CN101380902B - 具有带永磁电动机的双极性阻力组件的变阻安全制动设备 - Google Patents

Abstract

一种用于电力牵引车辆特别是轨道车辆的电力安全制动设备包括：具有带电气终端(13、14、15)的永磁体的旋转机电机构(10)；阻力制动转矩产生装置(22)；能够可靠地将机构(10)的电气终端(13、14、15)连接到制动转矩产生装置(22)的机电换向器(20)；所述阻力制动转矩产生装置(22)一方面包括具有至少一个耗散电阻的双极性组件(122)，该组件(122)具有两个单连接端并形成用于所述机构的所有终端(13、14、15)的公共终端双极性电力输出负载，另一方面包括用于将来自所有终端(13、14、15)的电流转换成供应给具有至少一个耗散电阻的双极性组件(122)的两个单端的单电流的器件(120)，该转换器件(120)不具有有源功率开关。

Description

具有带永磁电动机的双极性阻力组件的变阻安全制动设备

技术领域

本发明涉及电子安全制动设备，该电子安全制动设备用于电力驱动的车辆，例如轨道车辆。

背景技术

安全制动***确保以极端可靠的方式产生需要的制动力。

在铁路运输领域中，主要有两种制动操作：常用制动和紧急制动。

常用制动操作是在操作期间最常用的制动操作。常用制动操作可以在接近0的最小力值和最大力值之间调节。根据列车，常用制动操作可以被分成多种模式，包括纯电力制动，纯机械制动或者电力和机械联合制动。常用制动执行列车的所有“正常的”停止和减速操作，以及用于保持在斜坡上的制动操作。然而，常用制动操作在其包括了大量电力、电子、机械、气动或者液压组件的意义下并不安全，这些组件可能会发生故障从而带来和需要的制动力不同的制动力，或者具有牵引/静态制动换向功能的新型牵引链甚至会带来牵引力。

如紧急制动操作的名字所表示的，只在紧急情况下才使用紧急制动操作。外部紧急情况或者常用制动的故障可以引起紧急状况。该类制动的目的是尽可能快和尽可能安全的使列车停止。该类制动不可以调节但是很可靠，也就是说，紧急制动的失灵的可能性必须是极低的。从而该类制动必须使用尽可能少数量的元件。一般，紧急制动是纯机械的，但是这需要机械制动具有相应的大小，这在成本或者质量上是令人望而却步的，特别是在高速列车中，其浪费的制动能量的等级是相当大的。为此，生产电力安全制动可能会非常有利。

发明内容

具有永磁体的电动机不需要任何东西就可以提供磁通从而在充电的情况下一旦旋转就迅速提供阻力转矩，本发明基于上述事实提出了一种电力安全制动。

在公开号为DE 10160 612 A1的德国专利申请中描述了一种电力安全制动***。使用该制动***的设备包括星状连接的三个制动电阻形成的网络，所述网络能够通过使用包括继电器组件的机电型换向器连接到三相机电电动机。

技术问题是该设备的空间需求，特别是三个制动电阻的空间需求。

为了该目的，本发明涉及用于电力牵引车辆，特别是用于轨道车辆的电力安全制动设备，该设备包括：

具有带电气终端的永磁体的旋转机电机构，；

阻力制动转矩产生装置；

机电换向器，能够可靠地将所述机构的电气终端连接到所述制动转矩产生装置；

所述阻力制动转矩产生装置一方面包括具有至少一个耗散电阻的双极性组件，该组件具有两个单连接端并形成用于所述机构的所有终端的公共终端双极性电力输出负载，并且所述阻力制动转矩产生装置另一方面包括用于将来自所有终端的电流转换成供应给双极性组件的两个单端的单电流的器件，所述转换器件不具有有源功率开关。

根据特定的实施方式，所述制动设备包括以下特征中的一个或多个：

所述转换器件由二极管桥式整流器组成，所述二极管桥式整流器被放置在所述机电换向器与所述具有至少一个耗散电阻的双极性组件之间；

所述设备包括具有至少一个斩波器制动电阻的斩波器，并且至少一个斩波器电阻是所述双极性组件中的耗散电阻；

单个斩波器制动电阻是双极性组件中的电阻以及所述斩波器包括两个辅助换向继电器，它们分别连接到斩波器制动电阻的两端，其中斩波器制动电阻形成所述双极性组件的电阻，并且所述继电器能够分别将斩波器的制动电阻和转换器件连接或者将斩波器的制动电阻从转换器件断开连接；

