DE102007055020A1

DE102007055020A1 - Vorrichtung zur Energieversorgung einer mehrere Wicklungsabschnitte aufweisenden Langstatorwicklung

Info

Publication number: DE102007055020A1
Application number: DE102007055020A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Hoffamnn; Alfred Weller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2027-11-15
Also published as: BRPI0820524A2; JP5301555B2; CN101855822B; US8476857B2; RU2010123901A; JP2011504084A; CN101855822A; US20100253251A1; DE102007055020B4; RU2491695C2; WO2009062906A1

Abstract

Um eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer mehrere Wicklungsabschnitte (2) aufweisenden Langstatorwicklung (1) mit einer Eneregiequelle, einer mit der Energiequelle verbundenen Versorgungsleitung (6), Abschnittsschaltern (3), die mit der Versorgungsleitung (6) verbunden sind und die jeweils einen Anschluss zur Verbindung mit jeweils einem Wicklungsabschnitt aufweisen, bereitzustellen, mit der eine von der Regelung der Energiequelle unabhängige Kompensation der Blindleistung ermöglicht ist, wird vorgeschlagen, dass Mittel zur blindleistungskompensation, die zum Einstellen der Impedanz der Vorrichtung eingerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer mehrere Wicklungsabschnitte aufweisenden Langstatorwicklung mit einer Energiequelle, einer mit der Energiequelle verbundenen Versorgungsleitung, Abschnittsschaltern, die mit der Versorgungsleitung verbunden sind und die jeweils einen Anschluss zur Verbindung mit jeweils einem Wicklungsabschnitt aufweisen.
Eine solche Vorrichtung ist aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So sind beispielsweise Vorrichtungen zur Energieversorgung einer Magnetschwebebahn beschrieben und beispielsweise in China Shanghai realisiert, bei denen der Antrieb nicht im sich mit der Fahrtgeschwindigkeit fortbewegenden Schienenfahrzeug angeordnet ist. Stattdessen ist der Antrieb im Fahrweg untergebracht und umfasst einen Langstatormotor, der wesentlich durch die Langstatorwicklung gekennzeichnet ist.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Energieversorgung einer Magnetschwebebahn ist in 1 schematisch verdeutlicht. Es wird erkennbar, dass die Langstatorwicklung 1 in mehrere Wicklungsabschnitte 2 unterteilt ist, wobei die Wicklungsabschnitte 2 im figürlich nicht näher dargestellten Fahrweg unmittelbar aneinander anschließen. Jeder Wicklungsabschnitt 2 ist eingangsseitig mit einem Abschnittsschalter 3 und an seinem vom Abschnittsschalter 3 abgewandten Ende mit einem Sternpunktschalter 4 verbunden. In seiner geschlossenen Stellung verbindet der Sternpunktschalter 4 den Wicklungsabschnitt 2 mit einem Sternpunkt 5. Der Abschnittsschalter 3 dient hingegen zur Verbindung des ihm jeweils zu geordneten Wicklungsabschnitts 2 mit einem Energieversorgungskabel 6, das mit einem figürlich nicht dargestellten Umrichter als Energiequelle verbunden ist. Die Unterteilung der Langstatorwicklung 1 in Wicklungsabschnitte 2 ist notwendig, da ansonsten die gesamte Langstatorwicklung 1 über ihre gesamte Länge hinweg erregt werden müsste mit hohen Energieverlusten im Gefolge. Wird ein Abschnittsschalter 3 und gleichzeitig ein Sternpunktschalter 4 eingeschaltet, kommt es hingegen zur Erregung eines ausgewählten Wicklungsabschnitts 2 mit begrenzter Länge, in dem in Abhängigkeit der Ansteuerung des Umrichters ein magnetisches Wanderfeld erzeugt wird. Das Wanderfeld wechselwirkt mit fahrzeugseitig angeordneten Trag- und Führungsmagneten, wobei es zum elektrodynamischen Antrieb des Fahrzeugs kommt. Sobald das angetriebene Fahrzeug sich nicht mehr über dem Wicklungsabschnitt 2 befindet, werden der Abschnittsschalter 3 und der Sternpunktschalter 4 geöffnet.
Jeder Wicklungsabschnitt 2 weist neben seinem ohmschinduktiven Widerstand gegenüber dem Umgebungspotential auch einen kapazitiven Widerstand auf. In 1 ist daher jedem Wicklungsabschnitt 2 schematisch jeweils eine Kapazität 7 zugeordnet. Entsprechendes gilt für die Versorgungsleitung 6, deren Kapazität 8 über ihre gesamte Länge verteilt ist. Gemäß dem Stand der Technik wird bislang im Wesentlichen ein Wicklungsabschnitt 2 mit der Versorgungsleitung 6 verbunden. Der jeweils zugeschaltete Wicklungsabschnitt 2 stellt eine stark induktive Last dar. Es kommt deshalb zur Phasenverschiebung zwischen Antriebsstrom und Antriebsspannung mit dem Erzeugen einer Blindleistung im Gefolge. Diese induktive Blindleistung kann von der Kapazität 8 der Versorgungsleitung 6 sowie der Kapazität 7 des jeweils zugeschalteten Wicklungsabschnitts 2 nicht ausreichend kompensiert werden, so dass es gemäß dem Stand der Technik zu einer zusätzlichen Belastung des Antriebssystems durch Blindleistung kommt. Diese Blindleistung kann bei einigen Umrichtern durch eine zweckmäßige Antriebsregelung aktiv kompensiert werden, wodurch jedoch das Antriebssystem belastet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der eine von der Regelung der Energiequelle unabhängige Kompensation der Blindleistung ermöglicht ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch Mittel zur Blindleistungskompensation, die zum Einstellen der Impedanz der Vorrichtung eingerichtet sind.
