DE2356679A1

DE2356679A1 - Schaltungsanordnung fuer ein fahrweggebundenes triebfahrzeug

Info

Publication number: DE2356679A1
Application number: DE2356679A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Dr Ing Holtz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-11-13
Filing date: 1973-11-13
Publication date: 1975-05-22

Description

Schaltungsanordnung für ein fahrweggebundenes Triebfahrzeug

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für ein fahrweggebundenes Triebfahrzeug, das mit einer Einrichtung zum Schweben über der Trasse und mit einem synchronen Linearmotor ausgerüstet ist, dessen Stator entlang der Trasse als Wanderfeldwicklung verlegt und dessen Erreger auf dem Triebfahrzeug als mitbewegbarer Translator angeordnet ist.

Als Antriebssysteme für fahrweggebundene Triebfahrzeuge, insbesondere für Nahverkehrs-Kabinenbahnen, für Schnellbahnen und auch für Hochleistungsschnellbahnen im G-eschwindigkeitsbereich bis zu 500 km/h, kommen vorzugsweise Linearmotoren in Betracht.■Unter den einzelnen Varianten dieses Motortyps zeichnet sich d.er synchrone Linearmotor durch einen guten Wirkungsgrad und einen hohen Leistungsfaktor aus.

Ein solcher synchroner Linearmotor kann eine Wanderfeldwicklung besitzen, die entlang der Trasse als Stator verlegt und im allgemeinen als Mehrphasenwicklung ausgebildet ist (Archiv für ■ Elektrotechnik, Bd. 55, H. 1 (1972), S. 13 bis 20). Auf dem Triebfahrzeug ist· als mitbewegter Erreger (Translator) entweder eine vom G-leichstrom durchflossene Erregerwicklung, die sich über die Gesamtfahrzeuglänge erstrecken kann, oder ein Permanentmagnet angeordnet. Ein solcher synchroner Linearmotor wird wegen der außergewöhnlichen Länge des aktiven Stators auch als synchroner Langstatormotor bezeichnet. Die Wanderfeldwicklung erzeugt nach Maßgabe der eingespeisten Spannung und Frequenz

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ein in Längsrichtung der Trasse laufendes Wanderfeld, welches ' das Triebfahrzeug treibt.

Beim Betrieb eines fahrweggebundenen Triebfahrzeugs mit Schwebeeinrichtung treten, wie die Erfahrung lehrt, senkrecht zur Pahrwegebene mechanische Schwingungen oder Pendelungen auf, die höchst unerwünscht sind. Das durch die Schwebeeinrichtung über der Trasse in Schwebe gehaltene Triebfahrzeug stellt nämlich ein schwingendes oder federndes System dar. Die Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs beeinträchtigen nicht nur den Fahrkomfort, sie können auch dazu führen, daß ein stabiler Betrieb der Schwebeeinrichtung nicht möglich ist. Man könnte zur Dämpfung dieser Vertikalpendelungen nun daran denken, Maßnahmen zu ergreifen, die an der Schwebeeinrichtung eingreifen. Solche Maßnahmen bedingen jedoch einen hohen Aufwand. Es sind dabei Dämpfungsvorrichtungen oder Stellglieder mit zugehörigen Regeleinrichtungen erforderlich, die das Gewicht des Triebfahrzeugs erhöhen und der Wartung bedürfen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur Dämpfung der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs anzugeben, die sich durch einen einfachen und kostensparenden Aufbau auszeichnet.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß der synchrone Linearmotor, der eigentlich allein zum Vortrieb des Triebfahrzeugs vorgesehen ist, zusätzlich als Stellglied für die Schaltungsanordnung zur Dämpfung der Vertikalpendelungen herangezogen werden kann.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wanderfeldwicklung des synchronen Linearmotors mit einer bezüglich Amplitude und Phasenlage veränderlichen Wechselspannung gespeist ist, welche über einen steuerbaren statischen Umrichter durch ein Steuersignal einstellbar ist, das von einer Dämpfungs-Regele.inrichtung geliefert wird, die von einem"

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Meßglied mit einer von den Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs abhängigen Größe beaufschlagt ist.

Hiernach wird also nicht die Schwebeeinrichtung, die das Triebfahrzeug über der Trasse in Schwebe hält, sondern ein die Wanderfeldwicklung speisender, die Vortriebsenergie abgebender Umrichter als Stellglied zur Dämpfung der Vertikalpendelungen verwendet. Daraus resultiert der Vorteil, daß ein besonderes 'Stellglied in der Schwebeeinrichtung nicht geschaffen zu werden braucht. Als weiterer Vorteil wird es angesehen, daß die Schaltungsanordnung mit geringen Kosten als Zusatzeinrichtung für die ohnehin vorhandene Steuer- und Regeleinrichtung des synchronen Linearmotors ausgeführt werden kann*

Das erwähnte Meßglied kann so beschaffen sein, daß es neben der von den Verntikalpendelungen z. B. proportional abhängigen Größe eine konstante Größe liefert. In diesem Fall ist es zur Abtrennung der allein interessierenden zeitlich veränderlichen Größe angebracht, einen Abtrennkondensator als Hochpaßfilter oder insbesondere ein auf den Frequenzbereich der Vertikalpendelungen abgestimmtes Bandpaßfilter'vorzusehen, dessen Eingang mit dem Meßglied und dessen Ausgang mit dem Eingang der Regeleinrichtung verbunden ist. Dabei ist es möglich, daß ein passives oder aktives Bandpaßfilter verwendet wird. Im ersten Fall kann dann vorgesehen sein, daß das Bandpaßfilter aus. der Serienschaltung eines Längskondensators mit zwei längswiderständen besteht, an deren Verbindungspurikt ein Querkondensator angeschlossen ist. Im zweiten Fall kann vorgesehen sein, daß das Bandpaßfilter aus einem Operationsverstärker großer Ieerlaufverstärkung besteht, in dessen Eingangskreis die Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand und in dessen Gegenkopplungskreis die Parallelschaltung eines Widerstands mit einem Kondensator angeordnet ist.

