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Schaltungsanordnung zum Betrieb eines fahrweggebundenen elektrischen
Triebfahrzeuges
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines fahrweggebundenen
Triebfahrzeuges mit einem synchronen Linearmotor, dessen als Translator ausgebildeter
Erreger im Triebfahrzeug angeordnet ist und dessen als Wanderfeldwicklung ausgebildeter
Stator entlang der Trasse verlegt und abschnittweise von ortsfesten steuerbaren
statischen Umrichtern mit veränderlicher Spannung und Frequenz gespeist ist, die
in Abhängigkeit von einer die Polstellung der Erregerwicklung erfassenden Meßanordnung
getaktet sind.
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Als Antriebsysteme für fahrweggebundene Triebfahrzeuge, insbesondere
für Hochleitungsschnellbahnen, kommen vorzugsweise Linearmotoren in Betracht. Unter
den verschiedenen Ausführungsformen von Linearmotoren zeichnet sich der synchrone
Linearmotor durch einen guten Wirkungsgrad und durch eine einfache EnergieUbertragung
aus. Ein synchroner Linearmotor besteht aus einer Wanderfeldwicklung und einer Erregerwicklung
(Archiv für Elektrotechnik, Bd. 55, 1972, Seiten 13 bis 20). Auf dem Triebfahrzeug
ist als Translator ein Erreger angeordnet, der entweder als Permanentmagnet ausgebildet
ist oder als eine von Gleichstrom durchflossene Erregerwicklung, die sich über die
gesamte Fahrzeuglänge erstrekken kann. Als Stator ist eine Wanderfeldwicklung entlang
der Trasse verlegt. Die Wanderfeldwicklung, die im allgemeinen als Mehrphasenwicklung
ausgebildet ist, erzeugt nach Maßgabe der eingespeisten Spannung und Frequenz ein
in Längsrichtung der Trasse laufendes Wanderfeld, welches das Triebfahrzeug antreibt.
Wegen der außergewöhnlichen Länge des Stators wird ein derartiger synchroner Linearmotor
auch als synchroner Langstatormotor bezeichnet.
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Die gesamte FahrstrecRe ist in eine Anzahl von Streckenabschnitte
unterteilt, wobei Jedem Streckenabschnitt eine Wanderfeldwicklung zugeordnet ist
und die einzelnen Wanderfeldwicklungen des so gebildeten vielteiligen synchronen
Linearmotors von einer Anzahl von steuerbaren statischen Umrichtern gespeist sind,
die entlang der Trasse verteilt angeordnet sind. Die Umrichter sind hinsichtlich
der abgegebenen Spannung und der abgegebenen Frequenz steuerbar und werden in Abhängigkeit
von der Polstellung des Erregers getaktet.
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Um den Synchronmotor möglichst im optimalen Arbeitspunkt bei geringen
ohmschen Verlusten betreiben zu können, ist eine laufende Erfassung seines Betriebszustandes
erforderlich. Für die Steuerung und Regelung eines synchronen Linearmotors ist die
meßtechnische Erfassung des Polstellungswinkels besonders wichtig, die die Stellung
des Erregers in bezug auf den Stator angibt.
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Zur Erfassung des Polstellungswinkels ist bei der eingangs beschriebenen,
aus der CH-PS 525 584 bekannten Schaltungsanordnung ein Positionsdetektor mit sechs
Fotodioden vorgesehen, die in einem dreiphasigen Vollweg-Brückengleichrichter liegen.
Die Eingänge des Vollweg-Brückengleichrichters sind mit den Eingängen der Wanderfeldwicklung
verbunden. Die von den Fotodioden ausgesandten Lichtstrahlen werden auf einen fotoelektrischen
Empfänger mit einer entsprechenden Anzahl von fotoelektrischen Empfangselementen
gerichtet, beispielsweise Fototransistoren. Die Ausgangssignale der fotoelektrischen
Empfangselemente werden nach einem vorgegebenen Verknupfungsschema miteinander kombiniert
und einer Zündsteuerung für die steuerbaren Ventile des statischen Umrichters zugeführt.
Mit Hilfe dieser bekannten Schaltungsanordnung ist jedoch nur eine ungenaue Erfassung
des Polstellungswinkels möglich.
