DE602004001162T2

DE602004001162T2 - Reduzierung von Rupfschwingungen

Info

Publication number: DE602004001162T2
Application number: DE602004001162T
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Ing. Haese
Original assignee: Bombardier Transportation GmbH
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2004-04-02
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2024-04-03
Also published as: PL1473485T3; EP1473485A2; EP1473485B1; ATE330145T1; DK1473485T3; EP1473485A3; GB0307819D0; PT1473485E; DE602004001162D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Gegentaktschwingung mit den Merkmalen nach Anspruch 1, dieses Verfahren könnte z.B. bei einem Fahrzeugantriebssystem und insbesondere zur Reduzierung solcher Vibrationen bei Schienenfahrzeugen benutzt werden, in denen mehrere Antriebseinheiten parallel von einer Stromversorgung gespeist werden. Sie betrifft ebenso einen Schienenfahrzeugantrieb mit den Merkmalen nach Anspruch 17.
Das Dokument EP-A-0 968 872 zeigt die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruchs 17. Das Dokument US-A-6 020 714 ist ein Beispiel nach dem Stand der Technik eines Verfahrens zur Reduzierung von Vibrationen.
Moderne von elektrischen Motoren angetriebene Schienenfahrzeuge erfassen häufig eine Anzahl von Antriebsmotoren innerhalb einer einzigen Einheit, die von einem einzigen Umwandler/Stromrichter gespeist werden. Jeder Antriebsmotor wird typischerweise einen asynchronen Motor oder einen Induktionsmotor umfassen und direkt oder über ein Getriebe mit einem Rad, einer Achse oder einem Radsatz verbunden sein. Solche Anordnungen wurden in den letzten Jahren zu populären Antriebsformen, und man kann sie als Antriebsgruppen bezeichnen. Einige Antriebsgruppen umfassen ein Paar von Motoren, die von einer einzigen Energieversorgung gespeist werden, während andere drei Motoren benutzen, oder sogar acht Motoren in einer einzigen Gruppe.
Es ist ebenso bekannt, eine Zugkontrolle zur Kontrolle der Schlupfmenge zwischen den Rädern und der Schiene während dem Fahren und dem Bremsen von solchen Schienenfahrzeugen vorzusehen. Verschiedene Anordnungen sind bekannt, bei denen bei der Detektion von unkontrolliertem Schlupf die auf die Räder angewendete Traktion reduziert wird. Dies kann durch die Steuerung der Umwandlereinheit erreicht werden, um die Statorfrequenz der Motoren zu reduzieren. Typischerweise kann dies in der Form eines Such-Algorithmus geschehen, wobei die Statorfrequenz stufenweise erhöht und verringert wird, während das sich ergebende Drehmoment-Verhalten überwacht wird, um den Punkt der maximalen Traktion zu bestimmen. Dokumente, die Adhäsionssteuerungseinheiten offenbaren, schließen die Dokumente EP 0888922 A1 , DE 10017613 A1 und DE 19927223 A1 ein.
Es wurde nun beobachtet, dass solche Antriebsanlagen unter gewissen Bedingungen Vibrationen mit geringer Frequenz zeigen können, die wesentliche Teile des elektro-mechanischen Antriebs involvieren. Typischerweise sind diese Vibrationen im Falle von zwei Antriebseinheiten, die von einem gemeinsamen Energieumwandler gespeist werden, fast genau gegenphasig. Dies bedeutet, dass der Rotor und/oder andere Antriebselemente und der Radsatz von einer Antriebseinheit als Einheit vibrieren, mit einer Phasenverschiebung von ungefähr 180° gegenüber der anderen Antriebseinheit. In dem Fall von drei von einem gemeinsamen Stromrichter gespeisten Antriebseinheiten beträgt die Phasenverschiebung jeweils 120°. Gemäß dem vorliegenden Stand der Technik können bekannte Umwandlersteuerungssysteme nur die gelieferten Mittelwerte des Motor-Phasenstroms und der Winkelfrequenzen berücksichtigen. In solchen Fällen bleibt diese besondere Art der Gegentaktschwingung dem Steuerungssystem jedoch verborgen. Keines der oben erwähnten Dokumente erkennt die Existenz von solchen Gegentaktschwingungen, da sie eher auf die Steuerung eines einzelnen Motors gerichtet sind, als auf eine Motorgruppe.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass zumindest einige der folgenden Kriterien normalerweise zutreffen müssen, um diese Art von Vibration zu entwickeln:

• Einen Statorfrequenzbereich, eine Drehfrequenz oder alternativ eine Reisegeschwindigkeit, die innerhalb von relativ engen Grenzen definiert ist;
• Vernachlässigbare Dämpfung der Antriebseinheiten, zum Beispiel über einen Betriebspunkt, der nahe dem Reibungshöchstwert liegt und von einem ziemlich hohen Schlupf zwischen Rad und Antriebsfläche begleitet wird;
• Allgemein reduzierte Zugkraft, oder alternativ reduziertes Drehmoment von asynchronen Motoren im Vergleich mit den nominalen Werten; und
• Vernachlässigbare „innere" Dämpfung der asynchronen Motoren, aufgrund des niedrigen Motorwiderstands, was insbesondere durch eine niedrige Rotortemperatur verursacht werden kann.

Diese Liste von Faktoren soll nicht abschließend sein. Andere Faktoren können ebenso das Eintreten von Gegentaktschwingung innerhalb des Antriebssystems beeinflussen. Alternativ können solche Vibrationen sogar dann auftreten, wenn einer der obigen Faktoren außerhalb der erwarteten Gefahrenzone liegt. Nicht alle diese Faktoren sind bei der Verursachung oder bei der Mitverursachung des Eintretens von Gegentaktschwingung in gleicher Weise entscheidend.
