技术领域
[0001] 本
发明一般涉及在与大型的、非公路车辆例如
机车的连接中使用的
能量装置和方 法，具体地涉及检测运行于隔离工作模式的车辆中的锁止轴情况的方法和装置。
背景技术
[0002] 机车和过境车辆以及其它大型
牵引车辆通常都由牵引
电动机提供动
力，牵引电动 机被接入以驱动车辆的一个或更多的轴。机车或过境车辆通常每个车辆具有至少四个轮轴 组，每个轮轴组经由合适的
齿轮装置连接到单独的电动机的轴，该电动机通常也称为牵引 电动机。在电动机工作模式中，牵引电动机由来自一个可控电源（例如，一个
发动机驱动的 牵引交流发
电机）的
电流供电并将
扭矩施加到
车轮，车轮在车辆行驶的表面上（例如，
铁路 轨道的平行
钢轨）施加切向力或
牵引力，因此沿着正确的路线以所需的方向推进车辆。作 为选择，在
电制动工作模式中，电动机充当由车轴驱动的发电机，扭矩通过它们各自相关的 轮轴组被施加到它们的轴上，然后轮轴组在行驶表面上施加制动力，因此使车辆制动或减 速，电动机所产生的能量被分散在
电阻栅中。
[0003] 用于牵引应用的机车通常配有被结合到相应的牵引电动机或由电动机驱动的轴 上的速度
传感器。速度传感器的数据或信息可以用来检测锁止轴情况。如果当机车移动时 锁止轴情况发生在特定的轴上，那么该轴的转速减小到零，而所有其它轴以一个相应于机 车车速的速度旋转，因而，无论何时，只要在一个轴上检测到相对于其它轴在速度上的足够 差别，就能检测到锁止轴情况。
[0004] 另外，当速度传感器不能提供可靠的
传感器数据时，锁止轴情况可以在系统控制 器中被指出，因为现有的
控制器通常不能检测速度传感器故障。当指出一个锁止轴情况时， 操作员通常必须停止火车并目测轴或车轮以找出任何可辨认出的损坏，如果目测不能发现 任何有用的信息，那么火车可能必须稍微滚动前进以确定轴是真地被锁止还是由于速度传 感器发生故障而指出锁止情况。如果确定是后者，那么机车能在低速下运行直到速度传感 器和/或速度检测装置被修复。停止火车、检查轴和在低速下运行导致比较麻烦的延误。
[0005] 一种监测锁止轴情况的方法一般通过在牵引电动机上使用速度传感器来实现，然 而，由于其变化莫测的工作环境，速度传感器装置有很高的故障率。被共同转让的美国
专利 US5990648描述了一种不使用速度传感器来检测锁止轴情况的方法，该专利名称为“不使用 速度传感器的检测锁止轴情况的方法”，被授予Kumar等人。
[0006] 然而，涉及到重型牵引应用的情况通常使用一组多个机车来提供所需的总功率/ 牵引力，使火车从起始点行驶到终点。该组机车的数量总是可以大于旅途的几个部分所需 的机车数量。内燃电力传动机车通常声音很大，发动机带来的振动使火车操作员的工作环 境不舒适。因此，为了工作人员的舒适，操作员倾向于隔离该组中的一个或更多机车单元以 节省
燃料和/或减小这些单元中的噪音和振动。在被隔离的机车中的
柴油发动机在低速 下运转，并且
交流发电机磁场和其控制是无效的，在这种情况下，柴油发动机不能用作电力 源。[0007] 在专利US5990648中披露的方法要求牵引逆变器控制牵引电动机以便在牵引电 动机中产生磁通，从而产生合适的极性扭矩来确定电动机是正在旋转还是没有旋转。因此 这些牵引逆变器需要有直流总线
电压来实现该功能。然而，当机车处于隔离模式时，柴油发 动机不能向直流总线提供电力，在专利US5990648中披露的不使用速度传感器检测锁止轴 的方法不能被使用。这导致由于传感器故障而使许多机车被不必要的查找故障。因而，存 在对这样一种方法的需要，该方法在运行于隔离模式的机车中使用，它可靠地识别实际的 锁止轴情况和被错误检测到的轴情况，该被错误检测到的轴情况基于速度传感器的故障而 被指出。
发明内容
[0008] 在一个
