用于同步电机的安全的电制动装置的制作方法

本发明涉及一种用于安全地控制具有同步电机的驱动系统的制动力矩的方法。本发明还涉及一种驱动系统和一种具有该驱动系统的车辆，尤其是轨道车辆。

背景技术：

具有变流器和也被称为电机的马达的驱动系统能够在马达的轴上非常精确地提供希望的转矩。这不仅涉及用于加速马达的力矩，而且还涉及用于制动马达的制动力矩。

该事实在接下来根据轨道车辆的实例被精确地考虑到。当今，轨道车辆多数是电驱动的。马达为此能够对车辆进行加速，但是也能够进行制动。在通过马达制动时，电能被馈送回去，该电能然后被传导到供电网络中或者通过制动电阻消耗掉。除了电制动装置，车辆还具有机械制动装置，其也被描述为摩擦制动装置，其具有制动盘和车轮制动器。为了在电制动装置出故障时能够安全地制动车辆，该第二种机械制动装置因此尤其是必要的。当今的驱动系统可靠地工作，从而使得机械制动装置实际上仅仅用于在静止状态中的固定制动，但是其还必须设计用于全部的转速范围。

许可规定要求车辆的安全制动，其在车辆的任何车辆状态中将车辆安全地停下。当今为此配备有机械制动器，其具有清楚的构造，由此能够以简单的方式实施功能。但是其要承受磨损，从而需要定期的维护。

利用当今对变流器的调节能够在电机的和变流器的额定数据之内对任意的转矩以及对任意的制动力矩进行调节。但是，变流器的基于其多个输入参数和内部计算步骤的调节是非常复杂的。由于该原因，很难实现用于所有可能的车辆和运行状态的、无差错的控制。由此，变流器利用其当今的调节仅仅适合作为运行制动器，其通过根据车辆和其额定值设计的机械制动器对安全要求的确保进行补充。

由de10160612a1公开一种具有牵引变流器和永磁激励同步机器的牵引驱动装置。在也被描述成同步电机的同步机器处，能够以简单的方式如下地产生制动力矩，即将同步机器的端子与电阻连接。该文献描述了电阻组的切换，以便安全地制动机动车。制动力矩通过机器的和电阻值的以及转速的参数进行调节。

由us2012/0043817a1公开了一种用于具有绝缘的交流供电网的应用的驱动系统。该驱动系统具有三相电机，其能够作为电动机或者发电机运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于，给出一种对具有同步电机的驱动系统进行安全制动的方法，其中安全地产生能够受控制的制动力矩。

该目的通过一种用于安全地控制驱动系统的制动力矩的方法实现，其中，该驱动系统具有同步电机和转换装置，其中，同步电机具有相接头，其中，转换装置在第一状态中与相接头彼此连接以便在同步电机处产生第一制动力矩mbr1，并且在第二状态中与相接头彼此连接以便在同步电机处产生第二制动力矩mbr2，其中转换装置在这些状态之间切换以便在时间上的平均值中在同步电机处给出能预设的制动力矩m*。该目的还通过一种用于执行安全地控制制动力矩的方法的驱动系统实现，其中该驱动系统具有同步电机和转换装置，其中同步电机具有相接头，其中转换装置与相接头电连接，其中转换装置具有第一状态和第二状态，其中在相接头之间的阻抗的至少一个值在转换装置的第一状态和第二状态中彼此区分。此外，该目的还通过一种具有相应的驱动系统的车辆、尤其是轨道车辆实现。

本发明的有利的设计方案在从属权利要求中给出。

本发明基于如下的认知，即同步机器、尤其是永磁激励的同步机器适合用于确保安全的制动。同步机器具有这样的特性，即其一旦旋转就会产生电压，该电压通过电阻生成电流以及制动力矩。由此，利用很少的元件就能够构建简单的电制动。通过很少的元件，该制动适合用于满足安全电制动的允许条件。由于低的复杂性，能够相对简单地实现需要的安全性。

