城市轨道第六章

1、第六章第六章 城轨制动控制与粘着控制城轨制动控制与粘着控制6.1 6.1 城轨制动控制城轨制动控制 6.2 6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例6.3 6.3 城轨粘着控制实例城轨粘着控制实例 6.1 城轨制动控制城轨制动控制 城轨城轨交通车辆均采用了交通车辆均采用了电制动为主电制动为主、空气制动为辅空气制动为辅的的空电空电联合制动联合制动。电动车组主要有。电动车组主要有三种三种不同的制动不同的制动工况工况，即，即再生制再生制动动、电阻制动电阻制动和和空气制动空气制动。 电气制动电气制动优先再生制动优先再生制动，若接触，若接触网网电电压过高压过高或邻近供电区或邻近供电区段无

2、其他车辆吸收反馈能量，则电路段无其他车辆吸收反馈能量，则电路自动转为电阻制动自动转为电阻制动，把，把能量消耗在电阻上。能量消耗在电阻上。 当当电制动电制动力力不足不足时，再投入时，再投入空气制动空气制动。一、直流传动的电制动一、直流传动的电制动（第四章已有介绍）（第四章已有介绍）（1）为为提高提高串励发电机串励发电机的的电气稳定性电气稳定性，保证，保证两两组制动主组制动主回路回路中中的的电流均衡电流均衡，通常采用，通常采用两两个个支路支路上的上的电机交叉励磁电机交叉励磁方式，方式，即即具有具有他励他励的的形式形式和和串励的特性串励的特性。6.1 城轨制动控制城轨制动控制（2 2）当由）当由牵引

3、牵引制动制动工况时，工况时，原剩磁原剩磁方向必方向必须改变须改变，使励磁绕，使励磁绕组中原有剩磁被抵消为零。为此组中原有剩磁被抵消为零。为此必须预先励磁必须预先励磁，以便使电机，以便使电机建立发电机工况时的初始电压。建立发电机工况时的初始电压。（3 3）再生制动再生制动时，时，调调节斩波器的节斩波器的导通比导通比，使，使电感电感（平波电抗器（平波电抗器及电机绕组）及电机绕组）足够贮能足够贮能，当斩波器，当斩波器关断时关断时与电机发电与电机发电共同共同向向电网电网反馈反馈。（4 4）电阻制动电阻制动时，为保证时，为保证恒定制动力矩恒定制动力矩，斩波器分级短接制动斩波器分级短接制动阻阻并无级调节制

4、动电流。低速时，通过触发可控硅部分短接并无级调节制动电流。低速时，通过触发可控硅部分短接制动电阻、增大制动电流来增大制动力，扩大低速电阻制动制动电阻、增大制动电流来增大制动力，扩大低速电阻制动的应用范围。的应用范围。（5 5）理论上理论上，调节斩波器的导通比可，调节斩波器的导通比可再生制动能制停列车再生制动能制停列车。但但一般速度一般速度低于低于8 810 km/h10 km/h时，通过控制系统自动时，通过控制系统自动切除电制动切除电制动，代之以，代之以空气制动空气制动，直至列车停止在预定位置。，直至列车停止在预定位置。6.1 城轨制动控制城轨制动控制二、交流传动的电制动二、交流传动的电制动1

5、 1、异步电动机的电气制动、异步电动机的电气制动 异步电机异步电机转差频率转差频率f f2 2为为负值负值，将产生，将产生制动制动作用，通过作用，通过VVVFVVVF逆变器将制动电流变成直流反馈电网逆变器将制动电流变成直流反馈电网再生制动再生制动电流。电流。 f f2 2负值负值：使逆变器频率：使逆变器频率f f1 1f fR R（电机的旋转频率）。（与（电机的旋转频率）。（与牵引时相反）。牵引时相反）。 控制控制逆变器频率逆变器频率f f1 1，使，使f f2 2= =f f1 1f fR R0 0 ，实现，实现牵引牵引再生制再生制动动的的切换切换。（直流传动主回路有。（直流传动主回路有“牵

