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Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung oder Regelung der
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Achsdrehmomente eines Fahrzeuges insbesondere Schienenfahrzeuges abhängig
von den Raddurchmessern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Drehmomentsteuerung
für angetriebene uni/oder mit Bremseinrichtung versehene Achsen von Fahrzeugen vorzugsweise
Schienenfahrzeugen, insbesondere Schienenfahrzeugzügen, mit mehreren Achsen oder
Achs-Gruppen, die DeweilsmiJ gesonderten Antriebseinrichtungen und/oder Bremseinrichtungen
verbunden sind.
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Insbesondere im öffentlichen Nahverkehr soll eine im Fahrplan fixierte
Fahrzeit zwischen allen Stationen einer Linie sowie auf der Gesamtlinie möglichst
genau eingehalten werden. Die Fahrplaneinhaltung ist ein wesentlicher Teil der Attraktivität
des öffentlichen Nahverkehrs. Die Fahrzeit zwischen zwei Stationen im öffentlichen
Nahverkehr ist im wesentlichen durch die Elemente Anfahren, Auslauf und Bremsen
gekennzeichnet. Die Toleranz der Fahrzeit ist dabei möglichst gering zu halten.
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Weitere geforderte Qualitätsmerkmale eines Transportvorganges sind
hohe Reisegeschwindigkeiten für den Fahrgast und geringe Transportkosten für das
Verkehrsunternehmen. Beide Bedingungen schließen einander nicht aus, da sowohl hohe
Anfahrbeschleunigung und hohe Bremsverzögerung zur Erzielung hoher Reisegeschwindigkeiten
bei den im Nahverkehr geringen Haltestellenabständen erforderlich ist, als auch
hohe Anfahrbeschleunigung und hohe Bremsverzögerung bei gegebener Fahrplan-Fahrzeit
eine geringe Traktionsenergieaufnahme bewirkt, da bei gleicher Fahrzeit zwischen
zwei Haltestellen ein Fahrzeug mit höherer Beschleunigung einen geringeren Energieverbrauch
als ein Fahrzeug mit geringerer Beschleunigung, bei gleichem Fahrzeuggewicht hat.
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Weiterhin hält die durch die hohe Anfahrbeschleunigung und hohe Bremsverzögerung
erzielte Reisegeschwindigkeit die Anzahl der zur Bewältigung der Verkehrsaufgabe
notwendigen Fahrzeugmengen klein. Eine Teilaufgabe ist deshalb, daß mit möglichst
hoher Anfahrbeschleunigung und möglichst hoher Bremsverzögerung gefahren wird, allerdings
unter Einhaltung einer oberen Grenze mit Rücksicht auf stehende Fahrgäste. Anders
formuliert besagt dies, daß der zur Übertragung der Antriebs-und Bremskräfte notwendige
Haftwert zwischen Rad und Schiene maximal ausgenutzt werden soll, wobei also die
Haftwertinanspruchnahme für alle Räder möglichst gleich sein soll. Dies wird primär
dadurch ermöglicht, daß mehrere oder alle Achsen der Triebwagenzüge durch Motoren
angetrieben werden. Es hat sich gezeigt, daß getrennte Antriebe allein nicht in
allen Fällen ausreichend zur Lösung des Problems sind. Zwei Einflüsse lassen es
zweckmäßig erscheinen, zusätzliche Maßnahmen zu ergreifen, um die gewünschte hohe
Beschleunigung oder Bremsung jeweils zu erreichen. Der erste Einfluß entsteht durch
die unterschiedliche Besetzung der Fahrzeuge mit Passagieren, der zweite entsteht
dadurch, daß beim zufälligen Zusammenkuppeln von Triebwagen zu Triebwagenverbänden
Fahrzeuge unterschiedlicher Radreifenabnutzung gekuppelt werden. Maximale Unterschiede
im letzten Fall betragen zum Beispiel 860 mm bis 790 mm; das ergibt eine maximale
Differenz von 70 mm; das ist 8%.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Antrieb gewählter Beschleunigung
und Verzögerung so zu steuern und/oder zu regeln, daß unter Berücksichtigung unterschiedlicher
Radreifendurchmesser möglichst gleiche Haftwertausnutzung erreicht wird.
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Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Drehzahlen bzw.
