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再生制动能量消耗装置万芳

发布时间:2020-02-14 11:23:05 阅读: 来源:皂液器厂家

再生制动能量消耗装置

摘要: 广州地铁四号线采用了直线电机驱动的轻型电客车,因此选用了固定安装的再生制动能量消耗装置,从而减轻客车负重。下面介绍的是地铁四号线选用的再生制动能量消耗装置。

关键词:再生制动;IGBT

一.概述

随着我国城市轨道交通建设的迅速发展,地铁及轻轨电动客车控制技术也得到长足的进步。由于列车在制动时,会向电网回输能量,造成电网电压抬高,对于供电设备的稳定运行不利,所以就需要有装置将列车回馈的能量消耗掉,以维持电网电压的稳定。目前,广州地铁一号线和二号线采取的是在车辆上安装能量消耗装置,将制动能量消耗掉。但是这样的方式会增加车辆负担,且对于城市轨道交通来说会导致隧道内温度升高。在国外,为减少车载设备,抑制地铁洞内温度的升高,一般在车上不设置全功率电阻制动装置,而在运营线的每个供电所设置一套总的功率吸收设备。广州地铁四号线采用的是直线电机电客车,客车体积小,不便安装消耗能量的装置。因此,广州地铁四号线决定采用固定安装的能量消耗装置。

国外吸收装置主要采取恒压吸收和逆变吸收两种方式,恒压吸收装置采用斩波器和吸收电阻配合,根据再生制动时线网电压的变化状态调节斩波器导通比,从而改变吸收功率,将线网电压恒定在某一设定值范围内。逆变吸收装置则是利用电力电子器件构成逆变器,将直流电逆变成工频交流电馈送交流电网。由于该交流电谐波分量较大,所以必须设置谐波抑制器和功率补偿器。装置控制部分一般采用单片机系统或用一台工控机实现控制和显示。装置均以柜式箱体布置,视吸收功率的大小由若干个控制柜组成。

国内目前主要采用恒压电阻吸收装置。

牵引电站再生制动能量消耗装置是城轨交通供电控制系统的重要组成部分,对抑制地铁洞内温升、减少车载设备、减小车辆维修量带来了较大的便利。原地铁、轻轨车辆电制动采用再生制动或再生—电阻制动模式,对于车流密度不大的线路,再生电制动功能得不到充分发挥,造成气制动投入频繁,使得洞内或沿线闸瓦灰尘较多,严重污染环境,且造成地铁隧道内温度不断升高。为了减少电阻制动逸散在洞内的温度,工程中不得不加大洞内排、通风量或增大空调功率,造成工程建设费用及运营费用昂贵。再生制动吸收就是在牵引电站设置集中吸收设备,使车辆再生能量消耗在地面空间。

再生制动能量消耗装置工作原理如下图所示:

当处于再生制动状况的列车回馈出去的电流不能完全被其他车辆和本车的用电设备所吸收时,能量消耗装置立即投入工作,吸收掉多余的回馈电流,使车辆再生电流持续稳定,最大限度的发挥电制动功能。

通过检测供电电源的外特性及电流的极性可准确地判断能量消耗装置投入工作的时间,检测外特性及电流图示如下。

二.再生制动能量吸收装置的基本工作原理

通过比较接触网的电压U网和空载使的电压U空来判断是否有列车处于再生制动状态。判断U网≥U空有三种情况:1.停站,2.故障,3.再生制动,为躲开1、2,判断电压为

U空+ΔU=UP,

当网压达到判断电压,则能量消耗装置投入。

但由于网压存在波动,实际中

UP=U空+△U+Uδν

设备原理图如下:

三.IGBT的工作原理

再生制动能量吸收装置的主要元件是IGBT门极绝缘栅晶体管,为电压起动,电流型元件。

IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道,给 PNP 晶体管提供基极电流,使 IGBT 导通。反之,加反向门极电压消除沟道,流过反向基极电流,使 IGBT 关断。 IGBT 的驱动方法和 MOSFET 基本相同,只需控制输入极 N 一沟道 MOSFET ,所以具有高输入阻抗特性。

