DE3135613C2 - Verfahren zum Anpassen der Zugkraft eines Laufachsenlosen Drehstrom-Schienentriebfahrzeuges an die Rad-Schiene-Haftwertgrenze und Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens - Google Patents

Abstract

In einem Drehstrom-Schienentriebfahrzeug, das durch Asynchronmotoren angetrieben wird, wird das folgende automatische Schleuderschutz-Verfahren angewendet: Mittels eines Impulsgebers wird der Zustand des Makro-Schlupfes zwischen den Treibrädern und den Schienen erfaßt, der auftritt, wenn die Zugkraft oberhalb der Haftwertgrenze liegt. Der Impulsgeber erzeugt hierbei einen Steuerimpuls, der ein Kommando für automatisches Sanden auslöst und zeitlich unmittelbar davor eine Verminderung der am Asynchronmotor anliegenden elektrischen Spannung. Durch diese Maßnahme wird die Drehmomentkennlinie des Motors derart geändert, daß sie anstelle des normalen steilen Verlaufes einen flacheren Verlauf annimmt. Hierdurch wird erreicht, daß die Zugkraft nahe an der effektiven Haftgrenze verbleibt, ohne diese zu überschreiten, wobei eine Rücknahme der Motorleistung unterbleibt.

Description

a) Mittels eines an einem Treibradsatz angeordneten Impulsgebers wird der Schlupfzustand zwischen den Treibrädern und den Schienen erfaßt und beim Auftreten eines Makroschlupfes ein Steuerimpuls erzeugt;

b) der Steuerimpuls löst ein Kommando für das Sanden aus;

c) der Steuerimpuls löst außerdem zeitlich unmittelbar vor Jem Sanden mit elektrischen Mitteln ein Verändern der DrehnioincnikcnnHnic des Asynchronmotors ohne Lastrücknahme aus und zwar derart, daß die Drehmomentkennlinie anstelle des normalen steilen Verlaufes einen flacheren Verlauf annimmt;

d) nach dem Abklingen des Makroschlupfes erfolgt ein Steilerstellen der Drehmomentkennlinie des Asynchronmotors (Verminderung des elektrischen Schlupfes) entsprechend dem Zustand vor dem Auftreten des Makroschlupfes ;

e) im Falle fortdauernden Makroschlupfes wird nach wiederholtem erfolglosen Flacherstellen der Kennlinien die Motorleistung in kleinen Schritten (nahezu kontinuierlich) zurückgenommen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flacherstellen der Drehmomentkennlinie durch Minderung der am Asynchronmotor anliegenden elektrischen Spannung erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abflachung der Drehmomentkennlinie des Asynchronmotors und nach dem Sanden eine Frequenzerhöhung ausgelöst wird unter Beibehaltung der bisher eingestellten Motorbelastung.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Abklingen des Makroschlupfes beim Steilerstellen der Drehmomentkennlinie des Asynchronmotors eine entsprechende Frequenzminderung bei konstanter Motorlast erfolgt

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der den Schlupf erfassende Impulsgeber als Beschleunigungsmesser ausgebildet ist.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber als Schwingungsdetektor ausgebildet ist, der an einer Treibachse die bei Makroschlupf entstehenden Drehschwingungen des einen Treibrades gegen das andere erfaßt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehschwingungsdetektor als Resonator ausgebildet und mit seiner Eigenfrequenz auf die genannte Drehschwingung abgestimmt ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anpassen der Zugkraft eines laufachsenlosen Drehstrom-Schienentriebfahrzeuges, das durch Asynchronmotoren angetrieben wird, an die Rad-Schiene-Haftwertgrenze.

Einrichtungen zum Durchführen solcher Verfahren sind die sogenannten automatischen Schleuderschutzeinrichtungen. Deren Zweck besteht darin, die Zugkraft eines Schienentriebfahrzeuges möglichst nahe an der Haftwertgrenze zu halten; & h. es soll der maximal iaögliehe Haftwert zwischen Rad und Schiene ausgenutzt werden. Dieser kann bekanntlich schwanken, z. B. infolge von Witterungseinflüssen. Eventuelle Zugkraftminderungen sollen sowohl nach Größe als auch nach Zeit minimiert werden. Ein sekundäres Ziel der Schleuderschutzeinrichtung ist es. Überbeanspruchungen im elektrischen Teil oder im mechanischen Teil einer Lokomotive zu verhindern.

