CN104936815B - 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 - Google Patents

Abstract

轨道交通工具的轮轴(18)设有电动制动系统(33)和设有非全额定机械制动系统(22)。用于制动车轮的制动方法至少包括行车制动模式、驻车制动模式和紧急制动模式，其中，行车制动模式利用电动制动系统(33)来单独执行，驻车制动模式利用非全额定机械制动系统(22)来单独执行，紧急制动模式包括通过电动制动系统(33)单独执行的第一级紧急制动模式和当第一级紧急制动模式故障时被激活的第二级紧急制动模式，并且在不满足电动制动系统(33)的低效率条件时，第二级紧急制动模式通过电动制动系统(33)来单独执行，以及当满足电动制动系统(33)的低效率条件时，第二级紧急制动模式至少部分通过非全额定机械制动系统(22)来执行。

Description

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

发明技术领域

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

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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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。

发明概述

现有技术的前述缺点通过本发明来解决。

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从交通工具的巡航速度下降到静止来单独执行，以及驻车制动模式通过非全额定机械制动系统执行，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，至少部分通过非全额定机械制动系统来执行高整体性紧急制动模式。

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非全额定机械制动系统来执行。

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)。非全额定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。

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非全额定机械制动系统的预定阈值的交通工具速度的程度。

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1分钟)，在此时间后，非全额定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，后面跟随非全额定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)。

为阻止当轨道交通工具开始移动时的反向移动，非全额定机械制动系统仅在建立拖动转矩后被释放。

在紧急制动模式中，在减速下降到阈值后，只要轮轴已减速到阈值，则非全额定机械制动系统渐进接管并且电动制动系统缓降或逐渐减弱。在高整体性紧急制动模式中，非全额定机械制动系统和电动制动系统的混合或只有非全额定机械制动系统用于保持制动功能。

在高整体性紧急制动模式中，至电力线路54的连接被中断，并且电动制动系统仅作为变阻器制动器来操作。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。

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。优选地在第一级紧急制动模式出现故障时，第二级紧急制动模式被执行。

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。

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，非全额定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导体开关和续流二极管的情况下，静态转换器的功率半导体开关被禁用，电路经由续流二极管作为无源整流器来操作，以将功率转移使其远离电动制动器。冲击限制通过在低速度渐进逐渐减弱电动制动系统并通过机械制动系统接管来实现。

第二高整体性紧急制动模式优选在第一级紧急制动模式出现故障时执行。在存在紧急制动需求的情况下，基于瞬时目标紧急转矩值与实际转矩值之间的比较，当电动制动系统不足以使轮轴减速时，第一级制动控制模式的故障条件被检测到。根据优选实施例，基于轴载重量传感器信号和驱动轮轴转速信号来计算瞬时目标紧急转矩值。

具有不同优先级的两种紧急制动模式的程序确保在故障的情况下，电动制动力不完全丢失。有利地，电动制动系统可以在行车制动模式和第一级紧急制动模式中作为再生制动器和作为变阻器制动器来操作，并且给予再生制动器比变阻器制动器更高的优先级。因此，程序完全利用再生制动(即电力线路的制动能力)。至电力线路的连接优选在第二级紧急制动模式中被中断，使得电动制动器仅执行为变阻器制动器。

根据优选实施例，在行车制动模式、第一级紧急制动模式和第二级紧急制动模式期间，车轮滑动保护是有效的。优选基于每个轴来应用车轮滑动保护。车轮滑动保护可以包括与第一级紧急制动模式相关联的第一级车轮滑动保护和与第二级紧急制动模式相关联的第二级车轮滑动保护。

根据优选实施例，车身的负载称重影响行车制动模式、第一级紧急制动模式和/或第二级紧急制动模式。优选地，负载称重在每个转向架或每个轮轴上被局部执行，并且行车制动模式和/或紧急制动模式根据这个局部负载称重来进行负载补偿。

