DE102017218056A1

DE102017218056A1 - Aktive Regelung eines Stromabnehmers

Info

Publication number: DE102017218056A1
Application number: DE102017218056.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Schunke; Manfred Vohla
Original assignee: KNORR-BREMSE GmbH; Knorr Bremse GmbH; Knorr Bremse AG
Current assignee: KNORR-BREMSE GmbH; Knorr Bremse GmbH; Knorr Bremse AG
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-04-11
Also published as: US20200238834A1; WO2019072848A1; KR20200091397A; CN111201153A; EP3678889A1

Abstract

Eine Vorrichtung mit einer Sensorvorrichtung (52) zur Erkennung eines aktuellen Betriebszustandes einer elektrisch leitenden Verbindung bzw. eines Kontaktes zwischen einem beweglichen und einem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromversorgung, z.B. eines Kontaktes zwischen einer Fahrleitung (20) und einem Stromabnehmer (12), um eine Kontaktkraft zu regeln, sowie ein Verfahren unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung eines aktuellen Betriebszustandes einer elektrisch leitenden Verbindung bzw. eines Kontaktes zwischen einem beweglichen und einem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromversorgung, z.B. eines Kontaktes zwischen einer Fahrleitung und einem Stromabnehmer, um eine Kontaktkraft zu regeln, sowie ein Verfahren unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
Insbesondere findet die Erfindung Anwendung bei Stromabnehmern elektrischer Triebfahrzeuge, die eine definierte Anpresskraft an die Fahrleitung benötigen. Die Fahrleitung ist im gegenständlichen Fall eine Oberleitung konventioneller Ausführung oder innovativer Ausführung wie z.B. Deckenstromschienen.
Ist diese Anpresskraft zu klein, fängt der Stromabnehmer zu springen an. Die daraus resultierenden Kontaktunterbrechungen und Lichtbögen beeinträchtigen die Lebensdauer von Stromabnehmerwippen und Fahrleitungen. Ist diese Anpresskraft zu groß, wird die Fahrleitung übermäßig angehoben. Bei unzulässigen Krafteinleitungen in die Fahrleitung kann deren mechanische Positionierung nicht sichergestellt werden, ein „Einfädeln“ des Stromabnehmers und Herunterreißen der Fahrleitung sind typische Konsequenzen.
Gemäß DIN EN 50637:2012 sind die notwendigen Anpresskräfte insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb (>200km/h) stark ansteigend bis etwa zum Doppelten des Stillstandwertes, wie in 1 gezeigt. Um diesen Anstieg zu gewährleisten, werden nach Stand der Technik Windleitbleche im Stromabnehmer verwendet, die einerseits aerodynamisch eine Zusatzkraft aufbringen und andererseits dynamische Auftriebskräfte kompensieren. Nachteilig ist hierbei, dass die Auslegung und Handhabung dieser Windleitbleche nicht einfach an unterschiedliche Betriebssituationen anpassbar ist. Beispielsweise ist die aerodynamische Zusatzkraft in Hochgeschwindigkeitstunneln signifikant höher als auf freier Strecke. Diese Zusatzkraft ist jedoch auch von Fahrzeugform, Tunnelquerschnitt, Versperrungsmaß (Verhältnis Fahrzeugquerschnitt zu Tunnelquerschnitt), Querschnittssprüngen und Position des Stromabnehmers im Zugverband abhängig. Auch ist diese Zusatzkraft fahrtrichtungsabhängig (beispielweise je nach Spieß- oder Kniegang eines asymmetrischen Einholm-Stromabnehmers).