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Dreh zeiten wenigstens einiger vorzugsweise aller Achsen
vorzugsweise
im antriebs- und bremsungsfreien Zustand gemessen und gespeichert werden und Verhältnisse
dieser Drehzahlen oder Drehzeiten gebildet und vorzugsweise gespeichert werden,
und der Antrieb bzw. die Bremsung wenigstens einiger vorzugsweise aller Achsen (A1,2)
mittels der genannten Verhältnisse so gesteuert und/oder geregelt wird, daß die
dabei auftretenden Verhältnisse der Drehzahlen bzw. Drehzeiten im wesentlichen gleich
den genannten Verhältnissen sind, so daß die Antriebs-bzw. Bremskräfte an allen
Radumfängen möglichst der jeweiligen Achslast entsprechen.
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Die Berücksichtigung der Einflüsse wird nach der Erfindung dadurch
erreicht, daß das Drehmoment, das auf jede Achse wirkt, so geregelt wird, daß nach
ihrem übertragenen Gewichtsanteil und ihrem angetriebenen Raddurchmesser jeweils
soviel Kraft auf die Schiene übertragen wird, wie sie vorzugsweise im Verhältnis
der Raddurchmesser zu den anderen Rädern des Triebwagenverbandes Anteil am Gesamtgewicht
als Teil des Triebwagenverbandes hat.
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Dei den bisher üblichen Gleichstromantrieben traten zwar im gewissen
Grad den Anforderungen gemäße Drehmomente an den Achsen entsprechend der günstigen
Drehmoment-/Drehzahlkennlinie auf. Diese Anpassung des Drehmomentes an den Raddurchmesser
ist aber nicht immer ausreichend, so daß bei extremer Wetterlage, die negative Auswirkung
auf den Haftwert hat, ein fahrplangenauer Betrieb in Frage gestellt ist.
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Bei einem Drehstromantrieb tritt gegenüber einem Gleichstromantrieb
eine weitere Schwierigkeit auf, da für alle Antriebe die gleichen Drehmoment- oder
Drehzahlvorgaben erfolgen und im Gegensatz zum Gleichstromantrieb, bei ihm durch
die schleifenden Schnitte der Motorkennlinien von Drehmoment und
Drehzahl
bei dem über die Schiene erzwungenen Gleichlauf sehr unterschiedliche Kräfte von
den einzelnen Antrieben auf die Schiene übertragen werden.
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Insbesondere wenn die Antriebs- und Bremsmomente von frequenzgesteuerten
Drehstrommotoren erzeugt werden und eine Ansteuerung der zugehörigen Motoren mit
einem Ansteuerungssystem, das die gleiche Frequenz für alle Motoren dieses Triebwagenverbandes
vorgibt, erfolgt, ergeben sich sehr unterschiedliche Antriebs- und Bremsmomente,
da die Drehzahlen der Achsen durch die Durchmesser der Radreifen bestimmt sind und
aus den Drehzahlen sich entsprechend der Momentenkennlinie der Motoren die Momente
unterschiedlich ergeben, wodurch unter Umständen langsam drehende Achsen über dem
Kippmoment liegen und die schnelldrehenden Achsen gleichzeitig ein Bremsmoment abgeben.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, auch bei Drehstromantrieb
die Haftwerte so gleichmäßig zu nutzen, so daß eine geregelte Fahrplaneinhaltung
in praktisch allen Fällen sichergestellt werden kann. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung bestehen darin., daß die Steuerung in einfacher Weise Schleuder- und
Gleitschutzverfahren, zum Beispiel durch dosierte Reduzierung der Anfahrbeschleunigung
und Bremsverzögerung bei ganz extremen Haftverhältnissen zusätzlich beinhaltet,
wodurch es erst gar nicht zu einem Schleudern oder Gleiten bei zu hoher Anfahrbeschleunigung
und zu hoher Bremsverzögerung kommt.
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Erfindungsgemäß wird vorzugsweise nach Beendigung des ersten Anfahrvorganges
eines neu gebildeten Triebwagenverbandes in der stromlosen Auslaufphase die sich
ergebende schlupf lose Drehzahl jeder einzelnen Achse oder der Achsen eines Drehgestells
oder Fahrzeuges über einen festen Weg, oder eine feste Zeit oder bis zum erneuten
Einsatz des Antriebes oder einer
Bremsung, gemessen und in einem
jeder Achse oder den Achsen eines Drehgestells zugeordneten Speicher gespeichert.
Diese Meßgrößen werden mit einer Bezugsgröße zum Beispiel dem Maximal-,Minimal-
oder Mittelwert der Meßgrößen oder einer Meßgröße zum Beispiel der Geschwindigkeit
des Fahrzeuges verglichen, und die sich daraus ergebenden Verhältniswerte werden
in einem Speicher je Achse festgehalten. Bei den weiteren Anfahr-und Bremsvorgängen
werden die Sollgrößen der Regelung der Drehmomente oder der Frequenzerzeugung für
die Motordrehzahlen jeder einzelnen Achse durch dieses jeweils zugeordnete Verhältnis
bestimmt, so daß jede einzelne Achse des Fahrzeuges oder Triebwagenverbandes einen
gleichen Anteil der Vortriebs- oder Bremskraft am gesamten Zug beiträgt.