Erfindungsgemäß wird die Impedanz der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung so eingestellt, dass es zur gewünschten Kompensation der beim Antrieb entstehenden Blindleistung kommt. Zur Kompensation des induktiv wirkenden zugeschalteten Wicklungsabschnittes 2 werden im Rahmen der Erfindung ohnehin vorhandene Bestandteile der Vorrichtung mit kapazitiver Wirkung zugeschaltet. Auf diese Art und Weise wird die Energiequelle, also üblicherweise ein Elektroenergie in den Versorgungsleiter einspeisende Umrichter, entlastet. Die Regelung des Umrichters kann daher erfindungsgemäß unabhängig von der jeweils im Fahrbetrieb herrschenden Impedanz der Vorrichtung erfolgen und ist somit effizienter.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Mittel zur Blindleistungskompensation eine Steuerungseinheit auf, die zum Öffnen oder Schließen von wenigstens einigen der Abschnittsschalter eingerichtet ist. Auf diese Art und Weise wird die Impedanz der Vorrichtung durch die ohnehin vorhandenen Wicklungsabschnitte des Langstators beeinflusst. Die Lösung ist somit ausgesprochen kostengünstig. Soll beispielsweise der kapazitive Widerstand der gesamten Vorrich tung erhöht werden, schließt die Steuereinheit eine Anzahl von Abschnittsschaltern, die über den zugeordneten Wicklungsabschnitt mit einem geöffneten Sternpunktschalter verbunden sind, bis die Summe der Kapazitäten der auf diese Weise zugeschalteten Wicklungsabschnitte zuzüglich des kapazitiven Widerstands der Versorgungsleitung und des bestromten Wicklungsabschnitts in etwa dem induktiven Widerstand des bestromten Wicklungsabschnittes entspricht.
Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit mit Messsignale erzeugenden Messsensoren verbunden und weist eine interne Regellogik auf, die zum Öffnen oder Schließen der mit der Steuereinheit verbundenen Abschnittsschalter in Abhängigkeit von Einstellparametern und auf Grundlage der Messsignale eingerichtet ist. Gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird anhand der Messsensoren der Blindstromanteil der Vorrichtung im Betrieb, also während der Energieversorgung, ermittelt. Die Messsensoren sind beispielsweise Strom- und Spannungsmesser, die den Strom und die Spannung in jeder Phase des Versorgungsleiters erfassen und auf Grundlage dieser Messsignale auf vorbekannte Weise den besagten Blindstromanteil bestimmen. Darüber hinaus verfügt die Steuereinheit über Einstellparameter, die beispielsweise Informationen darüber enthalten, wie groß jeweils der kapazitive Widerstand der restlichen gerade nicht bestromten Wicklungsabschnitte und wie groß der kapazitive Widerstand des Versorgungsleiters sind. Auf Grundlage dieser Daten oder Einstellparameter ist durch eine einfache Rechenvorschrift eine möglichst genaue Kompensation der Blindleistung ermöglicht.
Zweckmäßigerweise ist wenigstens eine Zusatzleiterschalteinheit, die mit der Steuereinheit verbunden ist, vorgesehen, wobei jede Zusatzleiterschalteinheit mit einem Zusatzleiter verbunden ist, dessen Impedanz der Steuereinheit als Ein stellparameter zur Verfügung steht. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterentwicklung ist die Variabilität und somit die Anpassungsgenauigkeit der Impedanz an den jeweiligen Bedarf vergrößert.
Zur weiteren Steigerung der Variabilität ist darüber hinaus eine mit der Versorgungsleistung verbundene Reaktanzeinheit vorteilhaft. Als Reaktanzeinheit kommt beispielsweise ein zusätzlicher Kondensator oder aber eine Spule in Betracht. Abweichend davon sind jedoch auch aktive Reaktanzeinheiten vorgesehen, die über einen mehrere kapazitive Widerstände wie Kondensatoren und eine Schalteinheit verfügen. Die Schalteinheit ist beispielsweise mit der Regeleinheit verbunden, so dass der besagte kapazitive Widerstand als Ganzes oder in Teilen dem jeweils bestromten Wicklungsabschnitt parallel geschaltet werden kann.
Mit anderen Worten ist die Reaktanzeinheit beispielsweise über einen Reaktanzschalter mit der Versorgungseinheit in Parallelschaltung zum bestromten Wicklungsabschnitt verbindbar, wobei die Reaktanzschalteinheit wiederum mit der Steuereinheit verbunden ist.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Art der eingesetzten Schalteinheiten im Rahmen der Erfindung beliebig ist. So können im Rahmen der Erfindung sowohl mechanische als auch Halbleiterschalter eingesetzt werden.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleich Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
1 eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung,
2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen.
1 betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik, die bereits weiter oben ausführlich beschrieben wurde, so dass an dieser Stelle eine detaillierte Beschreibung entfallen kann.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 9, die wieder zur Energieversorgung einer Langstatorwicklung 1 vorgesehen ist, die aus mehreren Wicklungsabschnitten 2 zusammengesetzt ist. Die Vorrichtung umfasst eine Versorgungsleitung 6, die über Zusatzleiter 10 und Zusatzleiterschalteinheit 11 mit einer figürlich nicht dargestellten Energiequelle, wie einem Umrichter, verbunden ist, wobei der Umrichter über einen Gleichstromkreis oder einen Gleichspannungszwischenkreis mit einem weiteren Umrichter verbunden ist, der seinerseits an ein Wechselstrom führendes Elektroenergieversorgungsnetz angeschlossen ist. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, über einen Bereichsschalter 17 eine weitere Versorgungsleitung 16 zur bereits betrachteten Versorgungsleitung 6 zu verbinden, die ebenfalls eine Langstatorwicklung 2 versorgt und ebenfalls über entsprechend zu schaltbare Wicklungsabschnitte verfügt. Diese sind jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur nicht dargestellt.