Zusätzlich bestehen zunehmend Anforderungen, die Stromabnehmer-Anpresskraft im Stillstand anzuheben, um Überhitzung und Beschädigung von Schleifleiste und Fahrleitungsdraht im Kontaktpunkt bei hohem Stromfluss durch Beleuchtung, Klimaanlagen und Fahrgastinformationssysteme bei bereitgestellten Fahrzeugen zu vermeiden. Windleitbleche können jedoch keine Zusatzkraft aufbringen, wenn sich das Fahrzeug im Stillstand befindet.
Aus dem Stand der Technik sind heute einstufige und zweistufige (festeingestellte, aber justierbare) Drücke bekannt. In einzelnen Fällen werden bereits elektronpneumatisch (ep) geregelte Druckansteuerungen verwendet. Zahlreiche Forschungsprojekte (und Patentanmeldungen) haben eine aktive Stromabnehmerkraftregelung zum Inhalt. Bekannt sind Regelungen basierend auf bis zu 4 Kraftsensoren oder bis zu 4 Beschleunigungssensoren an den Aufstandspunkten der Stromabnehmerwippe oder in deren Nähe. Bis heute gibt es keine kommerziell erfolgreichen Produkte, da das elektromagnetische Umfeld derart „verschmutzt“ ist, dass z.B. Glasfaserverbindungen für die Sensoren erforderlich werden, die die Kosten für eine Serienausführung zu hoch werden lassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine kostengünstige Vorrichtung und ein Verfahren unter Verwendung einer derartigen Vorrichtung zu schaffen, mit denen ein aktueller Betriebszustand einer elektrisch leitenden Verbindung bzw. eines Kontaktes zwischen einem beweglichen und einem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromübertragung erkannt und ausgewertet werden kann. Insbesondere soll durch die Erfindung bei der Anwendung auf einen Stromabnehmer eines Fahrzeuges z. B. der Schleifleistenverschleiß an einer Stromabnehmerwippe durch gemeinsame Optimierung von elektrischem und mechanischem Verschleiß minimiert werden. Dabei soll das Ziel erreicht werden, die Schleifleisten der Stromabnehmerwippe im Sinne des minimalen mechanischen Verschleißes in einem Bereich begrenzter, minimierter Anpresskraft zu betreiben, ohne dass Störungen in der Stromübertragung einen erhöhten elektrischen Verschleiß durch Lichtbögen und Funkenschlag verursachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung zur Erkennung eines aktuellen Betriebszustands einer elektrisch leitenden Verbindung bzw. eines Kontaktes zwischen einem beweglichen und einem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromübertragung nach Anspruch 1 gelöst. Weiterhin wird die Aufgabe mit einem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einer Vorrichtung einschließlich einer Sensorvorrichtung zur Erkennung eines Betriebszustandes eines elektrisch leitenden Kontaktes durch Erfassung einer elektromagnetischen Abstrahlung in Form von Funken oder elektromagnetischem Knistern in Abhängigkeit einer Kontaktkraft an einer Kontaktstelle zwischen einem beweglichen und einem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromversorgung. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann insbesondere bei einem Stromabnehmer eines Fahrzeuges verwendet werden, um den Betriebszustand des Kontaktes zwischen der Stromabnehmerwippe und der Fahrleitung zu erkennen.
Vorzugsweise ist die Sensorvorrichtung der Vorrichtung gemäß der Erfindung so konfiguriert, um elektrische Funken bei der Kontaktstelle zu erkennen, um die Kontaktkraft bei der Kontaktstelle zu bewerten.