具有至少一个耗散电阻的双极性组件包括单个耗散电阻；

具有至少一个耗散电阻的双极性组件只包括两个耗散电阻；

所述设备包括迁牵引逆变器，以及所述转换器件是三相桥式整流器，其中所述三相桥式整流器由牵引逆变器的二极管组成；

所述双极性组件由串联连接的电阻和接触器组成，该组件并联在牵引逆变器上；以及

电阻由变阻制动斩波器中的部分制动电阻或者全部制动电阻组成。

附图说明

通过阅读以下结合附图并且作为实例给出的对实施方式的描述可以更好地了解本发明，其中：

图1是在电力牵引链中集成的电力安全制动的第一实施方式的示意图；

图2是在电力牵引链中集成的电力安全制动的第个实施方式的示意图；

图3是电力安全制动的第三实施方式的示意图，它是所述第一和第二实施方式的混合；

图4是在电力牵引链中集成的电力安全制动的第四实施方式的示意图。

具体实施方式

图1示出了在电力牵引链1中集成的所谓电力安全制动的第一实施方式。

以悬链线(或者第三轨)2的方式给电力牵引链1提供电功率，所述悬链线2位于高电压并以与大地连接的地面4做参考。

电力牵引链1包括用于从所述悬链线2获取电能的受电弓(或滑动装置)6，所述受电弓后面跟着线断路器8，所述线断路器8用作牵引链1和悬链线2之间的主开关/接触器。

电力牵引链1也包括旋转机电机构10，所述旋转电机机构10能够通过电功率转换器12被提供电力。

在该示例中，旋转机电机构10包括定子，所述定子具有三相电源并且该三相电源由电力输入端13、14和15提供，所述旋转机电机构10还包括转子，所述转子由永磁体提供励磁。

在电力牵引模式中，机电机械装置10作为电动机，而在电力制动模式中，机电机械装置10用作电压发生器。

电功率转换器12包括从断路器8到电动机10依次为线路滤波器16、变阻制动斩波器17和逆变器18，在该示例中具有三相输出，所述三相输出能够通过机电连接换向器20给电动机10提供电力。

牵引链1的所有元件都通过接地回线21连接到公共地面4。

除了能够用作牵引链，电力牵引链1也能够用作被称作常用制动的第一非安全电力制动。

被称作常用制动的第一电力制动包括牵引链1的元件，即发生器10、设置为整流器的逆变器18、变阻制动斩波器17、线路滤波器16和机电换向器20。

被称作安全制动的第二电力制动除了旋转机电机械装置10以外，还包括机电换向器20和耗散型阻力制动转矩产生装置22。

在该示例中，线路滤波器16包括常规“LC”结构，所述“LC”结构由线路电感28和电容30形成，其中所述线路电感28串联安装在断路器8和斩波器17的线路输入29之间，所述电容30为并联电连接，连接点邻近斩波器17的输入29。

变阻制动斩波器17包括IGBT(绝缘栅双极型晶体管)型功率晶体管32，所述IGBT型功率晶体管32用作例如调速器并串联连接到变阻制动电阻34。

变阻制动斩波器17也包括并联连接到制动电阻34的续流二极管36

逆变器18包括三个交流三相输出线路37、38、39，其中每个能够通过使用机电换向器20生成的连接分别连接到电动机10的定子相输入端13、14、15。

逆变器18具有常规结构，所述常规结构有六个用三相连接在输入滤波器16的输出端和接地回线21之间的电功率开关。

每个电功率开关42、44、46、48、50、52分别包括功率晶体管54、56、58、60、62、64，所述晶体管例如可以是IGBT型并且能够在导电状态/非导电状态下被栅极电压控制，每个功率晶体管与续流二极管66、68、70、72、74和76相联结，所述续流二极管以反并联方式安装在功率晶体管之上。

在该示例中，在图1中，每个功率晶体管的箭头代表当该晶体管导通时电流的流向。

每个功率开关42、44、46与功率开关48、50、52分别相联结，第一个开关的输出端连接到第二个开关的输入端并形成逆变器的输出端，每个输出端分别连接到逆变器的输出线路37、38、39。

