DE2406820C3 - Schaltungsanordnung für ein fahrweggebundenes Triebfahrzeug - Google Patents

Description

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, 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 beaufschlagt ist Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der Literaturstelle »Proceedings of the IEEE«, Bd. 61, Nr. 5, Mai 1973, Seite 586 bis 598, insbesondere Seite 597 und aus der DE-OS 23 22 467 bekannt
Beim Betrieb eines fahrweggebundenen Triebfahrzeugs mit Schwebeeinrichtung treten, wie die Erfahrung lehrt, senkrecht zur Fahrwegebene mechanische Schwingungen oder Pendelungen auf, die höchst unerwünscht sind. Das durch die Schwebeeinrichtung über der Trasse in Schwebe gehaltene Triebfahrzeug

is 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

In der bereits erwähnten Literaturstelle »Proceeding of the IEEE« wird eine Schaltungsanordnung zur Dämpfung der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs angegeben, die sich durch einen einfachen und kostensparenden Aufbau auszeichnet Diese Schaltungsanordnung umfaßt ein Meßglied, das die Vertikalbewegung des Triebfahrzeugs mißt Das Ausgangssignal dieses Meßgliedes wird als zusätzliches Eingangssignal einem Regltr zugeführt, der zur Regelung der Phase des Wanderfeldes vorgesehen ist und auf einen an die Wanderfeldwicklung angeschlossenen Umrichter einwirkt Nach der DE-OS 23 22 467, insbesondere Seite 10, kommen als Meßglieder zur Bestimmung der Vertikalbewegung Beschleunigungs- und Höhenmesser in Betracht

Als Meßglied kann prinzipiell ein solches verwendet werden, das auf einer Messung einer mechanischen Größe beruht, oder ein solches, das von einer Messung der elektrischen Leistungspendelungen in der Wanderfeldwicklung ausgeht

-to Zu der ersten Gruppe von Meßgliedern zählt z. B. das bereits erwähnte 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 Funk erfolgen.

Zu der zweiten Gruppe von Meßgliedern zählt ein elektrisches Leistungsmeßglied, welches am Einspeisepunkt an der Wanderfeldwicklung angeordnet werden

so müßte. Es ist prinzipiell möglich, ein solches elektrisches Leistungsmeßglied zu verwenden, weil die mechanischen Vertikalpendelungen zu veränderlichen Bremsverlusten und diese zu Wirkleistungsänderungen führen. Mit einem solchen Leistungsmeßglied ließe sich also eine indirekte Messung des Schwingungszustandes des Triebfahrzeugs in seiner Normalrichtung am Ort der Energieeinspeisung in die Wanderfeldwicklung durchführen. Eine Funkenübertragung wäre hierbei nicht erforderlich. Bei Verwendung eines Leistungsmeßgliedes werden aber 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 und daher unberücksichtigt bleiben sollten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein

Meßglied anzugeben, bei dessen Verwendung man gleichfalls ohne Funkübertragung auskommt und das ein Signal für die Vertikalpendelungen abgibt, welches unabhängig von Störungen der genannten Art ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dedurch gelöst, daß als Meßglied am Einspeisepunkt des Umrichters an der Wanderfeldwicklung sowohl ein Stromwandler als auch ein Spannungswandler vorgesehen ist, denen eine Rechenschaltung nachgeschiUtet ist, die aus den Werten der Frequenz, der Spannung und des Stromes am EinspeisepüEkt sowie aus denn Widerstandswert und der Induktivität des synchronen Linearmotors als von den Vertikalpendelungen abhängige Größe den Betrag der fiktiven, durch die Bewegung des Erregers in der Wanderfeldwicklung induzierten 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 Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Regelkreis zur Regelung des Vortriebs des Triebfahrzeugs auf optimalen Arbeitspunkt vorgesehen ist, dessen Istwert der Phasenwinkel zwischen dem Vektor der Hauptfeldspannung einerseits und dem Vektor eines vorgegebenen Referenzsignals andererseits ist, daß das von der Dämpfungs-Regeleinrichtung abgegebene Zusatzsjiuersignal der Regelabweichung dieses Regelkreises aufgeschaltet ist, und daß xur Bildung des Istwertes dieses Regelkreises und zur Errechnung des Betrags der Hauptfeldspannung eine gemeinsame Rechenschaltung vorgesehen ist, der auf den Vektor des Referenzsignals bezogene Werte der Spannung und des Stromes zugeführt sind.

