ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО АВАРИЙНОГО ТОРМОЖЕНИЯ С ПРИВОДОМ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ И С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ТОРМОЗНОГО МОМЕНТА
EMERGENCY BRAKING ELECTRICAL DEVICE WITH DRIVE WITH PERMANENT MAGNETS AND WITH ADJUSTMENT OF BRAKING MOMENT

Изобретение относится к электрическому устройству аварийного торможения с регулированием тормозного момента, предназначенному для транспортного средства на электрической тяге, например для железнодорожного транспортного средства.
Аварийное торможение обеспечивает надежное создание необходимого тормозного усилия.
В области железнодорожных транспортных средств в основном различают два типа торможения: рабочее торможение и аварийное торможение.
- Рабочее торможение является торможением, наиболее часто применяемым во время эксплуатации железнодорожных транспортных средств. Оно может быть изменяемым между минимальным значением усилия, близким к 0, и максимальным значением усилия. Сама система рабочего торможения может иметь несколько вариантов в зависимости от поездов: только электрический тормоз, только механический тормоз или комбинированный электрический и механический тормоз. Она предназначена для осуществления всех «нормальных» остановок и замедлений поезда, а также для сдерживающего торможения на уклонах. Однако оно не является аварийным в том смысле, что использует много электрических, электронных, механических, пневматических или гидравлических компонентов, в которых может возникнуть неисправность и, следовательно, которые могут привести к усилию торможения, отличному от желаемого, и даже, учитывая новые цепи тяги со статическим переключением тяга/торможение, к тяговому усилию.
- Аварийное торможение, как показывает его название, используют только в экстренных случаях. Этот экстренный случай может быть вызван либо внешними экстренными условиями, либо неисправностью рабочего тормоза. Задачей этого тормоза является максимально быстрая и максимально надежная остановка поезда. Этот тормоз не является изменяемым, а является аварийным, то есть возможность его выхода из строя является чрезвычайно низкой. Следовательно, этот тормоз должен использовать как можно меньше компонентов. Как правило, он является чисто механическим, но это требует его соответствующих размеров, что может отрицательно сказаться на его стоимости и массе, в частности, для высокоскоростного поезда, в котором рассеиваемая энергия торможения является достаточно большой. Поэтому представляет интерес реализация электрического аварийного торможения.
Электрическое устройство аварийного торможения описано в патенте DE 10160612А1. Недостатком этого устройства является то, что получаемая характеристика усилие/скорость электрического аварийного торможения зависит только от характеристик привода и от выбранного значения сопротивления тормозных резисторов, поэтому ее нельзя регулировать, то есть она не позволяет приближаться к требуемой кривой усилие/скорость. Например, она может привести к чрезмерным усилиям на высокой скорости, которые могут приводить к чрезмерному сцеплению или, наоборот, к слишком незначительным усилиям на низкой скорости.
Предлагаемое этим изобретением устройство должно позволять регулировать характеристику усилие/скорость этого аварийного электрического тормоза, чтобы она более соответствовала получаемому сцеплению, в зависимости от скорости, и, следовательно, получить более эффективный аварийный электрический тормоз.
Первое устройство этого типа описано в немецкой патентной заявке, опубликованной под номером DE 102004032680А1. Оно относится к системе торможения, содержащей цепь тормозных резисторов, соединенных звездой или треугольником, которую можно соединить с приводом с постоянными магнитами при помощи коммутатора электромеханического типа, содержащего набор реле. Оно выполнено с добавлением емкостной цепи, содержащей три конденсатора, соединенных параллельно с цепью тормозных резисторов. В отсутствие контроля путем активного регулирования эта емкостная цепь позволяет увеличить тормозное усилие, производимое аварийным электрическим тормозом на высокой скорости, компенсируя реактивную энергию, создаваемую внутренними обмотками статора привода.
Предложенное изобретение относится к другому устройству, позволяющему, наоборот, ограничивать тормозное усилие на повышенных скоростях, когда сцепление является относительно слабым, позволяя при этом получать существенное усилие электрического торможения на низких скоростях. Оно состоит в добавлении цепи трехфазных катушек индуктивности между резистивным устройством создания тормозного момента и приводом с постоянными магнитами.
