而且还能将因制动产生的能量转换为电能，并通过调压整流等方式将电流反馈回了电网，实现了能源的再利用。再生制动是唯一一种能向电网反馈电能从而达到节能减排目的的制动方式，它不仅实现了动车的制动，还实现了能源的减耗，是未来发展的必然趋势。

1 高速动车组再生制动工作原理

再生制动有着以下优势：

（1）达到了动车的制动；

（2）通过把工作中产生的动能转变为电能流向电网达到节约能源的作用；

（3）对零部件的损耗较小，节省了维护的时间和费用。

牵引电机按照类型可以划分为直流牵引系统和交流牵引系统两种。其中直流牵引系统首先产生于十九世纪，随后交流牵引系统诞生。在二十世纪，这两种牵引系统均得到了很大的发展，开始广泛投入使用。在这个过程中，直流牵引系统占领了更大的市场，因为其较之交流牵引系统调速功能更佳，当时性能较高的传动系统基本使用直流电动机。

图1为动车组交流传动系统能量流动图。由图可知，牵引工况时，受电弓由接触网开始受电，以主断路器为媒介，联通到机车主变压器上，变压后输出单相交流电供给脉冲整流器，再由脉冲整流器将单相交流电转化为单相直流电，通过中间直流电路把直流电传送到逆变器，逆变器给三相交流异步电动机输送三相交流电；再生制动工况与牵引工况的作用过程相反，在这里牵引电机是发电机状态，电流朝相反方向流动，整流器与逆变器发生转变，交流电先经由两电平逆变器进行整流，再通过中间直流，最后通过四象限脉冲整流器变换成交流电流回电网。

高速动车组使用的是异步牵引电动机，相对运动在转子和旋转磁场之间产生时，要想产生电磁转矩，需要转子绕组切割磁感线，这样先产生感应电动势与感应电流。因此同步转速总是大于转子转速n，转差率s指的是同步转速n0与转子转速n的差与同步转速n0之比：

在对异步电动机的工作情况进行研究时，转差率是一项重要数据。堵转指的是电动机即将开启，刚开始连接电源，还没有开始转动的一种状态，这种状态下n=0，s=1；当理想空载时一种在现实操作中不可能实现的电动机的转子转速与同步转速等同的情况，这种状态下n=n0，s=0。由上述描述可知，异步电动机工作在电动状态时，0

2 交流牵引传动系统

2.1 PWM整流器

图1：交流传动系统能量流动图

在整个电力牵引的交流传动系统中，PWM整流器以在高速行驶的动车组中充当网侧变流器的身份，而扮演着十分重要的角色。PWM整流器可以有效的降低电网中的谐波含量，效果显著的提升电力网的功率因数，对于稳定中间环节一直流时的电压也能发挥重要功效。在当代的电力电子的领域中，PWM整流器凭借着其可以降低对附近场地环境所造成的电磁干扰的特点与优势，成为了一个主要的新兴热点，其作用原理是当处于几乎没有增加某些其它的元器件的状态下，PWM整流器可以得到类似于单位功率因数，足以减少谐波含量，做到双向流动的能量的一个功率因数。

2.2 中间直流环节

按照交直交变压变频系统的电源在直流环节使用滤波器不同而存在的差异，将其分成包括电压源型，电流源型的两种类型的系统。在交直交变压变频系统的两种类型中，主要以电压源型为首，因此，后续的讨论主要以使用大电容滤波的电压源型为主。

设PWM整流器的电压变比为ku，则有：

上式中，PWM整流器在ab端的输入电压表示为uab，PWM整流器在输出端的电压表示为udc。

如果供电网中出现的是与交流电压同相的，为纯正弦形的交流电流，可得交流电流为：

根据上述分析可知，为了足以达到接近于单位功率因数的功率因数，从而满足滤除二次谐波的要求，可以应用谐振电路与支撑电容发生并联，其中谐振电路应选用电容器的谐振频率为2倍电网频率（100Hz），将其与电抗器进行串接，来完成这一条件。

2.3 逆变器

在中间直流环节和交流异步电机的环节之间，出现了可将两环节衔接起来，并在交直交变压变频系统中扮演着重要角色的逆变器环节。逆变器可以按照输出的电压电平数之间存在的差异，而分为相异的拓扑结构，包括两电平式以及三电平式。

定义理想开关函数SA、SB和SC，则：

两电平逆变器具有3个桥臂，以及6个功率管(IGBT)，其中每个功率管都具有两种开关状态：0和1，需要满足单独桥臂上存在的两个功率管不以相同的状态出现，即上桥臂与下桥臂之间O或1不可同时存在。可以假设上桥臂与该桥臂的状态为相同，可同为1，反之亦然。因此每个桥臂都有两种开关状态，相对应的两电平逆变器应具有8种的开关状态，主电路会有与之相对应的8种工作模式。可见图2。

