專利名稱：用于制動由感應電動機驅動的有軌車輛的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及由感應電動機驅動并由架空線路或輸電軌(third rail)供電的有軌車輛。本發明特別但不唯一地涉及包括多節車輛且由分布于該車輛長度上的感應電動機驅動的多單元軌道車輛。本發明更具體地涉及適于這種車輛的致動系統，尤其是緊急制動系統，并且還涉及相應的制動方法。
背景技術：
傳統地，軌道車輛設有若干不同的制動裝置，例如機械或電動制動器。機械制動器通常為氣動的并將軌道車輛的動能通過摩擦轉換為熱。電動制動器將車輛的動能轉換為電能，該電能可作為熱消散于變阻器(電阻制動)或反饋回功率線，例如高架懸鏈線或輸電軌(再生制動)。通常，電動制動器具有電力驅動的軌道車輛的電動機，該電動機用于交流電動機模式。根據所使用的牽引電動機的類型，諸如直流電動機、永磁體交流電動機或感應電動機，電機必須受到控制，以便在制動期間將能量從轉子轉移至定子。機械和電動制動器適于共同地或單獨地用于不同的制動功能，主要用于服務制動和用于緊急制動。對于服務制動而言，機械制動器和電動制動器通常被組合。更具體地，電動制動器供給所需的制動扭矩直至全容量，并且由機械制動器進行補充(如果有必要的話)，以便最小化磨損和優化能量再生。另一方面，電動制動器被認為在緊急制動情況下不夠可靠。因此，緊急制動情況下的全部制動扭矩仍由機械制動器提供。為了提供用于緊急制動的充足性能，安裝機械制動系統需要若干致動器，但這些致動器不能長久地用于服務制動。這導致所安裝的機械制動裝置過大卻不經常使用的情況。結果是，安裝了大量的氣動設備導致重量增加、空間增多并且成本增加。在US 20090224706中公開了一種用于電力牽引的車輛的安全制動系統。該安全制動系統包括第一電的、非安全制動器，該第一非安全制動器被并入牽引鏈中，并且包括能夠操作為電壓發生器的三相永磁式電動機、能夠配置為二極管橋式整流器的牽引逆變器、用于將永磁式電動機連接到逆變器的機電換向器、以及包括斬波器制動電阻、線路濾波器和線路斷路器的直流鏈路。該系統還包括第二安全制動器。根據一個實施方式，安全制動器包括牽引逆變器的二極管橋式整流器、終端負載電阻器、與終端負載電阻器串聯連接且在輸入處受控的輔助機電繼電器，該繼電器和電阻器并聯插入于斬波器與逆變器之間。在逆變器的直流側串聯安裝有電流監控設備，用于監控第一制動器的制動性能。在檢測到預定情況后，電流監控設備觸發機電繼電器以在包括負載電阻器的電路的分支上進行切換。為了避免電動機驅動，還觸發線路斷路器以開啟電源線路。該系統因為包含電的非安全制動器和電的安全制動器而變得復雜。此外，該設計不能容易地適用于感應電動機。因此，需要一種電動制動系統和方法，其具有用于由一個或多個感應電動機驅動的有軌車輛的再生制動的全部優點，g卩，對電源線路的制動能力。

發明內容
鑒于上面提及的問題，本發明的目的是提出一種電動制動系統，該電動制動系統在緊急制動操作期間不會不加選擇地關斷再生制動器。根據本發明的第一方面，提出了一種用于有軌車輛的電動制動系統，其包括:-集電器，用于將所述電動制動系統連接到所述電源線路；-直流鏈路，設置有制動斬波器單元，所述直流鏈路由所述電源線路通過所述集電器供電；-靜態轉換器，具有AC端子和與所述直流鏈路連接的DC端子，所述靜態轉換器能夠以整流器模式操作以便將來自所述DC端子的電力傳送至所述AC端子，并且能夠以逆變器模式操作以便將來自所述AC端子的電力傳送至所述DC端子，其中當所述靜態轉換器以所述逆變器模式操作時，電流從所述直流鏈路沿著逆變器方向流向所述DC端子；-至少一個感應電機，其能夠以電動機模式和生成模式操作，所述感應電機可機械鏈接到輪軸和電連接到所述靜態轉換器的所述AC端子；-靜態轉換器控制單元，用于控制所述靜態轉換器，以便響應于緊急制動信號，所述靜態轉換器以所述整流器模式操作并且所述感應電機以所述生成模式操作從而將電力供給回所述直流鏈路，以及電動制動監管單元，用于關斷所述靜態轉換器，以便在緊急制動過程中檢測到電動狀態后減少所述靜態轉換器的所述AC端子之間流動的電流并且使所述感應電機退磁。