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A. Schirrer, S. Jakubek:
"Hochdynamische Oberleitungs-Emulation eines Pantographenprüfstandes: Modellierungs- und Regelkonzepte";
Vortrag: 49. Regelungstechnisches Kolloquium in Boppard, Boppard; 04.03.2015 - 06.03.2015.

Im Hochgeschwindigkeits-Zugbetrieb werden extreme Anforderungen an Pantographen-Stromabnehmer gestellt. Deren Hauptaufgabe, den Zug sicher mit elektrischer Energie zu versorgen soll mit minimalem Verschleiß und daher möglichst konstanter, vorgegebener Kontaktkraft erfüllt werden.

Zur Entwicklung aktiv geregelter Pantographen werden von der TU Wien gemeinsam mit SIEMENS Modelle von Pantograph und Oberleitung, Regelkonzepte und Pantographen-Prüfstandslösungen erforscht und entwickelt.

Der mechatronische Pantographen-Prüfstand bewerkstelligt dabei die Emulation der
Oberleitungsdynamik in Echtzeit. Dazu werden Oberleitungsmodelle verschiedener
Komplexität verwendet, und Methoden zur Parametrierung der Modelle aus
Messdaten wurden entwickelt. Über die geeignete Kombination von Konzepten
der modellprädiktiven Regelung und der mechanischen Impedanzregelung wird
es möglich, die komplexe dynamische Interaktion zwischen Pantograph-Prüfling und
Oberleitungsmodell im Power-Hardware-in-the-Loop-Fall zu realisieren. Das
ermöglicht die Wiederholbarkeit von Testszenarien unter voller Reproduzierbarkeit
sowie das virtuelle Testen potentiell gefährlicher Situationen.

Dem dynamischen Oberleitungsmodell wird physikalisch über gekoppelte partielle
Differentialgleichungen (Wellengleichung, Erweiterungen der Euler-Bernoulli-
Biegebalkengleichung) erstellt. Wellentransport- und Dispersionsphänomene, sowie
Teilreflexionen an Hängern sind relevant und müssen für die Anwendung
abgebildet werden. Das Systemmodell wird weiters auf geeignet mitbewegte
Koordinaten transformiert und schließlich diskretisiert. Gemeinsam mit geeigneten Verkleinerung des Rechengebiets auf die direkte Umgebung des Pantographen-
Kontaktpunkts. Derartige Randbedingungen sind im vorliegenden Fall bis dato nicht
bekannt. In diesem Beitrag wird daher ein optimierungsbasierter Ansatz zur
Generierung absorbierender Randbedingungen für das diskretisierte Problem vorgestellt.

Die Optimierungsmethodik basiert auf einem Output-Error-Verfahren, in dem direkt
die diskreten Koeffizienten der Realisierung der Randbedingungen optimiert werden,
um in geeigneten Testfällen die auftretenden Restreflexionen zu minimieren. Somit
können einfache, explizite und stabile Randbedingungen für beliebige Diskretisierungen
verteilt-parametrischer Systemdynamik erzeugt und optimiert werden.
Weitere, komplexere anwendungsspezifische Probleme, etwa die korrekte
Behandlung der Einfahrt der Hänger in das bewegte Rechengebiet, können nun als
Rand-Regelungsprobleme behandelt werden.

Pantographen-Oberleitungs-Interaktion, Power-HiL, absorbierende Randbedingungen, Koordinatentransformation, Optimierung

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_247407.pdf