电制动系统

电制动是车辆在常用制动下的优先选择，仅带驱动系统的动车具有电制动。电制动分再生制动和电阻制动两种形式，优先使用再生制动。电制动具有独立的滑行保护盒载荷校正功能。为此，每节动车装备有一个三相调频调压逆变器 （VVVF）、一个牵引控制单元（DCU）、一个制动电阻和四个自冷式三相交流电动机。

6.4.1 再生制动系统

1.日本新干线700系动车组再生制动的构成和工作原理

1）系统构成

日本新干线 系统再生制动系统的组成与牵引传动系统一致，包括受电弓、主变压器、变流器和电动机等。由于不使用主电阻器，可减轻车辆的质量。再生制动的原理图如图6－15所示 （日本新干线700系列动车组，3辆车为一个单元）。

图6－15 再生制动的原理图

2）工作原理

再生制动与电阻制动相似，也是在制动时将牵引电动动机变为发电动机运行：交流电动机将列车动能变为三相交流电，主变换器 （包含整流器和逆变器）将此三相交流电转换为单相交流电，单相交流电再由主变压器变压后经受电弓回馈到电网，由正在牵引运行的动车组接受和利用。

2.我国城市轨道交通车辆再生制动

1）直流再生制动电路的工作原理和电流控制

在各种形式的制动中，电气制动是一种较理想的动力制动方式，它是建立在电动机的工作可逆性基础上的。在牵引工况时，电动机从接触网吸收电能，将电能转换为机械能，产生牵引力，使列车加速或在上坡的线路上以一定的速度运行；在制动工况时，列车停止从接触网受电，电动机改为发电动机工况，将列车运行的机械能转换为电能，产生制动力，使列车减速或在下坡线路上以一定的限速度运行。

车辆进行电气制动时，首先应该是再生制动，即向电网反馈电能。图6－16所示为上海地铁1号线直流制列车的再生制动示意图。该列车主电路采用直流斩波器调压和串接直流电动机的方式。

图6－16 直流制列车的再生制动示意图

再生制动电路工作时，斩波器导通，制动电流流过各个电动机电枢、励磁绕组、平波电抗器 （1L3）和制动电阻，使电动机建立起电枢电动势，从而使平波电抗器也建立起感应电动势；当斩波器关闭，电路通过二极管 （V5）续流，电枢电动势与平波电抗器上的感应电动势 （此时感应电动势的方向改变）叠加，向电网馈电。如果这时电网上有负载 （如本列车的辅助电源）或其他列车在附近，则可以作为负载吸收电能，再生制动成功；如果电网不吸收电能 （因网压太高），则再生制动失败，由制动电阻吸收电能，转为电阻制动。

最近十几年，由于城市轨道交通车辆乘坐舒适性的提高，列车客室空调消耗的能量大大增加，车厢内乘客服务设施 （如报站显示器、广告电视屏）的耗能也日渐增多，使得列车辅助电源用量大大增加。因此，再生制动的能量被本车辅助电源消耗吸收的比例已占到80％左右，而反馈到电网上可供其他列车使用的能量已经很少了。这样一来，再生制动的节能效果非常明显，由制动电阻消耗的能量也相对减少。

从上述描述中可以看到，实施再生制动必须满足以下两个条件：

①再生 （反馈）电压必须大于电网电压。

②再生电能可由本列车的辅助电源吸收，也可以由同一电网的其他列车吸收。这一条件不能由再生制动车辆自己创造，而取决于外界运行条件。

再生制动电路建立后，电动机接通负载就会有制动电流，然后制动电流产生制动力使列车减速。但列车减速会使电动机电枢转速下降，引起电动机的电枢电动势下降，从而使制动电流和制动力下降。制动电流的下降还会使平波电抗器的感应电动势减小，达不到再生制动的第一个条件。为了保证恒定的制动力矩和足够的反馈电压，在上述直流制动列车制动时，直流斩波器按列车控制单元及制动控制单元的指令，不断调节斩波器导通比，无级、均匀地控制制动电流，使制动力和再生制动电压持续保持恒定。当车速较高时，制动电流较大，再生制动电路需串入较大的电阻，并且将斩波器导通角控制得较小，以控制制动电流不能太大；当车速太低时，制动电流较小，再生制动电路会在调节过程中逐级切断电阻并将斩波器全导通，以提高制动电流并维持反馈电压。在列车进行再生制动时，再生制动产生的电能有时并不能完全反馈给电网，这时也需要将部分电能消耗在电阻器上，以保持制动恒定。

