CN101380901A - 具有永磁电机和制动力矩控制的电力安全制动设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于电力牵引车辆的电力安全制动设备，允许改进车辆的力量/速度特性，该电力安全制动设备包括：具有永磁体的旋转机电机构(10)，该旋转机电机构(10)具有至少一个带有电接线端(13、14、15)的线圈；电阻电力制动力矩产生装置(26)；以及换向装置(20)，该换向装置(20)能够将所述机电机构(10)的电接线端(13)、(14)、(15)连接到所述制动力矩产生装置(26)。在所述制动力矩产生装置(26)与所述机电机构(10)之间串联有至少一个电感(116)、(118)、(120)。

Description

具有永磁电机和制动力矩控制的电力安全制动设备
技术领域
本发明涉及一种电力安全制动设备，该设备具有制动力矩控制并且用于电动车辆，例如轨道车辆。
背景技术
安全制动系统确保了以非常可靠的方式产生所需的制动力。
在铁路运输领域，主要存在两种类型的制动操作：常用制动和紧急制动。
常用制动操作是在运行期间最常用的一种操作。该常用制动操作能够在接近0的最小力值和最大力值之间进行调整。该常用制动操作能够根据列车而将其自身分成多种模式：纯电力制动、纯机械制动或者电力与机械相结合的制动。该常用制动操作执行列车所有的“正常”停止和减速操作，以及用于停留于斜坡上的制动操作。然而，从某种意义上来说，由于所述常用制动操作涉及了大量电力的、电子的、机械的、气动的或者液压的部件，这些部件可能会发生故障，从而产生与所需制动力不同的制动力、或者甚至利用具有牵引/静态制动换向的新的牵引链产生牵引力，因而它是不安全的。
如其名称所暗示的，紧急制动操作仅用于紧急情况。这种紧急情形可以由于外部紧急情况或者常用制动故障而产生。该制动器的目标是尽可能快且安全地使列车停止。该制动器不能被调节，但很可靠，也就是说，其故障概率必须非常低。因此，该制动器必须使用尽可能少的部件。一般而言，该制动器是纯机械的，但这要求该机械制动器具有相应的大小，该机械制动器可能在成本或者质量上是令人望而却步的，特别是在将被消耗的制动能量级很高的高速列车上。基于此原因，生产电力安全制动器是很有利的。
专利DE 101 60 612 A1中描述了一种电力安全制动设备。该设备的缺点在于，所获得的电力安全制动的力量/速度特性仅依赖于电机的特性和所选的制动电阻值，因此该制动设备是不能被调节的，也就是说，不允许趋进所需的力量/速度曲线。例如，它可能在高速时导致过高级别的力，该过高级别的力可能产生过高级别的附着力，或者相反地，在低速时产生很低级别的力。
发明内容
本发明所提出的设备的目标在于，允许电力安全制动器的力量/速度特性能被调节，从而使其能够更加符合与速度相一致的可用附着力级别，并且实现更加有效的电力安全制动。
在公开为DE 10 2004 032 680 A1的德国专利申请中描述了此种类型的第一设备。该设备涉及制动系统，该制动系统包括制动电阻网络，该制动电阻网络以星形或者三角形的形式连接并且能够利用机电换向器而被耦合到永磁电机，所述机电换向器包括一组继电器。该第一设备涉及添加电容网络，该电容网络包括三个在制动电阻网络上呈并联设置的电容。在没有有源管理系统的控制的情况下，该电容网络允许通过补偿电机定子的内部线圈所产生的反馈能量，从而使得电力安全制动器在高速时所产生的制动力被增大。
在此情况下提出的本发明涉及另一设备，相反地，该设备允许制动力在附着力相对较低的高速时被限制，而同时允许在低速时提供高级别的电力制动力。该设备涉及在用于产生制动力矩的电阻装置与永磁电机之间添加三相电感网络。
本发明涉及一种电力制动设备，该设备具有制动力矩控制并且用于电力牵引车辆，尤其是轨道车辆。所述电力制动设备包括；旋转机电机构，该旋转机电机构具有至少一个带有电接线端的线圈；不具有有源功率开关的电阻电力制动力矩产生装置；换向装置，该装置能够选择性地将所述机电机构的电接线端连接到制动力矩产生装置，在所述换向装置和制动力矩产生装置之间串联有至少一个用于控制制动力矩的电感。
根据特定实施方式，所述制动设备包括一个或者多个以下特征：
-所述机电机构具有永磁体。
-每个电感的接线端连接有电流开关，所述电流开关用于协助所述换向装置进行换向。
-所述制动力矩产生装置包括至少一个制动电阻，该制动电阻经由至少一个用于控制制动力矩的电感而被连接到所述换向装置。
-所述制动力矩产生装置包括三个制动电阻，该三个制动电阻被电装配成三角形的形式。
