本發(fā)明涉及一種用于安全地控制具有同步電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)的制動力矩的方法。本發(fā)明還涉及一種驅(qū)動系統(tǒng)和一種具有該驅(qū)動系統(tǒng)的車輛，尤其是軌道車輛。

背景技術(shù)：

具有變流器和也被稱為電機(jī)的馬達(dá)的驅(qū)動系統(tǒng)能夠在馬達(dá)的軸上非常精確地提供希望的轉(zhuǎn)矩。這不僅涉及用于加速馬達(dá)的力矩，而且還涉及用于制動馬達(dá)的制動力矩。

該事實在接下來根據(jù)軌道車輛的實例被精確地考慮到。當(dāng)今，軌道車輛多數(shù)是電驅(qū)動的。馬達(dá)為此能夠?qū)囕v進(jìn)行加速，但是也能夠進(jìn)行制動。在通過馬達(dá)制動時，電能被饋送回去，該電能然后被傳導(dǎo)到供電網(wǎng)絡(luò)中或者通過制動電阻消耗掉。除了電制動裝置，車輛還具有機(jī)械制動裝置，其也被描述為摩擦制動裝置，其具有制動盤和車輪制動器。為了在電制動裝置出故障時能夠安全地制動車輛，該第二種機(jī)械制動裝置因此尤其是必要的。當(dāng)今的驅(qū)動系統(tǒng)可靠地工作，從而使得機(jī)械制動裝置實際上僅僅用于在靜止?fàn)顟B(tài)中的固定制動，但是其還必須設(shè)計用于全部的轉(zhuǎn)速范圍。

許可規(guī)定要求車輛的安全制動，其在車輛的任何車輛狀態(tài)中將車輛安全地停下。當(dāng)今為此配備有機(jī)械制動器，其具有清楚的構(gòu)造，由此能夠以簡單的方式實施功能。但是其要承受磨損，從而需要定期的維護(hù)。

利用當(dāng)今對變流器的調(diào)節(jié)能夠在電機(jī)的和變流器的額定數(shù)據(jù)之內(nèi)對任意的轉(zhuǎn)矩以及對任意的制動力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是，變流器的基于其多個輸入?yún)?shù)和內(nèi)部計算步驟的調(diào)節(jié)是非常復(fù)雜的。由于該原因，很難實現(xiàn)用于所有可能的車輛和運行狀態(tài)的、無差錯的控制。由此，變流器利用其當(dāng)今的調(diào)節(jié)僅僅適合作為運行制動器，其通過根據(jù)車輛和其額定值設(shè)計的機(jī)械制動器對安全要求的確保進(jìn)行補(bǔ)充。

由de10160612a1公開一種具有牽引變流器和永磁激勵同步機(jī)器的牽引驅(qū)動裝置。在也被描述成同步電機(jī)的同步機(jī)器處，能夠以簡單的方式如下地產(chǎn)生制動力矩，即將同步機(jī)器的端子與電阻連接。該文獻(xiàn)描述了電阻組的切換，以便安全地制動機(jī)動車。制動力矩通過機(jī)器的和電阻值的以及轉(zhuǎn)速的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由us2012/0043817a1公開了一種用于具有絕緣的交流供電網(wǎng)的應(yīng)用的驅(qū)動系統(tǒng)。該驅(qū)動系統(tǒng)具有三相電機(jī)，其能夠作為電動機(jī)或者發(fā)電機(jī)運行。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，給出一種對具有同步電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行安全制動的方法，其中安全地產(chǎn)生能夠受控制的制動力矩。

