CN110891821A - 监视驱动系统的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交通运输工具的驱动系统，其具有至少两个分别带有至少一个电气的牵引电动机和联接器的驱动系，至少一个共同地对所述至少两个牵引电动机供电的逆变器以及控制设备。按照本发明的方法至少包括步骤：针对所述至少两个驱动系的每个驱动系检测联接器的至少一个驱动侧的转速和至少一个负载侧的转速，由检测到的转速确定联接器的转差率的至少一个值，把转差率的所述至少一个确定出的值与预先规定的阈值比较。

Description

监视驱动系统的方法和装置
本发明涉及一种监视交通运输工具、尤其轨道交通运输工具的驱动系统的方法，所述交通运输工具、尤其轨道交通运输工具带有多个通过共同的变频器供电的驱动系(或称为动力总成系统)。本发明同样涉及一种监视交通运输工具的驱动系统的装置，所述交通运输工具实施按照本发明的方法。
在电驱动的带有多个驱动系的轨道交通运输工具中，尤其在电气的动车组中，会出现驱动系的联接器的断裂或者损伤，导致动轮转向架的相关的车轴不再被驱动。然而，这种联接器断裂很有可能在开始不会被觉察，因为仅失去一部分驱动功率。尤其在通过共同的变频器给轨道交通运输工具的多个驱动系供电时，由于在一个驱动系中联接器断裂和由此而进行的所需转矩向另外的驱动系上的重新分配，所以在所述另外的驱动系中的组件发生过载。这种过载例如导致调节器介入(Abregeleingriffen)，其相应地涉及所有由共同的变频器供电的驱动系，因为相关驱动系的牵引电动机不能被单独调节。若这种调节不立即进行，则它不利地会导致驱动系组件中的损坏。
本发明要解决的技术问题是，要能快速识别在驱动系中联接器的断裂或者受损，并且以此实现的可能性在于，能采取相应的措施以便保护涉及到的驱动系或者另外的驱动系的组件。上述技术问题通过按照独立权利要求所述的方法以及装置解决。本发明的另外的改进设计在相应地从属的权利要求中定义。
本发明的第一方面涉及一种监视交通运输工具的驱动系统的方法。在此，所述驱动系统具有至少两个驱动系，驱动系分别带有至少一个电气的牵引电动机和联接器，至少一个共同地对所述至少两个牵引电动机供电的逆变器，以及控制设备。按照本发明的方法至少包括下述步骤，即针对所述至少两个驱动系每一个都检测联接器的至少一个驱动侧的转速和至少一个负载侧的转速，由检测到的所述(多个)转速确定联接器的转差率的至少一个值，转差率的至少一个确定出的值与预先规定的阈值比较。
有利的是，可以通过按照本发明的方法比较快地识别联接器断裂的存在。优选地，按照根据本发明的方法的改进设计，根据相应的比较的结果，在识别到联接器的可能的断裂时，启动至少一个措施以保护驱动系统，以便防止可能由联接器断裂导致在相关的驱动系或者相同的驱动系统的其他的驱动系的另外的组件上的损坏。有利的是还可以实现对驱动系维护的简化，因为能比较简单地识别和定位驱动系的联接器的断裂、损伤或者功能故障。
按照改进设计方案，至少两个驱动系的驱动侧的和负载侧的转速分别通过传感器检测。在此，这种转速传感器可以是已知的旋转编码器(或者说转速传感器)，尤其脉冲传感器。负载侧的转速可以按照另外的改进设计甚至由检测到的交通运输工具的速度算出。
按照另外的改进设计，至少确定所述转差率的至少一个值的步骤和把所述转差率的至少一个确定出的值与预先规定的阈值比较的步骤在控制设备中实施。
按照另外的改进设计，相应的驱动系的转差率的所述至少一个值基于针对通过计算在驱动侧的转速和负载侧的转速之间的差值除以驱动侧的转速计算转差率的通用等式确定。