Um den Gleichanteil des. Meßsignals abzutrennen, sollte zwischen dem Ausgang der Rechenschaltung und der Dämpfungs-Regeleinrichtung ein Hochpaßfilter vorgesehen sein.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert Für gleiche Bauteile werden dabei dieselben Bezugszeichen verwendet Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines synchronen Linearmotors in Langstatorausführung mit einer Steuer- und Regeleinrichtung,

Fig.2 eine schematische Darstellung eines synchronen Linearmotors mit einer bevorzugten Steuer- und Regeleinrichtung und mit einer Rechenschaltung zur Berechnung der Hauptfeldspannung,

Fig.3 ein Zeitdiagramm für den Betrieb des Umrichters nach F i g. 1 und 2,

Fig.4 ein Zeigerdiagramm für den optimalen stationären Betrieb des Umrichters nach F i g. 1 oder 2,

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

F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel des in F i g. 2 eingezeichneten Entkopplers.

Nach Fig. 1 enthält ein Magnetschwebefahrzeug einen synchronen Linearmotor 2, der zum Antrieb in Richtung des Doppelpfeiles 3 dien;. Das Magnetschwebefahrzeug kann dabei eine Hochleistungsschnelibahn 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 statt dessen Permanentmagnete oder eine konventionell mit einem Eisenkern ausgerüstete Erregerwicklung verwendet werdea

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
Die Wanderfeldwicklung 5 ist am Einspeisepunkt 10 über ein Meßglied 11 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 vorgesehen 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 χ wird dabei durch eine Sleuer- 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 Magnet-

schwebefahrzeugs, 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 Meßgleid 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 Tatsache, daß bei einem synchronen Linearmotor zwei Kraftkomponenten F₁, F_z in Vortriebs- bzw. Normalrichtung auftreten und eine getrennte Steuerung dieser Kraftkomponenten F_x, 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.

Fig.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 Fig. 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 F i g. 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 rund ,/gebildet wird. Der Zeiger rstellt 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 /im eingezeichneten Drehsinn um.

In Fig.3 sind der Spannungszeiger U und der Statorstromzeiger / am Einspeisepunkt 10 (vgl. F i g. 1 und 2) gezeigt Der Spannungsteiler U setzt sich aus der geometrischen Summe der vom Triebfahrzeug in der Wandelfeldwicklung 5 induzierten Hauptfeldspannung Uh und den Spannungsabfällen IR und jlinfL an ohmschen bzw. induktiven Widerstand zusammen. Mit dem Zeiger r schließt der Spannungszeiger U den Spannungsphasenwinkel φ» der Statorstromzeiger / den Stromphasenwinkel φ,- und der Hauptfeldspannungszeiger (/«den Phasenwinkel λ ein.

Es wird davon ausgegangen, daß der Differenzwinkel (λ - (po), also der Winkel zwischen dem Spannungszeiger t/am Einspeisepunkt 10 einerseits und dem Zeiger der fiktiven, nicht direkt meßbaren Hauptfeldspannung L/*, 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 F i g. 3 ergibt sich nun, daß der Phasenwinkel λ und der Betrag der fiktiven Hauptfeldspannung Uh bei Kenntnis der Werte U,I,f, R

ίο und L entsprechend dem dargestellten Zeigerdiagramm ohne weiteres berechnet werden können.

Der Wirkungsgrad des synchronen Linearmotors 2 hängt stark von der Höhe der Leitungsverluste PR entlang der Strecke ab, wobei / der speisende Statorstrom und R der ohmsche Widerstandswert der Wanderfeldwicklung 5 bedeutet Daher sollte ein Betrieb mit möglichst geringem Statorstrom / angestrebt werden, wobei die erforderliche Vortriebskraftkomponente F_x durch eine hohe Zahl von Magnetpolen im Triebfahrzeug aufgebracht werden kann. Bei gegebenem Statorstrom / wird eine maximale Vortriebskraftkomponente F_x 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 dei Statorstromzeiger /in F i g. 3 in dieselbe Richtung weis! wie der Hauptfeldspannungszeiger Uh. Es muß dann also die Winkelbeziehung λ = φ, gelten.

F i g. 4 zeigt das Zeigerdiagramm für den optimaler

stationären Betrieb, der unter Beachtung diesel

Winkelbeziehung aus dem Zeigerdiagramm von F i g. c

hervorgeht.

Zusammenfassend läßt sich also sagen: Bei einen-

synchronen Linearmotor 2 in Langstatorausführunj entsteht die Vortriebskraftkomponente F_x durch Wech selwirkung zwischen der durch die Wanderfeldwicklunj 5 hervorgerufenen Strombelagswelle und dem Erreger feld, das durch den im Triebfahrzeug angeordneter Erreger hervorgerufen wird. Die Vortriebskraftkompo nente F_x ist maximal im optimalen Arbeitspunkt (vgl F i g. 4), der im Zeigerdiagramm durch gleiche Phasenla ge vom Statorstromzeiger /und Hauptfeldspannungs zeiger Uh definiert ist

In Fig.5 sind die Vortriebskraftkomponente F_x unc die Normalkraftkomponente F₂ eines synchronen Line armotors 2 als Funktion des Phasenwinkels (φ,—λ] aufgezeichnet Der gestrichelte Verlauf unterscheidet sich von dem durchgezogenen Verlauf jeweils durch

so einen höheren Statorstrom /. Aus F i g. 5 geht hervor daß im optimalen Arbeitspunkt <p,=A keine Kraftkom ponente F₂ in Richtung der Normalen ζ der Fahrbahnebene besteht Die Kraftkomponente F_x in Richtung dei Vortriebsrichtung χ besitzt hier ihren Maximalwert Eine Normalkraftkomponente F₁ tritt erst dann auf wenn der Betriebspunkt nicht mehr mit dem optimaler Arbeitspunkt ψ,=λ zusammenfällt Befindet sich dei Betriebspunkt jedoch in der Nähe des optimale! Arbeitspunktes φ,—λ, so weicht die Vortriebskraftkom ponente F_x nur geringfügig von ihrem Maximalwert ah Die Normalkraftkomponente F_z ändert sich jedocl schon bei kleinen Abweichungen vom optimalei Arbeitspunkt beträchtlich. Dabei ist das Vorzeichei dieser Normalkraftkomponente F₂ vom Vorzeichen de

f)5 Phasenwinkels (<p,—λ) abhängig.

Aus F i g. 5 geht weiter hervor, daß mit steigende Abweichung vom optimalen Arbeitspunkt <ρ,·=λ eini größer werdende Normalkraftkomponente F₁ auftritl

Wird der Phasenwinkel (φ,—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 durch vom linearen Synchronmotor gelieferte Stellkräfte kompensieren. Dabei kann gleichzeitig durch Veränderung der Größe des Statorstroms /dafür gesorgt werden, daß die Vortriebskraftkomponente F_x konstant bleibt Diesem Zweck dient ein Entkoppler. Mit diesem lassen sich die Vortriebskraftkomponente F»und die Normalkraftkomponente Fz unabhängig voneinander steuern, wenn als Stellgrößen der Phasenwinkel (φ,—A) und die Amplitude des Statorstroms /verändert werden.