根据一个实施例，当紧急制动回路断电时，第一级紧急制动模式被激活，并且当来自第一级制动控制单元的生命信号失效时，第二级制动模式被激活。

优选地，非全额定机械制动系统是电气控制的机械制动系统。优选地，非全额定机械制动系统是激励到释放的制动系统，并且更优选地，非全额定机械制动系统是应用弹簧的制动系统。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制动设有多个轮轴的轨道交通工具(尤其是多单元轨道交通工具)的方法，每个轮轴设有电动制动系统和机械制动系统，每个轮轴如上所述被单独制动。特别地，针对每个电动制动系统和每个轴单独估算每个电动制动系统的低效率条件。

与基于每个转向架或每个车厢相反，基于每个轴(或每个电机)来执行程序。这尤其意味着优选在每个电动制动系统或每个轴的级别检测第一级紧急制动模式的潜在故障，并且到第二级紧急制动模式的切换被局部执行，而其他运行良好的制动控制单元仍然处于第一级紧急制动模式。

该方法利用在多单元交通工具上，所有的局部制动控制单元同时出现故障的可能性几乎是不存在的这一事实。因此，在故障安全降级模式中运行电动制动系统中的一些电动制动系统是可接受的，因为运行良好的制动控制单元将确保交通工具的总体制动性能如预期一样。

根据本发明的另一方面，提供了用于制动设有多个驱动轮轴的轨道交通工具的制动系统，每个驱动轮轴包括相关的电动制动系统和相关的非全额定机械制动系统，每个驱动轮轴包括相关的第一级制动控制单元，第一级制动控制单元用于至少利用相关的电动制动系统从交通工具巡航速度下降到静止单独执行行车制动模式和用于利用相关的机械制动系统在静止单独执行驻车制动模式，每个驱动轴还包括相关的第二级制动控制单元，其用于在不满足低效率条件时利用相关的电动制动系统单独执行高整体性紧急制动模式，并且当满足低效率条件时，至少部分利用非全额定机械制动系统来执行高整体性紧急制动模式。优选地，交通工具的所有轮轴是如之前所述的驱动轮轴。另选地，交通工具还可以包括拖车轴。

第一级制动控制单元和第二级制动控制单元中的每个优选连接到与驱动轮轴相关联的机械制动激活单元。在行车制动模式中(以及如果在第一级紧急制动模式中可用的话，)，第一级制动控制单元在静止预定时间后触发非全额定机械制动系统的激活。在高整体性紧急制动模式中，一旦满足低效率条件，第二级制动控制单元就触发非全额定机械制动系统的激活。

非全额定机械制动系统优选只是与每个驱动轮轴相关联的摩擦制动器。换句话说，驱动轮轴未设有全额定机械制动系统，就重量和空间而言是主要优点。

非全额定机械制动系统优选是激励到释放(优选是应用弹簧)的制动系统。根据优选实施例，非全额定机械制动系统是电控和致动的，这包括气动或电-气动控制系统不是必要的。再者，就复杂性而言，这是主要优点。

优选地，每个机械制动系统设有机械制动激活单元。第一级制动控制单元和第二级制动控制单元中的每个连接到机械制动激活单元。

根据优选实施例，制动系统包括电力线路，并且对于每个轮轴，相关的电动制动系统包括在制动操作期间可作为交流发电机操作的至少一个牵引电机、连接到电机并且在制动操作期间可作为整流器操作的至少一个逆变器、至少第一车轮滑动保护单元、以及带有传感器的信号传输系统。第一级制动控制单元连接到逆变器和连接到第一车轮滑动保护单元，以及第二级制动控制单元连接到第一级制动控制单元和连接到第二车轮滑动保护单元。行车制动模式和第一级紧急制动模式(如果可用的话)通过第一级制动控制单元执行，而第二级紧急制动模式通过第二级高整体性制动控制单元来执行。

电力线路优选是直流电力线路，以及制动系统包括直流链路，该直流链路带有连接到第二级制动控制单元和连接到逆变器的至少一个制动斩波器，以及电机是同步电机。

优选地，信号传输系统包括从第一级制动控制单元到紧急制动回路的第一连接和从第一级制动控制单元到负载重量传感器的第二连接。

优选地，信号传输系统包括从第一级制动控制单元到第二级制动控制单元和到线路断路器和/或至少一个分离接触器的带电信号连接。

根据一个实施例，传感器包括与轮轴相关联的一个或多个速度传感器，其中，第一级制动控制单元、第一车轮滑动保护单元、第二级制动控制单元和第二车轮滑动保护单元中的每一个连接到所述一个或多个速度传感器中的至少一个。