Zur Bestromung eines Wicklungsabschnitts 2 sind wie beim Stand der Technik ein Abschnittsschalter 3 sowie ein Sternpunktschalter 4 vorgesehen. Sind der Abschnittsschalter 3 und der Sternpunktschalter 4 geschlossen, fließt ein Strom ausgehend von der Energiequelle über die Zusatzleitung 10, die geschlossene Zusatzleiterschaltereinheit 11, die Versorgungsleitung 6, den geschlossenen Abschnittsschalter 3 in den jeweiligen Wicklungsabschnitt 2 und von dort aus über den Sternpunktschalter 4 zum Sternpunkt 5, der beispielsweise geerdet ist.
Um hohe Verluste zu vermeiden, ist in der Regel immer nur ein Wicklungsabschnitt 2 mit der Versorgungsleitung 6 einerseits und dem Sternpunkt 5 andererseits verbunden. Die Abschnittsschalter 3 und die Sternpunktschalter 4 der übrigen nicht zu bestromenden Wicklungsabschnitte sind hingegen in der Regel geöffnet. Dies trifft auch für den ggf. vorhandenen Bereichsschalter 17 zu. Um den induktiven Widerstand des jeweils bestromten Wicklungsabschnitts 2 zu kompensieren, ist eine Steuereinheit 12 vorgesehen, die mit den Abschnittsschaltern 3 über jeweils eine Signalleitung 13 verbunden ist. Darüber hinaus ist die Steuerungseinheit 12 auch mit den Zusatzleiterschalteinheiten 11 und dem Bereichsschalter 17 über eine Signalleitung 13 verbunden. Zur Kompensation der Blindleistung steuert die Steuereinheit 12 eine bestimmte Anzahl von Abschnittsschaltern 3 und/oder Zusatzleiterschalteinheiten 11 zum Schließen an. Dabei sind die angesteuerten Abschnittsschalter 3 Wicklungsabschnitten 2 zugeordnet, die nicht bestromt sind, deren Sternpunktschalter 4 also geöffnet ist, so dass deren kapazitiver Widerstand 7 zur Kompensation der Blindleistung verwendet werden kann, ohne dass es zu einer ungewollten Bestromung weiterer Wicklungsabschnitte 2 kommt. Um die Stellung des jeweiligen Sternpunktschalters 4 an der Steuereinheit 12 kenntlich zu machen, ist die Steuereinheit 12 auch mit den Sternpunktschaltern 4 über eine Signalleitung verbunden, die jedoch in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist.
Um zu entscheiden, wie viele Abschnittsschalter 3 die Steuereinheit 12 bei geöffneten Sternpunktschaltern 4 zur Blindleistungskompensation schließen soll, ist die Steuereinheit 12 mit in den Figuren nicht dargestellten Messsensoren verbunden. Die Messsensoren erfassen in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der 2 Strom und Spannung der Versorgungsleitung 6. In den Figuren ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Phase der insgesamt drei Phasen aufweisenden Versorgungsleitung sowie jeweils nur ein Pol des jeweiligen Schalters oder der jeweiligen Schaltereinheit gezeigt. Dies gilt entsprechend für die Langstatorwicklung 1 mit den Wicklungsabschnitten 2. Es sei jedoch an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Messsensoren Strom und Spannung jeweils phasenweise erfassen, so dass die Steuereinheit 12 aufgrund der erhaltenen Messsignale die Blindleistung in der Versorgungsleitung 6 während der Energieversorgung der Langstatorwicklung 1 bestimmen kann. Darüber hinaus verfügt die Steuereinheit 12 über Einstellparameter, also beispielsweise Angaben über die Impedanz eines zuschaltbaren nicht erregten Wicklungsabschnitts 2. Aufgrund dieser Informationen entscheidet eine interne Regellogik der Steuereinheit 12 darüber, welche Abschnittsschalter 3 und welche Zusatzleiterschalteinheiten 11 und Bereichsschalter 17 zur Blindleistungskompensation geschlossen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass mit einem Bereichsschalter 17 weitere Wicklungsabschnitte 2 eines anderen Langstatorabschnitts 2 nach der oben geschilderten Art für die Blindleistungskompensation einbezogen werden können.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Steuereinheit 12 mit einer Reaktanzeinheit 14 verbunden ist. Die Reaktanzeinheit 14 ist über einen elektrischen Leiter 15 mit dem Wicklungsabschnitt 2 verbunden. Die Reaktanzeinheit 14 umfasst beispielsweise eine figürlich nicht dargestellte Schalteinheit, die von der Steuereinheit 12 im Bedarfsfall geschlossen werden kann, sowie eine kapazitive Einheit, wie beispielsweise einen Kondensator in Sternpunktschaltung oder dergleichen. Durch Verbinden der kapazitiven Einheit der Reaktanzeinheit 14 kann die Steuereinheit 12 den kapazitiven Widerstand der Vorrichtung somit erhöhen und damit den induktiven Blindleistungsbedarf kompensieren.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß 3, wobei jedoch die Reaktanzeinheit 14 sternpunktseitig am Wicklungsabschnitt 2, also zwischen dem eigentlichen Wicklungsabschnitt 2 und dem Sternpunktschalter 4 angeordnet ist.