該目的通過一種用于安全地控制驅(qū)動系統(tǒng)的制動力矩的方法實現(xiàn)，其中，該驅(qū)動系統(tǒng)具有同步電機(jī)和轉(zhuǎn)換裝置，其中，同步電機(jī)具有相接頭，其中，轉(zhuǎn)換裝置在第一狀態(tài)中與相接頭彼此連接以便在同步電機(jī)處產(chǎn)生第一制動力矩mbr1，并且在第二狀態(tài)中與相接頭彼此連接以便在同步電機(jī)處產(chǎn)生第二制動力矩mbr2，其中轉(zhuǎn)換裝置在這些狀態(tài)之間切換以便在時間上的平均值中在同步電機(jī)處給出能預(yù)設(shè)的制動力矩m*。該目的還通過一種用于執(zhí)行安全地控制制動力矩的方法的驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)，其中該驅(qū)動系統(tǒng)具有同步電機(jī)和轉(zhuǎn)換裝置，其中同步電機(jī)具有相接頭，其中轉(zhuǎn)換裝置與相接頭電連接，其中轉(zhuǎn)換裝置具有第一狀態(tài)和第二狀態(tài)，其中在相接頭之間的阻抗的至少一個值在轉(zhuǎn)換裝置的第一狀態(tài)和第二狀態(tài)中彼此區(qū)分。此外，該目的還通過一種具有相應(yīng)的驅(qū)動系統(tǒng)的車輛、尤其是軌道車輛實現(xiàn)。

本發(fā)明的有利的設(shè)計方案在從屬權(quán)利要求中給出。

本發(fā)明基于如下的認(rèn)知，即同步機(jī)器、尤其是永磁激勵的同步機(jī)器適合用于確保安全的制動。同步機(jī)器具有這樣的特性，即其一旦旋轉(zhuǎn)就會產(chǎn)生電壓，該電壓通過電阻生成電流以及制動力矩。由此，利用很少的元件就能夠構(gòu)建簡單的電制動。通過很少的元件，該制動適合用于滿足安全電制動的允許條件。由于低的復(fù)雜性，能夠相對簡單地實現(xiàn)需要的安全性。

除了安全地產(chǎn)生制動效果外，制動還必須是可控的，從而例如不超過在車輪和軌道之間的最大摩擦值。

為了利用盡可能少的附加部件對控制系統(tǒng)進(jìn)行管理，這些附加部件將增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性并且將很難證明可靠性，為了產(chǎn)生制動力矩而在驅(qū)動系統(tǒng)中提出一種轉(zhuǎn)換裝置。轉(zhuǎn)換裝置的目的在于，轉(zhuǎn)換裝置切換同步電機(jī)的相接頭以便在轉(zhuǎn)換裝置的至少兩個狀態(tài)中在同步電機(jī)處產(chǎn)生兩個不同的制動力矩。已經(jīng)證明有利的是，在轉(zhuǎn)換裝置的第一狀態(tài)中將同步電機(jī)的相接頭短接，并且在轉(zhuǎn)換裝置的第二狀態(tài)中將相接頭優(yōu)選彼此對稱地與至少一個電阻連接。為了產(chǎn)生對稱性，已經(jīng)證明有利的是，例如借助于b6二極管橋?qū)⑾嘟宇^的電流整流，并且隨后將整流的電流輸送至電阻。通過轉(zhuǎn)換裝置的在兩個狀態(tài)之間的切換，在同步機(jī)器處實現(xiàn)了與施加的第一制動力矩的和施加的第二制動力矩的時間上的平均值相對應(yīng)的制動力矩。也可以為控制系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定相應(yīng)的額定值，其也被稱為能預(yù)設(shè)的制動力矩。已經(jīng)證明特別有利的是，轉(zhuǎn)換裝置的在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換發(fā)生在10hz的量級。在該切換頻率或更高的切換頻率的情況下，由于驅(qū)動系統(tǒng)的慣性，制動力矩的波動對驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速或速度沒有明顯的影響。