Объектом изобретения является электрическое тормозное устройство с регулированием тормозного момента, предназначенное для транспортного средства на электрической тяге, в частности железнодорожного транспортного средства, содержащее вращающуюся электромеханическую машину, содержащую, по меньшей мере, одну обмотку с электрическими контактами, электрическое устройство создания тормозного момента, не содержащее активных силовых выключателей, средства коммутации, выполненные с возможностью селективного соединения электрических контактов электромеханической машины с устройством создания тормозного момента, характеризующееся тем, что между средствами коммутации и устройством создания тормозного момента последовательно электрически соединяют, по меньшей мере, одну катушку индуктивности регулирования тормозного момента.
Согласно частным вариантам выполнения тормозное устройство содержит один или несколько следующих признаков:
- электромеханическая машина является машиной с постоянными магнитами,
- с контактами каждой индукционной катушки соединяют вспомогательный выключатель тока для обеспечения переключения средств коммутации,
- средства коммутации являются средствами электромеханического типа,
- устройство создания тормозного момента содержит, по меньшей мере, один тормозной резистор, соединенный со средствами коммутации через, по меньшей мере, одну индукционную катушку регулирования тормозного момента,
- устройство создания тормозного момента содержит, по меньшей мере, три тормозных резистора, электрически установленных звездой,
- устройство создания тормозного момента содержит три тормозных резистора, электрически установленных треугольником,
- устройство создания тормозного момента содержит диодный выпрямительный мост и резистор, соединенный с выходными контактами диодного выпрямительного моста,
- индукционные катушки регулирования тормозного момента подключены между средствами коммутации и диодным выпрямительным мостом,
- устройство создания тормозного момента содержит выпрямительный мост, образованный обратными диодами тягового инвертора, соединенного со средствами коммутации, тормозной резистор, соединенный с контактами тягового инвертора, контактор, последовательно соединенный с тормозным резистором, и цепь блокировки, позволяющую производить аварийную блокировку электронных силовых выключателей тягового инвертора, и
- индукционные катушки регулирования тормозного момента подключены между средствами коммутации и тяговым инвертором.
Настоящее изобретение будет более очевидно из нижеследующего описания варианта выполнения, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - электрическая схема первого варианта выполнения аварийного электрического тормоза, интегрированного в тяговую цепь;
фиг.2 - электрическая схема версии варианта выполнения аварийного электрического тормоза, показанного на фиг.1, в которой устройство создания тормозного момента является цепью резисторов, установленных треугольником;
фиг.3 - электрическая схема версии вариантов, показанных на фиг.1 и 2, аварийного электрического тормоза, в которой устройство создания тормозного момента содержит только один резистор;
фиг.4 - электрическая схема версии выполнения аварийного электрического тормоза, показывающая уровень интегрирования в тяговую цепь, более высокий, чем уровень на фиг.1-3.
На фиг.1 показан аварийный электрический тормоз, интегрированный в электрическую тяговую цепь 1 железнодорожного транспортного средства.
Электрическая тяговая цепь 1 питается от контактной линии (или от третьего рельса) 2 высокого напряжения, относительно массы 4, соединенной с землей.
Электрическая тяговая цепь 1 содержит, в виде каскада, пантограф (или скользящий контакт) 6 для отбора электрической энергии от контактной линии 2, за которым следует линейный прерыватель 8, выполняющий функцию главного выключателя/контактора между тяговой цепью 1 и контактной линией 2.
Тяговая цепь 1 содержит также вращающуюся электромеханическую машину 10 постоянного возбуждения, выполненную с возможностью получения питания от силового электронного преобразователя 12.
Вращающаяся электромеханическая машина 10 содержит в данном случае статор с трехфазными обмотками питания, снабженными входными электрическими контактами 13, 14, 15 для каждой фазы, и ротор, возбуждение которого обеспечивается постоянным магнитом.
В режиме электрической тяги электромеханическая машина 10 работает в качестве привода, тогда как в режиме электрического торможения она работает в качестве генератора напряжения.