按照另外的改进设计，相应的驱动系的转差率的所述至少一个值通过由驱动系的多个检测到的驱动侧的转速计算平均值或者中数确定。
本发明的第二方面涉及一种监视交通运输工具的驱动系统的装置，其中，所述驱动系统具有分别带有至少一个电气的牵引电动机和联接器的驱动系和共同对所述至少两个牵引电动机供电的逆变器，还具有控制设备和多个用于检测所述至少两个驱动系的每个驱动系的联接器的驱动侧的转速和负载侧的转速的传感器。按照本发明，所述控制设备设计为，控制设备针对所述至少两个驱动系的每个驱动系由检测到的转速确定联接器的转差率的至少一个值，并且针对所述至少两个驱动系的每个驱动系把转差率的至少一个确定出的值与预先规定的阈值比较。
所述交通运输工具可以设计为轨道交通运输工具，尤其设计为动车组，其中，所述至少两个驱动系此外可以分别具有支承在动轮转向架中的轮组轴，轮组轴具有布置在轮组轴上的车轮或者轮盘。此外，所述至少两个驱动系的至少两个牵引电动机可以设计为交流电异步电机。
下面根据实施例进一步阐述本发明。附图中：
图1示出轨道交通运输工具的侧视图，
图2示出动轮转向架的俯视图，
图3示出带有四个驱动系的驱动系统，
图4示出转差率关于转速的曲线，
图5示出按照本发明的方法的流程图。
清楚起见，在附图中针对相同的或者近似相同地作用的组件使用同一附图标记。
图1示意性以侧视图示出示例性轨道交通运输工具TZ。示例性示出的轨道交通运输工具TZ设计为用于客运的、带有多个车厢的动车组，其中，仅一个第一车厢显示为端部车厢EW的形式，连在第一车厢上的第二车厢显示为中间车厢MW的形式。这两个车厢分别具有箱体WK，箱体WK通过动轮转向架TDG或者从轮转向架LDG形式的转向架支撑在未示出的轨道上。所示端部车厢EW的箱体WK例如分为多个空间区域。这些区域一方面是在箱体WK的前部区域中的驾驶员室，另一方面是邻接在驾驶员室上乘客室，在乘客室中配设有用于乘客的座椅。与端部车厢EW耦连的中部车厢MW相反地仅具有乘客室。两个车厢的相应乘客室可以由乘客经过布置在相应箱体的侧壁中的未示出的车门进入和离开。此外，乘客可以通过车厢过渡部到达相应的相邻车厢中。这种车厢过渡部通常通过波状管或者折棚保护防止环境影响。
在图1的示例性的动车组TZ的端部车厢EW中还示出电驱动的动车组的典型驱动链AK的已知组件。在此，它们仅示例性布置在端部车厢EW的所述乘客室的区域中，而在实际中它们可以以已知方式布置在车厢的其他位置上，例如在箱体内部的专门的空间或者区域中，在箱体的底板区域中或者甚至在顶部区域中。在此，组件以与动轮转向架的分布相同的方式在多个车厢上分布也是可行的。例如为此引用专利文献EP2812208B1，其中，驱动链的组件在轨道交通运输工具的多个车厢上分布地布置。
通过示例性地布置在端部车厢EW的箱体的顶部区域中的受电器SA，驱动链AK与未示出的接触网导线或者架空线接触，并且从其中例如得到铁路供电网的单相交流电压。该交流电压通过同样未示出的总开关输送至变压器TF的初级线圈，其中，电网的高压被转变为低压。变压器TF的次级线圈与整流器GR连接，在整流器中被变压的交流电压被整流。在整流器GR之后连接有直流电压中间电路ZK，逆变器WR由中间电路供电。在此，逆变器例如设计为带有开关元件、尤其IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)半导体构件的脉冲逆变器。所述由整流器，中间电路和逆变器构成的组合也被称为变频器或者牵引变流器。其功能是已知的，由电网的交流电压产生在频率和幅度方面可变的三相交流电压，利用该三相交流电压可以调节用于轨道交通运输工具的牵引的交流电动机或者异步电机的转速和转矩。在图1的示例中，逆变器WR给四个布置在端部车厢EW的两个动轮转向架TDG中的牵引电动机供电。在此，这些组件的功能由示例性示出的控制设备ST控制。
