动车组再生制动的研究

1、摘 要带动力的动车和不带动力的动车通过固定编组共同组成了动车组，动车组具有舒适安全等优点，因此在全国范围内甚至世界许多国家中得到了普遍的使用和推广。再生制动与传统的空气制动相比具有不可比拟的优越性，是目前所使用的制动方式中唯一可以向电网回馈能量的一种制动方式，它较传统的空气制动而言，相关部件磨损程度较小，且在制动的同时还能节约能源,在资源日益匮乏的今天有着重大的意义。在再生制动的过程中，是将原本为电动机的异步牵引电机，变为了发电机，产生反向电流和反向转矩，从而达到制动的目的。而因再生制动产生的三相交流电经过中间的逆变器和脉冲整流，先变为单相直流电，再变为单相交流电，最后通过牵引变压器反馈回电网

2、。本文主要介绍了制动方式的分类，复合制动系统以及再生制动的工作原理，并深入研究了交流牵引传动系统。关键词：再生制动；动车组；交流牵引传动系统AbstractA emu is a fixed train consisting of a powered train and an unpowered trailer. Due to its safety, comfort and other characteristics, the emu has been widely used in countries and regions around the world.Regenerative braki

3、ng is the only braking method that can feed back energy to the power grid. Compared with the traditional air braking, the wear degree of relevant parts is small, and the braking can save energy at the same time, which is of great significance in today's increasingly scarce resources.In the proce

4、ss of regenerative braking, the asynchronous traction motor originally used as a motor is turned into a generator to generate reverse current and reverse torque, so as to achieve the purpose of braking. The three-phase alternating current generated by regenerative braking passes through the middle i

5、nverter and pulse rectification, and first becomes single-phase direct current, then single-phase alternating current, and finally feeds back to the power grid through traction transformer. This paper mainly introduces the classification of braking mode, the working principle of compound braking sys

6、tem and regenerative braking system, and deeply studies the ac traction drive system.Key words：regenerative braking; The emu. Ac traction drive system目录第一章 绪论51.1 研究背景51.1.1 国外现状分析51.1.2 国内现状分析71.2 本文主要研究内容8第二章 制动系统概述92.1 制动系统对动车组的意义92.2 制动方式的分类92.2.1 按动能转移方式分类92.2.2 按制动力的形成方式112.2.3 按制动力的操纵控制方式122.

7、3 高速动车组复合制动系统122.3.1 高速动车组复合制动系统组成和特点122.3.2 高速动车组复合制动系统制动能量分配132.4 本章小结14第3章 高速动车组再生制动理论分析153.1 高速动车组再生制动工作原理153.2 交流牵引传动系统163.2.1 PWM整流器173.2.2 中间直流环节193.2.3 逆变器213.2.4 交流异步电动机233.3 再生制动的能量分析233.3.1 地面电阻制动243.4本章小结25第一章 绪论1.1 研究背景动车组一种固定编组列车，它由带动力的动车和不带动力的拖车两部分组成，兼具了动车的安全、速度与拖车的舒适度，因此在诞生后的五十年内，便迅速

8、地在全世界各大国家内占领了一席之地。 电气化铁道牵引负荷，是能源消耗的大号用户，在当今这个能源紧缺的社会，铁路运输产生的巨大能源消耗成为亟待解决的一个问题，如何在保提高铁路运输的水平基础上，降低铁路的能源消耗，节能减排是铁路工作的重点之一。再生制动是实现节能减排的措施之一。动车制动时，牵引电机变为发电机，产生反向电流，形成反向力矩，以达到制动的目的。在这个过程中，制动产生的巨大动能通过牵引电机变来的发电机转换为电能，并通过回流轨最终反馈到电网中，这就是再生制动。动车组再运行过程中，速度很快，为了再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

