EP2288511A2 - Vorrichtung zum bremsen eines durch einen permanenterregten synchronmotor angetriebenen fahrzeuges - Google Patents

Vorrichtung zum bremsen eines durch einen permanenterregten synchronmotor angetriebenen fahrzeuges

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EP2288511A2
EP2288511A2 EP09769044A EP09769044A EP2288511A2 EP 2288511 A2 EP2288511 A2 EP 2288511A2 EP 09769044 A EP09769044 A EP 09769044A EP 09769044 A EP09769044 A EP 09769044A EP 2288511 A2 EP2288511 A2 EP 2288511A2
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EP
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brake
synchronous motor
braking
electromagnet
mechanical
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Withdrawn
Application number
EP09769044A
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English (en)
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Inventor
Ulrich Von Stockhausen
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Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/02—Dynamic electric resistor braking
    • B60L7/08—Controlling the braking effect
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/24—Electrodynamic brake systems for vehicles in general with additional mechanical or electromagnetic braking
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/10—Electrical machine types
    • B60L2220/14—Synchronous machines

Definitions

  • the invention relates to a device for braking a driven by a permanent-magnet synchronous motor vehicle, which is in particular a railcar, wherein as an electric brake, the synchronous motor from the energy supply is separable and connectable to a braking resistor.
  • a rail vehicle which is driven by a permanent-magnet synchronous motor is known from DE 101 60 612 A1.
  • the electrical energy generated in the generator mode of the permanent-magnet synchronous motor is used.
  • the invention has for its object to provide a device for braking a driven by a permanent-magnet synchronous motor vehicle in which without complex control and sensor alone due to the existing effect of the electric brake, if necessary, a mechanical brake is switched on.
  • an electromagnet is connected, with its Aktuatorkraft bei- lie- the voltage holds a mechanical brake open, which is otherwise closed mechanically or pneumatically.
  • the voltage at the braking resistor is so high that the mechanical brake is kept open by the electromagnet.
  • the actuator force caused by the electromagnet decreases, thereby closing the mechanical brake.
  • the reduction of the voltage at the braking resistor thus automatically leads to the use of the mechanical brake.
  • the advantage is achieved that the mechanical brake automatically replaces the electric brake in the event of a fault or, as a rule, supplements it if the electric brake does not work or does not work satisfactorily.
  • the service life of the wear-prone mechanical brake is advantageously reduced.
  • the advantage that the mechanical brake is an automatic brake, in which the braking is the low-energy state, but is still used.
  • the electromagnet holds the mechanical brake open when the voltage is applied, which is otherwise blocked by a mechanical brake. hydraulic, hydraulic or pneumatic force is closed.
  • the advantage is achieved that, in the event of a total failure of the electric brake, the automatic mechanical brake operates immediately because it is not closed by the actuator force of the electromagnet but rather kept open by its actuator force, so that in the absence of actuator force, this is caused by one of the actuator force. gencrude closing force immediately the braking process is initiated.
  • this closing force is the mechanical one
  • the energy storage causes the mechanical brake is self-acting, since it is not necessary for braking, but to keep open the brake control.
  • the energy accumulator can thus be a common spring, but also a compressed air or hydraulically moved actuator.
  • two voltage taps are present on the braking resistor, which are connected via a tap-change circuit of several contactors with the electromagnet.
  • the mechanical brake can be actuated in steps. It can also be provided for two separate electromagnets.
  • the two different voltage taps which can be activated separately by the tap changer, differ in that the actuator forces generated in the electromagnet are of different magnitude. This will be the advantage achieved that two stages are possible for the braking by the mechanical brake, namely a braking, in which the actuator force of the electromagnet only the closing force of the mechanical spring, which acts on the mechanical brake, reduced, and a complete braking, in which no actuator force is available and thus the closing force of the spring triggers the mechanical brake with highest efficiency.
  • the solenoid is for example a solenoid. So he includes a cylindrical coil. By means of such a solenoid, it is particularly easy to build up an actuator force which keeps open the mechanical brake as a counterforce to the closing force of a mechanical spring.
  • the electromagnet is designed for example as a solenoid valve.
