DE102014212693A1

DE102014212693A1 - Antriebseinheit, insbesondere für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014212693A1
Application number: DE102014212693.2A
Authority: DE
Inventors: Oliver Reimann; Andreas Schaefer-Enkeler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-01
Filing date: 2014-07-01
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, insbesondere für ein Fahrzeug (10), mit einer ersten elektrischen Motoreinheit (20.1), zumindest einer zweiten elektrischen Motoreinheit (20.2) und einer Stromrichtereinheit (22), die dazu vorgesehen ist, die Motoreinheiten (20.1, 20.2) mit elektrischer Leistung zu versorgen. Um eine Antriebseinheit zu schaffen, die gegenüber herkömmlichen Lösungen zumindest mit Beibehaltung des Wirkungsgrads und/oder der erforderlichen Anfahrtriebkraft wirtschaftlicher ausgebildet werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinheit eine Umschalteinheit (34), die dazu vorgesehen ist, eine Reihenkonfiguration, bei welcher die Motoreinheiten (20.1, 20.2) in Reihe miteinander geschaltet sind, und eine Parallelkonfiguration bereitzustellen, bei welcher die Motoreinheiten (20.1, 20.2) parallel zueinander geschaltet sind, und eine zur Betätigung der Umschalteinheit (34) vorgesehene Steuereinheit (36) aufweist, die dazu vorgesehen ist, die Parallelkonfiguration oder die Reihenkonfiguration einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinheit, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer ersten elektrischen Motoreinheit, zumindest einer zweiten elektrischen Motoreinheit und einer Stromrichtereinheit, die dazu vorgesehen ist, die Motoreinheiten mit elektrischer Leistung zu versorgen.
Bei elektrischen Fahrzeugantrieben, insbesondere bei Schienenfahrzeugen, ist es üblich, mehrere Antriebsmotoren in einer Parallelschaltung zu gruppieren. Diese Parallelschaltung wird mit einer Stromrichtereinheit mit elektrischer Leistung versorgt. Zum Erreichen einer wirtschaftlichen Ausbildung der Stromrichtereinheit wurde bereits ein Betrieb der Antriebsmotoren mit einem langen Feldschwächbereich vorgeschlagen. Hierzu ist jedoch eine hohe Windungszahl erforderlich, die zu erhöhten Motorverlusten, insbesondere Ständerverlusten, führt. Außerdem wurden besondere Schaltungstopologien für die Motorwicklungen vorgeschlagen, wie insbesondere Stern- oder Dreieckschaltungen. Diese führen jedoch zu einer Verringerung des Wirkungsgrads der Antriebseinheit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Antriebseinheit zu schaffen, bei welcher eine wirtschaftliche Ausbildung der Stromrichtereinheit und dennoch ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden können.
Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinheit eine Umschalteinheit, die dazu vorgesehen ist, eine Reihenkonfiguration, bei welcher die Motoreinheiten in Reihe miteinander geschaltet sind, und eine Parallelkonfiguration bereitzustellen, bei welcher die Motoreinheiten parallel zueinander geschaltet sind, und eine zur Betätigung der Umschalteinheit vorgesehene Steuereinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, die Parallelkonfiguration oder die Reihenkonfiguration einzustellen. Hierdurch können ein hoher Wirkungsgrad – insbesondere bei hohen Rotordrehzahlen – und eine vorteilhafte, insbesondere einfache und preiswerte Auslegung der Stromrichtertechnik erreicht werden.
Die Motoreinheiten sind vorzugsweise Bestandteile von zwei unterschiedlichen Motoren, die im Betrieb einer gemeinsamen Last zugeordnet sind.
Die Motoreinheiten weisen zweckmäßigerweise jeweils zumindest eine Wicklungseinheit auf, die insbesondere als Ständerwicklungseinheit ausgebildet ist. Durch die vorgeschlagene Lösung kann die Anzahl der Windungen in Motorwicklungen, welche im Wesentlichen die Dimensionierung der Antriebseinheit bestimmt, gegenüber einer herkömmlichen Ausbildung erheblich reduziert werden. Insbesondere kann eine Halbierung der Windungszahl erzielt werden, wobei in der Reihenkonfiguration eine gegenüber der herkömmlichen Lösung vergleichbare Motorkraft dennoch erzeugt werden kann, die jedoch nicht zu einer Verdopplung der Stromauslegung der Stromrichtereinheit führt. Durch eine Reduzierung der Windungszahl kann der Feldschwächbereich gegenüber der herkömmmlichen Lösung vorteilhaft verkürzt werden, ohne dass eine Motorstromerhöhung und daher eine Anpassung der Dimensionierung der Stromrichtereinheit mit dieser Verkürzung einhergehen. Ferner können Verluste, insbesondere Ständerverluste der Motoreinheiten begrenzt werden, wodurch der Wirkungsgrad vorteilhaft erhöht werden kann.
