广州地铁4号线地面制动电阻的设计_李鲲鹏

Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｂｒａｋｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｉｎ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ｍｅｔｒｏ ｌｉｎｅ ４
ＬＩ Ｋｕｎ－ｐｅｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎ－ｓｈｅｎｇ
（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍｅｔｒｏ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１００１０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｒａｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ａｎｄ ｂｒａｋｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｆｌｏｗ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ｍｅｔｒｏ ｌｉｎｅ ４， ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ， ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｂｒａｋｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｉｔｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ． Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ ｆｒｏｍ ３ ｔｙｐｉｃａｌ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ． Ｉｔ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｔｈ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｒａｋｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｂｒａｋｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ， ｒｕｎｎｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｌｉｎｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｎ ｔｈｅｉｒ ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ ｂｒａｋｉｎｇ； ｂｒａｋｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔｏｒ； ｒａｉｌ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ； Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ｍｅｔｒｏ ｌｉｎｅ ４
１．２ 制动能量的分析与计算 １．２．１ 制动能量的分析与计算 以 Ａ Ｗ ２ 载荷为例进行列车制动能量的分析与计 算。 根据厂家提供的数据， 列车制动的减速度 ａ ＝－１ ２ ｍ／ｓ ， 制动力 Ｆ Ｂ ＝１７６ ｋＮ， 则列车再生制动时用于转换 为电能的机械功率 ＰＢＭ＝ＦＢ×Ｖ （ｋＷ） …………………………… （２） 式中：Ｆ Ｂ 为列车制动力， ｋ Ｎ；Ｖ 为列车运行速度， ｍ ／ ｓ； Ｐ Ｂ Ｍ 为机械功率， ｋＷ。 根据四方—川崎标书提供的处于发电机工作状态 的直线电机的效率—速度曲线［１ ］ ， 给出了直线电机的 效率函数ηＢ（Ｖ）， 13≤ V < 22 4(V − 13), 9 22≤V < 30 (V − 22) + 36, 4 6 (V − 30) + 54, 30≤V < 37 7 10 ≤V < 50 (V − 37) + 60, 37 ……… （３） ηB (V ) = 13 2 50≤V < 60 (V − 50) + 70, 5 2 (V − 60) + 74, 60≤V < 70 10 1 − 20 (V − 70) + 76, 70≤V < 90 依据能量守恒原理和式 （１） ～ （３） ， 表２分析了广州 地铁４ 号线车辆 （Ａ Ｗ ２ 载荷） 在列车再生制动的过程中， 列车运行基本阻力和列车制动力所消耗的能量以及在 动能转换为电能回馈牵引网的过程中各个环节所消耗 的能量。 由于式 （１ ） 为经验公式， 存在一定的误差， 因 此表２ 中 Ｗ ０ ≠ Ｗ １ ＋ Ｗ Ｂ ， 最大计算误差为 ７ ％， 在工程计 算允许的误差范围内。 １．２．２ 制动功率和制动电流 由图１ 可知， 列车制动时驱动电机处于发电状态产 生的电能， 需经逆变器变换之后方能供车辆辅助用电 设备和其他车辆使用。 列车辅助设备按能耗可以分为 ２ 种：一种辅助设备始终消耗电能， 如照明、 通风设备等； 另一种辅助设备不是始终消耗电能， 如空调压缩机， 空 气压缩机等。 为安全起见， 只考虑始终消耗电能的机电 设备， 这些设备消耗的功率根据四方—川崎标书提供 的数据， 约为４４．５５ ｋＷ 。 若取逆变器电能转换效率为 ０．９５， 则在制动速度为 Ｖ 时供其他列车使用或消耗于制 动电阻上的电功率
收稿日期：２００５－０３－１０