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Bei einer aus der Offenlegungsschrift 23 41 761 bekannten Schaltungsanordnung
zum Betrieb eines fahrweggebundenen Triebfahrzuges mit einem synchronen Linearmotor
ist zur Ermittlung des Polstellungswinkels eine Rechenschaltung vorgesehen, die
aus der Frequenz und aus den vektoriellen, auf den Vektor eines vorgegebenen Referenzsignals
bezogenen Werten der Spannung und des Stromes am Einspeisepunkt, sowie aus dem Widerstandswert
und der Induktivität des synchronen Linearmotors als Maß für den Polstel-
lungswinkel
denjenigen Phasenwinkel berechnet, der zwischen dem Vektor einer fiktiven, durch
die Bewegung des Erregers in der Wanderfeldwicklung induzierten Hauptfeldspannung
einerseits und dem Vektor des Referenzsignals andererseits besteht. Eine derartige
Bestimmung des Polstellungswinkels unter Ausnutzung der Hauptfeldspannung ist bei
Stillstand und kleinen Geschwindigkeiten nicht möglich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art anzugeben, die eine exakte Bestimmung des Polstellungswinkels
auch im Stillstand des Triebfahrzeuges ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Meßanordnung gelöst,
die eine oder mehrere im Triebfahrzeug angeordnete und an einen Mittel- oder Hochfrequenzsender
angeschlossene Primärwicklung sowie eine in der Trasse verlegte Sekunddrwicklung
als MeB-wicklung enthält, an die ein Empfänger mit einem Amplituden-Demodulator
und eine Decodierechaltung angeschlossen sind, deren analoge Ausgangssignale ein
Maß für den Polstellungswinkel darstellen.
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Der Polstellungswinkel, der zur Synchronisierung des Umrichters mit
dem bewegten Erreger ausgewertet wird, ändert sich periodisch mit Werten von 0 bis
2 # und kann als Erregerbewegung in bezug auf eine Periode der Wanderfeldwicklung
aufgefaßt werden. Zur Synchronisierung eines statischen Umrichters können folgende
Arten von Signalen verwendet werden: a) Eine einzige periodisch verlaufende Spannung,
die beispielsweise einen asnusfdrmigen Verlauf aufweist. Ein derartiges Signal ist
immer tweldeutig oder mehrdeutig, weil Jedem span nungswert weinigstens zwei Polstellungswinkel
entsprechen, b). zeine ein2ige Spannung mit einem sägezahnförmigen Verlauf. Der
durch einen Spannungswert der SUgezahnspannung angegebene Polstellungewinkel ist
eindeutig, wenndie Sägezahnspannung eine Periode aufweist, die einem Polstelltmiwtnkel
2 entspricht.
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c) Zwei periodisch verlaufende Spannungen, welche der Sinuskomponente
und der Cosinuskomponente des Polstellungswinkels entsprechen. Der jeweilige Polstellungswinkel
ist eindeutig, wenn die Periode der genannten Spannungen einem Polstellungswinkel
von 2 X entspricht.
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d) Ein mehrphasiges, insbesondere ein dreiphasiges System von Spannungen,
die den Komponenten des Polstellungswinkels entsprechen. Der jeweilige Polstellungswinkel
ist eindeutig, wenn die Periode der genannten Spannungen einem Polstellungswinkel
von 2 t entspricht.
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Ein eindeutiger Polstellungswinkel kann unmittelbar zur Synchronisierung
des Umrichters verwendet werden. Es kann auch vorteilhaft sein, einen eindeutigen
Polstellungswinkel in Verbindung mit einem phaaengeregelten Oszillator im Steuersatz
des Umrichters auszunutzen. Bei einem phasengeregelten Oszillator wird der Polstellungawinkel
für die Synchronisierung des Oszillators ausgewertet. Hierfür sind zwar grundsätzlich
auch mehrdeutige Signale brauchbar, jedoch müssen dann besondere Maßnahmen getroffen
werden, damit der richtige Polstellungswinkel beim Anfahren benützt wird. Zudem
besteht immer die Gefahr, daß der phasengeregelte Oszillator bei Eingabe eines falschen
Polstellungswinkels kippt, insbesondere, wenn der falsche Polstellungswinkel gegenphasig
zum richtigen Polstellungswinkel ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung sind am Erreger eine oder mehrere Primärspulen
installiert und mit Mittel- oder Hochfrequenzstrom durchflossen, vorzugsweise mit
Frequenzen von Sbis 100tHz. In einer ortsfesten Sekundärwicklung werden in Abhängigkeit
von der momentarnen Erregerlage Sekundärspannungen induziert* die einem Empfänger
zugeführt und mit Hilfe eines Amplituden-Demodulators in analote Ausgangisignale
umgesetzt werden. Der jeweilige Polstellungswinkel wird durch eine Decodierschaltung
ermittelt, die beispielsweise als ein bekannter Vektornormierer ausgebildet sein
kann.