在極少出現電動狀態的情況之外，在緊急制動過程中實施電動制動，所述電動制動可包括對電源線路的再生制動和經由制動斬波器電阻的電阻制動。在緊急制動過程中因靜態轉換器的故障可能會經受電動驅動。每當在緊急制動操作中檢測到電動驅動時，就將感應電機與直流鏈路隔離。優選地，還在車輛上安裝傳統的摩擦制動器。這些摩擦制動器的尺寸設計成在緊急情況下提供最大的制動扭矩的摩擦，優選約為制動力(即，與電動制動器相同的最大制動扭矩)的一半。在靜態轉換器控制單元故障的例外情況下，制動功能僅由摩擦制動器接管。根據一個實施方式，一個以上的感應電機可機械連接到一個輪軸并電連接到靜態轉換器的AC端子。根據優選的實施方式，電動制動監管單元所檢測到的電動狀態為這樣一種狀態，即，靜態轉換器的DC端子與直流鏈路之間的電流在預定時間內在逆變器方向上流動，或者在所述預定時間內在與逆變器方向相反的方向上以低于預定閾值的強度流動。因此，電動制動系統可包括在直流鏈路與靜態轉換器的DC端子之一之間的電線上的直流電流傳感器。所述預定時間限定了靜態轉換器被關斷之前的延遲。該延遲是考慮到系統中的瞬變而構建的。內置的延遲被證明是有用的另一情況為緊急制動期間輪組與軌道之間的夾緊損失。在這種情況下，電動制動功率會突然減至零，而且系統的其它部件諸如回流單元或再充電電路可能導致在不期望的方向上的瞬變電流，如果在系統的邏輯中沒有構建延遲，那么這會不必要地觸發靜態轉換器的關斷。
優選地，在緊急制動信號已被激活后經過初始的時間段前無電動狀態被檢測到。驅動和制動系統的操作情況在緊急制動命令前是未知的并且在緊急制動操作開始時會導致瞬變。例如，靜態轉換器可在緊急制動被激活時提供全部的牽引功率。在這種情況下，即使在靜態轉換器已被切換為整流器模式后電流仍可流入靜態轉換器中?？稍?00ms或更少的預定時間段內確保系統在考慮靜態轉換器跳閘前進入穩定的緊急制動模式。預定閾值可以為零，在這種情況下電流檢測器僅檢測到從直流鏈路流到靜態轉換器的端子之一的電流的方向改變。為了具有再生制動和電阻制動的全部優點，在緊急制動期間直流鏈路被連接到集電器，使得響應于緊急制動信號以整流器模式操作的靜態轉換器將電力供給回直流鏈路(及其制動斬波器單元)和通過直流鏈路和集電器供給回電源線路，直至停止。電源線路可以為直流線路或通過四象限線變流器連接到直流鏈路的交流線路。該系統還可包括線路斷路器，以將直流鏈路與電源線路隔離。為了阻止在電源線路斷開連接后直流鏈路中的直流電壓下降和在感應電機的轉子繞組中的磁通量的連續損失，直流鏈路可包括與靜態轉換器的DC端子并聯連接的電容器和由用于對電容器充電的電池供電的再充電單元。根據優選的實施方式，制動斬波器單元包括與斬波器串聯的電阻。根據優選的實施方式，靜態轉換器控制單元控制靜態轉換器以使得在緊急制動過程中電動制動力具有預定的恒定值。電動制動系統還可包括用于測量在被驅動的輪軸上的重量負荷的重量傳感器，所述靜態轉換器控制單元連接到所述重量傳感器以使得所述電動制動力的預定的恒定值為被驅動的輪軸上的重量負荷的函數。根據一個實施方式，電動制動監管單元控制重啟單元,所述重啟單元用于在靜態轉換器已被關斷后使處于整流器模式的靜態轉換器重啟。該重啟單元監控電流流動并在其檢測到直流鏈路電壓變得過低或直流鏈路與靜態轉換器之間的電流變為零時開啟計數器。在預定時間后，重啟單元對直流鏈路再充電并且靜態轉換器恢復電動制動。每當在制動操作期間檢測到電動驅動時，就將感應電機與直流鏈路隔離較短的時間段，該較短的時間段實際上不會超過幾秒，在該時間段后重啟策略允許恢復電動制動。根據本發明的另一方面，提出了一種使有軌車輛電動制動的方法，包括:-使與軌道車輛的輪軸機械連接的感應電機以生成模式操作；-使連接于直流鏈路與所述感應電機之間的靜態轉換器以整流器模式操作；-監控所述感應電機的電動狀態；-在檢測到所述電動狀態后，將所述靜態轉換器關斷。所述電動狀態優選為以下狀態，即，在預定時間內直流電流沿著逆變器方向從直流鏈路流進所述靜態轉換器的DC端子，或者在所述預定時間內所述直流電流沿著與所述逆變器方向相反的方向以低于預定閾值的強度流動，其中，所述逆變器方向是當所述靜態轉換器以變流器模式操作時電流在所述直流鏈路與所述靜態轉換器之間流動的方向。