6、引牵引/ /制动制动”转换开关）转换开关） 异步电动机的机械特性，见图异步电动机的机械特性，见图6-16-1所示。所示。6.1 城轨制动控制城轨制动控制图图6-1 6-1 异步电动机机械特性异步电动机机械特性6.1 城轨制动控制城轨制动控制2 2、牵引与电制动控制、牵引与电制动控制 VVVFVVVF控制异步电机，需控制如下控制异步电机，需控制如下3 3个因素：个因素： 逆变电压逆变电压U U1 1； 逆变频率逆变频率f f1 1； 转差频率转差频率f f2 2 。 只需控制只需控制f f2 2的正负的正负即可进行即可进行牵引与再生制动的转换牵引与再生制动的转换，而不，而不需对主回路作任何变动。

7、需对主回路作任何变动。 即：即：f f2 200时牵引，时牵引，f f2 200时再生制动时再生制动。 控制控制U U1 1/ /f f1 1或或f f2 2即可得到与直流电机传动机车相同的特性。即可得到与直流电机传动机车相同的特性。 交流传动的牵引、制动特性曲线如图交流传动的牵引、制动特性曲线如图6-26-2所示。所示。6.1 城轨制动控制城轨制动控制图图6-2 6-2 交流传动牵引、制动特性曲线交流传动牵引、制动特性曲线6.1 城轨制动控制城轨制动控制6.1 城轨制动控制城轨制动控制（1 1）牵引工况）牵引工况模式模式1 1（恒转矩控制区）（恒转矩控制区） 恒恒U U1 1/ /f f1

8、1 、恒、恒f f2 2控制控制，有，有恒恒电流电流I I1 1、恒牵引力、恒牵引力F F。 恒转矩控制直到电压达上限值为止。设逆变器输入电压（恒转矩控制直到电压达上限值为止。设逆变器输入电压（滤波电容电压）滤波电容电压）U UC C，则，则逆变器输出电压上限值逆变器输出电压上限值为：为： （6-16-1） 例如：例如：UcUc=1 500V=1 500V，则，则U U1max1max=1 170V=1 170V模式模式2 2（恒功率控制区）（恒功率控制区） U U1 1（上限值）恒定（上限值）恒定，增大增大f f2 2维持电机电流维持电机电流I I1 1恒定恒定。 随着随着f f1 1v v

9、，恒转差率恒转差率f f2 2/ /f f1 1，近似有，近似有F F1 1/ /f f1 1（相当（相当于直流电动机的削弱磁场控制区）。于直流电动机的削弱磁场控制区）。 恒功率控制恒功率控制直到直到f f2 2达到规定的达到规定的最大值最大值。 CUU6max16.1 城轨制动控制城轨制动控制模式模式3 3（自然特性控制）（自然特性控制） U U1 1、f f2 2均恒定在最大值均恒定在最大值。 随着随着f f1 1v v，近似有，近似有I I1 11/f1/f1 1、F F1/f1/f1 12 2 （相当于（相当于直流电动机最弱磁场下的自然特性区）。直流电动机最弱磁场下的自然特性区）。（2

10、 2）再生制动工况）再生制动工况模式模式4 4（再生制动的恒（再生制动的恒U U1 1、f f2 2 （负值）控制）（负值）控制） U U1 1、f f2 2均恒定在最大值均恒定在最大值。 随速度随速度v vf f1 1，近似有，近似有I I1 11/f1/f1 1、B1/fB1/f1 12 2 ( (相当相当于直流复激电动机的换向限制区于直流复激电动机的换向限制区) )。 注意注意：I I1 1增加至与下述模式（恒转矩控制）相符合的值，若在增加至与下述模式（恒转矩控制）相符合的值，若在达恒转矩控制之前达恒转矩控制之前I I1 1已达逆变器容量的上限值，则从达最大已达逆变器容量的上限值，则从达

