DE4334716A1

DE4334716A1 - Verfahren und Einrichtung zur Regelung der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht

Info

Publication number: DE4334716A1
Application number: DE19934334716
Authority: DE
Inventors: Daniel Dipl Ing Huber; Manfred Dipl Ing Rode; Carsten Dipl Ing Joerns; Lothar Prof Dr Ing Litz
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1993-10-12
Filing date: 1993-10-12
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2013-10-13
Also published as: DE4334716C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Ein richtung zur Regelung der Kontaktkraft zwischen Stromabneh mer und Fahrdraht bei elektrischen Fahrzeugen mit Stromab nahme an einer Oberleitung.

Das der Erfindung zugrundeliegende Kontaktproblem besteht bei mit hohen Geschwindigkeiten fahrenden elektrischen Zü gen. Um eine gesicherte Stromversorgung zu gewährleisten darf die Unterbrechungshäufigkeit zwischen dem Fahrdraht und dem Stromabnehmer ein bestimmtes Maß nicht überschrei ten. Dies läßt sich bei den im praktischen Einsatz befind lichen passiven Stromabnehmern weitgehend durch einen rela tiv hohen Anpreßdruck sicherstellen. Der Anpreßdruck führt jedoch zu einem hohen Verschleiß des Stromabnehmers.

Zusätzliche Kontaktprobleme an der Kontaktstelle Fahr draht/Stromabnehmer sind bei Zügen gegeben, die mit zwei Stromabnehmern fahren. Ein solcher Zug ist der In ter-City-Expreß (ICE) der Deutschen Bundesbahn, der am Zug anfang und am Zugende einen Triebkopf hat, die jeweils über einen eigenen Stromabnehmer gespeist werden. In diesem Fall treten besonders bei dem am Zugende befindlichen Stromab nehmer Kontaktprobleme auf, da dieser zweite Stromabnehmer in eine durch den ersten Stromabnehmer angeregte und somit schwingende Oberleitung hineinläuft.

Einflüsse auf den Kontaktkraftverlauf am schwingungsfähigen Kontaktsystem Stromabnehmer/Fahrdraht haben vor allem die Fahrgeschwindigkeit und der Abstand der Maste und Aufhän gung, an denen die Fahrleitung aufgehängt ist. Aber auch Windkräfte, ortsabhängig variierende Federeigenschaften des Fahrdrahtes und sonstige Störungen bewirken Änderungen im Kontaktkraftverlauf.

Zur Verbesserung der Kontaktqualität und gleichzeitig zur Verringerung des Verschleißes an den Schleifleisten der Stromabnehmer wurde bereits vorgeschlagen, aktive Stromab nehmer einzusetzen, die ein Stellglied zur Beeinflussung des Anpreßdruckes aufweisen und das von einer Regeleinrich tung angesteuert wird. Allerdings haben solche aktiven Sy steme bisher keine praktische Anwendung gefunden. Trotz ho hem Aufwand lassen sich nämlich keine befriedigenden Ergeb nisse erzielen, wenn in solchen Systemen die Kontaktkraft in bekannter Weise geregelt wird. Dies zeigten regelungs technische Untersuchungen.

In der DE-OS 21 65 813 bzw. der korrespondierenden GB 14 17 729 ist ein geregelter zweistufiger Scherenstrom abnehmer beschrieben. Sein oberer Stromabnehmer ist als ak tives, der Dynamik des Fahrdrahtes quasi trägheitslos fol gendes Element konstanter Anpreßkraft ausgebildet. Der obere Stromabnehmer enthält einen Flüssigkeitskreislauf mit einer Pumpe und einem Regelelement. Das Regelelement wird von einem Regler mit integrierendem Grundverhalten ange steuert. Die Anordnung des Regelelements und des Antriebs am oberen Teil des zweistufigen Stromabnehmers bewirkt eine ungünstige Massenverteilung und verschlechtert das aerody namische Verhalten.

Ein weiteres Verfahren und eine Einrichtung zur Einstellung der Kontaktkraft sind aus der US 51 15 405 bekannt. Mit den daraus bekannten Maßnahmen sollen vor allem durch Windstöße bedingte Störungen der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht ausgeregelt werden. Die Kontaktkraft wird mit Hilfe eines Kraftaufnehmers meßtechnisch erfaßt und einer Regeleinrichtung zugeführt. Die Regeleinrichtung enthält eine elektronische Regeleinheit, die pneumatische Magnet ventile ansteuert, mit deren Hilfe der Druck in einem pneu matischen Dämpfer am Stromabnehmer verändert wird.

