用于轨道交通工具轮轴的制动操作方法和用于轨道交通工具的制动系统的制作方法
【专利说明】
[0001]发明
技术领域
[0002]本发明涉及由架空线路或第三轨道供电的电驱动轨道交通工具。本发明特别但不排除涉及电气多单元(EMU)轨道交通工具，该轨道交通工具包括多个车厢并通过分布在交通工具长度上面的电机(优选地，永久励磁同步机)驱动。更为特别地，本发明涉及在紧急制动情况下广泛使用电动制动以及完全避免或几乎完全避免使用摩擦制动器的制动方法和系统。
【背景技术】
[0003]传统上，轨道交通工具提供有几种不同的制动装置，诸如机械或电动制动器。机械制动器一般是气动操作并且通过摩擦力将轨道交通工具的动能转换为热量。电动制动器将交通工具的动能转换为电能，该电能在变阻器(变阻器制动)中消散为热量或回馈到电力线路，例如架空接触网或第三轨道(再生制动)。通常，电动制动器由电驱动轨道交通工具的电机提供，该电机作为交流发电机或发电机来工作。根据所使用的牵引电机(例如直流电机、永磁交流电机或感应电机)的种类，电机必须被控制以在制动期间将能量从转子转移到定子。
[0004]机械和电动制动器共同或分别应用于不同的制动功能(尤其是用于行车制动和用于紧急制动)。
[0005]对于行车制动，机械制动器和电动制动器通常是混合的。更确切地说，电动制动器提供高达其全部容量的所需制动转矩，并在必要时辅以机械制动器，以便将磨损减到最小并优化能量再生。
[0006]另一方面，电动制动器通常被认为应用于紧急制动情况是不足够可靠的。因此，紧急制动情况下的整个制动转矩仍然通过机械制动器来提供。为提供紧急制动的足够性能，机械制动器系统的安装需要若干致动器，该致动器不是永久用于行车制动。因此，所安装的机械制动装置不经常使用。安装庞大气动设备造成重量、空间增加并且因此成本增加。
[0007]用于交通工具的电牵引的安全制动系统在美国专利申请US2009/0224706中公开。安全制动系统包括第一电气非安全制动器，该制动器被集成到牵引链中并包括能够作为电压发电机操作的三相永磁电机、能够被配置为二极管桥式整流器的牵引逆变器、用于将永磁电机连接到逆变器的机电开关和包括斩波制动电阻器、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。根据一个实施例，安全制动器包括牵引逆变器的二极管桥式整流器、端子负载电阻器、与端子负载电阻器串联连接并在输入端进行控制的辅助机电继电器，该继电器和电阻器并联插在斩波器与逆变器之间。电流监测装置被串联安装在逆变器的直流侧上用于监测第一制动器的制动性能。在检测预定条件时，电流监测装置触发机电继电器以接通包括负载电阻器的电路的支路。为避免监测，线路断路器也被触发以断开电力线路。
[0008]这个系统是复杂的，因为它包括电非安全制动器和电安全制动器两者。
[0009]因此，需要一种更简单和更集成的电动制动系统和方法，该系统和方法广泛使用电动制动器(甚至在最苛刻的紧急情况下)以避免安装全额定机械系统。
[0010]发明概述
[0011]现有技术的前述缺点通过本发明来解决。
[0012]根据本发明的第一方面，提供了一种用于轨道交通工具的轮轴的制动操作的方法，该轮轴设有电动制动器系统和非全额定机械制动系统，该方法至少包括行车制动模式、高整体性紧急制动模式和驻车制动模式，行车制动模式通过电动制动系统单独执行，以及驻车制动模式通过机械制动系统执行，其中，只要不满足电动制动系统的低效率条件，则通过电动制动系统单独执行高整体性紧急制动模式，以及当满足电动制动系统的低效率条件时，至少部分通过机械制动系统来执行高整体性紧急制动模式。
