DE3150353A1 - Anordnung zum betrieb eines fahrweggebundenen elektrischen triebfahrzeuges mit einem synchronen linearmotor - Google Patents

Description

• Anordnung zum Bertrieb eines fehrweggebundenen elektri-
• schen Triebfahrzeuges mit einem synchronen Linearmotor Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Betrieb eines fahrweggebundenen elektrischen Triebfahrzeuges mit einem synchronen Linearmotor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
• Aus der DE-PS 26 10 752 ist eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines fahrweggebundenen elektrischen Triebfahrzeuges mit einem synchronen Linearmotor bekannt, bei dem der Erreger entweder als Permanentmagnet oder als eine von Gleichstrom durchflossene Erregerwicklung ausgebildet ist. Diese Erregeranordnung kann sich über die gesamte Fahrzeuglänge erstrecken. Als Stator ist eine Wanderfeldwicklung entlang der Trasse angeordnet. Diese Wanderfeldwicklung, die im allgemeinen als Mehrphasenwicklung ausgebildet ist, erzeugt nach Maßgabe der eingespeisten Spannung und Frequenz ein in Längsrichtung der Trasse laufendes Wanderfeld, das ein Antriebsmoment auf den Erreger und damit auf das Fahrzeug ausübt. Die Fahrstrecke ist in eine Anzahl von Streckenabschnitten unterteilt, wobei jedem Streckenabschnitt eine Wanderfeldwicklung zugeordnet ist und die einzelnen Wanderfeldwicklung des auf diese Weise gebildeten vielteiligen synchronen Linearmotors von einer Anzahl von steuerbaren statischen Umrichtern gespeist werden, die entlang der Trasse verteilt angeordnet sind. Die Umrichter sind hinsichtlich der abgegebenen Spannung und abgegebenen Frequenz steuerbar und werden in Abhängigkeit von einer die Pollage des Erregers erfassenden Meßanordnung getaktet.
• Diese Meßanordnung besitzt eine an einer vorgegebenen Stelle am Triebfahrzeug angeordnete Sendeeinrichtung mit einer an einen Mittel- oder Hochfrequenz-Sender angeschlossenen Primärwicklung sowie eine an der Trasse angeordnete Empfangseinrichtung mit einer oder mehreren Meßwicklungen. An diese Meßwicklungen sind jeweils ein Empfänger mit je einem Amplitudenmodulator und eine Decodierschaltung angeschlossen. Die Ausgangssignale der Decodierschaltung stellen ein Maß für den Pollagewinkel dar.
• Mit dieser Anordnung ist auch eine Bestimmung des Pollagewinkels im Stillstand des Triebfahrzeuges möglich, es ist Jedoch erforderlich, entlang der gesamten Trasse Meßwicklungen anzubringen, um den Pollagewinkel erfassen zu können.
• Aus der Zeitschrift "Eisenbahntechnische Rundschau (29) 7.18.1980 S. 587 bis 590" ist eine Anordnung zum Betrieb eines fahrweggebundenen elektrischen Triebfahrzeuges mit einem.synchronen Linearmotor bekannt, dessen Erreger am Triebfahrzeug angeordnet ist und dessen Stator entlang der Trasse verlegt und mit einer Wanderfeldwicklung versehen ist, welcher abschnittsweise von ortsfestensteuerbaren statischen Umrichtern mit veränderlicher Spannung und Frequenz gespeist ist. Die Umrichter sind in Abhängigkeit von einer die Pollage des Erregers erfassenden Meßanordnung getaktet, die beispielsweise durch eine Hallsonde gebildet istrund der Wanderfeldwicklung gegen-Uberliegend am Triebfahrzeug angeordnet ist. Mit dieser Hallsonde wird das magnetische Wechselfeld längs des Statorpaketes ausgetastet. Die Meßanordnung ist auf dem Triebfahrzeug mit einer Signalauswerteschaltung für den Pollagewinkel verbunden und besitzt eine am Triebfahrzeug angeordnete Sendeeinrichtung, die beispielsweise als Schlitzhohlleitersystem ausgebildet ist und Signale an eine den Umrichtern zugeordnete Steuereinrichtung überträgt. Beim betriebsmäßigen Unterschreiten eines Motorgrenzstromes von ca. 10 % des Nennstromes verliert die bekannte Anordnung ihre Funktionsfähigkeit. Die Anordnung deckt somit den Anfahrbereich nicht ab, so daß sie durch ein weiteres System ergänzt werden muß.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung so auszubilden, daß eine Erfassung des Pollagewinkels auch unterhalb 1/10 des Nennstromes möglich ist, ohne daß es erforderlich ist, ein zusätzliches System anzuwenden oder Meßwicklungen entlang der gesammten Trasse anzuordnen.