In der US 51 15 405 wird die Auffassung vertreten, daß eine kontinuierliche Regelung der Kontaktkraft ungünstig sei, da zur Ansteuerung des Stellgliedes permanent Energie benötigt würde. Beispielsweise wäre im Fall eines pneumatischen Stellgliedes mit einem erheblichen Luftverbrauch zu rech nen. Außerdem wären die Kosten für einen Regler hoher Kom plexität hoch und es könnten Stabilitätsprobleme auftreten. Um diese Probleme zu umgehen wird mit einem Regler gearbei tet, der ähnlich einem Dreipunktregler arbeitet, wobei die Regeleinrichtung nur dann aktiv wird, wenn ein durch obere und untere Schwellwerte definiertes Band der zulässigen Kontaktkraft verlassen wird.

Eine Untersuchung der regelungstechnischen Eigenschaften dieser bekannten Einrichtung mit Dreipunktregelung hat er geben, daß zwar für eine bestimmte Zeit andauernde Störun gen, wie z. B. eine Windböe, ausregelbar sind, jedoch nicht sich schnell ändernde Störungen. Ein System mit Dreipunkt regler reagiert deshalb zu langsam auf die bei Schnellfahr ten auftretenden Störungen, so daß sogar eine Verschlechte rung der Kontaktqualität im Vergleich zu einem ungeregelten passiven System eintreten kann.

In weiteren Untersuchungen wurden neben Schaltreglern auch andere Regler, insbesondere ein PI-Regler eingesetzt, womit jedoch ebenfalls keine Verbesserung der Kontaktqualität er zielt werden konnte.

Ausgehend von dem aus der US 51 15 405 bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren zur Regelung der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht anzugeben, das bei Hochgeschwindigkeitsfahr ten - auch beim Betrieb mit zwei Stromabnehmern - zu einer Verbesserung der Kontaktqualität führt. Außerdem soll eine entsprechende Einrichtung zur Regelung der Kontaktkraft an gegeben werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale ge löst.

Eine Analyse typischer Kontaktkraftverläufe an praktisch eingesetzten Stromabnehmern zeigt, daß einer periodischen Kontaktkraftänderung höherfrequente Störungen überlagert sind. Die periodischen Störungen sind in der Regel durch die Aufhängung des Fahrdrahtes am Mast bedingt und somit vom Mastabstand und der Fahrgeschwindigkeit abhängig. Ab weichend von dem aus der einleitend gewürdigten Patentlite ratur bekannten Vorgehen, nämlich ein gemessenes Kontakt kraftsignal ungefiltert in einen Regelkreis zur Stabilisie rung der Kontaktkraft zu verwenden, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, einen ausgewählten Frequenzbereich auszufil tern. Im wesentlichen wird also nur eine Grundschwingung der Kontaktkraft zur Stabilisierung der Kontaktkraft im Re gelkreis verwendet. Durch geeignete Wahl des auszufiltern den Frequenzbereichs kann überraschend ein sehr ruhiger, z. B. sinusförmiger Verlauf der Stellgröße erzielt werden. Dieser ist an den Verlauf einer Grundschwingung adaptier bar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und auch Ein richtungen zur Durchführung des Verfahrens sind den weite ren Patentansprüchen und der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Regelkreis,

Fig. 2 einen Frequenzgang eines Resonanzfilters,

Fig. 3 einen beispielhaften Kontaktkraftverlauf,

Fig. 4 einen beispielhaften Stellgrößenverlauf,

Fig. 5 einen aktiven Stromabnehmer,

Fig. 6 eine mögliche Anordnung von Meßaufnehmern an der Wippe eines Stromabnehmers und

Fig. 7 eine Regeleinrichtung.

Fig. 1 zeigt das Blockschema eines Regelkreises zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit Bezugszeichen 1 ist das Stromabnehmer/Fahrdraht-System bezeichnet, mit dessen Stellglied 2 eine Änderung der Anpreßkraft des Stromabnehmers bewirkt werden kann. Dem Stellglied 2 ist eine in einem Regler 3 gebildete Stellgröße y zugeführt. Die Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht ist Regelgröße x des Regelkreises, die mit einem Meßaufnehmer erfaßt und an einer Additionsstelle 4 von der als Führungs größe w zugeführten Soll-Kontaktkraft subtrahiert wird. Die an der Additionsstelle 4 gebildete Regeldifferenz x_d ist einem Filter 5 zugeführt, dessen Ausgangssignal zugleich Eingangssignal des Reglers 3 ist.