Силовой электронный преобразователь 12 содержит, в виде каскада от прерывателя 8 к приводу 10, линейный фильтр 16 классической конструкции LC с последовательно подключенной катушкой индуктивности и параллельно установленным конденсатором, классический реостатный тормозной преобразователь 17 и инвертор 18 в данном случае с трехфазным переменным выходом, выполненный с возможностью подачи питания на вращающуюся машину 10 через электромеханический соединительный коммутатор 20.
Все элементы тяговой цепи соединены с общей массой 4 через обратную линию 22.
Кроме способности работать в качестве тяговой цепи, электрическая тяговая цепь 1 выполнена с возможностью работать также в качестве первого неаварийного электрического тормоза, называемого рабочим тормозом.
Первый так называемый рабочий электрический тормоз содержит компоненты тяговой цепи 1, а именно генератор 10, инвертор 18, конфигурированный в режиме выпрямителя, реостатный тормозной преобразователь 17, линейный фильтр 16 и электромеханический коммутатор 20.
Второй так называемый аварийный электрический тормоз, кроме электромеханической машины 10, содержит электромеханический соединительный коммутатор 20 и регулируемый блок 24 создания тормозного момента, содержащий устройство 26 создания тормозного момента в виде резистивной цепи диссипативных резисторов нагрузки и устройство 28 пассивного регулирования тормозного момента в виде цепи катушек индуктивности, выполненное с возможностью регулирования момента аварийного электрического торможения по максимальной мощности электромеханической машины и по изначально присутствующему сцеплению колесо/рельс в зависимости от скорости.
Реостатный тормозной преобразователь 17 содержит силовой электронный выключатель 32 типа IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor или биполярный транзистор с изолированным затвором), например, последовательно соединенный с реостатным тормозным резистором 34, с которым параллельно соединен обратный диод.
Инвертор 18 содержит три трехфазные переменные выходные линии 37, 38, 39, каждая из которых выполнена с возможностью соединения соответственно с входным электрическим контактом 13, 14, 15 фазы статора привода 10 при помощи соединения, реализуемого при помощи электромеханического коммутатора 20.
Инвертор 18 выполнен в виде классической конструкции с 6 электронными силовыми выключателями 42, 44, 46, 48, 50, 52, соединенными по трем фазам, подключенным между выходом входного фильтра 16 и обратной линией 22.
Каждый электронный силовой выключатель 42, 44, 46, 48, 50, 52 содержит соответственно силовой транзистор типа IGBT, например, 54, 56, 58, 60, 62, 64, управляемый по состоянию пропускания/запирания для силового тока, при этом каждый силовой транзистор связан с обратным диодом 66, 68, 70, 72, 74 и 76, установленным путем антипараллельного подключения.
На фиг.1 стрелка каждого силового транзистора показывает направление прохождения тока, когда этот транзистор является пропускающим.
Каждый силовой выключатель 42, 44, 46 соответственно связан с силовым выключателем 48, 50, 52, при этом выход одного из первых соединен с входом одного из вторых и образует выход инвертора, при этом каждый выход соединен соответственно с выходной линией 37, 38, 39 инвертора.
Цепи управления электронными силовыми выключателями на фиг.1 не показаны, и предполагается, что они выполнены с возможностью обеспечения синхронной тяговой работы электромеханической машины 10 в режиме привода.
Электромеханический коммутатор 20 содержит набор из трех входных контактных площадок 80, 82, 84, соединенных соответственно с тремя входными контактами 13, 14, 15 привода 10.
Электромеханический коммутатор 20 содержит также первую группу выходных контактных площадок 86, 88, 90, соединенных соответственно с выходными линиями 37, 38, 39 инвертора 18.
Электромеханический коммутатор 20 содержит также вторую группу электрически изолированных выходных контактных площадок 92, 94, 96, выполненных с возможностью соединения соответственно с входными контактными площадками 80, 82, 84 для изолирования привода 10 от инвертора 18.
Электромеханический коммутатор 20 содержит также третью группу выходных контактных площадок 98, 100, 102, соединенных с устройством 24 создания тормозного момента соответственно на входах 104, 106, 108.