Alternativ ist die Sensorvorrichtung der Vorrichtung gemäß der Erfindung so konfiguriert, um elektrisches Knistern (elektromagnetisches Rauschen) bei der Kontaktstelle zu erkennen, um die Kontaktkraft bei der Kontaktstelle zu bewerten.
Im Falle, dass Funken erkannt werden sollen, weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung vorzugsweise eine Erfassungseinheit zur Erfassung von Funken an der Kontaktstelle auf, und eine Bewertungseinheit, die konfiguriert ist, um die Funken an der Kontaktstelle auszuwerten, z.B. umdie Funken pro einer vorbestimmten Zeitperiode zu zählen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Vorrichtung eine Speichereinheit konfiguriert zum Speichern einer vorbestimmten Untergrenze an Funken pro Zeitperiode und einer vorbestimmten Obergrenze an Funken pro Zeitperiode, eine Vergleichseinheit konfiguriert zum Vergleichen der erfassten Anzahl der Funken in der vorbestimmten Zeitperiode mit der Obergrenze und der Untergrenze und eine Feststellungseinheit konfiguriert zum Feststellen, ob die erfasste Anzahl an Funken unter der Untergrenze oder über der Obergrenze liegt, aufweisen.
Alternativ ist die Sensorvorrichtung der Vorrichtung gemäß der Erfindung konfiguriert, um die elektromagnetischen Abstrahlungen des elektrisch leitenden Kontaktes nach Spektrum und Betrag auszuwerten.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung ferner eine Regelungsvorrichtung auf, die konfiguriert ist, um die Kontaktkraft zwischen dem beweglichen und dem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromübertragung z.B. zwischen dem Stromabnehmer und der Fahrleitung in Abhängigkeit der gemessen Messparameter von der Sensorvorrichtung zu regeln. Durch die Erkennung von dem Betriebszustand des Kontakts zwischen dem Stromabnehmer und der Fahrleitung kann ausgewertet werden, ob die Kontaktkraft im Vergleich zu einer Soll- Kontaktkraft zu klein oder zu groß ist. Eine Soll-Kontaktkraft liegt in einem bestimmten Bereich, der von Faktoren wie z.B. der Geschwindigkeit des Fahrzeuges, der Fahrtrichtung, der Position des Stromabnehmers im Zugverband, Umgebungsparameter (wie z.B. Eisbildung oder Luftfeuchtigkeit), ob das Fahrzeug im Tunnel fährt (und falls ja, welche Tunnelklasse es ist, definiert von dem Versperrungsmaß und den Querschnittssprüngen), und ob die Parkbremse an ist, abhängig ist. In einem Fahrzeug mit einem Stromabnehmer, dessen Steuervorrichtung mit einem Vorsteuerdruckkreis ausgestattet ist, kann ein Vorsteuerdruck in dem Vorsteuerdruckkreis entsprechend angepasst werden, um dadurch die Kontaktkraft zwischen der Stromabnehmerwippe und der Fahrleitung zu regeln. Ein Vorteil dabei ist, eine unnötig zu große Kontaktkraft zwischen dem Stromabnehmer und der Fahrleitung zu vermeiden, um die Lebensdauer insbesondere von der Stromabnehmerwippe zu verlängern.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1 die benötigte Anpresskraft abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung eines Stromabnehmers unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
3 ein Flussdiagram einer Regellogik der Vorrichtung gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.

