用于监视轨道车辆中的电网络的方法和设备以及轨道车辆与流程

在轨道车辆中其中还应用所谓的永磁电机用于驱动轨道车辆，所述永磁电机也可以称为永磁电动机。这些永磁电机通过通常三相的电网络供以电能。电网络在此也包括变流器，所述变流器在永磁电机的电动机式运行中将直流电压——例如中间电路电压转换为所期望的交流电压用于给永磁电机供电。然而，变流器也可以在永磁电机的发电机式运行中将由永磁电机产生的交流电压转换为直流电压。

在电网络中可能出现不期望的短路。这些短路可以不仅在永磁电机内、例如在电机壳体内或者沿着用于连接变流器和永磁电机的相线路出现。短路也可能出现在变流器中。在短路时也可能出现所谓的电弧，电弧可能导致轨道车辆部件的不期望的破坏。

已知的是，监视相电流的水平，其中，如果相电流水平超过预先确定的阈值，则探测到短路。

如果探测到所谓的短路，则通常将变流器从永磁电机电分离，例如通过相应布置的功率开关。同时对轨道车辆进行制动直至静止状态，以便防止短路的潜在馈电。

提出如下技术问题，即实现一种用于监视轨道车辆中的电网络的方法和设备以及轨道车辆，它们能够实现在电机的被分离的状态中也监视电网络。

技术实现要素：

技术问题的解决方案通过具有权利要求1、10和12的特征的主题得出。本发明的另外的有利构型由从属权利要求得出。

在此提出一种用于监视轨道车辆中的电网络的方法。电网络可以尤其是轨道车辆的牵引网络或者是轨道车辆的牵引网络的一部分。电网络尤其用于在轨道车辆的变流器与轨道车辆的永磁电机之间的能量传输。

电网络包括至少一个变流器。变流器可以在此不仅作为逆变器而且作为整流器运行。例如变流器可以构造为三相变流器。变流器可以尤其包括电开关元件，如例如MOSFET或者IGBT。

变流器可以在输入侧与轨道车辆的中间电路、尤其中间电路电容器电连接。落在中间电路电容器上的中间电路电压——所述中间电路电压因此在输入侧施加在变流器上——是直流电压。变流器在输出端可以与永磁电机连接，例如通过至少一个相线路。

电网络还包括至少一个永磁电机。永磁电机在此表示具有永久磁化的转子的同步电机。永磁电机可以运行在电动机式运行中。在此将由变流器传输给永磁电机的电能转换为磁能。电能在此以交流电流和交流电压的形式传输，它们对永磁电机馈电。在发电机式运行模式下，机械能通过永磁电机转换为电能，其中，电能可以传输给变流器。在此，永磁电机产生交流电流和交流电压。

电网络还包括至少一个第一相线路，所述至少一个第一相线路用于至少一个变流器与至少一个永磁电机的电连接。第一相线路在此表示如下电线路，第一相电流可以流经所述电线路。优选地，电网络包括一个以上、尤其三个相线路。沿着相线路可以布置至少一个电开关元件，例如功率开关元件，尤其MOSFET、IGBT或功率开关。借助于第一相线路的电开关元件可以中断或建立变流器与永磁电机的通过第一相线路的电连接。

优选地，变流器是三相变流器，所述三相变流器通过三个相线路与三相永磁电机连接。

此外，中断第一相线路。为此，如以下还进一步阐述的那样，可以操作相应的中断装置。优选地，中断装置构造为电开关元件。电开关元件可以沿第一相线路或在第一相线路中布置。借助于电开关元件可以建立或中断变流器与永磁电机的通过第一相线路的连接。例如可以中断第一相线路，其方式是，断开电开关元件。

此外，确定相线路的电机侧部分与参考电位之间的电位差。参考电位可以是例如如下基准电位，例如电网络的接地电位。替代地，参考电位可以是电网络的另一相线路的电位，尤其是所述另一相线路的电机侧部分的电位。

相线路的电机侧部分在此表示相线路的一个部分或区段，所述部分或区段连接电位差的确定点与永磁电机。确定点又表示如下点，在所述点上或在该点中确定电位差。确定点例如可以等于中断点。术语“点”在此自然也可以表示相线路的一个部分区段。

电位差的确定在此包括电位差的直接检测，例如借助于适合的检测装置，尤其借助于电压传感器。但术语“确定”也可以包括根据至少一个直接检测的中间参量计算电位差。

此外，还确定电位差有关的参量。电位差有关的参量在此形成电位差的水平的指标。以下还将进一步阐述示例性的电位差有关的参量。

此外，确定永磁电机的转速。在此可以直接检测转速，例如借助于适合的检测装置，尤其转速传感器。但也可能的是，通过计算、根据至少一个直接检测的参量——例如轨道车辆的行驶速度确定转速。自然，对此还可以考虑另外的、尤其预知的、轨道车辆的参数，例如永磁电机与轨道车辆的可旋转车轮的机械连接的传动比。

此外，根据转速确定转速有关的基准参量，所述转速有关的基准参量也可以称为转速有关的参量。在此可以预知转速与转速有关的参量之间的关系，例如函数关系。转速有关的参量在此表示对应于电位差有关的参量的参量。转速有关的基准参量尤其可以构成用于在确定的转速下永磁电机的空转电压水平的指标。

例如可以假定，在转速与空转电压水平之间存在线性关系，其中，空转电压随增加的转速而增加。

此外，确定电位差有关的参量与转速有关的基准参量的偏差。尤其可以确定转速有关的基准参量与电位差有关的参量之间的差。

此外，如果偏差大于预先确定的阈值，则探测到网络故障。尤其如果前述差或差值大于预先确定的阈值，则可以探测到网络故障。预先确定的阈值在此可以为零或者比零大预先确定的小的程度。

由此，如果永磁电机与变流器电分离，则有利地可以探测到在电机侧部分网络中、尤其在永磁电机中的网络故障。电机侧部分网络在此表示电网络的至少一部分，所述至少一部分布置在电网络的确定点与永磁电机之间，其中，永磁电机自身也是电机侧部分网络的部分。因此，电机侧部分网络可以包括第一相线路的至少所述区段——所述区段将上述确定点与永磁电机连接——以及永磁电机的电网络的至少一部分。

此外，可以根据偏差的水平——例如上述差的水平确定故障类型。如果例如存在零或接近零的电位差并且因此电位差有关的参量与转速有关的基准参量的高的、尤其最大的偏差，则可以探测到短路。然而如果所确定的电位差不等于零，然而小于预期的空转电压，则因此虽然存在电位差有关的参量与转速有关的基准参量的偏差，然而不存在其最大偏差。在所述情况下可以例如探测到不期望的低阻抗连接。

例如可以将误差类型分配给预先确定的偏差区间。如果根据本发明确定的偏差位于故障有关的偏差区间中的一个偏差区间中，则作为故障类型可以探测到这样的误差，所述误差分配给相应的、误差有关的偏差区间。

尤其可以仅仅当第一相线路中断时才实施根据本发明的方法。这当基于另一网络故障、尤其变流器中的网络故障，相线路已经中断时例如可以是这样的情况。如果存在电动机的所期望的非运行，例如用于节能，则也可以存在中断，其中，在所述情况下第一相线路同样可以中断。在永磁电机的非运行情况下，例如轨道车辆的另一永磁电机可以承担驱动。

在另一实施方式中，电网络包括三个相线路。此外，中断三个相线路中的至少两个、尤其两个或者所有，以及对于每个相线路确定相线路的电机侧部分与参考电位之间的电位差。此外，分别确定电位差有关的参量。

在此可以对于每个相线路确定相线路与共同的基准电位——例如电网络的接地电位之间的电位差。然而替代地并且优选地，对于每个相线路，剩余的相线路中的一个相线路的电位形成参考电位。如以下还将进一步阐述的那样，这能够实现：例如可以使用仅仅两个电压传感器用于对于三个相线路分别确定电位差。在此，电压传感器可以分别检测在线路对的相线路之间的电位差，其中，线路对在线路对的两个线路的分别至少一个线路方面区分。

此外，如上所述，确定永磁电机的转速并且根据转速对于每个相线路确定转速有关的基准参量。

在第一替代方案中，对于每个相线路确定电位差有关的参量与转速有关的基准参量的偏差，并且如果偏差中的至少一个大于预先确定的阈值则探测到网络故障。

替代地或者累积地，确定所有电位差中的最小电位差以及与所述最小电位差有关的参量。与所述最小电位差有关的参量在此如上所述的电位差有关的参量那样被确定。此外，确定与所述最小电位差有关的参量与转速有关的基准参量的偏差并且如果所述偏差大于预先确定的阈值，则探测到网络故障。

由此有利地产生如下，即在三相电网络中也可以确定网络故障。

在另一实施方式中，根据电位差和/或至少一个偏差确定两相网络故障或三相网络故障。

如果偏差中的至少一个大于预先确定的阈值并且电位差中的至少一个与剩余电位差偏差大于预先确定的程度，则可以探测到两相网络故障。这样的两相网络故障可以是例如在两个相之间的短路。如果至少一个偏差大于预先确定的阈值，然而另一偏差小于或等于预先确定的阈值，则也可以探测到这样的两相网络故障。

如果至少一个偏差大于预先确定的阈值并且所有电位差是相同的，则可以探测到三相网络故障，例如在所有相之间的短路。如果所有偏差大于预先确定的阈值，则也可以探测到三相网络故障。

由此可以有利地确定网络故障的类型。

在另一实施方式中，在探测到网络故障时降低永磁电机的转速。为此例如可以对永磁电机的转子制动。然而优选地，可以借助于至少一个制动装置对轨道车辆进行制动。自然可以将永磁电机的转速降低到零上。通过降低转速有利地实现，短路不再继续通过永磁电机馈电。由此可以降低不期望的损坏的危险。

替代地或者累积地，可以实施相线路的电机侧部分的另外的中断。尤其可以中断在相线路与永磁电机的连接点之间的电连接，尤其在永磁电机的连接点处。也可以考虑，相线路包括另一电开关元件，所述另一电开关元件布置在相线路的电机侧部分中。另外的中断在此可以通过断开所述另一电开关元件来实现。

通过相线路的电机侧部分的另外的中断可以电隔离故障位置，所述故障位置位于相线路的电机侧部分中。

优选地，实施相线路的电机侧部分的尽可能接近电动机的中断。尤其中断点至相线路和永磁电机的连接点的距离可以小于预先确定的距离。

在另一实施方式中，检查电位差的确定精度。如果如以下还要进一步阐述的那样，使用确定装置用于确定电位差，则可以由此检查确定装置的功能能力。通过以下方式检查电位差的确定精度，即在未中断的相线路的情况下确定至少一个正常运行电位差，并且确定正常运行电位差与正常运行基准值的偏差。如果所述偏差小于或等于预先确定的阈值，则探测到足够的精度。正常运行电位差与正常运行基准值的偏差尤其也可以通过以下方式来确定，即根据正常运行电位差确定电位差有关的参量并且根据正常运行基准值确定对应的基准参量，其中，确定电位差有关的参量与对应的基准参量的偏差。

正常运行基准值可以例如等于中间电路电压。正常运行电位差尤其相应于在正常运行条件下可预期的电位差，该电位差例如可以通过计算确定。电位差的确定精度例如可以根据电网络的当前运行参数来确定。在此，可以根据当前运行参数——例如根据变流器的开关元件的开关状态确定正常运行电位差。

在此从以下出发：如果在未中断的相线路的情况下实现正确的确定，则在中断的相线路的情况下电位差的确定精度是给定的。

替代地或累积地，可以检查电位差的确定精度，其方式是，探测永磁电机的静止状态，其中，在中断的相线路的情况下检测至少一个静止状态电位差，其中，确定静止状态电位差与静止状态基准值的偏差，其中，如果所述偏差小于或等于预先确定的阈值，则探测到足够的精度。尤其也可以确定静止状态电位差与静止状态基准值的偏差，其方式是，根据静止状态电位差确定电位差有关的参量并且根据静止状态基准值确定对应的基准参量，其中，确定电位差有关的参量与对应的基准参量的偏差。

通常可能的是，代表电位差或电位差有关的参量的或者对其编码的输出信号与电位差的水平或电位差有关的参量成反正比。这表示：如果确定低的电位差，则产生高信号电平或高输出信号。在永磁电机的静止状态中，可预期的电位差根据预期具有低值，理论上零值。因此可以预期高的输出信号。然而，基于在确定装置中的故障，可以在静止状态中产生比预期的输出信号更低的输出信号。因此，可以有利地探测到确定装置的故障，例如电子器件故障。

在另一实施方式中，将所述转速配属给多个转速区间中的一个转速区间，其中，给一个转速区间配属一个区间有关的基准参量，其中，将所述转速有关的基准参量确定为所述区间有关的基准参量。

由此有利地产生在计算上待简单实施的方法。

在另一实施方式中，将所述电位差配属给多个电位差区间中的一个电位差区间，其中，给一个电位差区间配属一个区间有关的电位差值。区间有关的电位差值可以是例如电位差区间的最小值或最大值。此外，根据区间有关的电位差值确定电位差有关的参量。由此也有利地简化所述方法的通过计算的实施。然而上述故障类型中之一尤其可以分配给一个或更多电位差区间。因此有利地产生故障类型的简化分类。

在另一实施方式中，对于每个相线路确定相线路的电机侧部分与参考电位之间的电位差以及电位差有关的参量。此外，形成组合的输出信号，其中，组合的输出信号包括第一位序列，所述第一位序列对由最小电位差形成的电位差有关的参量进行编码。所述位序列可以包括预先确定的数量的位，例如3位。此外，组合的输出信号包括另一位序列，所述另一位序列对所有电位差的等同性(Gleichheit)进行编码。所述另一位序列可以尤其由正好一位组成，其中，该位的两个状态之一——例如状态“1”或状态“0”对所有电位差的等同性进行编码。

由此有利地产生输出信号的简化编码，其一方面简化网络故障的探测另一方面简化了三相或两相网络故障的探测。

在另一实施方式中，电位差有关的参量是在预先确定的确定持续时间期间电位差的最大幅度或RMS值。确定持续时间可以例如位于10毫秒至100毫秒的区间中。优选地，确定持续时间为100毫秒。

电位差有关的参量可以在此提供为数字信号。也可以产生与电位差的水平成反比的电位差有关的参量。

此外，转速有关的参量可以附加地根据永磁电机的温度来确定。替代地或累积地，可以根据永磁电机的寿命确定转速有关的基准参量。在此可以从以下出发，即由永磁电机根据转速产生的空转电压附加地与永磁电机的运行温度有关和/或与永磁电机的寿命有关。因此可以进一步在其精度和可靠性方面改善所提出的方法。

此外，还提出一种用于监视轨道车辆中的电网络的设备。电网络可以在此如上所述构造。

所述设备包括至少一个分析处理装置、至少一个确定装置和至少一个中断装置。借助于中断装置第一相线路是可中断的。第一相线路的电机侧部分与参考电位之间的电位差借助于确定装置可确定。

此外，还可确定电位差有关的参量。电位差有关的参量可以在此例如通过确定装置确定。因此，电位差有关的参量可以例如以输出信号、尤其数字输出信号的形式提供给确定装置。然而替代地，电位差有关的参量也可以通过分析处理装置确定。

分析处理装置和至少一个确定装置在此通过数据技术和/或信号技术连接。分析处理装置和确定装置也可以构造为共同的装置。

此外，可确定永磁电机的转速并且根据转速可确定转速有关的基准参量。在此，所述设备可以包括转速确定装置。

转速有关的基准参量的确定在此同样可以借助于确定装置或借助于分析处理装置实施。

此外，借助于分析处理装置可确定电位差有关的参量与转速有关的基准参量的偏差。此外，如果所述偏差大于预先确定的阈值，则可探测到网络故障。

所述设备在此有利地能够实现上述方法中之一的实施。因此，所述设备如此构造，使得根据上述实施方式的方法可借助于所述设备实施。

在一种优选的实施方式中，接近电动机地确定电位差。这可以表示：用于确定电位差的确定点与相线路到永磁电机的连接点区间开不超过预先确定的距离地布置，其中，沿着相线路测量所述距离。

由此有利地产生基于在电压传感器与永磁电动机之间的电缆敷设中的故障引起的网络故障的错误探测的非常小的可能性。

此外，提出一种轨道车辆，其中，所述轨道车辆包括根据上述实施方式之一的设备。由此有利地产生一种轨道车辆，其运行安全性是提高的。

附图说明

根据一个实施例进一步阐述本发明。附图示出：

图1：轨道车辆的电网络的示意电路图；

图2：根据本发明的设备的示意方框图；以及

图3：转速区间和电压区间的示意图。

下面，相同附图标记表示具有相同或相似的技术特征的元素。

具体实施方式

在图1中示出轨道车辆(未示出)的电网络1。电网络1包括变流器C和永磁电机M，其中，示例性示出永磁电机M的电感L。此外，电网络1包括中间电路电容器C_k。变流器C在输入侧与中间电路电容器C_k连接。

变流器C在此是三相变流器。所述变流器包括六个电开关S_C，空载二极管D分别并列电连接到所述六个电开关。为清楚起见，仅仅一个电开关S_C和变流器C的二极管D设有附图标记。

此外，电网络1包括三个相线路P1、P2、P3。此外，示出相电流I_P1、I_P2和I_P3，它们可视化通过相应相线路P1、P2、P3的通过电流。

此外，电网络1还包括第一电流传感器CS1和另一电流传感器CS3，其中，第一电流传感器CS1检测第一相电流I_P1，而另一电流传感器CS3检测第三相电流I_P3。

借助于相线路P1、P2、P3，变流器C在输出端与永磁电机M连接。因此，永磁电机M是三相电机。

在第一相线路P1中设有第一电开关元件S1_P1和第二电开关元件S2_P1。通过断开和闭合这两个开关元件S1_P1、S2_P1，可以建立或中断通过第一相线路P1的在变流器C与永磁电机M之间的电连接。在开关元件S1_P1、S2_P1的闭合状态中在此建立电连接。如果两个开关元件S1_P1、S2_P1中的至少一个断开，则电连接中断。在此，第一电开关元件S1_P1可以表示所谓的电动机开关。第二电开关元件S2_P1可以表示另一电动机开关。

相应地，在另外的相线路P2、P3中同样分别设有第一电开关元件S1_P2、S1_P3和第二电开关元件S2_P2、S2_P3。

此外，还示出第一电压传感器VS1和第二电压传感器VS2。第一电压传感器VS1检测电压U12，也即在第一相线路P1与第二相线路P2之间的电位差。相应地，第二电压传感器VS2检测在第二相线路P2与第三相线路P3之间的电压U23。

为了监视电网络1，断开每个相线路P1、P2、P3的至少一个电开关元件、优选两个电开关元件S1_P1、…、S2_P3。随后检测电压U12、U23并且计算在第一相线路P1与第三相线路P3之间的电压U13。

此外，确定永磁电机M的转速d(参见图2)。

此外，对于电压U12、U23、U13中的每一个确定电压有关的参量，例如在100毫秒的预先确定的时间区间期间的最大绝对值，所述时间区间例如邻接确定开始时刻。

根据永磁电机M的转速d确定转速有关的基准参量。基准参量在此对应于电压有关的参量。例如，转速有关的基准参量可以是在100毫秒的预先确定的时间区间中永磁电机M的空转电压的最小绝对值。