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Die als Meßwicklung verwendete Sekundärwicklung kann als einphasige
oder als mehrphasige Wicklung ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist eine Sekundärwicklung,
deren Länge zwei Perioden
der Wanderfeldwicklung entspricht. Die
decodierten Ausgangssignale der Meßwicklung ändern sich dann periodisch für alle
Werte des Polstellungswinkels. Mit einer einphasigen Meßwicklung werden Ausgangssignale
der unter a) genannten Art mit periodisch sinusförmigem Verlauf erzeugt, die zwei-
oder mehrdeutig sind.
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Mit einer mehrphasigen Meßwicklung können Signale der unter b), c)
oder d) genannten Arten geliefert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es möglich, daß die Wanderfeldwicklung
selbst als Sekundärwicklung verwendet wird, wobei die in ihr induzierte Mittel-
oder Hochfrequenzspannung induktiv oder kapazitiv auagekoppelt wird, beispielsweise
durch einen ltochfrequenzübertrager. Bei Verwendung der Wanderfeldwicklung als Meßwicklung
weist jedoch die decodierte analoge Ausgangsspannung die halbe Periode wie der Polstellungswinkel
auf. Die aus der Ausgangsspannung ermittelten Werte des Polstellungswinkels sind
daher immer zweideutig. Diese Unsicherheit in der Angabe des tatsächlichen Polstellungswinkels
kann dadurch beseitig werden, daß bei stillstehendem Fahrzeug der Umrichter statisch
betrieben wird und die Wanderfeldwicklung mit Gleichstrom speist, um das Fahrzeug
zunächst in eine definierte Lage zu bringen. Damit ist dann sichergestellt, daß
beim Anfahren die richtige Phasenlage vorliegt. Bei zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit
bleibt die Phasenlage des Umrichters synchron mit der relativen Fahrzeuglage.
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Eine andere Möglichkeit, um bei Verwendung der Wanderfeldwicklung
als Meßwicklung einen eindeutigen Wert für den Polstellungswinkel zu erhalten, sieht
vor, daß an beiden Seiten der Wanderfeldwicklung parallele Linienleiter verlegt
sind und daß im Empfänger die in den Linienleitern induzierten Hochfrequenzspannungen
der in der Wanderfeldwicklung induzierten Hochfrequenzspannung überlagert werden.
Durch diese Uberlagerung werden die Ausgangssignale periodisch mit zur . Die Ausgangssignale
sind daher eindeutig, wenn mehr als eine Phase betrachtet wird. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, eine zusätzliche Meßeinrichtung vorzusehen, die ermittelt, ob der
Polstellungswinkel größer oder kleiner als 7 ist. Auf diese Weise kann die Zweideutigkeit
der aus der Wanderfeldwicklung ausgekoppelten Hochfrequenzspannung b.sei-
tigt
werden. Für die zusätzliche Meßeinrichtung kann ein einfacher Meßgeber verwendet
werden, der beispielsweise magnetisch oder optisch arbeitet.