9、，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。1.1.1 国外现状分析20世纪六十年代，日本东海道新干线的建成标志着世界上第一条高速铁路的诞生，自此之后，铁路行业便开始以突飞猛进地速度得到迅速发展，从而促进了高速动车组的运用和推广。高速动车组目前主要有三大技术体系，分别是德国ICE、法国TGV和日本新干线，还有一些国家根据自己的国情以及实际情况，也形成了独具特色的铁路干线，高速动车组已经在铁路行业占据一席之地，

10、并逐渐成为列车发展的方向。日本高速动车组0系新干线的设计与东海道新干线筹建几乎同步实施，是世界各国开通运营高速动车组的先驱。随着现代科技的发展已经铁路运行规模的扩大，打造更加舒适的乘车空间，提高动车组的速度，增强动车组的安全保证，减少地理环境等条件的限制性，日本高速动车组的技术人员及研发团队还相继开发了100系、200系、300系、400系、500系、700系、800系、E2系等多型列车，其中制动方式为700系、500系、800系、E2系等的列车均采用了空气盘行制动和再生制动。法国的铁路运输在世界范围内也是数一数二的，铁路运输的历史悠久，早自20世纪70年代起，法国就已经开始了对交直传动系统的

11、TGV-PSE高速动车组的研究，并在1981年正式开通运行，这批高铁动车组是法国第一代高铁动车组。随着现代科学技术的发展，法国转而开始研制交直交传系统的高铁动车组，并成功研发出来多种型号的交直交高速动车组，如TGV-A、TGV-TMST、TGV-R、TGV-2N、TGV-PBKA、西班牙AVE、TGV-K等型号，这其中属于法国第二代TGV高速动车组的有TGV-A、TGV-TMST、TGV-R，TGV-2N的动车结构与TGV-R相似，但是其拖车结构却与前者大相径庭，参照了最新一代的高铁动车组进行设计，是TGV系列的最新车型，也是公认的法国第三代TGV高铁动车组。法国铁路部门从未停止前进的步伐，最

12、近几年来，相关部门抓住最新的研究方向动力分散型高速动车组，与阿尔斯等公司共同研制的AGV高速动车组投入运营。不同型号的高速动车组制动方式也各不相同，TGV-2N的制动方式采用电阻制动和盘行制动,TGV-PSE、TGV-A的制动方式采用闸瓦制动和电阻制动,TGV-TMST(欧洲之星)采用再生制动、电阻制动和闸瓦制动,AGV则采用再生制动和电阻制动的制动方式。德国的铁路行业发展较其他国家开始地较早，二十世纪六十年代德国的高速客运车的运行速度就已经达到了160km/h，七十年代研制的ET型电动车租速度更是高达200km/h，到了八十年代，德国铁路部门更是斥巨资，打造ICE型城际高速列车，此后又过了三

13、年，在上述已有的研究水平上，研制成功了两个动车三个拖车的ICE/V新型高速动车组，试行速度高达4O6.9km/h，是当时世界上速度最快的高铁动车组。进入九十年代后，德国的高铁动车组在以往的研究基础上更加精进，并制订了关于ICE1型高速动车组的研究计划，这项计划在九十年代初期便已成功完成，速度高达280km/h，并于1991年在汉堡-维尔兹堡之间正式投入运营。同年，随着德国的统一，铁路相关部门又开始了第二代ICE高速动车组的研究，并在1996年的柏林-汉诺威之间投入使用，速度与一代相比没有提高。这两代动车组的共同点为都以动力集中为牵引方式，在ICE的基础上，ICE-M研制成功，它的作用主要为欧洲

14、国际联运，在不同线路上运行速度不同，在220-300km/h之间，扩建线路上的速度高达30Okm/h。随着现代社会的发展，网络技术的发达，人们对出行方式和出行条件也有了更高地需求，原有的型号已经跟不上现代社会的需求，为了与时俱进，提高现有线路动车组的速度，满足大众的需求，20世纪末，ICE3型高铁动车组试制完成，并投入使用，运行速度高达350km/h。ICE型高速动车组的共同点为都使用的饰再生制动方式。除了以上国家之外，韩国、意大利以及英国、北欧等国家的高度铁路也发展第较为迅速，并且各有各的特色，但是多数国家仍旧将再生制动作为主要制动方式，同时也有电阻制动、空气制动或盘行制动等作为辅助制动方式