2）直－交流再生制动电路的工作原理和电流控制

交流制列车进行再生制动时，主电路连接方式不需改变。因为异步电动机的旋转磁场如果落后于转子速度，即转差小于0，三相异步电动机工况就改变为三相交流发电动机工况。在列车运行过程中，如果外力 （如下坡时）使车轮 （也就是电动机转子）加速，或人为控制定子频率降低，使转子频率高于定子频率，即可改变其牵引状态而处于制动状态制动 （如图6－17所示，右侧电动机为三相交流牵引电动机），牵引逆变器控制旋转磁场，定子中的感应电流经流二极管 （VD1～VD6）的整流向电容（Cd）及直流电源侧反馈。这样，牵引逆变器原来的输入端变为输出端，列车的运行电能转换成了新的电能。直流端输出的电能可以被本列车的辅助电源吸收或被相邻的列车牵引使用，这就是全部的再生制动。

图6－17 交流制列车的直—交逆变电路

但是如果反馈的电能不能被吸收，储存在三相逆变器中间环节电容（Cd）上的电能会造成直流电压（Ud）急剧升高，该电压称为泵升电压，有可能瞬时击穿逆变器元件。因此，必须在电容边并联一个斩波调阻电路（R7和VT7）。当直流侧电压高于1800V时，斩波器（VT7）开通，将再生制动电流消耗在电阻器（R7）上，这就变成电阻制动了。斩波器配合牵引逆变器，根据电动机制动特性限制和调节制动电流，使电动机保持恒转差率和恒转矩控制模式，这时电流制动转为部分电阻制动或全部电阻制动。

列车由运动状态逐渐减速直至停止的控制大致经历三个模式，即恒转差模式 （恒电压、恒转差频率）、恒转矩1（恒转矩1、恒电压）模式和恒转矩2（恒转矩2、恒磁通）模式。

（1）恒转差模式 在高速时开始制动，此时万相逆变器电压保持恒定最大值，转差频率保持恒定最大值随着列车速度的下降，逆变频率减小。电动机电流与逆变频率成反比增加，制动力与逆变频率的平方成反比增加。当电动机电流增大到与恒转矩相符合的值时，将进入恒转矩控制模式。但当电动机电流增大到逆变器的最大允许值时，则从电动机电流增大到该最大值的时刻起保持电动机电流恒定，在一个小区段内用控制转差的方法进行恒流控制。在这种情况下，制动力将随逆变频率成反比增加。

（2）恒转矩1模式 逆变器电压保持恒定最大值，控制转差频率与逆变频率的平方成反比，随着速度的下降，减小逆变频率，则转差频率变小至最小值。电动机电流与逆变器频率成正比减小，制动力保持恒定。

（3）恒转矩2模式 转差频率保持恒定最小值，此时电动机电流也保持恒定。随着车辆速度的下降，减小逆变频率。同时采用PWM控制减小电动机电压，即保持电动机电压与逆变频率 （V／fi）恒定，则磁通恒定，制动力恒定。

一般制动工况下，列车由高速减至50km／h期间大约处于恒电压、恒转差频率区；由50km／h减速至完全停车期间，理论上大约处于恒转矩控制区。但实际上在10km／h以下的某个点，再生制动力会迅速下降，所以当列车减速至10km／h以下后，为保持恒制动力，需要逐步补充摩擦制动力。

列车在下较长距离的坡道时，如果重力作用使列车加速运行，这种加速会使动车上的感应电动机转子转速超过旋转磁场转速。此时列车会自动进入制动工况，制止转速的进一步增加。

6.4.2 电阻制动系统

1.日本新干线100系动车组电阻制动系统的构成和工作原理

1）系统构成

电阻制动系统在结构上的显著特点是主回路中有一个制动电阻，其主回路如图6－18所示 （日本新干线100系动车组）。

图6－18 电阻制动的原理图

2）工作原理

驾驶员制动控制手柄或列车自动控制系统ATC发出制动指令后，制动控制装置首先对列车运行速度进行判断。当速度大于5km／h时，构成制动主回路 （PB转换器转为制动位置），然后制动接触器发生动作 （B11闭合、P11打开、P13打开），随后依次是励磁削弱接触器打开、预励磁接触器投入，最后，断路器投入 （L1闭合）。