根据一个实施例，传感器包括在直流链路中的一个或多个电流传感器，其中，第一级制动控制单元和第二级制动控制单元中的每一个连接到所述一个或多个电流传感器中的至少一个。

根据本发明的另一方面，提供了轨道交通工具的轮轴(尤其是用于执行上述方法的轮轴)，该轮轴设有电动制动系统和不是全额定的机械制动系统，电动制动系统包括与轮轴相关联并且在制动操作期间可作为交流发电机操作的牵引电机、连接到该电机并且在制动操作期间可作为整流器操作的逆变器，其中该逆变器设有连接到第一车轮滑动保护单元的第一级制动控制单元以及连接到第一级制动控制单元和连接到第二车轮滑动保护单元的第二级制动控制单元。该轮轴未设有任何全额定机械制动系统。

根据本发明的另一方面，提供了用于电气多单元交通工具的制动系统(尤其是用于执行上述方法)，该制动系统包括：电力线路、多节车厢、多个逆变器，每节车厢通过一个或多个牵引电机驱动，每个牵引电机与牵引轮轴相关联并在制动操作期间可作为交流发电机操作，每个逆变器连接到牵引电机中的一个并且在制动操作期间，只有一个逆变器可作为整流器操作，其中，每个逆变器设有连接到第一车轮滑动保护单元的第一级制动控制单元以及连接到第一级制动控制单元和连接到第二车轮滑动保护单元的第二级制动控制单元。

车轮滑动保护按每个轮轴控制来执行并且在行车制动和紧急制动两者期间是可用的。由于行车制动(低到中等整体性)和第一级紧急制动(中等整体性需求)所需的低到中等整体性级别，车轮滑动保护通过第一级制动控制单元来执行。每当第二级紧急制动模式是有效的时，车轮滑动保护通过与第二级制动控制单元相关联的更高整体性的第二级车轮滑动保护来执行。

优选地，每个牵引轮轴设有机电制动系统(优选地为应用弹簧的制动系统)。

根据一个实施例，逆变器连接到设有电流传感器的直流链路，以及当由电流传感器检测的电流信号低于预定的优选严格正阈值时，第二级制动控制单元触发机电制动系统的应用。

根据一个实施例，每个驱动轮轴设有连接到第二级制动控制单元的至少一个旋转传感器，当由旋转传感器检测的旋转速度信号低于预定的优选严格正阈值(例如，对应于约3到5km/h的地面速度)时，第二级制动控制单元触发机电制动系统的应用。

根据本发明的另一方面，提供了用于轨道交通工具的制动系统，该制动系统包括：

-电力线路；

-紧急制动回路，其在没有紧急制动需求的情况下被激励，并且在有紧急制动需求的情况下去激励；

-驱动轮轴，每个驱动轮轴设有

-至少一个驻车制动器，

-至少一个电动制动器，

-静态转换器，其具有连接到电动制动器的交流端子以及直流端子，该静态转换器包括功率半导体开关和续流二极管的电路，该电路使得当功率半导体开关被禁用时，该电路作为无源整流器操作，并经由续流二极管将功率从交流端子转移到直流端子，

-直流链路，其用于将静态转换器的直流端子连接到电力线路，该直流链路包括一个或多个制动斩波器，

-第一级制动控制单元，其连接到紧急制动回路和至少相应的紧急制动需求以生成控制静态转换器的功率半导体开关和一个或多个制动斩波器中的至少一个的触发信号，以及

-第二级制动控制单元，其用于在存在紧急制动需求和存在第一级制动控制单元的故障条件的情况下控制一个或多个制动斩波器中的至少一个。

制动系统利用静态转换器的故障安全降级无源操作模式以将电动制动器的制动功率转移到直流链路并转移到制动斩波器，以在每当第一更低级制动控制单元被证明低效时实现更高整体性等级的紧急制动。