15、。1.1.2 国内现状分析1978年，随着改革开放的到来，社会经济的发展使人们的生活水平日益提高，人们对出行的需求也越来越大，高速动车组以其无比的优越性也开始吸引到我国铁路相关部门的关注，党和国家对国家铁路事业也日益重视，1999年，我够的第一列“春城”号动车组研制成功并成功运行，其最初的目的是为了满足昆明园艺博览会的需求，因此其性质为商业运营。其后，在此基础上，我国又陆续车成功研制了“先锋”号、“中原之星”、“长白山”等动力分散性高动组，以及DDJ1型“大白鳖”号和DJJ1型“蓝箭”号动车组。显然，追求技术的步伐从来不会停止，近年来，为了满足我国铁路部门关于第六次大提速的政策要求，我国开始向

16、国外学习先进的技术，先后研制了和谐号1号、2号和5号高速动车组，均采用的是动力分散型，其后，我国又成功研制除了速度高达3O0km/h的CRH3型高速动车组，并在2008年正式投入使用。三种高速动车组的制动方式均以再生制动为主，辅助制动方式各不相同。通过比对国内外的高速动车组的发展历史以及发展现状，不难发现，目前发展在前沿的高速动车组采用的制动方式均以再生制动为主，且成为世界范围内高度动车组制动方式的发展方向。1.2 本文主要研究内容1、对高度动车组的研究现状进行分析，深入了解再生制动方式的研究前景。2、概述制动系统是什么，包括其结构以及分类、原理等。3、深入研究高速动车组制动系统的原理，并将理

17、论联系实际，探究这一系统对目前高速动车组发展的意义及指导方向。第二章 制动系统概述2.1 制动系统对动车组的意义制动系统动车组即为了达成动车组调速或者停车，而采取某种合适的方式将动车的动能转换为其他形式的能量，降低动车的速度的过程。在车上安装的以期达到制动目的的相关设施成为制动装置。动车组如果要实现提高速度的目标，除了牵引功率要足够大之外，还必须要有足够大的制动力。2.2 制动方式的分类制动方式的分类多种多样，这里主要对下面三种分类方式进行介绍：2.2.1 按动能转移方式分类盘形制动由空气压力作为动力，推动制动夹钳使闸片夹紧制动圆盘，使闸片与制动圆盘间产生摩擦，将动能转换为热能并消散于大气中，

18、以此达到制动的目的。特点：（1）制动平稳，几乎无噪音（2）能大大减轻车轮踏面的机械磨损与热负荷（3）可按照制动要求选择最佳的“摩擦副”。图2-1 固定式钳盘车轮制动器基本结构图 电阻制动在制动过程中，将牵引电机变为发电机，形成反向电流，产生反向转矩，达到制动作用，并将反向电流通向耗能电阻进行消耗，同时采取强迫通风，使消耗在电阻上的热量消散于大气中。速度低时，制动力小；速度高时，制动力大。图2-2 电阻制动原理图再生制动将牵引电机变为发电机，形成反向电流，产生反向转矩，以此达到制动的目的。但其产生的反向电流不会被消耗掉，而是将会反馈给电网。显而易见，再生制动比电阻制动更节省能量。图2-3 再生制