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Die Steuerung des Drehmomentes erfolgt dabei in an sich bekannter
Weise, indem zum Beispiel die Speisung der Elektromotoren variiert wird. Dies erfolgt
je nach Bauart des Antriebes durch Beeinflussung von Spannung, Strom, Veränderung
des Phasenanschnittwinkels oder Anderung der Frequenz des Drehfeldes. Entsprechendes
gilt bei Generatorbremsung. Falls eine Bremsung mit Druckluftbremsen oder dergleichen
vorgesehen ist, kann das Bremsdrehmoment durch Druckvariation gesteuert werden.
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Schon dann, wenn man das erfindungs-gemäße Verfahren auf einige der
Achsen anwendet, wird eine Verbesserung erreicht. Eine Vereinfachung ergibt sich,
wenn man nur die Drehzahl jeweils einer Achse jedes Wagens eines Zuges mißt, da
normalerweise bei einem Wagen alle Räder mehr oder weniger gleichmäßig abgenutzt
sind. Beim Anfahren und Bremsen wird dann auf alle Räder dieses Wagens das gleiche
Drehmoment ausgeübt beziehungsweise die gleiche relative Erhöhung oder Erniedrigung
der Frequenz der Drehfelder bewirkt. Eine noch bessere Ausnutzung der größtmöglichen
Beschleunigung und Verzögerung kann man jedoch erreichen,
wenn
Messung und Steuerung an allen angetriebenen und/ oder mit Bremseinrichtungen versehenen
Achsen einzeln vorgenommen wird, da dadurch auch der Fall erfaßt wird, daß die einzelnen
Achsen eines Wagens verschieden stark abgenutzte Räder aufweisen.
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Die Messung der Drehzahlen erfolgt durch Drehzahlmesser; bzw.
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die Umdrehungen der Achsen werden mit einem Umdrehungszähler während
eines vorbestimmten Zeitraums gemessen. Es werden. dann die Drehzahlen, bzw. die
Zahl der Umdrehungen in diesem bestimmten Zeitraum gemessen, verglichen und gespeichert.
Statt der Drehzahl kann auch jeweils die Zeit für eine oder eine bestimmte Zahl
Umdrehungen gemessen, verglichen und gespeichert werden, wobei sich das inverse
Verhältnis ergibt.
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Man könnte an sich sämtliche Verhältnisse von Drehzahlen speichern.
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Bei N Achsen müßten dann N (N - 1)/2 Werte gespeichert werden.
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Diese Zahl wird auf N verringert, wenn jeweils die Drehzahl bzw.
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Drehzeit für jede Achse bezüglich eines Bezugswertes gespeichert werden.
Der Bezugswert kann dabei zum Beispiel der Maximal-, Minimal- oder der Mittelwert
der Drehzahl von allen Achsen sein.
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Um möglichst exakte Werte für Beschleunigung und Verzögerung zu erreichen,
ist es vorteilhaft, außer den Drehzahlen oder Drehzeiten auch die Geschwindigkeit
des Zuges zu messen. Es ist daher besonders zweckmäßig, als Bezugswert die Geschwindigkeit
gleichzeitig mit den Drehzahlen der Achsen zu messen und zu speichern.
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Die Meßwerte sind natürlich je nach Geschwindigkeit oder Meßstrecke
oder Meßzeit unterschiedlich. Die Verhältnisse zwischen Bezugswert und Drehzahl
sind dagegen für jede Achse unabhängig von der Meßzeit oder -dauer.
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Sofern davon ausgegangen werden kann, daß Gruppen von Achsen Räder
gleichen Durchmessers antreiben, genügt es für diese Gruppen von Achsen, zum Beispiel
für alle Achsen eines Achsgestells, die Drehzahlen und das Verhältnis zum Bezugswert
zu speichern.
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Die Berechnung und Speicherung erfolgt einmalig, zum Beispiel automatisch
nach dem Zusammenkoppeln eines Zuges oder nach jedem Stillstand, wenn sich der Zug
zum ersten Mal antriebslos bewegt, das heißt nicht abgebremst und nicht beschleunigt
wird.
