摘要：本文简单介绍了空压机原理，对于空压机在启动时对辅助系统造成的冲击进行了原理性说明，并针对空压机启动带来的电流冲击介绍了几种设计方案，针对各个方案进行说明及优点及缺点分析，并提出了软启动器方案。以安哥拉内燃动车组为例说明空压机与软启动器配套应用方案的可实施性及实际应用情况。
关键字：空气压缩机；方案；软启动器；
A New Emergency Brake Loop Scheme For Multiple Trainset Reconnection
SUN Kaiyi , KANG Lili，WANGXin
(R&D Center,CRRC TANGSHAN CO.,LTD. 3# Changqian Rd .,Fengrun District Tangshan, P.R.China 064000)
Abstract：This essay present the air compressor working principle,introduced the principle of the surge current occurred in air compressor start statement,and put up several scheme to solve the problem.Analyze the advantage and dis advantage of each scheme.And put up the scheme of using soft starter to solve the start surge current problem. And taking the Angola project as an example to illustrate the feasibility of using soft starter scheme .
Key words：air compressor；scheme；soft starter.
1引言
目前轨道车辆应用中很多车辆应用空气制动方案，以内燃轨道车辆最为显著。空气制动以其故障率低，原理简单，应用方便，使得世界上大多数的机车车辆和第三世界国家的轨道车辆大多应用空气制动。列车风源系统是应用空气制动的轨道车辆不可或缺的组成部分，为空气制动及风笛等提供压缩空气，以供列车制动系统应用。风源系统主要由空气压缩机及风缸组成，其中空气压缩机为一台异步电动机，将电能转化为机械能进行空气压缩，而风缸负责储存压缩空气。异步电动机需要非常大的启动电流（额定电流的5-8倍），为降低空气压缩机给轨道车辆辅助供电装置带来的冲击，可以采用多种设计方案进行设计优化。
2空压机原理说明
空气压缩机分为螺杆式（持续运转制）和活塞式（即启即停制）两种。活塞式空压机成本较高，故障率较低，螺杆式空压机成本较低，但需经常维护保养。目前轨道车辆主要为降低成本，主要采用螺杆式空压机，本文以螺杆式空压机为例说明空压机的原理。
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图1列车编组图
1进气筒 2 异步电机 3 机头 4 油水分离器 5 排气冷却
螺杆式空压机主要由进气筒，异步电机，机头，油水分离器、排气冷却几个部分组成。压缩空气从进气筒进入，经过机头进行空气压缩，由于机头处是两根螺杆进行啮合将空气压力升高，而螺杆需要润滑油进行润滑以提高机头的使用寿命，经过升压后的压缩空气易将机头的润滑油带出，因此经压缩后的空气为压缩空气和润滑油的混合物，此混合物经过油水分离器后分离成润滑油与压缩空气，将润滑油回收到机组内进行润滑油循环，同时压缩空气经排气冷却排出到配套干燥器内进行压缩空气干燥后至风缸进行储存。
空压机启动时，将大气压力进行压缩，机头排气端压力由0开始缓慢上升至6bar，然后空压机向外进行打风，当风缸压力达到9bar时，空压机停止打风，此时排气阀打开，空压机继续运行，但是产生的压缩空气排放到大气中。如果空压机在风缸未达到9bar时司机操作空压机停止工作，此时电磁阀也会打开，将空压机内部的压缩空气排放到大气中去，空压机内部设有压力开关，当风压未降低到足够低时不允许空压机启动。由此可知，空压机的启动过程一直被保持在0负荷启动，以便降低空压机的启动电流，同时保护电机不会出现由于带载启动导致电流过大从而电机烧损。
降低空压机启动电流仅仅需要保持空压机0负荷启动是不够的，异步电机直接启动时定子旋转磁场以同步转速切割转子线圈，在转子线圈中感应出电势，转子的等效阻抗很小，因此感应电流较大，则与之平衡的定子电流的负载分量也较大，通常为额定电流的5~8倍；随着转速的提高，转子等效阻抗逐渐增大，相应的定子电流随之减小。如此大的电流冲击会导致轨道车辆供电网或供电网内其他用电设备收到影响，因此需要采用一定的方案降低空压机启动带来的电流冲击。
3空压机启动方案介绍
目前轨道车辆行业内通常采用直接启动、星三角启动的方法进行空压机启动。
3.1 直接启动
空压机在启动过程中可以采用直接启动的方案，可以根据电机的功率进行区分。通常情况下小负载一般使用星形（Y型）接法的异步电机，因为负载功率小，运行时需要电流较小，同时易于启动，对于供电网的冲击较小，利于轨道车辆供电网的稳定性。当空压机的功率较大时，一般采用三角形接法的异步电机，由于负载功率较大，同等负载时由于三角形连接为380V，因此需要电流小，利于电机运行不利于启动，对于供电网的冲击较大，不利于轨道车辆供电网的稳定性。
其方案基本如下:
图2 电机星形接法与三角形接法实际接线图
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图3 电机三角形接法直接启动电流波形图
图4：电机星形接法直接启动电流波形图
通过电流波形图可以看出通过电机三角形接法波形与星形接法的波形相比，三角形接法的电流波形启动阶段更陡，即启动转矩大，启动速度非常快，星形接法启动较为平缓，启动转矩小，启动速度较慢，因此星形连接的发电机造成辅助供电系统波动较小。
3.2星三角转换
当空压机负载功率较大时，适于用三角形连接的异步电机进行空气压缩，但是三角形异步电机的运行功率较大，启动电流较大，如果直接启动会造成对轨道车辆供电网的冲击，使轨道车辆辅助供电系统电源或车辆其他用电设备产生故障，导致整车瘫痪。而由于星形连接异步电机的电压及功率为三角形连接异步电机电压及功率的1/3，因此提出一种经典的星三角转换方案。其具体原理如下：
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图5 主电路结构图
同一星形连接启动功率：
三角形连接启动功率：
可以看到：启动时星形连接相电流大小为:
启动时三角形连接相电流大小为
（注：此功率仅代表同一电机启动时功率，电机启动完毕进入额定工况运行时功率由负载决定）
根据公式 (P：电机功率，n：电机转速)可知，电机转矩和功率成正比，空压机工作在轨道车辆辅助供电网内，电压恒定为380V±10%，因此电机转矩与电流成正比，当负载增加时转差率变大同时电流增大。由此可知，由于同一电机采用三角形连接时和为采用星行连接时和的倍，因此同一电机采用三角形连接时启动转矩为采用星形连接的3倍。
（注：星形连接电机不可直接更改接线为三角形连接，如果更改，相当于将额定功率更改为原来的3倍，运行时将导致电机烧损。）
星三角转换方案在轨道车辆上经常使用，原理简单，但需增加大量的接触器进行控制，而且由于接线方式需要进行转换，因此同时需要较长距离的布线，相当于增加了空压机的故障点，不利于空压机的维护及故障诊断。同时，由于星三角转换方案需要在空压机完成星形启动后切换到三角形运行，而切换的时候需要50~100ms的切换时间，次切换时间类似于将电机断电后重新供电，会产生非常大的一个电流冲击，但是由于冲击时间较短而辅助供电电源输出端有变压器相当于吸收电感，可以吸收这个冲击，因此不会造成辅助供电系统内其他设备的运行，但是也具有一定影响。电流波形图如下
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图6 星三角转换电流波形图
3.3软启动器
3.3.1 智能型软启动器方案
为解决空压机星三角启动的线路复杂、转换冲击等问题。本文提出一种将软启动器应用在空压机上的方案，通过软启动器使启动过程的电压或扭矩按照一定函数关系缓慢增长至额定值，由于这种控制方法更符合电机的启动动态过程性能，因此冲击电流非常小。通过这种方法降低空压机对于轨道车辆供电网的冲击。可以从下图中看出软启动器与其他两种方案的对比图：
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图7 软启动器方案与直接启动方案和星三角启动方案对比图
软启动器由一组晶闸管反向并联组成，通过对可控硅导通角的控制，来降低电机起动电压，并在设定的起动时间内，将电机起动电压升高到额定电压。凭借这种电机电压的无阶跃控制，可以根据被驱机器的负载特性对电机进行调节，平缓加速机械设备，从而显著提高机械设备的运行性能，延长其使用寿命。软启动器内部设有电压传感器和电流传感器用于检测软启动器输出的电压电流，实现闭环控制。如下图所示：
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电压（转矩）大小控制 启动时间控制
图8 软启动器控制策略图
由图可见，软启动器通过控制可控硅相位控制角可以更改施加给异步电机的初始电压（转矩）大小（即的初始角度）和电压（转矩）增长速度（即的角度增长速度）。软启动器的方案可以非常完美的解决空压机的启动带来的冲击电流问题，使得冲击电流大大降低，以同样的7.5kw三角形连接空压机为例，其启动波形图如下：
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图9 软启动器方案三角形电机启动波形
由图9中数据可以看出：与图3三角形电机直接启动波形相比，启动过程更加平缓，启动时电流峰值由直接启动的165A左右降低到54A左右，启动电流降低显著，而且没有切换过程，在启动完毕后直接进入运行阶段，无需增加大量的接触器和继电器进行控制，故障点大大降低。另外，软起动器还集成有其它功能，例如可调限流功能，电机过载和设备自保护功能，以及可选电机热过载保护功能等，可以保护电机避免电机损坏。软启动器体积较大，以7.5KW空压机应用的软启动器为例，其尺寸为130*210*250，重量可达7KG。可能安装较为困难。
3.3.2 紧凑型软启动器方案
为解决智能型软启动器方案
4结论
本文
参考文献
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论文作者:孙开意 康莉莉 王鑫
论文发表刊物:《中国电业》2019年22期
论文发表时间:2020/4/7
标签：空压机论文; 角形论文; 电流论文; 电机论文; 星形论文; 方案论文; 车辆论文; 《中国电业》2019年22期论文;