图2示意性以俯视图示出示例性动轮转向架TDG。按照图1的示例，动车组TZ的端部车厢EW的箱体WK支承在两个这种动轮转向架TDG上。每个动轮转向架TDG都具有两个轮组RS1、RS2，轮组RS1、RS2在转向架框DGR上借助轮组轴承RSL固定。在此，转向架框DGR例如由两个沿轨道交通运输工具的行驶方向FR平行延伸的纵梁LT以及两个垂直于纵梁定向的并且与纵梁连接的横梁QT构成。在图2的示例中，两个牵引电动机M1、M2分别布置在横梁QT和配属于相应的牵引电动机M1、M2的轮组RS1、RS2的轮组轴RSW之间，并且固定在初级减振的转向架框DGR上。牵引电动机M1、M2的电机轴因此平行于相应轮组RS1、RS2的转动轴线并且因此横向于动车组的行驶方向FR地定向。这种布局也作为横向驱动系统已知。牵引电动机M1、M2的转矩分别通过联接器K1、K2以及传动单元G1、G2，例如减速传动器或者单级正齿轮传动器机械地传输到配属的轮组RS1、RS2的轮组轴RSW1、RSW2上。相应的轮组通常是次级减振的并且能有限地运动地支承在基体中。传动装置G1、G2一方面支撑在轮组轴RSW1、RSW2上，另一方面通过增距器支撑在转向架框DGR上。因此，牵引电动机M1、M2被完全减振，而传动装置G1、G2仅被部分减振。因此，联接器K1、K2额外的任务是，补偿在牵引电动机和传动装置之间的相对运动。为此，尤其在高速动车组中使用可以补偿这种相对运动的圆弧齿联接器。相对于图2中所示装置备选地，牵引电动机与轮组轴的机械耦连也可以仅仅借助联接器并且不具有额外传动单元地进行。
图3基于图1和图2示意性示出带有四个驱动系的示例性驱动系统的组件，据此说明对联接器断裂的按照本发明的确定。示意性示出的四个驱动系AS1-AS4通过共同的变频器以已知方式供电，其中仅示出相应于图1的逆变器WR。相应于上文所述，共同的变频器通过示例性示出的控制设备ST控制地产生在频率和幅度方面可变的三相交流电压，利用该三相交流电压控制驱动系AS1-AS4的设计为异步电机的牵引电动机M1-M4的转速和转矩。牵引电动机M1-M4分别通过驱动轴机械地与例如上述圆弧齿联接器的联接器K1-K4连接。联接器K1-K4的相应的从动轴，即负载侧的轴通过联接器建立与相应的驱动轴的连接，并且又与传动装置G1-G4的输入侧机械地连接。相应的传动装置G1-G4的输出侧与轮组RS1-RS4连接，如图2所示。
根据本发明，对图3的四个驱动系AS1-AS4的联接器K1-K4中的一个联接器的可能的断裂的识别通过相应确定的转差率进行。在牵引电动机设计为异步电机的情况下，异步电机的定子的旋转磁场频率随变频器的输出频率变化。转差率s关于异步电机在通过变频器运行时的转速n的典型曲线在图4中示例性示出。通常，异步电机的转差率s通过下述等式确定：
s＝(nD-nL)/nD(1)
其中，nD是旋转磁场的转速，nL是异步电机的转子的转速。由此曲线可见，在转速n较低时，转差率是比较大的，转差率s最大可以为1，而在转速n较高时，转差率s趋近于零。