11、最大值时刻起就保持值时刻起就保持I I1 1恒定，进行恒流控制。恒定，进行恒流控制。6.1 城轨制动控制城轨制动控制模式模式5 5（再生制动的恒转矩控制（再生制动的恒转矩控制I I） 恒恒U U1 1（最大值），随速度下降减小（最大值），随速度下降减小f f1 1 ，控制，控制f f2 2（负值）（负值）1 1/f f1 12 2 ， I I1 1f f1 1，B B恒定恒定（相当于直流复激电动机的磁（相当于直流复激电动机的磁场控制恒制动力区）。场控制恒制动力区）。模式模式6 6（再生制动的恒转矩控制（再生制动的恒转矩控制IIII） 恒恒f f2 2（最小值），（最小值），恒恒U U1 1/f

12、/f1 1，随速度下降减小，随速度下降减小f f1 1 ，I I1 1恒定，恒定，B B恒定恒定。 注意注意：理论上理论上再生制动再生制动可可将列车将列车制停制停，实际中实际中较较低速低速度时要度时要切切换换到到空气制动空气制动（相当于直流复激电动机在最强磁场下切除再（相当于直流复激电动机在最强磁场下切除再生制动）。生制动）。6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例 4M2T4M2T六节编六节编组动车，拖车为两节控制车。组动车，拖车为两节控制车。动车动车的的电制动力电制动力限制为限制为84kN84kN，控制车控制车的的空气制动力空气制动力限制为限制为55kN55kN。列车正常运

13、。列车正常运行时，为了减少制动部件的磨耗，行时，为了减少制动部件的磨耗，首先首先充分充分使用电制动使用电制动力。力。电制动与空气制动电制动与空气制动 四动车四动车电制动力电制动力达达到到336kN336kN，尚需更大制动力时，尚需更大制动力时，拖车拖车才开始才开始施加空气制动施加空气制动力，但两辆拖车的空气制动力最大不超力，但两辆拖车的空气制动力最大不超过过110 110 kNkN； 若达中限制值若达中限制值仍不够仍不够时，则时，则启动四动车启动四动车的的空气制动空气制动； 当动车中当动车中电制动电制动出现出现故障故障时，时，动车动车中的中的空气制动立即启空气制动立即启动动，以替代电制动；，以

14、替代电制动； 当粘着条件恶化到某一轴或四轴的当粘着条件恶化到某一轴或四轴的轮对滑行轮对滑行时，制动系时，制动系统将统将减少制动力减少制动力，严重时会全部撤除，以抑制滑行的发展，严重时会全部撤除，以抑制滑行的发展，一旦一旦滑行消失滑行消失，即，即恢复恢复施加施加制动力制动力；6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例 紧急状态需紧急制停时，施行紧急状态需紧急制停时，施行紧急全空气制动紧急全空气制动保证列车保证列车以最短距离制停。以最短距离制停。电电-空制动与防滑行系统空制动与防滑行系统 制动系统设电制动系统设电-空制动和防车轮滑行控制的空制动和防车轮滑行控制的微处理机系统微处理机系

15、统。 制动控制过程制动控制过程：制动时，所有：制动时，所有制动相关参数制动相关参数信号信号送微机送微机，计算计算所需制动力的所需制动力的制动指令制动指令；指令；指令经电经电-空转换器空转换器转换成与电指令转换成与电指令成一定比例的成一定比例的控制空气压力控制空气压力；该压力；该压力使使制动缸制动缸充入压力空气充入压力空气或使制动缸或使制动缸排气排气，使制动缸压力与控制空气压力，使制动缸压力与控制空气压力相对应相对应。6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例1 1、输入信号、输入信号（1 1）制动指令）制动指令：微机微机据司机施行制动的据司机施行制动的百分比百分比（全制动为（全制

16、动为100100）下达指令，）下达指令，为脉宽调制信号为脉宽调制信号（PWMPWM）。）。（2 2）制动信号）制动信号：表示制动，是：表示制动，是制动指令的辅助信号制动指令的辅助信号。（3 3）负载信号）负载信号：由空气弹簧的：由空气弹簧的空气压力空气压力通过通过气气- -电转换电转换器转换器转换成的成的电信号电信号。（4 4）电制动关闭信号）电制动关闭信号：表示：表示电制动即将消失电制动即将消失立即立即施加空气制动施加空气制动。（5 5）紧急制动信号）紧急制动信号：表示跳过电子制动控制系统：表示跳过电子制动控制系统直接驱动直接驱动制动制动控制单元中控制单元中紧急阀动作紧急阀动作的安全保护。的

17、安全保护。（6 6）保持制动信号）保持制动信号：防车辆在停止前的冲动，使车辆：防车辆在停止前的冲动，使车辆平稳平稳地地停停车车。6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例（7 7）停车制动信号）停车制动信号：运行中运行中出现此信号，表示发生出现此信号，表示发生故障故障；信号；信号传给故障诊断环节。传给故障诊断环节。（8 8）速度信号）速度信号：速度传感器以与速度相应的频率产生脉冲信号：速度传感器以与速度相应的频率产生脉冲信号，提供给防滑系统。，提供给防滑系统。保持制动的三个实施阶段保持制动的三个实施阶段：第一阶段第一阶段：当车速：当车速低于低于10km/h10km/h时，首先保持

18、制动，然后时，首先保持制动，然后电制动电制动逐步消失逐步消失，开始开始接受接受空气制动空气制动。出现。出现保持制动信号保持制动信号后，后，电制电制动的减小动的减小延迟延迟0.3S0.3S；动车、拖车的；动车、拖车的空气制动空气制动力只可力只可达达到制动到制动指令的指令的7070。第二阶段第二阶段：当车速：当车速低于低于4km/h4km/h时，将制动缸压力降低，开始实施时，将制动缸压力降低，开始实施小于制动指令的小于制动指令的保持制动保持制动。保持制动的级别取决于制动指令。保持制动的级别取决于制动指令并与时间有关，并与时间有关，由停车检测根据最初的状态来决定由停车检测根据最初的状态来决定。6.2

19、 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例第三阶段第三阶段：停车检测停车检测和和保持制动保持制动信号共同信号共同产生产生固定的固定的停车制动停车制动级别级别，由负载修正而与制动指令无关，与保持制动信号一起，由负载修正而与制动指令无关，与保持制动信号一起消除。消除。2、输出信号、输出信号（1）电）电-空转换器控制信号空转换器控制信号：控制电：控制电-空转换器的入口和出口电空转换器的入口和出口电阀门，以产生预控制压力。阀门，以产生预控制压力。（2）安全阀控制信号）安全阀控制信号。（3）故障信号）故障信号。（4）速度信号）速度信号。（5）公里信号）公里信号：每公里提供一个脉冲给公里计数器。：

20、每公里提供一个脉冲给公里计数器。（6）速度限制信号）速度限制信号：表示须减小最大运行速度，如从：表示须减小最大运行速度，如从80 kmh小到小到60 kmh。6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例3 3、电、电- -空制动控制原理空制动控制原理图图6-3 电电-空制动控制系统方框图空制动控制系统方框图6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例（1 1）微机微机根据制动要求发出根据制动要求发出制动指令制动指令，经开关线路，经开关线路R R1 1、R R2 2到到冲冲动限制器动限制器，检测减速度的变化率是否过大。，检测减速度的变化率是否过大。（2 2）经冲动限制器的