現在將僅通過實施例的方式而不限制于權利要求的范圍并參照附圖來描述本發明的示例性實施方式，在附圖中:
-圖1是根據本發明的第一實施方式由直流電源線路供電的電動制動系統的示意圖；-圖2是由圖1的電動制動系統實施的緊急制動方法的流程圖；以及-圖3是根據本發明的第二實施方式由交流電源線路供電的電動制動系統的示意圖。在每副圖中,相應的參考標號指示相同或相應的部分。
具體實施例方式參照圖1，用于有軌車輛，更具體而言，用于由直流懸鏈線路10或輸電軌供電的軌道車輛的組合式電驅動和制動系統包括集電器11、線路斷路器12以及分離接觸器14，分離接觸器14與充電接觸器和電阻單元16并聯連接。電驅動和制動系統還包括直流鏈路18，直流鏈路18與靜態轉換器20的DC端子19連接，用于將直流鏈路的直流電流轉換成三相交流電流。靜態轉換器20具有AC端子21 ,AC端子21連接至感應電機22，感應電機22機械鏈接至有軌車輛的輪軸23。輪軸23還設有傳統的摩擦制動器(未示出)。輪軸23的鋼輪24使電路閉合并允許電流經由與地連接的軌道25流回供給站。直流鏈路18包括回流單元26、制動斬波器單元28以及直流鏈路電容器34，回流單元26與靜態轉換器20并聯連接，制動斬波器單元28包括制動斬波器30和與靜態轉換器并聯連接的制動斬波器電阻32，直流鏈路電容器34與制動斬波器單元28和靜態轉換器20的DC端子19均并聯連接。靜態轉換器20受靜態轉換器控制單元36的控制，并且可以交替地以逆變器模式操作以便為感應電機22供電和以整流器模式操作以便將來自感應電機22的能量供給回直流鏈路18來操作。靜態轉換器控制單元36接收來自緊急制動命令38的輸入，例如二進制輸入，緊急制動命令38與緊急制動環、制動管或緊急按鈕連接。靜態轉換器控制單元36還接收來自電動制動監管單元42的停機信號，電動制動監管單元42包括直流電流傳感器44,用于監控從直流鏈路流向靜態轉換器20的端子之一的電流。當靜態轉換器20以逆變器模式操作并且感應電機22作為感應電動機運行以推進車輛時，電流在直流鏈路18與靜態轉換器20的DC端子19之間沿給定的方向46流動并且將被任意地認為是正電流，給定的方向46被指定為逆變器方向。當靜態轉換器20以整流器模式操作并且感應電機22作為交流發電機運行以進行電動制動時，電流通常會在直流鏈路18與靜態轉換器20的DC端子19之間沿著與逆變器方向46相反的方向流動并且具有負值。下面將參照圖2的流程圖描述系統在緊急制動模式下的操作。當從緊急制動命令38接收到緊急制動信號時(圖2中的步驟50)，靜態轉換器控制單元36檢測緊急制動信號(步驟52)并且使靜態轉換器20以整流器模式操作，以便使感應電機22作為交流發電機運行，從而將電力通過靜態轉換器20傳送至直流鏈路18(步驟54)。靜態轉換器控制單元36控制靜態轉換器20的直流電壓達到并保持在內部電動制動力設定點。實際上，該設定點是重量的函數，即重量傳感器48所測量的在輪軸23上的垂直負載的函數。該設定點優選在從開始速度降至低速閾值，例如5km/h，或降至停止的緊急制動操作過程中是恒定的。該設定點優選由最大運行速度處可獲得的電動制動力來確定，然后對緊急制動過程中的所有速度保持該設定點。靜態轉換器20的DC端子19處的電動勢使得電流在與逆變器方向46相反的方向上經過靜態轉換器端子19流回直流電源線路10，以引起再生制動。可以關斷制動斬波器30以使得沒有電力消散于制動斬波器電阻32，或者可以激活制動斬波器30以確保部分電能消散于制動斬波器電阻32。電動制動監控單元42檢測來自緊急制動命令38的緊急制動信號(步驟56)。