DE2406820A1 - Schaltungsanordnung fuer ein fahrweggebundenes triebfahrzeug - Google Patents

Schaltungsanordnung fuer ein fahrweggebundenes triebfahrzeug

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DE2406820A1 DE19742406820 DE2406820A DE2406820A1 DE 2406820 A1 DE2406820 A1 DE 2406820A1 DE 19742406820 DE19742406820 DE 19742406820 DE 2406820 A DE2406820 A DE 2406820A DE 2406820 A1 DE2406820 A1 DE 2406820A1
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    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/002Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of propulsion for monorail vehicles, suspension vehicles or rack railways; for control of magnetic suspension or levitation for vehicles for propulsion purposes
    • B60L15/005Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of propulsion for monorail vehicles, suspension vehicles or rack railways; for control of magnetic suspension or levitation for vehicles for propulsion purposes for control of propulsion for vehicles propelled by linear motors
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  • Control Of Vehicles With Linear Motors And Vehicles That Are Magnetically Levitated (AREA)
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Description

  • Schaltungsanordnung für ein fahrweggebundenes Triebfahrzeug (Zusatz zum Patent .... (Patentanmeldung P 23 56 679.2 -VPA 73/3323)) Das Hauptpatent ... (Patentanmeldung P 23 56 679.2 - VPA 73/3323) 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.
  • Beim Betrieb eines solchen fahrweggebundenen Triebfahrzeugs mit Schwebe einrichtung 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 Schwebe einrichtung nicht möglich ist.
  • Das Hauptpatent .... (P 23 56 679.2 - VPA 73/3323) hat sich die Aufgabe gestellt, eine Schaltungsanordnung zur Dämpfung der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs anzugeben, die sich durch einen einfachen und kostensparenden Aufbau auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird dort 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-Regeleinrichtung geliefert wird, die von einem Meßglied mit einer von den Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs abhängigen Größe beaufschlagt ist.
  • Das erwähnte Meßglied kann nach dem Hauptpatent so beschaffen sein, daß es neben der von den Vertikalpendelungen 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. Als Meßglieder können nach dem Hauptpatent auch solche verwendet werden, die auf einer Messung einer mechanischen Größe beruhen, oder solche, die von einer Messung der elektrischen teistungspendelungen in der Wanderfeldwicklung ausgehen. Zu der ersten Gruppe von Meßgliedern zählt z. B. ein Beschleunigungsmeßglied, das auf dem Triebfahrzeug angeordnet ist. Da die von dem Meßglied abgegebene Information in einer Umrichterstation benötigt wird, die ortsfest an der Trasse angeordnet ist, muß die Übertragung dieser Informationen durch Punk erfolgen.
  • Zu der zweiten Gruppe von Meßgliedern zählt ein elektrisches Beistungsmeßglied, welches am Einspeisepunkt an der Wanderfeldwicklung angeordnet ist. Ein solches elektrisches Beistungsmeßglied zu verwenden ist deshalb möglich, weil die mechanischen Vertikalpendelungen zu veränderlichen Bremsverlusten und diese zu Wirkleistungsänderungen führen. Mit einem solchen Beistungsmeßglied läßt sich also eine indirekte Messung des Schwingungezustandes des Triebfahrzeugs in seiner Normalrichtung am Ort der Energieeinspeisung in die Wanderfeldwicklung durchführen.
  • Eine Funkübertragung ist daher nicht erforderlich.
  • Bei Verwendung eines Beistungsmeßgliedes werden auch Wirkleistungsänderungen erfaßt, die nicht auf eine Vertikalpendelung des Triebfahrzeugs zurückzuführen sind, z. B. auf das Triebfahrzeug auftreffende Windböen oder Wirkleistungsänderungen, die bei einer Berg- oder Talfahrt auftreten. Auch bei Kurvenfahrten treten Wirkleistungsänderungen auf, die mit Vertikalpendelungen nichts zu tun haben.
  • Aufgabe der vorliegenden Zusatzerfindung ist es, ein Meßglied anzugeben, das gleichfalls ohne Funkübertragung auskommt und das ein Signal für die Vertikalpendelungen abgibt, welches unabhängig von Störungen der genannten Art ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Meßglied eine Reihenschaltung vorgesehen ist, die als von den Vertikalpendelungen abhängige Größe den Betrag der Hauptfeldspannung berechnet.