-所述用于控制制动力矩的电感连接在所述换向装置与二极管桥式整流器之间。
-所述制动力矩产生装置由以下部件组成：桥式整流器，该桥式整流器由牵引逆变器的续流二极管构成，所述牵引逆变器连接到换向装置；制动电阻，该制动电阻连接到所述牵引逆变器的接线端；接触器，该接触器与所述制动电阻相串联；以及阻断电路，该阻断电路允许所述牵引逆变器的电子功率开关被安全地禁止(inhibit)。以及
-所述制动力矩控制电感连接在所述换向装置和牵引逆变器之间。
附图说明
通过阅读以下纯粹以示例性方式且参照附图给出的实施方式的描述，将更好地理解本发明。其中：
图1是整合在牵引链中的电力安全制动器的第一实施方式的电路图；
图2是图1中的安全电机制动器的实施方式的变型的电路图，其中制动力矩产生装置为设置成三角形形式的电阻网络；
图3是图1和2中所示的安全电机制动器的实施方式的变型的电路图，其中制动力矩产生装置仅包括一个电阻；以及
图4是相比于图1至3的安全电机制动器，在牵引链中具有更高集成度的安全电机制动器的生产变型的电路图。
具体实施方式
图1示出了整合在轨道车辆的电力牵引链1中的电力安全电机制动器。
所述电力牵引链1通过处于高压下的悬链线(或者第三轨道)2来被供电，并且该悬链线(或者第三轨道)2以接地的接地端4为参考。
所述电力牵引链1依次包括受电弓(或者滑架)6，用于从所述悬链线2获取电能；该受电弓6之后为线路断路器(circuit-breaker)8，该线路断路器8用作所述电力牵引链1和悬链线2之间的主开关/接触器。
所述电力牵引链1还包括旋转机电机构10，该机构处于永久励磁状态，并且能够经由电子功率转换器12而被提供电能。
在该情况下，所述旋转机电机构10包括定子，该定子具有带有三相电源的线圈，并且针对每一相，设置有电力输入接线端13、14、15；以及转子，该转子的激励由永磁体提供。
在电力牵引模式中，所述机电机构10同时用作电机，而在电力制动模式，该机电机构10用作电压发生器(voltage generator)。
所述电子功率转换器12从所述断路器8到电机10依次包括：线性滤波器16，该线性滤波器16具有传统的LC结构，包括一系列电感和并联装配的电容；传统的电阻制动斩波器17；以及逆变器18，该逆变器18在该情况下具有三相交流输出端，该三相交流输出端能够经由机电连接换向器20而向所述旋转机构10提供电能。
所述牵引链的所有元件均经由回地线(earth return line)22连接到公共接地端4。
所述电力牵引链1除了能够用作牵引链，而且还能够用作第一非安全电力制动器，该制动器被称为常用制动器。
被称为常用制动器的第一电力制动器包括所述牵引链1中的部件，即发电机10、被配置为整流器的逆变器18、电阻制动斩波器17、线性滤波器16以及机电换向器20。
除了所述机电机构10，被称为安全制动器的第二电力制动器还包括机电连接换向器20和受控制动力矩产生组件24，该受控制动力矩产生组件24包括制动力矩产生装置26和无源的制动力矩控制装置28，所述制动力矩产生装置26为由耗能负载电阻构成的电阻网络的形式，所述制动力矩控制装置28为电感网络形式，该制动力矩控制装置28能够根据所述机电机构的最大功率和可以根据速度提前获得的车轮/轨道附着力来调节电力安全制动力矩。
所述电阻制动斩波器17包括电子功率开关32，该电子功率开关32为IGBT(绝缘栅双极晶体管)型，并且例如被串联到电阻制动电阻(rheostaticbrake resistor)34，该电阻制动电阻34并联有续流二极管。
所述逆变器18包括三条交流三相输出线37、38、39，每条输出线均能够通过利用机电换向器20所产生的连接而被分别连接到电机10的电力定子相位输入接线端13、14、15。
所述逆变器18由传统结构构成，具有呈三相连接在所述输入滤波器16的输出端和回地线22之间的6个电子功率开关42、44、46、48、50、52。
每个电子功率开关42、44、46、48、50、52包括功率晶体管54、56、58、60、62、64，该功率晶体管例如为IGBT类型并且能够被控制处于电流的导通状态/非导通状态，每个功率晶体管均连接有以反并联方式安装于其上的续流二极管66、68、70、72、74和76。
在该情况下，在图1中，每个功率晶体管的箭头表示当该晶体管导通时的电流流向。
每个功率开关42、44、46均分别被连接到功率开关48、50、52，第一组开关的每一个开关的输出端分别被连接到第二组开关的每一个开关的输入端并且形成逆变器的输出端，每个输出端分别被连接到逆变器的输出线37、38、39。
