用于軌道交通工具輪軸的制動(dòng)操作方法和用于軌道交通工具的制動(dòng)系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001]發(fā)明
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及由架空線路或第三軌道供電的電驅(qū)動(dòng)軌道交通工具。本發(fā)明特別但不排除涉及電氣多單元(EMU)軌道交通工具，該軌道交通工具包括多個(gè)車廂并通過分布在交通工具長度上面的電機(jī)(優(yōu)選地，永久勵(lì)磁同步機(jī))驅(qū)動(dòng)。更為特別地，本發(fā)明涉及在緊急制動(dòng)情況下廣泛使用電動(dòng)制動(dòng)以及完全避免或幾乎完全避免使用摩擦制動(dòng)器的制動(dòng)方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003]傳統(tǒng)上，軌道交通工具提供有幾種不同的制動(dòng)裝置，諸如機(jī)械或電動(dòng)制動(dòng)器。機(jī)械制動(dòng)器一般是氣動(dòng)操作并且通過摩擦力將軌道交通工具的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱量。電動(dòng)制動(dòng)器將交通工具的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，該電能在變阻器(變阻器制動(dòng))中消散為熱量或回饋到電力線路，例如架空接觸網(wǎng)或第三軌道(再生制動(dòng))。通常，電動(dòng)制動(dòng)器由電驅(qū)動(dòng)軌道交通工具的電機(jī)提供，該電機(jī)作為交流發(fā)電機(jī)或發(fā)電機(jī)來工作。根據(jù)所使用的牽引電機(jī)(例如直流電機(jī)、永磁交流電機(jī)或感應(yīng)電機(jī))的種類，電機(jī)必須被控制以在制動(dòng)期間將能量從轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)移到定子。
[0004]機(jī)械和電動(dòng)制動(dòng)器共同或分別應(yīng)用于不同的制動(dòng)功能(尤其是用于行車制動(dòng)和用于緊急制動(dòng))。
[0005]對于行車制動(dòng)，機(jī)械制動(dòng)器和電動(dòng)制動(dòng)器通常是混合的。更確切地說，電動(dòng)制動(dòng)器提供高達(dá)其全部容量的所需制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并在必要時(shí)輔以機(jī)械制動(dòng)器，以便將磨損減到最小并優(yōu)化能量再生。
[0006]另一方面，電動(dòng)制動(dòng)器通常被認(rèn)為應(yīng)用于緊急制動(dòng)情況是不足夠可靠的。因此，緊急制動(dòng)情況下的整個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩仍然通過機(jī)械制動(dòng)器來提供。為提供緊急制動(dòng)的足夠性能，機(jī)械制動(dòng)器系統(tǒng)的安裝需要若干致動(dòng)器，該致動(dòng)器不是永久用于行車制動(dòng)。因此，所安裝的機(jī)械制動(dòng)裝置不經(jīng)常使用。安裝龐大氣動(dòng)設(shè)備造成重量、空間增加并且因此成本增加。
[0007]用于交通工具的電牽引的安全制動(dòng)系統(tǒng)在美國專利申請US2009/0224706中公開。安全制動(dòng)系統(tǒng)包括第一電氣非安全制動(dòng)器，該制動(dòng)器被集成到牽引鏈中并包括能夠作為電壓發(fā)電機(jī)操作的三相永磁電機(jī)、能夠被配置為二極管橋式整流器的牽引逆變器、用于將永磁電機(jī)連接到逆變器的機(jī)電開關(guān)和包括斬波制動(dòng)電阻器、線路濾波器和線路斷路器的直流鏈路。該系統(tǒng)還包括第二安全制動(dòng)器。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，安全制動(dòng)器包括牽引逆變器的二極管橋式整流器、端子負(fù)載電阻器、與端子負(fù)載電阻器串聯(lián)連接并在輸入端進(jìn)行控制的輔助機(jī)電繼電器，該繼電器和電阻器并聯(lián)插在斬波器與逆變器之間。電流監(jiān)測裝置被串聯(lián)安裝在逆變器的直流側(cè)上用于監(jiān)測第一制動(dòng)器的制動(dòng)性能。在檢測預(yù)定條件時(shí)，電流監(jiān)測裝置觸發(fā)機(jī)電繼電器以接通包括負(fù)載電阻器的電路的支路。為避免監(jiān)測，線路斷路器也被觸發(fā)以斷開電力線路。
[0008]這個(gè)系統(tǒng)是復(fù)雜的，因?yàn)樗姺前踩苿?dòng)器和電安全制動(dòng)器兩者。
[0009]因此，需要一種更簡單和更集成的電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法廣泛使用電動(dòng)制動(dòng)器(甚至在最苛刻的緊急情況下)以避免安裝全額定機(jī)械系統(tǒng)。
[0010]發(fā)明概述