  • a rectifier is arranged between the synchronous motor and the braking resistor. In this way it is achieved that the three phases of the alternating current generated as a generator in the permanent-magnet synchronous motor are rectified, which then act in a certain ratio on the electromagnet.
  • the rectifier is an uncontrolled diode bridge.
  • a diode bridge is particularly suitable for rectification.
  • Diodes of a synchronous motor upstream drive converter This provides the advantage that no separate diodes are required for rectification.
  • a brake divider is arranged between the rectifier and the braking resistor.
  • the advantage is achieved that depending on the timing of the brake actuator of the rectified current can be varied, thereby thereby the voltage applied to the electromagnet is varied.
  • the voltage can also be varied by a voltage tap assigned to the brake divider to the braking resistor.
  • the advantage is achieved that different, weather-related contact forces between the wheel and rail can be considered.
  • the brake divider may be part of the drive converter, for example.
  • an additional solenoid may be present, which complements the effect of the electromagnet and separately, z. B. via a switch, is switchable.
  • the control of the mechanical brake can also be done via a suitable control unit.
  • the advantage is achieved, in particular, that the mechanical brake is triggered only when the electric brake is insufficient and no special sensor system is used to trigger the mechanical brake No special complex circuit and control modules are required.
  • the advantage is achieved that the mechanical brake immediately completely closes in the event of a possible complete failure of the electric brake and that one can make do with a simple mechanical brake.
  • a permanently excited synchronous motor 1 is connected via a drive converter 2 to a power supply line 3 and to a grounding point 4 of a railcar drive vehicle.
  • a switch 5 is opened in the power supply line 3 and at the same time a switch 6 is closed in a line through which a braking resistor 7 is in communication with the permanent-magnet synchronous motor 1.
  • the electric current generated as a generator in permanent-magnet synchronous motor 1 is rectified by the drive converter 2 and there in particular by the existing anti-parallel diodes 8 and the corresponding voltage is then applied to the braking resistor 7 when switch 6 is closed.
  • braking resistor 7 there are two voltage taps 9 and 10, which are connected via a tap-changer 11 with an electromagnet, which is in particular a solenoid 12 in combination. Due to the actuator force of the solenoid 12, a mechanical brake 13 is kept open against the closing force of a mechanical spring 14, even if the mechanical brake 13 would actually have to close by a manual actuation of a brake switch by the vehicle driver. Only when the tapped off at the braking resistor 7 voltage to hold open the mechanical brake 13 is insufficient and the driver continues to brake, the mechanical brake 13 is automatically closed by the mechanical spring 14, so that without special measures and facilities, the mechanical brake 13 always in action comes when the electric brake is insufficient to brake the vehicle.
  • the step circuit 11 causes the mechanical brake 13 either supports the electric brake or works alone. If necessary, part of the drive converter 2 can act as a brake divider which varies the rectified current. In this way, the effect of the brakes can be adapted to weather-related reduced contact forces between wheels and rails.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bremsen eines durch einen permanenterregten Synchronmotor (1) angetriebenen Fahrzeuges, das insbesondere ein Schienentriebfahrzeug ist. Dabei ist als elektrische Bremse der Synchronmotor (1) von der Energiezufuhr abtrennbar und mit einem Bremswiderstand (7) verbindbar. Es ist vorgesehen, dass an einem Spannungsabgriff (9, 10) am Bremswiderstand (7) ein Elektromagnet angeschlossen ist, der mit seiner Aktuatorkraft bei anliegender Spannung eine mechanische Bremse (13) offenhält, die sonst mechanisch oder pneumatisch geschlossen ist.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Bremsen eines durch einen permanenterregten Synchronmotor angetriebenen Fahrzeuges
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bremsen eines durch einen permanenterregten Synchronmotor angetriebenen Fahrzeuges, das insbesondere ein Schienentriebfahrzeug ist, wobei als elektrische Bremse der Synchronmotor von der Ener- giezufuhr abtrennbar und mit einem Bremswiderstand verbindbar ist.
Ein Schienenfahrzeug, das mit einem permanenterregten Synchronmotor angetrieben wird, ist aus der DE 101 60 612 Al be- kannt. Zum Bremsen des Fahrzeuges wird die im generatorischen Betrieb des permanenterregten Synchronmotors erzeugte elektrische Energie eingesetzt.
