DE3244288A1 - Verfahren und anordnung zum betrieb wechselrichtergespeister fahrzeug-drehstromantriebe - Google Patents

Description

• und Anordnung
• Verfahren/zum Betrieb wechselrichtergespeister Fahrzeug-Drehstromantriebe Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb wechselrichtergespeister Fahrzeug-Drehstromantriebe, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist Es ist üblich, die heutigen Drehstromantriebe bei Bahnen mit Drehmomentkonstanz zu fahren. Bekanntlich ist die nanatürliche Drehmomenten/Drehzahlkennlinie von Drehstrom-Asynchronmotoren sehr steil, so daß schon kleine Drehzahlabweichungen große Drehmomentenänderungen ergeben. Dies ist im Fahrbetrieb unerwünscht, deshalb wird über die Wechselrichtersteuerung eingegriffen und elektronisch jedeDreh zahl änderung durch eine nachgeführte Ständerfrequenzan passung ausgeglichen. Das Drehmoment bleibt damit unababhängig von der Drehzahl konstant und es ergibt sich ein ähnliches Normalbetriebsverhalten, wie mit Gleich oder Mischstromantrieben. Allerdings nicht bei den Sonderbedingungen des Schleuderns oder Gleitens bei Überschreiten des Haftwertes. Hier liegen die Verhältnisse für den Drehstromantrieb infolge seines künstlich konstant gehaltenen Drer momentes ungünstiger als bei den vorerwähnten Antrieben, bei denen das Drehmoment mit der Drehzahl leicht abnimmt. Das Schleudern bzw. Gleiten tritt somit wesentlich heftiger auf und ohne Eingriffe ist mit keinem selbsttätigen Fangen zu rechnen.
• Es muß dann das Drehmoment sehr stark reduziert werden bis das Schleudern oder Gleiten wieder aufgehört hat.
• Es ist schon versucht worden, die natürliche steile Drehmoment/Drehzahlkennlinie der Drehstrom-Synchronmotoren für optimale Haftwertausnutzung nutzbar zu machen. Bei einer Schleuder- oder Gleitneigung wird die Ständerfrequenz konstant gehalten. So wird über ein versuchsweises Festhalten der Wechselrichterfrequenz bei Haftwert-Meßfahrten in ZEV Glaser's Annalen 1980, H. 8/9, S. 309 ff und Elektrische Bahnen 1979, H. 12, S. 329 ff berichtet.
• jedoch Damit läßt sich kein vernünftiger Schleuder- oder Gleitschutz erreichen.-Die extreme Steilheit der natürlichen Kennlinie des Asynchronmotors führt beim Festhalten der Ständerfrequenz zu störenden'dynamischen Vorgängen Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu überwinden und die Steilheit der Drehmoment/Drehzahlkennlinie des Drehstromasynchronmotors durch schaltungstechnische Maßnahmen den Bedürfnissen optimalen Gleit- und Schleuderschutzes anpaßbar zu machen.
• Diese Aufgabe wird für ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
• Dabei wird mit der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit gearbeitet, wie es auch in den bereits genannten Literaturstellenstellen als günstig angesehen wurde.
• Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar-.
• Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 Blockschaltbild einer Motorsteuerung Fig. 2 Motor- und Haftwertkennlinien abhängig vom Radschlupf Fig. 3 Abhängigkeit des Teilungsfaktors von der Fahrgeschwindigkeit Fig. 4 Abhängigkeit des Teilungsfaktors von der Zugkraft.
• In der Figur ist mit 1 ein Wechselrichter bezeichnet, der einen Drehstromasynchronmotor 2 eines Bahnantriebes steuerbar in Frequenz und Spannung speist. Die Erfassung der Rotationsgeschwindigkeit oder der Drehzahl erfolgt über einen Tachometergenerator oder einen Drehimpulsgeber 3. Der in der Antriebsregelung aus dem Drehmomentsollwert und den gewünschten Spannungs- und Stromwerten am Motor abgeleitete Sollwert für die Schlupffrequenz fs50ll des Motors ist an einen Eingang 4 gelegt. Am Eingang 5 liegt eine der tatsächlich gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechende Frequenz fv. Prinzipiell ist es gleich, wie die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird; ob über ein VSB-Radar, eine Laufachse oder ggf. auch ersatzweise durch eine Pseudolaufachse, wie sie z.B. in der DE-PS 29 17 673 beschrieben ist.