Ungünstige Konsequenzen dieser Gegentaktschwingungen schließen ein:

– Geringe Nutzung des bestehenden Reibschlusses zwischen dem Rad und der Schiene;
– Hohe Beanspruchung, die sich auf die Antriebseinheiten und das Drehgestell auswirkt
– Erhöhte Abnutzung im Getriebe verursacht durch möglichen Zahnflankenwechsel;
– Höhere Abnutzung und höherer Verschleiß der Räder, und
– Verminderter Reisekomfort, insbesondere verursacht durch das positive Feedback der Drehgestellvibrationen.

Daher ist es wünschenswert, diese Art von Vibrationen zu vermeiden oder den Bereich der Instabilität einzuengen. Ein möglicher Weg, um dies zu erreichen, könnte darin liegen, das Vorhandensein von solchen Vibrationen zu identifizieren, z.B. auf der Grundlage der Differenz hinsichtlich der Winkelgeschwindigkeit der einzelnen Rotoren oder der einzelnen Räder. Das Motordrehmoment könnte dann reduziert werden, um den Schlupf zwischen dem Rad und der Schiene zu reduzieren, wobei der Betriebspunkt des Antriebs von dem Reibungshöchstwert, wo solche Instabilitäten auftreten, weggebracht wird. Einerseits führt dies zu Schwingungszyklen, die immer wieder beginnen und andererseits zu einer beträchtlich reduzierten Traktion. Dies trifft insbesondere auf ausgedehnte Beschleunigungen oder während des Betriebes mit konstanter Geschwindigkeit innerhalb des relevanten Geschwindigkeitsbereiches zu.
Gemäß der Merkmale einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat es sich gezeigt, dass die Gegentaktschwingung für eine Vielzahl von Motoren, die parallel von einer gemeinsamen Energieversorgung versorgt werden, reduziert oder eliminiert werden kann, indem das System auf das Vorhandensein von Faktoren überwacht wird, die das Eintreten von Gegentaktschwingungen innerhalb der Vielzahl von Motoren anzeigt, und indem der Motorflusses der Vielzahl von Motoren bei der Detektion des Vorhandenseins solcher Faktoren reduziert wird. Im Allgemeinen werden Induktionsmotoren auf dem Gebiet der Schienentraktion mit Nominal-Werten des Motorflusses betrieben, die im Wesentlichen dem maximalen Fluss entsprechen, welcher erreicht werden kann, bevor die Feldschwächungseffekte signifikant werden. Durch den Betrieb nahe am maximalen Strom für einen vorgegebenen Wert des Drehmoments wird der Motorstrom minimiert. Solch ein Betriebspunkt wird im Allgemeinen als vorteilhaft angesehen, da Energieverluste und die sich daraus ergebende Motortemperatur als Konsequenz daraus reduziert werden. Die Reduzierung des Flusses läuft dem anerkannten Denken auf dem Gebiet der Schienentraktion folglich im Allgemeinen zuwider.
Gemäß den Merkmalen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Reduzierung des Flusses möglich, da die Bedingungen der Gegentaktschwingung, wie oben dargelegt, dazu neigen, außerhalb des Bereiches des maximalen Drehmomentes des asynchronen Motors aufzutreten. Das Maß, um das der Fluss reduziert wird, wird nur durch den maximalen Strom begrenzt, der von der Stromversorgung und zu den Motoren geliefert werden kann. Da das produzierte Drehmoment das Produkt des Flusses und des gelieferten Stromes ist, bleibt für einen Induktionsmotor, der unterhalb seines Nominal-Drehmomentes arbeitet, die Möglichkeit der Erhöhung des Stromes, indem die Netzspannung reduziert wird, wohingegen die Frequenz konstant gehalten wird.
Für typische Fernverbindungs-Schienenfahrzeuge, die mit einem Zwischenkreis von 2800 V arbeiten, wird der Motorstrom für gewöhnlich konstant bei seinen Nominalwerten bis zu einer Betriebsfrequenz von ungefähr 50 Hz gehalten werden. Wenn eine weitere Erhöhung der Geschwindigkeit erforderlich ist, wird oberhalb dieses Wertes die Spannung durch die Grenzen der Leistungshalbleiter in dem Zwischenkreis begrenzt, und kann nicht weiter erhöht werden. Das Ergebnis ist eine Reduzierung beim Motorfluss. Dieser Arbeitsbereich, als Feldschwächungsbereich bekannt, im Gegensatz zu dem ISC/DSC-Bereich, kann unter gewissen Bedingungen auf bis zu 80 Hz erweitert werden. Instabilitäten der Gegentaktschwingungs-Art, so wie die, denen sich die vorliegende Erfindung zuwendet, treten im Allgemeinen bei niedrigen Frequenzen von ungefähr 10 bis 15 Hz auf, typischerweise bei dem Anfahren oder bei dem Betrieb mit geringer Geschwindigkeit (Kriechfahrt), und sie liegen daher weit außerhalb des Betriebsbereiches, in dem der Fluss des Gruppenantriebs aufgrund der Feldschwächungseffekte reduziert ist.
Von einem systemtechnischen Standpunkt aus, bildet der asynchrone Motor eine Feedback-Kupplung des mechanischen Antriebs. Durch die Reduzierung des Flusses vermindert sich die Verstärkung diese Feedbacks und der Bereich eines stabilen Betriebes kann in signifikanter Weise erhöht werden. Unter gewissen Umständen treten Instabilitäten überhaupt nicht mehr auf.