Als Meßglieder, welche eine von den Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs abhängige Größe abgeben, können solche verwendet werden, die auf einer Messung einer mechanischen Größe beruhen,

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oder solche, die von einer Messung der elektrischen Leistungspendelungen in der Wanderfeldwicklung ausgehen. Zu der ersten Gruppe von Meßgliedern zählt z. B. ein Beschleunigungsmeßglied, das zur Messung der vertikalen Pendelungsbeachleunigung vorgesehen und auf dem Triebfahrzeug ortsfest angeordnet ist. Weiterhin kann als Meßglied ein Abstandsmeßglied vorgesehen sein, das zur Messung des vertikalen Abstandes des Triebfahrzeugs von der Trasse vorgesehen und auf dem Triebfahrzeug angeordnet ist. Da die von dem Meßglied, das mit dem Triebfahrzeug mitbewegt wird, abgegebene Information in einer Umrichterstation benötigt wird, die ortsfest an der Trasse angeordnet ist, kann die Übertragung dieser Informationen z. B. durch Punk erfolgen.

Zu der zweiten Gruppe von Meßgliedern zählt ein elektrisches Leistungsmeßglied, welches am Einspeisepunkt an der Wanderfeldwicklung angeordnet ist. Ein solches elektrisches leistungsmeßglied zu verwenden ist deshalb möglich, weil die mechanischen Vertikalpendelungen zu veränderlichen Bremsverlusten und diese zu Wirkleistungsänderungen führen. Mit einem solchen Leistungsmeßglied läßt sich also eine indirekte Messung des Schwingungszustandes des Triebfahrzeugs in seiner Uormalrichtung am Ort der Energieeinspeisung in die Wanderfeldwicklung durchführen. Das elektrische Leistungsmeßglied kann dabei aus einem Stromwandler und einem Spannungswandler bestehen, die an ein Multiplizierglied angeschlossen sind.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, daß ein Regelkreis zur Regelung des Vortriebs des Triebfahrzeugs auf optimalen Arbeitspunkt vorgesehen ist, und daß das Ausgangssignal der Dämpfungs-Regeleinrichtung der Regelabweichung dieses Regelkreises aufgeschaltet ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Schaltungsanordnung als Zusatzeinrichtung zu dem Regelkreis zur Regelung auf optimalen Arbeitspunkt anzusehen. Die Zusatzeinrichtung bewirkt, daß der synchrone Linearmotor vorübergehend in einem vom optimalen Arbeitspunkt abweichenden Betriebspunkt arbeitet, wenn dies zur Dämpfung von Vertikalpendelungen erforderlich ist.

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In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform kann dann so vorangegangen werden, daß der Regelkreis zur Regelung auf optimalen Arbeitspunkt aus einem Stromwinkelregelkreis und einem Strombetragsregelkreis besteht, und daß das Ausgangssignal der Dämpfungs-Regeleinrichtung der Stromwinkelabweichu-ng im Stromwinkelkreis im Sinne einer Verstimmung der Regelung auf optimalen Arbeitspunkt aufgeschaltet ist.

Um auch bei geringer Vortriebskraft eine ausreichende Dämpfung der Vertikalpendelungen zu gewährleisten, kann weiterhin vorgesehen sein, daß zusätzlich das Ausgangssignal der Dämpfungs-'Regeleinrichtung dem Stromsollwert im Strombetragsregelkreis im Sinne einer Konstanthaltung des Strombetrages aufgeschaltet ist.-Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand· der Zeichnungen näher erläutert. Für gleiche Bauteile werden dabei dieselben Bezugszeichen verwendet. Es zeigen:

Pigur 1 eine schematische Darstellung eines synchronen Linearmotors in Langstatorausführung mit einer Steuer- und Regeleinrichtung,

Pigur 2 eine schematische Darstellung eines synchronen Linearmotors mit einer bevorzugten Steuer-* und Regeleinrichtung,

Pigur 3 ein Zeigerdiagramm für den Betrieb des Umrichters nach Pigur 1 und 2,

Pigur 4 ein Zeigerdiagramm für den optimalen stationären Betrieb des Umrichters nach Pigur 1 oder 2,

Pigur 5 ein Diagramm, in dem die Vortriebs- und die Normalkraft des linearen Synchronmotors in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel dargestellt sind, und

Pigur 6 ein Ausführungsbeispiel des in Pigur 2 .eingezeichneten Entkopplers.

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Nach Figur 1 enthält ein Magnetschwebefahrzeug einen synchronen Linearmotor 2, der zum Antrieb in Richtung des Doppelpfeiles 3 dient. Das Magnetschwebefahrzeug kann dabei eine Hoc hieistungsSchnellbahn für den Fernverkehr sein. Der Linearmotor 2 umfaßt im wesentlichen eine Erregerwicklung und eine dreiphasige Wanderfeldwicklung 5, die für die Vortriebsleistung bemessen ist. Die Erregerwicklung 4 kann in einem Polschuh 6 aus ferromagnetischem Material untergebracht sein. Dieser Polschuh 6 ist dann Bestandteil des im einzelnen nicht näher dargestellten MagnetSchwebefahrzeugs.· Ein solcher Polschuh 6 kann aber auch, fehlen. Das Magnet schwebefahrzeug wird durch eine nicht gezeigte elektrodynamische Schwebeeinrichtung über der Trasse 7 in Schwebe gehalten. Zwischen beiden klafft somit ein Spalt 8, der im wesentlichen überall gleiche Höhe hat.