Es ist bisher auch schon vorgeschlagen worden, zusätzlich zu einer elektrischen Bremse eine mechanische Bremse einzusetzen. Dabei war es aber bisher notwendig, zuvor festzustellen, ob eine zusätzliche Abbremsung durch eine mechanische Bremse erforderlich ist oder nicht. Entweder wurde die zusätzliche mechanische Bremse vom Fahrzeugführer separat in Betrieb ge- nommen oder es war eine aufwändige automatische Steuerung mit Sensorik vorgesehen, um das Zusammenwirken mit anderen Bremsen zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bremsen eines durch einen permanenterregten Synchronmotor angetriebenen Fahrzeuges anzugeben, bei der ohne aufwändige Steuerung und Sensorik allein aufgrund der vorhandenen Wirkung der elektrischen Bremse bei Bedarf eine mechanische Bremse zugeschaltet wird.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass an einem Spannungsabgriff am Bremswiderstand ein Elektromagnet angeschlossen ist, der mit seiner Aktuatorkraft bei anliegen- der Spannung eine mechanische Bremse offenhält, die sonst mechanisch oder pneumatisch geschlossen ist.
Solange im generatorischen Betrieb des permanenterregten Syn- chronmotors genügend elektrische Energie zum Bremsen mit der elektrischen Bremse erzeugt wird, ist am Spannungsabgriff am Bremswiderstand die Spannung so groß, dass die mechanische Bremse durch den Elektromagneten offengehalten wird. Sobald jedoch nicht mehr ausreichend elektrische Energie für die elektrische Bremse zur Verfügung steht, liegt am Spannungsabgriff am Bremswiderstand nur noch eine verminderte Spannung an, so dass die durch den Elektromagneten bewirkte Aktuator- kraft abnimmt und dadurch die mechanische Bremse schließt. Die Verminderung der Spannung am Bremswiderstand führt also selbsttätig zum Einsatz der mechanischen Bremse. Damit wird der Vorteil erzielt, dass die mechanische Bremse immer dann, und zwar sofort wirkt, wenn die elektrische Bremse nicht ausreicht. Es ist also vorteilhaft stets eine ausreichende Bremswirkung gegeben.
Statt der Spannung am Bremswiderstand kann alternativ auch eine andere Spannung, die von der generatorischen Spannung am Synchronmotor abhängt, als Steuerspannung für den Elektromagneten dienen.
Mit der Vorrichtung nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, dass die mechanische Bremse die elektrische Bremse im Fehlerfall selbsttätig ersetzt oder im Regelfall ergänzt, falls die elektrische Bremse nicht oder nicht ausreichend ar- beitet. Es sind dazu keine aufwändigen Sensoren und Schaltungsbausteine erforderlich, wodurch Wartungsarbeiten erleichtert werden, obwohl hohe Sicherheitsanforderungen erfüllt sind. Die Einsatzdauer der verschleißbehafteten mechanischen Bremse wird vorteilhaft reduziert. Der Vorteil, dass die mechanische Bremse eine selbsttätige Bremse ist, bei der das Bremsen der energiearme Zustand ist, wird aber trotzdem genutzt. Der Elektromagnet hält nämlich bei anliegender Spannung die mechanische Bremse offen, die sonst durch eine me- chanische, hydraulische oder pneumatische Kraft geschlossen ist.
Insbesondere wird der Vorteil erzielt, dass bei einem totalen Ausfall der elektrischen Bremse sofort die selbsttätige mechanische Bremse arbeitet, weil diese durch die Aktuatorkraft des Elektromagneten nicht geschlossen sondern vielmehr durch dessen Aktuatorkraft offengehalten wird, so dass bei fehlender Aktuatorkraft bedingt durch eine der Aktuatorkraft entge- genwirkende Schließkraft sofort der Bremsvorgang eingeleitet wird .
Beispielsweise ist diese Schließkraft, die die mechanische
Bremse bei fehlender oder zu geringer Aktuatorkraft sofort schließt, dadurch erzeugt, dass in Schließrichtung auf die mechanische Bremse einwirkend eine mechanische Feder angeordnet ist.