• Gelöst wird diese Aufgabe ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen.
• Durch die Erfindung ist es möglich, mit einer Einspeisung eines Stromes von wenigen Prozent des Nennstromes Pollagewinkelsignale zu gewinnen, wobei Meßwicklungen auf der Trasse eingespart werden können, da die Meßsignale auch mit einer bereits vorhandenen Übertragungsstrecke (Sende/Empfangs-Einrichtung) übermittelt werden können.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihre in den Unteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt.
• Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Darstellung der Anordnung zur Pollageerfassung, Fig. 2 einen Längsschnitt einer die Pollage des Erregers erfassenden Meßanordnung und Fig. 3 einen Querschnitt hierzu.
• In Fig. 1 ist schematisch ein Triebfahrzeug 1 dargestellt, an dem als Erreger für einen Linearmotor von Gleichstrom durchflossene Wicklungen 2 dienen, die auch als Supraleiterwicklungen ausgebildet sein können. Diesen Wicklungen 2 ist auf der Strecke ein Stator 3 mit mäanderförmig ausgelegten Wanderfeldwicklungen 4 zugeordnet, die in vorgegebenen Streckenabschnitten jeweils von einem steuerbaren Umrichter 13 über die Ausgänge UVW gespeist werden und ein Wanderfeld mit annähernd sinusförmigem Feldverlauf 0 erzeugen. Der durch die Wicklungen 2 des Erregers erzeugte Feldverlauf 0 hat über die Polteilung #p eine trapezförmige Form.
• Der Umrichter 13 ist eingangsseitig an ein Drehstromnetz angeschlossen und wird von einer Steuereinrichtung 14 gesteuert, die die Sollwerte für Frequenz und Amplitude der den Wanderfeldwicklungen 4 zugeführten Spannungen des Umrichters 13 vorgibt. Der Steuereinrichtung 14 wird ein Signal zugeführt, das aus einer Meßanordnung für den Pollagewinkel gewonnen wird. Die Pollageinformation wird von Fahrzeug zum nächsten UW über einen Ubertragungskanal übertragen. Die genaue Kenntnis des Pollagewinkels ist für den optischen Betrieb des synchronen Linearmotors erforderlich. Die größte Vortriebskraft entsteht, wenn das Maximum des Wanerfeldes und das Maximum des Feldes des Erregers etwa einen Phasenwinkel von 900 einschließen bzw. etwa um den halben Polabstand verschoben sind.