也可以將已經(jīng)在驅(qū)動系統(tǒng)中存在的自換相變流器(selbstgefuehrtestromrichter)作為轉(zhuǎn)換裝置使用，該自換相變流器具有在中間電路中的一個或多個制動調(diào)節(jié)器。在使用多個制動調(diào)節(jié)器的情況中，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換裝置的更多的狀態(tài)，由這些狀態(tài)可以在同步電機(jī)處產(chǎn)生能預(yù)設(shè)的制動力矩。被稱為制動調(diào)節(jié)器的是電阻與開關(guān)組成的串聯(lián)電路，其中該串聯(lián)電路與自換相變流器的中間電路電容器電并聯(lián)地布置。在此，開關(guān)主要實施為功率電子開關(guān)，其由此可用于直至khz范圍的快速開關(guān)處理。在自換相變流器的功率半導(dǎo)體的閉鎖狀態(tài)下，當(dāng)中間電路電壓被制動電阻降低時，自換相變流器的空程二極管(freilaufdiode)導(dǎo)通電流。制動電阻將制動能量轉(zhuǎn)換為熱量。為了盡可能少地使用電子元件，可以例如通過在制動期間持久地接通制動電阻的接觸器來實現(xiàn)將制動電阻與中間電路連接的開關(guān)。通過選擇電阻值，制動力經(jīng)由旋轉(zhuǎn)速度或速度來設(shè)定。

為了實現(xiàn)對制動力矩的特別有利的控制，應(yīng)該控制自換相變流器，以便周期性地從相接頭經(jīng)由空程二極管與制動調(diào)節(jié)器電連接的、“相電流通過空程二極管”的狀態(tài)轉(zhuǎn)換至借助于自換相變流器的功率半導(dǎo)體開關(guān)將同步電機(jī)的相接頭短路的、“短路”的狀態(tài)。由于同步電機(jī)、特別是永磁同步電機(jī)在相接頭短路期間的高電感，對于自換相變流器不會出現(xiàn)不允許的高電流。通常情況下，短路電流只能顯著大于額定電流。隨著也被稱為馬達(dá)的電機(jī)的短路，產(chǎn)生了在高轉(zhuǎn)速時幾乎沒有轉(zhuǎn)矩的、另外的制動特性。通過這些狀態(tài)的周期性的轉(zhuǎn)換，在這些制動特性之間發(fā)生變換。根據(jù)這兩種狀態(tài)的持續(xù)時間的比例，因此可以平均地實現(xiàn)在電阻特性和短路特性之間的制動特性。從最高速度到低速度，因此可以在最大力矩和小力矩之間實現(xiàn)連續(xù)的制動力矩控制。

制動力矩的這種控制不需要調(diào)節(jié)機(jī)器或電流，例如使用機(jī)器變量。單純通過在其他車輛中也稱為防抱死制動系統(tǒng)、簡稱abs的防滑保護(hù)，可以要求更多或更少的力矩，并因此可以相對于最大值來減小或增加力矩。

在低轉(zhuǎn)速的情況中，制動力矩的短路特性和電阻特性相互交叉。在此，以這種方法不可能實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的可調(diào)節(jié)性。在該轉(zhuǎn)速或速度時可以如下地實現(xiàn)控制系統(tǒng)，即對制動調(diào)節(jié)器的開關(guān)有節(jié)拍地、即周期性地進(jìn)行驅(qū)控。具有小于1的驅(qū)控系數(shù)的制動調(diào)節(jié)器的節(jié)拍運行用于已連接的電阻的放大。通過這種方式，例如在1歐姆的電阻和50％的驅(qū)控系數(shù)的情況下產(chǎn)生相當(dāng)于2歐姆的電阻和100％的驅(qū)控系數(shù)的制動力矩特性。在此，100％的驅(qū)控系數(shù)表示持久地接通開關(guān)。

通過制動調(diào)節(jié)器的開關(guān)的節(jié)拍運行還給出了在更高轉(zhuǎn)速時另外的影響的可行性。由于制動電阻器的值決定了制動力矩最大值的位置，所以通過制動調(diào)節(jié)器的驅(qū)控系數(shù)可以移動該最大值。根據(jù)制動調(diào)節(jié)器的驅(qū)控系數(shù)，通過這種方式從一個特性平均地變換為降低的特性。如果使用這種調(diào)節(jié)可行性，則電阻可以表示相對低的歐姆值，從而在低速度時實現(xiàn)最大的制動力矩。在高于該速度的情況中，可以通過制動調(diào)節(jié)器的驅(qū)控系數(shù)來提高有效的制動電阻，從而能夠提供直到最大速度的最大制動力矩。