  • Hierbei wird also der Schwingungszustand des Triebfahrzeugs am Ort des Umrichters aus dem berechneten Betragswert der vom Triebfahrzeug in der Wanderfeldwicklung induzierten Hauptfeldspannung abgeleitet. Diese Hauptfeldspannung ist bei bekannter Geschwindigkeit des Triebfahrzeugs nur noch von der Schwebehöhe abhängig.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Zusatz erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Regelkreis zur Regelung des Vortriebs des Triebfahrzeugs auf optimalen Arbeitspunkt vorgesehen ist, daß das von der Dämpfungs-Regeleinrichtung abgegebene Zusatzsteuersignal der Regelabweichung dieses Regelkreises aufgeschaltet ist, und daß zur Bildung des Istwerts dieses Regelkreises und zur Berechnung des Betrags der Hauptfeldspannung eine gemeinsame Rechenschaltung vorgesehen ist.
  • Um den Gleichanteil des Meßsignals abzutrennen, sollte zwischen dem Ausgang der Rechenschaltung und der Dämpfungs-Regeleinrichtung ein Hochpaßfilter vorgesehen sein.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Zusatzerfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Für gleiche Bauteile werden dabei dieselben Bezugszeichen verwendet. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines synchronen Linearmotors in Langstatorausführung mit einer Steuer- und Regeleinrichtung, Figur 2 eine schematische Darstellung eines synchronen Linearmotors mit einer bevorzugten Steuer- und Regeleinrichtung und mit einer Rechenschaltung zur Berechnung der Hauptfeldspannung, Figur 3 ein Zeigerdiagramm für den Betrieb des Umrichters nach Figur 1 und 2, Figur 4 ein Zeigerdiagramm für den optimalen stationären Betrieb des Umrichters nach Figur 1 oder 2, Figur 5 ein Diagramm, in dem die Vortriebs- und die Normalkraft des linearen Synchronmotors in Abhängigkeit von einem Phasenwinkel dargestellt sind, und Figur 6 ein Ausführungsbeispiel des in Figur 2 eingezeichneten Entkopplers.
  • Nach Figur 1 enthält ein Magnetschwebefahrzeug einen synchronen Linearmotor 2, der zum Antrieb in Richtung des Doppelpfeiles 3 dient. Das Magnetschwebefahrzeug kann dabei eine Hochleistungsschnellbahn für den Fernverkehr sein. Der Linearmotor 2 umfaßt im wesentlichen eine Erregerwicklung 4 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 Magnetschwebefahrzeug 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 Fx bezeichnet.
  • 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 speisende 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 Gleichspannungs-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 5 einzuspeisen. Das Steuersignal x wird dabei durch eine Steuer-und Regeleinrichtung 15 erzeugt, an die das Meßglied 11 angeschlossen ist. Die Wanderfeldwicklung 5 erzeugt im Spalt 8 ein Wanderfeld, das unter Mitnahme des Magnetschwebefahrzeugs wahlweise in eine der beiden 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 Umrichter 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 Fx Fz in Vortriebs- bzw. Normalrichtung auftreten und eine getrennte Steuerung dieser Kraftkomponenten Fx, Fz möglich ist. Da die erwähnten Maßnahmen zur aktiven Dämpfung der Fahrzeugschwingungen an der ohnehin vorhandenen Vortriebseinrichtung vorgenommen werden, können zusätzliche Stellglieder an der Schwebeeinrichtung 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 Uh. 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.
  • 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 etellt 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 Spannungszeiger U 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 Uh und den Spannungsabfällen IR und jI27;fS am ohmschen bzw. induktiven Widerstand zusammen. Mit dem Zeiger r schließt der Spannungszeiger U den Spannungsphasenwinkel der ar Statorstromzeiger I den Stromphasenwinkel gi und der Hauptfeldspannungszeiger Uh den Phasenwinkel x ein.
