DD266539A1

DD266539A1 - Verfahren zur energieoptimalen steuerung von spurgebundenen elektrisch angetriebenen fahrzeugen mit nutzbremse

Info

Publication number: DD266539A1
Application number: DD87310760A
Authority: DD
Inventors: Gunnar Gohlisch; Frank Koenig
Original assignee: Zentrales Fi Des Verkehrs Wese
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1989-04-05

Abstract

Fuer spurgebundene, elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit Nutzbremse ist eine maximale Einsparung an Elektroenergie durch Ermittlung einer energieoptimalen Steuerung zu vorgegebener Fahrzeit zwischen zwei Planhalten zu erzielen. Die energieoptimale Steuerung wird eindeutig beschrieben durch die zeitliche Abfolge der Bewegungsphasen Anfahrt mit maximaler Zugkraft, Beharrungsfahrt, Auslauf, Bremsen mit maximal zulaessiger Bremskraft und die Angabe der vom Wirkungsgrad der Antriebsphase und vom Wirkungsgrad der Energierueckspeisung abhaengigen Groessen Beharrungsgeschwindigkeit, Beharrungslaenge und Bremseinsatzpunkt. Das erfindungsgemaesse Verfahren realisiert eine Senkung des Gesamtverbrauchs an Elektroenergie fuer die Zugfahrt. Fig. 3

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterstützung einer energiesparenden Fahrwolse bei der Elektrotraktion mit elektrischen Triebfahrzeugen, bei denon die Nutzbremsung angewendet wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekanntlich (DD B 60 L 16/20, WP-Nr. 129761) wurden die beim Nahverkehr für eine energiesparende Fahrweise erforderlichen Umschaltungen bei großen Fahrzeitreserven von Beschleunigungen im Auslauf geschwindigkeitsabhängig, bei kleinen Fahrzeitreserven von Beharrungsfahrt in Auslauf wegabhängig sowie der jeweils zugehörige Bremseinsatzpunkt unter der Voraussetzung der Fahrplaneinhaltung wegabhängig vorausberechnet und vorprogrammiert, so daß bei Einhaltung der Schaltvorschrift nicht vermeidbare, jedoch hinreichend kleine Abweichungen des Fahrverlaufes ausgeglichen worden. Diese Umschaltungen sind vor bzw. zum Zeitpunkt dos Fahrbeginns von der Steuereinrichtung bereitzustellen, wobei bei vorgegebenen konstanten Äufenthaltszoiten je Bahnhof eine ortsabh" ,lglge (zeitfesto Programmauswahl) und boi variablen Aufenthaltszeiten eine zeit- und ortsabhängige Programmauswahl (zoltvariable Programmauswahl) zu realisieren ist. Die Reihenfolge der Schalthandlungen ist von den im Nahverkehr bekannten energiesparenden Fahrweisen abhängig, so daß die vier Steuerregime

— Anfahrt

— ggf. Beharrungsfahrt entlang der Höchstgeschwindigkeit

— Auslauf

— Bremsen

notwendigerweise nacheinander abzuarbeiten sind.

Über eine Logikschaltung erfolgt die Unterscheidung zwischen geschwindigkeits- oder wegabhängiger Umschaltung in das Fahrregime Auoiauf. Die entweder über den Zwischenspeicher oder direkt durch die Speicheranordnung bereitgestellte Information (In Form einer Vorgabe der Beharrungsgeschwindlgkoit V_BEM bzw. des Beharrungsweges S_BEH und des Bremseinsatzpunktes Sbr) über das aktuell zu realisierende Fahrregime kann sowohl über eine digit Je Anzeigeeinrichtung an den Triebfahrzeugführer ausgegeben und dieser realisiert die eigentliche Zugfahrt, als auclt unmittelbar an eine selbsttätige Steuereinrichtung üb^arnnhen werden, so daß dieser mit Hilfe der Anzeige Im wesentlichen nur eine Kontrollfunktlon ausübt. Der Nachteil des beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß die veränderten energetischen Bedingung, ι bei Anwendung dei· Nutzbremsung (Möglichkeit der Rückspeisung elektrischer Energie an das Netz während des Bremsvorganges) nicht berücksichtigt weiden und dieses Verfahren somit nicht in der Lage ist, für elektris'he Triebfahrzeuge mit Nutzbremse eine energiooptimalü Fahrweise zu bestimmen.