Die folgenden Verfahren, die einen automatischen Schleuderschutz herbeiführen, sind bekannt:

1. Bei herkömmliche!! elektrischen Triebfahrzeugen, deren Motoren eine Hauptschlußcharakteristik besitzen, wird beim Eintreten eines Schleudervorganges die Spannung erniedrigt, womit ein stärkerer Abfall der Zugkraft eintritt Gleichzeitig wird gesandet und in der Regel die Schleuderbremse angelegt Hierdurch wkd verhindert, daß ein Hochdrehen des Treibradsatzes bei nicht ausreichendem Haftwert einsetzen kann. Nach Wiedererlangung des erforderlichen Haftwertes erfolgt wieder eine Erhöhung der Spannung und das Lösen der Schleuderbremse.

2. Bei dieselhydraulischen Lokomotiven wird im Falle des Schleuderns die Dieselmotor-Leistung zurückgenommen und diese nach dem Sanden in einem solchen Maße wieder aufgeschaltet, wie es der zur Verfügung stehende Haftwert zuläßt

3. Bei Drehstrom-Triebfahrzeugen, deren Asynchronmotoren über Thyristoren vTspeist werden, besteht in der Fachwelt Einmütigkeit darüber, daß wegen der steilen Kennlinie des Asynchronmotors eine echte Schleudergefahr in vorgenannten Sinne nicht gegeben ist, daß die Treibachse bei plötzlichen Haftwertminderungen nicht hochdrehen kann, sondern den eben noch zur Verfügung stehenden Haftwert ausnützt So erwartet man von einer vierachsigen Drehstromlokomotive ein Zugförderungsprogramm, das früher teilweise nur mit sechsachsigen Lokomotiven bewältigt werden konnte. Bei einem Drehstrom-Triebfahrzeug muß jedoch damit gerechnet werden, daß im Falle eines Überschreitens der Zugkraft über die Haftwertgrenze (oder im Falle eines Absinkens der Haftwertgrenze unter die momentane Zugkraft) ein sogenannter Makroschlupf zwischen den Treibrädern und den Schienen auftritt. Dabei entstehen gefährliche Radsatzschwingungen; das sind Drehschwingungen der einen Radscheibe gegen die andere. Man versucht deshalb, den Makroschiupf so rasch wie möglich zu beseitigen und gleichzeitig eine Überlastung der Thyristoren zu vermeiden. Hierzu wird die Motorleistung selbsttätig zurückgenommen. Dies jedoch bedeutet eine unerwünschte (wenn auch meist vorübergehende) Minderung der Zugkraft.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, π Verfahren zum Vermindern des Rad-Schiene-

Schlupfes bei einem durch Asynchronmotoren angetriebenen Drehstrom-Schienentriebfahrzeug anzugeben, durch das sichergestellt wird, daß bei nicht mehr ausreichendem Haftwert die Zugkraft des Schienentriebfahrzeuges möglichst weitgehend erhalten bleibt, ohne daß eine Rücknahme der Motorleistung vorgenommen werden muß.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahre«* gelöst

Der Erfindung liegt die folgende Erkenntnis zugrunde:

Fährt ein Zug mit einem Drehsirom-Triebfahrzeug etwa mit konstanter Geschwindigkeit, so wird im Falle des Auftretens von Makroschlupf im ersten Moment die Zuggeschwindigkeit wegen der großen Masse des Zuges noch konstant bk- jen. Sicher ist auch, daß das elektrische Primärfeld des Elektromotors seine Drehgeschwindigkeit beibehält Trifft man die Annahme, daß zunächst (vor dem Sanden) ein Schlupf zwischen Rad und Schiene von z. B. 2% auftritt und der elektrische Schlupf im Motor z. B. 1,5% ist, dann liegt ein Gesamlschlupf (elektrisch und mechanisch) von 3,5% vor. Wird in diesem Zustand gesandet (um den Haftwert zu erhöhen), dann ist die Annahme zulässig, daß sich der Schlupf zwischen Rad und Schiene von den genannten 2% auf z. B. 1 % vermindert Wegen der vorgenannten Randbedingungen muß hierbei der elektrische Schluß auf 2,5% ansteigen, da der Gesamtschlupf von 3,5% zunächst erhalten bleibt Dies bedeutet aber auf Grund der sehr steilen Kennlinie des Asynchronmotors, daß bei dem stark erhöhten elektrischen Schlupf das Motormoment in der Regel zu stark ansteigt, daß die Zugkraft die effektive Haftwertgrenze zwischen Rad und Schiene trotz des Sandes noch weiter überschreitet Notwendigerweise muß also, wegen der Überlastempfindlichkeit der Thyristoren, eine Rücknahme der Motorbelastung mittels Frequenzminderung eingeleitet werden. Damit wird also das Ziel, durch Sanden eine möglichst hohe Zugkraft aufrechtzuerhalten, nicht erreicht.