[0011]現(xiàn)有技術(shù)的前述缺點(diǎn)通過本發(fā)明來解決。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于軌道交通工具的輪軸的制動(dòng)操作的方法，該輪軸設(shè)有電動(dòng)制動(dòng)器系統(tǒng)和非全額定機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，該方法至少包括行車制動(dòng)模式、高整體性緊急制動(dòng)模式和駐車制動(dòng)模式，行車制動(dòng)模式通過電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)執(zhí)行，以及駐車制動(dòng)模式通過機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行，其中，只要不滿足電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的低效率條件，則通過電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)執(zhí)行高整體性緊急制動(dòng)模式，以及當(dāng)滿足電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的低效率條件時(shí)，至少部分通過機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)來執(zhí)行高整體性緊急制動(dòng)模式。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于軌道交通工具的輪軸(尤其是驅(qū)動(dòng)輪軸)的制動(dòng)操作的方法，該方法至少包括行車制動(dòng)模式、高整體性緊急制動(dòng)模式和駐車制動(dòng)模式，其中，行車制動(dòng)模式單獨(dú)通過電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)從交通工具的巡航速度下降到靜止來執(zhí)行，駐車制動(dòng)模式通過不是全額定機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)來執(zhí)行，以及在低效率條件未滿足時(shí)，高整體性緊急制動(dòng)模式通過電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)來單獨(dú)執(zhí)行，以及當(dāng)?shù)托蕳l件滿足時(shí)，高整體性緊急制動(dòng)模式至少部分通過機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)來執(zhí)行。
[0014]交通工具的巡航速度是交通工具或輪軸經(jīng)設(shè)計(jì)在各車站之間長時(shí)間段運(yùn)行的速度。巡航速度在任何情況下高于100km/h，并且在高速交通工具的情況下高于250km/h。駐車和保持制動(dòng)系統(tǒng)基本上是機(jī)械制動(dòng)器系統(tǒng)而不是全額定制動(dòng)系統(tǒng)，即，它不是熱額定以制動(dòng)輪軸使其從巡航速度下降到靜止的系統(tǒng)。這意味著該制動(dòng)系統(tǒng)比全額定制動(dòng)系統(tǒng)是基本上不太復(fù)雜和笨重的(全額定制動(dòng)系統(tǒng)的定義是必須能夠制動(dòng)輪軸使其從巡航速度下降到靜止)。機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)只能在交通工具速度已低于預(yù)定閾值時(shí)制動(dòng)交通工具，這可能取決于輪軸所支持的重量。當(dāng)無源運(yùn)行靜態(tài)轉(zhuǎn)換器和電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的效率變得不足時(shí)，該方法利用這種有效的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)以補(bǔ)充或代替在高整體性緊急制動(dòng)模式中的非常低速度時(shí)的電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)。
[0015]當(dāng)電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)變得不能在非常低的速度轉(zhuǎn)換動(dòng)能時(shí)，則滿足電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的低效率條件。這可以是當(dāng)與電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的直流鏈路中的電流幅值下降到低于預(yù)定義閾值的情況。另選地，當(dāng)軌道交通工具或輪軸的速度下降到低于預(yù)定義閾值(例如，5或2km/h)時(shí)，滿足低效率條件?？梢酝瑫r(shí)使用低電流和低速度條件。低效率條件應(yīng)當(dāng)被選擇到以便對應(yīng)于低于上面提到的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)定閾值的交通工具速度的程度。
