DE1241190B - Regelsystem fuer dieselelektrische Triebfahrzeuge - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

F02d

Deutsche Kl.: 46b2-17

1241190
S 966141 a/46 b2
17. April 1965
24. Mai 1967

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für dieselelektrische Triebfahrzeuge, deren Dieselmotor über einen Generator die als Gleichstrom-Hauptschlußmotoren ausgebildeten Triebmotoren antreibt, wobei ein Istwertsignal der Dieselmotordrehzahl und ein von einem Sollwertgeber gegebenes Sollwertsignal ein Fehlersignal bilden, welches einerseits zur Regelung der Drehzahl des Dieselmotors die eingespritzte Brennstoffmenge und andererseits — nach erneutem Vergleich mit dem in einem Funktionsgeber in einen Sollwert für die Einspritzmenge umgeformten Sollwertsignal — zur Regelung der Leistung des Dieselmotors die Generatorerregung steuert, wobei ferner ein vom Aufladedruck abhängiges Signal den Sollwert für die Einspritzmenge des Dieselmotors begrenzt.

Bei der Regelung von Dieselmotoren in dieselelektrischen Lokomotiven ist es erwünscht, den Dieselmotor auf einer bestimmten Leistungs-Drehzahl-Charakteristik zu betreiben. Damit arbeitet der Dieselmotor immer in Betriebspunkten, die vom Gesichtspunkt der Abnutzung her am günstigsten sind und gleichzeitig eine gute Ausnutzung des Brennstoffes gewährleisten. Ein Regelsystem für einen in einer dieselelektrischen Lokomotive eingesetzten Dieselmotor enthält deshalb im allgemeinen Mittel zur Regelung der Drehzahl des Motors und zusätzlich Mittel, die jeder Drehzahl eine entsprechende Belastung des Motors zuordnen.

Im allgemeinen sind dieselelektrische Triebfahrzeuge mit Gleichstrom-Hauptschluß-Traktionsmotoren ausgerüstet, die von Generatoren mit einstellbarer Erregung gespeist werden, wobei entweder Gleichstromgeneratoren oder Wechselstromgeneratoren mit anschließenden Gleichrichtern verwendet werden. In Regelsystemen für dieselelektrische Lokomotiven werden daher als Stellgrößen die Brennstoff-Einspritzmenge und die Generatorerregung verwendet und beeinflußt.

Die Aufgabe des Regelsystems besteht nun darin, durch Beeinflussung dieser Stellgrößen die vom Lokomotivführer gewünschte Traktionsleistung rasch und präzis herbeizuführen und dabei den Dieselmotor möglichst auf der gewünschten Leistungs-Drehzahl-Charakteristik zu betreiben.

Es sind verschiedene Regelsysteme bekannt, die mit hydraulischen, pneumatischen, elektrischen und/ oder elektronischen Mitteln arbeiten. Die Wirkungsweise dieser bekannten Systeme ist dabei folgende: Durch die vom Lokomotivführer eingestellte Stellung des Fahrhebels wird ein Sollwertsignal für die geforderte Leistung und für die Drehzahl des Dieselmotors gegeben. Dieses Signal ist den genannten Größen Regelsystem für dieselelektrische Triebfahrzeuge

Anmelder:

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,

Winterthur (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:

Peter Merz, Winterthur (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 5. März 1965 (3112)

proportional. Daher wird aus dem Sollwert durch einen Vergleich mit dem auf Grund einer Messung ermittelten Istwert der Motordrehzahl ein resultierendes Fehlersignal gebildet. Dieses dient in dem Regelkreis für die Motordrehzahl seinerseits als Sollwertsignal für die Stellung der Einspritzpumpen, stellt also ein Maß für die geforderte Brennstoffmenge dar, wobei der obere Grenzwert für diese Menge durch ein dem Aufladedruck des Motors proportionales Signal in einem Begrenzer begrenzt wird, um eine Überfüllung des Motors mit Brennstoff zu verhindern.