Ist die Antriebseinheit bei einem Fahrzeug, insbesondere einem Schienenfahrzeug eingesetzt, kann die Traktionskraft, insbesondere die Anfahrzugkraft bei niedriger Fahrzeuggeschwindigkeit trotz einer Windungszahlverminderung gegenüber der herkömmlichen Lösung ohne Erhöhung der Stromrichterauslegung zumindest beibehalten werden. Die Antriebseinheit kann besonders vorteilhaft im Kraftfahrzeugbereich, insbesondere für den Betrieb eines Personenkraftwagens (PKW) oder eines Lastkraftwagens (LKW) eingesetzt werden.
Wird gegenüber einer herkömmlichen Lösung die Dimensionierung der Antriebseinheit, insbesondere Windungszahlen beibehalten, kann durch die vorgeschlagene Antriebseinheit in der Reihenkonfiguration eine gegenüber der herkömmlichen Lösung erhöhte Motorkraft, bei einem Fahrzeug insbesondere eine erhöhte Traktionskraft bzw. Anfahrzugkraft, erzeugt werden, und zwar ohne dass die Dimensionierung der Antriebseinheit angepasst werden muss.
Unter einer „Stromrichtereinheit“ soll eine Einheit verstanden werden, die zur Umwandlung einer elektrischen Stromart in eine andere mit Hilfe elektronischer Bauelemente – wie z.B. Dioden, Transistoren, insbesondere IGBTs, und/oder Thyristoren – vorgesehen ist. Die Bauelemente einer Stromrichtereinheit werden in der fachmännischen Sprache auch Elemente einer Leistungselektronik genannt und weisen typischerweise die Funktion eines Schaltventils auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Stromrichtereinheit als Pulswechselrichtereinheit ausgebildet.
Für die Ausbildung der Umschalteinheit können leistungselektronische Schaltmittel, wie z.B. IGBT ‚Thyristoren, GTO usw. und/oder mechanische Kontaktmittel, wie z.B. Schütze, Schaltröhre usw. eingesetzt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass eine Erfassungseinheit zur Erfassung einer Drehungskenngröße vorgesehen ist, die Steuereinheit dazu dient, die Umschalteinheit abhängig von der Drehungskenngröße zu betätigen, die Reihenkonfiguration einem niedrigen Drehungsbereich und die Parallelkonfiguration einem hohen Drehungsbereich zugeordnet sind, und der niedrige Drehungsbereich und der hohe Drehungsbereich durch zumindest einen Schwellwert der Drehungskenngröße definiert sind. Unter einer „Drehungskenngröße“ soll insbesondere eine Betriebskenngröße der Antriebseinheit verstanden werden, durch welche ein Motorrotationsbetrieb charakterisiert werden kann. Die Drehungskenngröße kann als eine Drehzahl, eine Kenngröße für einen magnetischen Fluss, eine Motorspannung und/oder eine Kenngröße ausgebildet sein, die für die Aussteuerung der Stromrichtereinheit charakteristisch ist. Es kann besonders vorteilhaft eine Optimierung des Wirkungsgrads im hohen Drehungsbereich durch die Auswahl eines geeigneten Schwellwerts der Drehungskenngröße erreicht werden. In einer zweckmäßigen Ausbildung, in welcher die Motoreinheiten vorzugsweise Bestandteile von zwei unterschiedlichen Motoren sind, die einer gemeinsamen Last zugeordnet sind, kann der Rotationsbetrieb der Motoren durch eine Drehungskenngröße charakterisiert werden, welcher an zumindest einem der Motoren und/oder an der Stromrichtereinheit erfasst wird. Wird die Antriebseinheit bei einem Fahrzeug, insbesondere einem Schienenfahrzeug eingesetzt, kann die Drehungskenngröße eine Geschwindigkeitskenngröße bilden, die für die Geschwindigkeit des Fahrzeugs charakteristisch ist.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung sind die Motoreinheiten jeweils Bestandteil eines unterschiedlichen Asynchronmotors. Hierdurch kann eine Ausführung der Motoreinheiten erreicht werden, die für eine bei einer Umschaltung zwischen der Reihen- und der Parallelkonfiguration erfolgende Feldänderung geeignet ist.
Beim Einsatz der Antriebseinheit bei einem Fahrzeug, insbesondere einem Schienenfahrzeug, sind die unterschiedlichen Motoren vorzugsweise jeweils zum Antreiben eines unterschiedlichen Radsatzes bzw. einer unterschiedlichen Antriebsachse des Fahrzeugs vorgesehen.