19、动原理图磁轨制动在列车转向架上安装电磁铁，制动情况下，电磁铁通过电磁励，在电磁力作用下与钢轨摩擦产生制动力。在摩擦过程中，将动能转换为热能消散在大气中。其优点是产生的制动力不是通过轮轴黏着产生的，因此不受轮轨间黏着力限制。缺点是制动力不能调节，而且对钢轨有一定的损耗，且增加转向架额外重量。图2-4 磁轨制动原理图轨道涡流制动在转向架下安装一组电磁铁，N极S极交替排列，制动工况下，利用电磁铁与钢轨之间相对运动产生感应出涡流，此涡流产生的磁场与电磁铁产生的磁场相互作用形成的电磁力作为制动力。它是将动车组的动能转换为电能，再将电能转换为热能并消散在大气中。优点：与轮轨黏着状态无关，制动时也不会产生摩

20、擦损耗，制动力的大小还可以根据实际需要对电磁铁的励磁进行无级调节。涡轮制动的缺点：电磁铁与钢轨间的气隙间隔要尽可能保持稳定，这对制造与检修水平要求较高。其次，轨道涡流制动消耗励磁电能比较大，并且感应出的涡流磁场会对通信信号产生干扰。图25 电磁涡流制动器2.2.2 按制动力的形成方式按照制动力的形成过程可将制动力划分为为黏着制动和非黏着制动两种。非黏着制动顾名思义，是不需要经由轮轨黏着作用形成的制动力，所以，其制动力的大小与黏着力没有关系；黏着制动则是经由车轮与轨道之间的黏着形成的制动力，该制动力的上限与黏着力有关，如果出现超过轮轨黏着最大值的情况，车轮就会打滑。2.2.3 按制动力的操纵控制

21、方式空气制动空气制动分为直通式空气制动和自动式空气制动。（1）直通式空气制动是制动管直接通向制动缸，制动管减压缓解，增加制动力。它的优点是有阶段制动，又有阶段缓解，操纵灵活且结构简单，缺点是当列车发生分离事故，制动管发生断裂时，将完全失去制动能力：并且，列车前后部制动和缓解时间相差较大，会产生强烈的纵向冲击，因此，编组较长的列车不宜使用。（2）自动式空气制动是制动管减压制动，增压缓解。它的优点是当制动管发生断裂时，列车能够自动的形成制动力；此外，列车前部与后部制动与缓解有较好的一致性，从而大大减轻了列车的纵向冲击，适合编组较长的列车。电空制动在空气制动的基础上，给每辆车安装电磁阀等电气控制器件

22、而成。其特点是用电完成操作控制，而采用压缩空气作为制动的原动力。当制动机的电气控制无法工作时，仍可采用空气压强控制，暂时变成空气制作机。因此，电空控制相较空气制动大大提升了列车前后部制动和环节的一致性，降低了列车的纵向冲击，减小了制动距离。电制动操纵控制与原动力都是用电的制动方式，前面所述的电阻制动和再生制动都是电制动。因为电制动具有足够强的制动能力以及其他诸多优点，已经逐渐成为高速动车组的主要制动方式。2.3 高速动车组复合制动系统2.3.1 高速动车组复合制动系统组成和特点高速动车组较之普通列车来说行驶速度快，制动能量大幅度上升。以前的制动模式因为被制动热容量、制动的距离、机械制动部件磨耗

23、寿命等条件的制约，已经不再符合高速动车组的需求。因此，一套效率高、安全性能高、可满足强大制动力需求的复合型制动系统需要被装配到高速动车组上。该系统主要由动力制动和空气制动系统、制动控制系统、非黏着制动装置和防滑器等组成。高速动车组的制动方式基本是用电制动和空气制动相结合，其中起关键作用的是电制动，电制动由电阻制动与再生制动两种方式构成，这里面再生制动的适用范围更加广泛，且重要搭配防滑器一起使用。将电制动与空气制动有机的结合起来可以确保为各种各样复杂的情况下运行的动车提供可靠的制动力。防滑器的使用可以很好地缩短制动距离，其主要原理是借助车轮与轨道之间的黏着力。电制动较之空气制动，能够有效地减轻对