电功率开关的控制电路没有在图1中示出，可以假设所述控制电路能够在电动机模式下给机电机构10提供同步牵引功能。

机电换向器20包括由三个输入插头90、92、94组成的组件，所述三个输入插头90、92、94分别连接到电动机10定子相的电力输入终端13、14、15。

机电换向器20也包括第一组输出插头96、98、100，所述第一组输出插头96、98、100分别连接到逆变器18的输出线路37、38、39、

机电换向器20也包括第二组输出插头102、104和106，所述第二组输出插头102、104和106电隔离并且能够分别连接到输入插头90、92、94，从而将电动机10和逆变器18隔离。

机电换向器20包括第三组输出插头108、110和112，每个输出插头108、110和112分别连接到电力安全制动的制动转矩产生装置22的输入114、116和118。

机电换向器20包括命令输入端119，所述命令输入端119能够接收换向命令。所述换向命令允许对从输入插头90、92、94到第一组输出插头、第二组输出插头和第三组输出插头之间的输出插头的所有机械接触元件产生的电连接的选择性换向。

由于机电换向器20由有限数量的无源元件组成，所以机电换向器20安全而且可靠。

制动转矩产生装置20由常规二极管桥120和单端双极性负载电阻122构成，其中所述二极管桥120被动地被设置为具有三个能够接收电力电源的输入端114、116和118的桥式整流器，在该示例中所述电力电源是三相电力电源，所述单端双极性负载电阻122连接于二极管桥的两个单输出端124和126之间。在该示例中二极管桥由六个二极管130、132、134、136、138和140组成。

在牵引模式下的操作期间，机电机械装置10用作电动机，机电换向器20以第一组的输出插头连接到输出插头90、92、94的方式被配置。在该方式中，逆变器18给电动机10提供正弦电流波，所述正弦电流波以同步方式适应电动机的速度。

在常用制动期间，机电换向器20保持在和在牵引期间一样的状态下。

逆变器18被配置为在整流器模式下操作，以及斩波器17被控制用于向悬链线6传送部分它能接收的制动功率，残余的制动功率散耗在电阻34之中。

在电力安全制动操作期间，机电换向器20接连转换到输出插头的第二阻，然后输出插头的第三组，从而将电动机10和功率转换器12隔离，然后分别通过输入114、116和118将用作发生器的旋转机构10的每个终端13、14、15连接到制动转矩产生装置22。

在对发生器10的交流输出电流整流后，二极管桥式整流器120向单个电阻122提供连续电能，所述单个电阻122通过焦耳效应以热的形成消耗电能。

在桥式整流器的两个单输出端处使用一个或者多个电阻122所提供的优点使得阻力电力电路图简单化，并通过减少通常排列在每对相之间(多边形布置)或者串联在每相上(星状布置)的等值电阻的数量节省了空间。

由于二极管桥式整流器占有的空间与和电阻相关的空间相比是很小的，以及由第一实施方式形成的结构也能够通过给桥增加二极管而用于任何数量的电动机定子相，使用单个负载电阻有利地节省了空间。

图2示出了在电力牵引链中集成的电力安全制动的第二实施方式。

牵引链1和在图1中描述的相似，不同处在于图1的斩波器17的变阻制动电阻34被具有两个串联电阻144、146的组件所代替，其中在该示例中电阻146靠近接地回线21，用作用于电力安全制动的负载电阻，并且在电阻146的两侧排列了两个机电换向器148、150，其中148使得电阻146的一端连接到电阻144或者电力安全制动的二极管桥120的输出124，以及另一个150使得电阻146的另一端连接到电力安全制动的二极管桥120的输出126或者斩波器的接地回线21。

也就是说，由于两个换向器148和150，电阻146能够被连接到电力安全制动的桥式整流器的终端从而起到图1中电阻122的作用或与电阻144串联从而形成斩波器17的制动电阻(以和图1中电阻34同样的方式)。

当电阻144的值是零即没有电阻144时，可以获得该第二实施方式的特定示例。在该示例中，电阻146既用作图1中变阻斩波器的电阻34也用作图1中制动转矩产生装置22的电阻122。