Die Motoreinheiten weisen wie oben erörtert zweckmäßigerweise jeweils zumindest eine Wicklungseinheit, insbesondere eine Ständerwicklungseinheit, auf. Dabei ist vorteilhaft, wenn die Wicklungseinheiten derart miteinander verschaltet sind, dass eine die Wicklungseinheiten umfassende, geschlossene Schleife gebildet ist, welche im Betrieb in einem ersten Schleifenabschnitt mit der Stromrichtereinheit verbunden ist, wobei die Umschalteinheit dazu ausgebildet ist, zur Bereitstellung der Parallelkonfiguration eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Schleifenabschnitt und einem zweiten Schleifenabschnitt zu betätigen. Hierdurch kann eine konstruktiv einfache Umschalteinheit erreicht werden, da zur Umschaltung zwischen der Parallel- und Reihenkonfiguration ein Schaltvorgang in lediglich einem, zwischen den Schleifenabschnitten bestehenden Verbindungsabschnitt erfolgen kann. Die elektrische Verbindung zwischen den Schleifenabschnitten kann mehrere Leitungen aufweisen, die – bei einer Ausbildung der Motoreinheiten als Bestandteil von mehrphasigen Motoren – jeweils einer unterschiedlichen Stromphase zugeordnet sind. Insbesondere kann die Umschalteinheit dazu ausgebildet sein, zur Bereitstellung der Parallelkonfiguration die elektrische Verbindung zwischen dem ersten Schleifenabschnitt und dem zweiten Schleifenabschnitt herzustellen und zur Bereitstellung der Reihenkonfiguration diese elektrische Verbindung zu unterbrechen.
In diesem Zusammenhang wird für eine Ausbildung der Motoreinheiten als Bestandteil von mehrphasigen Motoren, insbesondere Drehstrommotoren vorgeschlagen, dass die Wicklungseinheiten jeweils einen Satz von Wicklungen aufweisen, die in der Parallelkonfiguration jeweils einer unterschiedlichen Stromphase zugeordnet sind, der zweite Schleifenabschnitt von einer ersten Verbindungseinheit gebildet ist, welche die Wicklungen unterschiedlicher Wicklungseinheiten paarweise miteinander verbindet, welche in der Parallelkonfiguration der gleichen Stromphase zugeordnet sind, der erste Schleifenabschnitt von einer zweiten Verbindungseinheit gebildet ist, welche die Wicklungen unterschiedlicher Wicklungseinheiten paarweise miteinander verbindet, welche in der Parallelkonfiguration unterschiedlichen Stromphasen zugeordnet sind, mittels der ersten und der zweiten Verbindungseinheit die Schleife gebildet ist, die zweite Verbindungseinheit mit der Stromrichtereinheit elektrisch verbindbar ist, und die Umschalteinheit dazu ausgebildet ist, zur Bereitstellung der Parallelkonfiguration eine elektrische Verbindung zwischen den Verbindungseinheiten zu betätigen. Durch diese Topologie kann eine besonders einfache Ausführung der Umschalteinheit erreicht werden. Insbesondere kann die Schalteinheit von einer Umschalteinheit gebildet sein, die für jede Stromphase jeweils einfach ein einziges Schaltmittel, z.B. einen Thyristor aufweist. Außerdem kann die Umschalteinheit dazu ausgebildet sein, zur Bereitstellung der Parallelkonfiguration die elektrische Verbindung zwischen den Verbindungseinheiten herzustellen und zur Bereitstellung der Reihenkonfiguration diese elektrische Verbindung zu unterbrechen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit, insbesondere bei einem Fahrzeug, bei welchem zumindest eine erste elektrische Motoreinheit und zumindest eine zweite elektrische Motoreinheit von einer Stromrichtereinheit mit elektrischer Leistung versorgt werden. Es wird vorgeschlagen, dass zwischen einer Reihenkonfiguration, bei welcher die Motoreinheiten in Reihe miteinander geschaltet sind, und einer Parallelkonfiguration, bei welcher die Motoreinheiten parallel zueinander geschaltet sind, in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter umgeschaltet wird. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen zur vorgeschlagenen Antriebseinheit verwiesen.
Es werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: ein Schienenfahrzeug mit einer Fahrwerkeinheit in einer schematischen Seitenansicht,
2: eine Antriebseinheit der Fahrwerkeinheit mit zwei Antriebsmotoren, einer Stromrichtereinheit und einer Umschalteinheit,
3: eine Spannungs- und Stromkurve der Motoranordnung aus 2 als Funktion einer Radsatzdrehzahl bei einem parallelen Betrieb der Antriebsmotoren in einer ersten Auslegung gemäß dem Stand der Technik und
4: eine Spannungs- und Stromkurve der Motoranordnung aus 2 bei einem Reihenbetrieb der Antriebsmotoren in einem niedrigen Drehzahlbereich und einem parallelen Betrieb in einem höheren Drehzahlbereich bei einer Auslegung mit kleinerer Dimensionierung.