Die Erregerwicklung 4 kann sich über die gesamte Länge des Magnetschwebefahrzeugs erstrecken. Sie wird im vorliegenden Fall von einer Gleichspannungsquelle 9 mit Gleichstrom gespeist. Eine Speisung mit Wechselstrom oder veränderlichem Gleichstrom ist ebenfalls möglich. Die Erregerwicklung 4 wird auch als Translator bezeichnet. Sie kann z. B. aus einem supraleitenden Material gewickelt sein. Es ist aber auch möglich, daß stattdessen Permanentmagnete oder eine konventionell mit einem Eisenkern ausgerüstete Erregerwicklung verwendet werden.

Die dreiphasige Wanderfeldwicklung 5 ist in der Trasse 7 ortsfest untergebracht. Sie kann sich dabei über größere Entfernungen in Fahrtrichtung erstrecken und ist somit als Langstator anzusehen. Der Gesamtfahrweg des Magnetschwebefahrzeugs kann dabei in eine Anzahl von Streckenabschnitten unterteilt sein, von denen jeder eine solche dreiphasige Wanderfeldwicklung 5 enthält, die jeweils mit der darüber hinwegbewegten Erregerwicklung 4 als synchroner Linearmotor 2 wirkt. Die auf das Triebfahrzeug in Vortriebsrichtung ausgeübte Kraftkomponente ist mit F_x bezeichnet.

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. Die Wanderfeldwicklung 5 ist am Einspeisepunkt 10 über ein Meßglied 11, das zur Messung der eingespeisten Leistung vorgesehen ist, an den Ausgang eines ortsfesten, steuerbaren statischen Umrichters 12 angeschlossen. Dieser Umrichter 12, der bevorzugt mit Halbleiter-Ventilen wie z. B. Thyristoren und Dioden ausgerüstet ist, wird aus einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz 13 mit den Phasenleitern R, S, T gespeist. Es kann sich dabei um ein übliches Wechselspannungsnetz handeln, dessen Frequenz z. B. 50 oder 60 Hz beträgt. Die den Umrichter 12 sp.eisende Wechselspannung beträgt z. B. 10 kV. Zwischen dem Wechselspannungsnetz 13 und dem Umrichter 12 kann ein Transformator■angeordnet sein. Als Umrichter 12 kann z. B. ein Direktumrichter oder ein Umrichter mit G-leichspannungs-Zwischenkreis verwendet werden. Auch jeder andere durch ein Steuersignal steuerbare Umrichter, der eine bezüglich Amplitude und Phasenlage veränderliche Wechselspannung abgibt, kann hier eingesetzt werden.

Dem Umrichter 12 ist ein Steuersatz 14 zugeordnet. Entsprechend einem Steuersignal x, das dem Steuersatz 14 vorgegeben ist, ist es möglich, Leistung aus dem Wechselspannungsnetz 13 mit gewünschter Spannung, Frequenz und Phasenlage über den statischen Umrichter 12 in die Wanderfeldwicklung einzuspeisen. Das Steuersignal χ wird dabei durch eine Steuer- und Regeleinrichtung 15 erzeugt, an die das Meßglied 11 angeschlossen ist. Die Wanderfeldwicklung 5 erzeugt im Spalt ein Wanderfeld, das 'unter Mitnahme des Magnetschwebefahrzeugs wahlweise in eine der beeiden Richtungen des Doppelpfeiles 3 wandert.

Um Pendelungen in normaler Richtung des Magnetschwebefahrzeugs, also Pendelungen in vertikaler Richtung zur Fahrbahnebene und senkrecht zum Doppelpfeil 3, zu vermeiden, ist innerhalb der Steuer- und Regeleinrichtung 15 eine Schaltungsanordnung zur Dämpfung dieser- systemeigenen Vertikalpendelungen vorgesehen.. Diese Schaltungsanordnung besteht im wesentlichen aus einem Regelkreis, zu dessen Bestandteilen das Meßglied 11 und der Um-

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richter 12 zählen. Bemerkenswert ist hierbei, daß die Maßnahmen zur Pendelungsdämpfung nicht an der (nicht gezeigten) Schwebeeinrichtung, sondern an der Vortriebseinrichtung des Magnetschwebefahrzeugs vorgenommen werden. Diese Maßnahmen beruhen auf der Erkenntnis, daß bei einem synchronen Linearmotor 2 Kraftkomponenten F , F in Vortriebs- bzw. Normalrichtung auftreten und eine getrennte Steuerung dieser Kraftkomponenten F . Έ_ möglich ist. Da die erwähnten Maßnahmen zur aktiven Dämpfung der Fahrzeugschwingungen an der ohnehin vorhandenen Vortriebseinrichtung vorgenommen werden, können zusätzliche Stellglieder an der Sch.webeeinrich.tung entfallen.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines synchronen Linearmotors 2 mit einer bevorzugten Steuer- und Regeleinrichtung 15 in prinzipieller Darstellung. Der Umrichter 12, der an das dreiphasige Wechselspannungsnetz 13 angeschlossen ist, besteht hier aus einem ungesteuerten Gleichrichter 16 und einem vom Steuersatz 14 aus steuerbaren Wechselrichter 17. Gleichrichter 16 und Wechselrichter 17 sind über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis mit einem Glättungskondensator 18 und mit eingeprägter Zwischenkreisspannung miteinander verbunden. Der Wechselrichter 17 kann als Pulswechselrichter ausgebildet sein. Er speist einen synchronen Linearmotor, dessen Einspeisepunkt 10 unmittelbar am Ausgang des Wechselrichters 17 liegt. Der synchrone Linearmotor 2 ist(abweichend von Figur 1) unter Einbeziehung der Wirkung der Erregerwicklung 4 im Ersatzschaltbild gezeichnet. Er besteht danach aus der Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes mit dem Widerstandswert R, eines induktiven Widerstandes mit der Induktivität L und einer fiktiven Gegenspannungsquelle mit der Hauptfeldspannung U, . Es kann sich dabei um einen synchronen linearmotor handeln, der entweder mit einer supraleitenden Magnetspule als eisenloser Motor, mit einer Magnetspule mit Magnetkern als eisenbehafteter Motor oder mit einem Permanentmagneten als permanenterregter Motor ausgerüstet ist.

