DE3244288C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb wechselrichtergespeister Fahrzeug-Drehstromantriebe, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert und durch die "BBC-Mitteilungen" 1973, H. 12, S. 581-588 bekannt ist.

Es ist üblich, die heutigen Drehstromantriebe bei Bahnen mit Drehmomentkonstanz zu fahren. Bekanntlich ist die na­ türliche Drehmomenten/Drehzahlkennlinie von Drehstrom-Asyn­ chronmotoren sehr steil, so daß schon kleine Drehzahlab­ weichungen große Drehmomentenänderungen ergeben. Dies ist im Fahrbetrieb unerwünscht, deshalb wird über die Wechsel­ richtersteuerung eingegriffen und elektronisch jede Dreh­ zahländerung durch eine nachgeführte Ständerfrequenzan­ passung ausgeglichen. Das Drehmoment bleibt damit unab­ hängig von der Drehzahl konstant und es ergibt sich ein ähnliches Normalbetriebsverhalten, wie mit Gleich- oder Mischstromantrieben. Allerdings nicht bei den Sonderbe­ dingungen des Schleuderns oder Gleitens bei Überschreiten des Haftwertes. Hier liegen die Verhältnisse für den Drehstroman­ trieb infolge seines künstlich konstant gehaltenen Drehmomentes 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.

Bei der bekannten Schaltung gem. BBC-Mitt. 1973, H. 12, S. 581 bis 588 wird zur Minderung des Schleuder­ vorganges vorgeschlagen, nicht nur die Statorfrequenz der Rotor­ drehzahl anzupassen, sondern gleichzeitig auch den Stromsollwert mit einer gewissen Zeitkonstante zu reduzieren.

In anderen Fällen ist versucht worden, die natürliche steile Dreh­ moment/Drehzahlkennlinie der Drehstrom-Synchronmotoren dadurch auszunutzen, daß bei Schleuder- oder Gleitneigung die Ständer­ frequenz konstant gehalten wird. So wird über ein versuchsweises Festhalten der Wechselrichterfrequenz bei Haftwert-Meßfahrten be­ richtet (ZEV Glasers Annalen, 1980, H. 8/9, S. 309 bis 321 und Elek­ trische Bahnen 1979, H. 12, S. 329 bis 338).

Mit diesen Möglichkeiten läßt sich jedoch ein vernünftiger Schleu­ der- oder Gleitschutz nicht erreichen.

Die extreme Steilheit der natürlichen Kennlinie des Asynchron­ motors führt beim Festhalten der Ständerfrequenz zu störenden dynamischen Vorgängen.

Verschiedentlich ist schon der Wunsch ausgesprochen worden, die sehr steile Kennlinie des Asynchronmotors zu verflachen. Dies kann durch Spannungsverminderung geschehen (z. B. Elektrische Bahnen, 1982, H. 10, S. 284 li. Sp., Z 4 bis 5).

Über eine Spannungsverminderung kann jedoch nur eine geringe Ver­ flachung erzielt werden, weil nachteilig das Kippmoment des Motors beeinflußt wird, was problematisch ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Weise eine günstige Verflachung der steilen Kennlinie des Asynchronmotors zu erreichen und diese Kennlinie dabei leicht den Bedürfnissen optimalen Gleit- und Schleuderschutzes anpaßbar zu machen, ohne daß dies über eine Absenkung des Kippmomentes des Motors geschehen muß.

Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst.

Dabei wird in ganz bestimmter Weise jeweils nicht nur die Diffe­ renz zwischen Rotationsfrequenz des Motors und einer der tatsäch­ lichen Fahrzeuggeschwindigkeit zugeordneten Frequenz gebildet und damit die Motorschlupffrequenz verkleinert, sondern dies geschieht auch in einer bestimmten Größenordnung, wobei die Differenz um den Faktor k<1 verkleinert sein soll. Erfindungsgemäß wird mit der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit gearbeitet, wie es auch in bereits genannten Literaturstellen als günstig angesehen wurde.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert. Es zeigt

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 steuer­ bar in Frequenz und Spannung speist. Die Erfassung der Ro­ tationsgeschwindigkit oder der Drehzahl erfolgt über einen Tachometergenerator oder einen Drehimpulsgeber 3. Der in der Antriebsregelung aus dem Drehmomentsollwert und den ge­ wünschten Spannungs- und Stromwerten am Motor abgeleitete Sollwert für die Schlupffrequenz fs _soll des Motors ist an einen Eingang 4 gelegt. Am Eingang 5 liegt eine der tat­ sächlich gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechende Frequenz f _v . Prinzipiell ist es gleich, wie die tatsächliche Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt wird, ob über ein VSB-Radar, eine Laufachse oder ggf. auch ersatzweise durch eine Pseudo­ laufachse, wie sie z. B. in der DE-PS 29 17 673 beschrieben ist.