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Eine weitere ständige Anpassung an die Verhältnisse ergibt sich dadurch,
daß Messungen und Speicherungen zum Beispiel im antriebslosen und bremsungsfreien
Zustand mehrfach oder ständig durchgeführt werden. Die Verhältnisse werden dabei
laufend neu bestimmt, oder es werden laufend die Mittelwerte aufeinanderfolgender
Messungen gebildet, gespeichert und zur Steuerung abgegeben.
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Eine vorteilhafte Weiterentwicklung des Verfahrens besteht darin,
daß die Achslast der einzelnen angetriebenen Achsen, Achsgruppen oder Fahrzeuge
gemessen wird oder daß die Zahl der Fahrgäste in einem Fahrzeug jeweils zum Beispiel
durch Lichtschranken an den Türen ermittelt wird und der Sollwert zur Regelung der
Antriebskräfte jeweils abhängig von diesem gemessenen Größen bestimmt wird. Die
Kraft, die übertragbar ist, ohne daß ein Gleiten eines Rades auf einer Schiene oder
Fahrbahn auftritt, ist proportional zur Belastung des Rades.
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Andererseits ist eine um so höhere Antriebskraft für die gleiche Beschleunigung
erforderlich, je höher die Masse des Fahrzeuges also dessen Besetzung oder Beladung
ist.
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Die mögliche Anfahrbeschleunigung und Bremsverzögerung werden bei
Schienenfahrzeugen vom Haftwert begrenzt. Überschreitet
die Anfahrkraft
oder Bremskraft bei einem Rad die Kraft, die durch die Haftreibung zwischen Schiene
und Rad noch aufgenommen werden kann, so gleitet das Rad beim Bremsen beziehungsweise
dreht es beim Anfahren durch. Es wird dann bei diesem Rad praktisch keine Kraft
mehr übertragen. Um also möglichst große Antriebsbeschleunigungen und Bremsverzögerungen
zu erreichen, muß verhindert werden, daß angetriebene oder abgebremste Räder und
seien es auch nur die Räder einzelner Achsen oder Achsen gruppen, ins Gleiten kommen.
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Es ist daher eine vorteilhafte Weiterentwicklung des Verfahrens, auch
während des getriebenen und gebremsten Zustandes die Drehzahlen bzw. Drehzeiten
ständig zu messen, deren Verhältnisse zu bilden und diese mit den gespeicherten
Verhältnissen zu vergleichen. Sofern bei diesem Vergleich eine vorgegebene Toleranzgrenze
über- oder unterschritten wird, liegt ein Blockieren oder Durchdrehen der zugehörigen
Räder,also ein verbotener Gleitzustand vor. Der entsprechende Zustand wird dem Regler
signalisiert und löst eine Verminderung des Drehmomentes bzw. eine Lösung der Bremsen
aus, indem der Sollwert von seinem Ausgangswert erheblich reduziert wird.
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Da das Gleiten häufig nur auf begrenzten Abschnitten der Schiene oder
Fahrbahn auftritt, ist es eine zweckmäßige Weiterbildung des Verfahrens, daß der
reduzierte Sollwert schrittweise nach jedem folgenden Vergleich der Meßwerte, solange
keine Grenzwertüberschreitung erfolgt, wieder bis zum bestimmten Ausgangswert erhöht
wird.
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In den Fig. 1 bis 4 sind Vorrichtungen und Schaltungsanordnungen zur
Durchführung des Verfahrens dargestellt. Die gezeigte Lösung ist beispielhaft. Es
können die Antriebe, Regler, Meßwertgeber durch äquivalente Vorrichtungen ersetzt
werden. Zum Beispiel
Drehzahl- und Drehzeitmesser bei Invertierung
der Meßwerte gleichermaßen benutzt werden. Ebenso kann ein Geschwindigkeitsmesser
durch einen Zeitmesser für feste Wegabschnitte ersetzt werden. Außerdem können die
Antriebe zum Beschleunigen und Bremsen getrennt sein, oder beide Funktionen werden
von einem umsteuerbaren Antrieb übernommen.
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Die Verknüpfung der Einflußfaktoren und des Sollwertes kann in den
Regelvorrichtungen oder direkt in der Steuervorrichtung erfolgen. Die Steuervorrichtung
kann für ein Fahrzeug oder einen ganzen Zug zentral angeordnet oder aber zweckmäßig
auf einzelne Wagen oder Antriebe aufgeteilt angeordnet sein, wobei die Koordination
der Teilsteuerwerke über eine Busleitung für den zentral vorgegebenen Sollwert,
für den drehmomentfreien Zustand und für den Bezugswert erfolgt.
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Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm für zwei Achsantriebe Fig. 2 zeigt
ein Schaltbild einer Antriebssteuerung Fig. 3 zeigt ein Schaltbild eines Antriebsreglers
Fig. 4 zeigt ein Drehmomentendiagramm.