在第一預定時間段T1后(步驟58)，電動制動監控單元42開始監控從直流鏈路18朝向靜態轉換器20的電流流動(步驟60)。只要電流在與逆變器方向相反的方向上流動并且小于預定的負閾值I。，就允許電動制動。如果在與逆變器方向相反的方向上的電流變得高于預定閾值Itl或者如果電流改變流動方向(步驟62)成為正，那么監管單元倒計時，直至經過第二預定時間段T2 (步驟64)。如果在第二時間段T2結束時電流仍在逆變器方向上流動，或者在與逆變器方向相反的方向上仍低于預定閾值I。(步驟66)，那么監管單元42向靜態轉換器控制單元發送信號以切斷靜態轉換器點火脈沖(步驟68)。對來自監管單元42的輸入進行連續監控(步驟70)的靜態轉換器控制單元36檢測來自電動制動監控單元42的信號(步驟72)，并將觸發靜態轉換器20的IGBT的點火脈沖關斷(步驟74)以隔絕感應電機和避免監控。此處的第一預定時間段T1是為了確保緊急制動操作穩定，以及確保當靜態轉換器從逆變器模式切換至整流器模式時出現于緊急制動操作的早期階段的可能的瞬變電流已逐漸消失。系統中構建第二預定時間段T2是為了避免在緊急制動過程中軌道經受輪夾緊的暫時性損失的情況下將電動制動關斷。T2應小于1\。應該理解，本發明并非意在局限于以上僅通過實施例的方式描述的實施方式的細節。具體地，一檢測到低于預定閾值或者在逆變器方向上的電流，就可以立即關斷靜態轉換器20。在這種情況下，可以省略該方法中與第二時間段T2的倒計時有關的步驟64、66。在與逆變器方向相反的方向上的電流強度閾值Itl可以等于零，在這種情況下，與電流有關的情況僅為電流在逆變器方向上流動。在圖3中示出了本發明的第二實施方式。該實施方式與第一實施方式的不同之處在于:組合式驅動和制動系統通過主變壓器102和AC-DC線路變流器104由AC懸鏈線路100或輸電軌供電。線路斷路器12位于主變壓器102的原邊處。分離接觸器14、充電接觸器和電阻16優選位于主變壓器102的次級繞組與AC-DC線路變流器104之間。直流鏈路18、靜態轉換器20以及機械連接至有軌車輛的輪軸23的感應電機22保持不變。
權利要求
1.動制動系統，用于由電源線路(10、100)供電的有軌車輛，所述電動制動系統包括: -集電器(11)，用于將所述電動制動系統連接到所述電源線路(10、100)； -直流鏈路(18)，設置有制動斬波器單元(28)，所述直流鏈路(18)由所述電源線路(10、100)通過所述集電器(11)供電； -靜態轉換器(20 )，具有AC端子(21)和與所述直流鏈路(18 )連接的DC端子(19 )，所述靜態轉換器能夠以整流器模式操作以便將來自所述DC端子(19 )的電力傳送至所述AC端子(21 )，并且能夠以逆變器模式操作以便將來自所述AC端子(21)的電力傳送至所述DC端子(19)，其中當所述靜態轉換器(18)以所述逆變器模式操作時，電流從所述直流鏈路(18)沿著逆變器方向流向所述DC端子(19); -至少一個感應電機(22)，其能夠以電動機模式和生成模式操作，所述感應電機可機械鏈接到輪軸(23)和電連接到所述靜態轉換器(20)的所述AC端子； -靜態轉換器控制單元(36)，用于控制所述靜態轉換器(20)，以便響應于緊急制動信號，所述靜態轉換器(20)以所述整流器模式操作并且所述感應電機(22)以所述生成模式操作從而將電力供給回所述直流鏈路(18)， 其特征在于，所述電動制動系統還包括電動制動監管單元(36),用于關斷所述靜態轉換器(20)，以便在緊急制動過程中檢測到電動狀態后減少所述靜態轉換器的所述AC端子之間流動的電流并且 使所述感應電機(22)退磁。
2.按權利要求1所述的電動制動系統，其特征在于，所述電動狀態為這樣一種狀態，即，在預定時間(T1)內直流電流從所述直流鏈路(18)沿著所述逆變器方向(46)流向所述靜態轉換器(20)的所述DC端子(19)，或者在所述預定時間內所述直流電流沿著與所述逆變器方向(46)相反的方向以低于預定閾值的強度流動。