Die tatsächliche Fahrgeschwindigkeit f _v wird einem Sub­ traktionsglied 6 zugeführt und dort mit der Rotationsfre­ quenz f _rot verglichen. Die Differenz f _rot - f _v (im Bremsbe­ trieb jeweils f _v - f _rot ), sie entspricht Δ 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 fs _soll (vom Eingang 4) subtrahiert wird und die Schlupffrequenz damit korrigiert. Das Ergebnis wird in einem Additionsglied 10 mit der Rotationsfrequenz f _rot vom Drehimpulsgeber 3 summiert - im Bremsbetrieb von der Rotationsfrequenz f _rot subtrahiert - und steuert den Wechselrichter auf die erforderliche Ständerfrequenz für den Asynchronmotor. Mit 11 ist noch ein Funktionsgeber bezeichnet, der k als Funktion der Fahrgeschwindigkeit und/oder Zugkraft ausgibt. Das Subtraktionsglied 9 ist zweckmäßig so ausgelegt, daß sein Ausgang Null bleibt, wenn f _rot - f _v gleich groß und größer wird als fs _soll . Damit wird verhin­ dert, 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 Ausle­ gung kann auch so erfolgen, daß immer ein Mindestschlupf fs _min 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. Brems­ kraft abhängig gemacht werden, wie in Fig. 1 angedeutet.

Die Funktionsbausteine der Fig. 1 können für direkte Ver­ arbeitung der (digitalen) Frequenzgrößen ausgelegt sein, die beispielsweise von Drehimpulsgebern auf den Motor­ wellen und einem digitalen Fahrzeuggeschwindigkeitswert zur Verfügung stehen. Sie stellen dann ein entsprechendes Viel­ faches der Ständerfrequenz des Motors dar, das vor der Wechselrichtersteuerung auf die Speisefrequenz her­ untergeteilt 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 Wechsel­ richtersteuerung eingegeben. Selbstverständlich sind auch gemischte Lösungen möglich.

Zur Funktion

Stimmt die Rotationsfrequenz f _rot von dem Drehzahlimpuls­ geber 3 mit der über 5 eingegebenen tatsächlichen Fahrzeug­ geschwindigkeit f _v überein, ergibt sich am Subtraktions­ glied 6 die Differenz 0. Damit wird der Ausgang von Divi­ dierer 7 ebenfalls 0. Zur Rotationsfrequenz f _rot wird somit ausschließlich die Schlupfsollfrequenz fs _soll entsprechend dem gewünschten Drehmoment addiert und ergibt die den Wechsel­ richter 1 steuernde Ständerfrequenz. Erhöht oder verlangsamt sich die Rotationsgeschwindigkeit f _rot ohne Schlupf zwischen Rad und Schiene, dann hat sich entsprechend auch die Fahr­ zeuggeschwindigkeit f _v geändert. Der Ausgang von Dividierer 7 bleibt 0 und die Ständerfrequenz folgt ebenfalls ent­ sprechend für konstantes Drehmoment.