根据优选实施例，制动系统还包括行车制动需求线路、响应于行车制动需求线路上的行车制动需求信号以控制轮轴的减速下降到零的第一级制动控制单元。行车制动模式完全(甚至在非常低的速度)不涉及摩擦制动。因此，不需要为交通工具配备笨重和庞大的全额定摩擦制动器，并且交通工具不包括此类全额定摩擦制动器。在静止，通过电动制动器输送的保持转矩优选计算为估算或测量的负载重量(优选地，为在对应于电动制动器的轮轴上，或在这个轮轴隶属的转向架或运行齿轮上局部测量的负载重量)的函数。

根据优选实施例，每个驱动轮轴还设有驻车制动器，该驻车制动器优选是应用弹簧的电气释放的摩擦制动器。应当理解，不像其尺寸应当设计成使得在轨道交通工具从其巡航速度减速下降到静止时耗散掉轨道交通工具的大部分热量或全部动能的行车摩擦制动器，驻车制动器的尺寸应当设计成仅仅将轮轴保持在静止。

优选地，在交通工具于预定时间已处于静止时，第一级制动控制单元自动激活机械制动器并停用电动制动器。优选地，电动制动器在已应用机械制动器后渐进减少到零。

如果第二级制动控制单元被自动激活以执行高整体性紧急制动，则当达到电动制动系统的低效率条件时，驻车制动器可以被激活，因为无源整流器和制动斩波器的组合在非常低速度不提供足够的制动功率。电动制动系统的低效率条件优选是下列条件集合中的一个条件：

-轨道交通工具的速度小于预定的严格正阈值；

-直流链路中的电流幅值小于预定的严格正阈值。

当达到条件时，机械制动释放系统变得被去激励并且机械制动器自动应用。

根据一个实施例，第一级制动控制单元包括第一级车轮滑动保护控制器，其用于设定作为至少轮轴转速的函数的瞬时转矩限值和用于防止实际制动转矩超出该瞬时转矩限值。

优选地，第二级制动控制单元包括第二级车轮滑动保护控制器，其用于设定作为至少轮轴转速的函数的瞬时转矩限值和用于防止实际制动转矩超出该瞬时转矩限值。

根据优选实施例，每个驱动轮轴的第一级制动控制单元连接到负载重量传感器，该传感器用于测量在所述驱动轴上或在包括所述驱动轴的一对轴上的负载重量，并且该第一级制动控制单元基于通过负载重量传感器测量的负载重量值确定目标行车减速转矩。

每个驱动轮轴的第一级制动控制单元连接到负载重量传感器，该传感器用于测量在所述驱动轴上或在包括所述驱动轴的一对轮轴上的负载重量，并且该第一级制动控制单元基于通过负载重量传感器测量的负载重量值确定目标行车减速转矩。

电动制动器使用永久励磁同步电机(尤其是用作轨道交通工具的牵引电机的永磁电机)。由于这种电机的工作原理，自动锁定保护得以实现，因为，在100％滑动(车轮被锁定)时，电机制动转矩是零。

电力线路设有至少一个线路断路器。根据优选实施例，线路断路器的触发电路连接到第一级制动控制单元或连接到监控单元以在满足再生模式夭折条件时断开该线路断路器。在实践中，在制动期间电动制动器的拖动将触发线路的断路。

每个驱动轴有利地设有一个或多个传感器，该一个或多个传感器在包括在由驱动轮轴转速传感器、轮轴负载重量传感器和实际制动转矩传感器组成的传感器的列表中。

根据实施例，在存在紧急制动需求的情况下，当基于瞬时目标应急转矩值与实际转矩值之间的比较，第一级制动控制单元不足以减速轮轴时，检测到第一级制动控制单元的故障条件。根据优选实施例，基于轴负载重量传感器信号和驱动轮轴转速信号来计算瞬时目标紧急转矩值。

附图简述

根据仅作为非限制性示例给出并在附图中表示的本发明的具体实施例的以下描述，本发明的其他优点和特征应将变得更加明显，在附图中：

-图1是根据本发明的一个实施例的设有制动系统的轨道交通工具的示意图，

-图2是图1的制动系统的示意图。

对应的附图标记指的是附图中的每个附图中的相同或相应的部件。

具体实施方式

参照图1，轨道交通工具(在这个示例中，电气多单元交通工具)包括若干车厢10，每个车厢在一个或多个两轮轴转向架12上运行。每个转向架12设有安装在车身与转向架框架13之间的二级悬挂。二次悬挂可以包括调平系统14和负载称重传感器16。局部负载称重传感器是例如与气动或液压气动调平系统14相关联的压力传感器。附接于储气罐的压力传感器递送负载信号。