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Im folgenden, wird zunächst Figur 3 betrachtet. Darin ist das quasistationäre Betriebsverhalten des synchronen Linearmotors in einem Zeigerdiagramm dargestellt. Die Darstellung enthält auch ein Referenzsystem, das durch die senkrecht aufeinander stehenden Zeiger r und j gebildet wird. Der Zeiger r stellt eine reelle Achse und der Zeiger j stellt eine imaginäre-Achse dar. E ist der Einheitsvektor in Richtung der reellen Achse r. Das Zeigerdiagramm läuft mit der Frequenz f im eingezeichneten Drehsinn um.

In Figur 3 sind der S pannung s ze ig er TJ und der Statorstromzeiger I am Einspeisepunkt 10 (vergl. Figur 1 und 2) gezeigt. Der Spannungszeiger U setzt sich aus der geometrischen Summe der vom Triebfahrzeug in der Wanderfeldwicklung 5 induzierten Hauptfeldspannung IL und den Spannungsabfällen IR und jI27ufL am ohmschen bzw. induktiven Widerstand zusammen. Mit dem Zeiger r schließt der Spannungszeiger TJ den Spannungsphasenwinkel -p_u, der Statorstromzeiger I den Stromphasenwinkel -f.^ und der Hauptfeldspannungszeiger TJ- den Phasenwinkel λ. ein.

Es wird davon ausgegangen, daß der Differenzwinkel (λ- *f ), also der Winkel zwischen dem Spannungszeiger TJ am Einspeisepunkt 10 einerseits und dem Zeiger der fiktiven, nicht direkt meßbaren Hauptfeld spannung TJ, , die durch die Bewegung des Translators in der Wanderfeldwicklung 5 induziert wird, andererseits ein Maß für die Polstellung des Translators ist. Das ergibt sich aus der Analogie zum rotierenden Synchronmotor. Demzufolge ist auch der Phasenwinkel λ ein Maß für die Polstellung, des Translators. Aus Figur 3 ergibt sich nun, daß.der Phasenwinkel λ. und der Betrag der fiktiven Hauptfeldspannung TJ, bei Kenntnis der Werte TJ, I, f, R und I entsprechend dem dargestellten Zeigerdiagramm ohne weiteres berechnet werden können.

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Der Wirkungsgrad des synchronen Linearmotors 2 hängt stark

2 von der Höhe der leitungsverluste I R entlang der Strecke ab, wobei I der speisende Statorstrom und R der ohmsche Widerstandswert der Wanderfeldwicklung 5 bedeutet. Daher sollte ein Betrieb mit möglichst geringem Statorstrom I angestrebt werden, wobei die erforderliche Vortriebskraftkomponente 3? durch eine hohe Zahl von Magnetpolen im Triebfahrzeug aufgebracht werden kann. Bei gegebenem Statorstrom I wird eine maximale Vortriebskraftkomponente F erzeugt, wenn die Strom-

belagswelle der Wanderfeldwicklung 5 mit der Induktionswelle des Erregersystems in Phase ist. Mit anderen Worten: Dieser Zustand, der als optimaler Betriebspunkt bezeichnet werden soll, liegt dann vor, wenn der Statorstromzeiger I in Figur in dieselbe Richtung weist wie der Hauptfeldspannungszeiger TJ, . Es muß dann also die Winkelbeziehung λ. = ^. gelten.

Figur 4 zeigt das Zeigerdiagramm für den optimalen stationären Betrieb, der unter Beachtung dieser Winkelbeziehung aus dem Zeigerdiagramm von Figur 3 hervorgeht.

Zusammenfassend läßt sich also sagen: Bei einem synchronen Linearmotor 2 in Langstatorausführung entsteht die Vortriebskraftkomponente F durch Wechselwirkung zwischen der durch die Wanderfeldwicklung 5^- hervorgerufenen Strombelagswelle und dem Erregerfeld, das durch den im Triebfahrzeug angeordneten Erreger hervorgerufen wird. Die Vortriebskraftkomponente Ρ_χ ist maximal im optimalen Arbeitspunkt (vergl. Figur 4), der im Zeigerdiagramm durch gleiche Phasenlage vom Statorstromzeiger I und Hauptfeldspannungszeiger Uj₁ definiert ist.