An anderer Stolle (DE B60 L 7/12, Nr. 34 28118 A1) wird eine Nutzbremse für einen Gleichstrom-Fahrmotor schaltungstechnisch beschrieben, bei der der Anker, eine Drossel, ein Netz-Thyristorsteller und eine Parallelschaltung aus einem Kondensator und einem lösbaren Thyristorsteller in Serie an das Netz anschaltbar sind. Im oberen Drehzahlbereich, in dem die erzeugte Motorspannung größer odor gleich der Netzspannung ist, werden der Ankerstrom-Thyristorsteller und der Netz-Thyristorsteller wechselweise gegensinnig geöffnet und geschlossen. Dabei kann die gesamte kinetische Energie des Fahrzeuges weitgehend verlustfrei an das Netz zurückgespeist werden.

Der Nachteil besteht darin, daß auf die Möglichkeit einer weiteren Einsparung von elektrischer Energie mittels Anwendung einer energiesparenden Fahrweise nicht eingegangen wird. Weiterhin liefert die Anwendung der Optimierungstheorie auf die Betriebsabläufe von modernen Schnellbahnen (nach K. H. Kraft und E. Schnieder: „Optimale Trajektorien im spurgebundenen Schnellverkehr", Regelungstechnik 1981, H.4, S.,11-119) optimale Trajektorien für planmäßigen und gestörten Betrieb. Für zeitoptimale und energieoptimale Fahrweisen werden mit Hilfe des Maximumprinzips und unter Beachtung beschränkter Steuer- und Zustandsgrößen die zugehörigen Algorithmen entwickelt. Aus der Berücksichtigung verschiedener Bremssysteme geht hervor, welche Energieersparnis unter welchen Bedingungen durch eine ideale Nutzbremsung erreicht wird. Für nichtplanmäßige Betriebsfälle mit veränderlichen Zielkoordinaten liefert die Optimierungstheorie nach Euler-Lagrange günstige Fahrverläufe, die sich durch ein adaptives Regelsystem verwirklichen lassen.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht in einer unzulässigen Idealisierung von fahrzeugtechnischen Parametern, in deren Ergebnis Fahrwelsen (Trajaktorien) ermittelt werden, die sich in der Praxis als nicht energieoptlnia¹ f weisen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung 1st es, bei vorgegebener Fahrzeit zwischen zwei Planhalten eine enerQiooptlmale Fahrwelse zu ermitteln und damit eine Einsparung an elektrischer Energie zu ermöglichen.

Darlegung des Wesen· der Erfindung

* Die Ursache eines höheren Energieverbrauchs bei bisher bekannten technischen Lösungen besteht in der unberechtigten Idealisierung des Fahrzeugsystems, in dem sowohl der Energieverbrauch in der Antriebsphase als auch die Rückspeisung während der Bremsphase in der Zeiteinheit als nur von der Kraft und der Geschwindigkeit abhängig angesehen werden:

E = / F(t)V(t)dt O

Das zu lösende Problem besteht darin, unter Berücksichtigung der Wirkungsgradverhältnisse während des Antriebs und bei der Rückspeisung eine Steuerung zu realisieren, die zur Einsparung von Elektroenergie führt.

Erfindungsgemäß wird bei Beachten der Abhängigkeit des Gesamtenergieverbrauchs vom Antriebswirkungsgrad γ)αν und des Rückspeisungswirkungsgrades i"|_huck 'n der Form

1^T 1 1

E = ~/ (I— - HflucKiifiO: + (— + r|RücK)F(t)]V(t)dt 2 Q Παν Παν

ein energieoptimales Fahrregime in der zeltlichen Abfolge der Bewegungsphasen -> Anfahrt mit maximaler Zugkraft

-> Beharrungsfahrt mit V = const.

-> Auslauf

-> Bremsen mit maximal zulässiger Bremskraft

mit von Παν und Hrock abhängigen Umschaltprodukten zwischen den Phasen für eine Fahrt zwischen zwei Planhalten ermittelt.