然而，在低轉(zhuǎn)速、特別是接近靜止?fàn)顟B(tài)的情況中，通過所描述的方法不能實現(xiàn)電的制動。在此，車輛必須通過簡單的駐車制動器停住。用于最后的剩余速度的、必須在制動器中轉(zhuǎn)換成熱量的制動能量是比具有最大速度的車的總能量更小的因素。因此，剩余的機(jī)械制動可以非常節(jié)省熱量地實施并因此非常經(jīng)濟(jì)。

在有利的實施方式中，可以通過簡單的限時元件(zeitglied)實現(xiàn)在制動力矩的短路特性和電阻特性之間的轉(zhuǎn)換，以便對特性的時間上的平均值進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于車輛的制動，約10hz的重復(fù)率肯定是足夠的，因此車輛的制動力矩的波動是不可察覺的。優(yōu)點在于不被調(diào)節(jié)的實施。另外的可行的實施方式在于，脈沖-暫停比率與機(jī)器的轉(zhuǎn)速同步。例如可以從測量的電動機(jī)電流獲得電變量的轉(zhuǎn)速或頻率。因此，“短路”狀態(tài)在一定數(shù)量倍的基本振蕩周期中被采用。在脈沖-暫停比率的連續(xù)調(diào)節(jié)的情況中，不存在瞬變過程。對電流的調(diào)節(jié)也不再必要。脈沖-暫停比率可以預(yù)設(shè)。只有頻率通過同步來確定。

如上所述，為了延長制動力矩的特性區(qū)域，也可以由狀態(tài)變量來調(diào)節(jié)制動調(diào)節(jié)器的開關(guān)的節(jié)拍。驅(qū)控系數(shù)例如可以取決于轉(zhuǎn)速地變化。在此也不需要調(diào)節(jié)。

在二極管的運行中，電流同一時間不是通過六個而是通過三個空程二極管流到電阻上。根據(jù)電流的符號，其通過一個上空程二極管或一個下空程二極管。在此可以產(chǎn)生以下開關(guān)狀態(tài)：或者一個上空程二極管和兩個下空程二極管，或相反地通過兩個上空程二極管和一個下空程二極管?？偠灾辛N組合可能性。因此，為了過渡到短路，在變流器中不必接通變流器的三個功率半導(dǎo)體開關(guān)。接通變流器的單個功率半導(dǎo)體開關(guān)就足夠了，也就是接通位于與導(dǎo)通的空程二極管相同的(上或下)半部的變流器。這可以通過電流符號的簡單邏輯找出。利用這種方法，功率半導(dǎo)體的切換頻率對應(yīng)于電動機(jī)的基頻，這也使變流器的損耗最小化。

當(dāng)代替制動調(diào)節(jié)器或除了制動調(diào)節(jié)器之外使用外部的電阻裝置時，所述方法也可以使用。

以完全相同的方式，可以將另外的整流器和電阻與變流器的空程二極管并聯(lián)。因此，通過借助于變流器的短路將制動力矩降低如上所述地進(jìn)行。

電機(jī)實際制動的功率可以由電機(jī)處的電壓和電流的簡單計算確定。為了提高可靠性，因此可以簡單和有效地測試制動的有效性。這增加了電的制動的可靠性并且簡化了用于車輛、特別是軌道車輛的對這種方法的許可?？商鎿Q地，通過測量電阻處的電壓和電流，可以計算施加在同步電機(jī)上的制動力矩。由這些變量可以確定車輛實際上是否制動以及制動力矩是否對應(yīng)于目標(biāo)值。因此，可以簡單和可靠地實現(xiàn)對安全地控制制動力矩的方法的獨立監(jiān)視。

