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DE19828753B4 - Method for optimizing the traction control of electric rail vehicles - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Optimierung der Kraftschlussregelung eines elektrischen Schienenfahrzeuges, die eine vorgegebene Sollzugkraft entsprechend den momentan vorliegenden Rad/Schiene-Verhältnissen korrigiert und einer unterlagerten Motorregelung zuleitet, dadurch gekennzeichnet, dass
– in einem ersten Schritt das Stromfrequenzspektrum der gesamten Kraftschlussregelung im geschlossenen Regelkreis erfasst wird,
– in einem zweiten Schritt ein Vergleich des gemessenen oder berechneten Stromfrequenzspektrums mit einem Stromfrequenzspektrums mit einem vorgegebenen Stromfrequenzspektrum maximal zulässiger Werte erfolgt und
– in einem dritten Schritt ein Kraftschlussregelungs-Entwurf unter Verwendung der H∞-Methode derart erfolgt, dass diejenigen Stromfrequenzanteile, welche die maximal zulässigen Werte überschreiten, in benachbarte Frequenzbereiche verschoben werden, bei denen die Stromfrequenzanteile noch wesentlich unterhalb der maximal zulässigen Werte liegen, wobei das aus den Messungen oder Modellrechnungen bekannte typische Störspektrum und detaillierte Informationen über die Auswirkung von Reglerparameteränderungen auf das Stromfrequenzspektrum berücksichtigt werden.A method for optimizing the traction control of an electric rail vehicle, which corrects a predetermined reference tensile force according to the currently available wheel / rail ratios and zuleitet a subordinate engine control, characterized in that
In a first step, the current frequency spectrum of the total traction control in the closed loop is detected,
In a second step, a comparison of the measured or calculated current frequency spectrum with a current frequency spectrum is carried out with a predetermined current frequency spectrum of maximum permissible values, and
In a third step, a traction control design using the H∞ method is carried out such that those current frequency components which exceed the maximum permissible values are shifted into adjacent frequency ranges in which the current frequency components are still substantially below the maximum permissible values the typical interference spectrum known from the measurements or model calculations and detailed information on the effect of controller parameter changes on the current frequency spectrum are taken into account.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung der Kraftschlußregelung von elektrischen Schienenfahrzeugen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for optimizing the adhesion control of electric rail vehicles according to the preamble of the claim 1.

Bei elektrischen Schienenfahrzeugen sind insbesondere bei am Gleichstrom-Fahrdraht gespeisten Fahrzeugen durch den Bahnbetreiber maximal zulässige Netzrückwirkungen vorgegeben. Bedingt durch die bei elektrischen Schienenfahrzeugen vielfach eingesetzten getakteten Stromversorgungen, wie Stromrichter und Schaltnetzteile, treten in nachteiliger Weise Belastungen durch niederfrequente Schwingungen (Netzrückwirkungen) sowie hochfrequente, leitungs- und feldgebundene Störgrößen (Funkstörungen) in Erscheinung.at electric rail vehicles are especially at the DC contact wire supplied by the railway operator maximum permissible network perturbations specified. Due to the many in electric rail vehicles used clocked power supplies, such as power converters and Switching power supplies, occur in a disadvantageous manner loads Low-frequency vibrations (network perturbations) and high-frequency, line- and field-bound disturbances (radio interference) in appearance.

Elektrische Schienenfahrzeuge sind üblicherweise mit Netzfiltern ausgerüstet, deren Aufgabe es ist, während des Fahrbetriebes störende Frequenzanteile im Netzstrom zu unterdrücken. Dies wird erreicht, indem durch geeignete Übertragungsfunktion des Netzfilters störende Stromfrequenzanteile gedämpft und nicht störende Stromfrequenzanteile verstärkt werden. Diese bei Fahrbetrieb sinnvolle Maßnahme hat jedoch bei Energierückspeisung im Bremsbetrieb die nachteilige Wirkung, daß von Stromrichtern des Schienenfahrzeuges selbst erzeugte Ströme in bestimmten Frequenzbereichen durch die Netzfilter verstärkt werden.electrical Rail vehicles are common equipped with mains filters, whose job is while the driving operation disturbing Frequency components in the mains current to suppress. This is achieved by by suitable transfer function of Network filter disturbing Current frequency components damped and not disturbing Strengthened power frequency components become. However, this measure, which is useful when driving, has energy recovery in braking mode the adverse effect that of power converters of the rail vehicle self-generated currents be amplified in certain frequency ranges by the line filter.