1 zeigt ein als Schienenfahrzeug ausgebildetes Fahrzeug 10 in einer schematischen Seitenansicht. Dieses weist zumindest eine Fahrwerkeinheit 12 auf, die in der betrachteten Ausführung als Drehgestell ausgebildet ist. Die Fahrwerkeinheit 12 ist mit zwei Radsätzen 13.1 und 13.2 ausgestattet, wobei der Fahrwerkeinheit 12 eine Antriebseinheit 14 zugeordnet ist, die dazu vorgesehen ist, in einem Traktionsmodus ein zum Bewegen der Fahrwerkeinheit 12 dienendes Drehmoment zu erzeugen. Die Antriebseinheit 14 weist zwei elektrische Motoren 18.1, 18.2 auf, die jeweils mit einem unterschiedlichen Radsatz 13.1 bzw. 13.2 mechanisch verbindbar sind. Die Motoren 18.1, 18.2 können mittels eines nicht dargestellten Getriebes mit dem entsprechenden Radsatz 13.1 bzw. 13.2 verbunden werden, oder die Motoren können auf dem entsprechenden Radsatz angeordnet sein. Die Motoren 18.1, 18.2 sind in der Fahrwerkeinheit 12 integriert.
2 zeigt schematisch eine Schaltung der elektrischen Motoren 18.1, 18.2 mit einer zugeordneten Stromrichtereinheit 22 und einem Zwischenkreis 24. Die elektrischen Motoren 18.1, 18.2 weisen bekannterweise jeweils eine Ständereinheit und eine relativ zu dieser beweglich gelagerte Rotoreinheit (nicht gezeigt) auf. Die Ständereinheit eines elektrischen Motors umfasst eine Ständerwicklungseinheit. Die Ständerwicklungseinheiten der Motoren 18.1, 18.2 sind in 2 als Motoreinheiten 20.1 bzw. 20.2 bezeichnet. Von den Motoren 18.1, 18.2 sind der Übersichtlichkeit halber lediglich die als Ständerwicklungseinheit ausgebildeten Motoreinheiten 20.1, 20.2 dargestellt. Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 sind die Motoreinheiten 20.1, 20.2 jeweils Bestandteil eines unterschiedlichen Motors 18.1 bzw. 18.2.
Die elektrischen Motoren 18.1, 18.2 werden im Traktionsmodus durch die Stromrichtereinheit 22 mit elektrischer Leistung versorgt. Eine typische Stromrichtereinheit 22 erzeugt ausgehend von einer im Zwischenkreis 24 bereitgestellten Spannung, insbesondere Gleichspannung, durch Schaltvorgänge von Stromrichterventilen 26 einen elektrischen Strom, dessen Eigenschaften an eine zu erzeugende Leistung angepasst sind. Beispielsweise ist die Stromrichteinheit 22 als Pulswechselrichter ausgebildet. In der betrachteten Ausführung ist der von der Stromrichtereinheit 22 erzeugte Strom ein Drehstrom mit drei Stromphasen L1, L2 und L3. Die elektrischen Motoren 18.1, 18.2 sind daher jeweils als Drehstrommotoren ausgebildet. Insbesondere sind sie als Asynchronmotoren ausgeführt.
Der Zwischenkreis 24 kann auf verschiedene Weisen mit elektrischer Energie gespeist werden. Das Fahrzeug 10 kann wie in der betrachteten Ausführung eine elektrische Netzspannung von einer Netzversorgung 16 abgreifen (siehe 1). Diese kann in der Form einer Oberleitung oder einer im Bodenbereich angeordneten Stromschiene ausgebildet sein. Ist die abgegriffene Netzspannung eine Wechselspannung, sind herkömmlicherweise dem Zwischenkreis 24 Einrichtungen vorgeschaltet, die das von der Netzversorgung 16 bezogene elektrische Signal in eine geeignete Form umwandeln. Dies ist im Stand der Technik bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Ist die Netzspannung eine Gleichspannung, kann zumindest teilweise auf diese Einrichtungen verzichtet werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Zwischenkreis 24 mittels eines Generators mit elektrischer Energie gespeist werden, der mit einem Verbrennungsmotor in Verbindung steht.
Die Motoreinheiten 20.1, 20.2 sind jeweils für einen Betrieb mit drei Stromphasen L1, L2, L3 vorgesehen und weisen jeweils drei unterschiedlichen Wicklungen, die für den Motor 18.1 als Wicklungen 28.1, 30.1 und 32.1 und für den Motor 18.2 als Wicklungen 28.2, 30.2 und 32.2 bezeichnet sind.
Die Antriebseinheit 14 weist außerdem eine Umschalteinheit 34, die dazu vorgesehen ist, neben einer klassischen Parallelschaltung der Motoreinheiten 20.1, 20.2 eine Reihenschaltung bereitzustellen, und eine Steuereinheit 36 auf, die zur Betätigung der Umschalteinheit 34 vorgesehen ist und die Parallelkonfiguration oder die Reihenkonfiguration einstellt.