所述电子功率开关的控制电路并未在图1中示出，但假定该控制电路能够向处于电机模式中的机电机构10提供同步牵引功能。
所述机电换向器20包括由三个输入引脚80、82、84构成的组件，该三个输入引脚分别连接到电机10的三个输入接线端13、14、15。
所述机电换向器20还包括第一组输出引脚86、88、90，该输出引脚分别连接到所述逆变器18的输出线37、38、39。
所述机电换向器20还包括第二组输出引脚92、94、96，该输出引脚被电隔离并且能够被分别连接到输入引脚80、82、84，从而将所述电机10与逆变器18相隔离。
所述机电换向器20还包括第三组输出引脚98、100、102，该输出引脚分别在输入端104、106、108处被连接到制动力矩产生装置24。
所述机电换向器20包括控制输入端109，该控制输入端109能够接收换向命令，该换向命令允许将机械接触元件所产生的所有电连接选择性地从输入引脚80、82和84转换到第一组输出引脚、第二组输出引脚和第三组输出引脚之间的输出引脚。由于机电换向器20由有限数量的无源元件所构成，因此机电换向器20是安全且可靠的。
受控制动力矩产生组件24包括输入接线端104、106、108，该输入接线端被分别连接到所述机电换向器20的第三组输出引脚98、100、102。
在该情况下，形成所述制动力矩产生装置的电阻网络26为由三个电阻110、112、114构成的组件，该三个电阻以星形方式连接到公共节点78。所述网络中的每个电阻100、112、114分别连接到电感网络28中的电感116、118、120，所述电感网络28形成为无源控制装置，该无源控制装置自身连接到所述机电换向器20的第三组输出引脚的相关输入接线端104、106、108。
在牵引模式中的操作期间，所述机电机构10用作电机并且所述机电换向器20以这样的方式被配置：第一组输出引脚86、88、90被连接到输入引脚80、82、84。在该方式中，逆变器18向电机10提供正弦电流波，该正弦电流波适合与电机速度同步的方式。
在常用制动操作期间，所述机电换向器20保持与在牵引操作期间相同的状态。
逆变器18被配置成工作在整流器模式中，并且所述斩波器17将线路6中传输的制动功率限制在所能接收的最大功率，任何剩余的制动功率均在电阻34中被消耗。
在电力安全制动操作期间，所述机电换向器20被继续转换到第二组92、94、96，然后转换到第三组输出引脚98、100、102，从而将电机10与功率转换器12相隔离，然后将用作发电机的旋转机构10的每个接线端13、14、15经由各自的输入端104、106和108连接到制动力矩产生装置24。
所述发电机10经由每个电接线端13、14、15而将电流传输到由三个电阻110、112和114所形成的电阻负载网络26中。
从而，车辆的机械能在发电机10中被转换成电能，然后通过电阻网络26中的焦耳效应而被转换成热，从而使车辆制动。
如果不存在电感网络28，且同时旋转机构10的电动力与其转速成正比，则定子的特定感应系数级别导致电压损失，该电压损失也与速度成正比，该感应系数具有略微减小根据速度提供的制动力矩的作用。
然而，由于定子的特定感应系数级别具有很小的值，因此这在高速时是不够的。
与从13、14、15接入的每个定子相位电感(stator phase inductor)相串联的附加电感116、118、120允许正比于机电机构10的转子的转速来增大压降，从而允许所产生的制动力矩在与电机的最大功率相适合的值的范围内得到调节，从而在产生最大级别的附着力的同时，防止车轮被锁死。
因此，上述附加电感允许制动力矩产生装置26被选择为包括具有低欧姆值的电阻110、112、114，从而在低速时获得依然较高级别的力矩，同时减小在高速时已经获取的过高级别的力矩，该过高级别的力矩可能导致超过电机的最大电功率，具有车轮滑动级别过度的风险。
专利申请DE 10 2004 032 680 A1中所描述的装置对于给定阻值的100、112、114，允许制动力在高速时被增大，并且电机定子线圈中的感应电压的压降得到补偿，与之相比，在图1中的情况下描述的装置被替换为允许在高速时根据电机功率和附着力来限制该力，所述附着力在高速时是可提前得到的。因此，在此情况下所描述的装置允许选择具有低欧姆值的电阻，从而在不存在在高速时具有过度级别的制动力的风险的情况下，在低速时获取很大的制动力。
图2示出了图1的电力安全制动器的一种变型，其中电阻网络26的电阻104、106、108以三角形的形式被安装，而非以如图1所示的星形形式被安装。
对于图2，电子安全制动器的操作与图1的相类似，以三角形形式安装的电阻负载26等同于以星形形式安装的电阻负载。