在所有轮轴18的示例中，至少某些轮轴18是驱动轴，每个驱动轴单独链接于专用的永久励磁同步电机20。每个轮轴也配备由一个或多个摩擦制动器22.1组成的电控机械驻车制动系统22。每个摩擦制动器22.1通过弹簧22.2偏向制动位置并通过电控致动器22.3释放。驻车制动器不是额定用于制动在非常低速度限值(例如3到5km/h)之上的交通工具。值得注意的是，轮轴18未设有额定用于将轨道交通工具的所有动能机械转换为热量的其他摩擦制动器。

每个永久励磁同步电机20单独连接到专用静态转换器24，可以在用于向相关永久励磁同步电机20供电的逆变器模式和用于制动永久励磁同步电机20的整流器模式中交替操作该静态转换器。如下面将更详细解释的，第一级制动控制单元26在行车制动和紧急制动两种情形下控制静态转换器。第一级制动控制单元26连接到紧急制动回路28和连接到行车制动线路30。在第一级制动控制单元26失效的情况下，更高整体性的第二级制动控制单元32接管电动制动的控制。

永久励磁同步电机20、静态转换器24、第一级制动控制单元26和第二级制动控制单元32一起构成与轮轴18相关联的电动制动系统33。如图2中所示，每个静态转换器24具有经由三相电路断路器36连接到相关永久励磁同步电机20的交流端子34以及连接到与第一级制动控制单元26相关联的直流链路40的直流端子38。电机20的转子经由齿轮装置42机械链接到轨道交通工具的轮轴18。轮轴18的钢轮44闭合电路并允许电流经由接地的轨道46回流到馈电站。静态转换器24包括功率半导体开关48和续流二极管50的电路。静态转换器24的功率半导体开关48通过第一级制动控制单元26控制并可以在用于向永久励磁同步电机20供电的逆变器模式和用于从永久励磁同步电机20向静态转换器24的直流端子38回馈能量的整流器模式中交替操作。静态转换器24的电路使得当功率半导体开关48被禁用时，该电路作为经由续流二极管50将电力从交流端子34转移到直流端子38的无源整流器操作。

轨道交通工具包括用于将交通工具连接到直流接触网54或第三轨道的一个或多个集电器52。每个静态转换器24经由直流链路40和线路断路器56单独连接到集电器52。直流链路40连接到静态转换器24的直流端子38并且包括第一级制动斩波器单元58和第二级制动斩波器单元60，所述制动斩波器单元中的每个包括与静态转换器24并联连接的制动斩波器62和制动斩波器电阻66以及相应的制动斩波器64和制动斩波器电阻68。直流链路还包括与制动斩波器单元58、60以及静态转换器24的直流端子38并联连接的直流链路电容器70。制动斩波器62或第一级制动斩波器单元58通过第一级制动控制单元进行控制，而第二级制动斩波器单元60的制动斩波器64通过第二级制动控制单元32进行控制。

第一级制动控制单元26接收来自紧急制动指令(例如连接到紧急制动回路28的二进制输入端、制动管或紧急按钮)的输入。第一级制动控制单元26还从对应于驱动轮轴18的转向架12的负载重量传感器16接收负载重量信号。另外，第一级制动控制单元26从与驱动轮轴18相关联的旋转传感器72接收转速信号。

相同转速信号馈送给第二级制动控制单元32。第一级制动控制单元和第二级制动控制单元26、32中的每一个分别设有车轮滑动保护单元74、76，该车轮滑动保护单元也被馈送转速信号。第一级制动控制单元和第二级制动控制单元26、32两者被连接到触发线路断路器56的生命线78和连接到电流传感器80，该电流传感器测量直流端子38之间的直流链路中流动的电流。