  • Es wird davon ausgegangen, daß der Differenzwinkel (A also der Winkel zwischen dem Spannungszeiger U am Einspeisepunkt 10 einerseits und dem Zeiger der fiktiven, nicht direkt meßbaren Hauptfeldspannung Uh, 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 Ä ein Maß für die Polstellung des Translators. Aus Figur 3 ergibt sich nun, daß der Phasenwinkel X und der Betrag der fiktiven Hauptfeldspannung Uh bei Kenntnis der Werte U, I, f, R und L entsprechend dem dargestellten Zeigerdiagramm ohne weiteres berechnet werden können.
  • Der Wirkungsgrad des synchronen Linearmotors 2 hängt stark von der Höhe der Leitungsverluste I2R 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 Fx durch eine hohe Zahl von Magnetpolen im Triebfahrzeug aufgebracht werden kann. Bei gegebenem Statorstrom I wird eine maximale Vortriebskraftkomponente Fx erzeugt, wenn die Strombelagswelle 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 3 in dieselbe Richtung weist wie der Hauptfeldspannungszeiger Uh. Es muß dann also die Winkelbeziehung Å = ti 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 Fx durch Wechselwirkung zwischen der durch die Wanderfeldwicklung 5 hervorgerufenen Strombelagswelle und dem Erregerfeld, das durch den im Triebfahrzeug angeordneten Erreger hervorgerufen wird. Die Vortriebskraftkomponente Fx ist maximal im optimalen Arbeitspunkt (vergl. Figur 4), der im Zeigerdiagramm durch gleiche Phasenlage vom Statorstromzeiger I und Hauptfeldspannungszeiger Uh definiert ist.
  • In Figur 5 sind die Vortriebskraftkomponente Fx und die Normalkraftkomponente F eines synchronen Linearmotors 2 als Funktion des Phasenwinkels ( + ) 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 ti = Å keine Kraftkomponente F in Richtung der Normalen z der Fahrbahnebene besteht. Die Kraftkomponente Fx in Richtung der Vortriebsrichtung x besitzt hier ihren Maximalwert. Eine Normalkraftkomponente F tritt erst dann auf, wenn der Betriebspunkt nicht mehr mit dem optimalen Arbeitspunkt 9. h, zusammenfällt. Befindet sich der Betriebspunkt jedoch in der Nähe des optimalen Arbeitspunktes = )L , 90 weicht die Vortriebskraftkomponente Fx nur geringfügig von ihrem Maximalwert ab. Die Normalkraftkomponente ändert sich jedoch schon bei kleinen Abweichungen vom optimalen Arbeitspunkt beträchtlich. Dabei ist das Vorzeichen dieser Normalkraftkomponente F z vom Vorzeichen des Phasenwinkels ( ) abhängig.
  • Aus Figur 5 geht weiter hervor, daß mit steigender Abweichung vom optimalen Arbeitspunkt fi = A eine größer werdende Normalkraftkomponente Fz auftritt. Wird der Phasenwinkel ( d 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 Fx konstant bleibt. Diesem Zweck dient ein Entkoppler. Mit diesem lassen sich die Vortriebskraftkomponente F und die Normalkraftkomponente F unabhängig voneinander steuern, wenn als Stellgrößen der Phasenwinkel (q i ~ k 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 Triebfahrzeugs: optisch zu messen und in Form eines Meßsignals über einen drahtlosen Nachrichtenkanal an die Umrichterstation zu übertragen. Bei der Dämpfungsregeleinrichtung nach Figur 2 wird ein solcher Nachrichtenkanal eingespart, da ein indirektes Meßverfahren angewendet wird.
  • Bei diesem indirekten Meßverfahren wird von folgender uberlegung ausgegangen: Der Betrag der Hauptfeldspannung Uh ändert sich als Funktion der Schwebehöhe. Bei einer großen Schwebehöhe tritt eine kleine und bei einer kleinen Schwebehöhe tritt eine große Hauptfeldspannung Uh auf. Bei vorgegebener Geschwindigkeit des Triebfahrzeugs läßt sich somit der Schwingungszustand des Triebfahrzeugs in Richtung der Normalen z aus der Hauptfeldspannung Uh bestimmen. Der Betrag der Hauptfeld spannung wird durch äußere Störungen (Windböen, Berg-oder Talfahrten), die auf die Wirkleistung des Triebfahrzeugs einwirken, nicht beeinflußt. Die Hauptfeldspannung Uh besteht aus einem Gleichanteil, dem beim Auftreten von Vertikalpendelungen zusätzlich ein Wechselanteil verlagert ist. Der von den Vertikalschwingungen des Triebfahrzeugs herrührende Wechselanteil läßt sich über ein Hochpaßfilter abtrennen und weiterverarbeiten.