Die Wicklungen 28.1 und 28.2 sind in der Parallelkonfiguration der gleichen Stromphase L1 zugeordnet. Dabei werden sie über eine erste Zuleitung 38 mit der Stromrichtereinheit 22 elektrisch verbunden. Die Wicklungen 30.1 und 30.2 sind in der Parallelkonfiguration der gleichen Stromphase L2 zugeordnet und werden über eine zweite Zuleitung 40 mit der Stromrichtereinheit 22 elektrisch verbunden. Für die Wicklungen 32.1 und 32.2 erfolgen eine Zuordnung mit der dritten Stromphase L3 und eine elektrische Verbindung mit der Stromrichtereinheit 22 über eine dritte Zuleitung 42.
Die Antriebseinheit 14 umfasst eine erste Verbindungseinheit 44, welche die Wicklungen 28, 30, 32 der unterschiedlichen Motoreinheiten 20 paarweise miteinander verbindet, die – in der unten beschriebenen Parallelkonfiguration betrachtet – der gleichen Stromphase L1, L2 bzw. L3 zugeordnet sind. Die Verbindungseinheit 44 weist daher drei Leitungen auf, die jeweils einer unterschiedlichen Stromphase L1, L2 bzw. L3 zugeordnet sind und die Wicklung 28.1 mit der Wicklung 28.2, die Wicklung 30.1 mit der Wicklung 30.2 und die Wicklung 32.1 mit der Wicklung 32.2 verbinden. In der Parallelkonfiguration ist die Verbindungseinheit 44 mit der Stromrichtereinheit 22 direkt elektrisch verbunden, wobei die einzelnen Leitungen der Verbindungseinheit 44 jeweils mit einer zugeordneten Zuleitung 38, 40 bzw. 42 der entsprechenden Stromphase L1, L2 bzw. L3 verbunden sind. In der Parallelkonfiguration werden die Wicklungen 28.1 und 28.2 mit einem elektrischen Signal der Stromphase L1 über die Zuleitung 38 gespeist. Dies gilt dementsprechend für die Wicklungen 30.1, 30.2 bezüglich der Stromphase L2 und der Zuleitung 40 und für die Wicklungen 32.1, 32.2 bezüglich der Stromphase L3 und der Zuleitung 42.
Die Umschalteinheit 34 weist eine Schalteinheit 45 auf, die dazu dient, die oben beschriebene elektrische Verbindung zwischen der Verbindungseinheit 44 und der Stromrichtereinheit 22 zur Bereitstellung der Parallelkonfiguration herzustellen und zur Bereitstellung der Reihenkonfiguration zu trennen. Hierzu weist die Schalteinheit 45 ein Schaltmittel jeweils für jede Stromphase auf, das beispielsweise als Thyristor ausgebildet ist. In der Parallelkonfiguration sind die Schaltmittel jeweils stromführend und leiten ein elektrisches Signal der entsprechenden Zuleitung 38, 40 bzw. 42 an die entsprechende Leitung der Verbindungseinheit 44 weiter.
Die Antriebseinheit 14 umfasst außerdem eine zweite Verbindungseinheit 46, welche Wicklungen unterschiedlicher Motoreinheiten 20.1, 20.2 paarweise miteinander verbindet, wobei die Wicklungen in den gebildeten Wicklungspaaren – in der Parallelkonfiguration betrachtet – unterschiedlichen Stromphasen zugeordnet sind. So ist die Wicklung 28.1 mit der Wicklung 30.2 verbunden. Die Verbindungseinheit 46 verbindet außerdem die Wicklung 30.1 mit der Wicklung 32.2 sowie die Wicklung 32.1 mit der Wicklung 28.2.
Die erste Verbindungseinheit 44 und die zweite Verbindungseinheit 46 verbinden demnach sämtliche Wicklungen derart zusammen, dass eine geschlossene, sämtliche Wicklungen umfassende Schleife entsteht. Jede Wicklung einer Motoreinheit ist auf beiden Seiten mit einer Wicklung der anderen Motoreinheit elektrisch verbunden. Die Wicklungen weisen eine offene Konfiguration auf.
Die oben beschriebene Schalteinheit 45 der Umschalteinheit 34 dient dazu, eine elektrische Verbindung zwischen den Verbindungseinheiten 44 und 46 herzustellen bzw. zu trennen. Dabei sind die einzelnen Leitungen der ersten Verbindungseinheit 44 jeweils mit einer entsprechenden Leitung der zweiten Verbindungseinheit 46 über ein Schaltmittel der Schalteinheit 45 verbunden. Die zweite Verbindungseinheit 46 ist außerdem mit der Stromrichtereinheit 22 elektrisch verbunden, sodass die einzelnen Leitungen der Verbindungseinheit 46 jeweils mit einer zugeordneten Zuleitung 38, 40 bzw. 42 elektrisch verbunden sind.