除了安全地产生制动效果外，制动还必须是可控的，从而例如不超过在车轮和轨道之间的最大摩擦值。

为了利用尽可能少的附加部件对控制系统进行管理，这些附加部件将增加控制系统的复杂性并且将很难证明可靠性，为了产生制动力矩而在驱动系统中提出一种转换装置。转换装置的目的在于，转换装置切换同步电机的相接头以便在转换装置的至少两个状态中在同步电机处产生两个不同的制动力矩。已经证明有利的是，在转换装置的第一状态中将同步电机的相接头短接，并且在转换装置的第二状态中将相接头优选彼此对称地与至少一个电阻连接。为了产生对称性，已经证明有利的是，例如借助于b6二极管桥将相接头的电流整流，并且随后将整流的电流输送至电阻。通过转换装置的在两个状态之间的切换，在同步机器处实现了与施加的第一制动力矩的和施加的第二制动力矩的时间上的平均值相对应的制动力矩。也可以为控制系统预先设定相应的额定值，其也被称为能预设的制动力矩。已经证明特别有利的是，转换装置的在这些状态之间的转换发生在10hz的量级。在该切换频率或更高的切换频率的情况下，由于驱动系统的惯性，制动力矩的波动对驱动系统的转速或速度没有明显的影响。

也可以将已经在驱动系统中存在的自换相变流器(selbstgefuehrtestromrichter)作为转换装置使用，该自换相变流器具有在中间电路中的一个或多个制动调节器。在使用多个制动调节器的情况中，可以实现转换装置的更多的状态，由这些状态可以在同步电机处产生能预设的制动力矩。被称为制动调节器的是电阻与开关组成的串联电路，其中该串联电路与自换相变流器的中间电路电容器电并联地布置。在此，开关主要实施为功率电子开关，其由此可用于直至khz范围的快速开关处理。在自换相变流器的功率半导体的闭锁状态下，当中间电路电压被制动电阻降低时，自换相变流器的空程二极管(freilaufdiode)导通电流。制动电阻将制动能量转换为热量。为了尽可能少地使用电子元件，可以例如通过在制动期间持久地接通制动电阻的接触器来实现将制动电阻与中间电路连接的开关。通过选择电阻值，制动力经由旋转速度或速度来设定。

为了实现对制动力矩的特别有利的控制，应该控制自换相变流器，以便周期性地从相接头经由空程二极管与制动调节器电连接的、“相电流通过空程二极管”的状态转换至借助于自换相变流器的功率半导体开关将同步电机的相接头短路的、“短路”的状态。由于同步电机、特别是永磁同步电机在相接头短路期间的高电感，对于自换相变流器不会出现不允许的高电流。通常情况下，短路电流只能显著大于额定电流。随着也被称为马达的电机的短路，产生了在高转速时几乎没有转矩的、另外的制动特性。通过这些状态的周期性的转换，在这些制动特性之间发生变换。根据这两种状态的持续时间的比例，因此可以平均地实现在电阻特性和短路特性之间的制动特性。从最高速度到低速度，因此可以在最大力矩和小力矩之间实现连续的制动力矩控制。

制动力矩的这种控制不需要调节机器或电流，例如使用机器变量。单纯通过在其他车辆中也称为防抱死制动系统、简称abs的防滑保护，可以要求更多或更少的力矩，并因此可以相对于最大值来减小或增加力矩。

在低转速的情况中，制动力矩的短路特性和电阻特性相互交叉。在此，以这种方法不可能实现转矩的可调节性。在该转速或速度时可以如下地实现控制系统，即对制动调节器的开关有节拍地、即周期性地进行驱控。具有小于1的驱控系数的制动调节器的节拍运行用于已连接的电阻的放大。通过这种方式，例如在1欧姆的电阻和50％的驱控系数的情况下产生相当于2欧姆的电阻和100％的驱控系数的制动力矩特性。在此，100％的驱控系数表示持久地接通开关。

通过制动调节器的开关的节拍运行还给出了在更高转速时另外的影响的可行性。由于制动电阻器的值决定了制动力矩最大值的位置，所以通过制动调节器的驱控系数可以移动该最大值。根据制动调节器的驱控系数，通过这种方式从一个特性平均地变换为降低的特性。如果使用这种调节可行性，则电阻可以表示相对低的欧姆值，从而在低速度时实现最大的制动力矩。在高于该速度的情况中，可以通过制动调节器的驱控系数来提高有效的制动电阻，从而能够提供直到最大速度的最大制动力矩。