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Bei Schwebefahrzeugen wird ein weiteres Orientierungssignal für die
Höhe des Erregers über der Trasse benötigt; um eine geregelte Dämpfung von vertikalen
Schwingungen zu ermöglichen. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht hierbei vor,
daß der Betrag der analogen Ausgangs spannungen als Maß für die Höhe des Erregers
über der Trasse verwendet wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre in den UnteransprU-chen
näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden
im folgenden näher beschrieben: Figur 1 zeigt schematisch ein Triebfahrzeug 1 mit
einem Erreger 2, das sich in x-Richtung entlang einer Trasse bewegt, in der eine
dreiphasige Wanderfeldwicklung mit den Strängen 3a, 3b, 3c verlegt ist. Die Wanderfeldwicklungen
werden abschnittsweise von ortsfesten steuerbaren statischen Umrichtern, z. B. dem
Umrichter 4, mit veränderlicher Spannung und Frequenz gespeist. Die Umrichter sind
eingangsseitig an ein Drehstromnetz 6 angeschlossen. Den Steuereinrichtungen der
Umrichter, z. B. der Steuereinrichtung 5 des Umrichters 4, sind in nicht dargestellter,
bekannter Weise Sollwerte für Frequenz und Amplitude ihrer Ausgangsspannungen zugeführt.
Die Steuereinrichtungen von benachbarten Umrichtern sind jeweils über Synchronisierleitungen
7 bzw. 8 miteinander verbunden. Weiterhin ist den Steuereinrichtungen jeweils ein
Synchronisiersignal auf einer Leitung 9 zugeführt, das aus einer Meßanordnung für
den Polstellungswinkel gewonnen wird. Die Meßanordnung umfaßt eine im Triebfahrzeug
1 angeordnete Sendeeinrichtung 10, sowie entlang der Trasse angeordnete Menwicklungen
11a, leib, 11c und eine Empfänger- und Auswerteschaltung 12.
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Figur 2 zeigt schematisch die Meßanordnung. Zur Wahrung der Übersicht
ist lediglich ein Strang 3a der Wanderfeldwicklung und die zugehörige Meßwicklung
11a dargestellt. Der Erreger 2 ist als eine stromdurchflossene, vorzugsweise supraleitende
Wicklung ausgebildet, die an einen Mittel- oder Hochfrequenzsender 13 ange-
schlossen
ist. Die Abmessungen der Sendeeinrichtung 10 können vorzugsweise der Größe einer
Schleife der Meßwicklung entsprechen, wie in der Zeichnung dargestellt ist. Der
Sender 13 arbeitet vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 5 bis 100 kHz. Die
in der Meßwicklung 11a induzierte Spannung U11a wird einer Empfangs- und Auswerteschaltung
12 zugeführt.
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Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau einer derartigen Empfangs-und
Auswerteschaltung 12. Die induzierten Spannungen U11a, U11b, U11c der Meßwicklungen
11a, 11b, 11c sind Empfängern 19a, 19b, 19c zugeführt, die insbesondere einen Verstärker
enthalten können. Den Empfängern sind Demodulatoren 11in, 14b, 14c nachgeordnet.
Die Ausgangsspannungen der Demodulatoren werden einem 3/2-Koordinatenwandler 15
zugeführt. Ein derartiger 3/2-Koordinatenwandler ist beispielsweise in Figur 5 der
DT-AS 23 53 594 dargestellt. Die Ausgangsspannungen des Koordinatenwandlers 15 werden
in Funktionsgebern 16 bzw. 17 in die Sinuskomponente und die Cosinuskomponente des
Polstellungswinkels umgesetzt. Sofern der Oszillator in der Steuereinrichtung des
Wechse]richters mit diesen Komponenten synchronisiert wird, können sie unmittelbar
auf die Synchronisiereingänge der Steuereinrichtung geschaltet werden. Falls die
Steuereinrichtung mit einer dem 1Jinkelwert des Polstellungswinkels entsprechenden
Spannung synchronisiert wird, ist ein bekannter inkelnormierer 18 vorgesehen, dem
eingangsseitig die Sinuskomponente und die Cosinuskomponente des Polstellungswinkels
zugeführt werden und der eine dem Winkelwert des Polstellungswinkels entsprechende
Ausgangsspannung liefert.
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In der Schaltungsanordnung der Figur 3 ist weiterhin eine zusätzliche
Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Orientierungssignals für die Höhe des Erregers
über der Trasse dargestellt.
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Hierzu sind zwei Quadrierstufen 20 und 21 vorgesehen, denen die Ausgangssignale
des 3/2-Koordinatenazandlers 15 T zugeführt sind.
