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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung einer Luftversorgungsanlage eines Fahrzeuges, vorzugsweise eines Schienenfahrzeugs, mit mindestens einem Verdichter zur Erzeugung von Druckluft, dessen Antrieb durch einen per Frequenzumrichter betriebenen Drehstrommotor nach Maßgabe einer zugeordneten Steuereinheit unter Berücksichtigung von Betriebszuständen des Fahrzeugs erfolgt.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf den Schienenfahrzeugbau. Insbesondere das gewöhlich pneumatisch betriebene Bremssystem eines Schienenfahrzeugs bedarf einer Druckluftversorgung, welche über eine Luftversorgungsanlage sichergestellt wird. Die Luftversorgungsanlage umfasst gewöhnlich mindestens einen motorbetriebenen Verdichter, welcher die erzeugte Druckluft über eine Luftaufbereitungseinrichtung den druckluftverbrauchenden Aggregaten des Schienenfahrzeuges zur Verfügung stellt. Zur Optimierung der aufwändigen Druckluftversorgung werden moderne Luftversorgungsanlagen der hier interessierenden Art über eine intelligente Steuerung betrieben, welche sensortechnisch ermittelte Zustandsgrößen von Aggregaten der Luftversorgungsanlage sowie auch die Betriebszustände des Fahrzeuges beim Betrieb der Luftversorgungsanlage mit einfließen lässt.
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Die
DE 10 2013 101 502 A1 offenbart eine Luftaufbereitungsanlage für ein Schienenfahrzeug mit einem per Frequenzumrichter betriebenen Drehstrommotor zum Antrieb eines Verdichters. Der Frequenzumrichter ist dabei vorzugsweise direkt am Drehstrommotor angebracht. Der Frequenzumrichter dient der Verbesserung und Erweiterung des Anlauf- und Drehzahlverhaltens des Drehstrommotors. Hierüber lässt sich der Drehstrommotor drehzahlvariabel betreiben, so dass der hieran angeschlossene Verdichter in der Lage ist, eine variable Förderleistung zu erbringen. Die über den Frequenzumrichter durchgeführte Ansteuerung des Drehstrommotors erfolgt unter Berücksichtigung von sensortechnisch ermittelten Zustandsgrößen des Kompressors. So ist es beispielsweise möglich, die aktuelle Verdichtertemperatur oder den vom Verdichter erzeugten Druck bei der Motoransteurung mit zu berücksichtigen, um auf diese Weise eine Überhitzung, kritische Grenzdrücke und dergleichen zu vermeiden.
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Aus der
DE 10 2013 113 555 A1 geht eine gattungsgemäße technische Lösung hervor, welche in Erweiterung zu dem vorstehend erläuterten Stand der Technik neben der Einbeziehung von sensortechnisch ermittelten Zustandsgrößen von Aggregaten der Luftversorgungsanlage auch Betriebszustände des Schienenfahrzeuges bei der frenquenzumrichterbetriebenen Ansteuerung des Drehstrommotors zum Antrieb des Verdichters mit berücksichtigt. Auch hier kann der Frequenzumrichter je nach Betriebszustand des Schienenfahrzeuges eine unterschiedliche Drehzahl für den Drehstrommotor vorgeben, um die Förderleistung des nachgeschalteten Verdichters entsprechend zu beeinflussen, also an den aktuellen Betriebszustand des Schienenfahrzeuges anzupassen. So wird der Verdichter in einem Auffüllbetrieb der Luftversorgungsanlage des Schienenfahrzeuges mit der maximalen Drehzahl betrieben. Im Streckenbetrieb des Schienenfahrzeuges wird der Verdichter mit einer variablen Drehzahl betrieben, welche geringfügig oberhalb der minimalen Drehzahl liegt, wobei der erzeugte Druck geringfügig größer als ein vorgegebener Einschaltdruck für den Verdichter ist. Ferner wird vorgeschlagen, während des Bremsbetriebs des Schienenfahrzeuges den Verdichter mit einer Drehzahl zwischen dessen Nenndrehzahl und der maximal vorgegeben Drehzahl zu betreiben, um in dieser Phase möglichst viel Druckluft zu erzeugen, damit der beim Bremsen anfallende hohe Druckluftverbrauch zügig ausgeglichen werden kann.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Einrichtung zur Steuerung einer Luftversorgungsanlage eines Fahrzeugs unter Berücksichtigung von Betriebszuständen desselben dahingehend weiter zu verbessern, dass mit einfachen technischen Mitteln eine Integration der Steueralgorithymen in die Gesamtfahrzeugsteuerung zur Verfügung steht.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine übergeordnete Fahrzeugsteuereinheit für verschiedene Betriebszustände desselben entsprechend kennzeichnende Steuersignale an die Steuereinheit des Frequenzumrichters zur Verfügung stellt.