以三角形形式进行设置的优点在于，其允许在简单故障的情况下，三分之二的制动能量被保留，而非在利用以星形形式安装的电阻时仅一半能量被保留。
图3是电力安全制动器的一种变型，其中制动力矩产生装置26仅包括一个电阻，且增加了二极管桥式整流器。
所述制动力矩产生装置26由传统二极管电桥130所组成，该二极管电桥130被无源地配置成桥式整流器，具有三个输入端132、134和136，该三个输入端能够接收电能供应，在该情况下为三相电能供应。
所述制动力矩产生装置26还由单端双极型负载电阻138所组成，该负载电阻138连接在二极管电桥130的两个输出端140和142之间。所述二极管电桥在此情形下由六个二极管构成。
无源控制装置28包括由三个电感160、162、164构成的组件，每个电感被分别串联在二极管电桥130的输入端132、134、136和机电换向器20的第三输出组的输出引脚98、100、102之间。
接触器170、172、174分别连接到各个电感160、162、164，并且允许通过同时闭合接触器174、176、178并且随后迅速断开机电换向器20的接触器，以在任意时刻停止紧急制动操作，而不会产生过高级别的过量电压。
在操作过程中，在安全制动操作时，所述接触器170、172、174处于断开状态。
发电机10经由无源控制装置28而将每个电接线端13、14、15的电流在输入端132、134、136处传输到制动力矩产生装置26。
在对发电机10的交流输出电流进行整流之后，二极管桥式整流器130将电能连续提供给所述单个电阻138，该电阻138经由焦耳效应而以热的形式消耗所述电能。
电感160、162、164所执行的控制操作类似于图1和2中所描述的。
如果需要在高速时停止安全制动操作，则必须能够将换向器20切换到允许发电机10从无源控制装置28断开的位置。
在该情况下，电感160、162、164所存储的电流可能在换向器20的机电切换期间产生无法令人接受的级别的过量电压。
为了有助于换向器20的换向，在从换向器的输出引脚98、100、102断开电感160、162、164之前，所述接触器170、172、174在受控方式中被闭合。
在此方式中，电感160、162、164被短路，从而存储在每个电感内的电流能够自由流动。
随后，换向器20从电感160、162、164断开输入引脚104、106和108。
当20的换向已被执行时，在预定长度的时间之后，接触器170、172、174在受控方式中被断开。
在此方式中，可以以类似于图1和2中所描述的方式来开始和执行牵引或者常用制动操作。
图4是图1、2和3中所描述的实施方式的电力安全制动器的一种变型的示意图，该变型与电力牵引链之间具有更高的集成度。
所述电力牵引链1与图3中所描述的相类似，不同之处在于：
·具有三组输出引脚的机电换向器20被替代成仅包括第一组输出引脚86、88、90和第二组输出引脚92、94、96的机电换向器180。
·在该情况下，制动力矩产生装置26由以下部件构成：
-逆变器18的续流二极管电桥66、68、70、72、74、76；
-负载电阻182，该负载电阻182串联到机电接触器183，该组件连接到斩波器17和逆变器18的接线端。
-阻断电路(blocking circuit)184，该阻断电路184允许逆变器18的功率开关54、56、58、60、62、64以及斩波器17的32被安全阻断，并且允许接触器183被闭合。
所述机电换向器180用于在其短路的情况下，将电机10从逆变器18断开。该换向器按照常规用于此类牵引链中，并且本发明没有对其作出改动。
牵引模式和常用制动模式中的操作与图1、2和3所描述的相同。
在电力安全制动操作过程中，机电换向器180保持在使机电机构10连接到逆变器18的状态。
阻断电路184在受控方式中断开逆变器18的六个功率晶体管54、56、58、60、62、64以及功率晶体管32。
同时，电路184在受控方式中闭合附加机电继电器183。
在此方式中，功率逆变器18用作单个桥式整流器，该整流器由二极管66、68、70、72、74、76所构成。所述阻断电路184防止逆变器18在安全方式中用作逆变器。
在此方式中，续流二极管电桥66、68、70、72、74、76用作图3中的桥式整流器130，该整流器130将发电机10的能量提供到连接到该电桥的负载电阻中。
无源控制装置188包括电感组件，电感在该情况下为190、192和194三个，每个电感的一侧连接到逆变器18的输出端37、38、39，而另一侧连接到换向器180的第一组输出引脚86、88、90。