In Figur 5 sind d.ie Vortriebskraftkomponente F__ und die Normalkraftkomponente P eines synchronen Linearmotors 2 als Punktion des Phasenwinkels Cf₁ -λ.) aufgezeichnet. Der gestrichelte Verlauf unterscheidet sich von dem durchgezogenen Verlauf jeweils durch einen höheren Statorstrom I. Aus Figur 5 geht hervor, daß im optimalen Arbeitspunkt ^=A. keine Kraftkomponente

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F in Richtung der Normalen ζ der Fahrbahnebene besteht. Die

Kraftkomponente P in Richtung der Vortriebsrichtung χ besitzt hier ihren Maximalwert. Eine Normalkraftkomponente P tritt erst dann auf, wenn der Betriebspunkt nicht mehr mit dem optimalen Arbeitspunkt «f. = λ. zusammenfällt. Befindet sich der Betriebspunkt jedoch in der Nähe des optimalen Arbeitspunktes -f. = /t , so weicht die Vortriebskraftkomponente P nur

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geringfügig von ihrem Maximalwert ab. Die Normalkraftkomponente P_% ändert sich jedoch schon bei kleinen Abweichungen vom optimalen Arbeitepunkt beträchtlich. Dabei ist das Vorzeichen dieser Normalkraftkomponente F„ vom Vorzeichen des Phasenwinkels ( *f. - λ ) abhängig.

Aus Figur 5 geht weiter hervor, daß mit steigender Abweichung vom optimalen Arbeitspunkt *f. = λ. eine größer werdende Normalkraftkomponente P auftritt. Wird der Phasenwinkel ( -f . - λ, ) mit der Taktfrequenz der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs verändert, so bildet sich erzwungenermaßen eine mit derselben Taktfrequenz pendelnde vertikale Stellkraft aus. Diese Stellkraft wirkt den Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs entgegen und dämpft diese. Auf diese Weise lassen sich also die Vertikalpendelungen vom linearen Synchronmotor gelieferte Stellkräfte kompensieren. Dabei kann gleichzeitig durch Veränderung der Größe des Statorstroms I dafür gesorgt werden, daß die Vortriebskraftkomponente P konstant bleibt. Diesem Zweck dient ein Entkoppler. Mit diesem lassen sich die Vortriebskraftkomponente P und die Normalkraftkomponente P unabhängig voneinander steuern, wenn als Stellgrößen der Phasenwinkel (H^ - λ ) und die Amplitude des Statorstroms I verändert werden..

Ein Dämpfungsregelkreis zur Dämpfung der Vertikalpendelungen erfordert ein Meßglied, welches den Schwingungszustand des Triebfahrzeugs in Richtung der Normalen z, also senkrecht zur Fahrbahnebene feststellt. Die Information hierüber muß in der ortsfesten Umrichterstation entlang der Trasse verfügbar sein. Es ist z. B. möglich, die pendelnde Schwebehöhe am bewegten Triebfahrzeug optisch zu messen und in Form eines Meßsignals über

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einen drahtlosen Nachrichtenkanal an die Umrichterstation zu übertragen. Bei der Dämpfung segeleinrichtung nach Figur 2 wird ein solcher Nachrichtenkanal eingespart, da ein indirektes Meßverfahren angewendet wird.

Bei diesem indirekten Meßverfahren wird von folgender Überlegung ausgegangen: Die Bremskraft, die der Vortriebskraftkomponente F des linearen Synchronmotors entgegenwirkt, ändert sich als Punktion der Schwebehöhe. Bei einer großen Schwebehöhe tritt eine kleine und bei einer kleinen Schwebehöhe tritt eine große Bremskraft auf. Um die Bremskraft zu überwinden, muß Wirkleistung in den synchronen Linearmotor eingespeist werden. Bei vorgegebener Geschwindigkeit des Triebfahrzeugs hängen die Wirkleistungsänderungen am Einspeisepunkt über die .Änderungen der Bremskraft von den Änderungen der Schwebehöhe ab. Bei bekannter Eigenfrequenz der Vertikalschwingungen, also der Pendelungen der Schwebehöhe, lassen sich aus einem Meßsignal für die Wirkleistung am Einspeisepunkt die von den Vertikalschwingungen des Triebfahrzeugs herrührenden Anteile über ein Bandpaßfilter, das auf die genannte Eigenfrequenz abgestimmt ist, abtrennen und weiterverarbeiten.

Im folgenden wird wieder Figur 2 betrachtet. Danach ist als Meßglied 11 für die Messung der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs ein elektrisches Leistungsmeßglied vorgesehen. Dieses besteht aus einem Stromwandler 20 und einem Spannungswandler 21, die am Ausgang des Umrichters 12 in der Nähe, des Einspeisepunktes 10 angeordnet sind, und aus einem Multiplizierglied 22. Das Multiplizierglied 22 ermittelt aus der Spannung U und dem Statorstrom I die in den synchronen Linearmotor 2 eingespeiste Wirkleistung P. Das Signal für die Wirkleistung P wird dem Eingang eines Filters 23 zugeführt. Es kann sich bei dieeem Filter 23 um ein aktives oder passives Bandpaßfilter handeln, welches auf dem Frequenzbereich der Vertikalpendelungen abgestimmt ist. Das am Ausgang des Filters 23 abgegebene Signal P schwankt in seiner Amplitude mit der Taktfrequenz der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs. Es wird dem Eingang einer Dämpfungs-Rege1-

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einrichtung 24 zugeführt, die aus einem Vergleicher 25 und einem nachgeschalteten Regler 26 besteht. Im Vergleicher 25 wird es mit einem Sollwert P* verglichen, der auf den Wert Null eingestellt ist. Das Ausgangssignal s des Reglers 26 wird als Zusatzsteuersignal für einen Regelkreis verwendet, der zur Regelung des Vortriebs des Triebfahrzeuge auf optimalen Arbeitspunkt vorgesehen ist. Das Ausgangssignal s des Reglers 26 wird dabei der Regelabweichung dieses Regelkreises zusätzlich aufgeschaltet.

Hat das Zusatzsteuersignal s den Wert Null, so arbeitet der synchrone Linearmotor bei sonst festen Bedingungen mit Hilfe des besagten Regelkreises im optimalen Arbeitspunkt ^f. = \ (vergl. Figur 5);· er erzeugt dabei keine Normalkraftkomponente F . Hat das Zusatzsteuersignal s einen Wert ungleich Null, so wird der besagte Regelkreis verstimmt. Er arbeitet jetzt außerhalb des optimalen Arbeitspunktes, so daß eine Normalkraftkomponente F_ auftritt. Diese schwankt im Takte und nach Größe des Zusatzsteuersignals s und kompensiert dadurch die Vertikalschwingungen des Triebfahrzeugs.

Bei einer Abweichung vom optimalen Arbeitspunkt ^. = X ergibt sich eine Normalkraftkomponente F ; gleichzeitig ergibt sich (nach Figur 5) aber auch eine Reduzierung der maximalen Vortriebskraftkomponente P . Zur Kompensierung dieser Reduzierung wird im vorliegenden Pail das Zusatzsteuersignal s gleichzeitig so in den besagten Regelkreis eingegeben, daß sich eine Erhöhung des Statorstroms I einstellt. In Figur 5 wird dabei also vom durchgezogenen auf den gestrichelten Verlauf der Kraftkomponenten F . F„ übergegangen.

Nach Figur 2 besteht der Regelkreis zur Regelung auf optimalen Arbeitspunkt aus einem Stromwinkelregelkreis, und einem Strombetragsregelkreis. Der Stromwinkelregelkreis enthält eine Regeleinrichtung 27 mit einem Stromwinkel-Vergleicher 28 und einen Stromwinkel-Regler 29· Der Strombetragsregelkreis enthält' eine Regeleinrichtung 30 mit einem S.trombetrags-Ver-

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gleicher 31 und einem Strombetrags-Regler 32. Diesem Regelkreis zur Regelung auf optimalen Arbeitspunkt ist als wichtiges "Bauelement ein Entkoppler 33 zugeordnet.

Als erstes wird der Stromwinkelregelkreis in Figur 2 betrachtet. Der Stromwinkel-Vergleioher 28 ist zur Bildung des Phasenwinkels ( *f . - λ. ) aus der Differenz zwischen dem Phasenwinkel -f. und dem Phasenwinkel λ. vorgesehen. Der Phasenwinkel λ , der die Phasenlage der Hauptfeldspannung TL nach Figur 3 festlegt, wird dabei durch.einen Pollagegeber 34 erfaßt. Der Pollagegeber 34 kann nach der älteren deutschen Patentanmeldung P 23 41 761.0 - VPA 73/3212 eine Rechenschaltung sein, die gemäß dem Zeigerdiagramm von Figur 3 die Berechnung des Phasenwinkels λ vornimmt. Danach werden in die Rechenschaltung insgesamt sieben Signale eingegeben. Zunächst einmal sind es zwei Signale für die Spannung U am Einspeisepunkt 10, die am Spannungswandler 21 abgegriffen und einem Vektoranalysator 35 zugeführt wird. Diese Spannung TI wird im Vektoranalysator 35 mit Hilfe eines Referenzsignals, das dem Zeiger r in Figur 3 und 4 entspricht, in ein Signal lü| , das ein Maß für ihren Betrag ist, und in ein Signal -f , das ein Maß für ihren auf das Referenzsignal bezogenen Phasenwinkel ist, aufgespalten. Weiterhin sind es zwei Signale für den Statorstrom I. Der am Stromwandler 20 abgegriffene Statorstrom I wird einem weiteren Vektoranalysator 36 zugeführt. Dieses spaltet den Statorstrom entsprechend in ein Signal |l| , das ein Maß für seinen Betrag ist, und in ein Signal.·^., das ein Maß für seinen auf das Referenzsignal bezogenen Phasenwinkel ist, auf. Dazu wird wiederum das Referenzsignal benötigt. Schließlich werden in die Rechenschaltung noch der ohmsche Widerstandswert R, die Induktivität L und die Arbeitsfrequenz f des synchronen Linearmotors eingegeben. Die beiden Signale R und L können entweder fest vorgegeben werden oder - was für die Berechnung genauer ist durch direkte Messung am betreffenden Streckenabschnitt ermittelt werden. Die als Pollagegeber 34 verwendete Rechenschal-, tung berechnet aus den sieben eingegebenen Signalen den Phasen-

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winkel λ der fiktiven, nicht direkt meßbaren Hauptfeldspannung Uj₁.

Im optimalen Arbeitspunkt muß der Statorstrom I dieselbe Phasenlage haben wie die Hauptfeldspannung U, . Es muß also -f^ = λ, gelten. Der durch Aufspaltung aus dem Statorstrom I gewonnene Phasenwinkel ^f ~ wird dem Stromwinkel-Vergleicher 28 zugeführt. Diesem wird auch- der Phasenwinkel X zugeführt. Die Abweichung, also der Phasenwinkel (-f. - λ), wird hier durch Phasendifferenzmessung gebildet und dem Eingang des Stromwinkel-Reglers 29 über ein Additionsglied 37 zugeführt. Diesem Additionsglied 37 wird zusätzlich von dem Entkoppler 33 ein AufschaItsignal ρ zugeführt, welches ein Maß für die gewünschte Abweichung ( -f. - λ. ) "vom optimalen Arbeitspunkt ist. Der Ausgang des Stromwinkel-Reglers 29 ist an den Steuereingang eines Phasendrehers 38 angeschlossen.

Das Referenzsignal r wird auch zur Taktung des Wechselrichters 17 herangezogen. Dazu wird es über den Phasendreher 38 als Taktsignal t auf den Steuersatz 14 des Umrichters 12 gegeben. Die zur Einhaltung des optimalen Arbeitspunktes *f. = λ. erforderliche Phasenlage des Taktsignals t wird mittels des Phasendrehers 38 eingestellt. Die Einstellung erfolgt am Steuereingang des'Phasendrehers 38 vom Stromwinkel-Regler her.

Als nächstes wird der Strombetragsregelkreis in Figur 2 betrachtet. Der Istwert Il | dieses Strombetragsregelkreises wird vom Vektoranalysator 36 geliefert. Dieser Istwert IlI wird dem einen Eingang des Strombetrags-Vergleichers 31 zugeführt. Dem anderen Eingang wird ein Sollwert Il j* des Strombetrages zugeführt. Dieser Sollwert ll|* wird über den Entkoppler 33 von einem übergeordneten (nicht dargestellten) Regelkreis geliefert. Er hangt vom Sollwert IJ* der gewünschten Schubkraft I¹ des synchronen Linearmotors 2 ab. Die vom Strombetrags-Vergleicher 31 gebildete Regelabweichung

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wird über den Strombetrags-Regler 32 als Steuersignal χ dem Steuersatz 14 zugeführt.

Das Referenzsignal r wird in einen Regler 39 geliefert. Dessen vorgeschalteter Vergleicher 40 ist einerseits mit dem Phasenwinkel λ. als Istwert und einem auf Null gesetzten Phasenwinkel λ.* als Sollwert beaufschlagt. Der Regler 39 sorgt dafür, daß der Zeiger r in Figur 3 im stationären Zustand mit dem Hauptfeldspannungszeiger Uj₁ zusammenfällt, daß also der Phasenwinkel λ Null ist.

Als nächstes wird wieder der Dämpfungs-Regelkreis betrachtet. Es soll hervorgehoben werden, daß das Ausgangssignal des Reglers 26 als Sollwert Fg für die Normalkraftkomponente F angesehen werden kann. Das Ausgangssignal (Zusatzsteuersignal s) wirkt im wesentlichen auf das Aufschaltsignal ρ ein, welches andererseits aber auch vom Sollwert F* abhängt. Ebenso ist auch der Sollwert |l| * von den Signalen s und F* abhängig. Die Relationen werden durch den Entkoppler 33 gebildet.

Dabei wird von folgenden Überlegungen ausgegangen: Nach Figur 5 läßt sich für die Vortriebskraftkomponente F und für die

Normalkraftkomponente F„ schreiben:

F_x = k_x|lj COsCf₁₁ -λ) und F₂. = kjlj SInCf₁ -λ),

wobei k . k Konstanten sind. Durch elementare Umformung er-

X Z

gibt sich hieraus:

λ) = -arctan ( F_z/]?_x) (1)

Der Phasenwinkel (f. - X) ist hier die zur Kompensation der Pendelungen erforderliche und gewünschte Abweichung vom opti-

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malen Arbeitspunkt und entspricht somit dem Aufsehaltsignal p. Um den Statorstrom jI(konstant zu halten, muß die angegebene Bezeichnung (2) bei Jedem· Wertepaar F , F erfüllt sein.

Auf diesen Überlegungen beruht der in Figur 6 gezeigte Entkoppler 33. Danach werden die Signale ρ und |l|* aus den Signalen F* und F* gebildet. Das Zusatzsteuersignal s, das dem Sollwert F* der Normalkraftkomponente entspricht, wird nach Multiplikation mit der Konstanten k mittels eines nicht näher bezeichneten Multipliziergliedes in ein Quadierglied 42 gegeben. Ebenso wird das Signal F* nach Multiplikation mit der Konstanten k_~ mittels eines weiteren nicht näher bezeichneten Multipliziergliedes in ein weiteres Quadrierglied 43 gegeben. Die Ausgangssignale beider Quadrierglieder 42,

ο ό

werden in einem Additionsglied 44 zum Summensignal (F* /k +

F* /k ) addiert. Aus diesem wird in einem Radizierglied 45 die Wurzel gezogen. Gemäß Gleichung (2) entsteht somit am Ausgang das Signal ll|*.

Weiterhin werden die beiden Signale F* und F* in einem Dividierglied 46. dividiert. Das Quotientensignal F*/F* wird in einen Funktionsgeber 47 geleitet, der daraus in allen vier Quadranten den Arcustangens bildet. Gemäß Gleichung (1) entsteht somit das Signal p.

Das Signal p, das im Additionsglied 37 zurunerwünschten Abweichung (-f. -X) addiert wird, bewirkt die Kompensation der Pendelungen, und das Signal (l{* bewirkt die Konstanthaltung der Vortriebskraftkomponente F . Beide Steuermaßnahmen werden

X.

getrennt voneinander, aber gleichzeitig durchgeführt.