然而，在低转速、特别是接近静止状态的情况中，通过所描述的方法不能实现电的制动。在此，车辆必须通过简单的驻车制动器停住。用于最后的剩余速度的、必须在制动器中转换成热量的制动能量是比具有最大速度的车的总能量更小的因素。因此，剩余的机械制动可以非常节省热量地实施并因此非常经济。

在有利的实施方式中，可以通过简单的限时元件(zeitglied)实现在制动力矩的短路特性和电阻特性之间的转换，以便对特性的时间上的平均值进行调节。对于车辆的制动，约10hz的重复率肯定是足够的，因此车辆的制动力矩的波动是不可察觉的。优点在于不被调节的实施。另外的可行的实施方式在于，脉冲-暂停比率与机器的转速同步。例如可以从测量的电动机电流获得电变量的转速或频率。因此，“短路”状态在一定数量倍的基本振荡周期中被采用。在脉冲-暂停比率的连续调节的情况中，不存在瞬变过程。对电流的调节也不再必要。脉冲-暂停比率可以预设。只有频率通过同步来确定。

如上所述，为了延长制动力矩的特性区域，也可以由状态变量来调节制动调节器的开关的节拍。驱控系数例如可以取决于转速地变化。在此也不需要调节。

在二极管的运行中，电流同一时间不是通过六个而是通过三个空程二极管流到电阻上。根据电流的符号，其通过一个上空程二极管或一个下空程二极管。在此可以产生以下开关状态：或者一个上空程二极管和两个下空程二极管，或相反地通过两个上空程二极管和一个下空程二极管。总而言之，有六种组合可能性。因此，为了过渡到短路，在变流器中不必接通变流器的三个功率半导体开关。接通变流器的单个功率半导体开关就足够了，也就是接通位于与导通的空程二极管相同的(上或下)半部的变流器。这可以通过电流符号的简单逻辑找出。利用这种方法，功率半导体的切换频率对应于电动机的基频，这也使变流器的损耗最小化。

当代替制动调节器或除了制动调节器之外使用外部的电阻装置时，所述方法也可以使用。

以完全相同的方式，可以将另外的整流器和电阻与变流器的空程二极管并联。因此，通过借助于变流器的短路将制动力矩降低如上所述地进行。

电机实际制动的功率可以由电机处的电压和电流的简单计算确定。为了提高可靠性，因此可以简单和有效地测试制动的有效性。这增加了电的制动的可靠性并且简化了用于车辆、特别是轨道车辆的对这种方法的许可。可替换地，通过测量电阻处的电压和电流，可以计算施加在同步电机上的制动力矩。由这些变量可以确定车辆实际上是否制动以及制动力矩是否对应于目标值。因此，可以简单和可靠地实现对安全地控制制动力矩的方法的独立监视。

附图说明

接下来参照附图中示出的实施例来更详细地描述和阐述本发明。在此示出：

图1、图2示出用于两个不同电阻值的、制动力矩相对于速度的示例性的曲线，

图3示出两个制动力矩的示例性的曲线，

图4示出本发明的第一实施例，

图5示出本发明的第二实施例，以及

图6示出另外的、具有作为转换装置的自换相变流器的实施例。

具体实施方式

图1示出了在相接头20分别电连接具有值r1的电阻4的情况下制动力矩mbr相对于转速的曲线。对于具有值r2的第二电阻4，其中r2<r1，其曲线如图2所示。显然，对于更小的电阻4在更小的速度时出现制动力矩mbr的最大值。在转速为零的情况下，与电阻值无关地，在同步电机2处不能实现制动力矩mbr。为了能够在静止状态中向驱动系统施加制动力矩，必须在驱动系统1中设置例如是机械制动器的另外的制动器。

图3示出了第一制动力矩mbr1的曲线和第二制动力矩mbr2的曲线，其中第一制动力矩在同步电机2的相接头20被短接时产生，在第二制动力矩的情况中，相接头20经由至少一个电阻4彼此连接。可以通过用于安全地控制制动力矩mbr的方法来使用位于两条曲线之间的区域，以便在同步电机2处产生制动力矩mbr。当转换装置3具有有时中断经过电阻4的电流的开关5时，在第二制动力矩以上的区域、至少在第二制动力矩mbr2的最大值右侧的部分可以在同步电机2处产生。利用这种中断，可以提高在相接头20处的有效电阻，这导致最大值向较高转速的转移。