• Die tatsächliche Fahrgeschwindigkeit f wird einem Subtraktionsglied 6 zugeführt und-dort mit der Rotationsfrequenz frot verglichen. Die Differenz frot fv (im Bremsbetrieb jeweils f - frost)7 sie entspricht,^ n, wird einem Dividierer 7 zugeführt, der die Frequenzdifferenz mit einem einstellbaren Faktor k > 1, z.B. 10 teilt. Damit wird die Kennlinie des Asynchronmotors in gewünschter Weise abgeflacht.
• Das Ergebnis wird auf ein Subtraktionsglied 9 geführt, wo es von der Schlupffrequenz fs50ll (vom Eingang 4) subtrahiert wird und die Schlupffrequenz damit korrigiert. Das Ergebnis wird in einem Additipnsglied 10 mit der Rotationsfrequenz frot vom Dreht -impulsgeber 3 summiert - im Bremsbetrieb von der Rotationsfrequenz frot subtrahiert - und steuert den Wechselrichter auf die erforderliche Ständerfrequenz für den Asynchronmotor.)Das Subtraktionsglied 9 ist zweckmäßig so ausgelegt, daß sein Ausgang Null bleibt, wenn frot f gleich groß und größer wird als fssOll. Damit wird verhindert, daß bei plötzlich eintretendem größeren Radschlupf der Antrieb vorübergehend in den Bremsbetrieb übergeht (oder umgekehrt beim Bremsen treibt), was aus mechanischen und elektrischen Stabilitätsgründen unerwünscht ist. Die Auslegung kann auch so erfolgen, daß immer ein Mindestschlupf fsmin erhalten bleibt, wenn die Steuerung des Wechselrichters in den Leerlauf vermieden werden soll.
• Der Faktor k kann auf-einen festen.Wert eingestellt sein oder von der Geschwindigkeit und/oder von der Zug- bzw. Bremskraft abhähgig gemacht werden, wie in Fig. 1 angedeutet.
• *) Mit 11 ist noch ein Funktionsgeber bezeichnet, der k als Funktion der Fahrgeschwindigkeit und/oder Zugkraft ausgibt.
• Die Funktionsbausteine der Fig. 1 können für direkte Verarbeitung der (digitalen) Frequenzgrößen ausgelegt sein, die beispielsweise von Drehimpulsgebern auf den Motors wellen und einem digitalentFflhrzeuggeschwindigkeitswert zur Verfügung stehen.Siefdann ein entsprechendes Vielfaches der Ständerfrequenz des Motors dar, das vor der Wechselrichtersteuerung auf die Speisefrequenz heruntergeteilt wird. Oder die Größen liegen als analoge Spannungen oder Ströme vor bzw. werden in f/U-Wandlern hierzu aufbereitet, die Verarbeitung erfolgt in analogen Funktionsbausteinen. Die analoge Ausgangsgröße wird mittels U/f-Wandler wieder als Frequenz in die Wechselrichtersteuerung eingegeben. Selbstverständlich sind auch gemischte Lösungen möglich.
• Zur Funktion: Stimmt die Rotationsfrequenz frot von dem Drehzahiimpulsgeber 3 mit der über 5 eingegebenen tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit f überein, ergibt sich am Subtr-aktionsv glied 6 die Differenz 0. Damit wird der Ausgang von Dividierer 7 ebenfalls 0. Zur Rotationsfrequenz frot wird somit ausschließlich die Schlupfsollfrequenz fssoll entsprechend dem gewünschten Drehmoment addiert und ergibt die den Wechselrichter 9;steuernde Ständerfrequenz. Erhöht oder verlangsamt sich die Rotationsgeschwindigkeit frot ohne Schlupf zwischen Rad und Schiene, dann hat sich entsprechend auch die Fahrzeuggeschwindigkeit f geändert. Der Ausgang von Dividierer 7 bleibt 0 und die Ständerfrequenz folgt ebenfalls entsprechend für konstantes Drehmoment.
