DE102004032680B4 - Engine brake for an electrically driven vehicle - Google Patents

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Abstract

Motorbremse für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, mit einer permanent erregten Synchronmaschine (3), wobei Klemmen der Synchronmaschine (3) über Schalter (2b) mit Bremswiderständen (4) in Verbindung stehen und wobei mindestens zu einem der Bremswiderstände (4) ein Kondensator (5) parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit jeder Klemme der Synchronmaschine (3) ein Bremswiderstand (4) über einen Schalter (2b) in Verbindung steht und dass mindestens einer der Bremswiderstände (4) veränderlich ist.Motor brake for an electrically driven vehicle, in particular for a rail vehicle, with a permanently excited synchronous machine (3), the terminals of the synchronous machine (3) being connected to braking resistors (4) via switches (2b) and at least one of the braking resistors (4 ) a capacitor (5) is connected in parallel, characterized in that a braking resistor (4) is connected to each terminal of the synchronous machine (3) via a switch (2b) and that at least one of the braking resistors (4) is variable.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorbremse für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, mit einer permanent erregten Synchronmaschine, wobei Klemmen der Synchronmaschine über Schalter mit ein Bremsmoment erzeugenden Einrichtungen in Verbindung stehen und wobei mindestens zu einem der Bremswiderstände ein Kondensator parallel geschaltet ist.The invention relates to an engine brake for an electrically driven vehicle, in particular for a rail vehicle, with a permanent magnet synchronous machine, wherein terminals of the synchronous machine via switches with a braking torque generating devices are connected and wherein at least one of the braking resistors, a capacitor is connected in parallel.

Aus der DE 101 60 612 A1 ist ein Traktionsantrieb bekannt, bei dem eine permanent erregte Synchronmaschine zum Bremsen mit Bremswiderständen verbunden werden kann. Dazu werden die drei Phasen der Synchronmaschine, falls gebremst werden soll, mittels eines Umschalters statt mit einem im Fahrbetrieb vorgeschalteten Traktionsstromumrichter mit drei Bremswiderständen verbunden.From the DE 101 60 612 A1 a traction drive is known in which a permanent-magnet synchronous machine can be connected for braking with braking resistors. For this purpose, the three phases of the synchronous machine, if it is to be braked, are connected to three braking resistors by means of a changeover switch instead of a traction current converter connected upstream during driving.

In der JP 62181684 A ist ein Synchronmotor offenbart, welcher bei Bedarf von dessen Steuerung abtrennbar und mit einer Bremseinrichtung verbindbar ist, die aus drei variablen Widerständen besteht.In the JP 62181684 A a synchronous motor is disclosed, which can be separated as needed by the controller and connectable to a braking device, which consists of three variable resistors.

Ein Abbremsen des Fahrzeugs mit der Motorbremse erfolgt dadurch, dass sich der Läufer der permanent erregten Synchronmaschine, solange sich das Fahrzeug weiter bewegt, dreht. Dabei wird in den Ständerwicklungen eine Spannung induziert. Im Ständerstromkreis angeordnete Bremswiderstände erzeugen dann ein Bremsmoment, das auf den Läufer wirkt. Die permanent erregte Synchronmaschine arbeitet dann als Generator. Das erzeugte Bremsmoment ist abhängig von der Drehzahl des Läufers und von der äußeren Beschaltung.A deceleration of the vehicle with the engine brake takes place in that the rotor of the permanent-magnet synchronous machine rotates as long as the vehicle continues to move. In this case, a voltage is induced in the stator windings. In the stator circuit arranged braking resistors then generate a braking torque acting on the rotor. The permanently excited synchronous machine then works as a generator. The generated braking torque depends on the speed of the rotor and on the external wiring.

Die auf diese Weise realisierte Motorbremse reicht allein in der Regel nicht aus, um das Fahrzeug, das insbesondere ein Schienenfahrzeug ist, bis zum Anhalten abzubremsen. Es sind stets zusätzliche Bremssysteme erforderlich, die eingesetzt werden müssen.The engine brake realized in this way alone is usually insufficient to decelerate the vehicle, which is a rail vehicle in particular, until it stops. There are always additional braking systems required, which must be used.