Claims

Vorrichtung zur Energieversorgung einer mehrere Wicklungsabschnitte (2) aufweisenden Langstatorwicklung (1) mit einer Energiequelle, einer mit der Energiequelle verbundenen Versorgungsleitung (6), Abschnittsschaltern (3), die mit der Versorgungsleitung (6) verbunden sind und die jeweils einen Anschluss zur Verbindung mit jeweils einem Wicklungsabschnitt aufweisen, gekennzeichnet durch Mittel zur Blindleistungskompensation, die zum Einstellen der Impedanz der Vorrichtung eingerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bildleistungskompensation eine Steuerungseinheit (12) aufweisen, die zum Öffnen oder Schließen von wenigstens einigen der Abschnittsschalter (3) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) mit Messsignale erzeugenden Messsensoren verbunden ist und eine interne Regellogik aufweist, die zum Öffnen oder Schließen der mit der Steuerungseinheit (12) verbundenen Abschnittsschalter (3) in Abhängigkeit von Einstellparametern und auf Grundlage der Messsignale eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Zusatzleiterschalteinheit (11), die mit der Steuereinheit (12) verbunden ist, wobei jede Zusatzleiterschalteinheit (11) mit einem Zusatzleiter (10) verbunden ist, dessen Impedanz der Steuereinheit (12) als Einstellparameter zur Verfügung steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Bereichsschalteinheit (17), die mit der Steuereinheit (12) verbunden ist, wobei jede Bereichsschalteinheit (17) mit einer zweiten Versorgungsleitung (16) verbunden ist, dessen Impedanz der Steuereinheit (12) als Einstellparameter zur Verfügung steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine mit der Versorgungsleitung (6) verbundene Reaktanzeinheit (14).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktanzeinheit (14) mittels einer Reaktanzschalteinheit mit der Versorgungsleitung (6) verbindbar ist.