地铁列车制动电阻的种类及优化设计

李友瑜 杨守焕 阳吉初 刘能文

(1.株洲联诚集团有限责任公司,412001,株洲;2.湘潭大学机械学院,411105,湘潭∥第一作者,工程师)

地铁列车制动电阻的种类及优化设计

李友瑜1,2杨守焕1阳吉初1刘能文1

(1.株洲联诚集团有限责任公司,412001,株洲;2.湘潭大学机械学院,411105,湘潭∥第一作者,工程师)

介绍了地铁列车制动电阻的种类、结构型式及各自的优缺点。通过一种制动电阻的计算及设计实例,说明了制动电阻的优化设计过程,并对制动电阻的优化设计方向进行了简要分析。

地铁;制动电阻;优化设计

First-author's addressZhuzhou Lince Group Co.,Ltd.,412001,Zhuzhou,China

地铁客车的运行特点是站距短,列车运行密度高,起制动频繁,制动减速度大。具有控制精确、制动平稳、节能等优点的再生制动已经在地铁的客车中得到广泛的应用。根据国内外轨道交通的运营经验,地铁再生制动产生的反馈能量一般为牵引能量的20%及以上。这些再生能量除了按一定比例(根据列车行车密度和区间距离的不同而异)被其他相邻列车吸收利用外,剩余的很大一部分能量如不能被消耗或回收,将导致地铁直流电网电压大幅度升高,会威胁牵引电网及列车行车安全。

虽然国内外进行了一些列车再生能量回收技术的研究和应用实践,如超级电容、飞轮等,但这些技术目前还属起步阶段,尚无法大量应用。在这些技术取得实质性突破前,多余的再生制动能量仍将以电阻消耗为主。

虽然制动电阻的结构简单、技术成熟可靠,但目前国内外的资料尚没有对各种制动电阻进行总结。因此本文对此进行了归类说明,以便于地铁设计时作为参考。另外,若不对其进行优化设计,设计的制动电阻要么盈余度太大造成投资浪费,要么达不到散热要求导致烧损,或者因结构设计不合理会导致很多故障的发生。因而,在制动电阻设计时必然要考虑对其进行优化设计。

1 地铁列车制动电阻的种类

1.1 按制动电阻冷却形式分类

制动电阻在消耗列车多余的再生能量时,其产生大量的热能必需散发到大气中去。因此,若不能采取有效的散热手段,制动电阻产生的热能将聚集在制动电阻内部,在很短的时间内就足以导致制动电阻烧损。按冷却形式,制动电阻可分为强迫通风冷却型制动电阻和自然通风冷却型制动电阻两类。

1.1.1 强迫通风冷却型制动电阻

强迫通风冷却型制动电阻的结构一般为一组或数组制动电阻元件封闭在一个通风风道内;风道的一端安装有一台风机,另一端通向大气;电阻带平行于通风方向布置,以利于减小风阻和提高散热效率。

此种制动电阻的显著优点是结构紧凑、体积小、重量轻,便于在车辆上安装而不占用过多的设备安装空间,因而适用于安装空间有限而制动功率较大的情况。但由于其需要一台用于散热的风机,必然会增加列车的能量消耗和噪声;另外,为确保通风正常、防止制动电阻烧损,还必须安装风压监控及温度监控装置。因此,虽然其初期投资成本在各种制动电阻中是最低的,但长期应用成本较高。

1.1.2 自然通风冷却型制动电阻

自然通风冷却型制动电阻的结构一般为一组或数组制动电阻元件布置在一个相对开放(满足基本的外部防护要求)的框架内;电阻带垂直于地面布置以利于空气自然对流换热。

由于不需要风机进行通风散热,不需要额外的能量消耗,而且由于其结构最为简单,故障率很低,不需要额外的监控装置,因此长期应用成本较低。但由于其采用自然通风冷却,必然需要很大的空间布置电阻带,且质量大,因而只适用于制动功率较小且具有足够设备安装空间的场所。此外,此种制动电阻为增加电阻带热容量,电阻带使用量也大大增加,初期投资成本也因而大大增加。

1.2 按制动电阻安装位置分类

目前,国内外绝大多数地铁列车的制动电阻均采用车载制动电阻方式,也有部分城市轨道交通的线路制动电阻直接挂接在牵引变电所直流母线而安装到地面上。

1.2.1 车载型制动电阻

车载型制动电阻分散安装在各动车底板下。同时,制动斩波器须集成在VVVF逆变器,可直接检测线电压,因而控制较为容易,列车运行较为灵活可靠。由于车载型制动电阻只需要考虑本列车多余再生制动能量的吸收,因此体积和容量均不大。虽然其产生的热量会带来隧道和站台内的温升问题,但单列车产生的热量对线路环控系统的负担增加有限。由于需安装在车辆上,必然要占用有限的设备安装空间,增加了车辆的质量以及购置、维护成本。

