第4章电制动
4.1 电制动的必要性和基本要求
4.1.1 电制动的必要性
现在最多采⽤的闸⽡制动，但其摩擦产⽣的热能在闸⽡和车轮踏⾯间积聚，温度急剧升⾼，严重时⾼温可熔化闸⽡或烧灼踏⾯。同时，闸⽡与车轮踏⾯摩擦后会产⽣粉尘和热量，对环境有严重的污染，⽽且，频繁和过量的使⽤摩擦制动，将使闸⽡更换频繁，车辆踏⾯的维修⼤量增加。
为了减少机械摩擦的损耗，应尽量采⽤⽆污染的制动⽅式，⽬前最好的⽅法就是使⽤电制动。由于现代城市轨道交通车辆⼀般都是采⽤电⼒牵引的动车组，采⽤直流或交流电动机牵引动⼒，因此以电⽓制动作为主要制动已成为潮流。电动车组中既有动车⼜有拖车，除了拖车没有电动机只能使⽤摩擦外，所有动车都可以动⼒制动，并且还可以承担部分拖车的制动⼒。 通过转换电路和受电器将电能反馈给供电触⽹，提供本车辅助电源或同⼀电⽹中相邻运⾏列车使⽤的⽅式，叫再⽣制动。
如果⽹压太⾼，不能接受反馈电能，只能通过列车上的电阻器发热消耗，转变为热能散发到⼤⽓中去，就叫电阻制动。 4.1.2 电制动的基本要求
⼀个安全可靠的电制动(动⼒制动)系统应满⾜以下基本要求：
(1)应具有机械的稳定性。即电制动时，如果列车速度增加，制动⼒也应随之增加。
(2)应具有电上的稳定性。电制动时如果发⽣瞬时电流波动，系统能⾃动恢复原来的平衡状态。 (3)各台电动机的制动⼒应相等。
(4)制动过程中⽆论外界条件有什么瞬时变化，例如，电⽹电压波动、黏着条件变化以及⼈为的调节等，都不应产⽣⼤电流的冲击和制动⼒的冲击。
(5)电⽓制动电路的设计⼒求简单。
4.2 电阻制动
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。这时由列车运⾏动能转换成的电
能将全部消耗在列车上的电阻器中，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。
图4-1所⽰为⼀个直流斩波控制电阻制动电路。斩波控制器(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4-1 直流制列车的直流斩波控制电阻制动电路
在常规电阻制动中，电动机的电枢电流随着机车速度的减⼩⽽减⼩，机车轮周制动⼒也随着机车的速
度变化⽽变化。加馈电阻制动就是为提⾼机车在低速运⾏时的轮周制动⼒，从电⽹中吸收电能，补⾜到电动机的电枢电流中去，以获得理想的轮周制动⼒。其优点⼀是加宽了调速围，最⼤制动⼒可以延伸⾄接近零；⼆是能较⽅便地实现恒制动⼒控制。⽬前⼤部分电⼒机车都采
⽤这种制动⽅式。
⼀般来说，相控机车上不另设加馈电源，⽽是使⽤牵引时整流调压电路在制动⼯况作为加馈电源。
在加馈区制动时，只需调节半控整流电路中晶闸管的移相⾓即可调节加馈电源输出，及时补⾜制动电流，维持制动电流不变。
从理论上讲，加馈电阻制动可以使机车制停。⽽实际上由于牵引电动机整流器不允许静⽌不动长时问通过额定电流，以防⽌整流器过热⽽烧毁。故机车速度低于⼀定值时，就切除加馈制动，改⽤空⽓制动制停机车。
但是直流斩波控制电阻制动电路也有多种，不完全相同。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直流制列车的直流斩波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。
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。其具体⽅式请参考本章有关直—交电路的再⽣制动的容。
图4-2 制动电阻箱结构图
⼀般每个动车都安装有制动电阻器箱，⾥⾯装有⾜够的制动电阻（如图4-2）。电阻材料⼀般采⽤合⾦带钢条，这种合⾦带钢条不仅具有稳定的电阻率，⽽且具有相当⼤的热容性。电阻带分阻安装在由电
磁瓶绝缘的铁架上，电阻带之间留有很⼤的通风空间。为了尽快将电阻制动产⽣的热量散发出去，制动电阻器箱的⼀端装有⼤功率的通风机。通风机转速⾮常⾼，排风量很⼤。强迫风冷可以使电阻带的温度迅速下降。但是热量会散发到隧道中，使隧道中的温度升⾼，这对地下车站的空调环境很不利，夏季⼤⼤增加了通风和空调的电费⽀出。电阻制动会造成车辆能量和车站能量的双重浪费。⽽且，电阻带产⽣的⾼温明⽕会引起列车其他设备或者电缆的燃烧，给列车运⾏安全带来了潜在危险。所以要尽量减少电阻制动，提⾼再⽣制动。
4.3 再⽣制动
4.3.1 直流再⽣制动电路
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，即向供电⽹反馈电能。如果触⽹电压过⾼或同⼀供电区段⽆其他车辆吸收反馈能量，则电路转为电阻制动，把能量消耗在电阻器上。
图4-3 直流制列车的再⽣制动⽰意图
城市轨道交通控制图4-3所⽰为地铁⼀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⽅式。直流斩波器调压和串接直流电动机的牵引⽅式将在列车牵引技术课程中讲述，这⾥只介绍制动⼯况。当⼀个直流斩波器控制的“两串两并”四个电动机的主电路由牵引⼯况转换成电制动T况时，原先的各⾃电枢和励磁绕组串联的两个⽀路，现在转换成交叉励磁，也就是电动机⾃⼰的励磁绕组去激励另⼀⽀路的电动机电枢，⽽另⼀⽀路电动机的励磁绕组来激励本机电枢。采⽤这种交叉励磁⽅法的⽬的是提⾼电路的电⽓稳定性。虽然这种交叉励磁电路看起来具有他励(对每⼀组的电枢绕组⽽⾔)的性质，但由于电动机型号和参数相同，实际上还是具有串励的特性，因为励磁绕组与电枢还是串联连接，只不过不是同⼀电动机的罢了。在制动回路中还需接⼊⼀个预励磁电路，因为当回路由牵引
⼯况转为制动⼯况时，原先剩磁⽅向必须改变，为此必须对电动机预先他激励磁，以便使电动机建⽴起发电机⼯况的初始电压。
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、励磁线圈、平波电抗器(1L3)和制动电阻，使电动机建⽴起电枢电势，从⽽使平波电抗器也建⽴起感应电势；当斩波器关闭，电路通过⼆极管(V5)续流，电枢电势与平波电抗器上的感应电势(此时感应电势的⽅向改变)叠加，向电⽹馈电。如果这时⽹上有负载(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，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。在最近的⼗⼏年，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已⼤⼤增加，客室乘客服务设施(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为增加。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，⽽由制动电阻消耗的能量也相对减少了。
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。
4.3.2 再⽣制动时的电流控制
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，在上述的直流制列车制动时，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除电阻，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。
4.3.3 直—交电路的再⽣制动
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。如果落后于转⼦转速，即转差率⼩于0，三相异步电动机⼯况就改变为三相交流发电机⼯况。在列车运⾏过程中，如
果外⼒(如下坡)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。制动时(图4-4，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续流⼆极管(VDl～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
车的动能转换成了电能。直流端输出的电能可以被本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4-4 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。这时动⼒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：即恒转差率控制模式(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．恒转差率控制模式
在⾼速时开始制动，此时三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，减⼩逆变频率。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。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，在⼀个⼩区段⽤控制转差频率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，此时电动机电流亦保持恒定。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V/f1恒定，则磁通恒定，制动⼒恒定。
⼀般制动⼯况下，列车由⾼速减速⾄50km/h期问，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l0km/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l0km/h以下后，为保持恒制动⼒需要逐步补充摩擦制动。
列车在下较长距离和较⼤坡度的坡道时，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。列车会⾃动进⼊制动⼯况，制动转速会进⼀步增加。
4.4 本章⼩结
本章主要描述的是电制动。电制动分为电阻制动和再⽣制动。在列车制动时，电动机转变成发电机，在满⾜下⾯两个条件下才能实现（1）再⽣电压必须⼤于接触⽹电压。（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
外界的运⾏条件。电阻制动是再⽣制动不能实施的情况下，电能经过电阻箱，将电能转换成热能，散发在⼤⽓中。制动优先原则：第⼀优先再⽣制动，第⼆优先电阻制动，第三优先空⽓制动。
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