IGBT 的工作特性包括静态和动态两类:

1 .静态特性 IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时,漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压 Ugs 的控 制, Ugs 越高, Id 越大。它与 GTR 的输出特性相似.也可分为饱和区 1 、放大区 2 和击穿特性 3 部分。在截止状态下的 IGBT ,正向电压由 J2 结承担,反向电压由 J1 结承担。IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线。它与 MOSFET 的转移特性相同,当栅源电压小于开启电压 Ugs(th) 时,IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内,Id与Ugs 呈线性关系。

IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。 IGBT处于导通态时,由于它的 PNP 晶体管为宽基区晶体管,所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构,但流过 MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时,通态电压 Uds(on) 可用下式表示

Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh

式中 Uj1 —— JI 结的正向电压,其值为 0.7 ~ IV ;

Udr ——扩展电阻 Rdr 上的压降;

Roh ——沟道电阻。

通态电流 Ids 可用下式表示:

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中 Imos ——流过 MOSFET 的电流。

由于 N+ 区存在电导调制效应,所以 IGBT 的通态压降小,耐压 1000V 的IGBT 通态压降为2~3V 。

IGBT 处于断态时,只有很小的泄漏电流存在。

2 .动态特性 IGBT 在开通过程中,大部分时间是作为MOSFET 来运行的,只是在漏源电压 Uds 下降过程后期,PNP晶体管由放大区至饱和,又增加了一段延迟时间。 td(on) 为开通延迟时间,tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间 ton 即为 td(on)与tri之和。漏源电压的下降时间由 tfe1 和 tfe2 组成,如下图 所示

IGBT 在关断过程中,漏极电流的波形变为两段。因为 MOSFET 关断后, PNP 晶体管的存储电荷难以迅速消除,造成漏极电流较长的尾部时间, td(off) 为关断延迟时间, trv 为电压 Uds(f) 的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间 Tf 由图 2 - 59 中的 t(f1) 和 t(f2) 两段组成,而漏极电流的关断时间

t(off)=td(off)+trv 十 t(f)

式中, td(off) 与 trv 之和又称为存储时间。

四.能量消耗装置工作方式

1.采用四相不重斩波调阻系统,控制回路的数量即为相数,所谓不重,即非同时导通,f不重=nf单相,频率增大,可以减小电压及电流的脉动率。

2.控制

a判断:交、直流相对判断 UP=U空+△U+Uδν

b恒压调节(电压闭环)

PI调节 将制动期间的接触网电压稳定在一定值

C驱动技术 IGBT的开闭控制。

能量消耗装置正是根据接触网的电压来判断是否有列车处于再生制动状态,再根据网压的大小,利用IGBT的静动态特性,决定IGBT的开通时间,从而决定装置吸收能量的多少。

五.能量消耗装置的控制与牵引变电所的连接

变电所提供四路信号给设备:

两路来自直流柜,通过电流互感器显示整流器运行状态;

一路来自交流柜,通过电压互感器显示交流电压,从而决定Uδν;

一路来自直流柜快速开关的信号,判断快开状态,决定联锁执行。

六.设备的控制、保护及信号

1.控制:

系统控制采用双微机控制方式,上位机为管理机由一台32位控制机组成,下位机为控制机由一台16位单片机构成。

上位机承担系统的人机交互、数据采集和存贮,并且是整个系统的通讯中枢。能自动记录各种牵引、制动电压,电流及吸收电流曲线等,能通过通信接口与变电所综合自动化系统连接,对吸收设备实行远程监控,通过系统自带的触摸液晶显示屏,可进行参数的设置、命令输入等工作。