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In Fig. 1 ist schematisch ein Fahrzeug W1 mit zwei getrennt antreibbaren
und bremsbaren Achsen Al, A2 dargestellt. Mehrere Fahrzeuge können zu einem Zug
zusammengekoppelt sein, wobei der notwendige Signal- bzw. Informationsaustausch
über durchlaufende Busleitungen erfolgt.
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Die Antriebs-, Brems- und Regel/Steuereinrichtungen der beiden Achsen
Al, A2 sind jeweils mit dem Index 1 bzw. 2 gekennzeichnet und gleichartig aufgebaut.
An jeder Achse A1,2 ist ein Antriebsmotor M1,2 mit Getriebe G und eine Bremse B1,2
vorgesehen.
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Der Antriebsmotor bzw. die Bremse wird jeweils von einer Steuer- oder
Regelanordnung RA1,2 bzw. RB1,2 angesteuert, in der die Verknüpfung des vorgegebenen
Beschleunigungswertes bw mit dem entsprechenden Korrekturfaktor k1,2, der durch
die Drehzahlverhältnisse bestimmt ist und in der Steuervorrichtung STV in dem Speicher
Sp1,2 abgestellt ist, vorgenommen wird.
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Die aufgrund der Verknüpfungen erzeugten Signale dz1 ,db sind die
Vorgaben für die Antriebs- bzw. Bremsdrehmomente, und im Falle eines Drehstromantriebes
ist das Signal us1 die Vorgabe für die Frequenz des Frequenzgenerators FG1. Einzelheiten
dazu finden sich in Fig. 2 und 3.
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An jeder Achse A1,2 ist ein Drehzahlmesser DM1,2, dessen Meßsignal
n1,2 eingangsseitig in die Steuervorrichtung geführt ist. Zwischem dem Fahrzeugchassis
und der Achse befindet sich jeweils ein Lastmesser Mm1,2 dessen Meßsignal 11,2 in
die Regler RA1,2; RB1,2 oder in die Steuervorrichtung STV (gestrichelt gezeichnet)
geführt ist. Soweit die Meßsignale analog angeboten werden, befindet sich am Eingang
der Steuervorrichtung in bekannter Weise ein Meßmultiplexer mit nachgeschaltetem
Analog-/Digitalwandler. Sofern die Drehzahl über Impulszählungen ermittelt wird
und die Last durch Personenzählvorrichtungen errechnet wird, können die digitalen
Signale dieser Meßvorrichtungen direkt von der Steuervorrichtung STV übernommen
werden.
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An dem Leitstand des Zuges befindet sich ein Sollwertgeber Sg, an
dem der Beschleunigungswert bw für den ganzen Zug vorgegeben wird. Sofern ein Sollwertgeber
betätigt ist, wird dies über das Signal sb an die Steuervorrichtung gegeben, aufgrund
dessen dies den Bezugswert bz durch Auswertung der Geschwindigkeitsmessung des Geschwindigkeitsmessers
VM ermittelt, speichert und auf der Busleitung an die übrigen Fahrzeuge des Zuges
signalisiert.
Auch das Geschwindigkeitssignal kann über den Eingangsmultiplexer geführt werden
bzw. sofern es digital ist, direkt ausgewertet werden.
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Weiterhin ist es vorgesehen, daß für den Fall, daß unterschiedliche
Wagen zu einem Zug zusammengestellt werden, über eine Eingabe Eg ein Wagenfaktor
wf, der einer Normierung dient, der Steuervorrichtung zugeführt wird. Die Steuervorrichtung
STV enthält ein Rechenwerk RW, das das Verhältnis des Bezugswertes bz, der entweder
in der Steuervorrichtung selbst ermittelt wurde oder von der Busleitung übernommen
wurde, zu den gemessenen Drehzahlen n1,2 bildet, sobald sich der Zug im antriebslosen
Zustand befindet, der auf einer Busleitung als Freilaufsignal fl durch Zusammenführung
aller Antriebs- und Bremssignale aus den Reglern RA, RB gewonnen wird. Die gebildeten
Verhältnisse werden ggf. mit einem Wagenfaktor wf verknüpft und in die Speicher
Sp1,2 entsprechend abgestellt und dienen als Korrekturfaktor k1,k2.
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Ist keine absolute Geschwindigkeitsmessung mit dem Geschwindigkeitsmesser
VM vorgesehen, so erfolgt die Bildung des Bezugswertes durch über die Dioden .D
entkoppelte Zusammenführung aller jeweils höchsten Drehzahlwerte auf der Busleitung,
wodurch sich der höchste Wert als Bezugswert bz auf dem Bus einstellt und eingangsseitig
von der Steuervorrichtung übernommen wird.