24、制动系统各个部件的损耗，再生制动在此基础上，还能够做到把制动能量返回到电网，凭借其独特的优越性，再生制动一般会是首要选择。空气制动大多被当做电制动的备选，一般在动车调整速度、以较慢的速度行驶或者是电制动突然失灵的意外状况发生时，使用空气制动为快速使列车停止提供充足的制动力。2.4 本章小结本章节首先对高速动车复合制动系统的意义进行概述，然后分别对高速动车组制动方式进行描述，最后部分分析研究了高速动车组复合制动系统是由哪些部分组成的及每一部分的特点，还介绍了其能量分配方式。第3章 高速动车组再生制动理论分析3.1 高速动车组再生制动工作原理近些年来，由于电子电力技术与电机调速技术取得了显著的进步

25、，人们开始意识到再生制动技术的应用在电力机车领域的关键作用。再生制动可以把牵引电动机转化为发电机，在工作时因为制动产生的大量动能通过该原理转化为电能，而且经由回流轨最后回馈到电网。再生制动有着以下优势：第一、达到了动车的制动；第二、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；第三、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系统分成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

26、功能更佳，当时性能较高的传动系统基本使用直流电动机。这一情况从二十世纪后半纪开始发生转变，在这一时期，电力电子技术与现代控制理论发展迅猛，势头强劲，使得交流牵引系统的调速能力大大提升，不仅如此，交流牵引系统还凭借安装简便、维修便捷、成本低、效率高等长处，逐渐取代直流牵引系统，成为新的发展方向。图1-1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

27、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，在通过中间直流，最后通过四象限脉冲整流器变换成交流电流回电网。主变压器牵引网牵引变电所电网电机逆变器直流环节脉冲整流器图3-1 交流传动系统能量流动图通过电机学的相关知识我们知道三相电流通过定子三相电阻，产生旋转磁场，旋转磁场的转速用字母n表示，被叫做同步转速。因为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

28、速n的差与同步转速n0之即:s=n0nn0在对异步电动机的工作情况进行研究时，转差率时一项重要数据。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<n<n0， 0<s<1，此时电机输出正转矩，能量从脉冲整流器流向逆变器、电机侧。假设把转子转速调节为大于同步转速的情况下，异步电动机转换为发电机状态，较之电动机状态，改变了转子和旋转磁场的相对运动的方向，转子电流朝相反的方向流

29、动，定子电流也朝相反的方向流动，这种情况下n0<n，s<0 。因为使用的是四象限脉冲整流器，异步电机电流先经过逆变器整流，再经过中间直流，最后经过四象限脉冲整流器逆变成交流电流回牵引网。3.2 交流牵引传动系统现在交流异步牵引电机在世界范围内大量应用于高速动车组上，只有使用三相异步电机，才能够更高地服务于高速铁路。在我国，三相交流异步电机也有着广泛的应用。调速系统性能高低对交流异步牵引电机的性能起着至关重要的作用，所以交流异步牵引电机必须搭配合适的调速系统使用。是不是可以做到再生制动很大程度上也取决于交流异步牵引电机使用了什么调速系统。现在使用最广泛的调速系统是交直交变压变频调速系

30、统，主要由整流环节、中间直流环节和逆变环节三个环节组成。3.2.1 PWM整流器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-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。根据电

31、源侧之间存在的差异，可将PWM整流器分为多种类型 ，如单相型以及三相型等，根据中间的直流环节的构成有所不同，又可将PWM整流器区分成电流型以及电压型等不同类型，在使用中，又以电压型的使用为多，应用面更大，比如在交流变频调速系统中，由于该装置需要具有再生制动的功能，因此使用电压型的比较普遍。根据对输出波形的不一致的改善状态，可将其分为两电平、多重叠加以及三电平等多种类型。3.2.1.1 两电平PWM整流器的结构与工作原理如图1-2所示，为PWM整流器中两电平型的电路图，其中包含着交流回路、功率开关桥路以及直流回路等部分。在交流回路中包含三部分，由变压器牵引绕组的输出电压Un,变压器漏电感Ln与以