Für eine optimale Kraftschlußausnutzung des Rad/Schiene-Systems ist es bei elektrischen Schienenfahrzeugen allgemein bekannt, eine vom Lokführer vorgegebene Sollzugkraft nicht direkt der Motorregelung für einen Antriebsmotor (oder mehrere Antriebsmotoren) zuzuleiten, sondern einem Kraftschlußregler. Der Kraftschlußregler liefert entsprechend den momentanen Rad/Schienen-Verhältnissen (beispielsweise Feuchtigkeit auf den Schienen, welche die Reibung reduziert) eine entsprechend korrigierte maximale Zugkraft, welche der unterlagerten Motorregelung als Sollwert dient. Diese Anpassung der Zugkraft an die momentanen Rad/Schienen-Verhältnisse erfolgt mit einer vorteilhaft hohen Dynamik, womit jedoch der Nachteil verbunden ist, daß mit der gleichen hohen Dynamik auch Leistung aus dem Netz bezogen oder zurückgespeist wird, was wiederum die Erzeugung von störenden Strömen in bestimmten Frequenzbereichen zur Folge hat. In 3 ist hierzu beispielhaft ein unzulässiges Stromfrequenzspektrum einer Kraftschlußregelung gezeigt (I_N = Netzstrom, f = Frequenz). Die im Frequenzbereich zwischen 0 und 10 Hz auftretenden Netzstromanteile über 20 A sind unzulässig.For optimum adhesion of the wheel / rail system, it is generally known in electric rail vehicles, not direct to the engine control setpoint train direct the motor control for a drive motor (or more drive motors), but a non-positive governor. The friction adjuster provides according to the current wheel / rail ratios (for example, moisture on the rails, which reduces the friction) a correspondingly corrected maximum traction, which serves as a target value of the lower-level engine control. This adaptation of the tensile force to the current wheel / rail ratios is carried out with an advantageously high dynamics, but with the disadvantage that with the same high dynamics and power from the grid or fed back, which in turn the generation of disturbing currents in certain frequency ranges. In 3 For this purpose, an impermissible current frequency spectrum of a traction control is shown by way of example (I_N = mains current, f = frequency). The mains current component over 20 A occurring in the frequency range between 0 and 10 Hz are not permitted.

Zur Vermeidung unzulässiger Beeinträchtigungen anderer elektrischer Einrichtungen am Enegieversorgungsnetz sind die in 3 gezeigten hohen Netzrückwirkungen in jedem Fall zu limitieren. Vom Bahnbetreiber wird deshalb ein maximal zulässiges Stromfrequenzspektrum festgelegt, d. h. es werden maximal zulässige Netzstromanteile in Abhängigkeit der Frequenz vorgegeben. Ein Beispiel hierzu zeigt 2.To avoid undue interference with other electrical equipment on the power supply network, the in 3 In any case, limit the high system perturbations shown. The railway operator therefore sets a maximum permissible current frequency spectrum, ie maximum permissible mains current components are specified as a function of the frequency. An example shows 2 ,

In 2 sind die Bereiche zulässiger und unzulässiger Netzrückwirkungen dargestellt, wie sie von einem Bahnbetreiber vorgegeben werden. Es sind die frequenzabhängigen Amplitudenanteile (Stromfrequenzspektrum) des Netzstromes I_N des gesamten Fahrzeuges in den unterschiedlichen Bereichen gezeigt. Die Grenze der maximal zulässigen Netzstromfrequenzanteile ist durch den durchgezogenen Linienzug gekennzeichnet. Die maximal zulässigen Netzstromanteile in Abhängigkeit der Frequenz sind im allgemeinen um so geringer, je größer die Frequenz f ist. Eine Ausnahme von dieser Betrachtung stellt der Bereich um 50 Hz dar, bei dem nur sehr geringe Netzrückwirkungen zulässig sind.In 2 the areas of permissible and impermissible network perturbations are shown, as specified by a railway operator. The frequency-dependent amplitude components (current frequency spectrum) of the mains current I_N of the entire vehicle in the different ranges are shown. The limit of the maximum permissible mains current frequency components is characterized by the solid polyline. The maximum permissible mains current components as a function of the frequency are generally the smaller, the greater the frequency f. An exception to this consideration is the range around 50 Hz, in which only very small network perturbations are allowed.