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Ist keine Diode D vorgesehen, so bildet sich der Mittelwert aus, wenn
die Treiber Stromquellen sind. Statt einer analogen Verknüpfung auf der Busleitung
kann im Falle, daß Umdrehungszähler oder Drehzeitzähler eingesetzt sind, die längste
bzw.
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kürzeste Zeit für eine Umdrehung zum Stoppen aller Zähler signalisiert
werden, wodurch in allen Zählern direkt die Verhältnisse zu der Bezugsgröße dargestellt
sind. In den Figuren 2 und 3 sind Verknüpfungen der Korrekturfaktoren k1,2 mit den
Steuer-
oder Regelgrößen wegen der Anschaulichkeit in Analogrechnersymbolik dargestellt.
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Selbstverständlich können die Verknüpfungen auch in dem Rechenwerk
RW der Steuervorrichtung oder in digitalen Schaltkreisen vorgenommen werden. Ebenso
ist es möglich, die Regelvorrichtung in bekannter Weise durch Integral- und Differentialstufen
zu ergänzen.
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Weiterhin kann die Regelvorrichtung RA auch für Gleichstromantriebe
benutzt werden, wobei dann der Frequenzgenerator FG und die zugehörige Steuerung
entfällt.
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Sofern der Antrieb auch zum Bremsen dient, wird die Steuerung in entsprechender
Weise im Gleichstrombetrieb für Stromrichtungsumkehr und im Wechselstrombetrieb
um einen- Drehfeldnachlauf an denjenigen Stellen ergänzt, an denen beim Antrieb
Drehfeldes vorlauf vorgesehen ist.
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In den Figuren sind die Bezugszeichen für die Signalbezeichnungen
an den Verbindungen, die diese Signale führen, in Kleinbuchstaben angezeigt. In-Fig.
3 sind gleichartige Baugruppen zu Fig. 2 mit einem Hochkomma bezeichnet.
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Der Antriebsmotor M1 beinhaltet einen Drehstrommotor Mo, der von einem
Frequenzgenerator FG1 mit einer Frequenz entsprechend dem Drehzahlvorgabesignal
usl gespeist wird und dessen Strom über einen Stromregler Ril entsprechend dem Drehmoment
Vorgabesignal dm1 eingeprägt wird.
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In dem Antriebsregler RAl wird der vorgegebene Beschleunigungswert
bw mit dem Korrekturfaktor k1, der durch das Drehzahlverhältnis der angetriebenen
Achse Al bestimmt ist, im Multiplizierer
Mul multipliziert, und
das Ergebnis davon wird in dem Multiplizierer Mu2 mit dem Achslastsignal 11 nochmals
multipliziert, so daß als Endergebnis das Drehmomentvorgabesignal dm1 entsteht,
das um so größer ist, je größer der Radius der angetriebenen Räder und je größer
die Achslast ist.
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Weiterhin wird aus dem vorgegebenen Beschleunigungswert bw durch Integration
im Integrierer Igl eine zu erwartende Bezugsdrehzahl errechnet.
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Diese wird in einem Dividierer Dil durch den Korrekturfaktor k1 dividiert,
so daß am Ausgang die zu erwartende Drehzahl der Achse Al als Signal abgegeben wird.
Zu dem Addierer Ad1 wird dazu eine Größe An addiert, die dem optimalen Drehzahlvorlauf
des Drehfeldes entspricht, was anhand von Fig. 4 später erläutert wird. Somit entsteht
am Ausgang des Addierers das Drehzahlvorgabesignal usl für den Frequenzgenerator
mit jeweils optimaler Drehzahl. Der Integrator wird jeweils normiert, sobald der
Vergleicher Vg2 ermittelt, daß Stillstand, also die tatsächliche Drehzahl n=o vorhanden
ist. Bei der Vorgabe einer Bremsung bzw. negativen Beschleunigung wird durch die
Diode D2 der Regler stromlos gesteuert. Der angetriebene oder stromführende Zustand
wird über den Vergleicher Vgl aus dem Drehmomentvorgabesignal dm1 ermittelt und
über die Entkopplungsdiode Dl auf die Bus leitung als Signalanteil zur Bildung des
Freilaufsignals fl gegeben.
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Nur wenn alle Antriebe und Bremsen ohne Drehmomentvorgabe sind, ist
das Freilaufsignal fl positiv oder aktiv und veranlaßt einen Drehzahlmeß- und -vergleichsvorgang.