3.按權利要求2所述的電動制動系統，其特征在于，在所述緊急制動信號已被激活之后，經過初始的時間段(T1)之前沒有檢測到電動狀態。
4.按權利要求2或權利要求3所述的電動制動系統，其特征在于，所述預定閾值(Itl)為零。
5.按權利要求1至4中任一項所述的電動制動系統，其特征在于，在緊急制動期間所述直流鏈路(18)連接到所述集電器(11)，使得響應于所述緊急制動信號(38)以所述整流器模式操作的所述靜態轉換器(20 )將電力通過所述直流鏈路(18 )和所述集電器(11)供給回所述電源線路(10、100)，直至停止。
6.按權利要求1至5中任一項所述的電動制動系統，其特征在于，所述電源線路為直流線路(10)。
7.按權利要求1至5中任一項所述的電動制動系統，其特征在于，所述電源線路為通過四象限線變流器(104)連接到所述直流鏈路(18)的交流線路(100)。
8.根據前述權利要求中任一項所述的電動制動系統，其特征在于，所述直流鏈路(18)包括與所述靜態轉換器(20)的所述DC端子(19)并聯連接的電容器(10)和由用于給所述電容器(10)充電的電池供電的再充電單元(6)。
9.根據前述權利要求中任一項所述的電動制動系統，其特征在于，所述制動斬波器單元(28)包括與斬波器(30)串聯的電阻(32)。
10.根據前述權利要求中任一項所述的電動制動系統，其特征在于，所述靜態轉換器控制單元(36)控制所述靜態轉換器(20)，以使得在緊急制動過程中電動制動力具有預定的恒定值。
11.按權利要求10所述的電動制動系統，其特征在于，所述電動制動系統還包括用于測量被驅動的輪軸(23)上的重量負荷的重量傳感器(48)，所述靜態轉換器控制單元(36)連接到所述重量傳感器(48)，以使得所述電動制動力的所述預定的恒定值為所述被驅動的輪軸上的重量負荷的函數。
12.根據前述權利要求中任一項所述的電動制動系統，其特征在于，所述電動制動監管單元(38 )控制重啟單元，所述重啟單元用于在所述靜態轉換器已被關斷后重新啟動處于所述整流器模式的所述靜態轉換器。
13.一種輪組，用于設 置有前述權利要求中任一項所述的電動制動系統的有軌車輛，其特征在于，所述輪組包括與感應電機(22 )和摩擦制動器連接的輪軸(23 )。
14.一種用于電動制動有軌車輛的方法,包括: -使與軌道車輛的輪軸(23)機械連接的感應電機(22)以生成模式操作； -使連接于直流鏈路(18 )與所述感應電機(22 )之間的靜態轉換器(20 )以整流器模式操作； -監控所述感應電機(22)的電動狀態； -在檢測到所述電動狀態后，將所述靜態轉換器(20 )關斷。
15.按權利要求14所述的方法，其特征在于，所述電動狀態為這樣一種狀態，S卩，在預定時間內直流電流沿著逆變器方向從直流鏈路流進所述靜態轉換器(20)的所述DC端子(19)，或者在所述預定時間內所述直流電流沿著與所述逆變器方向相反的方向以低于預定閾值的強度流動，其中，所述逆變器方向是當所述靜態轉換器(20)以變流器模式操作時電流在所述直流鏈路(18)與所述靜態轉換器(20)之間流動的方向。
全文摘要
一種電動制動系統，用于由電源線路供電的有軌車輛，該電動制動系統包括集電器，用于將電動制動系統連接到電源線路；直流鏈路，該直流鏈路由電源線路通過集電器供電；靜態轉換器，可以以整流器模式和逆變器模式操作，靜態轉換器具有AC端子和與直流鏈路連接的DC端子；感應電機可作為感應電動機和在交流發電機模式下操作，該感應電機可機械連接到輪軸和電連接到靜態轉換器的AC端子；靜態轉換器控制單元，用于控制靜態轉換器；以及電動制動監管單元，用于關斷靜態轉換器，以在緊急制動過程中檢測到電動狀態后將感應電機與直流鏈路隔離。
文檔編號B60L7/00GK103085671SQ20121037229
公開日2013年5月8日 申請日期2012年9月28日 優先權日2011年10月5日
發明者科林·博雷斯, 安德斯·羅興, 馬丁·童格, 詹姆士·威爾遜, 詹姆士·巴伯, 斯特芬·波拉姆博爾 申請人:巴姆邦德爾運輸有限公司