用于确定转差率s的上述等式(1)现在可用于，在控制设备ST中基于检测到的转速确定驱动系AS1-AS4的相应转差率s1-s4的值，或者专门确定驱动系AS1-AS4的联接器K1-K4的相应转差率的值。在此，分别使用牵引电动机M1-M4的驱动轴的检测到的转速nm1-nm4形式的驱动侧的转速替代旋转磁场nD的转速。相反，替代牵引电动机M1-M4的转子的转速nL的是分别使用例如从动轴的检测到的转速nk1-nk4形式的负载侧的转速。示例性的第一驱动系AS1的转差率s1可以相应地如下计算：
s1＝(nm1-nk1)/nm1(2)。
相对于从动轴的转速nk1-nk4备选地，作为负载侧转速甚至可以使用在传动装置G1-G4的输出端处的转速ng1-ng4或者轮组RS1-RS4的轮组轴RSW的转速或者车轮的转速，其中，在此情况中，必须考虑传动装置的传动比导致存在的转速差。相应的轴的转速以已知方式，例如借助旋转编码器，尤其借助脉冲传感器确定。
在联接器连通的情况下，例如在轨道交通运输工具正常的行驶运行期间，形状配合的转矩传输导致示例性的第一驱动系AS1的驱动侧和负载侧转速一致或者说近似一致，nm1＝nk1。针对第一驱动系AS1，上述等式(2)相应地产生转差率s1的为零或者近似为零的值：
s1＝(nm1-nk1)/nm1＝0(3)。
若在驱动系中，例如在图3所示的第二驱动系AS2中发生联接器K2的断裂或者损坏，结果在驱动轴和从动轴之间形状配合的转矩传输突然中断，则第二驱动系AS2的牵引电动机M2突然失去负载。结果是，在很短的补偿过程之后，第二牵引电动机M2的转子达到空转，其中，驱动轴的机械的转速几乎与旋转磁场nD的转速一致，因为第二牵引电动机M2与三个另外的牵引电动机M1、M3和M4一样继续由变频器供电。由于缺少了在驱动轴和从动轴之间形状配合的转矩传输并且由于在轨道和第二轮组RS2的车轮之间的摩擦，原则上第二驱动系AS2的负载侧转速减小为零，并且在驱动侧和负载侧转速之间的转差率s2趋近于值1。然而，在轨道交通运输工具在正常的行驶运行中时，不发生相关的第二轮组RS2的静止或者锁阻，相反地，第二轮组RS2被迫连带运行并且继续与另外三个驱动系AS1、AS3、AS4的轮组RS1、RS3、RS4相应地转动。
第二轮组RS2的这种连带运行导致轮组RS2的负载侧转速ng2或者从动轴的转速nk2不衰减为零，使得在第二驱动系AS2的驱动轴nm2和从动轴nk2的转速之间的转差率s2的值趋近于另外三个驱动系AS1,AS3,AS4的牵引电动机M1,M3,M4的转差率的值。在正常的行驶运行时，另外三个驱动系AS1,AS3,AS4的转差率的值相应于上文针对第一驱动系AS1所述趋近于零，而带有受损联接器K2的第二驱动系AS2的转差率s2的值明显不为零。在驱动系AS1-AS4的转差率s1-s4的值方面的这种可区分性，实现了对存在联接器断裂的识别，在本例中特别是第二驱动系AS2的联接器K2的断裂。
针对第二驱动系AS2，上述等式(2)相应地适用于计算转差率s2的值：
s2＝(nm2-nk2)/nm2(4)。
在第二轮组RS2的所述连带运行中，驱动侧转速nm2近似与旋转磁场的转速nD一致，而负载侧转速nm2近似与第一驱动系AS1的负载侧转速nk1一致。这导致等式(4)针对转差率s2的值的下述变型：
s2≈(nD-nk1)/nD(5)。
因此，在转速nk2的情况下，第二驱动系AS2的转差率s2的值约与转子的转速为nm1情况下第一牵引电动机M1的转差率的值一致。该值s2例如在
图4中给出。
驱动系AS1-AS4的转差率s1-s4的确定出的相应的值在控制设备ST中例如与预先规定的阈值比较。在此，该阈值应根据异步电机的或者说牵引电动机的旋转磁场的频率确定，以便考虑由异步电机的制造商规定的转差率关于旋转磁场的频率的曲线。