Ein Vergleich des produzierten Stromfrequenzspektrums gemäß 3 und dem Stromfrequenzspektrum maximal zulässiger Werte gemäß 2 zeigt deutlich, daß Netzstromfrequenzanteile auftreten, welche die maximal zulässigen Werte überschreiten.A comparison of the produced current frequency spectrum according to 3 and the current frequency spectrum of maximum permissible values according to 2 clearly shows that mains current frequency components which exceed the maximum permissible values occur.

Aus der Schrift EP 0 491 689 ist ein Verfahren zum optimierten Betrieb eines Stromrichters bekannt, der insbesondere bei dem Betrieb einer Lokomotive angewendet werden kann. Der Stromrichter ist an den Abgriff eines Netzes angeschlossen und enthält Schalteinrichtungen, die mittels Zündwinkeln, die auf eine Periode einer vorgegebenen Grundfrequenz bezogen sind, steuerbar sind. Während des Stromrichterbetriebes werden fortlaufend momentane Messgrößen für eine die momentane Impedanz oder den momentanen Leitwert des Netzes beschreibende Übertragungsfunktion gebildet und die Zündwinkel nach einem Optimierungskriterium bestimmt. Die Zündwinkel werden aus einem virtuellen System errechnet, das den Stromrichter und dem daran angeschlossenes, durch eine Modell-Übertragungsfunktion definiertes virtuelles Modell umfasst, wobei die Modell-Übertragungsfunktion aus den momentanen Messgrößen derart bestimmt wird, dass die Übertragungsfunktion zumindest im Bereich der Maxima oder Minima praktisch mit der Modell-Übertragungsfunktion übereinstimmt.From the Scriptures EP 0 491 689 a method for optimized operation of a power converter is known, which can be used in particular in the operation of a locomotive. The power converter is connected to the tap of a network and includes switching devices which are controllable by means of ignition angles, which are related to a period of a predetermined fundamental frequency. During converter operation, instantaneous measured variables are continuously formed for a transfer function describing the instantaneous impedance or the instantaneous conductance of the network, and the firing angle is determined according to an optimization criterion. The firing angles are calculated from a virtual system comprising the power converter and the virtual model defined by a model transfer function, the model transfer function being determined from the instantaneous measurands such that the transfer function is at least in the region of maxima or minima practically matches the model transfer function.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung der Kraftschlussregelung von elektrischen Schienenfahrzeugen der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem unzulässig hohe Stromfrequenzanteile auf zulässige Werte reduziert werden.Of the Invention is based on the object, a method for optimization the traction control of electric rail vehicles of specify the type mentioned above, with the unacceptably high power frequency components on permissible Values are reduced.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.These The object is achieved in conjunction with the features of the preamble according to the invention solved specified in the characterizing part of claim 1 features.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch das vorgeschlagene Verfahren zur Optimierung der Kraftschlussregelung von elektrischen Schienenfahrzeugen unzulässig hohe Stromfrequenzanteile reduziert werden, ohne dass damit wesentliche Einbußen hinsichtlich der Kraftschlussausnutzung verbunden sind. Dies wird durch Frequenzverschiebung unzulässig hoher Stromfrequenzanteile in benachbarte Frequenzbereiche erzielt, die bezüglich der auftretenden Stromfrequenzanteile noch nicht bis zur maximal zulässigen Grenze ausgeschöpft sind.The particular advantages of the invention are that by the proposed method for optimizing the traction control Inadmissible high power frequency components of electric rail vehicles be reduced without any significant loss in terms the adhesion utilization are connected. This is done by frequency shifting inadmissible achieved high frequency components in adjacent frequency ranges, the re the occurring current frequency components not yet up to the maximum permissible Limit exhausted are.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the drawing Embodiments explained. It demonstrate:

1 eine Antriebsschaltung eines Schienenfahrzeuges, 1 a drive circuit of a rail vehicle,

2 die Bereiche zulässiger und unzulässiger Netzrückwirkungen, 2 the areas of permissible and inadmissible network perturbations,

3 ein unzulässiges Stromfrequenzspektrum einer Kraftschlussregelung, 3 an impermissible current frequency spectrum of an adhesion control,

4 ein zulässiges Stromfrequenzspektrum einer Kraftschlussregelung. 4 a permissible frequency spectrum of a traction control.