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Diese Ausgangssignale enthalten neben der Winkelinformation noch eine
Information über die Schwingungsamplitude der induzierten Spannung und damit eine
Information über die Höhe des Erregers über der Trasse. Die Ausgangsspannungen der
beiden Quadrierstufen 20 und 21 werden in einem Summationspunkt addiert und einer
Radizierstufe 23 zugeführt. Das Ausgangssignal der Radizierstufe 23 ist ein Maß
für die Höhe des erregers über der Trasse.
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Figur 4 zeigt den ortsabhängigen Verlauf der in der Meßwicklung 11a
induzierten Spannung U11a. Man erkennt, daß die OrtsabhEngigkeit dieses Spannungsverlaufe-s
das Bild einer amplitudenmodulierten Schwingung bietet.
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Figur 5 zeigt den ortsabhängigen Verlauf der demodulierten Spannung
U14a am Ausgang des Demodulators 1laa.
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Figur 6 zeigt den ortsabhängigen Verlauf der Ausgangsspannung U16
des Funktionsgebers 16. Die Kennlinie des vunktionsgebers 16 ist beispielsweise
so gewählt, daß aus einer ihm eingangsseitig zugeführten Halbwelle eine vollständige
Periode einer Schwingung erzeugt wird.
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Es wird insbesondere darauf hingewiesen, da13 es auch möglich ist,
nur zwei Meßwicklungen in der Trasse vorzusehen, die gegeneinander um eine halbe
Periode versetzt sind. Die Ausgangsspannungen dieser beiden Meßwicklungen werden
in der bereits beschriebenen Weise Empfängern zugeführt, denen Demodulatoren nachgeschaltet
sind. Die demodulierten Signale können dann normiert werden und zur Synchronisation
des Oszillators im Steuersatz des Umrichters verwendet, ober aber einem Winkelnormierer
zur Erzeugung eines den Polstellungswinkel angebenden Signals zugeführt werden.
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Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem als Meßwicklung
die Wanderfeldwicklung selbst verwendet ist. An das Drehstromnetz 6 ist wiederum
ein Umrichter l! angeschlossen, der die drei Stränge 3a, 3b, 3c der Wanderfeldwicklung
speist. Von der am Triebfahrzeug 2 angeordneten Sendeeinrichtung 10 werden in der
bereits beschriebenen Weise hochfrequente Signale abgestrahlt, die in der Wanderfeldwicklung
Spannungen induzieren. Die induzierten Spannungen werden von Auskopplungseinrichtungen
24a, 24b, 24c ausgekoppelt und einer Empfangs- und Auswerteschaltung 25 zugeführt.
Das Ausgangssignal der Empfangs- und Auswerteschaltung 25 wird zur Synchronisation
des Steuersatzes 5 des Umrichters 4 herangezogen.
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Geeignete Auskopplungseinrichtungen sind aus der Technik der Nachrichtenübertragung
auf Hochspannungsleitungen bekannt. So
kann beispielsweise in die
Zuleitung zur 'Fanderfeldwicklung ein Sperrfilter eingebaut werden, an dem die llochfrequente
Spannung abfällt und über einen Ubertlager ausgekoppelt wird. Die ausgekoppelte
Spannung wird einem Verstärker mit hochohmigem Eingang zugeführt. Die vom Umrichter
herrührenden Störfrequenzen werden in Kondensatoren kurzgeschlossen, die zwischen
den Ausgängen des Umrichters angeordnet sind.
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Figur 8 zeigt einen Strang 3a der Wanderfeldwicklung mit einer Auskopplungseinrichtung
24a. An beiden Seiten der Wanderfeldwicklung sind parallele Linienleiter 27 verlegt.
Die in der Wanderfeldwicklung Da und in den parallelen Linienleitern 27 induzierten
Spannungen werden einem Überlagerungsempfänger 26 zugeführt.
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Figur 9 zeigt den ortsabhängigen Verlauf der ltusgangsspannung U26
des Uberlagerungsempfängers 26. Die überlagerten Signale sind periodisch mit 2x
. Sie sind daher eindeutig, wenn mehr als eine Phase der Wanderfeldwicklung betrachtet
wird.
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4 Patentansprüche 9 Figuren