Erst bei einem Schlupf zwischen Rad und Schiene, d. h. bei einem Schleudern oder Gleiten, stellt sich eine Differenz zwischen Rotationsgeschwindigkeit f _rot und der tatsäch­ lichen Fahrzeuggeschwindigkeit f _v ein, die automatisch über das Subtraktionsglied 6 und den Dividierer 7 eine Modifi­ zierung 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. er­ reicht, daß erst bei einer zehnfach höheren Differenz der Frequenzen f _v und f _rot 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 (Δ n) und im passenden Maßstab die natürliche und die künstlich abge­ flachte Motorkennlinie F (n). Der Radschlupf Δ n ist in % der Raddrehzahl aufgetragen, die der Fahrzeuggeschwindig­ keit v _F entspricht. Letztere ist in Fig. 2 auf der Abszisse bei Δ n = 0 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 Arbeits­ punkt nur mit einer sehr genauen Einstellung aller Werte einhalten, und es müßte 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 unter­ schiedlichen, von der Geschwindigkeit und vom Schienenzu­ stand 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 Radschupf bleibt etwa konstant). Andererseits bezieht sich der Nennschlupf des Drehstrommotors in % auf seine Nenndrehzahl und bleibt als absoluter Drehzahldiffe­ renzwert konstant. Um eine annähernd gleichbleibende Rela­ tion zwischen der Steilheit der (künstlichen) Motorkennlinie und dem für optimale Kraftübertragung erforderlichen Rad­ schlupf auf der Schiene zu erhalten, ist demnach die Motor­ kennlinie mit steigender Fahrgeschwindigkeit stärker zu ver­ flachen. Das heißt, der Faktor k wächst mit der Geschwindigkeit, beispielsweise wie in Fig. 3, wobei man ihn bei hohen Ge­ schwindigkeiten auf einem Grenzwert wieder festhalten kann, um dort den Radschlupf nicht zu weit wachsen zu lassen.

Auch der Schienenzustand 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 maxi­ mal übertragene Zugkraft kleiner; damit läßt sich eine an­ genäherte Anpassung erzielen, indem man den Faktor k von der Soll- oder Istzugkraft abhängig macht, derart, daß mit steigender Zugkraft die Verflachung der Motorkennlinie ge­ ringer 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.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betrieb wechselrichtergespeister Fahrzeug- Drehstromantriebe, insbesondere für Bahnen, bei dem im Normalbetrieb zur Konstanthaltung eines vorgegebenen Drehmomentes die Ständerfrequenz des Drehstromasynchronmotors seiner Rotationsfrequenz nach­ geführt wird und eine Ausregelung von Schleuder- oder Gleitvorgängen mittels der tatsächlichen Fahrzeugge­ schwindigkeit und unter Einfluß der Motorkennlinie M _d = f (n) er­ folgt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - es wird jeweils die Differenz zwischen der Rotationsfre­ quenz (f _rot ) des Drehstromasynchronmotors und einer der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit zugeordneten Fre­ quenz (f _v ) gebildet
• - diese Frequenzdifferenz wird entsprechend einer ge­ wünschten Motorkennlinienverflachung um einen Faktor (k) verkleinert und
• - die verkleinerte Frequenzdifferenz (1/k · (f _rot - f _v ) wird aus der Rotationsfrequenz (f _rot) und Schlupf­ sollfrequenz (fs _soll ) gebildeten Ständerfrequenz für den Drehstromasynchronmotor je nach Fahr- oder Brems­ betrieb vorzeichenrichtig im Sinne einer Verringerung der Motorschlupffrequenz zugefügt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildete Frequenzdifferenz (f _rot - f _v ) mit einem Faktor k<1 dividiert oder <1 multipliziert und von der jeweiligen Ständerfrequenz des Drehstromasynchronmotors beim Treiben subtrahiert bzw. beim Bremsen zuaddiert wird.

3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den An­ sprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Ständerfrequenz beeinflussende Wechselrichter (1) von einem Additionsglied (10) gesteuert wird, an das einer­ seits ein die Rotationsfrequenz (f _rot ) abgebender motor­ gekoppelter Impulsgeber (3) angeschlossen ist und dem andererseits über ein Subtraktionsglied (9) die Schlupf­ sollfrequenz (fs _soll ) zugeführt wird, wobei das Sub­ traktionsglied (9) noch mit dem Ausgang eines Dividie­ rers (7) verbunden ist, an dessen einen Eingang (Divi­ dend) die in einem Subtraktionsglied (6) gebildete Differenz (f _rot - f _v ) der der tatsächlichen Geschwin­ digkeit entsprechenden Frequenz (f _v) und der Rotations­ frequenz (f _rot ) und an dessen anderen Eingang (Divisor) ein Teilungsfaktor (k) gelegt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor (k) des Dividierers (7) konstant ge­ halten wird.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor (k) des Dividierers (7) abhängig und variabel von der Geschwindigkeit (v) und/oder dem Dreh­ moment gehalten wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor (k) mit steigender Fahrgeschwindig­ keit größer wird.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsfaktor (k) mit steigender Zug- bzw. Brems­ kraft kleiner wird.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anordnung mit analogen Bauelementen realisiert ist.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anordnung mit digitalen Bauelementen realisiert ist.