2 zeigt einen Teil eines Fahrzeugs 10, einen Stromabnehmer 12 einschließlich einer Stromabnehmerwippe 14, eine Fahrleitung 20 und eine Steuervorrichtung 22, verbunden mit einer Regelvorrichtung 50 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Das Druckmedium Luft strömt in Einströmungsrichtung 90 von einem Druckeingang 24 über einen Luftfilter 34 in die Steuervorrichtung 22 ein.
Wenn sich das Fahrzeug 10 im Betrieb oder Stand-by-Modus befindet, ist die Steuervorrichtung 22 über ein Umschaltventil 28a eingeschaltet. Ein Umschaltventil 28b und eine Einrichtung 30 stellen Überwachungseinrichtungen dar. Während des Betriebs des Fahrzeugs 10 wird eine bestimmte Anpresskraft zwischen dem Stromabnehmer 12 und der Fahrleitung 20 benötigt, um einen sicheren Übergang der Energie von der Fahrleitung 20 über den Stromabnehmer 12 zu dem Fahrzeug 10 zu gewährleisten. Dieser Arbeitsdruck wird durch einen Vorsteuerdruckkreis 40, der mit einem Arbeitsdruckregelkreis 60 in Wirkverbindung steht, erzielt, wobei ein Regler (nicht gezeigt) in dem Vorsteuerdruckkreis 40 vorgesehen ist, um den Arbeitsdruck mit einen geregelten Vorsteuerdruck zu steuern.
Eine Sensorvorrichtung 52 ist auf dem Dach des Fahrzeuges 10 in der Nähe des Stromabnehmers 12 vorgesehen, um einen Betriebszustand des Kontaktes zwischen dem Stromabnehmer 12 und der Fahrleitung 20 zu überwachen, und die von der Sensorvorrichtung 52 gemessenen und ausgewerteten Parameter werden weiter an eine Regelvorrichtung 50 geleitet. Eine Regelvorrichtung 50 ist vorgesehen, um dem Regler Regelsignale zur Verfügung zu stellen. Ist ein Funkenflug bzw. ein Knistern zwischen dem Stromabnehmer 12 und der Fahrleitung 20 zu stark bzw. zu groß, kann man darauf schließen, dass der Kontakt nicht optimal ist. Dieses Phänomen wird verwendet, um festzustellen, dass die Anpresskraft des Stromabnehmers 12 auf die Fahrleitung 20 entweder zu hoch oder zu niedrig ist. Es wird also ein Anpresskraftbereich in Abhängigkeit der Fahrgeschwindigkeit oder anderer Parameter bestimmt, innerhalb dessen der Kontakt optimal bzw. akzeptabel ist. Sollte die Anpresskraft außerhalb des zulässigen Bereichs liegen, kann dies festgestellt werden und entsprechend nachreguliert werden. Wenn die Anpresskraft zwischen dem Stromabnehmer 12 und der Fahrleitung 20 zu klein ist, erhöht die Regelvorrichtung 50 den Vorsteuerdruck über den Regler. Wenn die Anpresskraft zwischen dem Stromabnehmer 12 und der Fahrleitung 20 zu groß ist, reduziert die Regelvorrichtung 50 den Vorsteuerdruck über den Regler.
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nun auf der Grundlage des Beispiels mit dem Stromabnehmer der 2 anhand der Regellogik in 3 beschrieben. Wenn z.B. das Fahrzeug 10 im Betrieb ist, besteht ein elektrischer Kontakt zwischen der Fahrleitung 20 und der Stromabnehmerwippe 14.
Die Sensorvorrichtung 52 erfasst den Betriebszustand des Kontakts zwischen der Stromabnehmerwippe 14 und der Fahrleitung 20 z.B. durch Erkennen von Funken/Knistern des elektrischen Kontaktes (S1). Die von der Sensorvorrichtung 52 erhaltenen Parameter werden dann an die Regelvorrichtung 50 weitergeleitet und von der Regelvorrichtung 50 ausgewertet (S2). Durch die Auswertung in S2 wird die Ist-Kraft zwischen der Stromabnehmerwippe 14 und der Fahrleitung 20 bewertet, um mit der Soll-Kraft, abgegrenzt durch eine Obergrenze und Untergrenze, verglichen zu werden (S3). Der Vorsteuerdruck in dem Vorsteuerdruckkreis 40 wird dann in Abhängigkeit von der Bewertung nachgesteuert: ist die Ist-Kraft zu klein für die jetzige Betriebssituation (d.h. die Ist-Kraft liegt unterhalb der Untergrenze der Soll-Kraft), wird der Vorsteuerdruck durch den Regler erhöht; ist die Ist-Kraft zu groß für die jetzige Betriebssituation (d.h. die Ist-Kraft liegt oberhalb der Obergrenze der Soll-Kraft), wird der Vorsteuerdruck durch den Regler verringert (S4).
Bezugszeichenliste