Für die Beeinflussung der Belastung und damit der Leistung des Motors wird das sich aus der Stellung des Fahrhebels ergebende Sollwertsignal über einen Funktionsgeber geführt und erneut mit dem aus dem Sollwert-Istwert-Vergleich für die Drehzahl resultierenden Fehlersignal verglichen. Das daraus resultierende Signal stellt dann nach einer Verstärkung in einem Regelverstärker in dem Leistungsregelkreis den Sollwert für die Generatorerregung dar, durch die die vom Dieselmotor geforderte Leistung beeinflußt wird. In dem Funktionsgeber wird dabei jedem Drehzahlsollwert des Motors ein bestimmter Sollwert für die Stellung der Brennstoffeinspritzpumpen zugeordnet. Da die von dem Dieselmotor abgegebene Leistung im wesentlichen dem Produkt aus der Drehzahl und aus der Stellung der Einspritzpumpen proportional ist, ist das Ausgangssignal des Funktionsgebers daher ein Maß für den Sollwert der vom Motor geforderten Leistung.

Es bereitet nun erhebliche Schwierigkeiten, bei derartigen Reglern ein befriedigendes Verhalten sowohl gegenüber Änderungen der Solleistung als auch

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gegenüber Laständerungen, wie sie z. B. beim Einschalten der Feldschwächung der Triebmotoren auftreten, zu erreichen. Denn sowohl bei Erhöhung des Leistungssollwertes als auch bei Lastzunahmen tritt eine Überlastung des Dieselmotors auf, die vom S Regelsystem durch Verringern der Generatorerregung vermindert wird. Während nun aber diese Wirkung im Falle einer von der Belastung herrührenden Überlast sehr erwünscht ist und möglichst rasch erfolgen sollte, läuft sie im Fall einer Sollwerterhöhung der Absicht des Lokomotivführers entgegen und kann in ungünstigen Fällen sogar einen vorübergehenden Leistungsabfall zur Folge haben.

Durch die vorliegende Erfindung sollen die geschilderten Nachteile der bisherigen Regelsysteme beseitigt und das dynamische Verhalten der Regelung verbessert werden.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in der Signalleitung für den Drehzahlsollwert ein Begrenzer für dessen. Änderungsgeschwindigkeit und in der Signalleitung für den Leistungssollwert ein vom Aufladedruck gesteuerter Begrenzer für diesen Sollwert vorhanden sind und daß ferner in der Signalleitung für den Sollwert der Generatorerregung ein Regelverstärker mit,.asymmetrischem PI-Verhalten vorgesehen ist. '

Dabei kann der Begrenzer für die Änderungsgeschwindigkeit des Drehzahlsollwertes vörteilhafterweise so ausgebildet sein,: daß.bei einer Sollwertzunahme eine bestimmte Änderungsgeschwindigkeit nicht überschritten wird, während eine Sollwertabnahme rasch weitergegeben wird. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn d'er' Begrenzer für den Leistungssollwert nur unterhalb eines bestimmten Aufladedruckes, z. B. unterhalb 25 bis 30% des maximalen Aufladedruckes, wirksam ist. Bis zu welchem Wert des Aufladedruckes der Begrenzer in Funktion tritt, hängt von der Konstruktion des Dieselmotors ab. Die Grenze kann daher bei verschiedenen Motorkonstruktionen sehr verschieden sein und die als Beispiel angegebenen Werte unter- oder überschreiten. Schließlich kann der asymmetrische Regelverstärker zur Steuerung des Sollwertes für die Generatorerregung bei einem Signal für zunehmende Erregung rein integrales Verhalten zeigen, während er für abnehmende Erregung proportional-integral wirkt.

Den Gegenstand der Erfindung weiter ausbildende Merkmale ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Zusammenhang mit der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt das Signalflußbild des erfindungs- gemäßen Regelsystems, bei dem elektrische Signale und elektronische Schalt- und Steuerelemente verwendet worden sind; dabei sind elektrische Verbindungen als einfache Linien dargestellt, während mechanische Verbindungen durch doppelte Linien wiedergegeben sind;

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm das Eingangsund das Ausgangssignal des Begrenzers für die Änderungsgeschwindigkeit des Drehzahlsollwertes in Abhängigkeit von der Zeit t.

Von dem Sollwertgeber 1 aus, der im allgemeinen durch den Lokomotivführer mit Hilfe des Fahrhebels eingestellt wird, gelangt das die geforderte Leistung und die geforderte Drehzahl des Dieselmotors bestimmende Sollwertsignal α, das sich im Punkt 2 verzweigt, einerseits zu der Additionsstelle 3 für die Drehzahlregelung und andererseits zur Additionsstelle 4 für die Beeinflussung der Motorenleistung über die Erregerwicklung 5 des Generators 6.

Dieser ist über die Welle 7 mit dem Dieselmotor 8 verbunden. Er speist über die Leitungen 9 die Triebmotoren 10 mit Gleichstrom. Auf der Welle 7 sitzt weiterhin der Tachogenerator 11, durch den die Drehzahl des Dieselmotors 8 gemessen und als elektrisches Signal b für den Drehzahlistwert der Additionsstelle 3 zugeführt wird.

Erfindungsgemäß durchläuft das Sollwertsignal α auf seinem Weg zur Additionsstelle 3 einen Änderungsgeschwindigkeitsbegrenzer 12. Dieser Begrenzer 12 ist asymmetrisch aufgebaut, so daß bei zunehmendem Sollwert die Änderungsgeschwindigkeit begrenzt ist, während bei abnehmendem Sollwert die Änderung mit größerer Geschwindigkeit weitergegeben werden kann. Die Wirkung des Begrenzers 12 ist in der Fig. 2 schematisch durch zwei Zeitfunktionen dargestellt, deren eine, 25, willkürlich angenomene Änderungen des Eingangssignals α und deren andere, 26, das resultierende Ausgangssignal a' zeigt. Weiterhin ist im Block 12 der F i g. 1 der Zusammenhang zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal α bzw. ä des Begrenzers 12 dargestellt.

Aus dem Vergleich der Signale a' und b resultiert das Fehlersignal c, das über einen Verstärker 13 als Signal c' dem Verzweigungspunkt 14 und weiter über den Begrenzer 15 als Signal c" dem Regelkreis 16 für die Einstellung der Einspritzmenge in den Brennstoffpumpen zufließt. Der Druck für die Steuerschaltung 16 enthält auch das Stellglied für die Regulierung der Brennstoffmenge an den einzelnen Brennstoffpumpen, zu denen die mechanische Verbindung 17 führt.

Der Ansprechpegel des Begrenzers 15 wird durch ein Signal d gesteuert, welches dem in dem Meßgerät 18 gemessenen Aufladedruck entspricht und über den Verzweigungspunkt 19 zu dem Begrenzer 15 gelangt. Wie schon erwähnt, soll der Begrenzer 15 eine Überfüllung des Motors mit Brennstoff verhindern, wenn die zur Verbrennung notwendige Ladeluft nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung steht.

In dem Block des Begrenzers 15 ist der Zusammenhang zwischen seinem Ausgangssignal c" und dem Eingangssignal c' für verschiedene Werte d_v d₂, d₃ des Steuersignals d graphisch dargestellt.

Das Signal α für den Leistungssollwert gelangt von der Verzweigung 2 aus zunächst in den Funktionsgeber 20, in dem es derart umgeformt wird, daß jedem Drehzählsollwert als Eingang eindeutig eine bestimmte Einspritzmenge als Ausgang zugeordnet ist; dies ist in dem Block des Funktionsgebers 20 durch die graphische Darstellung der Funktion e = f(ä) wiedergegeben. Wie schon erwähnt, stellt das Ausgangssignal e des Funktionsgebers 20 den Sollwert für die geforderte Belastung des Dieselmotors und damit bei gegebener Dieseldrehzahl den Sollwert für die Leistung dar.

Ehe das so gebildete Sollwertsignal e für die Belastung die Additionsstelle 4 erreicht, an der es mit dem Fehlersignal c' verglichen wird, durchsetzt es erfindungsgemäß einen weiteren Begrenzer 21. Dieser begrenzt den Belastungssollwert in Abhängigkeit von dem dem Aufladedruck proportionalen Signal d, welches von der Verzweigung 19 in den Begrenzer 21 gelangt.

Der Begrenzer 21 wird vorteilhaft so ausgelegt, daß bei kleinen Aufladedrücken, z. B. unterhalb von 20

Claims (1)

1. 5 6

   bis 3O°/o des maximalen Aufladedruckes, der Be- auf Grund der Charakteristiken des Dieselmotors so lastungssollwert auf einen Wert begrenzt wird, der eingestellt, daß der Dieselmotor den geforderten unterhalb derjenigen Belastung liegt, die der Diesel- Drehzahlerhöhungen zu folgen vermag, d. h. das motor beim entsprechenden Aufladedruck aufnehmen Drehzahlfehlersignal c' wird während der Beschleukann. Bei steigendem Aufladedruck wird der Begren- 5 nigungsphase nur wenig größer als im Gleichgewichtszungspegel dann stark erhöht, so daß die Begrenzung zustand in einem Arbeitspunkt,
   im Betrieb auf der normalen Drehzahl-Leistungs- Je nach dem gleichzeitig geforderten und vom Charakteristik überhaupt nicht mehr wirksam ist. Der Belastungsbegrenzer 21 zugelassenen Belastungssoll-Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal e und wert g wird sich ein Fehlersignal h einstellen, das eine dem Ausgangssignal g des Begrenzers 21 für verschie- io Erhöhung oder eine leichte Verringerung der Erdene Werte d_v d₂, d_s des vom Aufladedruck abhän- regung fordert. Es treten aber keinesfalls, wie bei bisgigen Steuersignals d ist im Block 21 dargestellt. herigen Lösungen, sehr große Drehzahlfehlersignale c'

   Aus dem Vergleich an der Stelle 4 resultiert ein auf, die eine rasche und langdauernde Reduktion der

   Fehlersignal h, das als Sollwert für die Einstellung Generatorerregung bewirken.

   der Generatorerregung über den Regelverstärker 22 15 Der gesteuerte Begrenzer 21 für den Leistungssollals Signal h' dem Regelkreis 23 für den Strom durch wert verhindert, daß bei Beschleunigungsvorgängen, die Erregerwicklung 5 zugeführt wird. Erfindungs- die bei niedrigen Drehzahlen beginnen und auf einen gemäß ist der Regelverstärker 22 asymmetrisch aus- hohen Leistungssollwert führen, zu Beginn eine zu gebildet, d. h., bei einem Fehlersignal h für eine Zu- starke Erregung des Generators vorgenommen wird, nähme der Erregung wirkt er rein integral, und bei 20 die dann bei zunehmender Drehzahl des Dieselmotors einem Signal, welches eine abnehmende Erregung zu einer zu starken Belastung des Dieselmotors fühbewirken soll, zeigt der Regelverstärker 22 ein pro- ren würde. Diese Belastung kann sich zwar nicht portional-integrales Verhalten. In Block 22 des Regel- schädlich auswirken, da dagegen der direkt auf die Verstärkers ist die Übergangsfunktion h' = f(t) für Brennstoffeinspritzung wirkende Aufladeschutz wirkeinen in abnehmendem Sinn wirkenden Eingangs- 25 sam ist. Die hohe Anfangserregung würde aber bei sprung h dargestellt. zunehmender Drehzahl die Belastung so weit steigern,

   Die neu in das Regelsystem eingeführten Bau- daß die geforderte Beschleunigung des Dieselmotors elemente 12, 21 und 22 sind in ihrem schaltungs- nicht mehr eingehalten werden könnte. Durch den technischen Aufbau bekannt. So kann der Änderungs- neuen, gesteuerten Begrenzer 21 soll der Sollwert, gesohwindigkeitsbegrenzer 12 aus einem Integrator 30 der vom Dieselmotor an den Generator abgegebenen bestehen, der durch einen Verstärker mit unendlicher Leistung stets etwas kleiner gehalten werden als die Verstärkung und kapazitiver Rückführung verwirk- auf Grund des augenblicklichen Aufladedruckes tatlicht ist und dem ein asymmetrischer Diodenbegrenzer sächlich maximal verfügbare Leistung. Da die vervorgeschaltet ist, wobei das Ausgangssignal des Ver- fügbare Leistung stark ansteigt, sobald ein kleiner stärkers mit dem Eingangssignal verglichen wird und 35 Aufladedruck vorhanden ist, wirkt, wie schon erdas resultierende Fehlersignal über den Begrenzer wähnt, diese Begrenzung nur in einem unteren Beden Integrator aussteuert. reich, z. B. bis zu 20 bis 30% des maximalen Auf-

   Die Begrenzer 15 und 21 können als geeignete ladedruckes, und gibt den Leistungssollwert frei, so-

   Diodenschaltungen ausgeführt sein, wobei die Dioden- bald der genannte Aufladedruck erreicht oder über-

   vorspannungen in Funktion der Steuerspannung d 40 schritten ist.

   variiert werden. Auch der Funktionsgeber 20 kann Der Regelverstärker 22 muß integrales Verhalten

   als Diodenschaltung realisiert werden. aufweisen, damit die Einhaltung der eingangs

   Der Regelverstärker 22 mit asymmetrischem erwähnten Drehzahl-Leistungs-Charakteristik des PI-Verhalten kann z. B. durch einen Verstärker mit Dieselmotors gewährleistet ist. Die Integrationszeithohem Verstärkungsgrad realisiert werden, wobei die 45 konstante sollte so klein wie möglich gehalten werden, Eingangsspannung über einen Widerstand an den um ein rasches Ausregulieren von Lastschwankungen Verstärkereingang gelangt. Dieser Eingang ist über zu ermöglichen. Versuche zeigen aber, daß bei Verein Rückführnetzwerk — bestehend aus der Serien- kleinerung der Integrationszeitkonstanten das ganze schaltung eines Kondensators und eines Widerstandes, Regelsystem zu Schwingungen neigt. Man nimmt dem eine Diode parallel geschaltet ist — mit dem 50 deshalb eine langsamere, integrale Reaktion bei Verstärkerausgang verbunden. Es sei noch erwähnt, Unterbelastung des Dieselmotors in Kauf und sorgt daß alle diese Schaltungen z. B. aus der Analog- durch ein bei Überlast zur Wirkung kommendes Rechentechnik bekannt sind. Proportionalverhalten für eine rasche Reduktion der

   Nun seien die von den einzelnen neu in das Regel- Generatorerregung und damit der Dieselbelastung, system eingeführten Glieder hervorgerufenen Wir- 55 Anschießend sei noch erwähnt, daß die Erfindung kungen kurz beschrieben. Wie schon erwähnt, be- nicht auf Regelsysteme beschränkt ist, die aus elekgrenzt der Begrenzer 12 die Änderungsgeschwindig- ironischen Bauelementen aufgebaut sind; die Erfinkeit des Sollwertes in Richtung zunehmender Be- dung kann in gleicher Weise durch geeignete hydraulastung. Damit wird erreicht, daß die zum Beschleu- lische, pneumatische oder andere Regeleinrichtungen nigen des Dieselmotors nötige Leistung relativ klein 60 verwirklicht werden,
   bleibt. Der Dieselmotor kann deshalb während der ..
   Beschleunigungsphase sowohl die Beschleunigungs- ±>atentansprucne:
   leistung als auch die Traktionsleistung abgeben, ohne 1. Regelsystem für dieselelektrische Triebfahrdeswegen stark überlastet zu sein. Auf diese Weise zeuge, deren Dieselmotor über einen Generator wird die von starken Überlastungen über den 65 die als Gleichstrom-Hauptschlußmotoren ausge-Leistungsregelkreis ausgelöste Leistungsreduktion bildeten Triebmotoren antreibt, wobei ein Istwertwesentlich verringert oder ganz vermieden. Die maxi- signal der Dieselmotordrehzahl und ein von einem male Änderungsgeschwindigkeit des Sollwertes wird Sollwertgeber gegebenes Sollwertsignal ein Fehler-

   signal bilden, welches einerseits zur Regelung der Dieselmotordrehzahl die eingespritzte Brennstoffmenge und andererseits — nach einem erneuten Vergleich mit dem in einem Funktionsgeber in einen Sollwert für die Einspritzmenge umgeformten Sollwertsignal — zur Regelung der Leistung des Dieselmotors die Generatorerregung steuert, wobei ferner ein vom Aufladedruck abhängiges Signal den Sollwert für die Einspritzmenge des Dieselmotors begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß in der Signalleitung für den Drehzahlsollwert ein Begrenzer für dessen Änderungsgeschwindigkeit und in der Signalleitung für den Leistungssollwert ein vom Aufladedruck gesteuerter Begrenzer für diesen Sollwert vorhanden sind, und daß ferner in der Signalleitung für die Generatorerregung ein Regelverstärker mit asymmetrischem PI-Verhalten vorgesehen ist.

   2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzer für die Änderungsgeschwindigkeit des Drehzahlsollwertes asymmetrisch aufgebaut ist, derart, daß bei einer Sollwertzunahme eine bestimmte Änderungsgeschwindigkeit nicht überschritten wird, während eine Sollwertabnahme rasch weitergegeben wird.

   3. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Begrenzer für den Leistungssollwert nur unterhalb eines bestimmten Aufladedruckes, z. B. unterhalb 20 bis 30% des maximalen Aufladedruckes, wirksam ist.

   4. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der asymmetrische Regelverstärker zur Steuerung der Generatorerregung bei einem Signal für zunehmende Erregung rein integrales Verhalten aufweist, während er für abnehmende Erregung proportional-integral wirkt.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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