32、及绕组电阻Rn等所组成。功率开关桥路主要含有四象限脉冲整流器。而直流回路则是由二次滤波环节L2，C2和中间支撑电容Cd所组成。图3-2 两电平PWM整流器电路原理图定义理想开关函数SA和SB,则:SA=1 T1导通，T2关断0 T1关断，T2导通SB=1 T3导通，T4关断0 T3关断，T4导通从而得到简化等效电路图2-2图3-3 两电平PWM整流器开关等效图由图2-2，我们可以得知, 上桥臂和下桥臂，如图中的T1与T2, T4与T3是不允许出现直通的，即不可同时发生导通或关断的情况。在PWM整流器的输入端电压Uab会有Ud,0,- Ud这三种不同电平的情况出现。开关组合为SASB，会出现SA

33、SB=00、01、10、11这四种不同逻辑，则Uab为:Uab=SASBUd按照图中所示的四个开关可能出现的各异的状态，可以得知，电路将会有有以下3种不同的工作模式:当SASB=00或11时,对应的 Uab=0，这种情况下的电压矢量的平衡方程如下UN=LNdiNdt+RNiN当 SASB=01，对应的Uab=Ud这种情况下的电压矢量的平衡方程如下RNiN+LNdiNdt=UN+Ud当SASB=10，对应的Uab=Ud，这种情况下的电压矢量的平衡方程如下RNiN+LNdiNdt=UNUd在随机的某一时刻时，在上述的3种模式中，PWM整流器也只能按照某一种的模式进行运转,通过对开关进行控制，在维持

34、中间直流环节电压的稳定的情况下，可以转换成3种不同模式，并同时完成能量的双向流动。综上所述，得到PWM整流器的瞬时等效电路，如图2-3所示图3-4 PWM整流器瞬时等效电路通过基尔霍夫电压定律(KVL)，可以得到:UNt=RNiNt+LNdiN(t)dt+Uab(t)按照两种状况：牵引工况和再生制动工况，分别对上述公式进行分析。在第一种情况下，可以通过脉冲整流器，做到单相交流电与直流电之间的相互转化,再经由中间的直流电路，向逆变器运输,通过逆变器，向三相交流异步电机输出可进行调控的三相交流电。在第二种情况下,会发生逆变器与整流器之间的相互转变,通过三电平逆变器，交流电可以完成整流,通过中间直流

35、环节,PWM脉冲整流器可以继续将其转换为交流电，并将其返回到牵引网,做到能量回馈。3.2.2 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。在变压变频系统中，前者采用了在直流环节中使用的滤波类型为大电容滤波，即为一种在假想下，由一个内阻抗为零的稳定电源电压,输出了波形平直的直流侧电压,以及波形为矩形或者梯形的交流电压。而后者采用了在直流环节使用的滤波类型为大电感滤波，即可将其视为一个含有较高电阻抗的电流源，可输出波形平直的直流侧电压，以及波形为矩形或者梯形的交流电压。在交直交变压变频系统的两种类型中中，主要以电压源

36、型为首，因此，后续的讨论主要以以使用大电容滤波的电压源型为主，参考图2-1。设PWM整流器的电压变比为ku,则有uabku=udc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。将un=2UNsintuab，即网侧电压代入上式，则可以得到电压变比为：ku=udc2UNsint在理想状态下,PWM整流器中没有电能的损耗以及储能的过程,因此按照功率守恒原理,得出下式:uNiN=uabiN=udcidc因此可得到电流变比ki为:ki=idciN=uabudc=1ku=2UNsintudc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

37、电流为：iN=2INsint在理想状态时,会出现脉冲整流器的直流功率和交流功率的平均值相等的情况,即：uNiN=UdcIdcuNiN表示了交流侧的平均功率,且满足：uNiN=UNIN综合上述两式,可得到交流电流的有效值IN为：IN=UdcIdcUN=UdIdcUN因此，可求得PWM整流器的直流侧电流，为：idc=kiiN=2Idsin2t=Id(1cos2t)由关系式i2+ic=idcId,得到储能器的电流为:i2+ic=Idcos2t根据上述分析可知,直流分量以及2次谐波分量都包含于直流环节。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