10: Fahrzeug
12: Stromabnehmer
14: Stromabnehmerwippe
20: Fahrleitung
22: Steuervorrichtung
24: Druckeingang
28a, 28b: Umschaltventil
30: Einrichtung
34: Luftfilter
40: Vorsteuerdruckkreis
50: Regelungsvorrichtung
52: Sensorvorrichtung
90: Richtungspfeil

Claims

Vorrichtung einschließlich einer Sensorvorrichtung (52) zur Erkennung eines Betriebszustandes eines elektrisch leitenden Kontaktes durch Erfassung einer elektromagnetischen Abstrahlung in Form von Funken oder elektromagnetischem Knistern in Abhängigkeit einer Kontaktkraft an einer Kontaktstelle zwischen einem beweglichen und einem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromversorgung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung (52) einen Sensor aufweist, der so ausgelegt ist, um elektrische Funken des elektrisch leitenden Kontakts zu erfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung (52) ferner aufweist: - eine Erfassungseinheit zur Erfassung von Funken an der Kontaktstelle, und - eine Bewertungseinheit konfiguriert um die Funken an der Kontaktstelle zu bewerten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Bewertungseinheit ferner aufweist: - eine Speichereinheit konfiguriert zum Speichern einer vorbestimmten Untergrenze an Funken pro Zeitperiode und einer vorbestimmten Obergrenze an Funken pro Zeitperiode, - eine Vergleichseinheit konfiguriert zum Vergleichen der erfassten Anzahl der Funken in der vorbestimmten Zeitperiode mit der Obergrenze und der Untergrenze, und - eine Feststellungseinheit konfiguriert zum Feststellen, ob die erfasste Anzahl an Funken unter der Untergrenze oder über der Obergrenze liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung (52) einen Sensor aufweist , der so ausgelegt ist, um elektrisches Knistern des elektrisch leitenden Kontakts zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensorvorrichtung (52) konfiguriert ist, die elektromagnetischen Abstrahlungen des elektrisch leitenden Kontaktes nach Spektrum und Betrag auszuwerten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die ferner eine Regelungsvorrichtung (50) aufweist, die konfiguriert ist, um eine Kontaktkraft zwischen dem beweglichen und dem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromübertragung in Abhängigkeit der gemessen Messparameter von der Sensorvorrichtung (52) zu regeln.
Vorrichtung nach dem vorangehenden Anspruch, vorgesehen für die Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer eines elektrischen Triebfahrzeugs und einer Fahrleitung, wobei die Regelungsvorrichtung (50) so ausgelegt ist, dass sie einen aktuellen Vorsteuerdruck eines Stromabnehmers regelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Regelungsvorrichtung (50) so ausgelegt ist, dass sie den Vorsteuerdruck des Stromabnehmers innerhalb eines vorbestimmten Bereichs regelt, wobei sie den Vorsteuerdruck erhöht, wenn die Untergrenze unterschritten wird, und den Vorsteuerdruck verringert, wenn die Obergrenze überschritten wird.
Verfahren zur Regelung einer Kontaktkraft zwischen einem beweglichen und einem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromversorgung, mit den folgenden Schritten: - Erfassen von elektromagnetischen Abstrahlungen des Kontaktes zwischen dem beweglichen und dem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromversorgung; - Auswerten von für die Kontaktgüte relevanten Parametern; und - Regeln eines Parameters für die Steuerung der optimalen Kontaktkraft in Abhängigkeit der Auswertung.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Kontaktkraft zwischen einem Stromabnehmer eines elektrischen Triebfahrzeugs und einer Fahrleitung in Abhängigkeit der Auswertung geregelt wird, wobei insbesondere der Vorsteuerdruck eines Stromabnehmers geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Vorsteuerdruck des Stromabnehmers innerhalb eines vorbestimmten Bereichs geregelt wird, wobei der Vorsteuerdruck erhöht wird, wenn die Kontaktkraft eine Untergrenze unterschritten hat, und der Vorsteuerdruck verringert wird, wenn die Kontaktkraft eine Obergrenze überschritten hat.
Verfahren zur Regelung einer Kontaktkraft zwischen einem beweglichen und einem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromversorgung, mit den folgenden Schritten: - Erfassen von elektromagnetischen Abstrahlungen des Kontaktes zwischen dem beweglichen und dem ortsfesten Teil einer elektrischen Stromversorgung; - Auswerten von für die Kontaktgüte relevanten Parametern; und - Regeln eines Parameters für die Steuerung einer Optimierungskurve für einen mechanischen und elektrischen Verschleiß des beweglichen Teils in Abhängigkeit der Auswertung.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Optimierungskurve für einen mechanischen und elektrischen Verschleiß eines Stromabnehmers in Abhängigkeit der Auswertung geregelt wird.