Ein Dämpfungsregelkreis zur Dämpfung der Vertikalpendelungen erfordert ein Meßglied, welches den Schwingungszustand des Triebfahrzeugs in Richtung der Normalen z, also senkrecht zur Fahrbahnebenc 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 einen drahtlosen Nachrichtenkanal an die Umrichterstation zu übertragen. Bei der Dämpfungsregeleinrichtung nach Fig.2 wird ein solcher Nachrichtenkanal eingespart, da ein indirektes Meßverfahren angewendet wird.

Bei diesem indirekten Meßverfahren wird von folgender Überlegung ausgegangen: Der Betrag der Hauptfeldspannung U/, ändert sich als Funktion der Schwebehöhe. Bei einer großen Schwebehöhe tritt eine kleine und bei einer kleinen Schwebehöhe tritt eine große Hauptfeldspannung U_h auf. Bei vorgegebener Geschwindigkeit des Triebfahrzeugs läßt sich somit der Schwingungszustand' des Triebfahrzeugs in Richtung der Normalen ζ aus der Hauptfeldspannung Uh bestimmen. Der Betrag der Hauptfeldspannung 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 Auftrtem von Vertikalpendelungen zusätzlich ein Wechselanteil überlagert ist Der von den Vertikalschwingungen des Triebfahrzeugs herrührende Wechselanteil läßt sich über ein Hochpaßfilter abtrennen und weiterverarbeiten.

Im folgenden wird wieder F i g. 2 betrachtet Danach ist das Meßglied 11 nicht für eine direkte Messung der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs vorgesehen. Wie später noch näher erläutert wird, erhält man auf rechnerischem Wege ein Signal für den Betrag |t//,| der Hauptfeldspannung Uh- Dieses Signal, das direkt am Ort des Umrichters 12 verfügbar ist, wird dem Eingang eines Hochpaßfflters 23a zugeführt Das am Ausgang des Hlters 23a abgegebene Signal \Uh\w schwankt in seiner Amplitude mit der Taktfrequenz der Vertikalpendelungen des Triebfahrzeugs. Der Gleichspannungsanteil ist abgetrennt und wird nicht weiterverarbeitet Das Signal I Uh] «τ wird dem Eingang einer Dämpfungs-Regeleinrichtung 24 zugeführt, die aus einem Vergleicher 25 und einem nachgeschalteten Regler 26 besteht Im Vergleicher 25 wird es mit einem Sollwert j 1/λ|£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 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 <ρ,·=λ (vgl. Fig.5); er erzeugt dabei keine Normalkraftkomponente F₂. Hat das Zusatzsteuersignal s einen Wert ungleich Null, so wird

ίο 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 φ,—λ ergibt sich eine Normalkraftkomponente F₂; gleichzeitig ergibt sich (nach Fig.5) aber auch eine Reduzierung der maximalen Vortriebskraftkomponente F_x. Zur Kompensierung dieser Reduzierung wird im vorliegenden Fall das Zusatzsteuersignal s gleichzeitig so in den besagten Regelkreis eingegeben, daß sich eine Erhöhung des Statorstroms / einstellt In F i g. 5 wird dabei also vom durchgezogenen auf den gestrichelten

Verlauf der Kraftkomponenten F_x, F_z übergegangen.

Nach F i g. 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 F i g. 2

betrachtet Der Stromwinkel-Vergleicher 28 ist zur

Bildung des Phasenwinkels (<p;—λ) aus der Differenz

zwischen dem Phasenwinkel φ, und dem Phasenwinkel λ vorgesehen. Der Phasenwinkel λ, der die Phasenlage der Hauptfeldspannung Uh nach F i g. 3 festlegt, wird dabei durch einen Pollagegeber erfaßt Der Pollagegeber kann nach der älteren deutschen Patentanmeldung P 23 41 761.0 insbesondere eine Rechenschaltung 34 sein, die gemäß dem Zeigerdiagramm von F i g. 3 die Berechnung des Betrags | Ut\ und des Phasenwinkels λ der Hauptfeldspannung Uh vornimmt Danach werden in die Rechenschaltung 34 insgesamt sieben Signale eingegeben. Zunächst einmal sind es zwei Signale für die