[0016]在行車制動(dòng)模式中，在輪軸或軌道交通工具從巡航速度減速下降到靜止時(shí)，電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)保持輪軸和軌道交通工具靜止持續(xù)預(yù)定時(shí)間段(例如10秒或I分鐘)，在此時(shí)間后，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)接管并且電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)緩降或逐漸減弱。這有助于避免使電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)制動(dòng)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)元件超負(fù)荷。因此，在行車制動(dòng)模式中，后面跟隨機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)用于產(chǎn)生保持制動(dòng)功能(即保持列車在短時(shí)間段靜止的功能)。
[0017]為阻止當(dāng)軌道交通工具開始移動(dòng)時(shí)的反向移動(dòng)，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)僅在建立拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩后被釋放。
[0018]在緊急制動(dòng)模式中，在減速下降到閾值后，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)漸進(jìn)接管。在高整體性緊急制動(dòng)模式中，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)和電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的混合或只有機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)用于保持制動(dòng)功會(huì)K。
[0019]在高整體性緊急制動(dòng)模式中，位于牽引電機(jī)與電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的直流鏈路之間的靜態(tài)轉(zhuǎn)換器作為無源整流器運(yùn)行，反之，在行車制動(dòng)模式中，靜態(tài)轉(zhuǎn)換器作為有源整流器運(yùn)行。因此，在高整體性緊急制動(dòng)模式中，負(fù)責(zé)控制靜態(tài)轉(zhuǎn)換器的功率半導(dǎo)體開關(guān)的控制單元的潛在故障的風(fēng)險(xiǎn)得以避免。
[0020]高整體性緊急制動(dòng)模式優(yōu)選是第二級緊急制動(dòng)模式，并且，程序優(yōu)選也包括第一級緊急制動(dòng)模式。
[0021]在第一級緊急制動(dòng)模式中，交通工具優(yōu)選單獨(dú)通過電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)從交通工具的巡航速度減速下降到靜止。在這方面，第一級緊急制動(dòng)模式非常類似于行車制動(dòng)模式(除了在從巡航速度下降到靜止的任何給定時(shí)間制動(dòng)功率的設(shè)定值是最大值以外)，使得由電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)在每個(gè)瞬間應(yīng)用于最大有效減速。在行車制動(dòng)模式和第一級緊急制動(dòng)模式兩者中，與輪軸相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)換器被主動(dòng)控制。特別地，如果靜態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)有功率半導(dǎo)體開關(guān)和續(xù)流二極管，則功率半導(dǎo)體開關(guān)被觸發(fā)以優(yōu)化從與輪軸相關(guān)聯(lián)的電動(dòng)制動(dòng)器到直流鏈路和從直流鏈路到用于再生制動(dòng)的電力線路和/或到用于耗散制動(dòng)的制動(dòng)斬波器的功率傳遞。行車制動(dòng)模式和第一級緊急制動(dòng)模式優(yōu)選是沖擊受限的，這通過電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的恰當(dāng)控制來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲瓷婕皺C(jī)械摩擦制動(dòng)。
[0022]第二高整體性緊急制動(dòng)模式是更高整體性但低效率(尤其是在非常低速度時(shí))的制動(dòng)模式，并且當(dāng)電動(dòng)制動(dòng)器的制動(dòng)功率在非常低速度(例如，低于5或2km/h)變得不足時(shí)，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)用于補(bǔ)充或替代電動(dòng)制動(dòng)器。特別地，在靜態(tài)轉(zhuǎn)換器設(shè)有如上所述的功率半