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Bei dieser speziellen Konfiguration ist jedem Verdichter ein Drehstrommotor mit eigenem Frequenzumrichter zugeordnet, welcher eine elektronsiche Steuereinheit für die drehzahlvariable Ansteuerung des Drehstrommotors enthält. Diese bezogen auf das Fahrzeug dezentral angeordnete Steuereinheit ist ferner auch in der Lage über die spezifischen Steuersignale auf verschiedene Betriebszustände des Fahrzeuges Rücksicht zu nehmen, um insoweit eine energieoptimierte Luftversorgung sicherzustellen. Diese fahrzeugbetriebszustandsspezifischen Steuersignale werden von der übergeordneten Fahrzeugsteuereinheit – vorzugsweise von einer Zugsteuerung (TCMU) – vorgegeben. Somit wird durch die erfindungsgemäße Lösung auf eine verteilte Intelligenz zwischen einer zentralen Fahrzeugsteuerung und einer dezentralen Umrichtersteuerung zurückgegriffen, welche in Funktionsteilung insgesamt die Steuerung der Luftversorgungsanlage des Fahrzeuges vornehmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die die verschiedenen Betriebszustände des Fahrzeugs kennzeichnenden Steuersignale ausgewählt aus einer Signalgruppe, umfassend Stationsmodus, Auffüllmodus, Streckenmodus, Haltemodus und Batteriemodus. Im Stationsmodus, also bei einem Haltestopp am Bahnsteig besteht die Anforderung, dass die Schallemission reduziert werden soll, um die Fahrgäste möglichst wenig zu beeinträchtigen. Jedoch beginnen Luftversorgungsanlagen oft wegen einer vorhergehenden Bremsung unmittelbar nach dem Erreichen der Station die Druckluftwiederauffüllung der Vorratsbehälter. Der Stationsmodus stellt sicher, dass vorzugsweise mehrere Verdichter des Fahrzeugs gleichzeitig, jedoch mit reduzierter Drehzahl angetrieben werden, um den hohen Druckluftbedarf in dieser Situation möglichst leise zu decken. Ein anderer typischer Betriebszustand ist das Auffüllen der Vorratsbehälter des Fahrzeugs, wobei hierbei die Regelanforderung einer maximalen Förderleistung besteht, um ein schnelles Auffüllen der Vorratsbehälter der Luftversorgungsanlage zu erzielen, damit möglichst schnell die Fahrtbereitschaft des Fahrzeuges erreicht ist. Die Verfügbarkeit des Fahrzeugs kann dadurch erhöht werden.
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Anders ist die Situation, bei einem abgestellten Fahrzeug, das sich also in einem Haltemodus befindet, insbesondere in Wohngebieten. Häufig werden Fahrzeuge zur Erhöhung der Verfügbarkeit über Nacht in Betriebsbereitschaft gehalten. Hier sind die Anforderungen an die Schallabstrahlung besonders hoch, weil Schallabstrahlung in benachtbarten Wohngebieten zu Störungen von Anwohnern führen kann. Denn zu Nachtzeiten ist der Hintergrundlärmpegel deutlich niedriger als tagsüber, so dass eine Lärmbelästigung als zunehmend störend empfunden wird. Andererseits ist der Druckluftbedarf besonders niedrig, weil allenfalls Leckagen in der Luftversorgungsanlage ausgeglichen werden müssen. Hier macht es Sinn, nur einen einzigen Verdichter des Fahrzeuges mit einer möglichst niedrigen Drehzahl anzutreiben, um diese Leckageverluste unter geringer Schallabstrahlung ausgleichen zu können.
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Im Regelbetrieb, also dem normalen Streckenmodus des Fahrzeuges während der Streckenfahrt, könnte auf einzelnen Streckenabschnitten sogar eine erhöhte Schallabstrahlung in Kauf genommen werden. Die Laufgeräusche des Fahrzeuges und der Traktionseinrichtungen übersteigen die Schallabstrahlung der Luftversorgungsanlage deutlich. Auf der anderen Seite besteht im Streckenmodus nur eine mittlere Leistungsanforderung. In der Regel macht es dabei Sinn, dass im Streckenmodus die Verdichterleistung an den tatsächlichen Verbrauch angepasst wird und die Verdichter bei geringer Last länger betrieben werden, so dass optimale Betriebstemperaturen erreicht und gehalten werden können. Häufige verschleissverursachende Anläufe von Verdichtern werden hierdurch vermieden.