图4示出了本发明的第一实施例。在此，驱动系统1具有同步电机2、特别是永磁激励同步电机2和转换装置3，它们通过相接头20彼此电连接。转换装置3包括转换装置开关31。如图所示，在转换装置开关31的上部位置使相接头20短接，而在第二位置、即转换装置开关31的下部位置，转换装置开关31将同步电机2的相接头20通过电阻4的星形连接彼此相连。星形连接由在转换装置31的开关触点与星形接点30之间的连接形成，其中电阻4分别布置在每个这样的连接中。已经证明有利的是，为所示电阻4设置相同的电阻值。因此，制动力矩在电动机旋转时是恒定的。由此避免了例如在车辆或轨道车辆中令人不快的抖动。

在图5的实施例中，与图4的实施例相比，较少数量的电阻4就足够了。为了避免重复，参考与图4及其中的附图标记相关的描述。在图5的实施例中如下地实现同步机2的整个旋转时的均匀的制动力矩，即由整流产生相对于所有相接头20对称的条件。相接头20的电流的整流由用于整流的装置6实现。在该实施例中，这通过二极管桥实现。该二极管桥被称为不受控的b6桥或b6二极管桥。其不需要控制并且可以经济地集成在转换装置3中。

图6示出了一个实施例，其中转换装置由自换相变流器11形成。为了避免重复，参考关于图1至图5的描述及其中的参考标号。自换相变流器11具有制动调节器7、中间电路电容器13和功率半导体13、14。制动调节器7位于在中间电路中。制动调节器与中间电路电容器13并联地布置。制动调节器具有由电阻4和开关5连接成的串联电路。变流器的功率半导体13、14、即功率半导体开关14和空程二极管15接管转换装置开关31的作用。如果不驱控功率半导体开关，则电流只能经由自换相变流器11的空程二极管15流动。这发生在中间电路电压、即中间电路电容器13处的电压小于由同步电机2引起的电压的幅值时。必要时，可以通过接通开关5来降低中间电路电容器13的电压，只要空程二极管15变为导通而且电流流过电阻4。

在该实施例中，开关5例如可以实施为功率电子开关，如图所示，或者实施为机械开关。在实施为功率电子开关的实施例中，其可以以高频率切换。功率电子开关的切换也被称为节拍运行。如果努力实现特别简单的结构，则可以使用机械开关作为开关5，例如接触器。该开关5不需要驱控电子装置。通过这种简单的驱控，机械开关特别适用于如车辆的安全制动的、与安全相关的设备。

在转换装置3的第一状态下，同步电机2的相接头20被短接。这借助于自换相变流器11的功率半导体14、15实现。为了产生短路，所有的相接头20或者连接到上部中间电路电位或者连接到下部中间电路电位。为此目的，要接通至少一个功率半导体开关14。基于相接头20的电流i1、i2、i3的流动方向判断的是，在短路时相应的电流是否流过功率半导体开关14或空程二极管15。然后仅驱控控制功率半导体开关14，即接通，从而产生相接头20的短路。为了避免用于驱控功率半导体开关15的选择逻辑，可以为了产生短路而驱控所有上方的功率半导体开关15或所有下方的功率半导体开关15。上方的功率半导体开关15表示连接到正中间电路电位的功率半导体开关15。下方的功率半导体开关15被理解为连接到负中间电路电位的功率半导体开关15。

在同步电机的相接头与电阻4连接的、转换装置3的第二状态下，开关5必须被持久地接通或以节拍运行。通过节拍运行、即开关5反复接通和断开，增大了对同步电机2的制动力矩有作用的电阻4。因此，如图3所示，在同步电机2处可实现的制动力矩的范围增大了。由于中间电路电容器13与制动调节器7并联布置，因此开关5可以简单地打开，即使当电流通过同步电机2的电感驱动时，因为在断开开关5时产生用于这些电流的、通过中间电路电容器13的路径。自换相变流器11的功率半导体开关14在转换装置3的第二状态下不被驱控，也就是这些功率半导体开关14是断开的。

尽管已经通过优选的实施例对本发明进行了详细的说明和阐述，但是本发明并不仅限于公开的实例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中获得另外的变化方案。