In 1 ist eine Antriebsschaltung eines Schienenfahrzeuges (Hauptstromkreis) dargestellt. Die Einspeisung des Schienenfahrzeuges im Fahrbetrieb bzw. die Rückspeisung im Bremsbetrieb erfolgt über den einen Gleichstrom-Fahrdraht 1 (Oberleitung) kontaktierenden Stromabnehmer mit nachgeordnetem Hauptschalter 3 einerseits und das Rad/Schiene-System 2 andererseits. Ein Wechselrichter 5 wandelt die Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung variabler Amplitude und Frequenz zur Speisung eines Antriebsmotors 6 (Asynchronmotor) bzw. mehrerer Antriebsmotoren. Dem Wechselrichter 5 ist ein aus einer Serien-Induktivität und einer Parallel-Kapazität bestehendes Netzfilter 4 vorgeschaltet.In 1 a drive circuit of a rail vehicle (main circuit) is shown. The feed of the rail vehicle while driving or the feedback in braking mode via the one DC contact wire 1 (Overhead line) contacting pantograph with downstream main switch 3 on the one hand and the wheel / rail system 2 on the other hand. An inverter 5 Converts the DC voltage into a three-phase alternating voltage of variable amplitude and frequency for feeding a drive motor 6 (Asynchronous motor) or several drive motors. The inverter 5 is a line filter consisting of a series inductance and a parallel capacitance 4 upstream.

Jeder Antriebsmotor 6 treibt einen Radsatz 7 am wobei die Feder/Dämpfungskomponenten des Radsatzes bzw. der Kopplung zwischen Antriebsmotor und Radsatz mit Ziffer 8 bezeichnet sind. Eine Motorregelung 9 steuert den Wechselrichter 5 an, um den Hauptenergiefluss zu beeinflussen und ein gewünschtes Drehmoment des Antriebsmotors und/oder eine gewünschte Traktionsleistung und/oder Geschwindigkeit des Fahrzeuges einzustellen. Die vom Lokführer vorgegebene Sollzugkraft FZS wird einer Kraftschlussregelung 10 zugeleitet. Entsprechend den momentan vorliegenden Rad/Schienen-Verhältnissen ermittelt die Kraftschlussregelung hieraus eine korrigierte maximale Zugkraft, die der unterlagerten Motorregelung 9 als Sollwert dient.Every drive motor 6 drives a wheelset 7 where the spring / damping components of the wheelset or the coupling between the drive motor and wheelset with numeral 8th are designated. A motor control 9 controls the inverter 5 in order to influence the main energy flow and set a desired torque of the drive motor and / or a desired traction performance and / or speed of the vehicle. The default train force FZS specified by the train driver becomes a traction control 10 fed. According to the currently available wheel / rail ratios, the traction control determines a corrected maximum traction force, that of the subordinate motor control 9 used as setpoint.

Um das Auftreten von Stromfrequenzanteilen zu unterdrücken, welche die maximal zulässigen Werte überschreiten (siehe die in 2 definierten Bereiche zulässiger/unzulässiger Netzrückwirkungen), wird die Kraftschlussregelung 10 im Frequenzbereich in optimierter Weise entworfen. Hierzu wird in einem ersten Schritt das Stromfrequenzspektrum der gesamten Kraftschlussregelung im geschlossenen Regelkreis gemessen oder mit Hilfe eines geeigneten Modells berechnet. Wesentlich ist dabei auch die Berücksichtigung des Einflusses der Feder/Dämpfungskomponenten 8 auf das Frequenzspektrum.To suppress the occurrence of current frequency components that exceed the maximum permissible values (see in 2 defined ranges of permissible / unacceptable system perturbations), becomes the adhesion control 10 designed in the frequency range in an optimized way. For this purpose, in a first step, the current frequency spectrum of the entire adhesion control is measured in a closed loop or calculated using a suitable model. It is also essential to take into account the influence of the spring / damping components 8th on the frequency spectrum.

Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt der Vergleich des gemessenen oder berechneten Stromfrequenzspektrums mit dem vom Bahnbetreiber vorgegebenen Stromfrequenzspektrum maximal zulässiger Werte (siehe 2). In einem dritten Schritt erfolgt die Optimierung des Kraftschlußregelung-Entwurfs mit dem Ziel, diejenigen Stromfrequenzanteile, welche die Grenze der maximal zulässigen Werte überschreiten, in benachbarte Frequenzbereiche zu verschieben, bei denen die Stromfrequenzanteile noch wesentlich unterhalb der Grenze der maximal zulässigen Werte liegen.Subsequently, in a second step, the comparison of the measured or calculated current frequency spectrum with the current frequency spectrum of maximum permissible values specified by the railway operator takes place (see 2 ). In a third step, the optimization of the traction control design is carried out with the aim of shifting those current frequency components which exceed the limit of the maximum permissible values into adjacent frequency ranges in which the current frequency components are still substantially below the limit of the maximum permissible values.