实施例中，本发明是一种检测方法，检测在多个交流牵引电动机中的一个 或更多中的实际锁止情况的发生，这些交流牵引电动机可重新配置作为交流发电机运行， 其中所述交流牵引电动机被连接到一个公共直流总线。该方法包括在第一电动机中检测可 能锁止情况，用一个备用电源以初始电压给直流总线供电，和通过重新配置多个交流牵引 电动机中的第二电动机作为发电机运行，用该第二电动机调节直流总线电压。该方法进一 步包括在第一电动机中的多个电磁通量
水平下，测量由第一电动机产生的扭矩，和基于测 出的扭矩确定可能的锁止情况是否是实际的锁止情况。
[0009] 在另一个实施例中，本发明是一种检测在一个隔离车辆中的实际锁止轴情况的发 生的装置，该车辆具有多个被重新配置作为交流发电机运行的交流牵引电动机，所述交流 牵引电动机被连接到一个公共直流总线。该系统包括在一个轴中检测可能的锁止轴情况的 速度传感器，该轴被结合到多个交流牵引电动机中的第一电动机上，和一个电源，该电源用 一个备用电源以初始电压给直流总线供电。该装置进一步包括一个电压调节器，通过重新 配置多个交流牵引电动机中的第二电动机作为发电机运行，该电压调节器用该第二电动机 调节直流总线电压，和一个扭矩传感器，在第一电动机中的多个电磁通量水平下，扭矩传感 器测量由第一电动机产生的扭矩。该装置进一步包括一个处理器，该处理器基于测出的扭 矩确定可能的锁止情况是否是实际的锁止情况。
附图说明
[0010] 通过参考下面结合附图进行的对本发明实施例的说明，本发明的上述和其它特征 以及获得它们的方法将变得显而易见，本发明自身也被更好地理解，其中：
[0011] 图1是根据
现有技术的两个一组共同运转的内燃电力传动机车的结构图；
[0012] 图2是根据本发明的交流内燃电力传动机车的简化的
电路图；
[0013] 图3是本发明处理器的结构图，该处理器例如可以被用于检测实际锁止轴情况的 发生；和
[0014] 图4A-4B共同表示本发明检测方法的一个示范实施例的
流程图。 具体实施方式
[0015] 本发明可以被用于给车辆提供动力的各种形式的交流（AC)感应电动机中，例如 过境车辆和机车。通过图示说明，在此当本发明被应用于机车时对其进行描述。图1表示机车系统100的一个可能的运转示例，机车系统100具有在一个组中的第一机车110A和第 二机车110B(下文中，共同称为机车110)。机车110可以例如是一个交流内燃电力传动机 车。机车110包括一个柴油发动机120，它驱动一个交流发电机122和一个
整流器124。如 本领域公知的，交流发电机122产生的
三相电压被提供给电力整流器电桥124的交流输入 端。整流器124的直流（DC)输出通过直流总线126连接到一个或更多逆变器128，逆变器 128在各种可选可变
频率下将直流电转换为交流电，逆变器128被电连接到多个可调节速 度的交流牵引电动机130的每一个上以提供电力。如本领域公知的，牵引电动机130提供 牵引力以移动机车系统100和任何其它车辆，例如被连接到机车系统100的载重车。
[0016] 一种普通的机车配置包括一个逆变器128和被结合到轴/轮组132的牵引电动机 130，这种配置导致每个
转向架（truck) 134有三个逆变器128，每个机车110有六个逆变器 128和牵引电动机130。每个牵引电动机130被悬附在单独的轮轴组132上并通过传统的 传动装置（未示出）机械连接到相关的轮轴组132上进行驱动。为了方便，图1表示了一 个逆变器128。然而，应该了解，但不是必需的，每个牵引电动机130都被连接到相关的逆变 器128。在正常工作期间，提供给整流器电桥124的
输出电压和电流的大小是由提供给交流 发电机122的励磁绕组的激励电流的大小确定的。激励电流响应操作员的车速命令被设定 到一个控制器140，控制器140进而响应由速度
信号代表的实际车速。控制器140将车速命 令转变为用于控制电动机130的相应的扭矩命令。由于交流转动扭矩与
转子电流和气隙磁 通成比例，所以这些量可以被监测；或，作为选择，其它量例如外加电压、
定子电流和电动机 每分钟的转速可以被用来在控制器140中重设转动扭矩，如本领域中公知的那样。