Die genauen Faktoren, die das Auftreten von solchen Instabilitäten verursachen, können in beträchtlicher Art und Weise von System zu System variieren. Sie können auch in beträchtlicher Art und Weise zwischen im Wesentlichen identischen Modellen des gleichen Systems differieren, z.B. zwischen zwei Lokomotiven des gleichen Typs. Dies kann an leichten Unterschieden in der Abnutzung oder in der Toleranz von einzelnen Komponenten innerhalb der Systeme liegen. Aus diesem Grund ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wünschenswert, dass diese Faktoren, auf denen die Entscheidung zur Reduzierung des Stroms basiert, angepasst werden können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das System überwacht werden, um die Temperatur des Motors zu bestimmen, und der Motorfluss kann reduziert werden, wenn die Temperatur des Motors unter einem voreingestellten Wert liegt. Vorzugsweise kann die Temperatur der Statorwicklung dazu genutzt werden, um diesen Hinweis zu liefern, wobei die Temperatur von Sensoren, die an jeder Statorwicklung angebracht sind, geliefert wird. Es hat sich gezeigt, dass eine niedrige Motortemperatur die Dämpfung des gesamten Systems reduzieren kann, was zu erhöhten Wahrscheinlichkeiten für die Entwicklung von Gegentaktschwingungen führt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Vorhandensein einer geringen Systemdämpfung im Allgemeinen überwacht werden, und der Motorfluss kann reduziert werden, wenn die Systemdämpfung unter einem voreingestellten Wert liegt. Eine Indikation einer niedrigen Systemdämpfung wird durch die Nähe des Betriebspunktes zu dem Maximum der Radschlupfcharakteristik gegeben. Die Position des Betriebspunktes im Verhältnis zu der Radschlupfcharakteristik kann durch die Überwachung der Steigung der Radschlupf-Leistungs-Kurve bestimmt werden. Dies kann durch die Überwachung der Winkelgeschwindigkeit des Kolbens und deren Vergleich mit der Bezugsgeschwindigkeit für eine vorgegebene Eingangsleistung bestimmt werden. Alternativ kann es möglich sein, wenn die Traktionskontrolle aktiviert ist, die Reduzierung des Drehmoments zu überwachen, welches von der Traktionskontrolle auferlegt wird, da dieses für den Betrieb am Maximum oder nahe dem Maximum kennzeichnend ist. Es kann ebenso wünschenswert sein, ein Flag zur Verfügung zu stellen, das den Betrieb der Traktionskontrolle anzeigt, wobei der Motorfluss reduziert wird, wenn das Flag gesetzt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat es sich gezeigt, dass Gegentaktschwingungen oft unter Bedingungen einer niedrigen Stratorfrequenz auftreten können. Demgemäß kann das System überwacht werden, um einen für die Statorfrequenz repräsentativen Wert zu bestimmen, und der Motorfluss kann reduziert werden, wenn der für die Statorfrequenz repräsentative Wert des Motors innerhalb eines definierten Bereiches liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat es sich gezeigt, dass Gegentaktschwingungen auch oft unter Bedingungen eines Drehmoments auftreten können, das unter einem Nominalwert liegt. Demgemäß kann das System überwacht werden, um das Motordrehmoment zu bestimmen, und der Motorfluss kann reduziert werden, wenn das Motordrehmoment innerhalb eines definierten Bereichs liegt.
Vorteilhafterweise kann das System auf das Vorhandensein einer Vielzahl von Faktoren überwacht werden, die das Eintreten von Gegentaktschwingung anzeigen, und der Motorfluss kann nur dann reduziert werden, wenn eine Anzahl dieser Faktoren festgestellt wird. Alternativ und abhängig von den Umständen kann der Motorfluss nur dann reduziert werden, wenn alle diese Faktoren festgestellt werden. Verschiedene Verfahrenn können benutzt werden, um eine solche Bestimmung zur Verfügung zu stellen. Diese können hardwaremäßige Systeme einschließen, die Komparatoren verwenden, z.B. logische UND-Schaltungen oder sie können die Benutzung von Software involvieren, wie zum Beispiel Fuzzy-Logic-Programme, um die verschiedenen Gewichtungen der unterschiedlichen Faktoren, die geeignet sind, zu dem Eintreten von Gegentaktschwingungen zu führen, zu evaluieren.
Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die mathematische Relation, die das System verkörpert, benutzt werden, um den Punkt zu berechnen, an dem die Gegentaktschwingung auftreten kann. Diese Relation kann in der Form eines Computermodells vorgesehen werden, mit den Systemvariablen von z.B. dem elektrischen Strom, der Spannung, dem Drehmoment, der Temperatur und der Frequenz, die als Eingangsgrößen vorgesehen sind.
Die oben erwähnten Beispiele umfassen Verfahrenn der indirekten Detektion des erwarteten Eintretens der Gegentaktschwingung, wodurch derartige Vibrationen vor ihrem Auftreten wirkungsvoll verhindert werden. Es liegt auch im Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, diese Vibrationen direkt zu identifizieren, und danach den Strom der Vielzahl von Motoren zu reduzieren. Diese Detektion kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Einzelne Bewegungssensoren können für jeden Motor oder Motorantrieb vorgesehen werden, oder der Stator-Strom kann für phasenverschobene Komponenten einzeln überwacht werden. Solche direkte Überwachungen können zu den oben erwähnten indirekten Verfahrenn ergänzend oder stattdessen benutzt werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, in denen:
1 eine graphische Darstellung einer typischen Radschlupf-Traktions-Charakteristik für ein Schienenfahrzeug ist;
2 ein Blockdiagramm eines Gruppenantriebs gemäß dem Stand der Technik ist;
3 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Gruppenantriebs gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein Blockdiagramm eines Stromreduzierungsgerätes für einen Gruppenantrieb gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
5A und 5B Nichols-Diagramme der Leerlaufverstärkung und Phasenänderung für verschiedene Statorfrequenzen sind; und
6A und 6B Eigenwerte für den Motor und den Antrieb bei Statorfrequenzen gemäß den 5A und 5B sind.
Die 1 zeigt eine typische Radschlupf-Traktions-Charakteristik für ein Schienenfahrzeug. Die Natur von Schienenradsystemen liegt darin, dass ein Grad an Schlupf vorhanden sein muss, damit eine Kraft entlang der Schiene-Rad-Grenzfläche ausgeübt wird. Dieser Schlupf kann als die Differenz hinsichtlich der Geschwindigkeit zwischen den zwei Metallflächen Δv definiert werden. Wenn der Schlupf Δv ansteigt, steigt die übertragene Kraft bis zu einem Maximalwert an und fällt dann wieder ab. Im Allgemeinen arbeiten Schienenfahrzeuge auf dem ansteigenden Teil dieser Charakteristik in dem Bereich eines positiven Gradienten. Unter Bedingungen einer limitierten Traktion sind Adhäsions-Steuergeräte mit Algorithmen vorgesehen, die dazu ausgebildet sind, den Punkt der maximalen Traktion zu suchen, der in 1 als Punkt X gezeigt ist. Dies kann z.B. durch regelmäßiges Erhöhen der Frequenz und der Überwachung des Drehmoment-Verhaltens erreicht werden. Gelegentlich sind Schienenfahrzeuge dazu ausgebildet, auf dem negativen Bereich der Charakteristik hin zu dem Bereich des unkontrollierten Durchdrehens der Räder zu arbeiten. Dies kann im Falle des ersten Radsatzes als ein Versuch verwendet werden, die Schienen zu reinigen und die Adhäsion für nachfolgende Radsätze zu erhöhen.
Für einen Radsatz, der in der oberen Region der Radschlupf-Traktions-Charakteristik arbeitet, gibt es sehr wenig von der Schiene/Rad-Grenzfläche gelieferte Dämpfung, um Vibrationen zu vermeiden, die unter Einbeziehung der Elemente des Motorantriebs auftreten. Da moderne Züge zunehmend in diesem Bereich arbeiten, stellen solche Vibrationen ein signifikantes Problem dar.
Die 2 stellt ein Blockdiagramm eines typischen Gruppenantriebs 1 für ein Paar von asynchronen Motoren 2, 2' dar. Jeder Motor 2, 2' ist mit einem entsprechenden Antrieb 3, 3' verbunden, der bei dem vorliegenden Beispiel ein Getriebe und einen Schienenfahrzeug-Radsatz einschließen kann. Die Motoren 2, 2' können Einphasen- oder Mehrphasen-Einheiten sein. Für die meisten Schienensysteme werden die Motoren Dreiphasen-Einheiten sein.
Die Motoren 2, 2' werden durch einen Einfach-Stromrichter 4 parallel geschaltet versorgt, der in Übereinstimmung mit Auslöse- oder Schaltbefehlen S, die von einer Stromrichter-Steuereinheit geliefert werden, an die Motoren 2, 2' Strom zur Verfügung gestellt. Typischerweise wird der Stromrichter eine Dreiphasen-Stromrichter-Einheit sein, die Leistungshalbleiter verwendet, um den Gleichstrom-Eingangsstrom von dem Zwischenkreis des Schienenfahrzeugs in eine Dreiphasen-Impulsfolge zu den Motoren 2, 2' umzuwandeln. Der Gruppenantrieb 1 schließt ferner eine Traktionskontrollvorrichtung 8 ein, die dazu vorgesehen ist, den Antrieb im Falle von variierenden Reibungsbedingungen zwischen den Rädern und der Schiene zu stabilisieren.
Die Stromrichter-Steuereinheit 6 erhält ein Feedback der Systemparameter von den Motoren und dem Antrieb. Diese Parameter sind die Wellen-Dreh-Geschwindigkeit n (die in dem Falle einer Vielzahl von Motoren der Durchschnittswert der Gabeldeichselgeschwindigkeiten der einzelnen Motoren ist und der Phasenstrom I. Der an den Stromrichter gelieferte Wert der Zwischenkreis-Spannung V ist ebenso als Eingangswert in die Stromrichter-Steuereinheit 6 vorgesehen. Die Stromrichter-Steuereinheit 6 benutzt das so genannte Direct/Indirect Self Control-Verfahren (DSC/ISC), um die Schaltbefehle S für den Stromrichter 4 vorzugeben. Dies wird durch eine Rechenschaltung in der Stromrichter-Steuereinheit 6 erreicht, die Modelle des Stromrichters 4 und der Motoren 2, 2' enthält. Die System-Parameter n, I und V werden als Eingangswert für die Modelle benutzt, um den aktuellen Stator-Fluss Ψ_act und den aktuellen Drehmoment-Wert Q_act für die Motoren zu berechnen. Die Werte Ψ_act und Q_act sind natürlich gemittelte Werte für die einzelnen Motoren 2, 2', die von dem System als gleich angesehen werden. Die Werte Ψ_act und Q_act werden mit den vorher. bestimmten Werten Ψ_nom und Q_nom verglichen, und die Differenz wird von der Stromrichter-Steuereinheit 6 verwendet, um die Schaltbefehlte S für den Stromrichter 4 auf den neuesten Stand zu bringen. Der Vergleich zwischen dem berechneten aktuellen Stator-Fluss Ψ_act und dem Nominal-Fluss Ψ_nom innerhalb der Stromrichter-Steuereinheit kann durch eine Vorrichtung oder ein Programm erfolgen, auf die bzw. das als Strom-Steuereinheit Bezug genommen wird. Der Zweck eines solchen Gerätes liegt darin, die Motoren auf ihrem Betriebspunkt zu halten, der für gewöhnlich dem maximalen möglichen Fluss entspricht. Eine Anpassung der Höhe dieses Nominal-Flusses ist nicht vorgesehen.
Für den Zweck der vorliegenden Erfindung ist die tatsächliche Betriebsweise der Stromrichter-Steuerungseinheit 6 unerheblich und sie kann als eine Blackbox angesehen werden, die bloß die angeforderten Schaltsignale gemäß der gewünschten Leistung an den Stromrichter ausgibt. Im Prinzip ist jede andere Art von feld-orientierter Steuerung möglich, anstelle der so genannten selbststeuernden Verfahren. Geeignete Stromrichter-Steuereinheiten sind einem Fachmann wohl bekannt und vertraut.
Die Zugkontrollvorrichtung 8 erhält ein Feedback von den Motoren 2, 2' über die Wellen-Drehgeschwindigkeit n und vergleicht diese mit einem Wert, der im Zusammenhang mit der aktuellen Geschwindigkeit des Fahrzeuges entlang des Fahrwegs steht. Es sind mehrere Wege zur Erlangung dieses Signals möglich, wobei Messungen, die ein frei laufendes Rad benutzen, GPS-Messung der Zugbewegung und andere Annäherungen eingeschlossen sind. Aus der Differenz zwischen der aktuellen Wellen-Drehgeschwindigkeit n und der tatsächlichen Geschwindigkeit n_act kann der relative mechanische Schlupf Δv zwischen dem Rad und der Schiene bestimmt werden. Die Traktionskontrollvorrichtung 8 benutzt diesen Schlupfwert, um zu bestimmen, ob eine Drehmoment-Reduzierung erforderlich ist. Dies wird erreicht, indem z.B. ein Such-Algorithmus verwendet wird, wobei die Statorfrequenz stufenweise erhöht und verringert wird, während das sich ergebende Drehmoment-Verhalten überwacht wird, um den Punkt der maximalen Traktion zu bestimmen. Die Traktionskontrollvorrichtung 8 beeinflusst die Stromrichter-Steuereinheit liegt hinsichtlich des erforderlichen nominalen Drehmoments Q_nom. Es ist keine Variation des Nominal-Flusses Ψ_nom vorgesehen.
Unter normalen Betriebsbedingungen wird der Wert des Stromes stets so nahe wie möglich an dem Nominalwert des Flusses Ψ_nom gehalten. An diesem Punkt wird der elektrische Strom für ein vorgegebenes Motor-Drehmoment minimiert, da das Drehmoment das Produkt des Stromes und des Flusses ist. Durch die Minimierung des Stroms werden die Verluste innerhalb des Motors reduziert und die Motortemperatur wird ebenfalls auf einem Minimum gehalten.
Es wurde nun beobachtet, dass der Gruppenantrieb 1 unter gewissen Bedingungen Vibrationen im niedrigen Frequenzbereich zeigen kann, wobei sich der Rotor des Motors 2 zusammen mit dem Antrieb 3 im Hinblick auf den anderen Rotor des Motors 2' und den Antrieb 3' gegenphasig bewegen kann. Die beiden Motorantriebe bilden folglich zwei Inertialkörper, die von dem Rotor zu dem Stator und über den Stromkreis, der die Motoren 2, 2' miteinander verbindet, miteinander verbunden sind. In Fällen, bei denen die Dämpfung des Systems gering ist, können sich diese Vibrationen ausbreiten und zu einem Ärgernis werden. Es wurde herausgefunden, dass solche Situationen insbesondere auftreten, wenn die Räder nahe dem Punkt des freien Drehens bezüglich der Schienen sind, und wo die Dämpfung in den Motoren selbst minimal ist, z.B. bei niedrigen Temperaturen. Es wird angenommen, dass viele andere Faktoren ebenfalls eine Rolle bei der Reduzierung der Dämpfung des gesamten Systems spielen können, wobei sich solche Vibrationen ausbreiten können.
Da die Stromrichter-Steuereinheit 6 nur mit den Mittelwerten des Phasenstroms I und der Rotor-Drehgeschwindigkeit n versorgt wird, bleibt diese besondere Art der Gegentaktschwingung dem Steuerungssystem, welches durch die Stromrichter-Steuereinheit 6 und die Traktionskontrollvorrichtung 8 gebildet wird, verborgen.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Gruppenantriebs 101 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei der gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um Gegenstände zu kennzeichnen, die denen der 2 ähnlich sind. Die gleichen Bezugszeichen werden im gesamten vorliegenden Text verwendet. Gemäß der 3 ist ergänzend ein Flussreduzierungsgerät 110 vorgesehen.
Das Flussreduzierungsgerät 110 empfängt eine Anzahl von Eingangswerten. Diese schließen ein Signal T ein, das für die Motortemperatur repräsentativ ist. Dies kann die Temperatur sein, wie sie in der Statorwicklung gemessen wird oder sie kann in indirekter Weise auf andere Weise abgeleitet sein. Das Flussreduzierungsgerät 110 empfängt ferner Eingangswerte der Rotor-Drehgeschwindigkeit n, eine Traction Control Flag TCF von der Traktionskontrollvorrichtung 8, als ein Flag, dass die Traktionskontrollvorrichtung 8 in Betrieb ist, um die Traktion zu reduzieren, und ein Signal für das aktuelle Drehmoment Q_act von der Stromrichter-Steuereinheit 6, wie es von dem darin vorgesehenen Motor-Modell berechnet wird.
Das Flussreduzierungsgerät 110 umfasst einen Prozessor, der die Eingangswerte T, n, TCF und Q_act bewertet, und für jeden Wert bestimmt, ob sie einen Faktor repräsentieren, der das Eintreten von Gegentaktschwingung anzeigt. Beispielsweise kann T als ein Faktor angesehen werden, wenn er unter 50°C liegt, n kann als ein Faktor angesehen werden, wenn er eine Statorfrequenz von unter 15 Hz repräsentiert, TCF kann ein Faktor sein, wenn es aktiv ist, während Q_act ein Faktor sein kann, wenn es geringer als 70% des Q_nom ist. Diese Werte werden nur beispielhaft gegeben, und sind nicht dazu gedacht, die Bereiche der Werte einzuschränken, unter denen der Fluss reduziert werden sollte. Solche Werte können durch Experiment berechnet werden oder in anderer Weise, und es kann sein, dass sie für jede einzelne Antriebsanordnung besonders bestimmt werden müssen.
4 zeigt eine alternative Anordnung für ein Flussreduzierungsgerät 210 gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Flussreduzierungsgerät 210 umfasst eine Anzahl von Referenzgeräten 215–219 und eine Anzahl von Komparatoren 221–225. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform der 3 empfängt das Flussreduzierungsgerät eine Anzahl von Eingangswerten von anderen Elementen des Gruppenantriebs 1. Diese Eingangswerte sind: T, ein Wert, der die Temperatur der Motoren darstellt, der als eine Durchschnittstemperatur der Statorwicklung geliefert werden kann; die Statorfrequenz (als eine Alternative zur Drehgeschwindigkeit n in der 3) kann von den Signalen S abgeleitet werden, die von der Stromrichter-Steuereinheit 6 geliefert werden; dQ/dΔv, der die Steigung der Radschlupf-Traktions-Charakteristik wiedergibt, und aus Daten berechnet werden kann, die von der Stromrichter-Steuereinheit 6 und der Traktionskontrollvorrichtung 8 geliefert werden; Drehmoment Q; und das oben erwähnte Traction Control Flag TCF.
In dem Flussreduzierungsgerät 210 werden das Signal T und ein in der Referenzeinheit 215 gespeicherter Wert T_ref in dem Komparator 221 verglichen. Wenn T geringer als T_ref ist, dann geht der Ausgang 231 nach oben. In ähnlicher Weise wird das Signal f und ein in der Referenzeinheit 216 gespeicherter Wert f_max in dem Komparator 222 verglichen. Wenn f geringer als f_max ist, dann geht der Ausgang 232 nach oben. Das Signal f wird ebenso in dem Komparator 223 mit dem in der Referenzeinheit 217 gespeicherten Wert f_min verglichen. Wenn f größer als f_min ist, dann geht der Ausgang 233 nach oben. Die Signale dQ/dΔv und Q werden in ähnlicher Weise mit in den Referenzeinheiten 218 und 219 gespeicherten Referenzwerten verglichen, und die Komparatoren 224 und 225 geben jeweils Hochsignale 234 und 235 aus, wenn die Signale unter den Referenzwerten liegen.
Die Ausgangswerte 231–235 und ein von der TCF festgesetztes Signal 236 werden einer logischen UND-Schaltung 240 als Eingangswerte geliefert. Wenn alle Eingangswerte zu der UND-Schaltung 240 hoch sind, wird ein Flussreduzierungssignal 242 an das Flussreduzierungsgerät 250 ausgegeben. Das Flussreduzierungsgerät wendet bei dem Wert Ψ_nom eine Stufenreduzierung an, die der Stromrichter-Steuereinheit 6 als Eingangswert zugeschaltet wird. Diese Stufenreduzierung kann bei einem Wert von z.B. 80% des Ψ_nom voreingestellt werden, und sie kann ebenso mit dem in dem Komparator 219 gespeicherten Wert Q_ref in Bezug gesetzt werden. Wenn das Drehmoment Q hinreichend unter dem Sollwert liegt, wird dadurch eine Reduzierung bei dem Fluss, um z.B. 20%, den Phasenstrom nicht dazu bringen, seinen maximalen Wert zu überschreiten.
Gemäß der Ausführungsform der 4 ist ein Hysterese-Gerät 252 zwischen der UND-Schaltung 240 und dem Flussreduzierungs-Steuergerät 250 angebracht. Das Hysterese-Gerät 252 ist dazu gedacht, die Stromrichter-Steuereinheit daran zu hindern, unter Betriebsbedingungen, die nahe den von den Referenzeinheiten 215 bis 219 gegebenen Grenzen liegen, an- und ausgeschaltet zu werden. Dies ist in dem Falle von einer großen Anzahl an Eingangswerten zu der UND-Schaltung 240 besonders wichtig, da eine Änderung in einem der Eingangswerten das Flussreduzierungssignal 242 dazu bringen könnte, umzuschalten. Das Hysterese-Gerät kann zeitlich sein, wobei eine gewisse Zeit zwischen den Schaltungen erfordert wird, oder es kann signalgesteuert sein, z.B. indem es erforderlich ist, dass mehr als einer der Ausgangswerte 231–235 und das TCF-Signal 236 niedrig wird, bevor der Eingangswert zu dem Flussreduzierungs-Steuergerät 250 niedrig wird.
