CN111186312B - 一种轨道车辆牵引及制动系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆牵引及制动系统及方法，该方法基于该系统，电机，转动并产生扭矩提供轨道车辆牵引的牵引力；转动并产生扭矩提供轨道车辆制动的制动力；位置传感器，安装在电机轴上，信号端与牵引变流器连接，采集电机的位置信息并传输到牵引变流器；牵引变流器，与电源、电机和位置传感器连接，接入主动力电源进行调节后输出三相电源，接收位置传感器采集的电机的位置信息，根据电机的位置信息计算电机的转速以及加速度；根据电机的转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率，使得电机能够在低速及零速时产生稳定可控的制动扭矩。

Description

一种轨道车辆牵引及制动系统及方法
技术领域
本发明属于轨道车辆电子电力技术领域，具体地说，涉及一种轨道车辆牵引及制动系统及方法。
背景技术
随着我国经济的发展，城市现代化越来越高，人们出行也越来越方便，全国范围内分布的越来越广，覆盖范围越来越大的轨道交通使得人们出行也越来越方便，目前的轨道交通中使用较多的是地铁和火车。牵引及制动系统是轨道交通的重要组成部分，用来实现车辆的移动控制。现在的牵引制动系统中，牵引时，牵引力往前，轮正向转，电机产生往前的正向推力。制动时，轮往前走，制动力往后。传统的电机和牵引变流器无法做到在低速时稳定控制扭矩以提供稳定可控的制动力输出。通常在制动过程中，当列车时速降低到一定速度时，制动力会急剧下降，也就是说在低速段，没有足够的稳定的制动力，制动力曲线如图5中的传统电机制动力Bo曲线，这时，空气刹车介入，制动时，闸瓦压紧车轮，轮瓦之间发生摩擦，列车的动能大部分通过摩擦作用变成热能，并经车轮与闸瓦逸散掉。闸瓦与车轮的摩擦产生大量闸瓦粉末，逸散到空气中。
发明内容
针对现有技术中上述的不足，本发明提供一种轨道车辆牵引及制动系统及方法，该系统采用纯电机实现制动，牵引变流器根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度和目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率，电机在三相电源的作用下转动并实现在低速及零速时提供稳定可控的制动扭矩，实现纯电机制动。该方法基于该系统，能够实现车辆的纯电机牵引和制动。
为了达到上述目的，本发明采用的解决方案是：一种轨道车辆牵引及制动系统，包括：
电机，转动并产生扭矩提供轨道车辆牵引的牵引力；转动并产生扭矩提供轨道车辆制动的制动力；
位置传感器，安装在电机轴上，信号端与牵引变流器连接，采集电机的位置信息并传输到牵引变流器；
牵引变流器，与电源、电机和位置传感器连接，接入主动力电源进行调节后输出三相电源，接收位置传感器采集的电机的位置信息，根据电机的位置信息计算电机的转速以及加速度；根据电机的转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率，使得电机能够在低速及零速时产生稳定可控的制动扭矩。
所述的电机在零速时能够实现零速锁定。当电机轴处于零速时，外部施加一个扭矩在电机轴上，电机轴位置改变，位置传感器采集该位置变化数据，牵引变流器根据采集到的位置给定电机一个扭矩，牵引变流器根据电机的转速、电机当前工况对应的转差率以及给定的扭矩计算磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率，控制电机产生与外部施加的扭矩相反的扭矩，使电机轴回复初始位置。整个过程采用PID控制过程实现控制。扭矩匹配功能使得轨道车辆停在坡道上时，则不需要制动结构或其他装置，仅依靠电机就能够实现车辆稳定停靠在轨道上。
所述的磁场旋转速度的计算公式如下：
n磁场＝n电机+S·T，其中，n磁场为磁场旋转速度，n电机为电机实际转速，S为电机当前工况对应的转差率，T为目标扭矩。
所述的牵引及制动系统还包括控制电源以及配置于转向架的的电机和用于对电机进行制动的制动总成，所述的制动总成包括若干组制动组件，牵引变流器接收记录轨道车辆的载荷参数，并根据轨道车辆的故障类型和载荷参数预定对应制动扭矩的制动方式，当所述轨道车辆动力电源和/或控制电源失电时，所述牵引变流器根据预定的制动方式控制制动总成对电机进行制动。
所述故障类型为包括：控制电源失电，动力电源保持供电或失电；以及控制电源保持供电，动力电源失电。
所述的牵引变流器在减速时控制电机输出零扭矩，同时给电机一个大于轨道车辆减速度的电机减速度，根据减速箱齿轮齿间缝隙、轨道车辆减速度以及电机减速度计算时间差Δt，牵引变流器控制电机以电机减速度减速Δt时长，然后开始输出制动扭矩，有效避免与电机连接的减速箱内的齿轮打齿，避免齿轮损坏，延长齿轮使用寿命。
所述的电机减速度为100％·轨道车辆减速度＜电机减速度≤500％·轨道车辆减速度，时间差
Figure GDA0002856982250000031
其中S齿间为减速箱齿轮齿间缝隙，a机为电机减速度，a车为轨道车辆减速度。
基于轨道车辆牵引及制动系统的方法，包括牵引阶段和制动阶段；
所述的牵引阶段包括：
S101：系统启动，牵引变流器得电；
S102：牵引变流器根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率；
S103：电机运转产生扭矩提供轨道车辆牵引的牵引力；
所述的制动阶段包括：
S201：牵引变流器根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率；
S202：电机运转产生扭矩提供轨道车辆制动的制动力。在制动的全过程都采用电机提供反向扭矩进行制动，尤其是在低速和零速时，提供稳定可控的制动扭矩，实现纯电机制动。
所述的牵引及制动方法还包括紧急制动，制动组件根据制动策略进行紧急制动。
所述的制动阶段还包括防止打齿步骤：在车辆减速时，牵引变流器在减速时控制电机输出零扭矩，同时给电机一个大于轨道车辆减速度的电机减速度，根据减速箱齿轮齿间缝隙、轨道车辆减速度以及电机减速度计算时间差Δt，牵引变流器控制电机以电机减速度减速Δt时长，然后开始输出制动扭矩。
本发明的有益效果是：
(1)该系统采用纯电机实现制动，牵引变流器根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度根据磁场旋转速度调节输出的三相电源的电流、电压和频率，电机在三相电源的作用下转动并实现在低速及零速时提供稳定的制动扭矩，实现纯电机制动。该方法基于该系统，能够实现车辆的纯电机牵引和制动。
附图说明
图1为本发明牵引及制动系统框图；
图2为本发明制动组件示意图；
图3为本发明牵引方法流程图；
图4为本发明制动方法流程图；
图5为传统制动与本发明制动制动力示意曲线图；
图中，11-电机轴，12-制动盘，13-衔铁，14-固定铁芯，141-线圈，142-第一压缩弹簧，143-第二压缩弹簧。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，一种轨道车辆牵引及制动系统，包括：
电机，转动并产生扭矩提供轨道车辆牵引的牵引力；转动并产生扭矩提供轨道车辆制动的制动力；
位置传感器，安装在电机轴上，信号端与牵引变流器连接，采集电机的位置信息并传输到牵引变流器；
牵引变流器，与电源、电机和位置传感器连接，接入主动力电源进行调节后输出三相电源，接收位置传感器采集的电机的位置信息，根据电机的位置信息计算电机的转速以及加速度；根据电机的转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率，使得电机能够在低速及零速时产生稳定可控的制动扭矩。
所述的电机在零速时能够实现零速锁定。当电机轴处于零速时，外部施加一个扭矩在电机轴上，电机轴位置改变，位置传感器采集该位置变化数据，牵引变流器根据采集到的位置给定电机一个扭矩，牵引变流器根据电机的转速、电机当前工况对应的转差率以及给定的扭矩计算磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率，控制电机产生与外部施加的扭矩相反的扭矩，使电机轴回复初始位置。整个过程采用PID控制过程实现控制。扭矩匹配功能使得轨道车辆停在坡道上时，则不需要制动结构或其他装置，仅依靠电机就能够实现车辆稳定停靠在轨道上。
所述的磁场旋转速度的计算公式如下：
n磁场＝n电机+S·T，其中，n磁场为磁场旋转速度，n电机为电机实际转速，S为电机当前工况对应的转差率，T为目标扭矩。
所述的牵引及制动系统还包括控制电源以及配置于转向架的的电机和用于对电机进行制动的制动总成，所述的制动总成包括若干组制动组件，牵引变流器接收记录轨道车辆的载荷参数，并根据轨道车辆的故障类型和载荷参数预定对应制动扭矩的制动方式，当所述轨道车辆动力电源和/或控制电源失电时，所述牵引变流器根据预定的制动方式控制制动总成对电机进行制动。
所述的制动总成配置有一组或多组制动组件，如图2所示，制动组件包括制动盘12、衔铁13和固定铁芯14，所述制动盘12、固定铁芯14与电机轴11固定，所述衔铁13套设于电机轴11，所述衔铁13位于制动盘12、固定铁芯14之间，所述衔铁13沿电机轴11轴向自由移动，所述固定铁芯14面向衔铁13一端设有线圈141和压缩弹簧142，所述线圈141通电后，所述衔铁13被磁吸贴紧固定铁芯14端面并压缩压缩弹簧142；所述线圈141断电后，所述压缩弹簧142推动衔铁13移动并贴紧制动盘12端面。制动组件对电机产生的制动力是通过衔铁13与制动盘12的摩擦力提供，衔铁13与制动盘12的摩擦力通过压缩弹簧142控制。
所述故障类型为包括：控制电源失电，动力电源保持供电或失电；以及控制电源保持供电，动力电源失电。
所述的牵引变流器在减速时控制电机输出零扭矩，同时给电机一个大于轨道车辆减速度的电机减速度，根据减速箱齿轮齿间缝隙、轨道车辆减速度以及电机减速度计算时间差Δt，牵引变流器控制电机以电机减速度减速Δt时长，然后开始输出制动扭矩，有效避免与电机连接的减速箱内的齿轮打齿，避免齿轮损坏，延长齿轮使用寿命。
所述的电机减速度为100％·轨道车辆减速度＜电机减速度≤500％·轨道车辆减速度，时间差
Figure GDA0002856982250000071
其中S齿间为减速箱齿轮齿间缝隙，a机为电机减速度，a车为轨道车辆减速度。
基于轨道车辆牵引及制动系统的方法，包括牵引阶段和制动阶段；
如图3所示，所述的牵引阶段包括：
S101：系统启动，牵引变流器得电；
S102：牵引变流器根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率；
S103：电机运转产生扭矩提供轨道车辆牵引的牵引力；
如图4所示，所述的制动阶段包括：
S201：牵引变流器根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率；
S202：电机运转产生扭矩提供轨道车辆制动的制动力。在制动的全过程都采用电机提供反向扭矩进行制动，尤其是在低速和零速时，提供稳定可控的制动扭矩，实现纯电机制动。
所述的牵引及制动方法还包括紧急制动，制动组件根据制动策略进行紧急制动。
所述的制动阶段还包括防止打齿步骤：在车辆减速时，牵引变流器在减速时控制电机输出零扭矩，同时给电机一个大于轨道车辆减速度的电机减速度，根据减速箱齿轮齿间缝隙、轨道车辆减速度以及电机减速度计算时间差Δt，牵引变流器控制电机以电机减速度减速Δt时长，然后开始输出制动扭矩。
实施例一
在本发明的一个实施例中，该轨道车辆仅采用电机来实现制动，系统包括电机，安装在电机上的位置传感器，以及与位置传感器和电机连接的牵引变流器，在牵引过程中，牵引变流器根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率；电机在三相电源的作用下产生扭矩提供轨道车辆牵引的牵引力；在制动过程中，同样根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率，电机在三相电源的作用下产生扭矩提供轨道车辆制动的制动力，如图5所示，牵引力曲线与制动力曲线完全对称。
由于采用新的牵引变流器的电机能够在低速或零速时提供稳定可控的制动扭矩，因此，系统在零速时能够实现零速锁定。
实施例二
在本发明的另一个实施例中，轨道车辆使用了实施例一同样的牵引控制系统，更进一步的，为了防止车辆由加速或匀速运行切换到减速运行的过程中发生减速箱打齿现象，牵引变流器在减速时控制电机输出零扭矩，同时给电机一个大于轨道车辆减速度的电机减速度，根据减速箱齿轮齿间缝隙、轨道车辆减速度以及电机减速度计算时间差Δt，牵引变流器控制电机以电机减速度减速Δt时长，然后开始输出制动扭矩，有效避免与电机连接的减速箱内的齿轮打齿，避免齿轮损坏，延长齿轮使用寿命。
实施例三
在本发明的另一个实施例中，轨道车辆使用的实施例一同样的牵引控制系统，更进一步的，还在电机轴上安装了制动组件，用于在紧急制动或者需要快速制动的情况下通过机械制动的方式使轨道车辆快速降速至停止，进一步保障车辆及财产安全。
在本实施例的一个方案中，仅安装了一组制动组件，在需要紧急制动时，断开制动组件电路，线圈断电，压缩弹簧推动衔铁移动并贴紧制动盘端面，实现机械进行制动。
在本实施例的一个方案中，安装了两组制动组件，一组制动组件为制动扭矩为F1的第一制动组件，另一组制动组件为制动扭矩为F2的第二制动组件，所述制动扭矩F1小于所述制动扭矩F2；所述牵引变流器内配置有备用电源和用于控制第二制动组件延时动作的延时控制模块，所述备用电源用于向第二制动组件供电。
在需要紧急制动时根据制动策略进行制动。当控制电源失电，动力电源保持供电或失电：
所述转向架载荷为0～N1时，所述制动方式为先选用所述第一制动组件对电机进行制动，所述延时控制模块延时设定时间后，所述第二制动组件与第一制动组件共同对电机进行制动；
所述转向架载荷为N1～N2时，所述制动方式为第一制动组件和第二制动组件同时对电机进行制动；
当控制电源保持供电，动力电源失电：
所述转向架载荷为0～T1时，所述制动方式为所述牵引变流器控制第一制动组件点动动作，第一制动组件实现对电机的点刹制动；
所述转向架载荷为T1～T2时，所述制动方式为所述牵引变流器控制第一制动组件实现对电机的抱闸制动；