• Erst bei einem Schlupf zwischen Rad und Schiene, d.-h. bei einem Schleudern oder Gleiten, stellt sich eine Differenz zwischen Rotationsgeschwindigkeit frot und der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit fv ein, die automatisch über das Subtraktionsglied 6 und den Dividierer 7 eine Modifizierung der Ständerfrequenz und damit eine Drehmomentredu= zierung unter Ausnutzung der natürlichen, jetzt allerdings um den Faktor k künstlich abgeflachten Kennlinie des Motors erbringt. Durch einen Teilungsfaktor k = 10 wird z.B. erreicht, daß erst bei einer zehnfach höheren Differenz der Frequenzen iv und frot die Schlupffrequenz des Motors fs und damit sein Drehmoment zu 0 gebracht wird. Das bedeutet, daß bei einem Nennschlupf des Motors von 1 % das Drehmoment erst bei einer Drehzahlabweichung von 10 % zu Null- wird und nicht schon bei 1 %, wie es durch die natürliche Kennlinie vorgegeben ist.
• Fig. 2 veranschaUlicht diesen Zustand. Es sind dargestellt eine typische Haftwertkurve (auf die Schiene übertragene Zugkraft in Abhängigkeit vom Radschlupf, F( £ n)) und im passenden Maßstab die natürliche und die künstlich abgeflachte Motorkennlinie F(n). Der Radschlupf (4 n ist in % der Raddrehzahl aufgetragen, die der Fahrzeuggeschwindigkeit vF entspricht. Letztere ist in Fig. 2 auf der Abszisse bei 2 n = O zu denken.
• Es ergibt sich ein stabiler Arbeitspunkt als Schnittpunkt p bei etwa 1 % Radschlupf. Mit der ebenfalls eingetragenen natürlichen Kennlinie des Motors ließe sich dieser Arbeitspunkt nur mit einer sehr genauen Einstellung aller Werte einhalten, und es mUßte auch der Radschlupf von etwa 1 %-, der sich mit der verflachten Kennlinie von selbst einstellt, durch passende Lage der Motorkennlinie zur Fahrzeuggeschwin digkeit genau vorgegeben werden. Dazu kämen starke dynamische Störvorgänge durch Haftwertschwankungen, die auch auf der elektrischen Seite des Motors große'Ausschläge von Spannung und Strom verursachen würden.
• Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß der Teilungsfaktor k von der Geschwindigkeit und von der Zug- bzw. Bremskraft abhängig gemacht wird.
• Hierdurch kann die künstliche Motorkennlinie auf die unterschiedlichen, von der Geschwindigkeit und vom Schienenzustand abhängigen Reibverhältnisse abgestimmt werden. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Radumfang und Schiene (der Radschlupf), bei der die größte Kraft übertragen wird, steigt mit der Fahrgeschwindigkeit annähernd proportional an (d.h.
• der relative Radschlupf bleibt etwa konstant). Andererseits bezieht sich der Nennschlupf des Drehstrommotors in %- auf seine Nenndrehzahl und bleibt als absoluter -Drehzahldiffegrenzwert konstant. Um eine annähernd gleichbleibende Relation zwischen der Steilheit der (künstlichen) Motorkennlinie und dem für optimale Kraftübertragung erforderlichen Radschlupf auf der Schiene zu erhalten, ist demnach die oor= kennlinie mit steigender Fahrgeschwindigkeit stärker zu verflachen. D.h. der Faktor k wächst mit der Geschwindigkeit, beispielsweise wie in Fig. 3, wobei man ihn bei hohen Geschwindigkeiten auf einem Grenzwert wieder festhalten kann, um dort den Radschlupf nicht zu weit wachsen zu lassen.