Statt der mechanischen Feder kann auch ein gleichwertiger Kraftspeicher angeordnet sein.
Der Kraftspeicher bewirkt, dass die mechanische Bremse selbsttätig ist, da nicht zum Bremsen, sondern zum Offenhalten der Bremse eine Ansteuerung nötig ist.
Der Kraftspeicher kann also eine übliche Feder, aber auch ein mit Druckluft oder hydraulisch bewegtes Betätigungsglied sein .
Beispielsweise sind am Bremswiderstand zwei Spannungsabgriffe vorhanden, die über eine Stufenschaltung aus mehreren Schützen mit dem Elektromagneten verbunden sind. Dadurch kann die mechanische Bremse in Schritten betätigt werden. Es können dafür auch zwei separate Elektromagnete vorgesehen sein. Die zwei verschiedenen Spannungsabgriffe, die durch die Stufenschaltung getrennt aktivierbar sind, unterscheiden sich dahingehend, dass die im Elektromagneten erzeugten Aktua- torkräfte unterschiedlich groß sind. Damit wird der Vorteil erzielt, dass zwei Stufen für das Bremsen durch die mechanische Bremse möglich sind, nämlich ein Abbremsen, bei dem die Aktuatorkraft des Elektromagneten die Schließkraft der mechanischen Feder, die auf die mechanische Bremse wirkt, nur re- duziert, und ein vollständiges Bremsen, bei dem keine Aktuatorkraft mehr vorhanden ist und somit die Schließkraft der Feder die mechanische Bremse mit höchster Wirkungsstufe auslöst.
Der Elektromagnet ist beispielsweise ein Solenoid. Er umfasst also eine zylinderförmige Spule. Durch einen solchen Solenoid kann besonders einfach eine Aktuatorkraft aufgebaut werden, die als Gegenkraft zur Schließkraft einer mechanischen Feder die mechanische Bremse offenhält.
Der Elektromagnet ist beispielsweise als Magnetventil ausgebildet.
Beispielsweise ist zwischen dem Synchronmotor und dem Brems- widerstand ein Gleichrichter angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass die drei Phasen des generatorisch im permanenterregten Synchronmotor erzeugten Wechselstromes gleichgerichtet werden, die dann in einem bestimmten Verhältnis auf den Elektromagneten wirken.
Beispielsweise ist der Gleichrichter eine ungesteuerte Diodenbrücke. Eine solche Diodenbrücke ist zum Gleichrichten besonders geeignet.
Beispielsweise dienen als Gleichrichter die antiparallelen
Dioden eines dem Synchronmotor vorgeschalteten Antriebsstromrichters. Damit wird der Vorteil erzielt, dass keine separaten Dioden für das Gleichrichten erforderlich sind.
Beispielsweise ist zwischen dem Gleichrichter und dem Bremswiderstand ein Bremssteiler angeordnet. Damit wird der Vorteil erzielt, dass je nach Taktung des Bremsstellers der gleichgerichtete Strom variiert werden kann, so dass dadurch die am Elektromagneten anliegende Spannung variiert wird. Die Spannung kann auch durch einen dem Bremssteiler zugeordneten Spannungsabgriff am Bremswiderstand variiert werden. Damit wird der Vorteil erzielt, dass unterschiedliche, witterungs- bedingte Kontaktkräfte zwischen Rad und Schiene berücksichtigt werden können .
Der Bremssteiler kann zum Beispiel Teil des Antriebsstromrichters sein.
Beispielsweise kann ein zusätzlicher Elektromagnet vorhanden sein, der in seiner Wirkung den Elektromagneten ergänzt und separat, z. B. über einen Schalter, zuschaltbar ist.
Die Ansteuerung der mechanischen Bremse kann auch über ein geeignetes Steuergerät erfolgen.