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Durch die dargestellte Schaltung ist ein Antrieb gewährleistet, der
stets eine optimale Frequenz und ein optimales Drehmoment für jede einzelne Achse
vorgibt, so daß eine maximale
Beschleunigung ohne Gleiten und ohne
unterschiedliche oder extreme Belastung oder Antriebs zustände der Motoren gewährleistet
ist. Für die Fälle, daß extreme Witterungsverhältnisse herrschen und bei einem zu
hohen vorgegebenen Beschleunigungswert die Räder auf der Fahrbahn im Stand durchdrehen,
muß zweckmäßig mit einem geringeren Beschleunigungswert, der zu einem geringeren
Drehmoment führt, erneut angefahren werden.
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Sofern der Beginn der Integration des Beschleunigungswertes nicht
von der Drehzahl nl der Achse sondern von einem Geschwindigkeitsmesser bestimmt
wird, so hat dieses den zusätzlichen Vorteil, daß das Drehfeld so lange mit der
Drehzahl An langsam dreht, bis sich das Fahrzeug in Bewegung setzt. Ein extrem schnelles
Durchdrehen der Räder und eine Beschädigung der Reifen und Schienen wird dadurch
vermieden.
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In Fig. 3 ist ein Drehmomentregler in dem Antriebsregler RA1' enthalten.
Die Drehzahlvorgabe usl' wird in dieser Schaltung jeweils um die Größe An optimal
schneller als die tatsächliche gemessene Achsdrehzahl nl durch Addition der beiden
Größen im Addierer Ad2 errechnet und dem Frequenzgeber eingespeist.
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Die Drehmomentvorgabe dm1' setzt sich hingegen additiv aus zwei Anteilen
zusammen, wobei der eine sich wieder aus dem Beschleunigungswert bw durch Multiplikation
mit den Faktoren kl und 11 in den Multiplizierern Mu3,- Mu4 ergibt und der zweite
aus der Differenz der Solldrehzahl, die sich durch die Integration des Beschleunigungswertes
bw ergibt, und der um den Korrekturfaktor kl korrigierten Istdrehzahl nl. Die Differenzbildung
und Addition der Anteile erfolgt im Addierer Ad3, wobei die Eingänge unterschiedliche
Gewichte haben entsprechend den gewünschten Anteilsfaktoren c bzw. 1 für die Differenz
bzw.
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den vorgegebenen Beschleunigungswert bw.
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Bei Vorlauf einer Achse wird somit das Drehmoment verringert und umgekehrt.
Bei geeigneter Dimensionierung der Verhältnisse wird somit bei auftretendem Gleiten
das Drehmoment so weit verringert, daß ein erneutes Greifen der Räder erfolgt und
bei Berg- o. Talfahrt wird die Beschleunigungsvorgabe erhöht bzw.
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erniedrigt. Außerdem wird durch denständigen Vergleich der theoretischen
Drehzahl mit der gemessenen Drehzahl und die daraus resultierende Korrektur des
Drehmomentes die Einhaltung des Fahrplanes erzwungen.
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Statt der durch Integration aus dem vorgegebenen Beschleunigungswert
ermittelten theoretischen Drehzahl kann auch dem Dividierer Di2 das Geschwindigkeitssignal
vs der tatsächlichen Geschwindigkeit zugeführt werden, wodurch ein Durchdrehen der
Räder bei der Differenzbildung mit der gemessenen Drehzahl direkt ermittelt wird;
eine Einhaltung der gewünschten Reisegeschwindigkeit bzw. Beschleunigung wird dann
aber nicht durch die Regelung bewirkt.
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Eine kompromißlose Regelung bezüglich der Einhaltung der vorgegebenen
Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung und dem Vermeiden eines Gleitzustandes wird,
wie in Fig. 3a gezeigt, durch eine getrennte Differenzbildung der gemessenen Drehzahl
n1 multipliziert mit dem Korrekturfaktor kl und der theoretischen Drehzahl bzw.
dem Geschwindigkeitssignal vs erreicht, wobei dem Signal, das den Gleitzustand anzeigt,
ein Gewicht cl gegeben wird und eine Zeitfunktion Fg zweckmäßig aufgeprägt wird,
die ein Greifen der Räder schnell ermöglicht. Sofern ein Gleiten der Räder im Stillstand
erfolgt, wird dies über den Vergleicher Vg4" festgestellt und die Integration noch
nicht freigegeben.
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Dadurch wird ein sofortiges Auftreten des Korrektursignales zur Steigerung
der Beschleunigung über das vorgegebene Maß verhindert, da dadurch ansonsten ein
erneutes Gleiten bewirkt werden könnte.