Mit Messungen zum Verlauf der Kraftschluß/ Schlupf-Funktion beschäftigt sich ein Beitrag im Heft »Elektrische Bahnen« 77 (1979), Heft 12, Seite 329-338. Der Schlupf zwischen Rad und Schiene, gemessen an einem angetriebenen und einem nicht angetriebenen Rad, dient als Meßgröße. Für moderne laufachsenlose Lokomotiven ist diese Drehzahlmessung zur Schlupferfassung nicht anwendbar, vielmehr geht die Erfindung von der auftretenden Beschleunigung eines Radsatzes bei Beginn eines Schleudervorganges aus, der sich im Bereich des Makroschlupies als Ratterschwingung zwischen den Radscheiben äußert.

Ferner wird im Heft »ZEV-Glaser's Annalen« 104 (1980), Heft 8/9, Seite 309-321 auf den Verlauf von Kennlinien verwiesen und daß, wie bekannt, wegen der steilen Kennlinie des Asynchronmotors bei zu großem Schlupf ein Überlastungsschutz anspricht. Dies soll praktisch durch Bildung einer künstlichen Kennlinie verhindert werden, die ermöglicht, daß die Zugkraft in weniger als 0,5 Sek. auf Null abgesenkt wird. Bei Asynchronmotoren bedeutet das beschriebene Aufschalten eine Leistungsminderung durch Erhöhung der Frequenz, also ein Steuervorgang mit künstlicher Kennlinie. Die Erfindung strebt jedoch an, die Leistung und das Drehmoment am Rad während des Schleuderns nicht zu reduzieren. Vor dem Sanden soll die Zugkraft voll erhalten bleiben, während lediglich der Verlauf der Kennlinie durch den momentanen Betriebspunkt durch Spannungsreduktion vorübergehend abgeflacht werden soll.

Die Erfindung beschreitet also einen Weg ohne Lastrücknahnr;.

Bekannt ist auch aus der DE-OS 27 39 567 die Tatsache, daß durch künstliche Spannungs- und gleichzeitige Frequenzänderung einem möglichen Schleudervorgang entgegengewirkt werden kann, jedoch nicht mit der Zielvorstellung des Erfindungsgegenstandes. Eine Differenzgeschwindigkeits-Messung aus der Umfangsgeschwindigkeit einzelner Treibachsen mit Drehstromantrieb ist jedoch nicht möglich, weil dabei praktisch alle Achsen über eine elektrische Welle verbunden sind und keine Geschwindigkeitsunterschiede zwischen 0,7 und 4 m/s Zustandekommen.

Es ist aus der DE-AS 12 04 700 ferner bekannt, einen für einen Schleuderschutz erforderlichen Beschleunigungsgeber in seiner Empfindlichkeit so einstellbar zu machen, daß äußere Einflüsse wie Schienenstöße nicht bereits einen Schleudervorgang vortäuschen, der gar nicht vorliegt Bei Vorliegen eines echten Impulses wird dort das Schleudern durch begre.ute Drehmomentbzw. Zugkraf !absenkung verhindert

Aus der DE-AS 25 03 703 ist auch ein Meßprinzip bekannt bei dem ein Elektromotor selbst als Meßgeber bei sehr niederfrequenten Schwingungen verwendet wird. Beim Anmeldungsgegenstand stellt hingegen die Eigenfrequenz der Schwingung der Radscheiben gegeneinander unter Beteiligung der Elastizität der Achswelle im Falle des Drehstromantriebes den Impulsgeber dar, da ja bekanntermaßen bei konstanter Frequenz die Radsätze selbst nicht plötzlich hochdrehen können.

In der DE-AS 29 17 673 wird zwar ein Verfahren an laufachsenlosen Triebfahrzeugen mit Drehstromfahrmotoren aufgezeigt mit dem das von den Rädern an der Haftreibungsgrenze maximal übertragbare Drehmoment mit elektrischen Mitteln erzielt wird. Das Auftreten von Makroschlupf wird jedoch auf andere Weise verhindert als beim Erfindungsgegenstand.