Mit der Vorrichtung zum Bremsen eines durch einen permanenterregten Synchronmotor angetriebenen Fahrzeuges nach der Er- findung wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass die mechanische Bremse nur dann ausgelöst wird, wenn die elektrische Bremse nicht ausreicht und dass zum Auslösen der mechanischen Bremse keine besondere Sensorik und auch keine besonderen aufwändigen Schaltungs- und Steuerungsbausteine erfor- derlich sind. Insbesondere wird der Vorteil erzielt, dass die mechanische Bremse bei einem möglichen vollständigen Versagen der elektrischen Bremse sofort vollständig schließt und dass man mit einer einfachen mechanischen Bremse auskommt.
Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Bremsen eines
Fahrzeuges nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert :
Ein permanent erregter Synchronmotor 1 steht über einen An- triebsstromrichter 2 mit einer Energiezuführungsleitung 3 und mit einem Erdungspunkt 4 eines Schienentriebfahrzeuges in Verbindung. Zum generatorischen, elektrischen Bremsen wird ein Schalter 5 in der Energiezuführungsleitung 3 geöffnet und gleichzeitig ein Schalter 6 in einer Leitung geschlossen, über die ein Bremswiderstand 7 mit dem permanenterregten Synchronmotor 1 in Verbindung steht. Der generatorisch im permanenterregten Synchronmotor 1 erzeugte elektrische Strom wird durch den Antriebsstromrichter 2 und dort insbesondere durch die vorhandenen antiparallelen Dioden 8 gleichgerichtet und die entsprechende Spannung liegt dann bei geschlossenem Schalter 6 am Bremswiderstand 7 an. Am Bremswiderstand 7 befinden sich zwei Spannungsabgriffe 9 und 10, die über eine Stufenschaltung 11 mit einem Elektromagneten, der insbesondere ein Solenoid 12 ist, in Verbindung stehen. Durch die Aktu- atorkraft des Solenoids 12 wird eine mechanische Bremse 13 gegen die Schließkraft einer mechanischen Feder 14 offengehalten, selbst dann, wenn die mechanische Bremse 13 durch ein manuelles Betätigen eines Bremsschalters durch den Fahrzeugführer eigentlich schließen müsste. Erst wenn die am Bremswiderstand 7 abgegriffene Spannung zum Offenhalten der mechanischen Bremse 13 nicht ausreicht und der Fahrzeugführer weiterhin bremst, wird die mechanische Bremse 13 automatisch durch die mechanische Feder 14 geschlossen, so dass ohne besondere Maßnahmen und Einrichtungen die mechanische Bremse 13 immer dann in Aktion kommt, wenn die elektrische Bremse zum Abbremsen des Fahrzeuges nicht ausreicht. Dabei bewirkt die Stufenschaltung 11, dass die mechanische Bremse 13 entweder die elektrische Bremse unterstützt oder allein arbeitet. Ein Teil des Antriebsstromrichters 2 kann bei Bedarf als Bremssteiler wirken, der den gleichgerichteten Strom variiert. Auf diese Weise kann die Wirkung der Bremsen an witterungsbedingt erniedrigte Kontaktkräfte zwischen Rädern und Schienen ange- passt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Bremsen eines durch einen permanenterregten Synchronmotor (1) angetriebenen Fahrzeuges, das insbeson- dere ein Schienentriebfahrzeug ist, wobei als elektrische
Bremse der Synchronmotor (1) von der Energiezufuhr abtrennbar und mit einem Bremswiderstand (7) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Spannungsabgriff (9, 10) am Bremswiderstand (7) ein Elektromagnet angeschlossen ist, der mit seiner Aktuatorkraft bei anliegender Spannung eine mechanische Bremse (13) offenhält, die sonst mechanisch oder pneumatisch geschlossen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schließrichtung auf die mechanische Bremse (13) einwirkend eine mechanische Feder (14) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Bremswiderstand (7) zwei Spannungsab- griffe (9 und 10) vorhanden sind, die über eine Stufenschaltung (11) aus mehreren Schützen mit dem Elektromagneten verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Elektromagnet ein Solenoid (12) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Synchronmotor (1) und dem Bremswiderstand (7) ein Gleichrichter angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter eine ungesteuerte Diodenbrücke ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass als Gleichrichter die antiparallelen Dioden (8) eines dem Synchronmotor (1) vorgeschalteten Antriebsstromrichters (2) dienen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleichrichter und dem Bremswiderstand (7) ein Bremssteiler angeordnet ist.
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