附圖說明

接下來參照附圖中示出的實施例來更詳細(xì)地描述和闡述本發(fā)明。在此示出：

圖1、圖2示出用于兩個不同電阻值的、制動力矩相對于速度的示例性的曲線，

圖3示出兩個制動力矩的示例性的曲線，

圖4示出本發(fā)明的第一實施例，

圖5示出本發(fā)明的第二實施例，以及

圖6示出另外的、具有作為轉(zhuǎn)換裝置的自換相變流器的實施例。

具體實施方式

圖1示出了在相接頭20分別電連接具有值r1的電阻4的情況下制動力矩mbr相對于轉(zhuǎn)速的曲線。對于具有值r2的第二電阻4，其中r2<r1，其曲線如圖2所示。顯然，對于更小的電阻4在更小的速度時出現(xiàn)制動力矩mbr的最大值。在轉(zhuǎn)速為零的情況下，與電阻值無關(guān)地，在同步電機(jī)2處不能實現(xiàn)制動力矩mbr。為了能夠在靜止?fàn)顟B(tài)中向驅(qū)動系統(tǒng)施加制動力矩，必須在驅(qū)動系統(tǒng)1中設(shè)置例如是機(jī)械制動器的另外的制動器。

圖3示出了第一制動力矩mbr1的曲線和第二制動力矩mbr2的曲線，其中第一制動力矩在同步電機(jī)2的相接頭20被短接時產(chǎn)生，在第二制動力矩的情況中，相接頭20經(jīng)由至少一個電阻4彼此連接。可以通過用于安全地控制制動力矩mbr的方法來使用位于兩條曲線之間的區(qū)域，以便在同步電機(jī)2處產(chǎn)生制動力矩mbr。當(dāng)轉(zhuǎn)換裝置3具有有時中斷經(jīng)過電阻4的電流的開關(guān)5時，在第二制動力矩以上的區(qū)域、至少在第二制動力矩mbr2的最大值右側(cè)的部分可以在同步電機(jī)2處產(chǎn)生。利用這種中斷，可以提高在相接頭20處的有效電阻，這導(dǎo)致最大值向較高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)移。

圖4示出了本發(fā)明的第一實施例。在此，驅(qū)動系統(tǒng)1具有同步電機(jī)2、特別是永磁激勵同步電機(jī)2和轉(zhuǎn)換裝置3，它們通過相接頭20彼此電連接。轉(zhuǎn)換裝置3包括轉(zhuǎn)換裝置開關(guān)31。如圖所示，在轉(zhuǎn)換裝置開關(guān)31的上部位置使相接頭20短接，而在第二位置、即轉(zhuǎn)換裝置開關(guān)31的下部位置，轉(zhuǎn)換裝置開關(guān)31將同步電機(jī)2的相接頭20通過電阻4的星形連接彼此相連。星形連接由在轉(zhuǎn)換裝置31的開關(guān)觸點與星形接點30之間的連接形成，其中電阻4分別布置在每個這樣的連接中。已經(jīng)證明有利的是，為所示電阻4設(shè)置相同的電阻值。因此，制動力矩在電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時是恒定的。由此避免了例如在車輛或軌道車輛中令人不快的抖動。

在圖5的實施例中，與圖4的實施例相比，較少數(shù)量的電阻4就足夠了。為了避免重復(fù)，參考與圖4及其中的附圖標(biāo)記相關(guān)的描述。在圖5的實施例中如下地實現(xiàn)同步機(jī)2的整個旋轉(zhuǎn)時的均勻的制動力矩，即由整流產(chǎn)生相對于所有相接頭20對稱的條件。相接頭20的電流的整流由用于整流的裝置6實現(xiàn)。在該實施例中，這通過二極管橋?qū)崿F(xiàn)。該二極管橋被稱為不受控的b6橋或b6二極管橋。其不需要控制并且可以經(jīng)濟(jì)地集成在轉(zhuǎn)換裝置3中。

圖6示出了一個實施例，其中轉(zhuǎn)換裝置由自換相變流器11形成。為了避免重復(fù)，參考關(guān)于圖1至圖5的描述及其中的參考標(biāo)號。自換相變流器11具有制動調(diào)節(jié)器7、中間電路電容器13和功率半導(dǎo)體13、14。制動調(diào)節(jié)器7位于在中間電路中。制動調(diào)節(jié)器與中間電路電容器13并聯(lián)地布置。制動調(diào)節(jié)器具有由電阻4和開關(guān)5連接成的串聯(lián)電路。變流器的功率半導(dǎo)體13、14、即功率半導(dǎo)體開關(guān)14和空程二極管15接管轉(zhuǎn)換裝置開關(guān)31的作用。如果不驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)，則電流只能經(jīng)由自換相變流器11的空程二極管15流動。這發(fā)生在中間電路電壓、即中間電路電容器13處的電壓小于由同步電機(jī)2引起的電壓的幅值時。必要時，可以通過接通開關(guān)5來降低中間電路電容器13的電壓，只要空程二極管15變?yōu)閷?dǎo)通而且電流流過電阻4。

在該實施例中，開關(guān)5例如可以實施為功率電子開關(guān)，如圖所示，或者實施為機(jī)械開關(guān)。在實施為功率電子開關(guān)的實施例中，其可以以高頻率切換。功率電子開關(guān)的切換也被稱為節(jié)拍運行。如果努力實現(xiàn)特別簡單的結(jié)構(gòu)，則可以使用機(jī)械開關(guān)作為開關(guān)5，例如接觸器。該開關(guān)5不需要驅(qū)控電子裝置。通過這種簡單的驅(qū)控，機(jī)械開關(guān)特別適用于如車輛的安全制動的、與安全相關(guān)的設(shè)備。

在轉(zhuǎn)換裝置3的第一狀態(tài)下，同步電機(jī)2的相接頭20被短接。這借助于自換相變流器11的功率半導(dǎo)體14、15實現(xiàn)。為了產(chǎn)生短路，所有的相接頭20或者連接到上部中間電路電位或者連接到下部中間電路電位。為此目的，要接通至少一個功率半導(dǎo)體開關(guān)14?；谙嘟宇^20的電流i1、i2、i3的流動方向判斷的是，在短路時相應(yīng)的電流是否流過功率半導(dǎo)體開關(guān)14或空程二極管15。然后僅驅(qū)控控制功率半導(dǎo)體開關(guān)14，即接通，從而產(chǎn)生相接頭20的短路。為了避免用于驅(qū)控功率半導(dǎo)體開關(guān)15的選擇邏輯，可以為了產(chǎn)生短路而驅(qū)控所有上方的功率半導(dǎo)體開關(guān)15或所有下方的功率半導(dǎo)體開關(guān)15。上方的功率半導(dǎo)體開關(guān)15表示連接到正中間電路電位的功率半導(dǎo)體開關(guān)15。下方的功率半導(dǎo)體開關(guān)15被理解為連接到負(fù)中間電路電位的功率半導(dǎo)體開關(guān)15。

在同步電機(jī)的相接頭與電阻4連接的、轉(zhuǎn)換裝置3的第二狀態(tài)下，開關(guān)5必須被持久地接通或以節(jié)拍運行。通過節(jié)拍運行、即開關(guān)5反復(fù)接通和斷開，增大了對同步電機(jī)2的制動力矩有作用的電阻4。因此，如圖3所示，在同步電機(jī)2處可實現(xiàn)的制動力矩的范圍增大了。由于中間電路電容器13與制動調(diào)節(jié)器7并聯(lián)布置，因此開關(guān)5可以簡單地打開，即使當(dāng)電流通過同步電機(jī)2的電感驅(qū)動時，因為在斷開開關(guān)5時產(chǎn)生用于這些電流的、通過中間電路電容器13的路徑。自換相變流器11的功率半導(dǎo)體開關(guān)14在轉(zhuǎn)換裝置3的第二狀態(tài)下不被驅(qū)控，也就是這些功率半導(dǎo)體開關(guān)14是斷開的。

盡管已經(jīng)通過優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明和闡述，但是本發(fā)明并不僅限于公開的實例，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍的情況下從中獲得另外的變化方案。