so Spannung U am Einspeisepunkt 10, die am Spannungswandler 21 abgegriffen und einem Vektoranalysator 35 zugeführt wird. Diese Spannung t/wird im Vektoranalysator 35 mit HiUe eines Referenzsignals, das dem Zeiger r in F i g. 3 und 4 entspricht, in ein Signal J U\, das ein Maß für ihren Betrag ist, und in ein Signal φ,,, das ein Maß für ihren auf das Referenzsignal bezogenen Phasenwinkel ist, aufgespalten. Weiterhin sind es zwei Signale für den Statorstrom L Der am Stromwandler 20 abgegriffene Statorstrom / wird einem weiteren

eo Vektoranalysator 36 zugeführt Dieser spaltet den Statorstrom /entsprechend in ein Signal | J|, das ein Maß für seinen Betrag ist, und in ein Signal φ» das ein Maß für seinen auf das Referenzsignal r bezogenen Phasenwinkel ist, auf. Dazu wird wiederum das Referenzsignal τ benödgt Schließlich werden in die Rechenschaltung 34 noch der ohmsche Widerstandswert R, die Induktivität L und die Arbeitsfrequenz /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 Rechenschaltung berechnet aus den sieben eingegebenen Signalen den Betrag | Uh\ und den Phasenwinkel λ der fiktiven , nicht meßbaren Hauptfeldspannung Uh.

Im optimalen Arbeitspunkt muß der Statorstrom / dieselbe Phasenlage haben wie die Hauptfeldspannung Uh- Es muß also g>,=A gelten. Der durch Aufspaltung aus ι ο dem Statorstrom / gewonnene Phasenwinkel <p, wird dem Stromwinkel-Vergleicher 28 zugeführt Diesem wird auch der Phasenwinkel λ zugeführt Die Abweichung, also der Phasenwinkel (φ,—λ), wird hier durch Phasendifferenzmessung gebildet und dem Eingang des is Stromwinkel-Reglers 29 über ein Additionsglied 37 zugeführt. Diesem Additionsglied 37 wird zusätzlich von dem Entkoppler 33 ein Aufschaltsignal ρ zugeführt, welches ein Maß für die gewünschte Abweichung (ςρ/—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 f auf den Steuersatz 14 des Umrichters 12 gegeben. Die zur Einhaltung des optimalen Arbeitspunktes φ,=λ erforderliche Phasenlage f 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 Fig.2 betrachtet Der Istwert |/| dieses Strombetragsregelkreises wird vom Vektoranalysator 36 geliefert Dieser Istwert |7| wird dem einen Eingang des Strombetrags-Vergleichers 31 zugeführt Dem anderen Eingang wird ein Sollwert |/|* des Strombetrages zugeführt. Dieser Sollwert |7|* wird über den Entkoppler 33 von einem übergeordneten (nicht dargestellten) Regelkreis geliefert Er hängt vom Sollwert F_x* der gewünschten Schubkraft F_x des synchronen Linearmotors 2 ab. Die vom Strombetrags-Vergleicher 31 gebildete Regelabweichung \1\* —17| wird über den Strombetrags-Regler 32 als Steuersignal χ dem Steuersatz 14 zugeführt

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

Als nächstes wird wieder der Dämpfungs-Regelkreis betrachtet Es soll hervorgeheben werden, daß das Ausgangssignal des Reglers 26 als Sollwert F/für die ss Normalkraftkomponente F_x 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 |J|* von den Signalen s und Ff abhängig. Die Relationen werden durch den Entkoppler 33 gebildet

Dabei wird von folgenden Überlegungen ausgegangen: Nach F i g. 5 läßt sich für die Vortriebskraftkomponente F_x und für die Normalkraftkomponente F_z schreiben:

F_x = *,|/|cos(_7/-A)
F. = -fc.|/|sin(vi-

wobei k_x, k₂ Konstanten sind. Durch elementare Umformung ergibt sich hieraus

(<_η-λ) = -arctan

Der Phasenwinkel (φ,—λ) ist hier die zur Kompensation der Pendelungen erforderliche und gewünschte Abweichung vom optimalen Arbeitspunkt und entspricht somit dem Aufschaltsignal p. Um den Statorstrom \1\ konstant zu halten, muß die angegebene Beziehung (2) bei jedem Wertepaar F_x, F_z erfüllt sein.