1.2.2 地面型制动电阻

若采用地面型制动电阻,每个牵引变电所均须安装一套,并须有配套的制动控制系统。地面型制动电阻可安装在地下牵引变电所内,也可单独安装在地上。它通过检测直流母线电压调节斩波器导通比而改变制动电阻消耗功率。但其制动控制系统的控制难度大,使列车运行可靠性降低。由于在一个牵引变电所供电范围内有数列列车运行,需要消耗的制动能量大大增加,因此制动电阻体积和容量庞大;同时,由于产生的大量热量集中排放,必须有制动电阻专门的散热环控设备。这些设备占用了线路的有限空间,使地铁的建设成本也有所增加。另外,地铁线路一般位于城市繁华区段,在地上安装制动电阻的成本将更加高昂,且会影响周边环境。

2 制动电阻种类的选择

由于各种制动电阻各有优缺点,因此在地铁线路设计时,就要综合考虑线路的地理条件、对环境的影响、列车制动能量等系列因素,并对各制动电阻方案进行全寿命周期成本分析,以选择最适于该线路条件、全寿命周期成本最少的方案。

另外,合理安排列车发车间隔时间,使列车制动时相邻列车运行于同一牵引变电所供电范围内且处于牵引工况,可最大限度利用再生制动能量,减少制动电阻上的电能消耗,从而可选择功率、体积更小的制动电阻,以降低制动电阻采购和使用成本。

例如,某地铁线路由于大部分位于人口稠密的繁华地段,人流量较大,为了减少建设成本同时减少对周边居民环境的影响,选择车载制动电阻类型;由于车底设备安装空间有限,选择了占用空间较小的强迫通风冷却型制动电阻。

3 制动电阻的优化设计

某制动电阻为一地铁车载强迫通风冷却型制动电阻,采用车底悬挂方式安装。它包括一台风机,一个内部装有电阻元件的通风风道及一套监测通风和电阻带温度的监控装置。

为了使该制动电阻在满足线路运行条件的前提下达到最优的技术经济效果,就必须对其进行优化设计。

3.1 对制动电阻的温升进行优化计算

在计算制动电阻的温升前必须先初步确定该制动电阻的一些基本数据,如散热面积、冷却方式及风量、规格及重量、风道尺寸等。

3.1.1 制动电阻的基本技术参数

制动电阻的基本技术参数如下:

1)电阻段阻值R(20℃时)为2.26 Ω×2;

2)额定电压为1800 V;

3)电阻带允许最高温度＜600℃;

4)最大功率为1120 kW×2;

5)柜体尺寸(不包括风机及接线盒)为923 mm(长)×760 mm(宽)×603 mm(高);

6)制动电阻功率曲线见图1。

3.1.2 制动电阻温度模拟计算

制动电阻内温度场是一个非线性温度场,要进行精确的模拟分析必须建立相应的有限元模型。但在制动电阻参数设计阶段若参数调整,又必须重新建立模型,故有限元模型显然是不适合的。

根据对流换热理论,实际计算时是按以下模型进行计算:

1)单个电阻元件内电阻带表面温度均匀;

2)换热方式为强迫对流外掠平板紊流换热。

3.1.2.1 制动电阻温度模拟计算步聚

1)确定冷却方式:由于此制动电阻的额定功率较大,而柜体尺寸很小,必须采用强迫通风冷却方式。

2)确定通风截面尺寸:根据IEC 60322标准的电阻元件框架对地电气间隙及爬电距离的要求,计算出电阻元件框架离柜体的最小尺寸;再由柜体截面尺寸减除该尺寸,确定出通风截面尺寸W(宽)×H(高)。

3)确定风机风量:根据以往经验,初步取冷却风速V(m/s),算出冷却风量为Q(m3/s)。此参数根据温升计算结果再进一步进行优化调整。

4)确定电阻带的规格尺寸及质量:根据通风区域尺寸及电阻值要求,初步计算出电阻带规格为δ(厚)×w(宽)×l(长)。

5)采用强迫对流外掠平板紊流换热模型,利用VBA软件,编制模拟计算程序(程序界面见图2);输入制动电阻功率曲线,再分别输入以上各参数数值,计算出制动电阻各时间点的温度并绘制温度时间曲线。

图1 制动电阻功率曲线

3.1.2.2 模拟计算结果

模拟计算往往不会一次得到理想的结果,会出现计算温度超出电阻带允许的工作温度;或者比允许温度低得太多,造成盈余过大。因此,需要不断调整计算参数进行反复模拟计算。若计算温度过高,说明散热面积、风量或者电阻带质量不够。这就要相应调整电阻带宽度、电阻带厚度和通风风量,直至计算温度值接近且低于电阻带允许的工作温度;反之亦然。

最后确定的参数见图2;计算出的温度曲线见图3。由图3可知,温度曲线最高点为530℃,接近且低于允许的工作温度600℃。考虑到制动电阻内温度场的不均匀性,此计算结果是合适的。