Электромеханический коммутатор 20 содержит командный вход 109, выполненный с возможностью приема команды коммутации, позволяющий переключать по выбору совокупность электрических соединений, выполненных в виде механических контактных элементов, от входных контактных площадок 80, 82 и 84 на выходные контактные площадки, выбирая между первой группой выходных контактных площадок, второй группой выходных контактных площадок и третьей группой выходных контактных площадок. Поскольку электромеханический коммутатор 20 содержит ограниченное число пассивных элементов, он является безопасным и надежным.
Регулируемый блок 24 создания тормозного момента содержит входные контакты 104, 106, 108, соединенные соответственно с выходными контактными площадками 98, 100, 102 третьей группы электромеханического коммутатора 20.
В данном случае резистивная цепь 26, образующая устройство создания тормозного момента, состоит из трех резисторов 110, 112, 114, соединенных по схеме звезды с общим узлом 78. Каждый резистор 100, 112, 114 цепи соединен соответственно с катушкой 116, 118, 120 индуктивности индуктивной цепи 28, образующей устройство пассивного регулирования, которая, в свою очередь, соединена с соответствующим входным контактом 104, 106, 108 третьей группы выходных контактных площадок электромеханического коммутатора 20.
Во время работы в тяговом режиме электромеханическая машина 10 работает как привод, и в этом случае электромеханический коммутатор 20 конфигурирован таким образом, чтобы выходные контактные площадки 86, 88, 90 первой группы были соединены с входными контактными площадками 80, 82, 84. Таким образом, инвертор 18 питает привод 10 синусоидальным током, синхронизированным со скоростью привода.
Во время рабочего торможения электромеханический коммутатор 20 сохраняет то же состояние, что и в режиме тяги.
Инвертор 18 конфигурирован для работы в режиме выпрямителя, и преобразователь 17 служит для ограничения мощности торможения, направляемой в линию 6, до максимальной мощности, которую может принять эта линия, при этом возможный избыток мощности торможения рассеивается в резисторе 34.
Во время аварийного электрического торможения электромеханический коммутатор 20 последовательно переключается на вторую группу 92, 94, 96, затем на третью группу выходных площадок 98, 100, 102 таким образом, чтобы изолировать привод 10 от силового преобразователя 12, а затем соединить каждый контакт 13, 14, 15 вращающейся машины 10, работающей в режиме генератора, с устройством 24 создания тормозного момента через соответствующие входы 104, 106 и 108.
При этом генератор 10 выдает ток через каждый электрический контакт 13, 14,15 в резистивную цепь 26 нагрузки, образованную тремя резисторами 110, 112 и 114.
Таким образом, механическая энергия транспортного средства преобразуется в электрическую энергию в генераторе 10, затем в тепло за счет эффекта Джоуля в резистивной цепи 26, что и приводит к торможению транспортного средства.
В отсутствие индуктивной цепи 28, поскольку электродвижущая сила вращающейся машины 10 пропорциональна скорости ее вращения, собственная индуктивность статора вызывает потерю напряжения, тоже пропорциональную скорости, в результате чего в зависимости от скорости слегка уменьшается создаваемый тормозной момент.
Однако этого недостаточно на высоких скоростях по причине слишком слабого значения собственной индуктивности статора.
Добавление катушки 116, 118, 120 индуктивности, последовательно соединенной с каждой фазовой катушкой индуктивности статора, доступной на контактах 13, 14, 15, позволяет увеличить падение напряжения, пропорциональное скорости вращения ротора электромеханической машины 10, и привести, таким образом, создаваемый тормозной момент в интервал значений, совместимых с максимальной мощностью привода, избегая при этом заклинивания колес и максимально обеспечивая сцепление.
Вышеуказанное добавление катушек индуктивности позволяет, таким образом, выбрать устройство 26 создания тормозного момента с низкими значениями сопротивления резисторов 110, 112, 114 для получения еще большего момента на низких скоростях, снижая при этом слишком высокий момент, который мог бы быть произведен на высоких скоростях и который привел бы к превышению максимальной электрической мощности привода и к чрезмерному скольжению колес.
В отличие от устройства, описанного в патентной заявке DE 102004032680A1, которое при данном значении сопротивления резисторов 110, 112, 114 позволяет увеличить усилие торможения на высокой скорости, компенсируя падение напряжения, индуцированного в обмотках статора привода, показанное на фиг.1 устройство позволяет, наоборот, ограничить это усилие на высокой скорости в зависимости от мощности привода и от сцепления, изначально получаемого на высоких скоростях. Описанное в данном случае устройство позволяет, таким образом, выбрать резисторы с низкими значениями сопротивления для получения большого тормозного усилия на низкой скорости, не опасаясь при этом чрезмерного увеличения тормозных усилий на высоких скоростях.
На фиг.2 показана версия аварийного электрического тормоза, показанного на фиг.1, в которой резисторы 104, 106, 108 резистивной цепи 26 установлены треугольником, а не звездой, как на фиг.1.
В этой версии, показанной на фиг.2, аварийный электрический тормоз аналогичен показанному на фиг.1, при этом резистивная нагрузка 26, установленная треугольником, эквивалента резистивной нагрузке, установленной звездой.
Преимуществом монтажа треугольником является то, что он позволяет сохранить две трети мощности торможения при простой неисправности по сравнению с половиной мощности в случае резисторов, установленных звездой.
На фиг.3 показана версия аварийного электрического тормоза, в которой устройство 26 создания тормозного момента содержит только один резистор с добавлением диодного выпрямительного моста.
Устройство 26 создания тормозного момента содержит классический диодный мост 130, пассивно конфигурированный в виде выпрямительного моста, с тремя входами 132, 134 и 136, выполненными с возможностью получения питания, в данном случае от трехфазного тока.
Устройство 26 создания тормозного момента содержит также единственный биполярный терминальный резистор 138 нагрузки, подключенный между двумя выходами 140 и 142 диодного моста 130. В данном случае диодный мост 130 содержит шесть диодов.
Устройство 28 пассивного регулирования содержит цепь из трех катушек 160, 162, 164 индуктивности, каждая из которых последовательно соединена соответственно между входом диодного моста 130, обозначенным соответственно 132, 134, 136, и выходной контактной площадкой третьей выходной группы 98, 100, 102 электромеханического коммутатора 20.
С каждой катушкой 160, 162, 164 индуктивности соединен соответственно контактор 170, 172, 174, позволяющий в любой момент остановить аварийное торможение, не создавая нежелательных перенапряжений при одновременном замыкании контакторов 174, 176, 178 и при размыкании сразу после этого контакторов электромеханического коммутатора 20.
Во время работы при аварийном торможении контакторы 170, 172, 174 находятся в разомкнутом положении.
На каждом электрическом контакте 13, 14, 15 генератор 10 выдает ток в устройство 26 создания тормозного момента на входы 132, 134, 136 через устройство 28 пассивного регулирования.
После выпрямления выходных переменных токов генератора 10 выпрямительный диодный мост 130 питает постоянным электрическим током единственный резистор 138, который рассеивает электрическую энергию в виде тепла за счет эффекта Джоуля.
Регулирование, осуществляемое катушками 160, 162 и 164 индуктивности, аналогично описанному со ссылками на фиг.1 и 2.
В случае, когда желательно прекратить аварийное торможение на высокой скорости, необходимо перевести коммутатор 20 в положение, позволяющее отсоединить генератор 10 от устройства 28 пассивного регулирования.
Однако в этом случае ток, накапливаемый в катушках 160, 162, 164 индуктивности, может создать недопустимое перенапряжение во время электромеханического переключения коммутатора 20.
Чтобы облегчить переключение коммутатора 20 до отсоединения катушек 160, 162, 164 индуктивности от выходных контактных площадок 98, 100, 102 коммутатора, на контакторы 170, 172, 174 подается команда на замыкание.
Таким образом, катушки 160, 162, 164 индуктивности замыкаются накоротко, и ток, накопленный внутри каждой катушки, может протекать свободно.