的技术要求， 供电系统设计方和制动电阻制造厂家对 地面制动电阻电气参数的表述很不一致。 这会为日后 的系统验收和运营维护留下隐患。 本文将在分析列车 制动能量流程的基础上， 结合广州地铁４ 号线的工程设 计实例， 系统阐述地面制动电阻的电气参数和计算方 法。
１
列车再生制动能量分析
0. 95 × FB × V × η B (V ) ………… （４） P − 44 .55 W5 = 100
图１
列车制动能量流程图
图１ 中， Ｗ 为列车动能， 1 1 W = mv 2 + Jω 2 2 2 式中：ｍ 为列车质量；ｖ 为列车速度；Ｊ 为走行部旋转机 构的转动惯量；ω 为旋转角速度。
Ａ Ｗ ２ 载荷下列车制动能量
计算 误差／（％） ７ ６ ６ ５ ４ ４ ３ ３ 直线电机损 耗能量 Ｗ２／ｋＪ ２ ８５７ ２ ４７０ ２ ２０７ ２ ０９１ ２ ０６８ １ ９８５ １ ９６０ １ ３４９ 逆变器损 耗能量 Ｗ３／ｋＪ ４３４ ３８６ ３３１ ２６９ ２０２ １３８ ７２ １１ 电能 列车辅助设 备消耗能 量Ｗ４／ｋＪ １２４ １２４ １２４ １２４ １２４ １２４ １２４ ８７ 回馈牵引网 能量 Ｗ５／ｋＪ ８ １２８ ７ ２０６ ６ １６６ ４ ９８５ ３ ７１７ ２ ５０６ １ ２４０ １２２
随着交流传动技术在城轨车辆中的广泛应用， 车 辆制动中广泛采用再生制动技术。 列车制动时直线电 机处于发电机工作状态， 将列车的动能转换为电能。 这 部分电能扣除直线电机、 逆变器损耗之后， 一部分供本 列车辅助设备 （如空调、 通风机、 空压机、 直流负荷等） 使用， 其余大部分供其他列车的牵引和辅助设备使用， 其能量流程如图１ 所示。 Ｗ １ 为列车基本阻力所消耗的能 量；Ｗ ２ 为直线电机损耗能量；Ｗ ３ 为逆变器损耗能量； Ｗ ４ 为列车辅助设备消耗能量；Ｗ ５ 为供其他列车使用或
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第 ５期
李鲲鹏， 张振生：广州地铁 ４ 号线地面制动电阻的设计
表２
制动速 度 ／ｋｍ・ｈ －１ ９０～８０ ８０～７０ ７０～６０ ６０～５０ ５０～４０ ４０～３０ ３０～２０ ２０～１３ 制动动 能Ｗ０／ｋＪ １１ ５５０ １０ １９１ ８ ８３２ ７ ４７４ ６ １１５ ４ ７５６ ３ ３９７ １ ５６９ 机械能 列车基本 列车制动消 阻力消耗 耗的能量 能量 Ｗ１／ｋＪ ＷＢ／ｋＪ ７８２ ６１８ ４７６ ３５６ ２５５ １７３ １０６ ４３ １１ ５４３ １０ １８５ ８ ８２７ ７ ４６９ ６ １１１ ４ ７５３ ３ ３９５ １ ５６９
２ ０ ０ ５ 年第 ５ 期 ２００５ 年 ９ 月 １０ 日
机 车 电 传 动 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＤＲＩＶＥ ＦＯＲ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ
№５， ２００５ Ｓｅｐ １０， ２００５
城 市 轨 道 车 辆
广州地铁４号线地面制动电阻的设计
李鲲鹏， 张振生
（广州市地下铁道设计研究院 总包总体部， 广东 广州 ５１００１０）
０
引言
为了减小车辆质量， 降低牵引电能的消耗， 降低车 辆对线路的冲击， 减少车辆噪声， 在城市轨道交通中常 采用地面再生能量吸收装置吸收制动能量。 在国外城 市轨道交通运输系统中， 已经投入运营的再生能量吸 收装置主要有制动电阻、 逆变器、 飞轮储能装置和双层 电容器等， 其中以制动电阻装置最为简单， 不仅技术成 熟、 可靠， 而且初期投资较低。 故在广州地铁４ 号线中采 用了地面制动电阻再生能量吸收装置。 虽然地面制动电阻设计属于供电系统设计的一部 分， 但是它与车辆系统密切相关。 制动电阻的参数不仅 直接影响车辆制动性能的发挥和行车安全， 而且还影 响制动电阻设备和直流牵引供电系统的运行安全。 但 是在广州地铁 ４ 号线供电系统的设计中发现， 国内目前 还没有就地面制动电阻的电气参数及其计算形成统一
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机
车
电
传ห้องสมุดไป่ตู้
动 ２００５年
消耗于制动电阻上的能量。
∑
车辆的基本技术参数 根据四方—川崎标书提供的资料， 广州地铁４ 号线 车辆为４ 辆编组的全动车， 列车的空载 （Ａ Ｗ ０ ） 质量为 １１５．２６ ｔ， 满载 （ＡＷ２） 质量为１７０．３４ ｔ， 超载 （ＡＷ３） 质量 为１９４．３４ ｔ， 列车旋转部件归算质量为空载质量的５％。 因此， 在Ａ Ｗ ２ 和 Ａ Ｗ ３ 载荷的情况下， 计及转动惯量的 等效质量ＡＷ２为１７６．１０３ ｔ， ＡＷ３为２００．１０３ ｔ 。 列车运行的 基本阻力 Ｒ＝２０．２８６＋０．３８２２Ｖ＋０．００２０５８Ｖ２ （Ｎ／ｔ） ……… （１） 式中 Ｖ 为列车运行速度 （ｋｍ／ｈ） 。 列车的制动包括再生制动、 反相制动和机械制动 等３ 种制动模式， 根据运行速度和载荷的不同， 制动过 程分为４ 个阶段， 详见表１ 。
表１
载荷条件 ＡＷ０
１．１
广州地铁４号线列车制动过程一览表
速度范围 制动模式 再生制动。 再生功率大， 除满足列 车 辅 助 用 电 外 ，还 向 电 网 输 送 电 能 再生制动。 再生功率小， 仅供列车辅 助用电 反相制动。 列车从电网吸收电能 机械制动 再生制动。 再生功率大， 除满足列 车 辅 助 用 电 外 ，还 向 电 网 输 送 电 能 再生制动。 再生功率小， 仅供列车辅 助用电 反相制动。 列车从电网吸收电能 机械制动 再生制动＋机械制动。 再生功率 大， 除满足列车辅助用电外， 还向 电网输送电能 再生制动＋机械制动。 再生功率 小 ，仅 供 列 车 辅 助 用 电 反 相 制 动 ＋ 机 械 制 动 。列 车 从 电 网 吸收电能 机械制动