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Schließlich wird der Verdichter im Batteriemodus, in welchem nur elektrische Energie aus den wiederaufladbaren Batterien des Fahrzeuges zur Verfügung steht, mit niedriger Drehzahl und niedriger Förderleistung betrieben, um die Verdichterleistung an das elektrische Energieangebot anpassen zu können.
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Die die verschiedenen Steuersignale bereitstellende übergeordnete Steuereinheit ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform an mindestens eine Bremssteuereinheit angeschlossen, welche neben der Steuerung des Bremssystems auch das Kompressormanagement in Sinne einer Funktionsintegration übernimmt. An die Bremssteuereinheit ist wiederum die Steuereinheit des Frenquenzumrichters angeschlossen, welche die Steuersignale übernimmt und für die bedarfsgerechte Drehzahlsteuerung gemäß den Betriebszuständen des Fahrzeuges in oben erläuterter Weise nutzt. Die Bremssteuereinheit ist vorzugsweise als ein elektronischer Bremssteuerrechner EBCU ausgebildet.
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Das Kompressormanagement findet vorzugsweise, entsprechend des anliegenden Steuersignals im Bremssteuerrechner statt. Hier wird bestimmt, welcher Verdichter wann und mit welcher Drehzahl betrieben wird. Die Steuersignale werden an den Frequenzumrichter, der die Luftversorgungsanlage steuert, weitergeleitet, regelt diesen und nehmen Einfluss auf Zu- und Abschaltungen.
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Die übergeordnete Fahrzeugsteuereinheit leitet die Steuersignale an die Bremssteuereinheit vorzugsweise über eine Fahrzeugbusverbindung oder eine Ethernetverbindung weiter. Es ist auch denkbar, dass eine digitale Signalübertragung, auch per Funk durchgeführt wird. Denn zwischen der zentralen Fahrzeugsteuereinheit und den dezentral angeordneten Bremssteuereinheiten eines Fahrzeuges sind je nach Fahrzeuglänge gewöhnlich größere Entfernungen zu überbrücken. Die Steuereinheit des vorzugsweise direkt am Drehstrommotor des Verdichters angebrachten Frequenzumrichters ist dagegen meist ortsnah zur Bremssteuereinheit installiert.
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Neben der fahrzeugbetriebszustandsabhängigen Ansteuerung des Frequenzumrichters kann auch eine von Aggregaten zustandsabhängige Ansteuerung der Luftversorgungsanlage herangezogen werden. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, im Bereich der Luftversorgungsanlage Sensoren anzuordnen, deren Messsignale über aktuelle Zustandsgrößen von Aggregaten – insbesondere Verdichtertemperaturen, Vorratsbehälterdruck oder Motortemperatur – per Signal an die Bremssteuereinheit und/oder die Steuereinheit des Frequenzumrichters gemeldet werden. Ferner können beispielsweise bei einem Kolbenverdichter Zylinderwandtemperaturen, Gastemperaturen oder Motorwicklungstemperaturen des antreibenden Drehstrommotors, Zwischendrücke und dergleichen ermittetlt und entweder an die Steuereinheit des Frequenzumrichters der Luftversorgungsanlage oder direkt an den Bremssteuerrechner übermittelt werden. Diese elektronischen Einheiten sind in der Lage, Sollvorgaben für die Zustandsgrößen der Aggregate auf deren Einhalten zu überwachen, um beispielsweise eine Überhitzung des Verdichters zu verhindern. Dementsprechend kann die Antriebsdrehzahl im Falle einer Überhitzungsgefahr reduziert werden und/oder eine Lüfterkühlung eingeschaltet werden.
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Gemäß eines anderen Aspekts der erfindungsgemäßen Lösung wird vorgeschlagen, dass zur fahrzeugseitigen elektrischen Energieversorgung sowohl eine Batteriespannungsversorgung als auch eine Dreiphasenwechselspannungsversorgung vorgesehen ist. Die Steuereinheit des Frequenzumrichters ermittelt, welche elektrische Energieversorgung aktuell zur Verfügung steht, um eine Auswahl zur optimalen elektrischen Energieversorgung zu treffen. Steht neben einer hinreichenden Batteriespannungsversorgung beispielsweise auch eine Dreiphasenwechselspannungsversorgung zur Verfügung, so wird die Dreiphasenwechselspannungsversorgung priorisiert. Hierdurch erfolgt eine Erweiterung des Funktionsumfangs der Steuereinheit des Frequenzumrichters.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt. Die einzige Figur zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Einrichtung zur Steuerung einer Luftversorgungsanlage eines Schienenfahrzeuges.