In der Reihenkonfiguration ist die Schalteinheit 45, die insbesondere als Thyristorbrücke ausgebildet ist, sperrend und die Zuleitungen 38, 40, 42 sind daher nur mit den zugeordneten Leitungen der Verbindungseinheit 46 elektrisch verbunden.
In der Parallelkonfiguration ist die Schalteinheit 45 stromführend, sodass eine elektrische Verbindung zwischen den Verbindungseinheiten 44 und 46 hergestellt ist. Die der gleichen Stromphase zugeordneten Wicklungen der Motoreinheiten 20.1, 20.2 werden dabei mit dem gleichen elektrischen Signal L1, L2 bzw. L3 der entsprechenden Zuleitung 38, 40 bzw. 42 gespeist. In der Parallelkonfiguration sind die Zuleitungen 38, 40, 42 sowohl mit der Verbindungseinheit 46 als auch mit der Verbindungseinheit 44 elektrisch verbunden.
Die Verbindungseinheit 46 bildet einen ersten Schleifenabschnitt 43, welcher im Betrieb der Antriebseinheit 14 mit der Stromrichtereinheit 22 über die Zuleitungen 38, 40, 42 verbunden ist. Diese Verbindung mit der Stromrichtereinheit 22 über die Zuleitungen 38, 40, 42 ist sowohl in der Reihen- als auch in der Parallelkonfiguration hergestellt. Die Verbindungseinheit 44 bildet einen zweiten Schleifenabschnitt 47. Die Schleifenabschnitte 43 und 47 sind voneinander durch die Motoreinheiten 20.1, 20.2 getrennt. Die Umschalteinheit 34 dient mittels der Schalteinheit 45 dazu, eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Schleifenabschnitt 43 und dem zweiten Schleifenabschnitt 47 zur Einstellung der Parallel- und der Reihenkonfiguration herzustellen bzw. zu unterbrechen. In der Parallelkonfiguration erfolgt eine direkte elektrische Verbindung des Schleifenabschnitts 47 mit der Stromrichtereinheit 22, insbesondere über die Zuleitungen 38, 40, 42 und die stromleitende Schalteinheit 45, wobei diese Verbindung in der Reihenkonfiguration unterbrochen ist.
Die Antriebseinheit 14 ist des Weiteren mit einer Erfassungseinheit 48 ausgestattet, die dazu vorgesehen ist, eine Geschwindigkeitskenngröße für die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 10 relativ zur befahrenen Strecke zu erfassen. Die Erfassungseinheit 48 kann als Sensoreinheit ausgebildet sein, wie z.B. als Drehzahlgeber, satellitengestützte Ortungseinheit, Invertialeinheit usw. oder als Auswerteeinheit ausgebildet sein, welche mehrere Sensorsignale zur Bereitstellung der Geschwindigkeitskenngröße auswertet. In der betrachteten Ausführung ist die Erfassungseinheit 48 zur Erfassung einer Drehzahl eines Radsatzes des Fahrzeugs 10 vorgesehen (siehe 1), wobei die Geschwindigkeitskenngröße der erfassten Drehzahl n entspricht. Diese Drehzahl entspricht allgemeiner betrachtet einer Drehungskenngröße n, welche einen Rotationsbetrieb der Motoren 18.1, 18.2 charakterisiert.
Die Steuereinheit 36 steht mit der Erfassungseinheit 48 in Wirkverbindung, wobei die erfasste Drehungskenngröße n eine Eingangsgröße der Steuereinheit 36 ist. In der Steuereinheit 36 ist ein festgelegter Schwellwert n_k der Drehungskenngröße n gespeichert, welcher einen niedrigen Drehungsbereich und einen hohen Drehungsbereich definiert. Im betrachteten Ausführungsbeispiel entspricht der niedrige bzw. hohe Drehungsbereich einem niedrigen bzw. hohen Geschwindigkeitsbereich. Die Steuereinheit 36 ist dazu vorgesehen, die Umschalteinheit 34 abhängig von der Drehungskenngröße n zu betätigen. Bei einer Anfahrt des Fahrzeugs 10 aus dem Stillstand – und daher im niedrigen Drehungsbereich – erfolgt ein Betrieb der Antriebseinheit 14 in der Reihenkonfiguration. Dabei ist die elektrische Verbindung zwischen den Verbindungseinheiten 44 und 46 bzw. den Schleifenabschnitten 43 und 47 durch die Schalteinheit 45 der Umschalteinheit 34 getrennt. Erreicht die Drehungskenngröße den Schwellwert n_k, wobei ein Übergang in den hohen Drehungsbereich stattfindet, erfolgt durch die Steuereinheit 36 eine Betätigung der Umschalteinheit 34, bei welcher die Schalteinheit 45 in ihre stromführende Stellung übergeht. Dabei wird die klassische Parallelkonfiguration eingestellt. Die Motoren 18.1, 18.2 ändern dadurch ihre Drehrichtung, was durch die Stromrichtereinheit 22 ausgeglichen werden kann.