• Auch der Schienen zustand hat Einfluß auf den günstigsten Radschlupf. Nasse Schienen (ohne Sand) verlangen eine größere Relativgeschwindigkeit des Radumfanges auf der Schiene zur übertragung der größtmöglichen Zugkraft als trockene oder gesandete Schienen. -Auf nassen Schienen ist auch die maximal übertragbare Zugkraft kleiner; damit'läßt sich eine angenäherte Anpassung erzielen, indem man den Faktor k von der Soll- oder Istzugkraft abhängig macht, derart, daß mit steigender Zugkraft die Verflachung der Motorkennlinie geringer wird (Fig. 4).
• Durch die Erfindung kann auf einfache Weise ein erheblich verbessertes Betriebsverhalten bei der Aufbringung großer Zug- und Bremskräfte nahe der Haftwertgrenze erreicht werden.
• Leerseite

Claims (9)

1. Patentansprüche Verfahren zum Betrieb wechselrichtergespeister Fahrzeug-Drehstromantriebe, insbesondere für Bahnen, bei dem im Normalbetrieb zwecks Kons tanthal tung eines vorgegebenen Drehmomentes die Ständerfrequenz-des Drehstrom asynchronmo tors seiner Rotationsfrequenz nachgeführt wird und eine Ausregelung von Schleuder- oder Gleitvorgängen mittels der tatsächlichen schwindigkeit und unter Einfluß der Motorkennlinieerfolgt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - es wird jeweils die Differenz zwischen der Rotationsfrequenz (frot) des Drehstromasynchronmotors und einer der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit zugeordneten Frequenz (fv) ) gebildet - diese Frequenzdifferenz wird entsprechend einer gewünschten Motorkennlinienverflachung um einen Faktor (k) verkleinert und - die verkleinerte Frequenzdifferenz (l/k (frot - f rot v wird aus der Rotationsfrequenz (frot) und Schlupf sollfrequenz (f55011) gebildeten Ständerfrequenz. für den Drehstromasynchronmotor je nach Fahr- oder Bremsbetrieb vorzeichenrichtig im Sinne einer Verringerung der Motorschlupffrequenz zugefügt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete Frequenzdifferenz (frot fv) mit einem Faktor k> 1 dividiert oder <1 multipliziert von der jeweiligen Ständerfrequenz des Drehstromasynchronmotors beim Treiben subtrahiert bzw.. beim Bremsen zuaddiert wird.
3. 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens -nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ständerfrequenz beeinflussende Wechselrichter (1) von einem Additionsglied (10) gesteuert wird, an das einerseits ein die Rotationsfrequenz (frot) abgebende motorgekoppelter Impulsgeber (3) angeschlossen ist und dem andererseits über ein Subtraktionsglied (9) die Schlupfsollfrequenz (fssoll) zugeführt wird, wobei das Subtraktionsglied (9) noch mit dem Ausgang eines Dividierers (7) verbunden ist, an dessen einen Eingang (Dividend) die in einem Subtraktionsglied (6) gebildete Differenz (frot - fv) der der tatsächlichen Geschwindigkeit entsprechenden Frequenz (fv) und der Rotationsfrequenz (frot) und an dessen anderen Eingang,(Divisor) ein Teilungsfaktor (k) gelegt ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor (k') des Dividierers (7) konstant gehalten wird.
5. 5.-Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor (k) des .Dividierers (7) abhängig und variabel von der Geschwindigkeit (v) und/oder dem Drehmoment gehalten wird.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor (k) mit steigender Fahrgeschwindigkeit größer wird.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor (k) mit steigender Zug- bzw. Bremskraft kleiner wird.
8. '8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mit analogen Bauelementen realisiert ist.
9. 9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung mit digitalen Bauelementen realisiert ist.