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Einrichtung zum Begrenzen des Ruckes beim Anfanren und Bremsen' elektrischer
Triebfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung für elektrische Trieofahrzeuge,
die das Fortschalten eines Schaltwerkes oder eines Schützregisters über eine Steuereinrichtung
in der Weise beeinflußt, da!3 die Anfahrt des Triebfahrzeuges bzw. das Sinsetzen
der elektrischen Bremse weitgehend ruckfrei erfolgt.
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Dus Anfahren von mit Gleichstrom gespeisten elektrishen mriebfahrzeugen
geschieht meist durch stufenweises Verringern eines Widerstandes im Ankerkreis der
Fahrmotoren. In ähnlicher Weite erfolgt die Bremsung. Zum KurzschlieMen der Widerstandesstufen
dienen entweder eine Anzahl elektromagnetisch oder elektro pneumatisch betätigter
Schütze oder mit Schaltelementen ausgerüstete Schaltwerke, die vielfach von einem
Stellmotor betätigt werden.
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Damit der Motorstrom eine für die Fahrmotoren und Schaltglieder zulässige
Grenze nicht itberschreitet, ist ein Stromwächter vorgesehen der ab Erreichen eines
bestimmten Stromes dafür sorgt, daß dieser Strom konstant gehalten wird. Dies geschieht,
indem der Stromwächter das Fortschalten des Schaltwerkes bzw. Schützregisters anhält
oder frei gibt. Beim Anfahren streben daher der Motorstrom, die Zugkraft und die
Beschleunigung einem konstanten Höchstwert zu. Entsprechend werden beim Bremsen
die Bremskraft und die Bremsverzogerung gesteigert. Erst am Ende den Anfahr- bzw.
Bremsvorganges sinkt die Beschleunigung bzw.
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die Verzögerung wieder ab. Das Anwachsen der Beschleunigung bzw.
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der Verzögerung wird vom Fahrgast als Ruck empfunden. Dieser zu verspürende
Ruck ist um eo grö9er, je stärker sich die Beschleunigung bzw. die Verzögerung seitlich
ändert.
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Es ist bereits eine Schaltung vorgeschlagen worden, die zur Herabsetzung
deJ Ruckoe abhängig vom Anstieg des Motorstromes die
Fortschaltung
des Schaitwerkes sperrt oder frei gitt. Bei dieser Schaltung ist ein differenzierendes
RC-Glied mit einem als Schalter dienenden Transistor vorgesehen. Wegen einer gewissen
tEnempfind'ichkeitsschwelle werden Jedoch bei der vorgeschlagenen Anordnung die
ersten Schaltstfen nicht erfaßt, so daß der Ruck in diesem Bereich nicht vermindert
werde kann. Ferner wird durcn großen Temperaturgang der erforderlichen großen Kapazitäten
das Anchwachsen der Beschleunigung oder Verzögerung ungüngstigen Abweicnangen unterworfen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, während des Anfahr- und Bremsvorganges
die änderung der Beschleunigung bzw. Verzögerung so zu steuern, daß dem Fahrgast
das Gefühl einer sanften Anfahrt bzw. Bremsung vermittelt wird. Die Lösung besteht
bei einer Einrichtung der eingangs gennanten Art erfindungsgemäß darin, da, der
Steuereinrichtung für einen Stellmotor des Schaltwerkes bzw. für das Schützregister
eine Soll-Istwert-Vergleichseinrichtung vorgeschaltet ist, deren Sollwertgröße nach
einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf in der Weise gesteuert wird, daß die Anfahrbeschleunigung
bzw. Bremsverzögerung DiS zUm Erreichen eines konstanten Wertes nach einer Ubergangsfunktion
mit Wendetangente verläuft. Auf diese Weise kann der Ruck, insbesondere bei Beginn
des Anfahrens und Bremsens, so klein wie möglich gehalten werden.
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Der vorgegebene zeitliche Verlauf der Sollfunktion wird nach einer
Ausgestaltung der Erfindung dadurch gebildet, daß die Soll-Istwert-Vergleichseinrichtung
mit ihrem Istwerteingang an einen den Motorstrom erfassenden Geber und mit ihrem
Sollwerteingang an einen Soll-Spannungserzeuger mit wenigstens annähernd linear
sich ändernder Spannung angeschlossen ist, deren Anstieg abhängig vom Wagengewicht
veränderbar ist.