下位机主要执行逻辑判断、斩波器投入条件判断、自动调节等功能。系统根据交、直流电压的变化及受流轨电流的极性进行综合判断,在确定在线车辆已处于再生制动状况后,开通各相斩波器。根据线网再生反馈电流的大小,自动调节斩波器的导通角,改变各相电阻等效阻值,实现吸收功率平衡,稳定线网电压。当车辆由再生电制动转为其它工况运行时,经系统判断,自动关断各相斩波器,使吸收设备处于待命状态。

2.保护:

系统具有过压、过流、过热、短路等保护。

故障必须经人工判断处理后,设备才能再投入工作。上述故障均为电子快速保护。

设备具有对控制电源的监视功能,当直流控制电源发生故障时,系统迅速切断线路接触器,通过硬接点向综合自动化发出故障报警信号。

3.信号

设备通信采用光纤RS485口(带光/电隔离)与变电所综合自动化系统接口,实现远程遥控、遥信。

系统两级计算机均与变电所综合自动化系统的时钟同步,时标精确到毫秒级,对时方式为软件对时,对时精度为1毫秒。所有故障信息的上报均带时标,有利于故障现象和故障原因的分析。

制动能量消耗装置作为在线车辆再生电制动,且其能量不能被其它用电设备或车辆消耗时,通过线网由制动能量消耗装置消耗该部分的能量,根据吸收功率的大小自动调节导通比,维持线网电压恒定。

吸收装置在车辆处于启动、加速、惰行、停站或线网无车辆运行时,不得投入工作。

吸收装置具有远地和当地控制功能,具有监控系统,同时还具有各数据处理、数据传输等功能。

微机控制系统采用双微机控制方式,上位机为系统管理及监控、接受变电所综合自动化系统的各项指令,执行设备的投入、撤除、试验等操作,自动记录各种牵引、制动电压、电流及吸收电流曲线等;通过通信接口与变电所自动化系统进行数据交换,对能量消耗装置进行实行监控;通过触摸液晶显示屏,完成参数的设置、运行状态监视、故障判断及处理、数据记忆及外部打印等功能。

下位机主要执行判断、斩波器投入、调节和撤出等功能。判断的设置和原理:系统根据牵引变电所的电流和电压信号进行综合判断,当在线车辆处于再生制动状况,如果没有其他设备吸收其能量时,系统首先根据交流侧电压变化与判断基准电压进行比较,当交流侧电压检测值低于对应DC1500V时的值,系统执行判断基准电压与直流侧检测电压进行比较,只要直流侧检测电压大于判断基准电压,系统投入工作状态,开通斩波器;根据牵引网再生反馈电流的大小,自动调节斩波器的导通角,改变各相电阻等效阻值,实现吸收功率平衡,稳定网压。当交流侧电压检测值高于对应DC1500V时的值,系统执行判断基准电压加上交流△U作为新的判断基准值与直流侧检测电压进行比较,只要直流侧检测电压大于该判断基准电压,系统投入工作状态,开通斩波器;根据牵引网再生反馈电流的大小,自动调节斩波器的导通角,改变各相电阻等效阻值,实现吸收功率平衡,稳定网压。实现电压相对判断,而且在设定判断基准值以上进行比较,既解决了电网波动的影响,又解决了当一个牵引电站撤除时,该电站的制动能量消耗装置仍能正常投入吸收工作。本装置还引入了电流辅助判断方式,有效地解决了轨道电阻压降的影响。判断条件处理不好,将造成装置不投或误投现象!当车辆由再生电制动转为其它工况运行时,自动关断各相斩波器,使吸收设备处于待命状态。

控制关系如下:

通讯系统具有遥控、遥信功能,通过RS485标准通信口与变电所综合自动化系统接口。

七.结束语

再生制动能量消耗装置解决了车辆在制动时向接触网反输能量造成网压过高危害设备的问题,由于是在地面固定安装,同时也解决了电阻发热造成隧道升温的问题。目前,该设备在国内城市轨道交通中已有多例运用。广州地铁四号线即将开通,再生制动能量消耗装置将会发挥重要作用。

肖莹 广州市地下铁道总公司运营事业总部维修二部供电一分部

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