Aus der US 4 426 606 A ist eine Bremsschaltung für einen bürstenlosen Motor bekannt. Dieser hat Klemmen, die zum Bremsen über Schalter mit Bremswiderständen und zu den Bremswiderständen parallel geschalteten Kondensatoren verbunden werden.From the US 4 426 606 A is a brake circuit for a brushless motor known. This has terminals that are connected for braking via switches with braking resistors and capacitors connected in parallel to the braking resistors.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motorbremse für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug anzugeben, die bei gleicher Drehzahl des Läufers in der Synchronmaschine ein größeres Bremsmoment und damit eine verbesserte Bremswirkung als bisher möglich gewährleistet.The invention has for its object to provide an engine brake for an electrically powered vehicle, which ensures a greater braking torque and thus improved braking effect than previously possible at the same speed of the rotor in the synchronous machine.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass mit jeder Klemme der Synchronmaschine ein Bremswiderstand über einen Schalter in Verbindung steht und dass mindestens einer der Bremswiderstände veränderlich ist.The object is achieved according to the invention in that with each terminal of the synchronous machine, a braking resistor is connected via a switch and that at least one of the braking resistors is variable.

Es hat sich herausgestellt, dass bei der bekannten Schaltung die verfügbare Bremsleistung durch die Induktivität der Synchronmaschine begrenzt wird. Dabei sinkt die Bremsleistung mit steigender Induktivität. Andererseits ist für einen gewünschten hohen Wirkungsgrad der Synchronmaschine eine hohe Induktivität notwendig, was eine zu große Anlage erfordert.It has been found that in the known circuit, the available braking power is limited by the inductance of the synchronous machine. The braking power decreases with increasing inductance. On the other hand, a high inductance is necessary for a desired high efficiency of the synchronous machine, which requires too large a plant.

Mit den parallel zu den ein Bremsmoment erzeugenden Einrichtungen geschalteten Kondensatoren wird der Vorteil erzielt, dass selbst bei einer hohen Induktivität der Synchronmaschine bei gleicher Drehzahl ein höheres Bremsmoment erzielt wird als ohne die parallel geschalteten Kondensatoren. Dabei wird die induktive Blindleistung der Maschine durch die kapazitive Blindleistung der Kondensatoren kompensiert.With the capacitors connected in parallel to the devices generating a braking torque, the advantage is achieved that even with a high inductance of the synchronous machine at the same speed, a higher braking torque is achieved than without the capacitors connected in parallel. The inductive reactive power of the machine is compensated by the capacitive reactive power of the capacitors.

Mit der Motorbremse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 wird also der besondere Vorteil erzielt, dass man ohne konstruktive Beschränkungen beim Bau der Synchronmaschine ein deutlich erhöhtes Bremsmoment gegenüber bekannten Motorbremsen erreichen kann. Es ist bei der permanent erregten Synchronmaschine aber im Vergleich zur Asynchronmaschine keine umfangreiche Kondensatorbatterie nötig. Aufgrund der geringeren Anzahl der Bauteile kann es in einem Fahrzeug, das Erschütterungen ausgesetzt ist, weniger oft zu Schäden kommen.With the engine brake according to the preamble of claim 1 so the particular advantage is achieved that you can achieve a significantly increased braking torque compared to known engine brakes without constructive restrictions in the construction of the synchronous machine. It is in the permanently excited synchronous machine but in comparison to the asynchronous no extensive capacitor bank needed. Due to the smaller number of components, it can be less likely to cause damage in a vehicle subject to vibration.

Vorteilhaft wird die Bremsleistung durch die Kondensatoren soweit erhöht, dass eine vollwertige mechanische Bremse entfallen kann. Zusätzliche Bremsen sind dann nur noch als redundante Bremssysteme und zum Bremsen bei kleinen Geschwindigkeiten und beim Halten nötig.Advantageously, the braking power is increased by the capacitors so far that a full mechanical brake can be omitted. Additional brakes are then only needed as redundant brake systems and for braking at low speeds and while holding.

Die Motorbremse nach der Erfindung eignet sich besonders für Schienenfahrzeuge.The engine brake according to the invention is particularly suitable for rail vehicles.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass mit jeder Klemme der Synchronmaschine ein Bremswiderstand über einen Schalter in Verbindung steht, wodurch eine besonders kostengünstige Motorbremse gegeben ist.According to the invention it is proposed that with each terminal of the synchronous machine, a braking resistor is connected via a switch, whereby a particularly cost motor brake is given.

