下一代地铁平台制动电阻研制易

万成　彭自坚

摘要：介绍了下一代地铁平台制动电阻工作原理，关联关系。重点分析了该制动电阻的性能参数，主要结构设计，并对电阻单元、热设计、保护等方面内容进行了简述。

关键词：轨道车辆;制动电阻;温升;热设计

0  引言

下一代地铁平台牵引系统研制是为了满足城市轨道客户技术要求并在提高系统可靠性的情况下达到减重、降本目的而研制的一套平台类牵引电气系统。制动电阻是该牵引电气系统的一个关键部件，其对实现列车平稳操控，保证列车运行安全，减少闸瓦和车轮磨损，车辆自动控制方面有着十分重要意义。

1  工作原理

制动电阻是轨道车辆进行电制动时的功率耗散装置。当车辆处于电制动工况时，牵引电机转变为发电机，并产生反力矩促使车辆减速，产生的电能如果不能回馈电网或储存起来会造成电网压升高，这对电站设备和车辆运行非常不利，因此需要制动电阻将剩余的能量消耗掉。同时车辆在运行的过程中有时会遇到轮对空转、跳弓等瞬态过程，从而引直流电压的上升，为了防止直流电压上升超过允许范围，也需要通过制动电阻的开通来降低相应的过电压。制动电阻内部电路原理图见图1。

2  主要技术参数

额定电阻值（20℃）      ;         2×2.6Ω（-5%～+5%）

额定工况下的最大电阻值     2×3.2Ω

额定工作电压                    DC 1800V

最大温升                          600K

电阻带材料                       镍铬合金

风机流量                          1.7m3/s

风机风压                          300Pa空气入口20℃

噪声                               ≤78dB（A）

3  总体结构及主要功能单元

3.1 总体结构

本制动电阻主要由构架、电阻单元、斜流风机、控制信号盒、面板和排风罩等部件组成，详见图2，制动电阻通过构架上的两根直梁托装在车辆底架的横梁上。

电阻单元安装在不锈钢制成的构架内。电阻单元上安装有导轨，利用导轨可以将电阻单元沿轨道推入构架。制动电阻是安装在车辆底部，对于以往制动电阻单元都是采用下抽拉，而当制动电阻安装在车底后，其底部已经靠近轨道导轨，电阻单元向下抽拉时候被轨道导轨挡住抽不出来，往往需要将制动电阻从车辆上拆卸下来后才能维护与更换单元，针对这一情况，本制动电阻采用单元侧抽来结构方式，利用上板与下板组成一个轨道系统，用户只需将电阻单元间的连接母排拆除，并松开固定电阻单元的挡板螺钉即可将电阻单元从构架中卸下进行更换，这样在不拆卸制动电阻时就能维护电阻单元，极大的减少了维护时间和成本。

风机安装在构架的前端，为电阻单元提供冷却空气，风机网罩阻止风机吸入异物。排风罩安装在构架的后端，为冷却电阻单元的空气提供出口，排风罩出口朝下使经过了电阻带加热的热空气吹到地面，而减小对周围设备影响。

建立有限元力学模型，利用结构强度分析对制动电阻结构进行优化设计。优化后比优化前重量减轻11%。

3.2 电阻单元设计

电阻单元采用模块化，抽屉式设计，电阻单元可以完全互换，整个单元采用双重绝缘设计，第一重绝缘为电阻带与绝缘螺杆之间的绝缘，第二重绝缘为绝缘螺杆与导轨之间的绝缘。（图3）

制动电阻的开通将会使得电阻带的温度升高。为保证制动电阻在高温状态下正常工作，电阻元件采用既有产品使用过的镍铬合金材料，电阻带表面冲有加强筋，既提高了受热抗变形能力也增大了散热系数。

3.3 热仿真分析

环境温度为45℃时，电阻带最高允许工作温度：640℃

根据公式：

其中：T：瞬态温度;T：初始温度;kt：传导系数;Kc：散热系数;A：散热面积。

电阻带的参数为：电阻带质量M=31.8kg，散热面积A=12.8m2。散熱系数Kc=97（W·K/m2），传导系数kt=1.99，根据制动电阻的负荷条件，将以上各参数代入公式利用Matlab编程仿真得到的电阻带最热点的温度变化曲线如图4所示。

从图4中的结果可知，最热层电阻带最高温度为：545.9℃，该温度满足<640℃的要求。

4  试验验证

为了验证制动电阻是否满足设计需求，依据相关标准，对制动电阻做了多项型式试验，温升试验电阻带最高温升为556K，噪音值为76dB（A），所有试验均通过，满足设计要求。

5  结论

制动电阻的技术性能及可靠性要求均满足设计要求，通过型式试验考核。此制动电阻对于以往产品，在降成本、降重、增加可靠性、及维护方面都有很大的提高 ，同时平台化的设计对以后制动电阻设计具有很重要的指导作用。下一代地铁平台制动电阻现已经在长沙地铁一号线上开始批量应用。

参考文献：

[1]陈义正.LQ36型内燃机车制动电阻装置[J].机车电传动， 2009.

[2]刘严.制动电阻通风及温升计算探讨[J].电力机车技术， 2002.

[3]朱序章.人机工程学[M].西安：西安电子科技大学出版社， 2001.