Das Filter 5 hat einen schmalen Durchlaßbereich, der über ein Adaptionsglied 6 adaptierbar ist. Als adaptierendes Si gnal A ist eine Frequenzinformation geeignet, die im Adap tionsglied 6 aus einem Meßsignal M gewonnen wird. Ein ge eignetes adaptierendes Signal A ist die Frequenz f_o, die sich aus der Fahrgeschwindigkeit dividiert durch den Ma stabstand ergibt. Da in der Praxis der Mastabstand nicht konstant ist, wird man zweckmäßig als Meßsignal M die ge messene Kontaktkraft verwenden, um daraus eine Grundschwin gung zu ermitteln. Dies kann z. B. bei einem Zug mit zwei Stromabnehmern dadurch erfolgen, daß aus der am Zuganfang, also am vorlaufenden Stromabnehmer gemessenen Kontaktkraft eine Grundfrequenz detektiert und zur Adaption des Filters im Regelkreis des unter erschwerten Bedingungen arbeitenden zweiten Stromabnehmers benutzt wird.

Als Filter 5 ist z. B. ein Bandfilter geeignet. Bevorzugt wird jedoch die Verwendung eines Resonanzfilters, das z. B. aus J.-J. Achenbach, Analoge und digitale Filter und Sy steme, Wissenschaftsverlag 1992, Band 1, Seiten 151 bis 156 bekannt ist.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für den Frequenzgang, also die Verstärkung V in Abhängigkeit von der Frequenz f eines sol chen Resonanzfilters, das auf eine Resonanzfrequenz f_o von 2 Hz eingestellt ist. Die Resonanzfrequenz f_o wird in Ab hängigkeit vom adaptierenden Signal A eingestellt. Fig. 2 zeigt, daß das Resonanzfilter einen sehr kleinen Durchlaß bereich hat. Es ist dadurch möglich, nahezu nur die Grund welle aus der Regeldifferenz x_d auszufiltern.

Das Resonanzfilter kann im einfachsten Fall ein schwingfä higes System mit zwei rein imaginären Polen sein, jedoch auch ein Filter höherer Ordnung. Die Übertragungsfunktion des einfachen Resonanzfilters lautet:

G(s) = 1/(s² + ω_o²),

wobei s der Laplace-Operator und ω_o = 2πf_o ist.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Regelstruktur, bei der die Regeldifferenz gefiltert wird. Es ist grundsätzlich jedoch möglich, statt der Regeldifferenz die Regelgröße oder das Stellsignal zu filtern.

Es sind unterschiedliche Reglerarten einsetzbar, soweit sich damit der Regelkreis dynamisch korrigieren läßt. Be sonders geeignet ist ein PID-Regler. Während ein solcher Regler mit differenzierendem Anteil ungeeignet wäre bei Verwendung eines Signals mit hochfrequenten Anteilen, kann er im erfindungsgemäßen Verfahren in Verbindung mit dem Filter vorteilhaft eingesetzt werden, da hochfrequente Störanteile ausgefiltert werden.

Fig. 3 zeigt beispielhaft einen Kontaktkraftverlauf (Kontaktkraft F in Abhängigkeit von der Zeit t) und Fig. 4 einen zugehörigen Stellgrößenverlauf (Stellgröße y in Ab hängigkeit von der Zeit t) bei Verwendung einer Kombination eines PID-Reglers und eines Resonanzfilters. Das darge stellte Beispiel bezieht sich auf eine Fahrgeschwindigkeit v = 80 m/s und einen Mastabstand von 65 m, worauf die Reso nanzfrequenz nach der Beziehung Resonanzfrequenz = Fahrge schwindigkeit/Mastabstand eingestellt wurde.

Fig. 4 zeigt eine bemerkenswert ruhige periodische Stell größe, die eine geringe Beanspruchung des Stellgliedes und des Stromabnehmers bedeutet. Auch die in Fig. 3 darge stellte Kontaktkraft zeigt einen sehr guten Verlauf.