Ferner ist mindestens einer der Bremswiderstände veränderlich. Aufgrund der permanentmagnetischen Erregung ist die Drehzahl des Läufers direkt mit der induzierten Spannung der Synchronmaschine verknüpft. Von der induzierten Spannung und der Beschaltung hängt der Statorstrom ab, durch den das Bremsmoment beeinflusst wird. Für ein annähernd konstantes Bremsmoment über den möglichen Drehzahlbereich ist die äußere Beschaltung entsprechend zu ändern. Alle weiteren Größen sind nämlich nicht betrieblich beeinflussbar. Folglich ist im unteren Drehzahlbereich ein kleinerer Widerstand auszuwählen als im oberen Drehzahlbereich, um einem bedingt durch den Rückgang der induzierten Spannung verursachten Rückgang des Stromes und damit des Bremsmomentes entgegenzuwirken.Furthermore, at least one of the braking resistors is variable. Due to the permanent magnetic excitation, the speed of the rotor is directly linked to the induced voltage of the synchronous machine. From the induced voltage and the wiring, the stator current depends, which affects the braking torque. For an approximately constant braking torque over the possible Speed range is to change the external wiring accordingly. All other sizes are not operational influenced. Consequently, a smaller resistance is to be selected in the lower speed range than in the upper speed range, in order to counteract a decrease of the current and thus of the braking torque caused by the decrease of the induced voltage.

Mit dem Einsatz veränderlicher Bremswiderstände wird also der Vorteil erzielt, dass die Widerstände die von der Drehzahl des Läufers in der Synchronmaschine für ein optimales Bremsmoment vorgegebenen Widerstandswerte annehmen können.The use of variable braking resistors thus achieves the advantage that the resistors can assume the resistance values predetermined by the rotational speed of the rotor in the synchronous machine for an optimum braking torque.

Die Bremswiderstände sind beispielsweise elektrisch im Stern geschaltet.The braking resistors are, for example, electrically connected in star.

Nach einem anderen Beispiel sind die Bremswiderstände elektrisch im Dreieck geschaltet. Damit wird der Vorteil erzielt, dass für den Fall, dass ein Widerstand ausfällt, weil beispielsweise eine elektrische Verbindung unterbrochen ist, weiterhin statt der Hälfte mindestens zwei Drittel der Bremsleistung verfügbar ist.As another example, the braking resistors are electrically connected in a delta. This provides the advantage that in the event that a resistor fails, for example, because an electrical connection is interrupted, at least two-thirds of the braking power is still available instead of half.

Es steht stets das maximale Bremsmoment zur Verfügung.The maximum braking torque is always available.

Beispielsweise besteht mindestens einer der Bremswiderstände aus Teilwiderständen, denen ein Schaltelement zugeordnet ist zum Verbinden aller oder einer Teilmenge der Teilwiderstände mit den Klemmen der Synchronmaschine.For example, at least one of the braking resistors of partial resistors, which is associated with a switching element for connecting all or a subset of the partial resistors with the terminals of the synchronous machine.

Beispielsweise ist das Schaltelement eine elektronische Baugruppe.For example, the switching element is an electronic module.

Das Schaltelement kann als Hardware oder als Software realisiert sein.The switching element can be realized as hardware or as software.

Beispielsweise ist die elektronische Baugruppe ein Analogregler, dem ein Gleichrichter nachgeschaltet ist. Dadurch wird die Verfügbarkeit gesteigert.For example, the electronic module is an analog controller, which is followed by a rectifier. This increases the availability.

Beispielsweise kann das Schaltelement ein Halbleiterschalter sein, der ohnehin vorhanden ist, z. B. in einem Pulswechselrichter.For example, the switching element may be a semiconductor switch, which is present anyway, z. B. in a pulse inverter.

Beispielsweise ist der mindestens eine Bremswiderstand ein Potentiometer. Bei einem Potentiometer sind vorteilhaft durch einen verschiebbaren Abgriff unterschiedliche Widerstandswerte realisierbar.For example, the at least one braking resistor is a potentiometer. In the case of a potentiometer, different resistance values can advantageously be realized by means of a movable tap.