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Dieser Ausgestaltung liegt die ueberlegung zugrunde, daß das Motormoment
und die diesem proportionalen Größen: Zug- und Bremskraft sowie Anfahrbeschleunigung
und Bremsverz(igerung bei den überlicherweise verwendeten Reinenschlußmotoren mit
dem Motorstrom in einem quadratischen Zusammenhang
stehen. Die Anfahrbeschleunigung
bzw. Bremsverzbgerung wächst daher es nach einer Parabel mit dem Motorstrom an und
zeigt bei kleinem Motorstrom den erwünschten sanften Einsatz. Der JDergang von dem
eingeregelten linearen Stromanstieg auf den 'KsnQtanten Stromwert, der von einem
Stromwächter gesteuert wird, vollzieht sich in Bezug auf die wirksam werdende Beschleunigung
bzw. Verzögerung ebenfalls nach einem sanften Verlauf, da der magnetische Erregerfluß
im Motor dem Motorstrom verhältnismäßig träge folgt. Hierbei wird der gewünschte
Verlauf der Beschleuneigung bzw. der Verzögerung bis zum Erreichen eines Konstant
bleibenden endwertes durch den Strom als SteuergröBe erzielt.
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Die Anfahrbeschleunigung bzw. die Bremsverzögerung kann aber auch
unmittelbar i-n der Weise gesteuert werden, da3 die Soll-Istwert-Vergleichseinrichtung
mit ihrem Istwerteingang an einen die Be-Uchleunibung des Fahrzeuges, erfassenden
Geber und mit ihrem Sollwerteingang an einen Signalumformer angeschlossen ist, dessen
Ausgangsspannung in ihrem zeitlichen Verlauf ein Abbild eines vorgegebenen zeitlichen
Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsverlaufes darstellt. Diese Ausgestaltung hat den
Vorteil, daß sie unabhängig vom Wagengewicht arbeitet und somit Einrichtungen zur
Gewichtserfaseung nicht erforderlich sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Begrenzung des druckes
eines elektrischen Triebfahrzeuges, Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der gewttnschten
Beschleunigung bzw. Verzögerung des Triebfanrzeuges, ?ig. 3 eine Soll-Istwert-Vergleichseinrichtung
mit den zugehörigen Schaltungselementen zur Soll- und Istwertbildung, und Fig. 4
ein weiteres Ausführungsbeispiel.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Stellmotor bezeichnet, der. einem nicht dargestellten
Schaltwerk für einen Anfahr- bzw. Bremswiderstand im Motorstromkreis eines Triebfahrzeuges
zugeordnet ist. Auf den Stellmotor 1 wirkt eine von einem Stromwächter 3 beeinflußte
Steuereinrichtung
2 ein, die bei der erfindungsgemäßen Anordnung mit einer Soll-Istwert-Vergleichseinrichtung
4 versanden ist, deren an den Sollwerteingang 6 gegebene Größe nach einem vorgegebenen
zeitlichen Verlauf in der Weise gesteuert wird, daß die Anfahrbeschleunigung b s
zum Erreichen eines konstanten Beschleunigungswertes nach einer Ubergangsfunktion
mit Wendetangente T verläuft (Fig. 2). Dabei nimmt die Ableitung der Anfahrbeschleunigung
b bzw. der Bremsverzögerung (Ruck) des Fahrzeuges nach der Zeit t bis zu einem Wendepunkt
der Beschleunigung bzw. Verzögerung allmählich zu und hierauf bis zum Erreichen
des Endwertes der Anfahrbeschleunigung bzw. Bremsterzögerung allmählich wieder ab.
Ein derartiger Verlauf der Beschleunigung bzw. Verzögerung wird bei der Anordnung
gemäß Fig. 1 dadurch erreicht, daß die Soll-Istwert-Vergleichseinrichtung 4 mit
ihrem Istwerteingang 5 an einen den Motorstrom erfassenden Geber 7 und mit ihrem
Sollwerteingang 6 an einen Sollspannungserzeuger 8 mit wenigstens annähernd linear
sich ändernder Spannung US angeschlossen ist, deren Anstieg über einen Gewichtgeber
9 abhängig vom Wagengewicht veränderbar ist.
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Wie Fig. 3 zeigt, kann als IstwErtgeber eine über den Vorwiderstand
R3 an eine Steuerepannung U anschaltbare Feld platte 10 Verwendung finden, die ii
Magnetfeld einer vom Motorstrom durchflossenen Spule 11 mit magnetkern angeordnet
ist. Als Sollspannungserzeuger dient beispielsweise ein RC-Glied mit einem Kondensator
C1 und den Widerstand Rl, das an die Steuerspannung U anschaltbar ist. Feldplatte
11 und RC-¢lied sind vorzugsweise in einer Widerstandebrücke angeordnet, deren eine
Diagonale an der Gleichspannung U liegt und deren andere Diagonale an die Eingänge
der Vergleichseinrichtung 4 mit Transistoren 12, 13 geschaltet ist. Diese Vergleichseinrichtung
4 wertet die ihr -zugeführten Signale (Sollwert und Istwert) so aus, daß an ihrem
Ausgang ein Signal UA ansteht, sobald der Istwert den Sollwert überschreitet. Das
Ausgangssignal UA wird - wie Fig. 1 zeigt -der Steuereinrichtung 2 für den Stellmotor
1 eines Schaltwerkes zugeführt. Dae Fort schalten des Schaltwerkes bzw. Schützregisters
wird angehalten, wenn das Ausgangssignal UA ein L-Signal ist.
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Dieses L-Signal verschwindet, sobald der Istwert wieder unter den
Sollwert abgesunken ist und das Weiterschalten des Schaltwerkes wird freigegeben.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Solange kein Motorstrom fließt, steht
an der Feldplatte 11 eine bestimmte (;rundspannung an. Der Kondensator C1 des Sollwertbrückenzweiges
lädt sich über die Diode 14 und seinen hochohmigen Ladewiderstand R1 wenig über
diese Grund spannung hinaus auf, so daß der Transistor 12 und dessen Folgetransistor
13 durchgesteuert werden. Am Ausgang des Folgetransistors 13 liegt dann ein O-Signal
an, welches das Fortschalten des Schaltwerkes zuläßt. Beim Anahren oder Bremsen
wird über das Schaltwerk ein stufenweise ansteigender Motorstrom erzeugt, der einen
größeren Spannungsabfall an der Feldplatte 11 zur Folge hat, so daß das Potential
am Punkt A gegenüber dem Potential am Punkt B sprunghaft ins Negative rückt. Da
sich indessen der Kondensator C1 im rechten Brückenzweig über seinen Ladewiderstand
R1 verhältnismäßig langsam nachlädt, wird die Basis des Transistors 12 vorübergehend
positiver als sein Emitter. Daher sperrt der Transistor 12 und zwar solange, bis
sich die Kondensatorspannung der Feldplattenspannung wieder angeglichen hat. Der
Folgetransistor 13 gibt wihrend dieser Zeit ein L-Signal (Spannun'g UA) am Ausgang
ab, das die Steuereinrichtung 2 veranlaBt, das Schaltwerk (oder Schützregister)
anzuhalten. Hat sich die Kondensatorspannung der Feldplattenspannung angegliohen,
so werden die Transistoren 12 und 13 wieder durchlässig und zufolge des nunmehr
am Transistor 13 abgegebenen O-Signals wird das Weiterschalten des Schaltwerkes
wieder freigegeben. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die hlbare Ansprochschwelle
des Stromwächters erreicht ist, der für den weiteren Verlauf der Anfahrt bzw. dEr
Bremsung den Motorstrom und die Beschleunigung bzw. Verzögerung konstant hält. Geht
der Motorstrom zurück, so wird die Spannung an der Feld platte einer und der Kondensator
entlädt sich über Emitter-Basisstrecke des Transistors 12 und den Sohutzwiderstand
R2. Die Dioden 15 und 16 dienen zum Schutz des Transistors 12 bei einer Unterbrechung
des Feldplatten-Strompfades.
Um für jeden Beladezustand des Wagens
einen gleichen Verlauf der Beschleunigung bzw. Verzögerung zu erhalten, wird der
lineare Stromanstieg entsprechend dem jeweiligen Wagengewicht unterschiedlich steil
gestaltet. Hierzu kann eine Änderung der Kapazität durch Einfügen von Kondensatoren
C2, C3 oder eine Änderung des Ladewiderstandes durch Einfügen eines oder mehrerer
UberbrUckbarer Widerstände R4 in Abhängigkeit vom Wagengewicht z. B. über vom Gewichtsgeber
9 angesteuerter Relais vorgenommen werden. Dabei sind die Schaltungselemente untereinander
derart bemessen, daß nur der nahezu lineare Teil der Ladespannung des Kondensators
C1 als Sollwertspannung ausgenutzt wird (siehe Fig. 1 US=f(t)).
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Gemäß dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein Besehleunigungs-
bzw, Verzögerungsverlauf nach Fig. 2 dadurch erreicht, daß die Soll-Istwert-Vergleichseinrichtung
4 mit ihrem Istwerteingang 5 an einen die Beschleunigung des Fahrzeuges erfassenden
Geber 20 und mit ihrem Sollwerteingang 6 an einen Signalumformer 21 angeschlossen
ist, dessen Ausgangsspannung Ua in ihrem zeitlichen Verlauf ein Abbild des vorgegebenen
zeitlichen Beschleunigungn- bzw. Verzögerungsverlaufes darstellt. Ein solches Abbild
kann durch ein elektrisches Netzwerk mit RC-Gliedern R5, R6, C5, C6 gebildet sein,
an das gleichzeitig mit dem Fahr-oder Bremsbefehl einmalig eine sprunghaft ansteigende
Spannung Ue angelegt wird, deren Größe den Sollwert für die zu erreichende Beschleunigung
bzw. Verzögerung angibt. Der Ausgang des Netzwerkes liefert danach eine Spannung,
deren zeitlicher Verlauf dem in Fig. 2 gezeigtes Verlauf der Beschleunigung bzw.
Verzögerung entspricht.
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Die im Beschleunigungegeber 20 gewonnene Istwertspannung wird vor
ihrer Eingabe in die Soll-Istwert-Vergleichseinrichtung durch Glättungsmittel, wie
z.B. einen Tiefpaß 22, geglättet und in einem nachgeschalteten Verstärker 23 verstärkt.
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Uberschreitet der Istwert der Beschleunigung den jeweils erreichten
Sollwert, so steht am Ausgang'der Soll-Istwert-Vergleichseinrichtung 4 ein L-Signal
an.' Im umgekehrten Falle verschwindet das AusgangssiRnal. Übersteigt der tetwort
den Sollwert, so wird
das Fortschalten eines Schaltwerkes bzw. eines
Schützregisters solange angehalten, bis der Istwert infolge der zunehmenden oder
abnehmenden ?atirzeuggeschwindigkeit wieder unter den Sollwert abgesunken ist. Solange
der Istwert kleiner als der Sollwert ist, wird hingegen das Fortschalten freigegeben.
Die Beschleunigur,g bzw. Verzögerung folgt damit weitgehend der vorgegebenen Sollwert
funktion, so daß die Anfahrt und der Bremseinsatz sich sanft vollziehen.
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Um für die Anfahrt und das Bremsen zwei verschieden steil verlaufende
Sollwertfunktionen zu erseugen, kann z.B. der Kapazitätswert oder Widerstandswert
im Netzwerk des Signalumformers 21 abhängig vom Fahr- bzw. Bremsbefehl verändert
werden. Auch ist durch verschieden hoch gewählte Eingangsspannungen für den Signalumformer
21 ein Unterschied zwischen der Anfahrbeschleunigung und der Bremsverzögerung herstellbar.
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Die beschleunigungs- bzw. verzögerungsabhängige Steuerung des Schaltwerkes
ninit noch keine liticksicht auf die H5he des erforderlichen Motorstromes. Um den
Motorstrom innerhalb eines Bereiches zu halten, der von Motor thermisch und hinsichtlich
der Kommutierung vertragen werden kann, ist der Stromwächter 3 vorgesehen, der vorrangig
in die Stuerung des Schaltwerksmotors bzw. Schützregisters eingreift und das Fortschalten
anhält. falls der Strom eine gewisse Größe überschreitet.