Erfindungsgemäß wird nunmehr vorgeschlagen, daß bei einsetzendem Makroschlupf zwischen Rad und Schiene die sehr steile Drehmoment-Kennlinie des Asynchronmotors mit elektrischen Mitteln verflacht wird. Dies kann z. B. durch eine Spannungsminderung herbeigeführt werden (Anspruch 2). lii jedem Fall wird hierbei nicht nur die Motorkennlinie weniger steil, sondem auch das Kippmoment wird stark herabgesetzt. Damit kann — trotz wesentlich größerer elektrische Schlupfwerte — beim Sanden keine solch starke Drehmomenterhöhung auftreten, daß der Haftwert erneu; überschritten wird. Erfindungsgemäß wird der Zeitpunkt für die Kennlinien-Verflachung unmittelbar vor (vorzugsweise um Bruchteile einer Sekunde vor) das Wirksaniwerden der Haftwerterhöhung infolge des Sandys gelegt. Ist der Gesamtschlupf (mechanisch und elektrisch) infolge der erfolgten Spannungsminderung etwas größer als vor der Spannungsabsenkung ohne Sand, dann tritt jetzt eine selbsttätige Frequenzerhöhung ein (entsprechend der eingestellten Last und dem Zugkraftverlauf). Dies gilt jedoch nur für den Fall, daß selbsttätiges Hochfahren auf eine bestimmte Fahrge-

W) schwindigkeit befohlen und diese noch nicht erreicht worden ist. Andernfalls ist es zweckmäßig, eine solche Frequenzerhöhung durch das erfindungsgemäße Steuersignal auszulösen (Anspruch 3). Wesentlich für die Erfindung ist, daß in keinem Falle mehr eine Rücknahme

S5 der Last erfolgt. Durch die Erfindung gelingt es somit besser als bisher, daß eine Drehstrom-Lokomotive auch in kritischen Situationen ihre volle Zugkraft entwickeln kann.

31 OD DlO

In der Zeichnung sind die oben beschriebenen Zusammenhänge näher dargestellt. Diese zeigt ein Diagramm, worin die

Linie 1 die Zugkraftlinie einer Drehstrom-Lokomotive über der Fahrgeschwindigkeit darstellt, und zwar ohne Sand. Für diese Linie gilt die Annahme, daß die Haftwertgrenze bereits erreicht bzw. leicht überschritten worden sei.

Linie 2 stellt die normale, sehr steile Kennlinie des Asynchronmotors dar,

Linie 3 die abgeflachte Kennlinie des Asynchronmotors infolge der erfindungsgemäßen Spannungsabsenkung,

Linie 4 die Haftwertgrenze mit Sand.

Als Impulsgeber für die Auslösung des Schleuder-Schutzes dient z. B. ein Beschleunigungsmesser, der an der Treibachse angeordnet ist. Eine andere Möglichkeit nutzt den schon erwähnten Umstand, daß beim Auftreten von Makroschlupf eine Schwingungsform von Radscheibe gegen Radscheibe an der verbindenden Elastizitat der Achse entsteht. Die Eigenfrequenz liegt in der Regel zwischen 60 und 70 Hz. Diese Schwingungsform kann nun von einem Schwingungsdetektor erfaßt werden und somit den Steuerimpuls liefern. Erfindungsgemäß wird weiterhin vorgeschlagen, diesen Schwingungsdetektor als Resonator auszubilden, abgestimmt auf die Eigenfrequenz der Radscheibenschwingung. Auf diese Weise wird eine deutliche und funktionssichere Impulsgabe erreicht. Der Impulsgeber kann auch als Schwinggeschwindigkeitsgeber ausgebildet sein.

Ist der Makroschlupf abgeklungen durch Haftwerterhöhung (mit Sand), dann kann die Spannung wieder erhöht werden. Der elektrische Schlupf wird entsprechend kleiner, die eingeprägte Frequenz bei gleicher Last entsprechend der elektrischen Schlupfänderung gering niedriger. Bei ausreichendem Haftwert erfolgt die Einstellung des Sandes. Andernfalls beginnt der Schleuderschutzablauf von vorn. Nur wenn sich dies wiederhohlt, ist die Lokomotive tatsächlich zugkraftmäßig überfordert, z. B. durch die Anhängelast. In diesem Falle ist es zweckmäßig, daß durch das sich wiederholende Schleuderschutzspiel selbsttätig eine langsame, schrittweise Zurücknahme der Motorleistung ausgelöst wird.

Falls das Schienentriebfahrzeug mehrere elektrisch voneinander unabhängige Antriebe aufweist, z. B. zwei getrennt angespeiste Drehgestelle, dann muß damit gerechnet werden, daß Makroschlupf an einem der Radsätze (oder an den Radsätzen eines der Drehgestelle) früher auftritt als an den anderen. Deshalb ist es zweckmäßig, jedem Radsatz oder jeder Radsatzgruppe eine eigene Schleuderschutzeinrichtung zuzuordnen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anpassen der Zugkraft eines durch Asynchronmotoren angetriebenen laufachsenlosen DrehstromSchienentriebfahrzeuges an die Rad-Schiene-Haftwertgrenze, wobei elektrische Mittel vorgesehen sind, die dem Auftreten eines Makroschlupfes entgegenwirken, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: