地铁制动系统电气控制探究分析论文.docx
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地铁制动系统电气控制探究分析论文
目录
1绪论1
1.1选题背景1
1.2选题的目的与意义1
1.3国内外研究现状1
1.3.1国内研究现状1
1.3.2国外研究现状2
1.4研究内容2
2制动系统2
2.1制动系统的定义2
2.2列车制动系统的特点3
3电制动系统组成6
3.1牵引/制动系统组成6
3.1.1牵引系统基本参数6
3.2基本工作原理7
3.2.1输入值设定7
3.2.2速度检测8
3.2.3电机控制8
3.2.4脉冲模式发生器10
3.2.5能量反馈11
4空气制动系统的组成12
4.1供风设备13
4.2制动控制单元13
4.2.1制动控制单元ECU13
4.2.2微机控制单元ECU的基本结构13
4.2.3制动控制单元BCU14
4.2.4ECU与BCU等外接设备的接口关系14
4.3制动系统的其他组成部分15
5电空联合控制及其转化17
5.1电空联合制动及其转换的原理17
5.2联合制动计算的基础18
5.2.1常用制动模式下几种状态的制动力的特性19
5.2.2制动力的分配及保压制动控制21
6制动系统故障分析23
结论25
参考文献27
附录一28
附录二29
一、文献综述
在城市化步伐日益加快的今天,城市规模越来越大,人口不断增多,原有的城市交通网络已经难以满足发展的要求。
由此,很多城市开始发展轨道交通,地铁建设进入了发展的黄金时期。
国内,北京地铁、上海地铁发展较早,地铁运营更为成熟,广州、杭州、南京等也正在大力建设地铁项目。
根据国外大型城市交通发展的经验,轨道交通对于缓解城市交通压力,增加城市交通活力起着举足轻重的作用。
随着运营密度的不断加大,上下客频繁,使得地铁制动系统控制区别于城际列车,功能要求更为复杂,可靠性更高。
制动控制是列车安全、可靠运行的主导性功能,精确控制列车在各种条件下的减速停放,并在任何时刻都要考虑列车自身的安全性、可靠性及准时性。
作为列车重要组成部分,其作用是使列车减速,以致在规定的距离内使地铁停车,保证列车行车安全和提高通过能力。
现代列车多采用多种制动方式转移列车所积蓄的能量,在正常情况下,电制动优先。
基础制动装置是确保城市轨道交通车辆行车安全的措施之一。
在分析城市轨道车辆制动特点的基础上,方鸣(2007)《城市轨道交通列车电制动地面电阻吸收装置相关参数分析》根据列车的电制动特性和供电臂内列车状态的不同,合理地确定制动电阻的技术参数。
采用多支路形式的电阻吸收装置,可方便控制电阻吸收装置并可靠吸收列车电制动功率。
给出的计算方法可与现行的城市轨道交通牵引供电计算方法相结合,构成完整的牵引供电计算方法。
杨凡(2011)《制动电气控制技术规范》主要针对KNORR的EP2002系统的配置要求、电气接口和所需要实现的功能作描述和说明。
马剑冰(2007)《再生制动能量利用方式的探讨》介绍了世界轨道交通领域各种主流的车辆再生制动能量的利用方式,阐述了其中最适用于国内直流牵引系统的逆变和电容储能两种方式的技术细节,及其针对不同供电形式的适用性。
介绍了这两种利用方式在国外的应用情况,特别是国外采纳不同方式的出发点。
方宇,陈晓丽,宋瑞刚,尧辉明,杨俭(2009)《城市轨道车辆电阻制动能量回收实验系统研究》在城市轨道车辆模拟牵引系统研制的基础上,对城市轨道车辆电阻制动能量回收实验系统进行了设计,开发了该系统的核心控制单元。
利用此系统可以对城市轨道车辆模拟牵引单元电阻制动能量进行有效回收,并加以合理利用。
该试验系统的开发对城市轨道车辆电阻制动能量回收控制利用具有现实意义。
在城轨交通列车的总体结构中,制动装置包括了制动控制系统和基础制动装置两大部分。
制动控制系统包含了司机室内控制装置和制动信号发生装置、贯穿全列车制动信号传递电线路、网络或气管路、车辆内部或者底部的制动控制单元或空气分配阀等组成;基础制动装置主要指安装在转向架上的制动执行部件。
本文通过查阅近些年来有关城市轨道车辆制动系统的期刊、书籍、学位论文等文献资料,了解掌握了关于车辆制动力和制动控制电气原理的分析研究方法,这些文献给了作者很大的参考价值。
文章将探究南京地铁10号线列车制动系统电气原理及如何工作以保证列车安全运营的。
二、选题的目的和意义
了解国内外列车制动系统的发展状况,熟悉电气制动的各种解决方案,掌握电气制动的原理以及结构,以南京地铁10号线列车研究学习对制动电气控制形成一个全面、完整的认识。
三、研究方案(框架)
本毕业设计在车辆控制及车辆电气等专业知识的基础上,以最近新开通的南京地铁10号线列车制动系统为例,涉及的主要内容有:
南京地铁10号线制动系统的概述,对制动系统电气原理的探究,了解该系统是如何工作以保证地铁安全、高效的运营。
从而深入掌握制动电气控制的结构与功能。
四、进度计划
7月10日-8月14日
分析题目,查阅资料,学习与毕业设计相关的知识,作好前期准备工作。
8月15日-10月1日
开始阅读资料、考虑方案、划分论文各个论点,撰写毕业论文初稿。
10月10日-10月17日
修改毕业论文,规范格式,提交导师评阅,完成答辩PPT及其他答辩准备工作。
五、指导教师意见
指导教师:
年月日
一、总体结构
●.简述电气控制原理及制动系统的作用
●.以南京地铁十号线为例,简述其制动系统中电气控制的工作流程
●.简述制动系统中常见的电气控制问题
●.探讨如何维护制动系统的安全稳定
二、结构图
三、进展情况
论文框架已基本完成,正在做进一步的修改和完善。
四、指导老师意见
指导教师:
年月日
结题验收
一、完成日期
二、完成质量
三、存在问题
四、结论
指导教师:
年月日
中文摘要
摘要:
城市轨道交通列车都有很多列车系统,其中列车制动系统是最重要的列车系统之一,它是地铁列车安全运行的生命线,本课题对地铁列车的制动技术进行了探究。
本文首先阐述了国内外地铁及城市轨道交通的发展现状。
以南京地铁十号线为例对电制动系统、空气制动系统及电空联合制动进行了简要分析。
在对地铁列车的制动系统设计中,详细的介绍了地铁列车的制动系统设计方案框架,并从制动系统的功能模块出发,进一步阐述了ECU的功能及控制模式,BCU的工作特性和VVVF(三相调频调压牵引逆变器)的控制原理,了解了地铁列车空电联合制动控制方案设计的理论知识。
关键词:
制动系统;南京十号线;设计方案;
Abstract
Abstract:
Cityrailtransittrainshavealotoftrainsystem,wherebrakesystemisoneofthemostimportanttrainsystem,itisthelifelineofthesaferunningofthesubwaytrain,thissubjectisexploringbrakingtechnologyofsubway.Thisarticlefirstelaboratedthedomesticandforeignsubwayandcityrailtransportationdevelopmentpresentsituation.TakingNanjingmetroline10asanexampleandmakesabriefanalysisoftheelectricbrakingsystem,airbrakingsystemandelectropneumaticbrake.Inthedesignofbrakingsystemofmetro,thepaperintroducesthedesignschemeofthesubwaytrainbrakingsystemframework,andstartingfromthefunctionmoduleofbrakingsystem,andfurtherexplainsthefunctionandcontrolmodeofECU,theworkingcharacteristicsofBCUandVVVF(three-phasefrequencyandvoltagecontrolprincipleofthetractioninverter),understandingthesubwaytrainbrakingcontrolschemedesigntheoryofknowledge.