In Fig. 5 ist beispielhaft ein aktiver Stromabnehmer 10 dargestellt, dessen an der Kontaktstelle zwischen Stromab nehmer und Fahrdraht wirkende Kontaktkraft F nach dem er findungsgemäßen Verfahren stabilisiert werden kann.

Der Stromabnehmer 10 weist einen Grundrahmen 11 auf, der einen beweglichen Unterarm 17 trägt. Mit Hilfe einer Stell einrichtung 12 wird eine Kraft aufgebracht, mit der eine Stromabnehmer-Wippe 18 an einen nicht dargestellten Fahr draht gedrückt wird. Die Wippe 18 trägt Meßaufnehmer 19 zur Erfassung der Kontaktkraft F. Als Meßaufnehmer sind z. B. Dehnungsmeßstreifen oder optische Meßaufnehmer geeignet. Es ist zweckmäßig an der Wippe 18 mehrere Meßaufnehmer 19.1 bis 19.4 nahe an den Schleifleisten anzuordnen, wie in Fi gur 6 - ohne Darstellung der Schleifleisten - dargestellt ist. Die damit erfaßten Kontaktkraftmeßwerte F1 bis F4 sind mittels Meßsignalleitungen 22, z. B. aus optischen Fasern einer Regeleinrichtung 20 zugeführt, die nachfolgend anhand von Fig. 7 beschrieben wird. Die Regeleinrichtung 20 lie fert Ansteuersignale für die Stelleinrichtung 12.

Fig. 7 zeigt die Regeleinrichtung 20, die einen PID-Regler 13 enthält. Von den Meßaufnehmern 19, 19.1 bis 19.4 (Fig. 5 und 6) gelieferte Meßsignale F1 bis F4 werden in einem Summenbildner 21 zu einer Kontaktkraft F summiert. Die Kontaktkraft F wird als Regelgröße x zu einem Addierer 14 geführt, wo durch Verknüpfung mit dem Sollwert w die Regeldifferenz x_d gebildet wird. Sie ist Eingangssignal des PID-Reglers 13.

Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Struktur wird in dem Beispiel gemäß Fig. 7 nicht das Eingangssignal sondern das Ausgangssignal des Reglers 13 gefiltert. Zur Filterung dient ein Resonanzfilter 15, dessen Resonanzfrequenz durch eine Adaptionseinrichtung 16 adaptiert wird. Als adaptie rende Signale A sind der Adaptionseinrichtung 16 Kontakt kraftmeßsignale zugeführt. Aus diesen Meßsignalen wird durch Verwendung einer schnellen Fourier-Transformation die notwendige Frequenzinformation zur Adaption des Resonanz filters 15 gewonnen.

Am Ausgang des Filters 15 steht die Stellgröße y an, die zu einer Pneumatik-Ansteuerung 23 geführt ist. Die Pneuma tik-Ansteuerung steuert pneumatische Ventile 24, die die Druckluftzufuhr zur Stelleinrichtung 12 steuern.

Da mit einem gefilterten Signal, hier mit einer gefilterten Stellgröße gearbeitet wird, wodurch im wesentlichen nur eine periodische Kontaktkraftänderung zu stabilisieren ist, hält sich der Druckluftverbrauch in vertretbaren Grenzen. Auf hochfrequente Störungen reagiert die Regeleinrichtung praktisch nicht.

Bezugszeichenliste

1 Stromabnehmer/Fahrdraht-System
2 Stellglied
3 Regler
4 Additionsstelle
5 Filter
6 Adaptionsglied
10 Stromabnehmer
11 Grundrahmen
12 Stelleinrichtung
13 PID-Regler
14 Addierer
15 Resonanzfilter
16 Adaptionseinrichtung
17 Unterarm
18 Wippe
19 Meßaufnehmer
20 Regeleinrichtung
21 Summenbildner
22 Meßsignalleitung
23 Pneumatik-Ansteuerung
24 pneumatisches Ventil
A adaptierendes Signal
F Kontaktkraft
M Meßsignal
f Frequenz
f_o Resonanzfrequenz, Bandmittenfrequenz
V Verstärkung
w Führungsgröße
x Regelgröße
x_d Regeldifferenz
y Stellgröße.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Kontaktkraft zwischen Stromabnehmer und Fahrdraht bei elektrischen Fahrzeugen mit Stromabnahme an einer Oberleitung, wobei die Kontaktkraft gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Regelkreis