После этого коммутатор 20 отсоединяет входные контактные площадки 104, 106 и 108 от катушек 160, 162, 164 индуктивности.
После осуществления переключения коммутатора 20 по истечении заранее определенного промежутка времени на контакторы 170, 172, 174 подается команда на размыкание.
Таким образом, происходит включение режима тяги или рабочего торможения, и устройство работает аналогично варианту, показанному на фиг.1 и 2.
На фиг.4 схематично показана версия вариантов аварийного электрического тормоза, показанных на фиг.1, 2 и 3, которая характеризуется более высокой степенью интегрирования с электрической тяговой цепью.
Электрическая тяговая цепь 1 аналогична описанной со ссылками на фиг.3 и отличается тем, что:
- электромеханический коммутатор 20 с тремя группами выходных контактных площадок заменен электромеханическим коммутатором 180, содержащим только первую 86, 88, 90 и вторую 92, 94, 96 группы выходных контактных площадок;
- в данном случае устройство 26 создания тормозного момента содержит:
диодный мост с обратными диодами 66, 68, 70, 72, 74, 76 инвертора 18,
резистор 182 нагрузки, последовательно соединенный с электромеханическим контактором 183, при этом весь узел подключен к контактам преобразователя 17 и инвертора 18,
цепи 184 блокировки, позволяющие блокировать силовые выключатели 54, 56, 58, 60, 62, 64 инвертора 18 и выключатель 32 преобразователя 17 и замкнуть контактор 183.
Электромеханический коммутатор 180 используют для отсоединения привода 10 от инвертора 18 в случае короткого замыкания последнего. В этом случае коммутатор становится коммутатором, классически используемым в этом типе тяговых цепей, и не претерпевает изменений в рамках изобретения.
Работа в тяговом режиме и в режиме рабочего торможения аналогична вариантам, показанным на фиг.1, 2 и 3.
Во время аварийного электрического торможения электромеханический коммутатор 180 остается в положении, при котором электромеханическая машина 10 соединена с инвертором 18.
Цепи 184 блокировки подают команду на шесть силовых транзисторов 54, 56, 58, 60, 62, 64 инвертора 18 и силовой транзистор 32 для их приведения в состояние пропускания.
Параллельно цепи 184 подают команду на замыкание вспомогательного электромеханического реле 183.
Таким образом, силовой инвертор 18 в данном случае играет роль простого выпрямительного моста, состоящего из диодов 66, 68, 70, 72, 74, 76. В аварийном режиме цепи 184 блокировки не позволяют инвертору 18 работать в режиме инвертора.
Таким образом, диодный мост из обратных диодов 66, 68, 70, 72, 74, 76 выполняет функцию выпрямительного моста 130, показанного на фиг.3; он направляет энергию от генератора 10 в резистор 182 нагрузки, который в этом случае соединен с мостом.
Устройство 188 пассивного регулирования содержит набор индукционных катушек, в данном случае трех катушек 190, 192, 194, каждая из которых соединена с выходом 37, 38, 39 инвертора 18 и с выходной контактной площадкой 86, 88, 90 первой группы выходных контактных площадок коммутатора 180.
Параллельно с каждой катушкой 190, 192, 194 индуктивности соединен контактор 196, 198, 200, позволяющий в любой момент прекратить аварийное торможение, не создавая нежелательных перенапряжений. Для этого одновременно замыкают контакторы 196, 198, 200 и сразу после этого размыкают контакторы электромеханического коммутатора 180.
Устройство 180, улучшающее характеристику усилие/скорость аварийного электрического торможения, работает так же, как и устройство 28, показанное на фиг.3.
Преимуществом устройства регулирования является адаптация тормозного момента в зависимости от скорости с учетом сцепления колес с рельсами. Это преимущество представляет особый интерес при высоких скоростях, учитывая, что в отсутствие устройства регулирования повышается риск заклинивания колес при торможении на высокой скорости.
Преимуществом устройства, показанного на фиг.4, является его более высокий уровень интегрирования в тяговую цепь, что позволяет уменьшить число компонентов и габариты.