所述转向架载荷为T2～T3时，所述制动方式为所述牵引变流器控制第一制动组件对电机的抱闸制动，所述牵引变流器控制第二制动组件点动动作，第二制动组件实现对电机的点刹制动；
所述转向架载荷为T3～T4时，所述制动方式为所述牵引变流器控制第二制动组件对电机的抱闸制动；
所述转向架载荷为T5～T6时，所述制动方式为所述牵引变流器控制第二制动组件对电机的抱闸制动，所述牵引变流器控制第一制动组件点动动作，第一制动组件实现对电机的点刹制动；
所述转向架载荷为T6～T7时，所述制动方式为所述牵引变流器控制第二制动组件和第一制动组件对电机的抱闸制动。
所述制动总成还配置有手动装置，所述手动装置用于手动控制制动总成对电机的制动或手动控制制动总成对电机的解除制动。
需要说明的是，轨道车辆行驶中，牵引变流器实时获取轨道车辆所在地的环境参数和路况，环境参数和路况用于牵引变流器实时调整N1、N2、T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7的数值。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种轨道车辆牵引及制动系统，其特征在于，包括：
电机，转动并产生扭矩提供轨道车辆牵引的牵引力；转动并产生扭矩提供轨道车辆制动的制动力；
位置传感器，安装在电机轴上，信号端与牵引变流器连接，采集电机的位置信息并传输到牵引变流器；
牵引变流器，与动力电源、电机和位置传感器连接，接入动力电源进行调节后输出三相电源，接收位置传感器采集的电机的位置信息，根据电机的位置信息计算电机的转速以及加速度；根据电机的转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率，使得电机能够在低速及零速时产生稳定可控的制动扭矩；在减速时控制电机输出零扭矩，同时给电机一个大于轨道车辆减速度的电机减速度，根据减速箱齿轮齿间缝隙、轨道车辆减速度以及电机减速度计算时间差Δt，牵引变流器控制电机以电机减速度减速Δt时长，然后开始输出制动扭矩。
2.根据权利要求1所述的轨道车辆牵引及制动系统，其特征在于：所述的电机在零速时能够实现零速锁定。
3.根据权利要求1所述的轨道车辆牵引及制动系统，其特征在于：所述的磁场旋转速度的计算公式如下：
n磁场＝n电机+S·T，其中，n磁场为磁场旋转速度，n电机为电机实际转速，S为电机当前工况对应的转差率，T为目标扭矩。
4.根据权利要求1所述的轨道车辆牵引及制动系统，其特征在于：所述的牵引及制动系统还包括控制电源以及配置于转向架的电机和用于对电机进行制动的制动总成，所述的制动总成包括若干组制动组件，牵引变流器接收记录轨道车辆的载荷参数，并根据轨道车辆的故障类型和载荷参数预定对应制动扭矩的制动方式，当所述轨道车辆动力电源和/或控制电源失电时，所述牵引变流器根据预定的制动方式控制制动总成对电机进行制动。
5.根据权利要求4所述的轨道车辆牵引及制动系统，其特征在于：所述故障类型为包括：控制电源失电，动力电源保持供电或失电；以及控制电源保持供电，动力电源失电。
6.根据权利要求1所述的轨道车辆牵引及制动系统，其特征在于：所述的电机减速度为100％·轨道车辆减速度＜电机减速度≤500％·轨道车辆减速度，时间差
Figure FDA0002856982240000021
其中S齿间为减速箱齿轮齿间缝隙，a机为电机减速度，a车为轨道车辆减速度。
7.基于权利要求1-6中任意一项所述的轨道车辆牵引及制动系统的方法，其特征在于：包括牵引阶段和制动阶段；
所述的牵引阶段包括：
S101：系统启动，牵引变流器得电；
S102：牵引变流器根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率；
S103：电机运转产生扭矩提供轨道车辆牵引的牵引力；
所述的制动阶段包括：
S201：牵引变流器根据电机实际转速、电机当前工况对应的转差率以及目标扭矩，计算得到磁场旋转速度，根据磁场旋转速度及目标扭矩调节输出的三相电源的电流、电压和频率；
S202：电机运转产生扭矩提供轨道车辆制动的制动力。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的方法还包括紧急制动，制动组件根据制动策略进行紧急制动。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述的制动阶段还包括防止打齿步骤：在车辆减速时，牵引变流器在减速时控制电机输出零扭矩，同时给电机一个大于轨道车辆减速度的电机减速度，根据减速箱齿轮齿间缝隙、轨道车辆减速度以及电机减速度计算时间差Δt，牵引变流器控制电机以电机减速度减速Δt时长，然后开始输出制动扭矩。
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