Die Umschaltpunkte sind gemäß den technischen Zustandsgrößen do3 Prozesses der Zugfahrt durch Weg und Geschwindigkeit

charakterisiert und neben den Wirkungsgradverhältnissen von der vorgegebenen Fahrzeit zwischen den Planhalten funktional abhängig. Sie werden durch Darstellung des Zugmodells unter Berücksichtigung fahrdynamischer Gesetzmäßigkeiten für jeden

Abschnitt mit konstanter zulässiger Höchstgeschwindigkeit ermittelt und sind als Sollwerte für eine energieoptimale Zugsteuerung zu verwenden. Die Steuerung des Fahrzeugs erfolgt durch Impulse, die auf der Basis des Vergleichs diesoi Sollwerte mit den ak.uelitn Istzuständen entstehen. Ausfüluungsbelsplele Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt in Fig. 1: Weg-Geschwindlgkeits-Diagramm von Zugfahrten mit unterschiedlichen Auslauflängen Fig. 2: Länge des Auslaufweges als Funktion des Produktes von Antriebs- und Rückspelsungswirkungsgrad Fig. 3: Blockschaltbild des Verfahrens der energ'eoptimalen Steuerung von Fahrzeugen mit Nutzbremse Eine Fahrweise, die zeitlich aufeinanderfolgend die Bewegungsphasen

-» Anfahrt

-> Boharrungsfahrt

-> Auslauf

-* Bremsen

realisiert, ist bei vorgegebener Fahrzeit eindeutig durch die Größnngeschwlndigkelt der Beharrungsfahrt Vreh> Wegpunkt S_Seh

des Übergangs von der Phase Beharrung zur Phase Auslauf (Beharrungslänge) und Bremseinsatzpunkt S_Br bestimmt.

Figur 1 zeigt das Weg-Geschwindigkelts-Diagramm derartiger Fahrten. Die Trajektoi len A, B und C führen alle auf die gleiche,

durch den Fahrplan vorgegebene Fahrzeit, sind darüber hinaus aber durch unterschiedliche Beharrungsgeschwindigkeiten Veen*

Länge der Beharrungsfahrt S_Oeh und daraus resultierend unterschiedliche Auslauft!ingen AL und Bremseinsatzpunkte S_Br

gekennzeichnet. Den Zusammenhang zwischen Auslauf länge AL bei energieoptimaler Fahrt und dem Produkt aus

Antriebswirkungsgrad und Rückspelsungswirkungsgrad η_ΑΝ · r rock zeigt Figur 2. Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren gestattet die Bp jtimmung der funktionalen Beziehungen V_BE„(t₍, r^n, HrOck)» Sbsh

(ti. Παν. Haue*)-und S_BR(t|, Παν. Πηϋεκ.) und somit die Festlegung der optimalen Auslauf lange AL für jeden Abschnitt mit konstanter zulässiger Höchstgeschwindigkeit V_mix. Die zu berücksichtigende Fanrzeit t\ wird nach bekannten Verfahren zur Ermittlung energieoptimaler Teilftihfeiten bei Vorliegen mehrerer, verschiedener Höchstgeschwindigkeitsbegrenzungen bzw. zur

Modifikation von Fahrzeiten zwecks Heranführen eines Zuges an die vorgegebene Fahrplanlage festgelegt. Auf dieser Grundlage

werden abschnittsweise die optimale Beharrungsgeschwindigkeit V_Beh> die optimale Beharrungslänge S_0Eh und der

Bremseinsatzpunkt S_0n bestimmt und stehen gemäß Figur 3 als Steuerbefehle zur Verfügung, die entweder durch eine

automatische Zugsteuerung verarbeitet werden oder durch den Triebfahrzeugführer ausgeführt werden.

Die realisierte Steuerung führt zu energieoptimaler Fahrweise und einer damit verbundenen Senkung des Bedarfs an elektrischer Energie für die Zugfahrt.

Claims

Verfahren zur energieoptimalen Steuerung von spurgebundenen, elektrisch angetriebenen Fahrzeugen mit Nutzbremse, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander die Bewegungsphasen Anfahrt mit maximaler Zugkraft, Beharrungsfahrt mit ν = const., Auslauf und Bremsen mit maximal zulässiger Bremskraft ausgeführt werden und die eine derartige Fahrweise eindeutig festlegenden Größen Beharrungsgeschwindigkeit (Vbeh)« Large der Beharrungsfahrt (S_Beh) und Bremseinsatzpunkt (Sbr) in Abhängigkeit von der Fahrzeit, dem Wirkungsgrad des Antriebs und dem Wirkungsgrad der Rückspeisung bestimmt werden und als Steuerbefehle, die zu energieoptimaler Fahrweise führen, einer Steuereinrichtung zur Weiterverarbeitung übermittelt werden.

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2 Seiten Zeichnungen