Auf diesen Überlegungen beruht der in Fig.6 gezeigte Entkoppler 33. Danach werden die Signale ρ \1\* 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 Quadrierglied 42 gegeben. Ebenso wird das Signal F/nach Multiplikation mit der Konstanten Ar_x-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 (FfVAri+ FiP/JtJ) 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 Ff und F_x* in einem Dividierglied 46 dividiert Das Quotientensignal FSF_x* 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 (φι—λ) addiert wird, bewirkt die Kompensation der Pendelungen, und das Signal |7|* bewirkt die Konstanthaltung der Vortriebskraftkomponente F_x. Beide Steuermaßnahmen werden getrennt voneinander, aber gleichzeitig durchgeführt

Der in F i g. 2 dargestellte Dämpfungs-Regelkreis hat eine weitere vorteilhafte Eigenschaft Er gewährleistet, daß eine für die Dämpfung ausreichende Nomalkraftkomponente F₂ auch dann verfügbar ist, wenn in gewissen Betriebszuständen die Vortriebskraftkomponente F_x zu gering ist Wenn diese Vortriebskraftkomponente F_x gering ist, weil nur ein geringer Vortrieb erforderlich ist, verlaufen die beiden Kurven F_x, F_x in Fig.5 wegen des geringen Statorstroms /wesentlich flacher als eingezeichnet Auch in diesem Fall kann eine ausreichende Normalkraftkomponente F_x erzeugt werden, nämlich dann, wenn der Phasenwinkel (g>/—A) große Werte annimmt, die in der Nähe von ±90° liegen. Dann kann der Statorstrom / groß gemacht werden, ohne daß sich eine große Vortriebskraftkomponente F_x einstellt Dieses gewünschte Regelverhalten wird durch den beschriebenen Entkoppler 33 erzielt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für ein fahrweggebundenes Triebfahrzeug, das mit einer Hinrichtung zum Schweben über der Trasse und mit einem synchronen Lineannotor 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 Vertikalpeiidelungen des Triebfahrzeugs abhängigen Größe beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßglied (11) am Einspeisepunkt (10) des Umrichters (12) an der Wanderfeldwicklung (5) sowohl ein Stromwandler (20) als auch ein Spannungswandler (21) vorgesehen ist, denen eine Rechenschaltung (34) nachgeschaltet ist, die aus den Werten der Frequenz (f), der Spannung (U) und des Stromes (I) am Einspeisepunkt (10) sowie aus dem Widerstandswert (R) und der Induktivität (L) des synchronen Linearmotors als von den Vertikalpendelungen abhängige Größe den Betrag (| Uh\) der fiktiven, durch die Bewegung des Erregers (4) in der Wanderfeldwicklung(5) induzierten Hauptfeldspannung berechnet

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zur Regelung des Vortriebs des Triebfahrzeugs auf optimalen Arbeitspunkt vorgesehen ist, dessen Istwert der Phasenwinkel (A) zwischen dem Vektor der Hauptfeldspannung (Uh) einerseits und dem Vektor eines vorgegebenen Referenzsignals (τ) andererseits ist, daß das von der Dämpfungs-Regeleinr/chtung (24) abgegebene Zusatzsteuersignal (s) der Regelabweichung dieses Regelkreises aufgeschaltet ist, und daß zur Bildung des Istwerts (Λ) dieses Regelkreises und zur Berechnung des Betrags (|£/»|) der Hauptfeldspannung eine gemeinsame Rechenschaltung (34) vorgesehen ist, der auf den Vektor des Referenzsignals frj bezogene Werte der Spannung (U) und des Stroms (/Jzugeführt sind.

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