如在图2中进一步阐述的那样，随后确定转速有关的基准参量与电压有关的参量之间的差，并且如果所述差大于预先确定的阈值、尤其大于零则探测到网络故障。

在图2中示出图1中的电网络1以及确定装置BE和分析处理装置AE。关于电网络1的构造，在此参照图1的实施方案。

确定装置BE——其例如可以构造为微控制器或微控制器的一部分——通过信号技术与电压传感器VS1、VS2连接。在第一相线路P1与第二相线路P2之间的电压U12以及在第二相线路P2与第三相线路P3之间的电压U23形成用于确定装置BE的输入信号。所述输入信号由滤波单元F滤波。此外，还示出，在滤波之后实现用于确定第一相线路P1与第三相线路P3之间的电压U13的求差。在单元E中，为了确定电压有关的参量，确定在100毫秒的区间中电压U12、U23、U13幅度的最大量值。在AD转换器AD中实现所述电压有关的参量的数字化。在此，与电压有关的参量的水平成反比地实现数字化。电压有关的参量的值零尤其以最高的数字值编码。可以在使用格雷码的情况下实现数字化。

这些代表电压有关的参量的数字值形成确定装置BE的输出信号和分析处理装置AE的输入信号，所述分析处理装置通过数据技术与确定装置BE连接。分析处理装置AE的另一输入信号是永磁电机M的转速d。通过在图2中示例性地在分析处理方框AB中示出的预知的关系，分析处理装置AE确定转速有关的基准参量Vref(参见图3)。

此外确定，是否转速有关的基准参量Vref比所传送的电压有关的参量中的每一个大超过预先确定的程度。如果转速有关的基准参量Vref比所传送的电压有关的参量中的至少一个大，则产生故障信号FS。在图2中还示出，通过另一分析处理方框AB2检测：是否永磁电机M不与变流器C连接，例如是否所有开关S1_P1、…、S2_P3断开。也可以检查，是否不存在未示出的牵引控制装置的反馈信号，所述反馈信号也可以称为“life Signal:生命信号”。如果这样的反馈信号不存在，则例如可以探测到开关S1_P1、…、S2_P3断开。

如果满足条件中的至少一个，则由分析处理装置AE输出最终的故障信号rFS。根据所述最终的故障信号rFS然后可以采取相应的保护措施。

此外，还示出基准信号生成装置RE，其是分析处理装置AE的一部分。所述基准信号生成装置传送基准信号，例如跳跃信号给数字转换器AD。这可以例如在分析处理装置AE和确定装置BE的调试中实现。由此可以检查数字转换器AD的功能能力。

也可以为了检查功能能力而检查：是否确定装置的数字化输出信号的位模型改变了最大1位，尤其当使用所谓的格雷码用于数字化时。

未示出，通过确定装置BE和分析处理装置AE也可以监视另一电网络，所述另一电网络例如同样包括变流器C、相线路P1、P2、P3以及永磁电机M。因此，确定装置BE和分析处理装置AE可以用于监视多个电网络，所述多个电网络分别包括用于驱动轨道车辆的永磁电机M。也可以考虑，监视转向架(Drehgestell)的多个永磁电机。

在图3中示意地示出转速d与转速有关的基准参量Vref之间的关系。转速有关的基准参量Vref尤其可以是电压。在确定的转速d下感生的电压与电动机转速近似地线性相关。

然而，老化影响和温度、尤其磁体温度也可以影响感生电压。因此，例如可以将转速有关的基准参量Vref限定为最小的转速有关的电压，其在正常运行中最大出现的磁体温度时感生。替代地或累积地，也可以根据永磁电机的寿命确定转速有关的基准参量Vref，其中，转速有关的基准参量随提高的寿命而减小。然而，所述关系可以是预知的。由此有利地得出，可以提高方法的可靠性和稳健性。

此外示出，基于数字化可以将转速d配属给多个转速区间中的一个转速区间，其中，限制预先确定的转速d0、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7的转速区间。每个转速区间配属有一个区间有关的基准参量VL1、VL2、VL3、VL4、VL5、VL6、VL7。例如，第一转速区间配属有区间有关的第一基准参量VL1，所述第一转速区间位于第一转速d0与第二转速d1之间。因此，如果转速位于所述第一转速区间中，则将转速有关的基准参量Vref确定为所述区间有关的基准参量VL1。