Zur Lösung des Entwurfsproblems wird ein Frequenzbereichsverfahren, nämlich die H∞-Methode eingesetzt, wobei das aus den Messungen oder Modellrechnungen bekannte typische Störspektrum und detaillierte Informationen über die Auswirkung von Reglerparameteränderungen auf das Stromfrequenzspektrum berücksichtigt werden.to solution The design problem becomes a frequency domain method, namely H∞ method used, the typical known from the measurements or model calculations Interference spectrum and detailed information about the effect of controller parameter changes on the current frequency spectrum considered become.

Eine weitere Optimierung wird erzielt, wenn zusätzlich bei der Inbetriebnahme des Schienenfahrzeuges das Stromfrequenzspektrum erfasst wird und die Reglerparameter der Kraftschlussregelung derart korrigiert werden, dass störende Stromfrequenzanteile weiter reduziert werden.A Further optimization is achieved, if additionally during commissioning of the rail vehicle, the current frequency spectrum is detected and the Correction parameters of the adhesion control can be corrected in such a way that disturbing Current frequency components are further reduced.

In 4 ist ein zulässiges Stromfrequenzspektrum einer Kraftschlussregelung dargestellt, wie es durch Optimierung der Kraftschlussregelung zu erreichen ist. Wie zu erkennen ist, treten keine Stromfrequenzanteile mehr auf, welche die maximal zulässigen Werte überschreiten.In 4 is a permissible current frequency spectrum of a traction control represented as it can be achieved by optimizing the traction control. As can be seen, no current frequency components occur which exceed the maximum permissible values.

Claims (3)

Verfahren zur Optimierung der Kraftschlussregelung eines elektrischen Schienenfahrzeuges, die eine vorgegebene Sollzugkraft entsprechend den momentan vorliegenden Rad/Schiene-Verhältnissen korrigiert und einer unterlagerten Motorregelung zuleitet, dadurch gekennzeichnet, dass – in einem ersten Schritt das Stromfrequenzspektrum der gesamten Kraftschlussregelung im geschlossenen Regelkreis erfasst wird, – in einem zweiten Schritt ein Vergleich des gemessenen oder berechneten Stromfrequenzspektrums mit einem Stromfrequenzspektrums mit einem vorgegebenen Stromfrequenzspektrum maximal zulässiger Werte erfolgt und – in einem dritten Schritt ein Kraftschlussregelungs-Entwurf unter Verwendung der H∞-Methode derart erfolgt, dass diejenigen Stromfrequenzanteile, welche die maximal zulässigen Werte überschreiten, in benachbarte Frequenzbereiche verschoben werden, bei denen die Stromfrequenzanteile noch wesentlich unterhalb der maximal zulässigen Werte liegen, wobei das aus den Messungen oder Modellrechnungen bekannte typische Störspektrum und detaillierte Informationen über die Auswirkung von Reglerparameteränderungen auf das Stromfrequenzspektrum berücksichtigt werden.A method for optimizing the traction control of an electric rail vehicle, which has a predetermined reference tensile force according to Corrected currently present wheel / rail ratios and zuleitet a subordinate engine control, characterized in that - in a first step, the current frequency spectrum of the entire adhesion control is detected in the closed loop, - in a second step, a comparison of the measured or calculated current frequency spectrum with a current frequency spectrum with a predetermined current frequency spectrum of maximum permissible values takes place and - in a third step, a traction control design using the H∞ method is carried out such that those current frequency components which exceed the maximum permissible values are shifted to adjacent frequency ranges at which the current frequency components still substantially below the maximum permissible values, with the typical interference spectrum known from the measurements or model calculations and detailed information about the effect of controller parameter changes be taken into account on the current frequency spectrum. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass darüber hinaus bei Inbetriebnahme des Schienenfahrzeuges das Stromfrequenzspektrum der gesamten Kraftschlussregelung im geschlossenen Regelkreis gemessen wird und die Reglerparameter derart korrigiert werden, dass störende Stromfrequenzanteile weiter reduziert werden.Method according to claim 1, characterized in that that about it addition, when commissioning the rail vehicle, the current frequency spectrum the total traction control in the closed loop and the controller parameters are corrected such that disturbing current frequency components be further reduced. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Schritt das Stromfrequenzspektrum gemessen oder mit Hilfe eines geeigneten Modells berechnet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that measured in the first step, the current frequency spectrum or with Help of a suitable model is calculated.
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