21、制动指令）经冲动限制器的制动指令送送负载补偿器负载补偿器，据据负载信号负载信号贮存贮存器中贮存的负载器中贮存的负载大小大小，调整制动指令调整制动指令，再送至开关线路，再送至开关线路R R3 3。（3 3）为防止制动力过大，）为防止制动力过大，R R3 3平时断开平时断开，只有当，只有当电制动关闭信号电制动关闭信号触发后才触发后才导通导通。通过。通过R R3 3的指令经的指令经R R4 4又被送至又被送至制动力作用器制动力作用器。（4 4）制动力作用器制动力作用器将指令信号将指令信号转化转化为为制动力制动力。为了。为了缩短空走时缩短空走时间间，制动力，制动力初始初始阶段阶段陡峭陡峭，然后，然后再

22、再转向较转向较平坦平坦斜线平稳地上斜线平稳地上升，直至升，直至达达到指令到指令要求要求。（5 5）制动力（电信号）送）制动力（电信号）送电电- -气转换器气转换器，转换成，转换成控制电流控制电流，控，控制制动控制单元中的制制动控制单元中的模拟转换阀模拟转换阀；同时，；同时，压力转换器压力转换器反馈反馈电电信号，进一步调整控制电流，完成微机对制动控制单元的控信号，进一步调整控制电流，完成微机对制动控制单元的控制。制。6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例（6 6）当）当常用全制动常用全制动（即（即100100制动指令）和制动指令）和紧急制动紧急制动时，二者时，二者均可触发一个均

23、可触发一个旁路或门电路旁路或门电路，输出高电平来驱动开关电路，输出高电平来驱动开关电路R R4 4，使，使制动力作用器直接接受负载贮存器的信号制动力作用器直接接受负载贮存器的信号，大大缩短了，大大缩短了信号传输时间，并使电信号传输时间，并使电- -气转换器工作。气转换器工作。注意注意：制动力作用初始阶段：制动力作用初始阶段陡峭陡峭是由是由跃升元件跃升元件所导致的。所导致的。 跃升元件跃升元件是一个是一个非稳态触发器非稳态触发器，它可由，它可由电制动关闭信号电制动关闭信号、制动信号制动信号及及制动指令信号制动指令信号中的任一个信号将其触发，使它输中的任一个信号将其触发，使它输出一个高电平。同样这

24、个高电平也可使旁路或门电路触发输出一个高电平。同样这个高电平也可使旁路或门电路触发输出一个高电平从而使出一个高电平从而使R R4 4动作，导致制动力作用器直接接收负动作，导致制动力作用器直接接收负载信号，产生一段载信号，产生一段陡峭陡峭的线段。的线段。6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例4 4、电、电- -空制动控制电子插件空制动控制电子插件组成组成：中央处理器插件、诊断插件、电源插件、界面接口插件：中央处理器插件、诊断插件、电源插件、界面接口插件、连接插件等。、连接插件等。中央处理单元中央处理单元（CPUCPU）：处理）：处理制动监控制动监控、防滑系统防滑系统所有信号。所

25、有信号。制制动控制动控制，根据输入信号，由，根据输入信号，由CPUCPU计算计算出制动压力需求值并把它出制动压力需求值并把它传送到电传送到电- -空模拟转换器，将制动压力（空模拟转换器，将制动压力（C Cv v）经由安装在模拟）经由安装在模拟转换器上的转换器上的压力传感压力传感器提供给器提供给反馈反馈回路，从而实现对输出压回路，从而实现对输出压力的力的闭环控制闭环控制。诊断插件板诊断插件板（包括一个两位数码显示器）：贮存并显示输入回（包括一个两位数码显示器）：贮存并显示输入回路的、输出回路的、信号处理过程的以及路的、输出回路的、信号处理过程的以及CPUCPU本身的故障诊断本身的故障诊断信号。信