38、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。该电路中以达到供电频率的两倍频率流通着与直流侧负载电流相同幅值的正弦型电流。加在储能器两端的纯直流电压并不会引起电流，通过其中的交流电流也不会在其两侧引起电压。由于谐振电路这一特性，使得其在中间直流环节得以扮演重要的角色。在功能上，可以做到与脉冲整流器交换无功以及谐波功率的支撑电容Cd，也可以与逆变器以及异步电机等完成这一功能，同时还可以做到维持直流环节电压的稳定性。3.2.3 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

39、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。本文以对两电平逆变器的介绍为主要内容，其主电路的原理结构如图2-4所示。图3-5 两电平逆变器主电路原理图定义理想开关函数SA、SB和SC,则:SA=1 T1导通，T4关断0 T1关断，T4导通SB=1 T3导通，T6关断0 T3关断，T6导通SC=1 T5导通，T2关断0 T5关断，T2导通两电平逆变器具有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

40、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。可见图表2-5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U0的电压空间矢量。七种工作模式如下：第一种工作模式：导通开关T4T5T6,关断 T1T2T3。a、b、c端相电压分别为uaN=0, ubN=0, ucN=Ud;相应

41、的线电压分别为uab=0, ubc=Ud,uca=Ud;电压空间矢量为U5相对应。第二种工作模式：开导通关T2T3T4,关断 T1T5T6。a、b、c端相电压分别为uaN=0, ubN=Ud, ucN=0;相应的线电压分别为uab=Ud, ubc=Ud,uca=0;电压空间矢量为U3相对应。第三种工作模式：开导通关T3T4T5,关断 T1T2T6。a、b、c端相电压分别为uaN=0, ubN=Ud, ucN=Ud;相应的线电压分别为uab=Ud, ubc=0,uca=Ud;电压空间矢量为U4相对应。第四种工作模式： 导通开关T1T2T6,关断 T3T4T5。a、b、c端相电压分别为uaN=Ud

42、, ubN=0, ucN=0;相应的线电压分别为uab=Ud, ubc=0,uca=Ud;电压空间矢量相对应为U1。第五种工作模式：导通开关T1T5T6,关断 T2T3T4。a、b、c端相电压分别为uaN=Ud, ubN=0, ucN=Ud;相应的线电压分别为uab=Ud, ubc=Ud,uca=0;电压空间矢量为U6相对应。第六种工作模式： 导通开关T1T2T3,关断 T4T5T6。a、b、c端相电压分别为uaN=Ud, ubN=Ud, ucN=0;相应的线电压分别为uab=0, ubc=Ud,uca=Ud;电压空间矢量为U2相对应。第七种工作模式：导通开关T1T3T5,关断 T2T4T6。

43、a、b、c端相电压分别为uaN=0, ubN=0, ucN=0;相应的线电压分别为uab=0, ubc=0,uca=0;电压空间矢量为U7相对应。图3-6 逆变器8种开关模式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。3.2.4 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。为优化系统应用技能来看，基于控制模式改进和技术改进方法的总体考虑，需要具有针对性的建立异步电

44、动机相关的数学模型，特别是我们在交流异步电动机的实际教学中，可以做相关的假设，具体如下：一是在不考虑磁路饱和的影响下，假设各绕组的互感、自感具有相关性，而且呈现线性相关。二是考虑三相绕组的对称特性，基于正弦分步的磁通势沿气隙圆周。三是异步电机电阻受温度及频率变化的影响暂不予以考虑。四是铁心损耗的程度应予以忽略不计。3.3 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

45、，从而保持电网工作的稳定性，防止灾害事故的产生。从电阻制动放置分类来看，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：第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。第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