Keywords:
trainbrakesystem;Nanjingmetroline10;
1绪论
1.1选题背景
伴随着我国城市化进程的加快,城市交通压力越来越大,为形成方便快捷的城市交通网络,越来越多的城市将建设城市轨道交通纳入计划。
因此,很多城市开始建设符合自身需要的城市轨道交通系统,如地铁、轻轨以及低地板项目等。
地铁作为城市轨道交通的主力军,其技术性能直接影响运载能力。
目前的城市轨道交通系统基本都是电气化的,那么地铁车辆中,制动系统是一个至关重要的环节,现在地铁所使用的制动系统不尽相同,但它们的职能都是让运行的列车在需要的时候能够得到一个有效的制动力。
现在市场上的制动厂家很多,南京地铁十号线的制动是科诺尔提供的。
本文以南京浦镇城轨车辆有限责任公司生产的南京十号线为例,为大家讲述该制动系统是如何工作的以及一些故障处理的方法。
为今后相关企业的生产提供参考。
1.2选题的目的与意义
在城市的发展中伴随着拥堵、交通事故频繁、环境污染等难题。
城市轨道交通以其大运量、高速准时、节省空间以及节约能源等特点,逐步成为我国城市交通发展的主流。
制动系统又是城市轨道交通车辆的重要的组成部分之一,作为列车重要组成部分的制动装置,其作用是使列车减速,以致在规定的距离内使列车停车,保证列车行车安全和提高铁路通过能力。
现代城市轨道交通列车多采用多种制动方式转移列车所积蓄的能量,也为节省电力资源做出了贡献。
该系统的正常稳定是保证列车运营安全的重要前提。
在遇到进站停车或者遇到突发状况时,制动系统要发挥重要的作用,一旦制动系统发生问题,其后果是不堪设想的。
本文探究了地铁车辆制动系统的电气控制,针对实际车辆运营中中发生的常见的制动故障,给出处理故障方案及建议,达到安全运营的目的。
1.3国内外研究现状
1.3.1国内研究现状
近期,铁道部科学研究院机车车辆研究所(以下简称铁科院机辆所)在消化吸收国外先进技术的基础上,通过10万公里的载重和实际载客运行考核。
国家发改委委托中国交通运输协会组织的专家组评审认为,该系统的各项技术指标达到了国外同类产品的水平,满足安全性,可靠性,可维护性等要求,已具备推广运用的条件。
这标志着我国城市轨道交通设备国产化又向前迈进了一步
但是由于国内在城市轨道交通列车的制动系统的研究起步晚,城市轨道交通制动系统的发展仍然处于起步阶段。
制动系统的关键技术仍然掌握在克诺尔、NABCO等国外公司的手中,这些公司的产品仍然占有国内绝大部分市场份额,其列车实验仍由国外公司主导。
1.3.2国外研究现状
制动系统是城市轨道交通装备的核心技术,能够保证车辆按照需要减速或者在规定的距离内停车,以确保列车行车安全。
由于轻轨、地铁等城市轨道交通的站距大多只有1-1.5km左右,需要频繁制动,因而需要制动系统具有操作灵活、动作迅速、停车平稳准确、制动功率相对较大等特点,国外在这方面的研究起步早,掌握着城市轨道交通制动系统的核心技术,国外在这方面的技术的研究处于相对比较成熟的阶段。
1.4研究内容
根据国内外城市轨道交通制动系统的研究发展现状及存在问题,本文将重点研究以下内容:
(1)城市轨道交通列车制动系统的组成
向大家展示南京地铁十号线制动系统的主要组成:
供风系统,制动系统的控制。
(2)城市轨道交通列车制动系统的工作原理
具体研究南京地铁十号线制动系统的制动控制系统及其工作原理。
(3)城市轨道交通列车制动系统故障分析,举例分析南京地铁十号线制动系统的常见故障,并提出合理化建议。
2制动系统
2.1制动系统的定义
制动系统即用来控制机车车辆速度或使之停车的装置。
由机车制动装置和车辆制动装置组成,当前在铁路机车车辆牵引传动和制动系统中,采用了机械、电气、空气和液压等技术来传递各种作用力和能量。
制动方式按优先等级分为再生制动、电阻制动和空气(摩擦)制动;按操作模式分为紧急制动、快速制动、常用制动、保压制动和停放制动。
南京地铁十号线的运行列车由2个半列车各3节车辆组成,有A、B、C3种车型,其中A车是带司机室和受电弓的拖车,B和C车是带驱动电机的动车,结构基本相同,按*A-B-C=C-B-A*的方式组成。
半列车之间以半自动车钩实现机械、电气和气路的整体连接,每一个A-B-C车组构成独立的动力单元,自成体系。
因此,其制动系统的设计、计算是基于三节单元车组考虑的。
2.2列车制动系统的特点
南京地铁十号线车辆采用KNORR(科诺尔)公司生产的模拟式电—空气控制制动系统,它用一条电缆贯通整个列车,形成连续回路。
模拟式制动系统的操作指令是采用电控制空气、空气再控制空气的方法。
制动电指令是利用脉冲宽度调制,从而进行无级控制。
南京地铁十号线列车上安装的制动系统能够执行以下主要功能:
