一種軌道交通車輛制動電阻超溫保護裝置設計

邵躍虎

摘 要：軌道交通車輛制動電阻安裝在車底，環境惡劣，振動大，工作溫度在400攝氏度以上，對其進行溫度監控和超溫保護是保證制動電阻可靠運用的關鍵。文章介紹了軌道交通車輛制動電阻的工作原理和一種電橋測溫并實現超溫保護的方法，對其各個功能模塊的工作原理進行了闡述，可作為類似應用場合的設計參考。

關鍵詞：制動電阻；制動系統；溫度監控；超溫保護

引言

軌道交通車輛在電制動工況下電機產生的反向力矩將車輛動能轉化為電能，一部分能量反饋回電網，多余的能量則以斬波電流的形式通過制動電阻發熱消耗掉。制動電阻吸能發熱過程中，溫度一旦超過其設定的最高值，將對電阻造成破壞性影響。本文提出了一種制動電阻溫度監控方法，可以實時采集其溫度信息，并將超溫狀態傳送給車輛控制器，控制器根據超溫狀態控制制動電阻是否繼續吸能，起到保護制動電阻的作用。

1 制動電阻介紹

車輛制動方式分為摩擦制動和電制動兩類，摩擦制動通過閘瓦與輪踏面摩擦產生制動力，一般通過壓縮空氣或者壓縮液體推動閘瓦進行制動；電制動則是通過電機的反向力矩，將車輛的動能轉換成電能，使車輛減速，目前國內大部分軌道交通車輛采用空氣制動和電制動相結合。電阻制動的優點是可以降低車輛制動系統閘瓦等機械執行機構的動作頻率，減小車輛機械磨損，制動無噪音，有效提高了列車制動的效率。

制動電阻箱一般安裝在車輛底部，采用自然風冷和強迫風冷的冷卻方式，以某型號制動電阻為例，其工作電壓為1800V，電阻箱阻值3歐姆，采用Cr20Ni80和Cr20Ni20兩種材料的電阻帶串聯而成。兩種材料在600℃范圍內其電阻率隨溫度升高而遞增，其中Cr20Ni80材料溫度特性較為穩定，隨溫度升高，電阻率變化較小，Cr20Ni20材料溫度系數較大，隨溫度升高，電阻率變化較為明顯，電阻箱設計的超溫保護值為550±30℃，制動電阻雖然結構簡單，但其500℃的額定工作溫度對溫度監控提出了難題，必須要有一種可靠的監測手段保證制動電阻超溫時，發出報警信號，切斷電阻箱斬波輸入，防止溫度進一步升高。

2 超溫保護裝置工作原理

軌道交通車輛制動電阻安裝在車輛底部，額定工作溫度高，常用的測溫手段易受高強度振動和車底復雜的電磁環境干擾，測量不準確。一種可行的辦法是將溫度信號轉換成電壓信號，通過電橋原理對溫度進行精確測量。制動電阻箱與超溫保護裝置的關聯關系圖如下所示：

制動電阻箱A、B間電阻帶與超溫保護裝置的電位調節器形成電橋，其中制動電阻箱A、B之間的電阻帶為第一對比例臂，A、B引出線同時作為超溫保護裝置的電源；超溫保護裝置的電位調節器也采用高精度的電阻組成，作為第二對比例臂，第一、第二比例臂中間點C和D引出線作為溫度監控單元的差分輸入信號。

車輛制動時，制動電阻上將施加任意波形的單向斬波電壓，超溫保護裝置不需額外增加電源供給直接在制動電阻上取電，制動電阻隨著斬波電壓的輸入，電阻帶迅速升溫，根據電阻帶材料特性，在最大允許工作溫度范圍內，電阻隨溫度增加而增加，Cr20Ni80電阻帶電阻變化慢，Cr20Ni20電阻帶電阻變化快，因此兩種材料中間點C點電壓隨溫度升高而緩慢升高，從而使C、D兩點的電位差隨制動電阻平均溫度的升高呈單調遞增性，超溫保護裝置實時采樣C、D兩點間電位差，一旦其達到或超過預定值，溫度監控單元將輸出開關報警信號給車輛控制器，以此停止制動電阻的斬波輸入，防止電阻帶溫度進一步升高，保證制動電阻安全可靠運行。超溫保護裝置的核心是溫度監控單元，其邏輯框圖如下：

電源濾波儲能模塊：該模塊為超溫保護裝置提供規范電源，可接受規定幅值以內的任意電壓波形供電，能夠快速充電，同時儲存電能，制動電阻斬波消失后，仍然能為其他模塊提供電源支撐，通常設計支撐時間為3至5秒。

信號隔離濾波模塊：該模塊的作用是對輸入的信號的有無進行濾波，得到數字信號。根據制動電阻上斬波信號產生的特點，只有輸入的信號幅值達到一定幅值范圍，才認為輸入信號有效，信號有效則輸出數字信號1到邏輯處理模塊，如果輸入信號未達到設定的電壓幅值門檻，則輸出數字信號0到邏輯處理模塊。

信號隔離比較模塊：該模塊以比較器作為核心元器件，其作用是對差分信號進行放大比較，得到數字信號，差分信號超過或者等于閥值，則輸出數字信號1，小于閥值，則輸出數字信號0。

邏輯處理模塊：將信號隔離濾波模塊和信號隔離比較模塊的數字信號進行綜合后輸出具有驅動能力的數字信號，只有兩個信號處理模塊都輸出為1時該模塊才輸出具有較強驅動能力的數字信號1，邏輯處理模塊還將對數字信號1進行鎖止，只要輸出為1則將輸出鎖定為1，直到整個裝置失電，其他情況都輸出數字信號0。

變壓器隔離輸出模塊：隔離輸出模塊接收邏輯處理模塊的數字信號，將該數字信號作為振蕩器的輸入，為變壓器提供震蕩源，當接收到邏輯處理模塊輸出的具有驅動能力的數字信號1時，震蕩器起震，為變壓器提供能量，并控制后級繼電器電路輸出，當收到數字信號0時，關閉震蕩，無輸出。后繼繼電器輸出為開關量輸出，正常情況下繼電器輸出閉合，超溫狀態下繼電器輸出開路。通過振蕩器將電壓放大，通過變壓器和繼電器進行隔離，提高了輸出信號與內部邏輯電路的隔離能力，抗干擾能力強，具有優良的開關輸出特性。

3 結束語

目前國內的軌道交通蓬勃發展，車輛運營里程和發車頻次大為提高，車輛頻繁的加速和制動，對制動電阻超溫保護提出不小考驗，現有的同類產品在溫度采樣精度、抗干擾能力上或多或少存在不足之處，本文的超溫保護裝置通過信號隔離濾波模塊對信號有無進行濾波，提供了抗干擾能力，采用高精度電位器與制動電阻形成電橋，通過電橋原理將溫度信號轉換為電壓信號進行測量，采用無源的電壓檢測系統，安裝便捷，適用性強。

制動電阻超溫保護是一個系統工程，除了研制穩定可靠的超溫保護電路外，制動電阻的材料選擇，散熱設計、制造工藝、EMC防護等同樣對整個系統精度和可靠性方面起著至關重要的作用。

參考文獻

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