预先规定的阈值被转差率s的确定出的值超过(即按照针对第二驱动系AS2的上述示例的情况)可以被用作针对存在驱动系的联接器断裂或者损伤的指标。在确定存在或者可能存在联接器断裂之后，可以由控制设备ST采取用于保护驱动系统的措施。因此，作为示例性的第一措施，共同的变频器的逆变器WR可以这样被控制，使得逆变器WR给所有与该逆变器WR连接的驱动系AS1-AS4的牵引电动机M1-M4这样供电，使得牵引电动机M1-M4不再产生转矩。该第一措施导致，牵引电动机M1,M3,M4由于联接器K1,K3,K4继续连通并且因此继续存在形状配合的转矩传输而分别以这样转速运行，该转速在考虑传动装置存在的变速比的情况下与只是连带运行的轮组的当前转速一致。第二驱动系AS2的牵引电动机M2相反地如上所述地，以这样的转速运行，该转速近似与旋转磁场的转速一致。作为补充的或者备选的示例性第二措施，控制设备ST可以给该轨道交通运输工具的驾驶员和/或中央控制中心就驱动功率的确定的部分损失发出指示，优选在说明已确定出的、潜在受损的驱动系的情况下发出指示。这种指示使得交通运输工具驾驶员或者维护人员进行向交通运输工具驱动装置的控制的人工介入，或者甚至对相关驱动系的专门对联接器或者所有组件的视觉检查。
上述说明基于的假设是，多个驱动系中仅一个具有损伤，因为在实践中多个联接器的同时断裂仅以非常低的概率发生。此外要注意，对于按照本发明地识别联接器断裂不需要的是，驱动系统具有四个由共同变频器供电的驱动系。只是必须存在的可能性是，由共同变频器供电的至少两个驱动系的转差率值的比较。此外，在相应驱动系的转差率与阈值的所述比较时，计算出的转差率可以是平均值，即转差率的值由多个在一时间段上确定的相应的转速的平均而算出。备选地，为此甚至可以使用源自多个分别确定的转速的中数。有利的是，暂时的转速变化，例如由于尤其在加速过程会出现的轮组的车轮暂时打滑或者由于弯道行驶导致的转速变化保持被忽视。
图5示出针对在另外的附图中示例性示出的驱动系统的上述按照本发明的方法的示意性流程图。在第一步骤VS1中，针对每个驱动系AS1-AS4都检测驱动侧转速nm1-nm4和负载侧的转速nk1-nk4。在第二步骤VS2中，由这些检测到的转速确定驱动系AS1-AS4的相应转差率s1-s4的值。相应转差率s1-s4的确定出的值在第三步骤VS3中与预先确定的阈值比较。若该比较的结果是，转差率的确定出的值大于预先规定的阈值，则在第四步骤VS4中启动至少一个保护驱动系统的措施。然而若该比较的结果是，转差率的确定出的值小于或者等于所述阈值，则不启动保护驱动系统的措施并且继续检测转速。

Claims (13)

1.一种用于监视交通运输工具的驱动系统的方法，
其中，所述驱动系统具有至少两个分别带有至少一个电气的牵引电动机(M1-M4)和联接器(K1-K4)的驱动系(AS1-AS4)，至少一个共同地对所述至少两个牵引电动机(M1-M4)供电的逆变器(WR)，以及控制设备(ST)，
所述方法包括步骤：
针对所述至少两个驱动系(AS1-AS4)的每个驱动系、
检测联接器(K1-K4)的至少一个驱动侧的转速(nm1-nm4)和至少一个负载侧的转速(nk1-nk4,ng1-ng4)，
针对所述至少两个驱动系(AS1-AS4)的每个驱动系、
由检测到的转速(nm1-nm4,nk1-nk4,ng1-ng4)确定联接器(K1-K4)的转差率(s1-s4)的至少一个值，
针对所述至少两个驱动系(AS1-AS4)的每个驱动系、