可根据来自司机或安全系统的制动指令降低列车的速度;根据运行条件和列车的完整性,在由制动系统性能所定义的一个特定时间间隔或距离内达到任何需要的速度;将列车保持在一个静止的位置。
以上功能的实现是因为这个系统能够执行以下制动功能:
1、常用制动。
司机通过主控制器或ATC(自动控制系统)系统施加,用于控制车辆动态并在任何速度和载荷状态下快速而有效地使之停止。
EP(常用制动和紧急制动)制动通常通过将ED(电制动)制动和机械摩擦制动混合执行(ED优先)。
2、紧急制动。
保证预期的制动力在需要的时间内提供。
由列车司机执行,或在列车重大故障情况下自动执行,以避免潜在的危险情形,在探测到非常危险的情况下,使车辆在最短距离内停止。
3、快速制动。
一种保证减速度同紧急制动相同的制动,使用混合制动和WSP(防滑)的方式。
安全回路保持通电。
4、保持制动。
在车站当乘客进出车辆的时候,保证列车的固定。
5、停放制动。
防止列车从静止的状态发生移动。
用于维持车辆明确而安全地停止。
2.3制动类型
考虑到地铁车辆本身要求的特点及其装备:
站间距离短,启动快,制动距离短,停车精度高和每节动车装备有四台交流电机等,同时考虑到电制动本身的特点(低速时电制动发挥不出来)以及安全要求,将制动系统设计为两大类:
电制动和空气(摩擦)制动。
2.3.1电制动
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,电制动又有再生制动和电阻制动两种形式。
电制动具有独立的滑行保护和载荷校正功能。
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;
四个自冷式三相交流电机M1、M2、M3、M4(每轴一个,相互并联)
电制动力的分配原则
(1)再生制动
由于三节单元车组只有两节动车,假设每节车自己制动,总共需要300%的制动力,因此电制动时,两节动车(B车和C车)各承担150%的制动力。
当发生常用制动时,电动机M变成发电机状态运行,将车辆的动能变成电能,经VVVF逆变器整流成直流电反馈于接触网,供列车所在接触网供电区段上的其它车辆牵引用和供给本车的其它系统(如辅助系统等),此即再生制动。
再生制动原理图如下图6.1.1。
再生制动取决于接触网的接收能力,亦即取决于网压高低和负载利用能力。
(2)电阻制动
如果制动列车所在的接触网供电区段内无其它列车吸收该制动能量,VVVF则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上的门极可关断晶闸管GTO:
V1,GTO打开制动电阻RB,制动电阻RB与电容并联,将电机上的制动能量转变成电阻的热能消耗掉,此即电阻制动(亦称能耗制动),电阻制动能单独满足常用制动的要求。
电阻制动原理图如下图2-1。
图2-1再生制动原理图
图2-1能耗制动原理图
电阻制动是承担电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,变化率不能为人所感受到。
当高速时,动车采用再生制动,将列车动能转换成电能;当再生制动无法再回收时(如当网压上升到1800V时),再生制动能够平滑地过渡到电阻制动。
(3)电制动滑行保护
电制动具有独立的滑行保护功能。
由于四台电机是并联连接的,因此当DCU检测出任意一根轴发生滑行时,DCU只能对四台电机进行同步控制,同时降低或切除四台电机的电制动力。
2.3.2空气(摩擦)制动
空气(摩擦)制动是用来补充所要求的制动指令和已达到的电制动力之间的差额以及没有电制动时,完全满足列车的制动要求。
电制动和空气(摩擦)制动之间的混合制动是平滑的,并满足正常运行的冲击极限。
每节车设计有独自的气制动控制及部件,每根轴设计有独立的防滑控制。
3电制动系统组成
3.1牵引/制动系统组成
南京地铁十号线车辆牵引和电制动系统由科诺尔公司提供,整个系统由受电弓、高速断路器HSCB、VVVF牵引逆变器、DCU/UNAS(牵引控制单元)、牵引电机,制动电阻等组成,如图3-1所示。
1
2
1——DCU对VVVF逆变器的线路电容器充/放电控制
2——DCU/UNAS对VVVF逆变器及电机转矩控制
图3-1:
牵引系统组成示意图
列车受电弓从接触网受流,通过高速断路器后,将1500VDC送入VVVF牵引逆变器。
VVVF牵引逆变器采用PWM脉宽调制模式,将1500VDC直流电逆变成频率、电压可调的三相交流电,平行供给车辆四台交流鼠笼式异步牵引电机,对电机进行调速,实现列车的牵引、制动功能,其半导体变流元件采用4500V/3000A的GTO,最大斩波频率为450Hz。
VVV输出电压的频率调节范围为0~112Hz,幅值调节范围为0~1147VAC。
