轨道交通制动电阻器
邵跃虎
摘 要：轨道交通车辆制动电阻安装在车底，环境恶劣，振动大，工作温度在400摄氏度以上，对其进行温度监控和超温保护是保证制动电阻可靠运用的关键。文章介绍了轨道交通车辆制动电阻的工作原理和一种电桥测温并实现超温保护的方法，对其各个功能模块的工作原理进行了阐述，可作为类似应用场合的设计参考。
关键词：制动电阻；制动系统；温度监控；超温保护
引言
轨道交通车辆在电制动工况下电机产生的反向力矩将车辆动能转化为电能，一部分能量反馈回电网，多余的能量则以斩波电流的形式通过制动电阻发热消耗掉。制动电阻吸能发热过程中，温度一旦超过其设定的最高值，将对电阻造成破坏性影响。本文提出了一种制动电阻温度监控方法，可以实时采集其温度信息，并将超温状态传送给车辆控制器，控制器根据超温状态控制制动电阻是否继续吸能，起到保护制动电阻的作用。
1 制动电阻介绍
车辆制动方式分为摩擦制动和电制动两类，摩擦制动通过闸瓦与轮踏面摩擦产生制动力，一般通过压缩空气或者压缩液体推动闸瓦进行制动；电制动则是通过电机的反向力矩，将车辆的动能转换成电能，使车辆减速，目前国内大部分轨道交通车辆采用空气制动和电制动相结合。电阻制动的优点是可以降低车辆制动系统闸瓦等机械执行机构的动作频率，减小车辆机械磨损，制动无噪音，有效提高了列车制动的效率。
制动电阻箱一般安装在车辆底部，采用自然风冷和强迫风冷的冷却方式，以某型号制动电阻为例，其工作电压为1800V，电阻箱阻值3欧姆，采用Cr20Ni80和Cr20Ni20两种材料的电阻带串联而成。两种材料在600℃范围内其电阻率随温度升高而递增，其中Cr20Ni80材料温度特性较为稳定，随温度升高，电阻率变化较小，Cr20Ni20材料温度系数较大，随温度升高，电阻率变化较为明显，电阻箱设计的超温保护值为550±30℃，制动电阻虽然结构简单，但其500℃的额定工作温度对温度监控提出了难题，必须要有一种可靠的监测手段保证制动电阻超温时，发出报警信号，切断电阻箱斩波输入，防止温度进一步升高。
2 超温保护装置工作原理
轨道交通车辆制动电阻安装在车辆底部，额定工作温度高，常用的测温手段易受高强度振动和车底复杂的电磁环境干扰，测量不准确。一种可行的办法是将温度信号转换成电压信号，通过电桥原理对温度进行精确测量。制动电阻箱与超温保护装置的关联关系图如下所示：
制动电阻箱A、B间电阻带与超温保护装置的电位调节器形成电桥，其中制动电阻箱A、B之间的电阻带为第一对比例臂，A、B引出线同时作为超温保护装置的电源；超温保护装置的电位调节器也采用高精度的电阻组成，作为第二对比例臂，第一、第二比例臂中间点C和D引出线作为温度监控单元的差分输入信号。
车辆制动时，制动电阻上将施加任意波形的单向斩波电压，超温保护装置不需额外增加电源供给直接在制动电阻上取电，制动电阻随着斩波电压的输入，电阻带迅速升温，根据电阻带材料特性，在最大允许工作温度范围内，电阻随温度增加而增加，Cr20Ni80电阻带电阻变化慢，Cr20Ni20电阻带电阻变化快，因此两种材料中间点C点电压随温度升高而缓慢升高，从而使C、D两点的电位差随制动电阻平均温度的升高呈单调递增性，超温保护装置实时采样C、D两点间电位差，一旦其达到或超过预定值，温度监控单元将输出开关报警信号给车辆控制器，以此停止制动电阻的斩波输入，防止电阻带温度进一步升高，保证制动电阻安全可靠运行。超温保护装置的核心是温度监控单元，其逻辑框图如下：
电源滤波储能模块：该模块为超温保护装置提供规范电源，可接受规定幅值以内的任意电压波形供电，能够快速充电，同时储存电能，制动电阻斩波消失后，仍然能为其他模块提供电源支撑，通常设计支撑时间为3至5秒。
信号隔离滤波模块：该模块的作用是对输入的信号的有无进行滤波，得到数字信号。根据制动电阻上斩波信号产生的特点，只有输入的信号幅值达到一定幅值范围，才认为输入信号有效，信号有效则输出数字信号1到逻辑处理模块，如果输入信号未达到设定的电压幅值门槛，则输出数字信号0到逻辑处理模块。
信号隔离比较模块：该模块以比较器作为核心元器件，其作用是对差分信号进行放大比较，得到数字信号，差分信号超过或者等于阀值，则输出数字信号1，小于阀值，则输出数字信号0。
逻辑处理模块：将信号隔离滤波模块和信號隔离比较模块的数字信号进行综合后输出具有驱动能力的数字信号，只有两个信号处理模块都输出为1时该模块才输出具有较强驱动能力的数字信号1，逻辑处理模块还将对数字信号1进行锁止，只要输出为1则将输出锁定为1，直到整个装置失电，其他情况都输出数字信号0。
变压器隔离输出模块：隔离输出模块接收逻辑处理模块的数字信号，将该数字信号作为振荡器的输入，为变压器提供震荡源，当接收到逻辑处理模块输出的具有驱动能力的数字信号1时，震荡器起震，为变压器提供能量，并控制后级继电器电路输出，当收到数字信号0时，关闭震荡，无输出。后继继电器输出为开关量输出，正常情况下继电器输出闭合，超温状态下继电器输出开路。通过振荡器将电压放大，通过变压器和继电器进行隔离，提高了输出信号与内部逻辑电路的隔离能力，抗干扰能力强，具有优良的开关输出特性。
3 结束语
目前国内的轨道交通蓬勃发展，车辆运营里程和发车频次大为提高，车辆频繁的加速和制动，对制动电阻超温保护提出不小考验，现有的同类产品在温度采样精度、抗干扰能力上或多或少存在不足之处，本文的超温保护装置通过信号隔离滤波模块对信号有无进行滤波，提供了抗干扰能力，采用高精度电位器与制动电阻形成电桥，通过电桥原理将温度信号转换为电压信号进行测量，采用无源的电压检测系统，安装便捷，适用性强。
制动电阻超温保护是一个系统工程，除了研制稳定可靠的超温保护电路外，制动电阻的材料选择，散热设计、制造工艺、EMC防护等同样对整个系统精度和可靠性方面起着至关重要的作用。
参考文献
[1]李辰加.制动电阻强化散热分析[J].机车电传动，1998（2）.
[2]刘亚平.格鲁吉亚动车组制动电阻装置的研制[J].机车电传动，2013（5）.