[0017] 在一个实施例中，机车110A和位于其上的牵引电动机130提供机车系统100的牵 引力。机车110B表示一个在当前时刻不被用于提供牵引力的机车。通常，这种不用来提供 牵引力的机车处于隔离模式，其相关的柴油发动机120低速运转，并且其相关的交流发电 机122不起作用。
[0018] 牵引电动机130还提供制动力以控制速度或使机车系统100减速，这通常被称为 电力制动，并且在本领域中一般是公知的。简单地说，当牵引电动机不需要提供推动力时， 它能被重新配置（通过电力
开关装置）以便电动机可作为一个发电机运转。被如此配置时， 牵引电动机产生
电能，这有减慢机车速度的作用。在现有技术的机车中，在电力制动模式中 产生的能量通常被传输到一个安装于机车上的电阻栅142。因而，电力制
动能量被转化为热 量并从系统中耗散。换句话说，在电力制动模式中产生的电能通常被浪费。电动机电压和 电流被控制以达到所希望的制动效果。
[0019] 图2是图1的机车110的电路图200。交流发电机122和整流器124的输出端被 连接到将直流电提供给多个牵引电动机的直流总线126，为了方便，仅仅表示两个电动机 130A和130B。直流总线126也可以称为牵引总线，因为它承载由牵引电动机子系统使用的 电力。如上所述，普通现有技术的内燃电力传动机车包括四个或六个牵引电动机子系统。
[0020] 在制动期间，由牵引电动机产生的电力通过电力制动栅子系统142被耗散。如图 2中所示，普通现有技术的电力制动栅包括多个
接触器（例如，DB1-DB5)，用于在直流总线 126的正极干线和负极干线之间开关多个功率电阻件，每个垂直的电阻组都可以称为一个 电阻串。一个或更多电力栅冷却
风机（例如BL1和BL2)通常被用来除去由于电力制动而 在电阻串中产生的热量。[0021] 在图2中，表示了两个牵引电动机子系统208，它们包括一个逆变器（例如逆变器 128A)和一个相应的牵引电动机（例如牵引电动机130A)。每个牵引电动机子系统208还 包括一个速度传感器210 (例如速度传感器210A，通常称为速度传感器210)。速度传感器 210被用来以每分钟转速（RPM)的形式提供表示牵引电动机130的轴的转速的速度信号。 这些转速信号以众所周知的方式被容易地转换成车轮速度。如本领域所知的那样，速度传 感器被用来检测锁止轴情况。然而，由于其变化莫测的工作环境，速度传感器装置有很高的 故障率。被共同转让的美国专利US5990648描述了一种不使用速度传感器来检测锁止轴情 况的方法，该专利名称为“不使用速度传感器的检测锁止轴情况的方法”（下文中称为648 号专利），被授予Kumar等人，在此被全部引入作为参考。
[0022] 控制器140 (看图1)进一步包括一个速度传感器故障检测处理器300，用来在存 在不合格的传感器数据的情况下识别可能的锁止轴情况和实际的锁止轴情况。如图3中所 示，处理器300接收下列
输入信号：一个表示机车速度的信号310，例如可以从一个或更多 雷达传感器或者其它速度传感器容易地获得，这些传感器被连接到没有被怀疑遭受锁止轴 情况的轴上；一个代表电动机扭矩反馈的信号312 ；—个代表可能的锁止轴情况314的信 号；和一个指示最大磁通水平的信号316，处理器被允许控制该信号。图3进一步表示处理 器300提供与可能被锁止的轴的状态有关的信息324。这些信息可以被一个适当的显示装 置（未示出）示出，以通知操作者可能存在锁止轴情况以便适当的纠正测量能被迅速执行。 另外，这些信息可以被传送到一个故障存储单元以保留特定机车中的故障历史记录。处理 器300提供的其它
输出信号包括代表电动机速度指令的信号322，它可以被提供给逆变器 来驱动被连接到可能的锁止轴的电动机；和一个代表磁通指令的信号320，它被提供给前 述逆变器。图3中所示的处理器300包括一个
存储器302、一个
算术逻辑单元304和一个计 时器306。
[0023] 通过连接圆形标志A互连的图4A-4B共同表示一个流程图，用来描述操作处理器 300以便检测锁止轴情况的方法的一个实施例。在该实施例中，连接到怀疑被锁止的轴的车 轮被假定在机车速度下或接近机车速度下自由地转动。因而，当相应于稍微低于机车速度 的速度的频值被应用于感应电动机时，如果电动机在相应于机车速度的速度下转动，那么 电动机将产生制动扭矩；因此不会指出锁止轴情况。相反，如果轴被锁止，那么电动机将处 于零转速，由电动机产生的扭矩将是转动扭矩。
[0024] 如图4A所示，在步骤402操作的开始，一个检测步骤404包括在运行于隔离模式 的机车上检测可能的锁止轴情况。例如，如果当机车系统100移动时速度传感器值成为零， 那么这可能表示速度传感器发生故障或表示轴真地被锁止。在不必停止机车系统100的情 况下，图4A-D中描述的方法可以可靠地识别是上述情况中的哪一种，并检查速度传感器或 其它繁琐程序的工作状态。
[0025] 在关于图1和2所述的例子中，机车110B在隔离模式下操作。机车112B上的发动 机120不可向交流发电机122提供动力，整流器124不可向直流总线126提供电力，因此， 最初直流总线126可能基本上是断电的。为了该例子的目的，假定与包括逆变器128A和相 应的牵引电动机130A的牵引电动机子系统208相关的速度传感器210A发生故障，并且包 括逆变器128B和相应的牵引电动机130B的牵引电动机子系统208具有一个工作速度传感 器210B。选择这些牵引电动机子系统是为了说明的目的，一个本领域技术人员应该知道，任何牵引电动机子系统都能被用作控制子系统。
[0026] 步骤406 (施加初始电压步骤）包括用一个备用电源将初始电压加于直流总线 126。初始电压可以是这样一个电压，它基本上小于在发动机120作用于交流发电机122和 整流器124时正常存在于总线上的电压。在一个实施例中，一个低压控制
电池219被用来 提供初始电压。如图2中所示，一个BJ+接触器220和一个BJ-接触器222横跨直流总线 126被连接在一起，BJ+和BJ-接触器220、222连接低压控制电池219，低压控制电池219 通常用来在不使用柴油发动机的情况下移动机车，特别是在厂房或火车制造厂中。通常电 池是75伏的直流电池，然而也可使用其它低压电池。随着BJ+和BJ-接触器220、222的关 闭，初始直流电压被选择地加于直流总线126上。
[0027] 如本领域普通技术人员所知的，通常有一个残留电压被存储于交流发电机中。在 另一个实施例中，该残留电压被选择地应用以在直流总线上提供初始电压。在另一个实施 例中，交流发电机122能被用来选择地提供来自运行于低速下的被隔离的柴油发动机120 的功率。通常，引导牵引电动机130B需要少于柴油发动机额定功率的大约5%，更具体地， 少于柴油发动机额定功率的大约或大约4
马力。
[0028] 在步骤408 (初始电压步骤），直流总线上的初始电压被用来在具有工作速度传感 器210(在该例子中，牵引电动机130B与工作速度传感器相关）的牵引电动机上产生一个 小磁通，以引导牵引电动机130B。
[0029] 步骤410(调节DC电压步骤）包括通过作为发电机运行的牵引电动机130B和逆 变器128B来调节直流总线126上的直流电压。
[0030] 在步骤414 (逆变器频率设定步骤），为逆变器设定逆变器频率，该逆变器与提供 了可能的锁止轴情况的速度传感器相关（在该例子中，逆变器128A)，逆变器频率被设定到 一个值，该值相对于计算出的电动机同步转速是足够低的，以便可以产生一个足够大的制 动滑动。那些本领域技术人员应该理解，计算出的电动机同步转速能用公知的技术在控制 器130中计算，该公知技术使用关于车轮直径、
传动比和机车速度的信息。例如，在一种应 用中发现，将逆变器频率设定到一个等于200RPM的值，其低于计算出的电动机同步转速， 就足够产生相对大的制动滑动。
[0031] 步骤416 (改变电磁通量水平步骤)包括改变与速度传感器相关的电动机中的电 磁通量的水平，该速度传感器提供可能的锁止轴情况（在该例子中，电动机130A)。通量 改变可以通过将通量水平从大约零的水平倾斜到电动机通常所用的全部通量水平的一个 预定部分的形式发生。调节直流总线上的电压的电动机130B被用来控制通量改变。该部 分水平的通量选择确保牵引电动机不会产生高扭矩，即使在步骤414中所选的频值稍微断 开。例如，在上述同样的应用中，预定部分水平被方便地选择为具有电动机通常使用的全部 磁通水平的大约10%的值。
[0032] 在步骤418 (测量步骤），在磁通倾斜步骤416期间产生的扭矩被扭矩传感器测量。 步骤420(比较步骤）包括比较任何测出的扭矩，例如转动扭矩，和一个预定的转动扭矩限 值，其可以被方便地存储在电路存储器302 (图3)中。在算术逻辑单元304(图3)中能容 易地执行该比较步骤。如图4C中所示，步骤422 (初始确定步骤）可以基于测出的转动扭 矩对可能的或怀疑的锁止轴情况是否是实际的锁止轴情况至少进行一个初步确定。具体 地，如果在步骤420中测出的转动扭矩超过转动扭矩限值，那么这就表明轴没有旋转；并且在步骤424 (实际锁止轴情况指示步骤)中指出实际的锁止轴情况。
[0033] 如果测出的转动扭矩没有超过转动扭矩限值，那么步骤426 (倾斜频率步骤)允许 将频值朝着一个值增加，该值接近计算出的电动机同步转速但不等于或大于计算出的电动 机同步转速。然后，步骤428 (测量步骤）测量扭矩，例如转动扭矩或在频率倾斜步骤426 期间产生的制动扭矩。步骤430 (比较步骤）比较测出的扭矩例如转动扭矩是否超过转动 扭矩限值；如果超过，那么在步骤424中指出锁止轴情况。步骤432(比较步骤）比较测出 的扭矩例如制动扭矩是否超过可以被方便地存储于存储器302 (图3)中的制动扭矩限值。 如果测出的制动扭矩没有超过制动扭矩限值，那么步骤424指出轴被锁止。然而，如果测出 的制动扭矩超过制动扭矩限值，那么步骤436 (指示步骤）指出被怀疑的锁止轴情况不是实 际的锁止轴情况；即，轴实际上正在旋转。
[0034] 步骤438 (重置步骤）使代表参数例如电动机磁通和速度指令的各种信号重置。在 步骤442 (操作结束）中的运行结束之前，步骤440在步骤402重新开始该方法之前用计时 电路306(图3)计算一个合适的等待时间。
[0035] 本领域技术人员应该了解，该可选实施例不局限于轴旋转速度的关于零速度的 检测，这是因为通过选择合适的第一和第二逆变器频值，在不使用一个连接到该轴的速度 传感器的情况下，任何给定轴的旋转速度都可以被方便地检测。例如，如果
指定速度是 100RPM,那么一个人能选择大约30RPM的第一频值和大约170RPM的第二频值来检验轴是否 实际上在100RPM附近旋转。
[0036] 作为选择，其它不使用速度传感器检测锁止轴情况的方法可以被使用，例如在648 号专利中被确定的辅助方法。
[0037] 由于主要发动机功率由作为发电机运行的牵引电动机130B提供，所以当机车系 统100(图1)停止时，牵引电动机130B停止发电。因而，发电机不能保持直流总线126上 的电压，总线上的电压基本上下降到零，保证了一个固有安全条件，在这种条件下来操作与 直流总线126相关的设备。
[0038] 当介绍本发明或其实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”被用来表 示有一个或更多元件。术语“包含”、“包括”和“具有”是开放式的并表示除所列元件之外， 还可以有附加的元件。
[0039] 应该了解，在此表示和描述的本发明具体实施例仅仅是示范性的。在不背离本发 明的精神和范围的情况下，那些本领域技术人员可作出各种变化、改变、替换和等效方案。 因而，在此描述的和结合附图表示的所有主题应该被认为仅仅是说明性的，本发明的范围 只由所附的
权利要求确定。