在牵引模式和常用制动模式下的操作和图1描述的一样。

在电力安全制动操作期间，机电换向器20的输出插头的换向顺序和图1描述的一样。

在机电换向器20换向的同时，两个换向器148、150将电阻146和斩波器17断开连接并将电阻146连接到桥式整流器120的终端124和126。

在该方式下，二极管桥式整流器120给单个电阻146提供连续的电能，所述单个电阻146通过焦耳效应以热的形式消耗电力制动能量。

图2的结构在更大程度上节约了制动电阻的空间，这是因为部分甚至全部变阻斩波器的阻抗在安全制动操作期间被再利用。

由两个机电换向器148和150造成空间的相对增加和通过再利用阻抗获得的空间的额外节约相比是很小的。

当安全制动只使用变阻斩波器电阻时，即当电阻144具有零值时，节约达到最大。没有为了安全制动增加额外的电阻。

在只使用无源机电换向器时，也就是换向器20、148和150，以及到斩波器17的连接被完全隔离的情况下，图2的电路的可靠程度和图1的相当。

该第二实施方式的可变之处包括将电阻144和146并联连接，代替如图2所示的将它们串联连接。换向器148使得电阻146的一端能够连接到位于开关侧32的电阻144的终端或者连接到电力安全制动的二极管桥120的输出端124，以及换向器150使得电阻146的另一端连接到位于接地回线21侧的电阻144的终端或者连接到电力安全制动的二极管桥120的输出端124。

图3示出了使图1和2中描述的第一和第二实施方式更完善的电力安全制动的第三实施方式。

牵引链1和图1的牵引链相似，不同处在于分别连接到斩波器17的单个变阻制动电阻156终端的两个辅助机电换向器152和154能够将电阻156和接地回线21断开连接并将电阻156串联连接到外部电阻158，所述外部电阻158在输入端126与二极管桥120永久性连接，并连接到辅助换向器154的输出端。

电力安全制动的制动转矩产生装置22的负载电阻由所述外部电阻158和斩波器17的变阻制动的单个电阻156组成。

在牵引模式和常用制动模式下的操作和图1和2描述的一样。

在安全制动操作期间，机电换向器20的输出插头的换向顺序和图1和2描述的一样。

在机电换向器20换向的同时，两个换向器152、154将电阻156和斩波器17断开连接，并将电阻156的一端连接到桥式整流器120的终端124，以及另一端连接到与桥式整流器的终端126连接的外部电阻158。

在该方式下，二极管桥式整流器120为两个电阻156和158的串联组件提供连续的电能，所述两个电阻156和158的串联组件通过焦耳效应以热的形式消耗电力制动能量。

由于当在高速情况下使用安全制动操作时斩波器电阻156的值不够大，在斩波器电阻156上增加了外部电阻158，尽管如此，由于斩波器电阻的再利用，这样的结构和图1中的结构相比还是能够节约更大的空间。

可靠程度也和第一和第二实施方式的可靠程度相当。

图4示出了在电力牵引链1中集成的电力安全制动的第四实施方式，该电力安全制动具有比第一、第二和第三实施方式略小的可靠程度。

电力牵引链1和上述三个实施方式的电力牵引链相似，和图1的不同处在于：

具有三组输出插头的机电换向器20被替换为只包括第一和第二组输出插头的机电换向器160；

在该示例中制动转矩产生装置22由下述组成：

逆变器18的续流二极管桥66、68、70、72、74、76；

串联连接到机电接触器163的负载电阻162，该组件连接在斩波器17和逆变器18之间；

使得斩波器17的电源开关32和逆变器18的电源开关54、56、58、60、62、64被安全闭合，并使接触器163被关闭的闭塞电路164。

机电换向器160用来在短路情况下将电动机10和逆变器18断开连接。该换向器是通常被用在该类型的牵引链中换向器，没有被本发明修改。

在牵引模式和常用制动模式下的操作和图1、2和3描述的一样。

在电力安全制动操作期间，机电换向器160保持在机电机械装置10和逆变器18连接的状态下。

闭合电路164以受控方式开启逆变器18的六个功率晶体管54、56、58、60、62、64和功率晶体管32、

同时，电路164以受控方式关闭辅助机电换向器163。

在该方式下，功率逆变器18用作简单桥式整流器，所述简单桥式整流器由二极管66、68、70、72、74、76组成。闭合电路164以安全方式防止逆变器18用作逆变器。