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Gemäß Figur umfasst eine Luftversorgungsanlage eines Schienenfahrzeuges einen Verdichter 1 zur Erzeugung von Druckluft, die in einem nachgeschalteten Vorratsbehälter 2 zur Versorgung insbesondere eines pneumatischen Bremssystems gespeichert wird. Der Antrieb des Verdichters 1 erfolgt über einen elektrischen Drehstrommotor 3, dessen Drehzahl über einen Frequenzumrichter 4 vorgegeben wird. Eingangsseitig des Frequenzumrichters 4 steht zum einen eine netzgespeiste Dreiphasenwechselspannungsversorgung 5 sowie – hilfsweise – eine Batteriespannungsversorgung 6 zur Verfügung.
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Dem Frequenzumrichter 4 ist in Baueinheit eine elektronische Steuereinheit 7 beigeordnet, welche verschiedene steuerungstechnische Funktionen beinhaltet. Unter anderem berücksichtigt die Steuereinheit 7 bei der Ansteuerung des Frequenzumrichters 4 zur Einstellung der optimalen Drehzahl für den Drehstrommotor 3 des Verdichters 1 auch die Betriebszustände des Fahrzeuges, welche eine übergeordnete Steuereinheit 8 in Form individueller Betriebszustände des Fahrzeugs kennzeichnende Steuersignale S1...Sn zur Verfügung stellt.
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Dabei kennzeichnet bei diesem Ausführungsbeispiel ein Steuersignal S1 einen Auffüllmodus des Fahrzeugs, ein Steuersignal S2 kennzeichnet einen Stationsmodus des Fahrzeugs, ein Steuersignal S3 kennzeichnet einen normalen Streckenmodus des Fahrzeugs, ein Steuersignal S4 kennzeichnet einen Haltemodus des Fahrzeugs auf der Strecke und ein Steuersignal S5 kennzeichnet einen Batteriemodus des Fahrzeugs.
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Die übergeordnete Fahrzeugsteuereinheit 8 leitet die Steuersignale S1...Sn an eine das Kompressormanagement ausführende Bremssteuereinheit 9 weiter. Neben dem Kompressormanagement erfolgt durch die Bremssteuereinheit 9 auch eine Bremssteuerung. Die Bremssteuereinheit 9 wiederum übergibt die Steuersignale S1...Sn an die Steuereinheit 7 des Frequenzumrichters 4 zwecks Ansteuerung des Drehstrommotors 3 nach Maßgabe des jeweiligen Betriebszustandes des Fahrzeugs.
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Die Verbindung zwischen übergeordneter Fahrzeugsteuereinheit 8 und Bremssteuereinheit 9 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Fahrzeugbusverbindung ausgebildet und erfordert dementsprechende Busschnittstellen seitens der Fahrzeugsteuereinheit 8 sowie der Bremssteuereinheit 9.
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Ferner sind im Bereich der Luftversorgungsanlage diverse Sensoren 10a, 10b angeordnet. Der Sensor 10a ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Temperatursensor, welcher die Verdichtertemperatur ermittelt. Der andere exemplarische Sensor 10b ist ein Drucksensor, welcher den Ist-Druck ausgangsseitig des Verdichters 1 ermittelt.
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Diese Messsignale über aktuelle Zustandsgrößen des Verdichters 1 wird hier dem Steuergerät 7 des Frequenzumrichters 4 zugeführt, worin ein Regelalgorithmus die Einhaltung der gemessenen Ist-Werte im Vergleich zu definierten Soll-Vorgaben überwacht. Die Steuereinheit 7 erzeugt ferner entsprechende Warnsignale bei Nichteinhaltung von Soll-Vorgaben, welche über die Busverbindung an die Bremssteuereinheit 9 und von dort aus an die Fahrzeugsteuereinheit 8 übertragen werden. Hier stehen die Warnsignale an zentraler Stelle zur Information des Fahrzeugführers zur Verfügung.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, dass die Auswertung der Sensorsignale auf der Ebene der Bremssteuereinheit 9 stattfindet. Auch die Programmierung des Kompressormanagements findet bevorzugt innerhalb der Bremssteuereinheit 9 statt. Daneben sei darauf hingewiesen, dass der Verdichter 1 in Form eines Hub- oder Rotationsverdichters ausgebildet sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter
- 2
- Vorratsbehälter
- 3
- Drehstrommotor
- 4
- Frequenzumrichter
- 5
- Drehphasenwechselspannungsversorgung
- 6
- Betriebsspannungsversorgung
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Fahrzeugsteuereinheit
- 9
- Bremssteuereinheit
- 10
- Sensor
- S1...Sn
- Steuersignale
- EBCU
- Bremsstreuerrechner
- TCMS
- Zugsteuerung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013101502 A1 [0003]
- DE 102013113555 A1 [0004]