• Die Meßanordnung für den Pollagewinkel besitzt mehrere auf einem Träger 5 angeordnete Hallgeneratoren 6 bis 12, die am Triebfahrzeug 1 der Wanderfeldwicklung 4 gegenüberliegend über mindestens eine Polteilung tp verteilt angeordnet sind, so daß immer ein Nulldurchgang des Wanderfeldes erfaßt wird. Mit den Hallgeneratoren 6 bis 12, die im vorliegenden Fall in Abständen von 300 über mindestens eine Polteilung auf dem Träger 5a angebracht sind, wird das von der Wanderfeldwicklung 4 senkrecht austretende Magnetfeld gemessen. Der Träger 5 ist zweckmäßigerweise aus ferromagnetischen Material so dick ausgeführt, daß er den Rückfluß des Magnetfeldes aufnehmen kann. Zweckmäßigerweise werden bei dem vorgenannten Abstand der Hallgeneratoren von 30° bzw. ein Sechstel der Polteilung sieben Hallgeneratoren 6 bis 12 verwendet. Der mit den Hallgeneratoren bestückte Träger 5 ist am Triebfahrzeug 1 außerhalb der Wicklung 2 des Erregers und der Trag-Führungsmagnete in einem vorgegebenen Abstand zum Magnetfeld des Erregers so angebracht, daß der mittlere Hallgenerator 9 eine Polteilung #p oder ein Vielfaches davon vom Nulldurchgang des Magnetfeldes des Erregers entfernt ist. Den Hallgenerator 6 bis 12 wird in an sich bekannter Weise über Steuerelektroden ein Steuerstrom Is zugeführt.
• Bei gleichzeitiger senkrechter Einwirkung des Magnetfeldes der Wanderfeldwicklung 4 entsteht in den einzelnen Hallgeneratoren eine Gleichspannung UH, die an den Hall-Elektroden abgenommen und ausgewertet wird. Ist -wie Fig. 1 zeigt - keine Verschiebung der Nullpunkte des Wanderfeldes und des Feldes der Wicklung 2 des Erregers vorhanden, so wird vom Hallgenerator 9 keine Maßspannung UH abgegeben, während die übrigen Hallgeneratoren eine der Höhe des Wanderfeldes entsprechende Maßspannung UH liefern. Dem Hallgenerator 9 kann also der Pollagewinkel # = 0° zugeordnet werden. Ist z.B.
• bei vorhandenem Wanderfeld die Spannung des Hallgenerators 10 Null, so beträgt der Pollagewinkel 30°, d.h.
• es herrscht motorischer Betrieb und der Erreger läuft dem Wanderfeld un 30° nach. Jedem Hallgenerator kann also ein fester Pollagewinkel für die Hallspannung UH = 0 zugeordnet werden. Zwischenstellungen können durch Interpolation gewonnen werden. Abhängig davon, ob die vor dem betreffenden Hallgenerator liegenden Hallgeneratoren eine positive oder eine negative Meßspannung abgeben, kann auf generatorischem oder motorischem Betrieb geschlossen werden. Der Pollagewinkel ist also in allen vier Quadranten eindeutig zu bestimmen. Für eine sehr genaue Pollageerfassung braucht lediglich die Anzahl der Hallgeneratoren erhöht zu werden.
• Fig. 2 zeigt die Anordnung mit sieben Hallgeneratoren 6 bis 12, die auf einem Träger 5a aus geblechtem Eisen angeordnet sind. Jedem Hallgenerator ist ein zum Stator hin sich verbreitender Polschuh 5b zugeordnet, dessen größte Breite zumindest annähernd der Breite des Blechpaketes des Stators 3 entspricht (Fig. 3). Zwischen den Polschuhen 5b verbleibt ein Raum, der mit Isolierstoff 5c ausgefüllt ist.
• Mit dem Hallgenerator, der jeweils um 900 gegenüber demjenigen Hallgenerator versetzt ist, der den Pollagewinkel Null anzeigt, kann der vom Strom in den Wanderfeldwicklungen erzeugter Magnetfluß gemessen und damit indirekt der Statorstrom I unter Berücksichtigung des Luftspaltes zwischen Statorunterkante und Hallgeneratoren ermittelt werden.
• Die von den einzelnen Hallgeneratoren abgegebenen Spannungen werden - wie Fig. 1 zeigt - über einen Verstärker 17 einer Auswerteschaltung 18 zugeführte Da das Fahrzeug 1 synchron angetrieben wird, messen die Hallgeneratoren 6 bis 12 praktisch einen Glei1c fluß.
• Die Auswerteschaltung 18 kann mit einem Gerät zur Anzeige des Pollagewinkels ausgerüstet sein. Nach Umwandlung in einem Analog-Digital-Wandler 19 können Signale über einen Sender 20 an einen ortsfesten Empfänger 21 übertragen werden, der die empfangenen Signale der Steuereinrichtung 14 zuführt. Von der Steuereinrichtung 14 werden Sollwerte für Frequenz und Amplitude an den Umrichter 13 gegeben.
• Um insbesondere bei der Ermittlung des Statorstromes I den Einfluß der Nuten im Stator auf die einzelnen Hall sonden zu eliminieren, ist es vorteilhaft, den Pollage winkel # und den Statorstrom 1 aus mehreren je 900 el.
• versetzten Hallsonden zu ermitteln und den Mittelwert zu bilden.
• Zusätzlich zur Erfassung des Pollagewinkels und des Statorstromes ist es zweckmäßig, die Schlupffrequenz fs zu erfassen und ein entsprechendes Signal neben dem Pollagewinkel- und dem Statorstromsignal über die Funk-Sende-Einrichtung 20 auf die -Empfangs-Einrichtung 21 zu übertragen. Hierdurch erübrigt sich eine gesonderte Einrichtung zur Ermittlung der Schluppfrequenz.
• Die von denHallgeneratoren abgegebene Spannung UH ist ein Maß für den Statorstrombelag und damit für den Statorstrom I. Bei niedrigen Frequenzen, kurzen Entfernungen zum Unterwerk und dann, wenn keine Stromverzweigungen in der Streckenverschaltung auftreten, ist der auf dem Fahrzeug ermittelte Statorstrom I gleich dem am Unterwerk über den Umrichter 13 eingespeisten Strom0 Bei hohen Frequenzen, großen Kabellängen und beim Wechsel der Speiseabschnitte treten jedoch erhebliche Abweichungen auf. Es ist daher zweckmäßig, die Stromvorgabe auf den Strom der Statorwicklung am Fahrzeug und nicht wie bisher auf den Strom am Unterwerk zu beziehen. Hierdurch kann auch die Schubkraft entsprechend der Vorgabe konstant gehalten werden. Wird nämlich der Statorstrom am Ort des Fahrzeuges gemessen und der Meßwert zur Steuerung der Stromvorgabe des Umrichters verwender, so werden die Fehlströme im Stator, die bei hohen Frequenzen und großen Kabellängen auftreten, ohne aufwendiges Simulationsmodell automatisch ausgeglichen.
• Falls bei der Streckenverschaltung neben dem Bocksprungverfahren auch ein Verfahren mit Sammelschieneneinspeisung angewendet wird (die Sammelschienen-Einspeisung benötigt nur die halbe Menge an Speisekabeln gegenüber dem Bocksprungverfahren), so werden kurzzeitig bei Bereichswechsel zwei Statorwicklungen angeschaltet0 Hierdurch verringert sich der Strom in den beiden Wicklungen wegen des gemeinsamen Kabelvorwiderstandes. Um den dabei auftretenden Schubkraftsprung auszugleichen, ist die Gesamtspeisung so zu erhöhen, daß der Mittelwert beider Statorströme konstant bleibt.
• Um den Statorstrom I vom Fahrzeug 1 aus in angrenzenden Wicklungsabschnitten messen zu können, ist an beiden Enden des Fahrzeuges je ein Träger mit Hallgeneratoren angebracht.
• Die Pollage kann an sich nur bei fließendem Statorstrom ermittelt werden. Um ein stehendes Fahrzeug zu synchronisieren, wird in den Stator 3 ein geringer Strom von z.B. 1 bis 10% eingespeist. Dieser Strom dient nicht dem Antrieb, sondern nur der Pollageerfassung. Dieser vom Unterwerk eingespeiste Strom mittlerer Frequenz z.B.
• von 40 Hz, muß so klein sein, daß er gerade noch von den Hallgeneratoren erfaßt werden kann. Die Auswerteschaltung 18 erkennt daraus eine positive oder negative Schlupffrequenz f . Abhängig davon verändert daraufhin die über die Einrichtung 15 angesteuerte Steuereinrichtung 14 des Umrichters 13 das Sollwertsignal für die Frequenz so, daß der Schlupf zu Null wird. Sobald dies erreicht ist, wird die Umrichterleistung entsprechend der Signalvorgabe erhöht. Um die unerwünschte Schubkraftwirkung bei der Synchronisierung. weiter zu mindern, genügt es, statt der dreiphasigen nur eine einphasige Stromeinspeisung vom Unterwerk vorzunehmen.
• Nach dem gleichen Prinzip läßt sich ein Fahrzeug synchronisieren, nachdem es außer Tritt gefallen ist oder über einen defekten Speiseabschnitt ohne Antrieb geschwebt ist0 3 Figuren 4 Patentansprüche Bezugszeichenliste 1 Triebfahrzeug 2 Wicklungen 3 Stator 4 Wanderfeldwicklungen 5, 5a Träger 5b Polschuhe 5c Isolierstoff 6 - 12 Hallgeneratoren 13 Umrichter 14 Steuereinrichtung 15 Einrichtung 16 Gerät 17 Verstärker 18 Auswerteschaltung 19 Analog-Digital-Wandler 20 Sender 21 Empfänger

Claims (4)

1. Patentasprüche 1. Anordnung zum Betrieb eines fahrweggebundenen elektrischen Triebfahrzeuges mit einem synchronen Linearmotor, dessen Erreger am Triebfahrzeug angeordnet ist und dessen Stator entlang der Trasse verlegt und mit einer Wanderfeldwicklung versehen ist, welche abschnittsweise von ortsfesten steuerbaren statischen Umrichtern mit veränderlicher Spannung und Frequenz gespeist ist, wobei die Umrichter in Abhängigkeit von einer die Pollage des Erregers erfassenden Meßanordnung mit Magnetfels-Meßsonde getaltet sind, die der Wanderfeldwicklung gegenüberliegend am Triebfahrzeug angeordnet ist und der eine Signalauswerteschaltung für den Pollagewinkel zugeordnet ist, welche eine am Triebfahrzeug angeordnete Sondeeinrichtung besitzt, von der Signale über eine stationäre Empfangseinrichtung an eine dem Umrichtern zugeordnete Steuereinrichtung übertragen werden,wobei zum Erfassen der Pollage bei stehendem Fahrzeug vom Unterwerk eine herabgesetzte Stromeinspeisung vorgenommen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Erfassen der Pollage bei stehendem oder außer Tritt gefallenem Fahrzeug eine Einrichtung (15) vorgesehen ist, die nach Abschalten oder Zurücknahme der Leistungseinspeisung eine dreiphasige oder einphasige Stromeinspeisung von Unterwerk mit weniger als 1/10 des Nennstromes und einer Frequenz von Null bis zur maximalen Betriebsfrequenz einleitet, wobei zum Erfassen des herabgesetzten Statorstromes für die Ermittlung der Pollage in der Meßanordnung (5) mehrere über mindestens eine Polteilung (#p) auf einem gemeinsamen magnetischen Rückschlußkörper (5a) verteilt angeordnete Magnetfeld-Meßsonden, insbesondere Hallgeneratoren (6-12), verwendet sind, und jeder Magnetfeld-Meßsonde ein zum Stator hin sich verbreiternder Polschuh (5b) zugeordnet ist, dessen größte Breite zumindest annähernd der Breite des Blechpaketes des Stators (3) entspricht.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Hallgeneratoren (6 - 12) auf einem ferromagnetischen Trager (5) etwa senkrecht zu dem austretenden Statorfeld angeordnet sind.
3. 3. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Signalauswerteschaltung (18) zusätzlich für die Bildung eines dem Statorstrom (I) proportionalen Signales ausgebildet ist.
4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e -t , daß eine Meßanordnung mit Hallgeneratoren (6 - 12) an beiden Enden des Triebfahrzeuges (1) angeordnet ist.