Eine maximale Bremsleistung kann auch durch einen geregelten Kurzschluss der Phasen der Synchronmaschine bewirkt werden. Das würde dann einem sehr kleinen Bremswiderstand entsprechen.A maximum braking power can also be effected by a controlled short circuit of the phases of the synchronous machine. That would then correspond to a very small braking resistor.

Mit der Motorbremse nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass stets eine ausreichend hohe Bremsleistung zur Verfügung steht, so dass in der Regel kein vollwertiges mechanisches Bremssystem benötigt wird, um das Fahrzeug, das insbesondere ein Schienenfahrzeug ist, abzubremsen.With the engine brake according to the invention, the advantage is achieved in particular that always a sufficiently high braking power is available, so that usually no full mechanical brake system is needed to brake the vehicle, which is in particular a rail vehicle.

Ein Ausführungsbeispiel der Motorbremse nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:
Die Zeichnung zeigt eine Motorbremse nach der Erfindung mit parallel zu veränderlichen Bremswiderständen angeordneten Kondensatoren.An embodiment of the engine brake according to the invention will be explained in more detail with reference to the drawing:
The drawing shows an engine brake according to the invention with capacitors arranged in parallel to variable braking resistors.

Einem Traktionsstromumrichter 1, der wenigstens einen Pulsstromumrichter aufweist, ist über Umschalter oder über erste Schalter 2a von Schalterkombinationen eine permanent erregte Synchronmaschine 3 nachgeschaltet. Es befindet sich jeweils einer von drei ersten Schaltern 2a in den drei Phasen der permanent erregten Synchronmaschine 3. Durch die Schalterkombinationen ist jede Phase der permanent erregten Synchronmaschine 3 entweder für den Fahrbetrieb über die ersten Schalter 2a mit dem Traktionsstromumrichter 1 verbunden oder für den Bremsbetrieb über zweite Schalter 2b der Schalterkombination mit Bremswiderständen 4.A traction current converter 1 which has at least one pulse-current converter is via change-over switches or via first switches 2a of switch combinations a permanently excited synchronous machine 3 downstream. It is each one of three first switches 2a in the three phases of the permanent magnet synchronous machine 3 , Due to the switch combinations, each phase of the permanently excited synchronous machine 3 either for driving over the first switches 2a with the traction power converter 1 connected or for braking operation via second switch 2 B the switch combination with braking resistors 4 ,

Der erste der beiden Schalter 2a einer Schalterkombination befindet sich für jede Phase in der Verbindungsleitung vom Traktionsstromumrichter 1 zur permanent erregten Synchronmaschine 3. Der zweite der beiden Schalter 2b befindet sich in der Leitung, die an einem Abzweigungspunkt zwischen dem ersten Schalter 2a und der permanent erregten Synchronmaschine 3 von der Verbindungsleitung abzweigt und zu den Bremswiderständen 4 führt.The first of the two switches 2a a switch combination is located for each phase in the connection line of the Traktionsstromumrichter 1 to permanently excited synchronous machine 3 , The second of the two switches 2 B is located in the pipe at a junction point between the first switch 2a and the permanent-magnet synchronous machine 3 branches off from the connecting line and to the braking resistors 4 leads.

Die beiden Schalter 2a, 2b öffnen und schliefen gegensinnig. Dadurch ist wie beim Umschalter die permanent erregte Synchronmaschine 3 entweder für den Fahrbetrieb mit dem Traktionsstromumrichter 1 oder für den Bremsbetrieb mit den Bremswiderständen 4 verbunden.The two switches 2a . 2 B open and sleep in opposite directions. As a result, as with the switch, the permanent-magnet synchronous machine 3 either for driving with the Traktionsstromumrichter 1 or for braking operation with the braking resistors 4 connected.

Während des Bremsvorganges wird durch den sich noch drehenden Läufer der permanent erregten Synchronmaschine 3 im Ständer ein Strom induziert, der über die Bremswiderstände 4 fließt und dadurch ein Bremsmoment in der permanent erregten Synchronmaschine 3 erzeugt.During the braking process is caused by the still rotating rotor of the permanent-magnet synchronous machine 3 in the stator induces a current through the braking resistors 4 flows and thereby a braking torque in the permanent-magnet synchronous machine 3 generated.