当静态转换器24在逆变器模式中操作并且永久励磁同步电机20作为电机运行以推动交通工具时，电流在直流链路40与静态转换器24的直流端子38之间流动。

当行车制动信号存在于行车制动需求线路30上时，制动只通过永久励磁同步机20执行并组合再生制动和变阻器制动，并且再生制动具有优先级。更为具体地，第一级制动控制单元26从行车制动需求线路接收信号并控制静态转换器的功率半导体开关以在整流器模式中操作静态转换器24，使得永久励磁同步机20作为交流发电机运行以通过静态转换器24向直流链路40输送电力。基于转速信号、负载重量信号、行车制动信号和来自车轮滑动保护单元74的滑动保护信号经由第一级制动控制单元26来控制静态转换器24的直流电压。如果电力线路允许这么做，电力回馈到电力线路。否则，第一级制动控制单元26断开线路断路器56，使得电力通过第一级制动斩波单元58的闭合制动斩波器62和制动斩波器电阻66来引导。需要注意的是，在行车制动期间的直流电压的控制基于每个轮轴来局部执行。

如果行车制动信号被维持，则交通工具通过如上所述的永久励磁同步电机20被减速降到静止而无需应用任何摩擦制动器。

在交通工具已达到静止后，保持转矩通过永久励磁同步电机20来维持。保持转矩通过第一级制动控制单元26来控制。保持转矩优选是通过负载重量传感器16局部测量的负载重量的函数。

在静止持续预定时间(例如10秒或1分钟)后，电控机械驻车制动器系统22被应用，并且通过永久励磁同步电机20施加的保持转矩逐渐减弱，以避免使静态转换器24的功率开关48过热。

如本领域的技术人员应当理解的，在标准模式中(即，当交通工具根据行车制动模式减速时)保持制动功能在电控机械驻车制动器系统22接管之前只通过电动制动器(即，永久励磁同步电机20)来初始执行。

每当馈送致动器22.3的电辅助能量下降到低于特定阈值时，也自动应用摩擦制动器22.1。在此情况下，辅助能量不足以保持驻车制动器在释放状态。随后，辅助能量的应用释放，并且驻车制动器恢复正常操作。

摩擦制动器22.1还可以通过操纵驻车制动按钮的驾驶员来应用或释放。

为阻止当轨道交通工具开始移动时的反向移动，非全额定机械制动系统仅在建立拖动转矩后被释放。当存在拖动转矩时，电控机械驻车制动器系统22接收释放信号，并且每个电控机械驻车制动器系统22的机电释放装置被致动以建立逆弹簧的反作用力以移动摩擦元件并且将其保持在释放位置。

在不存在紧急制动需求的情况下，紧急制动回路28被激励。如果紧急制动回路被去激励，则第一级制动控制单元26切换到第一级紧急制动模式，除了可达到最高减速以外，第一级紧急制动模式与行车制动模式是可比较的。第一级车轮滑动控制单元74在第一级紧急制动模式中仍然是有效的。

在第一级控制单元26故障的情况下，响应于紧急制动需求，第二级制动控制单元32接管。需要注意的是，基于每个轮轴执行从第一级紧急制动模式到第二级紧急制动模式的切换。故障对应于低于给定阈值的实际制动转矩，在每个时刻计算该实际制动转矩。在第二级紧急制动模式中，功率半导体开关48的门驱动单元被阻塞并且生命信号变成零。静态转换器24经由续流二极管50以无源整流模式操作。虽然第二级紧急制动模式中的制动效率小于第一级紧急制动模式中的制动效率，但是具有高整体性的降级减速性能仍然是可用的。第二级制动控制单元控制第二级制动斩波单元60的制动斩波器64。

当速度减速到低于给定阈值时，链接到作为无源整流器操作的静态转换器24的第二级制动斩波单元60不能提供足够的制动转矩。因此，第二级控制单元链接到机电驻车制动器并且去激励机电制动器(即，应用制动器)以通过摩擦使轮轴从低速(例如3到5km/h)减速下降到静止。第二级制动斩波单元60中的直流电流与永久励磁同步电机20的制动转矩成比例。因此，可以通过位于直流链路40中的电流传感器80或通过旋转传感器72测量的电流阈值触发摩擦制动器22.1的应用。