3 zeigt den Verlauf der Spannung U (in Volt) an den Klemmen der Motoranordnung aus den Motoren 18.1, 18.2 gemäß 2, wobei die Motoreinheiten 20.1, 20.2 Ständerwicklungen mit jeweils 80 Windungen aufweisen, sowie des durch diese Anordnung fließenden Stroms I (in Ampere) als Funktion der Drehungskenngröße n. Im Diagramm der 3 wird diese Anordnung permanent, d.h. über das gesamte Geschwindigkeitsspektrum bzw. Rotationsbetriebsspektrum der Motoren 18, in einer Parallelkonfiguration betrieben. Die 3 entspricht demnach dem Stand der Technik. Ab einem bestimmten Schwellwert n_f der Drehungskenngröße n wird die Anordnung im Modus der Flussabsenkung betrieben. In der Anfahrphase, d.h. für Werte der Drehungskenngröße n unterhalb des Schwellwerts n_f, beträgt der bezogene Strom I den nahezu konstanten Wert 400 A und die Spannung steigt linear bis zu einem Wert U_f bei ca. 1150 V, welcher bei n = n_f erreicht wird.
4 zeigt den Verlauf der Größen U und I für die gleiche Motoranordnung, wobei die Ständerwicklungen der Motoreinheiten 20.1, 20.2 nunmehr jeweils 40 Windungen aufweisen. In der Anfahrphase, d.h. im niedrigen Drehungsbereich unterhalb des Schwellwerts n_k werden die Motoreinheiten 20.1, 20.2 in der oben beschriebenen Reihenkonfiguration betrieben. Ab einem Schwellwert n_Rf < n_k der Drehungskenngröße n wird die Anordnung im Modus der Flussabsenkung betrieben. In der Anfahrphase beträgt der durch die Reihenschaltung der Motoreinheiten 20.1, 20.2 bezogene Strom den nahezu konstanten Wert 400 A und die Spannung U steigt linear bis zum Wert U_f, welcher während des Modus der Flussabsenkung ab dem Schwellwert n_Rf konstant gehalten wird. Beim Erreichen des Schwellwerts n_k betätigt die Umschalteinheit 34 die Schalteinheit 45, sodass die Anordnung der Motoreinheiten 20.1, 20.2 nunmehr in der Parallelkonfiguration betrieben wird.
Zur Veranschaulichung werden in 4 auch die Kurven für Spannung und Strom bei einem Betrieb der Motoreinheiten 20.1, 20.2 in einer Parallelkonfiguration über das gesamte Geschwindigkeitsspektrum, d.h. insbesondere auch in der Anfahrphase bzw. niedrigen Drehungsbereich, gezeigt. Diese Kurven werden zur Unterscheidung mit U‘ und I‘ bezeichnet. Bei der erfindungsgemäßen Umschaltung zwischen der Reihenkonfiguration und der Parallelkonfiguration beim Erreichen des Schwellwerts n_k sinkt die Spannung U auf den entsprechenden Wert U‘ und der Strom I steigt auf den entsprechenden Wert I‘. Bei einem höheren Schwellwert n_Pf > n_k wird die nunmehr in der Parallelkonfiguration betriebene Anordnung im Modus der Flussabsenkung betrieben.
Durch einen Vergleich der Diagramme der 3 und 4 kann festgestellt werden, dass durch die Reihenschaltung der Motoreinheiten 20.1, 20.2 im niedrigen Drehungsbereich eine vergleichbare Leistung in der Anfahrphase trotz der halbierten Windungszahl durch die Anordnung der Motoren 18.1, 18.2 erbracht werden kann, ohne dass diese – gegenüber der Auslegung mit 80 Windungen – einen höheren Strom aufnimmt. Eine derartige nachteilhafte Stromerhöhung in der Anfahrphase würde bei einem Betrieb der Motoranordnung in der Parallelkonfiguration stattfinden, wie einem Vergleich der Kurven I und I‘ im niedrigen Drehungsbereich in 3 zu entnehmen ist. Dafür müsste die Stromrichtereinheit 22 gemäß diesem erhöhten Strom I‘ in ihrer Auslegung angepasst werden.