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In Fig. 4 sind Drehmomente-/Drehzahlkurven eines Drehstrommotors gezeigt.
Bei vorgegebener Bestromung bzw. vorgegebenem Drehmoment dm1 ergibt sich ein maximales
Drehmoment, wenn das Drehfeld um einen bestimmten Winkel zum induzierten Feld im
Anker versetzt ist. Da das induzierte Feld sich entsprechend der aus Induktivität
und Widerstand ergebenden Zeitkonstanten verändert, ergibt sich das maximale Moment
jeweils bei einem Voreilen des Drehfeldes um eine bestimmte Drehzahldifferenz dn.
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Aus Stabilitätsgründen wird eine etwas geringere Drehzahldifferenz
An für die Bestimmung der Drehzahlvorgabe usl gewählt.
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Hierbei arbeitet der Motor mit optimalem Wirkungsgrad.
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Es sind die Drehmoment/Drehzahlkurven für zwei Zeitpunkte to und tl
entsprechend den Indizes dargestellt. Wie zu ersehen ist, verschiebt sich die Kurve
vertikal, wenn sich die Frequenz des Drehfeldes zum Beispiel beim Anfahren des Fahrzeuges
ändert.
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Weiterhin sind jeweils ausgezogene Kurven gezeigt für ein vorgegebenes
Drehmoment dm1 und gestrichelt Kurven für ein zum Beispiel durch einen Regelvorgang
verändertes vorgegebenes Drehmoment dm1 dargestellt. Das jeweils wirksame Drehmoment
Mr ist somit durch die jeweilige Drehzahl nl, die Drehzahlvorgabe usl; das ist die
Frequenz des Drehfeldes, und das vorgegebene Drehmoment zum Beispiel dm1 bzw. dm1*
usw. bestimmt. Bei fest vorgegebenem Drehzahlvorlauf An erfolgt die Regelung zu
einem bestimmten Zeitpunkt tl entlang der strichpunktierten Linie.
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Sofern der Motor auch zum Bremsen verwandt wird, wird die Frequenz
des Feldes um die entsprechende Größe unter die Anker bzw. Achsdrehzahl abgesenkt.
Den Addierern Adl bzw. Ad2 wird dann deshalb ein Signal - An zugeführt.
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Die gesamten Rechenfunktionen in den Antriebs- und Bremsreglern einer
Achse lassen sich, da sie weitgehend gleichlaufend sind, auch in einer Anordnung
durchführen, deren Ausgangssignale entsprechend verzweigt werden, wenn eine getrennte
Bremse vorhanden ist.
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Der Sollwertgeber Sg, der den Beschleunigungswert vorgibt, ist vorteilhaft
als Fahrtoptimierungsrechner ausgeführt. Er errechnet aufgrund der Fahrplan- und
Streckendaten, der jeweiligen Uhrzeit und des jeweiligen Ortes, an dem sich das
Fahrzeug befindet, laufend die vorzugebende Beschleunigung bzw. Verzögerung bw,
wobei diese zur Erreichung eines minimalen Energieverbrauches beim Anfahren und
Bremsen im Rahmen der vorgegebenen Grenzen möglichst groß gewählt wird.
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Die Integrierer Ig 1,2,2" arbeiten zweckmäßig unter Berücksichtigung
des Fahrwiderstandes in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit.
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Hierzu wird zweckmäßig dem Integrierer Ig2" das Geschwindigkeitssignal
vs zugeführt und dort entsprechend ausgewertet.
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Die verschiedenen Funktionsgruppen zur Erzeugung der Drehmomentvorgabe
und der Drehzahlvorgabe in den Fig. 2,3,3a können unterschiedlich kombiniert werden,
was im Rahmen der Erfindung liegt.
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Die dargestellten Kombinationen sind besonders vorteilhaft.
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Es ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung, wenn die Messung
der Drehzahl n1,2 im antriebslosen Zustand aus den Signalen im Stator des Motors
Mo, die aufgrund des remanenten Magnetfeldes des Ankers induziert werden, erfolgt.
Ein Drehzahlmesser ist somit entbehrlich, sofern eine Steuerung ohne Bezugnahme
auf die Drehzahlen n1,2 im angetriebenen Zustand erfolgt. Im angetriebenen Zustand
kann weiterhin die Drehzahl n1,2 indirekt aus der induzierten Spannung am Anker
oder Stator des Gleichstroms bzw. Drehstrommotors Mo bestimmt werden; was einen
getrennten Drehzahlmesser erübrigt.