  • Im folgenden wird wieder Figur 2 betrachtet. Danach wird ein besonderes Meßglied 11 für die Messung der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs eingespart. \e später noch näher erläutert wird, erhält man auf rechnerischem Wege ein Signal für den Betrag 1 Uh! der Hauptfeldspannung Uh. Dieses Signal, das direkt am Ort des Umrichters 12 verfügbar ist, wird dem Eingang eines Hochpaßfilters 23a zugeführt. Das am Ausgang des Filters 23a abgegebene Signal 1Uh1w schwankt in seiner Amplitude mit der Taktfrequenz der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs. Der Gleichspannungsanteil ist abgetrennt und wird nicht weiterverarbeitet. Das Signal 1Uhtw wird dem Eingang einer DämDfungs-Regeleinrichtung 24 zugeführt, die aus einem Vergleicher 25 und einem nachgeschalteten Regler 26 besteht. Im Vergleicher 25 wird es mit einem Sollwert 1Uh |w 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 Triebfahrzeugs auf optimalen Arbeitspunkt vorgesehen ist. Das Ausgangssignal s des Reglers 26 wird dabei der Regelabweichung dieses Regelkreis es zusätzlich aufgeschaltet.
  • Hat das Zusatzsteuersignal s den Wert Null, so arbeitet der synchrone Linearmotor bei sonst festen Bedingungen mit Hilfe des besagten Regelkreis es im optimalen Arbeitspunkt 9 = (vergl. Figur 5); er erzeugt dabei keine Normalkraftkomponente Fz. 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 z auftritt. Diese schwankt im Takte und nach Größe des Zusatzsteuersignals s und kompensiert dadurch die Vertikalschwingungen des Triebfahrzeugs.
  • Bei einer Abweichung vom optimalen Arbeitspunkt ¢i = A ergibt sich eine Normalkraftkomponente Fz; gleichzeitig ergibt sich (nach Figur 5) aber auch eine Reduzierung der maximalen Vortriebskraftkomponente Fx Zur Kompensierung dieser Reduzierung wird im vorliegenden Fall 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 Fx Fz 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 Strombetrags-Vergleicher 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-Vergleicher 28 ist zur Bildung des Phasenwinkels ( q ) aus der Differenz zwischen dem Phasenwinkel ti und dem Phasenwinkel k vorgesehen. Der Phasenwinkel x , der die Phasenlage der Hauptfeldspannung Uh nach Figur 3 festlegt, wird dabei durch einen Pollagegeber erfaßt.
  • Der Pollagegeber kann nach der älteren deutschen Patentanmeldung P 23 41 761.0 - VPA 73/3212 insbesondere eine Rechenschaltung 34 sein, die gemäß dem Zeigerdiagramm von Figur 3 die Berechnung des Betrags 1Uh1 und des Phasenwinkels Xder Hauptfeldspannung Uh vornimmt. Danach werden in die Rechenschaltung 34 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 U wird im Vektoranalysator 35 mit Hilfe eines Referenzsignals, das dem Zeiger r in Figur 3 und 4 entspricht, in ein Signal lUl , das ein Maß für ihren Betrag ist, und in ein Signal 9 das ein Maß für ihren auf das Referenzsignal bezogenen Phasenwinkel ist, aufgesgalten. Weiterhin sind es zwei Signale für den Statorstrom I. Der am Stromwandler 20 abgegriffene Statorstrom I wird einem weiteren Vektoranalysator 36 zugeführt. Dieser spaltet den Statorstrom I entsprechend in ein Signal II( , das ein Maß für seinen Betrag ist, und in ein Signal Qi das ein Maß für seinen auf das Referenzsignal r bezogenen Phasenwinkel ist, auf. Dazu wird wiederum das Referenzsignal r benötigt. Schließlich werden in die Rechenschaltung 34 noch der ohmsche Widerstandswert R, die Induktivität B und die Arbeitsfrequenz f des synchronen Linearmotors eingegeben. Die beiden Signale R und B 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 Rechenschaltung berechnet aus den sieben eingegebenen Signalen den Betrag (U (und den Phasenwinkel A der fiktiven, nicht direkt meßbaren Hauptfeldspannung Uh.
  • Im optimalen Arbeitspunkt muß der Statorstrom I dieselbe Phasenlage haben wie die Hauptfeldspannung Uh. Es muß also S gelten. Der durch Aufspaltung aus dem Statorstrom I gewonnene Phasenwinkel ¢i i wird dem Stromwinkel-Vergleicher 28 zugeführt. Diesem wird auch der Phasenwinkel X zugeführt.
  • Die Abweichung, also der Phasenwinkel (t ), 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 Aufschaltsignal p zugeführt, welches ein Maß für die gewünschte Abweichung ( 9 )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 + = erforderliche Phasenlage des Taktsignals t wird mittels des Phasendrehers 38 eingestellt. Die Einstellung erfolgt am Steuereingang des Phasendrehers 38 vom Stromwinkel-Regler 29 her.
  • Als nächstes wird der Strombetragsregelkreis in Figur 2 betrachtet. Der Istwert (I( dieses Strombetragsregelkreises wird vom Vektoranalysator 36 geliefert. Dieser Istwert III wird dem einen Eingang des Strombetrags-Vergleichers 31 zugeführt. Dem anderen Eingang wird ein Sollwert 111* des Strombetrages zugeführt. Dieser Sollwert IIl* wird über den Entkoppler 33 von einem übergeordneten (nicht dargestellten) Regelkreis geliefert. Er hängt vom Sollwert * der gewünschten Schubkraft Fx des synchronen Linearmotors 2 ab. Die vom Strombetrags-Vergleicher 31 gebildete Regelabweichung lI1* - sII wird über den Strombetrags-Regler 32 als Steuersignal x dem Steuersatz 14 zugeführt.
  • Das Referenzsignal r wird in einen Regler 39 geliefert. Dessen vorgeschalteter Vergleicher 40 ist einerseits mit dem Phasenwinkel # als Istwert und einem auf Null gesetzten Phasenwinkel X* als Sollwert beaufschlagt. Der Regler 39 sorgt dafür, daß der Zeiger r in Figur 3 im stationären Zustand mit dem Hauptfeldspannungszeiger Uh zusammenfällt, daß also der Phasenwinkel # Null ist.
  • Als nächstes wird wieder der Dämpfungs-Regelkreis betrachtet.
  • Es soll hervorgehoben werden, daß das Ausgangssignal des Reglers 26 als Sollwert F*z für die Normalkraftkomponente F z angesehen werden kann. Das Ausgangssignal (Zusatzsteuersignal s) wirkt im wesentlichen auf das Aufschaltsignal p ein, welches andererseits aber auch vom Sollwert X abhängt. Ebenso ist auch der Sollwert |I| * von den Signalen s und F*x abhängig.
  • x Die Relationen werden durch den Entkoppler 33 gebildet.
  • Dabei wird von folgenden tberlegungen ausgegangen: Nach Figur 5 läßt sich für die Vortriebskraftkomponente Fx und für die Normalkraftkomponente F schreiben: FX = kx |I| cos(#i - #) und Fz = kz |I| sin (#i -#), wobei kx, kz Konstanten sind. Durch elementare Umformung ergibt sich hieraus: - Ä) = -arctan ( Pz/Fx) (1) |I| = (FX2/k2+ F 2/k2)1/2 (2) Der Phasenwinkel (#i - ) ist hier die zur Kompensation der Pendelungen erforderliche und gewünschte Abweichung vom optimalen Arbeitspunkt und entspricht somit dem Aufschaltsignal p. Um den Statorstrom ilJkonstant zu halten, muß die angegebene Bezeichnung (2) bei jedem Wertepaar Fx, Sz erfüllt sein.
  • Auf diesen flberlegungen beruht der in Figur 6 gezeigte Entkoppler 33. Danach werden die Signale p und II I * aus den Signalen Fx und Fz* gebildet. Das Zusatzsteuersignal s, das dem Sollwert Fz* der Normalkraftkomponente entspricht, wird -1 nach Multiplikation mit der Konstanten kz mittels eines nicht näher bezeichneten Multipliziergliedes in ein Quadierglied 42 gegeben. Ebenso wird das Signal Fx* nach Multiplikation mit mit der Konstanten kx 1 mittels eines weiteren nicht näher bezeichneten Multipliziergliedes in ein weiteres Quadrierglied 43 gegeben. Die Ausgangssignale beider Quadrierglieder 42, 43 werden in einem Additionsglied 44 zum Summensignal (Fx*2/kx2+ Fz /kz) addiert. Aus diesem wird in einem Radizierglied 45 die Wurzel gezogen. Gemäß Gleichung (2) entsteht somit am Ausgang das Signal |i|*.
  • Weiterhin werden die beiden Signale P* und F* in einem Diviz x dierglied 46 dividiert. Das Quotientensignal Fz*/Fx 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 zur unerwünschten Abweichung (t ) addiert wird, bewirkt die Kompensation der Pendelungen, und das Signal I bewirkt die Konstanthaltung der Vortriebskraftkomponente Fx Beide Steuermaßnahmen werden getrennt voneinander, aber gleichzeitig durchgeführt.
  • Der in Figur 2 dargestellte Dämpfungs-Regelkreis hat eine weitere vorteilhafte Eigenschaft. Er gewährleistet, daß eine für die Dämpfung ausreichende Normalkraftkomponente F z auch dann verfügbar ist, wenn in gewissen Betriebszuständen die Vortriebskraftkomponente Fx zu gering ist. Wenn diese Vortriebskraftkomponente Fx gering ist, weil nur ein geringer Vortrieb erforderlich ist, verlaufen die beiden Kurven Fx, Fz in Figur 5 wegen des geringen Statorstroms I wesentlich flacher als eingezeichnet. Auch in diesem Fall kann eine ausreichende Normalkraftkomponente F z erzeugt werden, nämlich dann, wenn der Phasenwinkel (#i - #) große Werte annimmt, die in der Nähe von t 90 liegen. Dann kann der Statorstrom I groß gemacht werden, ohne daß sich eine große Vortriebskraftkomponente Fx einstellt. Dieses gewünschte Regelverhalten wird durch den beschriebenen Entkoppler 33 erzielt.
  • 3 Patentansprüche 6 Figuren

Claims (3)

  1. Patentansprüche 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, wobei die Wanderfeldwicklung des synchronen Linearmotors mit einer bezüglich Amplitude und Phasenlage veränderlichen Wechselspannung gespeist ist, welche über einen steuerbaren statischen Umrichter durch ein Zusatzsteuersignal einstellbar ist, das von einer Dämpfungs-Regeleinrichtung geliefert wird, die von einem Meßglied mit einer von den Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs abhängigen Größe beaufschlag ist, nach Patent ..... (Patentanmeldung P 23 56 679.2 - VPA 73/3323), dadurch gekennzeichnet, daß als Meßglied (11) eine Reehenschaltung (34) vorgesehen ist, die als von den Vertikalpendelungen abhängige Größe den Betrag ( |Uh| (Uh1 der Hauptfeldspannung berechnet.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zur Regelung des Vortriebs des Triebfahrzeugs auf optimalen Arbeitspunkt vorgesehen ist, daß das von der Dämpfungs-Regeleinrichtung (24) abgegebene Zusatzsteuersignal (s) der Regelabweichung dieses Regelkreises aufgeschaltet ist, und daß zur Bildung des Istwerts ( X) dieses Regelkreises und zur Berechnung des Betrags ( 1Uh1 ) der Hauptfeldspannung eine gemeinsame Rechenschaltung (34) vorgesehen ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang der Rechenschaltung (34) und der Dämpfungs-Regeleinrichtung (24) ein Hochpaßfilter (23a) vorgesehen ist.
    L e e r s e i t e
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