当工作模式为O时，开关管会出现如下状况，即T2T4T6会导通，而T1T3T5会关断。A、b、c端的相电压分别表示为uaN=0,ubN=0,ucN=0；与之相对应的A、b、c端的线电压则分别表示为uab=0,ubc=0,uca=0;这一模式对应着表示为的电压空间矢量。

如图2所示，从三相逆变电路来看，其开关组合共有8种方式，与之相对应的是8种方式的电压输出模式。

2.4 交流异步电动机

当前，从高速动车组应用来看，交流牵引传动系统采用的普遍较多，而作为交流传动系统中的重要关键的执行之一，兼具了耦合性强、阶次较高而又兼具非线性的多变系统组合，而相较于直流电动机而言，在静态和动态以及技术控制方面具有更大的复杂性。

3 再生制动的能量分析

当地铁机车运用再生制动方式，直流供电网将有相关制动能量予以返回，相应的，假设其制动能量没有能够及时耗尽，都会促使直流电网的相应电压很快提升，会造成用电设备的损坏，其后果极其严重。鉴于以上，出于电网的安全考虑，电阻制动装置需要配套设立，同时将消耗掉再生制动能量，从而保持电网工作的稳定性，防止灾害事故的产生。从电阻制动装置分类来看，其分类为车载和地面两类电阻制动装置。这两种方式比较分析如下：

（1）对于车载电阻制动装置而言，其机构较为简单、制动力相对稳定，受电网电压以及制动负载吸收的影响相对较少，成熟度较高。虽然如此，但是其制动电阻消耗再生电能的处理方式，尤其相对于地铁线路，一方面成本较高，能量得不到循环利用，另一方面，由于制动产生的能量转化为热能后，其外溢效果显著，导致隧道和站台的温度急速上升，相应造成站内环控系统的负担过重，对能量耗费严重，相应的增加了运营的成本。

（2）车载和地面的固定设置所采用的设备，相应的要求也是差别很大。对于车载设备而言，运行环境上看，通常要比地面情况要复杂的多，对其自身的大小、可靠程度和重量要求都是十分的严苛。而基于地面固定设置的设备看，其空间更大，一般讲要求相对较低。那么针对地面设备的安装，通过对电阻制动产生的热量抑制，进一步降低隧道和站台的温升。

而且，车载设备的使用上看，受制于本车运用，其效率不高，浪费严重。综上可以看出，在设备投资上、日常维护上，地面装置相对要更加合理。

4 地面电阻制动

在电网接收再生电能时，线路电压的不稳定以及直流电网和用电设备的非正常运行是不能被允许的，如果发生此类情况，将导致其他相关设备遭到破坏。

需要有一套装置安置在直流电网上，进而消耗掉直流电网上消除不了的再生制动形成的电能，以规避直流供电电压上升的问题，确保直流电网和相应设备的安全性。

目前，电阻制动技术已经非常成熟，利用地面装置来消耗直流电网多余电能的方式比较简单便捷，采用电气开关是最为简单便捷的方法，当直流供电网压过高时，采用制动电阻，待恢复正常网压时，再予以去除制动电阻。这种方式最大的好处就是比较简便快捷，而究其不足，主要是电气开关的操作频繁，容易产生故障，再加上电阻的投入以及切除上容易形成较强烈的冲击，将会对电网的稳定性造成较大影响。

电子固态开关（通常由IGBT构成）通常运用于高频开关电阻制动装置上，以导通和切断时间比的改变，以实现等效电阻在大范围内的改变。

斩波器往往也被高频开关电阻所采用，正是采用了电子开关，使其开关次数比电气开关更加优越，大大降低了电气设备的故障率，能够有效提升电阻制动设备的可靠程度，而从开关频率来看，其提升幅度在几kHz到十几kHz，加上斩波器的应用，能够实现对制动电阻上的能量随意调节。基于以上，能够进一步达成电网对直流电阻制动的较高要求，并且能够较为稳定的调整制动电流，保障供电质量。

制动电阻特别是在消耗再生能量时，大量热能迅速产生，要保障设备运行的稳定性，通风设备必须配备，以更好的解决电阻散热的棘手问题。

由于电阻对地铁车辆在制动时形成的脉冲式的再生能量有极强的消耗作用，所以在应用电阻进行制动时，不用另外再予以配备储能设备，这样来看，电阻制动方式投入低、成效明显。