在该方式下，续流二极管桥66、68、70、72、74、76用作图1、2和3的桥整流器120；向与桥连接的负载电阻162提供发生器10的能量。

和前述3个方案相比，该解决方案的优点是由于桥式整流器具有牵引逆变器的现有的续流二极管，所以不需要增加额外的电功率元件。然而，由于该安全制动***不能在短路造成的逆变器故障的情况下使用，所以该方案比前述解决方案的安全性略差。

参考图2和图3描述的图1的产品变化形式，能够想象图4的产品变化形式，其中电阻162由电阻34的一部分和两个接触器的集合产生(图2中所示)，或者，替代为电阻162由电阻34串联附加电阻组成(如图3所示)。特定的示例是该电阻162只由电阻34组成(和图2的电阻144为零的情况一样)。在该示例中，和没有安全制动的电力电路图相比安全制动只需要增加接触器163和控制电路164，因而在空间、质量和成本方面非常经济。

Claims (9)

1.用于电力牵引车辆的电力安全制动设备，该设备包括：

旋转机电机构（10），该旋转机电机构（10）具有带永磁体的转子和带电气终端（13、14、15）的定子；

阻力制动转矩产生装置（22）；

机电换向器（20），该机电换向器（20）能够可靠地将所述机构的电气终端（13、14、15）连接到所述制动转矩产生装置（22）；

其特征在于，

所述阻力制动转矩产生装置（22）一方面包括具有至少一个耗散电阻的双极性组件（122），该双极性组件（122）具有两个单连接端并在所述电气终端（13、14、15）通过所述机电换向器（20）被连接至所述制动转矩产生装置（22）时，形成用于所述机构（10）的所有电气终端（13、14、15）的公共终端双极性电力输出负载，并且所述阻力制动转矩产生装置（22）另一方面包括转换器件（120），该转换器件（120）用于将来自所述机构（10）的所有电气终端（13、14、15）的电流转换成供应给所述双极性组件（122）的两个单连接端的单电流，该转换器件（120）不具有有源功率开关。

2.根据权利要求1所述的电力安全制动设备，其特征在于，所述转换器件（120）由二极管桥式整流器组成，该二极管桥式整流器被放置在所述机电换向器（20）与具有所述至少一个耗散电阻（122、146、156、158）的双极性组件（122）之间。

3.根据权利要求1或2中任一项权利要求所述的电力安全制动设备，其特征在于，该电力安全制动设备包括斩波器（17），所述斩波器（17）具有至少一个斩波器制动电阻（156、146、144），并且其中至少一个斩波器制动电阻（156、146）是所述双极性组件中的耗散电阻。

4.根据权利要求3所述的电力安全制动设备，其特征在于，单个斩波器制动电阻（146、156）是所述双极性组件中的电阻，并且其中所述斩波器（17）包括分别连接在所述斩波器制动电阻（146、156）的一端和另一端的两个辅助换向继电器（148、150；152、154），所述斩波器制动电阻（146、156）形成了所述双极性组件的电阻，并且所述斩波器制动电阻（146、156）能够将所述斩波器（17）的制动电阻与所述转换器件（120）连接或者断开所述斩波器（17）的制动电阻与所述转换器件（120）的连接。

5.根据权利要求1、2和4中任一项权利要求所述的电力安全制动设备，其特征在于，所述具有至少一个耗散电阻的双极性组件包括单个耗散电阻（122、146）。

6.根据权利要求1、2和4中任一项权利要求所述的电力安全制动设备，其特征在于，所述具有至少一个耗散电阻的双极性组件包括两个耗散电阻（156、158）。

7.根据权利要求1所述的电力安全制动设备，其特征在于，该电力安全制动设备包括牵引逆变器（18），并且所述转换器件（120）是三相桥式整流器，该三相桥式整流器由所述牵引逆变器（18）的二极管组成。

8.根据权利要求7所述的电力安全制动设备，其特征在于，所述双极性组件（122）由串联连接的耗散电阻（162）和接触器（163）组成，所述组件并联在所述牵引逆变器（18）上。

9.根据权利要求3所述的电力安全制动设备，其特征在于，所述耗散电阻（162）由所述斩波器（17）中的部分制动电阻或全部制动电阻组成。

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