把转差率(s)的所述至少一个确定出的值与预先规定的阈值比较。
2.按照权利要求1所述的方法，其包括另外的步骤：
根据相应的比较的结果启动至少一个保护驱动系统的措施。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其中
分别通过传感器检测所述至少两个驱动系(AS1-AS4)的驱动侧的转速(nm1-nm4)和负载侧的转速(nk1-nk4,ng1-ng4)。
4.按照上述权利要求之一所述的方法，其中
在控制设备(ST)中至少实施确定转差率(s1-s4)的所述至少一个值的步骤和把转差率(s1-s4)的至少一个确定出的值与预先规定的阈值相比较的步骤。
5.按照上述权利要求之一所述的方法，其中
相应的驱动系(AS1-AS4)的转差率(s1-s4)的所述至少一个值由驱动侧的转速(nm1-nm4)和负载侧的转速(nk1-nk4,ng1-ng4)之间的差值除以驱动侧的转速(nm1-nm4)确定。
6.按照上述权利要求之一所述的方法，其中
负载侧的转速(nk1-nk4,ng1-ng4)由检测到的交通运输工具的速度算出。
7.按照上述权利要求之一所述的方法，其中
相应的驱动系(AS1-AS4)的转差率(s1-s4)的所述至少一个值通过由驱动系(AS1-AS4)的多个检测到的驱动侧的转速(nm1-nm4,nk1-nk4,ng1-ng4)计算平均值或者中数确定。
8.按照上述权利要求之一所述的方法，其中
所述交通运输工具设计为轨道交通运输工具，尤其设计为动车组(TZ)，其中，所述至少两个驱动系(AS1-AS4)此外分别具有支承在动轮转向架(TDG)中的轮组(RS1-RS4)，所述轮组具有轮组轴(RSW1,RSW2)和布置在轮组轴上的车轮(R)。
9.按照上述权利要求之一所述的方法，其中
所述至少两个驱动系(AS1-AS4)的至少两个牵引电动机(M1-M4)设计为交流电异步电机。
10.一种用于监视交通运输工具的驱动系统的装置，其中，所述驱动系统具有至少两个驱动系(AS1-AS4)，所述驱动系分别带有至少一个电气的牵引电动机(M1-M4)和联接器(K1-K4)，所述驱动系统具有共同地对所述至少两个牵引电动机(M1-M4)供电的逆变器(WR)，所述驱动系统具有控制设备(ST)，
所述驱动系统具有多个用于检测所述至少两个驱动系(AS1-AS4)的每个驱动系的联接器(K1-K4)的驱动侧的转速(nm1-nm4)和负载侧的转速(nk1-nk4,ng1-ng4)的传感器，
其中，所述控制设备(ST)设计为，控制设备针对所述至少两个驱动系(AS1-AS4)的每个驱动系、由检测到的转速(nm1-nm4,nk1-nk4,ng1-ng4)确定联接器(K1-K4)的转差率(s1-s4)的至少一个值，并且针对所述至少两个驱动系(AS1-AS4)的每个驱动系、把转差率(s)的至少一个确定出的值与预先规定的阈值比较。
11.按照权利要求10所述的装置，其中
所述交通运输工具设计为轨道交通运输工具，尤其设计为动车组(TZ)。
12.按照权利要求11所述的装置，其中
所述至少两个驱动系(AS1-AS4)此外分别具有支承在动轮转向架(TDG)中的轮组(RS1-RS4)，轮组具有轮组轴(RSW)和布置在轮组轴上的车轮(R)。
13.按照权利要求10，11或12所述的方法，其中
所述至少两个驱动系(AS1-AS4)的至少两个牵引电动机(M1-M4)设计为交流电异步电机。
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