- aus einem Signal, ausgewählt aus der Regelgröße (x), der Regeldifferenz (x_d) und der Stellgröße (y), ein gewählter Frequenzbereich ausgefiltert wird, und
- das gefilterte Signal zur Regelung der Kontaktkraft (F) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Filterung des Signals (x, x_d, y) ein Resonanzfilter verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonanzfilter mit zwei imaginären Polen verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Filter ein Bandpaß hoher Güte verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz bzw. Band mittenfrequenz des verwendeten Filters adaptiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Adaption des Filters aus einem Meßsignal (M) eine Grundschwingung ermittelt wird, die als adaptierendes Si gnal (A) verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßsignal (M) die gemessene Kontaktkraft (F) be nutzt wird.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Kontaktkraft ein PID-Regler eingesetzt wird.

9. Einrichtung zur Regelung der Kontaktkraft (F) zwi schen Stromabnehmer (10) und Fahrdraht bei elektrischen Fahrzeugen mit Stromabnahme an einer Oberleitung, wobei mindestens ein Meßaufnehmer (19) zur Erfassung der Kontakt kraft (F) am Stromabnehmer (10) angeordnet ist, eine Stell einrichtung (12) zur Einstellung einer Anpreßkraft des Stromabnehmers (10) an den Fahrdraht vorhanden ist und eine Regeleinrichtung (20) Steuersignale für die Stelleinrich tung (12) ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Regeleinrichtung (20) ein Filter (15) enthält, das aus einem Signal, ausgewählt aus der Regelgröße (x), der Regeldifferenz (x_d) und der Stellgröße (y), einen wählbaren Frequenzbereich oder eine Grund schwingung ausfiltert und
b) Mittel (2, 20) vorhanden sind, die das gefilterte Si gnal zur Regelung der Kontaktkraft (F) verwenden.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß in der Regeleinrichtung (20) als Filter (15) ein Resonanzfilter eingesetzt ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (20) einen PID-Reg ler (13) zur Regelung der Kontaktkraft (F) enthält.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Adaptionseinrichtung (16) vorhanden ist, die aus einem von dem wenigstens einen Meß aufnehmer (19) gelieferten Meßsignal eine der darin enthal tenen Grundschwingung entsprechende Frequenzinformation er mittelt, die als adaptierendes Signal (A) zum Filter (15) geführt ist und dessen Resonanzfrequenz (f_o) oder Bandmit tenfrequenz adaptiert.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßaufnehmer (19.1 bis 19.4) an einer Stromabnehmer-Wippe (18) verteilt angeordnet sind.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Meßsignalleitungen (22) aus op tischen Fasern zur Übertragung von Meßsignalen von Meßauf nehmern (19, 19.1 bis 19.4) zur Regeleinrichtung (20) ange ordnet sind.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (20) Mit tel (21, 16) zur Bildung einer gesamten Kontaktkraft (F) aus Teilkräften (F1 bis F4) enthält.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (23, 24) vorhanden sind zur Steuerung der Stelleinrichtung (12) entsprechend der in der Regeleinrichtung (20) gebildeten Stellgröße (y).

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regeleinrichtung (20) Mittel (14) vorhanden sind zur Bildung einer Regeldifferenz (x_d) aus der Regelgröße (x) und einem als Führungsgröße (w) zugeführten Sollwert, wobei der Sollwert ein Festwert oder ein aus der Zuggeschwindigkeit berechneter Wert ist.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Adaptionseinrichtung (16) zur Durchführung einer schnellen Fourier-Transformation eingerichtet ist, mit der das adaptierende Signal (A) ge bildet wird.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regeleinrichtung (20) Mittel (13, 15, 16) vorhanden sind, die einen Regelalgorith mus zur Bildung der Stellgröße (y) beinhalten, der die Am plitude, den Mittelwert und die Phase der überwiegenden Grundschwingung oder zusätzlich der höheren Harmonischen der gemessenen Kontaktkraft (F) verwendet.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Fall, in dem die Kon taktkraft eines zweiten, also am Zugende befindlichen Stromabnehmers zu regeln ist, Mittel (15) vorhanden sind, die das adaptierende Signal (A) aus dem Regelkreis des er sten Stromabnehmers zur Filteradaption verwenden.