Der in Figur 2 dargestellte Dämpfungs-Regelkreis hat eine weitere vorteilhafte Eigenschaft. Er gewährleistet, daß eine für die D'ämpfung ausreichende Normalkraftkomponente F₂ auch ,dann verfügbar ist, wenn in gewissen Betriebszuständen die Vortriebskraftkomponente F zu gering ist. Wenn.diese Vortriebskraftkomponente F gering ist, weil· nur.ein geringer Vortrieb erforder-

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lieh ist, "verlaufen die beiden Kurven F , F in Figur 5
wegen des geringen Statorstroms I wesentlich flacher als
eingezeichnet. Auch in diesem Fall kann eine ausreichende
Iformalkraf tkomponente F erzeugt werden, nämlich dann, wenn der Phasenwinkel .( *f . - λ) große Werte annimmt, die in der Nahe von - 90° liegen. Dann kann der Statorstrom I groß
gemacht werden, ohne daß sich eine große Vortriebskraftkomponente F einstellt. Dieses gewünschte Regelverhalten wird durch den beschriebenen Entkoppler 33 erzielt.

15 Patentansprüche
6 Figuren

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Claims

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Patentans prüche

( 1. !Schaltungsanordnung für ein fahrweggebundenes Triebfahr- —' zeug, das mit einer Einrichtung zum Schweben über der Trasse und mit einem synchronen Linearmotor ausgerüstet ist, dessen Stator entlang, der Trasse als Wanderfeldwicklung verlegt und dessen Erreger auf dem Triebfahrzeug als mitbewegbarer Translator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanderfeldwicklung (5) des synchronen Linearmotors (2) mit einer bezüglich Amplitude und Phasenlage veränderlichen Wechselspannung (U) gespeist ist, welche über einen.steuerbaren statischen Umrichter (12) durch ein Zusatzsteuersignal (s) einstellbar ist, das von einer Dämpfung.B-Regeleinrichtun g (24) geliefert wird, die von einem Meßglied (11) mit einer von den Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs abhängigen Größe beaufschlagt ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Meßglied (11) und der Dämpfungs-Regeleinrichtung (24) ein Filter (.23) vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter (23) ein Bandpaßfilter vorgesehen ist, das auf den Frequenzbereich der Vertikalpendelungen abgestimmt ist, und daß der Eingang des Filters (23) mit dem Meßglied (11) und der Ausgang mit dem Eingang der Dämpfungs-Regeleinrichtung (24) verbunden ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3,"dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter aus d,er Serienschaltung eines Längskondensators mit zwei Längswiderständen besteht, an deren Verbindungspunkt ein Querkondensator angeschlossen ist. . .

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5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bandpaßfilter aus einem Operationsverstärker großer Leerlaufverstärkung besteht, in dessen Eingangskreis die Reihenschaltung eines Kondensators mit einem Widerstand und in dessen G-egenkopplungskr eis die Parallelschaltung eines Widerstands mit einem Kondensator angeordnet ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter (23) ein Hochpaßfilter vorgesehen ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßglied (11) ein Beschleunigungsmeßglied zur Messung der vertikalen Pendelungsbeschleunigung vorgesehen ist, welches auf dem Triebfahrzeug ortsfest angeordnet ist.
S. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßglied (11) ein Abstandsmeßglied zur Messung des vertikalen Abstands des Triebfahrzeugs von der Trasse (7) vorgesehen ist, welches auf dem Triebfahrzeug ortsfest angeordnet ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßglied (11) ein elektrisches Leistungsmeßglied ist, welches am Einspeisepunkt (10) an ier WanderfeIdwicklung (5) angeordnet ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Leistungsmeßglied (11) aus einem Stromwandler (20) und einem Spannungswandler (21) besteht, die an ein Multiplizierglied (22) angeschlossen sind.
11. Schaltungsanordnung nach einem derAnsprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zur Regelung des Vortriebs des Triebfahrzeugs auf optimalen Arbeitspunkt vorgesehen ist, und daß das von der Dämpfungs-Regeleinrich-

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tung (24) abgegebene Zusatzsteuersignal (s) der Regelabweichung dieses Regelkreises aufgeschaltet ist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis zur Regelung auf optimalen Arbeitspunkt aus einem Stromwinkelregelkreis und einem Strombetragsregelkreis besteht, und daß das Ausgangssignal (s) der Dämpfungs-Regeleinrichtung (24) der Stromwinkelabweichung (;f. -λ.) im Stromwinkelregelkreis im Sinne einer Verstimmung der Regelung auf optimalen Arbeitspunkt (X = -f.) auf geschaltet ist
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs signal (s) der Dämpfungs-Regeleinrichtung (24) dem Stromsollwert (jlj*) im Strombetragsregelkreis im .Sinne einer Konstanthaltung des Strombetrages (11 j) aufgeschaltet ist.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwert (jl|*) im Strombetragsiregelkreis von einem Radizierglied (45) geliefert wird, dem ein Additionsglied (44) vorgeschaltet ist, das einerseits von einem Quadrierglied (42), welches das Zusatzsteuersignal (s) quadriert, und andererseits von einem weiteren Quadrierglied (43), welches den vorgegebenen Sollwert (F*) für die Vortriebskraftkomponente quadriert, gespeist

.X.

1st (Fig. 6).
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dividierglied (46) vorgesehen ist, welches das Zusatzsteuersignal (s) durch den Sollwert (F*) für die

-Λ.

Vortriebskraftkomponente dividiert, daß dem Dividierglied (46) ein Funktionsgeber (47) nachgeschaltet ist, der aus dem zugeführten Quotientensignal den Arcustangens bildet, und'daß das Ausgangssignal des Funktionsgebers (47) als Aufschaltsignal (p) mittels eines Additionsgliedes (37) der Stromwinkelabweichung (-f. -λ) im. Stromwinkelregelkreis aufgeschaltet ist. ■ ·

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