26、号。 若若多多个个故障同时发生故障同时发生，则以，则以3s3s的周期依次显示的周期依次显示所有故障，所有故障，在按下某一键后，即使在电源中断的情况下，这个故障信号在按下某一键后，即使在电源中断的情况下，这个故障信号也得以保持。也得以保持。6.2 城轨微机控制制动系统实例城轨微机控制制动系统实例 显示器上显示出的故障分为三个故障组：显示器上显示出的故障分为三个故障组：v 故障组故障组A A，非常严重的故障，非常严重的故障v 故障组故障组B B，严重故障，严重故障v 故障组故障组C C，轻微故障，轻微故障6.3 城轨粘着控制实例城轨粘着控制实例 防空转与防滑行保护系统的粘着控制，为防空转与防滑行保

27、护系统的粘着控制，为电牵引、电制动电牵引、电制动设设集中式控制集中式控制；为；为摩擦制动摩擦制动设设分散式控制分散式控制。1 1、电牵引与电制动的防空转与防滑行保护系统、电牵引与电制动的防空转与防滑行保护系统图图6-4 滑行保护控制原理框图滑行保护控制原理框图6.3 城轨粘着控制实例城轨粘着控制实例（1 1）空转与滑行信号）空转与滑行信号 空转与滑行信号：空转与滑行信号：轮对轮对的的转速差转速差。动车轴动车轴，设，设双通道速度传感器双通道速度传感器，给该节车，给该节车电牵引电牵引与与电制动电制动的空的空转与滑行保护控制、转与滑行保护控制、摩擦制动摩擦制动滑行保护控制提供滑行保护控制提供速度信号

28、速度信号；拖车轴拖车轴，设，设单通道式速度传感器单通道式速度传感器，为该节车辆，为该节车辆摩擦制动摩擦制动滑行保滑行保护控制提供护控制提供速度信号速度信号。（2 2）空转与滑行保护的控制）空转与滑行保护的控制判断判断：将该节车的四个速度信号放大比较，选：将该节车的四个速度信号放大比较，选最大与最小的差最大与最小的差与给定的空转与给定的空转与与滑行滑行限制值限制值作作比较比较，当，当大于大于该限值，判断车该限值，判断车辆发生空转或滑动，辆发生空转或滑动，进行进行空转与滑动空转与滑动保护保护控制。控制。控制控制：控制系统为一：控制系统为一双闭环双闭环调节系统。电机的调节系统。电机的电枢电流电枢电流

29、调节为调节为内环内环；空转与滑动保护空转与滑动保护为为外环外环，采用，采用PIPI调节方式，其输出使调节方式，其输出使6.3 城轨粘着控制实例城轨粘着控制实例 触发脉冲相位后移触发脉冲相位后移，改变主斩波器中，改变主斩波器中GTOGTO元件的导通角，元件的导通角，降低降低牵引电机的端电压牵引电机的端电压（亦即电机电流），使动车的牵引力（或（亦即电机电流），使动车的牵引力（或电制动力）减小，抑制空转与滑行，快速恢复粘着。电制动力）减小，抑制空转与滑行，快速恢复粘着。缓冲缓冲：一旦：一旦空转与滑行消失空转与滑行消失，为了不使车辆产生明显的冲动，为了不使车辆产生明显的冲动，缓冲环节使缓冲环节使牵引力与制动力恢复牵引力与制动力恢复有一个有一个缓冲缓冲的过程。的过程。保护保护：当车辆某一轴的：当车辆某一轴的加速度加速度或或减速度减速度（即（即dndndtdt）超超过一定过一定值值，系统立即执行，系统立即执行保护保护功能，功能，抑制抑制空转与滑行的空转与滑行的蔓延蔓延。严重空转严重空转：即使：即使牵引力全部撤除仍牵引力全部撤除仍不能完全消除不能完全消除空转空转时，控制时，控制系统会让车辆系统会让车辆适当施加摩擦制动适当施加摩擦制动以迅速以迅速抑制抑制轮对空转，轮对空转，以免以免严重严重擦伤轮对钢轨擦伤轮对钢轨。注意注意：空转与滑行的：空转与