[0013]根据本发明的另一方面，提供了一种用于轨道交通工具的轮轴(尤其是驱动轮轴)的制动操作的方法，该方法至少包括行车制动模式、高整体性紧急制动模式和驻车制动模式，其中，行车制动模式单独通过电动制动系统从交通工具的巡航速度下降到静止来执行，驻车制动模式通过不是全额定机械制动系统的机械制动系统来执行，以及在低效率条件未满足时，高整体性紧急制动模式通过电动制动系统来单独执行，以及当低效率条件满足时，高整体性紧急制动模式至少部分通过机械制动系统来执行。
[0014]交通工具的巡航速度是交通工具或轮轴经设计在各车站之间长时间段运行的速度。巡航速度在任何情况下高于100km/h，并且在高速交通工具的情况下高于250km/h。驻车和保持制动系统基本上是机械制动器系统而不是全额定制动系统，即，它不是热额定以制动轮轴使其从巡航速度下降到静止的系统。这意味着该制动系统比全额定制动系统是基本上不太复杂和笨重的(全额定制动系统的定义是必须能够制动轮轴使其从巡航速度下降到静止)。机械制动系统只能在交通工具速度已低于预定阈值时制动交通工具，这可能取决于轮轴所支持的重量。当无源运行静态转换器和电动制动系统的效率变得不足时，该方法利用这种有效的机械制动系统以补充或代替在高整体性紧急制动模式中的非常低速度时的电动制动系统。
[0015]当电动制动系统变得不能在非常低的速度转换动能时，则满足电动制动系统的低效率条件。这可以是当与电动制动系统相关联的直流链路中的电流幅值下降到低于预定义阈值的情况。另选地，当轨道交通工具或轮轴的速度下降到低于预定义阈值(例如，5或2km/h)时，满足低效率条件。可以同时使用低电流和低速度条件。低效率条件应当被选择到以便对应于低于上面提到的机械制动系统的预定阈值的交通工具速度的程度。
[0016]在行车制动模式中，在轮轴或轨道交通工具从巡航速度减速下降到静止时，电动制动系统保持轮轴和轨道交通工具静止持续预定时间段(例如10秒或I分钟)，在此时间后，机械制动系统接管并且电动制动系统缓降或逐渐减弱。这有助于避免使电动制动系统的电动制动转换器的开关元件超负荷。因此，在行车制动模式中，后面跟随机械制动系统的电动制动系统用于产生保持制动功能(即保持列车在短时间段静止的功能)。
[0017]为阻止当轨道交通工具开始移动时的反向移动，机械制动系统仅在建立拖动转矩后被释放。
[0018]在紧急制动模式中，在减速下降到阈值后，机械制动系统渐进接管。在高整体性紧急制动模式中，机械制动系统和电动制动系统的混合或只有机械制动系统用于保持制动功會K。
[0019]在高整体性紧急制动模式中，位于牵引电机与电动制动系统的直流链路之间的静态转换器作为无源整流器运行，反之，在行车制动模式中，静态转换器作为有源整流器运行。因此，在高整体性紧急制动模式中，负责控制静态转换器的功率半导体开关的控制单元的潜在故障的风险得以避免。
[0020]高整体性紧急制动模式优选是第二级紧急制动模式，并且，程序优选也包括第一级紧急制动模式。
[0021]在第一级紧急制动模式中，交通工具优选单独通过电动制动系统从交通工具的巡航速度减速下降到静止。在这方面，第一级紧急制动模式非常类似于行车制动模式(除了在从巡航速度下降到静止的任何给定时间制动功率的设定值是最大值以外)，使得由电动制动系统在每个瞬间应用于最大有效减速。在行车制动模式和第一级紧急制动模式两者中，与轮轴相关联的电动制动系统的静态转换器被主动控制。特别地，如果静态转换器设有功率半导体开关和续流二极管，则功率半导体开关被触发以优化从与轮轴相关联的电动制动器到直流链路和从直流链路到用于再生制动的电力线路和/或到用于耗散制动的制动斩波器的功率传递。行车制动模式和第一级紧急制动模式优选是冲击受限的，这通过电动制动系统的恰当控制来实现，因为未涉及机械摩擦制动。
[0022]第二高整体性紧急制动模式是更高整体性但低效率(尤其是在非常低速度时)的制动模式，并且当电动制动器的制动功率在非常低速度(例如，低于5或2km/h)变得不足时，机械制动系统用于补充或替代电动制动器。特别地，在静态转换器设有如上所述的功率半