可以设想若干修改。架空电力线路或第三轨道可以是交流电力线路。

轨道交通工具的组合式电气驱动和制动系统可以设有单线路断路器或设有一个公用线路断路器以及在每个直流链路中设置一个线路断路器。

很显然，为了更高可靠性，速度传感器72、电流传感器80和/或线路断路器56可以是双份的，其中，每种类型的不同传感器与第一级制动控制单元和第二级制动控制单元相关联或所有的传感器与第一级制动控制单元和第二级制动控制单元26、32相关联。

单个公用制动斩波单元可以替代第一级制动斩波单元和第二级制动斩波单元。在此情况下，第一级制动控制单元和第二级制动控制单元两者都控制公用斩波器。

结合本发明的一个方面或实施例公开的技术特征可以与其他方面或实施例组合。

Claims (27)

1.一种用于轨道交通工具(10)的轮轴(18)的制动操作的方法，所述轮轴(18)设有电动制动系统(33)、位于牵引电机与所述电动制动系统的直流链路(40)之间的静态转换器(24)和非全额定机械制动系统(22)，所述方法至少包括：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

-所述驻车制动模式通过所述非全额定机械制动系统(22)执行；

-在不满足所述电动制动系统(33)的低效率条件时，通过所述电动制动系统(33)单独来执行所述高整体性紧急制动模式，以及当满足所述电动制动系统(33)的所述低效率条件时，至少部分通过所述非全额定机械制动系统(22)来执行所述高整体性紧急制动模式，同时在所述高整体性紧急制动模式中，所述静态转换器(24)作为无源整流器来运行，以及

-通过所述电动制动系统(33)从所述轨道交通工具(10)的高于100km/h的巡航速度下降到静止来单独执行所述行车制动模式，同时在所述行车制动模式中，所述静态转换器(24)作为有源整流器运行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述行车制动模式中减速下降到静止之后，所述电动制动系统(33)保持所述轮轴(18)静止预定时间，在所述预定时间之后，所述非全额定机械制动系统(22)接管并且所述电动制动系统(33)缓降或逐渐减弱。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述高整体性紧急制动模式中，只要所述轮轴已减速到阈值，则所述非全额定机械制动系统(22)渐进接管，且所述电动制动系统(33)缓降或逐渐减弱。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述高整体性紧急制动模式中，至电力线路(54)的连接被中断，并且所述电动制动系统(33)仅作为变阻器制动器来操作。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高整体性紧急制动模式是第二级紧急制动模式，并且所述方法还包括第一级紧急制动模式，其中，在所述第一级紧急制动模式出现故障时，所述第二级紧急制动模式被执行。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，单独地通过所述电动制动系统(33)从所述轨道交通工具的高于100km/h的巡航速度利用最大可用减速来下降到静止来执行所述第一级紧急制动模式。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电动制动系统(33)在所述行车制动模式和所述第一级紧急制动模式中作为再生制动器或作为变阻器制动器来操作，其中，所述再生制动器比所述变阻器制动器具有更高的优先级。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，车轮滑动保护(74，76)在所述行车制动模式、所述第一级紧急制动模式和所述第二级紧急制动模式期间是有效的。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述轨道交通工具的负载称重影响所述第一级紧急制动模式和所述第二级紧急制动模式中的至少一个。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当紧急制动回路断电时，所述第一级紧急制动模式被激活，并且当来自第一级制动控制单元的生命信号失效时，所述第二级紧急制动模式被激活。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，当与所述电动制动系统(33)相关联的直流链路(40)中的电流幅值或所述轨道交通工具(10)或所述轮轴(18)的速度下降到低于预定义阈值时，满足所述电动制动系统的所述低效率条件。

12.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述非全额定机械制动系统(22)是电控机械制动系统。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述电控机械制动系统是激励到释放制动系统。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述激励到释放制动系统是应用弹簧的制动系统。

15.一种用于轨道交通工具的制动操作的方法，所述轨道交通工具包括多个轮轴(18)，所述多个轮轴(18)中的每一个设有电动制动系统(33)和设有非全额定机械制动系统(22)，其中所述多个轮轴(18)中的每一个根据权利要求1到14中的任一项所述的方法单独进行制动。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述轨道交通工具是多单元轨道交通工具。

