专利名称：用于制动由感应电动机驱动的有轨车辆的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及由感应电动机驱动并由架空线路或输电轨(third rail)供电的有轨车辆。本发明特别但不唯一地涉及包括多节车辆且由分布于该车辆长度上的感应电动机驱动的多单元轨道车辆。本发明更具体地涉及适于这种车辆的致动系统，尤其是紧急制动系统，并且还涉及相应的制动方法。
背景技术：
传统地，轨道车辆设有若干不同的制动装置，例如机械或电动制动器。机械制动器通常为气动的并将轨道车辆的动能通过摩擦转换为热。电动制动器将车辆的动能转换为电能，该电能可作为热消散于变阻器(电阻制动)或反馈回功率线，例如高架悬链线或输电轨(再生制动)。通常，电动制动器具有电力驱动的轨道车辆的电动机，该电动机用于交流电动机模式。根据所使用的牵引电动机的类型，诸如直流电动机、永磁体交流电动机或感应电动机，电机必须受到控制，以便在制动期间将能量从转子转移至定子。机械和电动制动器适于共同地或单独地用于不同的制动功能，主要用于服务制动和用于紧急制动。对于服务制动而言，机械制动器和电动制动器通常被组合。更具体地，电动制动器供给所需的制动扭矩直至全容量，并且由机械制动器进行补充(如果有必要的话)，以便最小化磨损和优化能量再生。另一方面，电动制动器被认为在紧急制动情况下不够可靠。因此，紧急制动情况下的全部制动扭矩仍由机械制动器提供。为了提供用于紧急制动的充足性能，安装机械制动系统需要若干致动器，但这些致动器不能长久地用于服务制动。这导致所安装的机械制动装置过大却不经常使用的情况。结果是，安装了大量的气动设备导致重量增加、空间增多并且成本增加。在US 20090224706中公开了一种用于电力牵引的车辆的安全制动系统。该安全制动系统包括第一电的、非安全制动器，该第一非安全制动器被并入牵引链中，并且包括能够操作为电压发生器的三相永磁式电动机、能够配置为二极管桥式整流器的牵引逆变器、用于将永磁式电动机连接到逆变器的机电换向器、以及包括斩波器制动电阻、线路滤波器和线路断路器的直流链路。该系统还包括第二安全制动器。根据一个实施方式，安全制动器包括牵引逆变器的二极管桥式整流器、终端负载电阻器、与终端负载电阻器串联连接且在输入处受控的辅助机电继电器，该继电器和电阻器并联插入于斩波器与逆变器之间。在逆变器的直流侧串联安装有电流监控设备，用于监控第一制动器的制动性能。在检测到预定情况后，电流监控设备触发机电继电器以在包括负载电阻器的电路的分支上进行切换。为了避免电动机驱动，还触发线路断路器以开启电源线路。该系统因为包含电的非安全制动器和电的安全制动器而变得复杂。此外，该设计不能容易地适用于感应电动机。因此，需要一种电动制动系统和方法，其具有用于由一个或多个感应电动机驱动的有轨车辆的再生制动的全部优点，g卩，对电源线路的制动能力。
发明内容
鉴于上面提及的问题，本发明的目的是提出一种电动制动系统，该电动制动系统在紧急制动操作期间不会不加选择地关断再生制动器。根据本发明的第一方面，提出了一种用于有轨车辆的电动制动系统，其包括:-集电器，用于将所述电动制动系统连接到所述电源线路；-直流链路，设置有制动斩波器单元，所述直流链路由所述电源线路通过所述集电器供电；-静态转换器，具有AC端子和与所述直流链路连接的DC端子，所述静态转换器能够以整流器模式操作以便将来自所述DC端子的电力传送至所述AC端子，并且能够以逆变器模式操作以便将来自所述AC端子的电力传送至所述DC端子，其中当所述静态转换器以所述逆变器模式操作时，电流从所述直流链路沿着逆变器方向流向所述DC端子；-至少一个感应电机，其能够以电动机模式和生成模式操作，所述感应电机可机械链接到轮轴和电连接到所述静态转换器的所述AC端子；-静态转换器控制单元，用于控制所述静态转换器，以便响应于紧急制动信号，所述静态转换器以所述整流器模式操作并且所述感应电机以所述生成模式操作从而将电力供给回所述直流链路，以及电动制动监管单元，用于关断所述静态转换器，以便在紧急制动过程中检测到电动状态后减少所述静态转换器的所述AC端子之间流动的电流并且使所述感应电机退磁。在极少出现电动状态的情况之外，在紧急制动过程中实施电动制动，所述电动制动可包括对电源线路的再生制动和经由制动斩波器电阻的电阻制动。在紧急制动过程中因静态转换器的故障可能会经受电动驱动。每当在紧急制动操作中检测到电动驱动时，就将感应电机与直流链路隔离。优选地，还在车辆上安装传统的摩擦制动器。这些摩擦制动器的尺寸设计成在紧急情况下提供最大的制动扭矩的摩擦，优选约为制动力(即，与电动制动器相同的最大制动扭矩)的一半。在静态转换器控制单元故障的例外情况下，制动功能仅由摩擦制动器接管。根据一个实施方式，一个以上的感应电机可机械连接到一个轮轴并电连接到静态转换器的AC端子。根据优选的实施方式，电动制动监管单元所检测到的电动状态为这样一种状态，即，静态转换器的DC端子与直流链路之间的电流在预定时间内在逆变器方向上流动，或者在所述预定时间内在与逆变器方向相反的方向上以低于预定阈值的强度流动。因此，电动制动系统可包括在直流链路与静态转换器的DC端子之一之间的电线上的直流电流传感器。所述预定时间限定了静态转换器被关断之前的延迟。该延迟是考虑到系统中的瞬变而构建的。内置的延迟被证明是有用的另一情况为紧急制动期间轮组与轨道之间的夹紧损失。在这种情况下，电动制动功率会突然减至零，而且系统的其它部件诸如回流单元或再充电电路可能导致在不期望的方向上的瞬变电流，如果在系统的逻辑中没有构建延迟，那么这会不必要地触发静态转换器的关断。
优选地，在紧急制动信号已被激活后经过初始的时间段前无电动状态被检测到。驱动和制动系统的操作情况在紧急制动命令前是未知的并且在紧急制动操作开始时会导致瞬变。例如，静态转换器可在紧急制动被激活时提供全部的牵引功率。在这种情况下，即使在静态转换器已被切换为整流器模式后电流仍可流入静态转换器中。可在500ms或更少的预定时间段内确保系统在考虑静态转换器跳闸前进入稳定的紧急制动模式。预定阈值可以为零，在这种情况下电流检测器仅检测到从直流链路流到静态转换器的端子之一的电流的方向改变。为了具有再生制动和电阻制动的全部优点，在紧急制动期间直流链路被连接到集电器，使得响应于紧急制动信号以整流器模式操作的静态转换器将电力供给回直流链路(及其制动斩波器单元)和通过直流链路和集电器供给回电源线路，直至停止。电源线路可以为直流线路或通过四象限线变流器连接到直流链路的交流线路。该系统还可包括线路断路器，以将直流链路与电源线路隔离。为了阻止在电源线路断开连接后直流链路中的直流电压下降和在感应电机的转子绕组中的磁通量的连续损失，直流链路可包括与静态转换器的DC端子并联连接的电容器和由用于对电容器充电的电池供电的再充电单元。根据优选的实施方式，制动斩波器单元包括与斩波器串联的电阻。根据优选的实施方式，静态转换器控制单元控制静态转换器以使得在紧急制动过程中电动制动力具有预定的恒定值。电动制动系统还可包括用于测量在被驱动的轮轴上的重量负荷的重量传感器，所述静态转换器控制单元连接到所述重量传感器以使得所述电动制动力的预定的恒定值为被驱动的轮轴上的重量负荷的函数。根据一个实施方式，电动制动监管单元控制重启单元,所述重启单元用于在静态转换器已被关断后使处于整流器模式的静态转换器重启。该重启单元监控电流流动并在其检测到直流链路电压变得过低或直流链路与静态转换器之间的电流变为零时开启计数器。在预定时间后，重启单元对直流链路再充电并且静态转换器恢复电动制动。每当在制动操作期间检测到电动驱动时，就将感应电机与直流链路隔离较短的时间段，该较短的时间段实际上不会超过几秒，在该时间段后重启策略允许恢复电动制动。根据本发明的另一方面，提出了一种使有轨车辆电动制动的方法，包括:-使与轨道车辆的轮轴机械连接的感应电机以生成模式操作；-使连接于直流链路与所述感应电机之间的静态转换器以整流器模式操作；-监控所述感应电机的电动状态；-在检测到所述电动状态后，将所述静态转换器关断。所述电动状态优选为以下状态，即，在预定时间内直流电流沿着逆变器方向从直流链路流进所述静态转换器的DC端子，或者在所述预定时间内所述直流电流沿着与所述逆变器方向相反的方向以低于预定阈值的强度流动，其中，所述逆变器方向是当所述静态转换器以变流器模式操作时电流在所述直流链路与所述静态转换器之间流动的方向。
现在将仅通过实施例的方式而不限制于权利要求的范围并参照附图来描述本发明的示例性实施方式，在附图中:
-图1是根据本发明的第一实施方式由直流电源线路供电的电动制动系统的示意图；-图2是由图1的电动制动系统实施的紧急制动方法的流程图；以及-图3是根据本发明的第二实施方式由交流电源线路供电的电动制动系统的示意图。在每副图中,相应的参考标号指示相同或相应的部分。
具体实施例方式参照图1，用于有轨车辆，更具体而言，用于由直流悬链线路10或输电轨供电的轨道车辆的组合式电驱动和制动系统包括集电器11、线路断路器12以及分离接触器14，分离接触器14与充电接触器和电阻单元16并联连接。电驱动和制动系统还包括直流链路18，直流链路18与静态转换器20的DC端子19连接，用于将直流链路的直流电流转换成三相交流电流。静态转换器20具有AC端子21 ,AC端子21连接至感应电机22，感应电机22机械链接至有轨车辆的轮轴23。轮轴23还设有传统的摩擦制动器(未示出)。轮轴23的钢轮24使电路闭合并允许电流经由与地连接的轨道25流回供给站。直流链路18包括回流单元26、制动斩波器单元28以及直流链路电容器34，回流单元26与静态转换器20并联连接，制动斩波器单元28包括制动斩波器30和与静态转换器并联连接的制动斩波器电阻32，直流链路电容器34与制动斩波器单元28和静态转换器20的DC端子19均并联连接。静态转换器20受静态转换器控制单元36的控制，并且可以交替地以逆变器模式操作以便为感应电机22供电和以整流器模式操作以便将来自感应电机22的能量供给回直流链路18来操作。静态转换器控制单元36接收来自紧急制动命令38的输入，例如二进制输入，紧急制动命令38与紧急制动环、制动管或紧急按钮连接。静态转换器控制单元36还接收来自电动制动监管单元42的停机信号，电动制动监管单元42包括直流电流传感器44,用于监控从直流链路流向静态转换器20的端子之一的电流。当静态转换器20以逆变器模式操作并且感应电机22作为感应电动机运行以推进车辆时，电流在直流链路18与静态转换器20的DC端子19之间沿给定的方向46流动并且将被任意地认为是正电流，给定的方向46被指定为逆变器方向。当静态转换器20以整流器模式操作并且感应电机22作为交流发电机运行以进行电动制动时，电流通常会在直流链路18与静态转换器20的DC端子19之间沿着与逆变器方向46相反的方向流动并且具有负值。下面将参照图2的流程图描述系统在紧急制动模式下的操作。当从紧急制动命令38接收到紧急制动信号时(图2中的步骤50)，静态转换器控制单元36检测紧急制动信号(步骤52)并且使静态转换器20以整流器模式操作，以便使感应电机22作为交流发电机运行，从而将电力通过静态转换器20传送至直流链路18(步骤54)。静态转换器控制单元36控制静态转换器20的直流电压达到并保持在内部电动制动力设定点。实际上，该设定点是重量的函数，即重量传感器48所测量的在轮轴23上的垂直负载的函数。该设定点优选在从开始速度降至低速阈值，例如5km/h，或降至停止的紧急制动操作过程中是恒定的。该设定点优选由最大运行速度处可获得的电动制动力来确定，然后对紧急制动过程中的所有速度保持该设定点。静态转换器20的DC端子19处的电动势使得电流在与逆变器方向46相反的方向上经过静态转换器端子19流回直流电源线路10，以引起再生制动。可以关断制动斩波器30以使得没有电力消散于制动斩波器电阻32，或者可以激活制动斩波器30以确保部分电能消散于制动斩波器电阻32。电动制动监控单元42检测来自紧急制动命令38的紧急制动信号(步骤56)。在第一预定时间段T1后(步骤58)，电动制动监控单元42开始监控从直流链路18朝向静态转换器20的电流流动(步骤60)。只要电流在与逆变器方向相反的方向上流动并且小于预定的负阈值I。，就允许电动制动。如果在与逆变器方向相反的方向上的电流变得高于预定阈值Itl或者如果电流改变流动方向(步骤62)成为正，那么监管单元倒计时，直至经过第二预定时间段T2 (步骤64)。如果在第二时间段T2结束时电流仍在逆变器方向上流动，或者在与逆变器方向相反的方向上仍低于预定阈值I。(步骤66)，那么监管单元42向静态转换器控制单元发送信号以切断静态转换器点火脉冲(步骤68)。对来自监管单元42的输入进行连续监控(步骤70)的静态转换器控制单元36检测来自电动制动监控单元42的信号(步骤72)，并将触发静态转换器20的IGBT的点火脉冲关断(步骤74)以隔绝感应电机和避免监控。此处的第一预定时间段T1是为了确保紧急制动操作稳定，以及确保当静态转换器从逆变器模式切换至整流器模式时出现于紧急制动操作的早期阶段的可能的瞬变电流已逐渐消失。系统中构建第二预定时间段T2是为了避免在紧急制动过程中轨道经受轮夹紧的暂时性损失的情况下将电动制动关断。T2应小于1\。应该理解，本发明并非意在局限于以上仅通过实施例的方式描述的实施方式的细节。具体地，一检测到低于预定阈值或者在逆变器方向上的电流，就可以立即关断静态转换器20。在这种情况下，可以省略该方法中与第二时间段T2的倒计时有关的步骤64、66。在与逆变器方向相反的方向上的电流强度阈值Itl可以等于零，在这种情况下，与电流有关的情况仅为电流在逆变器方向上流动。在图3中示出了本发明的第二实施方式。该实施方式与第一实施方式的不同之处在于:组合式驱动和制动系统通过主变压器102和AC-DC线路变流器104由AC悬链线路100或输电轨供电。线路断路器12位于主变压器102的原边处。分离接触器14、充电接触器和电阻16优选位于主变压器102的次级绕组与AC-DC线路变流器104之间。直流链路18、静态转换器20以及机械连接至有轨车辆的轮轴23的感应电机22保持不变。
权利要求
1.动制动系统，用于由电源线路(10、100)供电的有轨车辆，所述电动制动系统包括: -集电器(11)，用于将所述电动制动系统连接到所述电源线路(10、100)； -直流链路(18)，设置有制动斩波器单元(28)，所述直流链路(18)由所述电源线路(10、100)通过所述集电器(11)供电； -静态转换器(20 )，具有AC端子(21)和与所述直流链路(18 )连接的DC端子(19 )，所述静态转换器能够以整流器模式操作以便将来自所述DC端子(19 )的电力传送至所述AC端子(21 )，并且能够以逆变器模式操作以便将来自所述AC端子(21)的电力传送至所述DC端子(19)，其中当所述静态转换器(18)以所述逆变器模式操作时，电流从所述直流链路(18)沿着逆变器方向流向所述DC端子(19); -至少一个感应电机(22)，其能够以电动机模式和生成模式操作，所述感应电机可机械链接到轮轴(23)和电连接到所述静态转换器(20)的所述AC端子； -静态转换器控制单元(36)，用于控制所述静态转换器(20)，以便响应于紧急制动信号，所述静态转换器(20)以所述整流器模式操作并且所述感应电机(22)以所述生成模式操作从而将电力供给回所述直流链路(18)， 其特征在于，所述电动制动系统还包括电动制动监管单元(36),用于关断所述静态转换器(20)，以便在紧急制动过程中检测到电动状态后减少所述静态转换器的所述AC端子之间流动的电流并且 使所述感应电机(22)退磁。
2.按权利要求1所述的电动制动系统，其特征在于，所述电动状态为这样一种状态，即，在预定时间(T1)内直流电流从所述直流链路(18)沿着所述逆变器方向(46)流向所述静态转换器(20)的所述DC端子(19)，或者在所述预定时间内所述直流电流沿着与所述逆变器方向(46)相反的方向以低于预定阈值的强度流动。
3.按权利要求2所述的电动制动系统，其特征在于，在所述紧急制动信号已被激活之后，经过初始的时间段(T1)之前没有检测到电动状态。
4.按权利要求2或权利要求3所述的电动制动系统，其特征在于，所述预定阈值(Itl)为零。
5.按权利要求1至4中任一项所述的电动制动系统，其特征在于，在紧急制动期间所述直流链路(18)连接到所述集电器(11)，使得响应于所述紧急制动信号(38)以所述整流器模式操作的所述静态转换器(20 )将电力通过所述直流链路(18 )和所述集电器(11)供给回所述电源线路(10、100)，直至停止。
6.按权利要求1至5中任一项所述的电动制动系统，其特征在于，所述电源线路为直流线路(10)。
7.按权利要求1至5中任一项所述的电动制动系统，其特征在于，所述电源线路为通过四象限线变流器(104)连接到所述直流链路(18)的交流线路(100)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电动制动系统，其特征在于，所述直流链路(18)包括与所述静态转换器(20)的所述DC端子(19)并联连接的电容器(10)和由用于给所述电容器(10)充电的电池供电的再充电单元(6)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的电动制动系统，其特征在于，所述制动斩波器单元(28)包括与斩波器(30)串联的电阻(32)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的电动制动系统，其特征在于，所述静态转换器控制单元(36)控制所述静态转换器(20)，以使得在紧急制动过程中电动制动力具有预定的恒定值。
11.按权利要求10所述的电动制动系统，其特征在于，所述电动制动系统还包括用于测量被驱动的轮轴(23)上的重量负荷的重量传感器(48)，所述静态转换器控制单元(36)连接到所述重量传感器(48)，以使得所述电动制动力的所述预定的恒定值为所述被驱动的轮轴上的重量负荷的函数。
12.根据前述权利要求中任一项所述的电动制动系统，其特征在于，所述电动制动监管单元(38 )控制重启单元，所述重启单元用于在所述静态转换器已被关断后重新启动处于所述整流器模式的所述静态转换器。
13.一种轮组，用于设 置有前述权利要求中任一项所述的电动制动系统的有轨车辆，其特征在于，所述轮组包括与感应电机(22 )和摩擦制动器连接的轮轴(23 )。
14.一种用于电动制动有轨车辆的方法,包括: -使与轨道车辆的轮轴(23)机械连接的感应电机(22)以生成模式操作； -使连接于直流链路(18 )与所述感应电机(22 )之间的静态转换器(20 )以整流器模式操作； -监控所述感应电机(22)的电动状态； -在检测到所述电动状态后，将所述静态转换器(20 )关断。
15.按权利要求14所述的方法，其特征在于，所述电动状态为这样一种状态，S卩，在预定时间内直流电流沿着逆变器方向从直流链路流进所述静态转换器(20)的所述DC端子(19)，或者在所述预定时间内所述直流电流沿着与所述逆变器方向相反的方向以低于预定阈值的强度流动，其中，所述逆变器方向是当所述静态转换器(20)以变流器模式操作时电流在所述直流链路(18)与所述静态转换器(20)之间流动的方向。
全文摘要
一种电动制动系统，用于由电源线路供电的有轨车辆，该电动制动系统包括集电器，用于将电动制动系统连接到电源线路；直流链路，该直流链路由电源线路通过集电器供电；静态转换器，可以以整流器模式和逆变器模式操作，静态转换器具有AC端子和与直流链路连接的DC端子；感应电机可作为感应电动机和在交流发电机模式下操作，该感应电机可机械连接到轮轴和电连接到静态转换器的AC端子；静态转换器控制单元，用于控制静态转换器；以及电动制动监管单元，用于关断静态转换器，以在紧急制动过程中检测到电动状态后将感应电机与直流链路隔离。
文档编号B60L7/00GK103085671SQ20121037229
公开日2013年5月8日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年10月5日
发明者科林·博雷斯, 安德斯·罗兴, 马丁·童格, 詹姆士·威尔逊, 詹姆士·巴伯, 斯特芬·波拉姆博尔 申请人:巴姆邦德尔运输有限公司