Die Ausbildung des Fahrzeugs 10 als Schienenfahrzeug ist beispielhaft. Die Erfindung kann ebenfalls bei anderen Fahrzeugarten, wie z.B. elektrisch angetriebenen Bussen oder PKW Anwendungen finden. Die Erfindung eignet sich außerdem für stationäre, industrielle Anwendungen, wie z.B. für einen Einsatz bei sogenannten Tandemantrieben. Eine beispielhafte Anwendung dieser ist eine Walzstraße.

Claims

Antriebseinheit, insbesondere für ein Fahrzeug (10), mit einer ersten elektrischen Motoreinheit (20.1), zumindest einer zweiten elektrischen Motoreinheit (20.2) und einer Stromrichtereinheit (22), die dazu vorgesehen ist, die Motoreinheiten (20.1, 20.2) mit elektrischer Leistung zu versorgen, gekennzeichnet durch eine Umschalteinheit (34), die dazu vorgesehen ist, eine Reihenkonfiguration, bei welcher die Motoreinheiten (20.1, 20.2) in Reihe miteinander geschaltet sind, und eine Parallelkonfiguration bereitzustellen, bei welcher die Motoreinheiten (20.1, 20.2) parallel zueinander geschaltet sind, und durch eine zur Betätigung der Umschalteinheit (34) vorgesehene Steuereinheit (36), die dazu vorgesehen ist, die Parallelkonfiguration oder die Reihenkonfiguration einzustellen.
Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Erfassungseinheit (48) zur Erfassung einer Drehungskenngröße (n) vorgesehen ist, – die Steuereinheit (36) dazu dient, die Umschalteinheit (34) abhängig von der Drehungskenngröße (n) zu betätigen, – die Reihenkonfiguration einem niedrigen Drehungsbereich und die Parallelkonfiguration einem hohen Drehungsbereich zugeordnet sind, und – der niedrige Drehungsbereich und der hohe Drehungsbereich durch zumindest einen Schwellwert (n_k) der Drehungskenngröße (n) definiert sind.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinheiten (20.1, 20.2) jeweils Bestandteil eines unterschiedlichen Asynchronmotors (18.1, 18.2) sind.
Antriebseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinheiten (20.1, 20.2) jeweils zumindest eine Wicklungseinheit aufweisen.
Antriebseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungseinheiten derart miteinander verschaltet sind, dass eine die Wicklungseinheiten umfassende, geschlossene Schleife gebildet ist, welche im Betrieb in einem ersten Schleifenabschnitt (43) mit der Stromrichtereinheit (22) verbunden ist, wobei die Umschalteinheit (34) dazu ausgebildet ist, zur Bereitstellung der Parallelkonfiguration eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten Schleifenabschnitt (43) und einem zweiten Schleifenabschnitt (47) zu betätigen.
Antriebseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wicklungseinheiten jeweils einen Satz von Wicklungen (28.1, 30.1, 32.1, 28.2, 30.2, 32.2) aufweisen, die in der Parallelkonfiguration jeweils einer unterschiedlichen Stromphase (L1, L2, L3) zugeordnet sind, – der zweite Schleifenabschnitt (47) von einer ersten Verbindungseinheit (44) gebildet ist, welche die Wicklungen (28.1–28.2, 30.1–30.2, 32.1–32.2) unterschiedlicher Wicklungseinheiten paarweise miteinander verbindet, welche in der Parallelkonfiguration der gleichen Stromphase (L1, L2, L3) zugeordnet sind, – der erste Schleifenabschnitt (43) von einer zweiten Verbindungseinheit (46) gebildet ist, welche die Wicklungen (28.1–30.2, 30.1–32.2, 32.1–28.2) unterschiedlicher Wicklungseinheiten paarweise miteinander verbindet, welche in der Parallelkonfiguration unterschiedlichen Stromphasen (L1, L2, L3) zugeordnet sind, – mittels der ersten und der zweiten Verbindungseinheit (44, 46) die Schleife gebildet ist, – die zweite Verbindungseinheit (46) mit der Stromrichtereinheit (22) elektrisch verbindbar ist, und – die Umschalteinheit (34) dazu ausgebildet ist, zur Bereitstellung der Parallelkonfiguration eine elektrische Verbindung zwischen den Verbindungseinheiten (44, 46) zu betätigen.
Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einer Antriebseinheit (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer Antriebseinheit (14), insbesondere bei einem Fahrzeug (10), bei welchem – zumindest eine erste elektrische Motoreinheit (20.1) und zumindest eine zweite elektrische Motoreinheit (20.2) von einer Stromrichtereinheit mit elektrischer Leistung versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen einer Reihenkonfiguration, bei welcher die Motoreinheiten (20.1, 20.2) in Reihe miteinander geschaltet sind, und einer Parallelkonfiguration, bei welcher die Motoreinheiten (20.1, 20.2) parallel zueinander geschaltet sind, in Abhängigkeit von zumindest einem Betriebsparameter umgeschaltet wird.