Bei gleich bleibend hohem Wirkungsgrad der Synchronmaschine 3 und ohne konstruktiven Aufwand erzielt man ein höheres Bremsmoment bzw. eine höhere Bremsleistung, durch parallel zu den Bremswiderständen 4 geschaltete Kondensatoren 5. Durch die Kondensatoren 5 wird die Induktivität der Bremsanordnung reduziert und ein erhöhtes Bremsmoment bewirkt.At a consistently high efficiency of the synchronous machine 3 and without design effort to achieve a higher braking torque or a higher braking power, in parallel to the braking resistors 4 switched capacitors 5 , Through the capacitors 5 the inductance of the brake assembly is reduced and causes an increased braking torque.

Um unabhängig von der Drehzahl des Läufers in der Synchronmaschine 3 stets ein optimales Bremsmoment zu erzielen, sind die Bremswiderstände 4 variabel, z. B. in der Form von Potentiometern 6, aufgebaut. In Verbindung mit einer geeigneten automatischen Steuerung des Potentiometers 6 oder in Verbindung mit einem anderen Schaltelement zum Verändern der Widerstandswerte der Bremswiderstände 4 kann dann bei kleiner Drehzahl des Läufers ein kleinerer Bremswiderstand bereit gestellt werden, als bei einer großen Drehzahl. Dadurch wird drehzahlabhängig das verfügbare Bremsmoment optimiert.Regardless of the speed of the rotor in the synchronous machine 3 always to achieve an optimal braking torque, the braking resistors 4 variable, z. In the form of potentiometers 6 , built up. In conjunction with a suitable automatic control of the potentiometer 6 or in conjunction with another switching element for varying the resistance values of the braking resistors 4 can then be provided at a low speed of the rotor, a smaller braking resistor than at a high speed. As a result, the available braking torque is optimized depending on the speed.

Es wird der Vorteil erzielt, dass ein optimales Abbremsen des Fahrzeugs bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad des Antriebes möglich ist und dass außerdem die Wirkung der Motorbremse unabhängig von der momentanen Drehzahl des Läufers in der Synchronmaschine 3 stets relativ groß ist.The advantage is achieved that an optimal deceleration of the vehicle with high efficiency of the drive is possible and that also the effect of the engine brake, regardless of the instantaneous speed of the rotor in the synchronous machine 3 always relatively large.

Claims (6)

Motorbremse für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, insbesondere für ein Schienenfahrzeug, mit einer permanent erregten Synchronmaschine (3), wobei Klemmen der Synchronmaschine (3) über Schalter (2b) mit Bremswiderständen (4) in Verbindung stehen und wobei mindestens zu einem der Bremswiderstände (4) ein Kondensator (5) parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mit jeder Klemme der Synchronmaschine (3) ein Bremswiderstand (4) über einen Schalter (2b) in Verbindung steht und dass mindestens einer der Bremswiderstände (4) veränderlich ist.Motor brake for an electrically driven vehicle, in particular for a rail vehicle, with a permanently excited synchronous machine ( 3 ), with terminals of the synchronous machine ( 3 ) via switch ( 2 B ) with braking resistors ( 4 ) and at least one of the braking resistors ( 4 ) a capacitor ( 5 ) is connected in parallel, characterized in that with each terminal of the synchronous machine ( 3 ) a braking resistor ( 4 ) via a switch ( 2 B ) and that at least one of the braking resistors ( 4 ) is changeable. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremswiderstände (4) elektrisch im Stern geschaltet sind.Motor brake according to claim 1, characterized in that the braking resistors ( 4 ) are electrically connected in the star. Motorbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremswiderstände (4) elektrisch im Dreieck geschaltet sind.Motor brake according to claim 1, characterized in that the braking resistors ( 4 ) are electrically connected in a triangle. Motorbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Bremswiderstände (4) aus Teilwiderständen besteht, denen ein Schaltelement zugeordnet ist zum Verbinden aller oder einer Teilmenge der Teilwiderstände mit den Klemmen der Synchronmaschine (3).Motor brake according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one of the braking resistors ( 4 ) consists of partial resistors, which is assigned a switching element for connecting all or a subset of the partial resistors with the terminals of the synchronous machine ( 3 ). Motorbremse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement eine elektronische Baugruppe ist.Motor brake according to claim 4, characterized in that the switching element is an electronic assembly. Motorbremse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bremswiderstand (4) ein Potentiometer (6) ist.Motor brake according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one braking resistor ( 4 ) a potentiometer ( 6 ).
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