此时，电枢绕组、励磁绕组和主电阻器构成电阻制动主回路，并使电流向增加原牵引励磁的方向流动，再由主电阻器将电枢转动发出的电能变为热能消散掉。

2.我国城市轨道交通车辆电阻制动

1）直流制列车电阻制动的原理

再生制动失败，列车主电路会自动切断反馈电路转入电阻制动电路。这时由列车运行电能转换成的电能将全部消耗在列车上的电阻器中，并转变为热能散发到大气中去。因此，电阻制动又称为能耗制动。如图6－19所示为一个直流制列车的直流斩波器控制电阻制动电路。斩波器 （GTO）按制动控制指令不断改变导通角，调节制动电压和电流的大小。电路中的电阻（R7～R9）也根据制动电流调节需要，按照车速的逐步减低而逐级短接，最后全部切除。

图6－19 直流制列车的直流斩波器控制电阻制动电路

但是直流斩波器控制电阻制动电路也有多种，不完全相同。北京地铁DK型列车的主电路采用的是直流斩波器调阻和串接直流电动机方式，其动力 （电气）制动是纯电阻制动。它的动力制动调节方法与上海直流制列车的直流斩波器控制电阻制动电路不同：斩波器通过控制导通角改变制动电路中某个制动电阻的电阻值，以此调节制动电流，使列车保持制动力恒定。这种制动电路的缺点是不能进行再生制动。

2）交流制列车电阻制动的原理

交流制列车电阻制动的原理与直流制列车基本相同，只是控制设备不仅有直流斩波器，还有三相逆变器；不仅要调节制动电流、电压，还要调节频率。

如图6－20所示，城轨车辆每节动车装备有一个三相调频调压逆变器 （VVVF）、一个牵引控制单元（DCU）、一个制动电阻、四个自冷式三相交流电动机M1、M2、M3、M4（每轴一个，互相并联）。

如果制动列车所在的电网供电区段内无其他列车吸收电制动能量，则VVVF将能量反馈在线路电容上，使电容电压XUD迅速上升。当XUD达到最大设定值1800V时，DCU启动能耗斩波器模块A14的门极关断晶闸管GTO：V1，GTO打开制动电阻RB，制动电阻RB与电容并联，将发电动机上制动能量转变成热能消耗掉，此过程称为电阻制动 （也称能耗制动）。电阻制动能单独满足常用制动的要求。

图6－20 电阻制动结构示意图

电阻制动承担电动机电流中不能再生的那部分制动电流。再生制动电流加电阻制动电流等于制动控制要求的总电流，此电流受电动机电压的限制。再生制动与电阻制动之间的转换由DCU控制，能保证它们连续交替使用，转换平滑。

制动电阻安装在车体底架上的牵引逆变箱外。制动电阻是由不会被磁化的镍铬合金制成的。制动电阻由一个1500W三相风机强迫风冷。制动电阻内有一个惠斯通电桥监测装置提供超温报警。监测装置的输出信号传送给牵引控制单元DCU。

电制动具有独立的滑行保护功能。由于四台电动机是并联连接的，当DCU检测出任意一根轴发生滑行时，只能对四台电动机进行同步控制，同时降低或切除四台电动机的电制动力。

电制动是将列车运动的电能转变为新电能，再变成热能消耗掉或反馈回电网的制动方式。因为电气制动具有摩擦部件少 （仅有轴承）、维修工作量少、可以反复使用等许多优点，所以担负着车辆制动减速时的大部分能量。但也有由于增加控制装置和制动电阻等设备使质量增加和如果条件不具备就不能产生制动作用 （电气制动失效）的缺点。为提高可靠性，动车组或城轨车辆应该具有在由于某种原因电制动系统不能工作时，能够切换到摩擦制动系统的控制功能。