图2 制动电阻温度模拟计算程序的界面

图3 制动电阻温度曲线

3.2 制动电阻结构的优化设计

3.2.1 优化制动电阻带的表面形状

优化制动电阻带的表面形状,合理布置电阻元件,以强化制动电阻散热能力。前面温升计算采用的是紊流计算公式。但是,若电阻带表面平直,电阻带表面的层流底层厚度将明显增厚,从而使换热系数大大降低。因此必须改变电阻带表面形状(见图4),以增加冷却空气的紊流度,减小层流底层厚度,提高换热系数。

图4 改变后的电阻带表面形状(单位:mm)

另外,将相邻两电阻元件的电阻带进行“叉排”(见图5),使气流流经下一电阻元件时的流动方向发生改变,也有助于提高紊流度,提高换热效率。

图5 电阻带“叉排”示意图

3.2.2 防电阻带热变形的结构优化

电阻带的线胀系数为19×10-6/℃,电阻元件两绝缘子间电阻带长度为365 mm。当电阻带温度由20℃升高到600℃时,电阻带将膨胀4 mm。如果电阻带两端固定,产生的弯曲变形将达到23.5 mm。因此,电阻带两端与绝缘子安装处采用腰形孔,以保证两端各有2 mm的调整间隙(见图6)。除此以外,在电阻带中部加装一隔离瓷柱(见图7),以保证即使电阻带弯曲变形也不至于引起电阻带间接触短路。

图6 防电阻带变形结构

3.2.3 优化电阻元件阻值

由于制动电阻由12个电阻元件组成,冷却空气经过前面的电阻带加热后温度升高,从而使靠近出风口方向的电阻带换热系数降低,使最后面的电阻带表面温度将大大高于最前面的,从而不能充分利用前面电阻带的热容量。经过计算,由进风口到出风口分别采用三种阻值为R1、R2、R3(R1＞R2＞R3)的电阻元件,提高进风口处电阻元件发热量,降低出风口处电阻元件发热量,使各电阻元件的表面温度均匀。

图7 电阻带间隔离

3.2.4 制动电阻可维护性的优化

由于制动电阻使用环境恶劣,不可避免地有烧损现象发生,并且有大量灰尘需要经常清理,因此需要使制动电阻的维护方便快捷。

本制动电阻将电阻元件设计成抽屉式结构。维护时,只需将有问题的电阻元件抽出即可更换。另外,将制动电阻底板设计成锁扣型式,拉开锁扣即可打开底板对制动电阻内部进行维护作业,大大缩短了维护作业的时间和强度。

3.3 制动电阻的优化设计方向

以上只是某一制动电阻的优化设计结果。对于不同线路、不同种类的制动电阻,其具体的优化设计方法虽有所不同,但方向都是一致的。即结构尽可能紧凑,质量尽可能小,能够承受车辆的振动冲击,能有效地冷却并具有高可靠性和可维护性,并使制动电阻全寿命周期成本最小化。

为使制动电阻的结构紧凑、质量小,并能有效地冷却,就必须对制动电阻温升进行尽可能精确的分析。有条件的可采用有限元分析方法,使制动电阻带使用量最小化、风量及风道尺寸最小化,并合理布置电阻带,使温度分布均匀,避免局部高温的出现。

为能够承受车辆的振动冲击,就必须使制动电阻具有足够的强度和刚性。通过有限元强度分析和模态分析,并通过样机的振动冲击试验来验证制动电阻抗振动的冲击性能。

为保证制动电阻的高可靠性,就必须在设计的全过程进行认真细致的失效模式分析,发现存在的失效隐患并予以改进,以便有效地避免失效的发生。

缩小制动电阻全寿命周期成本除了选择制动电阻种类外,还与制动电阻的可靠性、可维护性有很大关系。可靠性不高,必然故障较多,维护次数和成本增加;而若可维护性不好,必然增加维护的时间和强度,从而增加维护成本。

4 设计结果验证

通过计算及结构优化设计,制作了该型制动电阻,并对其进行了试验验证。

由于试验条件限制,不能完全模拟制动电阻功率曲线来进行试验,因此采用等周期能量模拟试验方法。即试验周期与功率曲线相同,每个周期输入的能量也与功率曲线每个周期的能量相等。型式试验结果(见图8)中测点4的温度曲线为所有测点中检测到的最高温度曲线,其温度曲线最大值为538℃。

试验结果表明,模拟计算温度曲线与试验得到的温度曲线基本一致,基本反映了制动电阻的实际工况。经优化设计的制动电阻获得了国家专利,并在上海轨道交通1号线车辆“6改8”和广州地铁1号线中得到了应用。长期运营的结果表明,该制动电阻的性能可靠,维护方便,满足了用户的要求。

图8 型式试验温度曲线

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Types of Metro Braking Resistor and Optimal Design

Li Youyu,Yang Shouhuan,Yang Jichu,Liu Nengwen

In this paper,the types of metro braking resistor,their configurations,advantages and disadvantages are introduced.A calculation and the optimal design of braking resistor is presented,and the direction of braking resistor development is briefly analysed according to the design process.

metro;braking resistor;optimal design

U 270.355

2009-06-18)