17.一种用于制动设有多个驱动轮轴(18)的轨道交通工具的制动系统，所述制动系统包括直流电力线(54)，以及对于所述多个驱动轮轴(18)中的每一个，所述制动系统包括：

-相关的电动制动系统(33)，包括在制动操作期间能够作为发电机操作的至少一个牵引电机(20)、连接到所述至少一个牵引电机的至少一个逆变器(24)、直流链路(40)，所述至少一个逆变器(24)连接在所述至少一个牵引电机与所述直流链路(40)之间并且在所述制动操作期间能够作为整流器操作，

-相关的非全额定机械制动系统(22)，

-相关的第一级制动控制单元(26)，用于至少从所述轨道交通工具的高于100km/h的巡航速度下降到静止单独利用所述相关的电动制动系统(33)来执行行车制动模式并用于在静止时单独利用所述相关的非全额定机械制动系统(22)来执行驻车制动模式，并且用于在所述行车制动模式中运行所述至少一个逆变器作为有源整流器，以及

-相关的第二级制动控制单元(32)，用于在不满足低效率条件时单独利用所述相关的电动制动系统(33)执行高整体性紧急制动模式以及当满足所述低效率条件时至少部分利用所述相关的非全额定机械制动系统(22)来执行所述高整体性紧急制动模式。

18.根据权利要求17所述的制动系统，其中，所述相关的非全额定机械制动系统(22)是与所述多个驱动轮轴中的每一个相关联的唯一的摩擦制动器。

19.根据权利要求17或18所述的制动系统，其中，所述相关的非全额定机械制动系统(22)是激励到释放制动系统。

20.根据权利要求19所述的制动系统，其中，所述激励到释放制动系统是应用弹簧的制动系统。

21.根据权利要求17、18和20中的任一项所述的制动系统，其特征在于，每个相关的非全额定机械制动系统(22)设有机械制动激活单元(22.3)，其中，所述相关的第一级制动控制单元(26)和所述相关的第二级制动控制单元(32)中的每一个连接到所述机械制动激活单元(22.3)。

22.根据权利要求17所述的制动系统，其特征在于，对于所述多个驱动轮轴(18)中的每一个，所述相关的电动制动系统包括至少第一车轮滑动保护单元(74，76)以及带有传感器(80，72)的信号传输系统。

23.根据权利要求22所述的制动系统，其特征在于，所述相关的第一级制动控制单元(26)连接到所述至少一个逆变器(24)和连接到所述第一车轮滑动保护单元(74)，以及所述相关的第二级制动控制单元(32)连接到所述相关的第一级制动控制单元(26)和连接到第二车轮滑动保护单元(76)。

24.根据权利要求22或权利要求23所述的制动系统，其特征在于，对于所述多个驱动轮轴(18)中的每一个，所述直流链路(40)具有连接到所述相关的第二级制动控制单元(32)和连接到所述至少一个逆变器(24)的至少一个制动斩波器(60，62)，其特征还在于，所述至少一个牵引电机(20)是同步电机。

25.根据权利要求24所述的制动系统，其特征在于，所述传感器包括在所述直流链路中的一个或多个电流传感器(80)，其中，所述相关的第一级制动控制单元(26)和所述相关的第二级制动控制单元(32)中的每一个连接到所述一个或多个电流传感器(80)中的至少一个。

26.根据权利要求22、23和25中的任一项所述的制动系统，其特征在于，所述信号传输系统包括从所述相关的第一级制动控制单元(26)到所述相关的第二级制动控制单元(32)和到线路断路器(56)和/或到至少一个分离接触器的带电信号连接。

27.根据权利要求22、23和25中的任一项所述的制动系统，其特征在于，所述传感器包括与所述多个驱动轮轴(18)中的所述每一个相关联的一个或多个速度传感器(72)，其中，所述相关的第一级制动控制单元(26)、所述第一车轮滑动保护单元(74)、所述相关的第二级制动控制单元(32)和第二车轮滑动保护单元(76)中的每一个连接到所述一个或多个速度传感器(72)中的至少一个。