3.1.1牵引系统基本参数
牵引逆变器VVVF:
线电压UN=1000~1800VDC
输入线电流IN=480A
最大线电流(牵引)INDMAX=692A
最大线电流(制动)INBMAX=1171A
输出电流IA=720A
最大输出电流IAMAX=1080A
最大保护电流IMAX=2900A
输出电压UN=0~1050V
输出频率fA=0~112Hz\
GTO最大开关频率fP=450Hz
制动斩波模块斩波频率fB=250Hz
牵引电机(1TB2010–0GA02):
连续定额 小时定额
输出功率PM190210kW
额定电压UN10501050V
额定电流IN132(1800min-1)144(1800min-1)A
额定转矩MN10081114Nm
最大转速nMAX35103510rpm
3.2基本工作原理
整个控制系统由输入值设定、速度测量、电机控制、脉冲发生器、能量反馈各环节构成。
DCU通过列车线接受来自控制系统的牵引/制动力绝对值(以百分比的形式),与此同时还接受司机发出牵引或制动指令,来决定是施加牵引或制动力。
在给定值进行实际电机控制前,必须经过以下条件的处理:
3.2.1输入值设定
载荷校验
DCU根据相应动车的载荷状况来调整实际牵引/制动力,这是由于采用了动力分散型控制,为了保持车钩之间的相对运动最小,并且使整车达到相同的动态特性。
冲击限制
不同的给定值大小的改变速率必须符合冲击限制的规定,但在防滑/防空转功能激活的时候则不受此限制。
速度限制(牵引时)
南京地铁十号线规定了3个速度限制,速度控制的优先级高于电机控制。
正常速度:
80km/h
倒车速度:
10km/h
慢行速度:
3km/h
线电流限制(牵引时)
在牵引工况时,线电流控制的优先级高于电机控制,出于功耗的考虑,该限制值为不超过每节动车720A。
欠压保护(制动时)
在制动时,网压一直受到检测,当网压降到1500V以下时,制动力矩随速度和网压相应的减少,这时不足的制动力由气制动补充。
空转/滑行保护
空转/滑行保护通过比较拖车动车之间的速度差异来实现,通过适当减少力矩设定值,该保护能确保输出最大所要求的牵引/制动力,当拖车速度检测失败时,该保护还可以通过仿真计算拖车速度来保证正常功能。
3.2.2速度检测
每个牵引电机带一个速度传感器,输出两个通道,每个通道相差为90º的方波(电机每转为256个脉冲),通过判断相差可以确定旋转的方向。
每个牵引控制单元连接3个速度传感器。
在正常情况下,该数值直接送入DCU进行牵引控制,在进行速度测量的时候,如果出现各速度值不相等的情况(例如,空转/滑行时),甚至在极端情况下,只有一个电机的速度信息对于牵引控制来说都是足够的。
当DCU监控逻辑系统发现有一个速度传感器故障时,马上封锁该速度信号,以免对牵引控制造成严重的影响。
除了电机速度,在DCU中同样检测拖车的速度。
在拖车一个轴上装有一个编码速度传感器,同电机速度传感器不同,该传感器是单通道的(每周111个脉冲)。
在DCU中有两块电路板A305,A306“中断处理与速度测量板”专门用来处理速度信号,速度值通过计算脉冲数,然后与参考时钟周期计算得到。
3.2.3电机控制
采用空间矢量控制,电机的磁通大小和方向(空间矢量)通过逆变器输出线电压和相电流,电机速度等参数近似得到。
绕组中的电流和电机电压作为空间矢量与磁通量有关,该解耦过程使得可以单独控制磁通和力矩(磁场定向控制)。
控制结构如图所示:
控制系统的输入力矩设定值
(1),该力矩设定值是经过控制系统的其他参数的校核(如负载,线电流,速度,冲击限制,防滑/防空转保护)才输入控制系统。
磁场设定值可以通过电机的参数(1a)计算得到,该值在整个正常速度范围内有效。
电机力矩电流的产生决定于励磁磁场和转子磁场的交互作用,如果是异步电机,励磁磁场和转子磁场均由定子电流产生,定子电流通过坐标变换为两部分:
一部分(励磁电流)产生磁场,另一部分(负载电流)与励磁磁场积分再与励磁磁场一起形成力矩,为了清楚的表现各电流的关系,定义了一个旋转坐标系统(I,m),该坐标系统与磁场矢量ψ同步,该变换的优点在于励磁电流部分和负载电流部分可以单独的进行控制(与并励直流电机原理相同)。
为了获得理想的励磁磁场矢量,使用了磁场观测器(3),通过电机相电流,电机线电压和速度
(2),磁场观测器在静止的坐标系统(a,b)计算磁场(ψ)的绝对值和磁场矢量的角度位置(ψflux),该旋转坐标系统可以通过该磁场矢量可以定义,通过坐标变换,将静止的电流矢量转变为旋转系统,在磁场坐标中产生电流部分(xil,wil)。
除了产生实际力矩(xmd
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