Für einen Fachmann ist es offensichtlich, dass mehrere alternative Kombinationen von Logikbausteinen vorgesehen werden können, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Das Motor-Temperatur-Signal T kann als eine UND-Kombination der einzelnen Motoren 2, 2' vorgesehen werden, wobei das Signal nur dann hoch sein wird, wenn beide Motoren unter der Referenztemperatur liegen. In einer ähnlichen Art und Weise könnten die Signale TCF und dQ/dΔv in einer ODER-Schaltung kombiniert werden. Es könnte ebenso wünschenswert sein, die UND-Schaltung 240 zu konfigurieren, dass sie nach oben geht, wenn eine gewisse Anzahl der 6 Eingangswerte 80 hoch ist. Mehrere andere Eingangswerte könnten ebenso eingeschlossen werden, abhängig von dem Einfluss auf das Eintreten der Vibrationen. Insbesondere kann das Signal für das Drehmoment Q ersetzt werden, indem z.B. andere Messungen, die die Traktion repräsentieren, verwendet werden.
Wie oben erwähnt kann das Flussreduzierungs-Steuergerät 250 eine einfache Stufenreduzierung des Flusses vorsehen. Bei einer anderen Ausführungsform könnte die Flussreduzierung gemäß den maßgebenden Betriebsbedingungen berechnet werden, wobei das Flussreduzierungs-Steuergerät 250 mit weiteren Eingangswerten von Systemparametern versorgt wird.
Die Reduzierung des Flusses dient dazu, die Feedback-Verstärkung der gesamten Übertragungsfunktion zu verringern und eine höhere Stabilität sicherzustellen, auch bei niedrigen Frequenzen. Obwohl keine Beschränkung durch die Theorie gewünscht wird, wird angenommen, dass die Statorfrequenz durch die Reduzierung des Flusses und die Erhöhung des elektrischen Stroms in den Motoren 2, 2' ansteigt, obwohl die Drehfrequenz im Wesentlichen konstant bleibt. Das bedeutet, dass der elektrische Schlupf innerhalb von jedem der Motoren 2, 2' höher sein wird, wodurch sich eine weniger starre Verbindung zwischen den zwei Trägheitsmassen durch die Motorantriebe ergibt.
Soweit das bei dem Betriebspunkt der asynchronen Maschine linearisierte Systemverhalten betroffen ist, kann dies gut mit der Hilfe eines so genannten Nichols-Diagramms gemäß der 5 veranschaulicht werden. Die 5A veranschaulicht das Verhalten für verschiedene Betriebsfrequenzen von 5 bis 20 Hz. Die 5B veranschaulicht die gleichen Betriebsfrequenzen, jedoch unter Bedingungen mit reduziertem Fluss.
Aus der Steuerungstheorie ist es bekannt, dass die kritische Phasenverschiebung in beiden Fällen unter 90° bleibt. Wenn der Fluss jedoch reduziert wird, wie dies in der 5B gezeigt wird, ist die damit verbundene Verstärkung in signifikanter Weise geringer, was eine Verbesserung der Stabilität des Systems als Ganzes gestattet.
Für das System als Ganzes werden die relevanten System-Pole, die sich aus den verschiedenen Grund-Statorfrequenzen ergeben, in der 6 gezeigt. Wo der Fluss in der 6A nicht reduziert wurde, tritt durch die Pole repräsentierte Instabilität, die einen positiven Realteil besitzt, in den ausgewählten Grenzumständen, innerhalb eines Grund-Statorfrequenz-Bereiches zwischen 10 und 15 Hz auf. In dem Fall eines reduzierten Flusses gemäß der 6B sind Vibrationen der oben erwähnten Art nur für die Grund-Statorfrequenzen von ungefähr 10 Hz zu erwarten.
Während die obigen Beispiele bevorzugte Beispiele der vorliegenden Erfindung darstellen, wird angemerkt, dass verschiedene andere Anordnungen ebenso berücksichtigt werden können, die in das Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Ein Verfahren zur Verringerung der Gegentaktschwingung mehrerer in einem System angetriebener Asynchronmotoren (2, 2'), die parallel von einer gemeinsamen Stromversorgung gespeist werden, wobei das Verfahren umfasst: Überwachung des Systems auf Vorliegen eines oder mehrerer Faktoren, die auf das Eintreten von Gegentaktschwingung hinweisen; und Verringerung des Motorflusses der Motoren bei Entdeckung des Vorliegens solcher Faktoren.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das System überwacht wird, um die Temperatur der Motoren (2, 2') zu bestimmen, und der Motorfluss reduziert wird, wenn die Temperatur der Motoren (2, 2') unter einem voreingestellten Wert liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das System überwacht wird, um die Temperatur der Statorwicklung zu bestimmen, und der Motorfluss reduziert wird, wenn die Temperatur der Statorwicklung unter einem voreingestellten Wert liegt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das System überwacht wird, um einen für die Statorfrequenz repräsentativen Wert zu bestimmen, und der Motorfluss reduziert wird, wenn der für die Statorfrequenz repräsentative Wert des Motors innerhalb eines definierten Bereichs liegt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das System überwacht wird, um das Vorhandensein von geringer Systemdämpfung zu bestimmen, und der Motorfluss reduziert wird, wenn die Systemdämpfung unter einem voreingestellten Wert liegt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das System überwacht wird, um die Nähe des Betriebspunkts zum Maximum der Radschlupfcharakteristik zu bestimmen, und der Motorfluss reduziert wird, wenn der Radschlupf Innerhalb eines definierten Bereichs liegt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das System mit einer Traktionskontrollvorrichtung versehen ist, die das Motordrehmoment bei eintretendem verringerter Traktion reduziert, und der Motorfluss reduziert wird, wenn die Traktionskontrollvorrichtung arbeitet, um das Drehmoment zu reduzieren.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das System überwacht wird, um das Motordrehmoment zu bestimmen, und der Motorfluss reduziert wird, wenn das Motordrehmoment innerhalb eines definierten Bereichs liegt.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das System auf das Vorliegen von mehreren Faktoren überwacht wird, die auf das Eintreten von Gegentaktschwingung hinweisen, und der Motorfluss nur dann reduziert wird, wenn eine Reihe dieser Faktoren erfasst werden.
Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das System auf das Vorliegen von mehreren Faktoren überwacht wird, die auf das Eintreten von Gegentaktschwingung hinweisen, und der Motorfluss nur dann reduziert wird, wenn alle diese Faktoren erfasst werden.
Das Verfahren nach Anspruch 10 oder 9, bei dem ein Fuzzy-Logic-Regler eingesetzt wird, um die Reduzierung des Motorflusses auf der Grundlage der überwachten Faktoren und Ihrer relativen Bedeutung zu bestimmen.
Das Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem Werte für den oder die Faktor(en) in einer multidimensionalen Tabelle gespeichert werden, die für eine gegebene Kombination von Faktoren angibt, ob der Motorflusses reduziert werden sollte oder nicht.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen Motoren getrennt überwacht und verglichen werden, um das Vorliegen von Gegentaktschwingung direkt anzuzeigen.
Das Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, bei dem die gemeinsame Stromversorgung ein Stromrichter (4) ist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Stromrichter von einer Stromrichter-Steuereinheit (6) geregelt wird.
Das Verfahren nach Anspruch 15, bei der das System durch ein Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250) überwacht wird, das ein Signal an die Stromrichter-Steuereinheit (6) schickt, um den Motorfluss bei Erfassung von einem oder mehreren Faktoren zu reduzieren, die auf das Eintreten von Gegentaktschwingung hinweisen.
Ein Schienenfahrzeugantrieb umfassend: mehrere Asynchronmotoren (2, 2'), wobei jeder Motor an einen jeweiligen mechanischen Antrieb (3, 3') für den Vortrieb des Schienenfahrzeugs angeschlossen ist; Ein Stromrichter (4), der elektrische Leistung an die Motoren (2, 2') liefert, wobei die Motoren (2, 2') parallel gespeist werden; eine Stromrichter-Steuereinheit (6), die Kontrollsignale an den Stromrichter (4) abgibt, gekennzeichnet durch ein Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250), das das System auf das Vorliegen eines oder mehrerer Faktoren überwacht, die auf das Eintreten von Gegentaktschwingung zwischen den Motoren (2, 2') hinweist und bei Entdeckung des Vorliegens solcher Faktoren ein Signal an die Stromrichter-Steuereinheit (6) abgibt, den Motorfluss der Motoren (2, 2') zu reduzieren.
Ein Schienenfahrzeugantrieb nach Anspruch 17, der ferner Motortemperatursensoren umfasst, wobei die Motortemperatursensoren ein Systemsignal an das Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250) abgeben, das für die Temperatur der Motoren (2, 2') repräsentativ ist.
Ein Schienenfahrzeugantrieb nach Anspruch 17 oder 18, der ferner einen Statorfrequenzindikator umfasst, wobei der Statorfrequenzindikator ein Systemsignal an das Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250) abgibt, das für die Statorfrequenz der Motoren (2, 2') repräsentativ ist.
Ein Schienenfahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 19, der ferner eine Traktionskontrollvorrichtung (8) umfasst, wobei die Traktionskontrollvorrichtung (8) ein Systemsignal an das Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250) abgibt, das auf den Betrieb der Traktionskontrollvorrichtung (8) hinweist.
Ein Schienenfahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 20, der ferner einen Motor-Drehmomentindikator umfasst, wobei der Motor-Drehmomentindikator ein Systemsignal an das Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250) abgibt, das für das Motordrehmoment der Motoren (2, 2') repräsentativ ist.
Ein Schienenfahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 21, bei dem das Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250) einen Prozessor umfasst, der die Systemsignale auswertet, um das Vorliegen eines oder mehrerer Faktoren zu bestimmen.
Ein Schienenfahrzeugantrieb nach Anspruch 22, bei dem der Prozessor für die Auswertung der Systemsignale Fuzzy-Logic einsetzt.
Ein Schienenfahrzeugantrieb nach Anspruch 22 oder 23, bei dem das Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250) eine multidimensionale Tabelle umfasst, und der Prozessor die Systemsignale mit Werten vergleicht, die in der multidimensionalen Tabelle angegeben sind, um das Vorliegen eines oder mehrerer Faktoren zu bestimmen.
Ein Schienenfahrzeugantrieb nach Anspruch 22 oder 23, bei dem das Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250) die relevanten Differentialgleichungen enthält, die das Systemverhalten beschreiben, und der Prozessor die Systemsignale als Parameter in den Differentialgleichungen nutzt, um das Vorliegen eines oder mehrerer Faktoren zu bestimmen.
Ein Schienenfahrzeugantrieb nach einem der Ansprüche 17 bis 25, bei dem Monitoren auf den einzelnen Asynchronmotoren (2, 2') und Antrieben (3, 3') vorhanden sind, um dem Flussreduzierungsgerät (110, 210, 250) direkt das Vorliegen von Gegentaktschwingungen anzugeben.