同时，接触器196、198、200连接到每个电感190、192、194，并且允许在任何时刻停止紧急制动操作，而不会产生过分高级别的过量电压。为了这个目的，接触器196、198、200被同时闭合，并且机电换向器180的接触器随后被立即断开。
用于改进电力安全制动器的力量/速度特性的装置180与图3中的装置28以相同的方式进行工作。
所述控制装置所提供的好处在于，制动力矩根据速度而被调节，从而考虑了车轮对轨道的附着力。该好处在高速时是很有用的，考虑到了在不存在控制装置的情况下，在高速时进行制动期间锁死风险很高的情况。
图4中所描述的设备所提供的好处在于，其在牵引链中的高集成度，从而导致需要更少的组件以及更低的空间需求。

Claims (11)

1、一种具有制动力矩控制并用于电力牵引车辆特别是轨道车辆的电力制动设备，该制动设备包括：旋转机电机构(10)，该旋转机电机构(10)具有至少一个带有电接线端(13，14，15)的线圈；不具有有源功率开关的电阻电力制动力矩产生装置(26)；换向装置(20，180)，该换向装置(20，180)能够选择性地将所述机电机构(10)的电接线端(13，14，15)连接到所述制动力矩产生装置(26)；其特征在于，在所述换向装置(20，180)与所述制动力矩产生装置(26)之间串联有至少一个用于控制制动力矩的电感(116，118，120，160，162，164，190，192，194)。
2、根据权利要求1所述的制动设备，其特征在于，所述机电机构(10)具有永磁体。
3、根据权利要求1或2所述的制动设备，其特征在于，每一电感(160，162，164，190，192)的接线端都连接有电流开关(170，172，174，196，198，200)，所述电流开关(170，172，174，196，198，200)用于协助所述换向装置(20，180)进行换向。
4、根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的制动设备，其特征在于，所述换向装置(20，180)为机电类型。
5、根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的制动设备，其特征在于，所述制动力矩产生装置(26)包括至少一个制动电阻(110，112，114，138，182)，所述制动电阻(110，112，114，138，182)经由至少一个用于控制制动力矩的电感(116，118，120，160，162，164，190，192，194)连接到所述换向装置(20，180)。
6、根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的制动设备，其特征在于，所述制动力矩产生装置(26)包括至少三个制动电阻(110，112，114)，所述至少三个制动电阻(110，112，114)以星形形式电装配。
7、根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的制动设备，其特征在于，所述制动力矩产生装置(26)包括三个制动电阻(110，112，114)，所述三个制动电阻(110，112，114)以三角形形式电装配。
8、根据权利要求5所述的制动设备，其特征在于，所述制动力矩产生装置(26)包括二极管桥式整流器(130)和电阻(138)，所述电阻(138)连接到所述二极管桥式整流器(130)的输出端(140，142)。
9、根据权利要求8所述的制动设备，其特征在于，所述用于控制制动力矩的电感(116，118，120)被连接在所述换向装置(20)与所述二极管桥式整流器(130)之间。
10、根据权利要求5所述的制动设备，其特征在于，所述制动力矩产生装置(26)由以下部件组成：桥式整流器，该桥式整流器由牵引逆变器(18)的续流二极管(66，68，70，72，74，76)构成，所述牵引逆变器(18)连接到所述换向装置(180)；制动电阻(182)，该制动电阻(182)连接到所述牵引逆变器(18)的接线端；接触器(183)，该接触器(183)串联到所述制动电阻(182)；以及阻断电路(184)，该阻断电路(184)允许所述牵引逆变器(18)的电子功率开关被安全地禁止。
11、根据权利要求10所述的制动设备，其特征在于，所述制动力矩控制电感(190，192，194)连接在所述换向装置(180)与所述牵引逆变器(18)之间。
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