DE1438817B2

DE1438817B2 - Mechanisch elektrischer Fahr zeugantrieb

Info

Publication number: DE1438817B2
Application number: DE1438817A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr. 1000 Berlin Leitgeb
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-08-17
Filing date: 1965-08-17
Publication date: 1973-11-15
Also published as: BE685473A; GB1125578A; DE1438817A1

Description

Diese besondere Art der Steuerung ermöglicht einen einwandfreien Betrieb des Fahrmotors an seinem Kippunkt über den ganzen Drehzahlbereich bei gleichzeitig geringstem Aufwand für Drehstromgenerator und Stromrichter.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß für die Bemessung der Stromrichter und des Drehstromgenerators bei bereits optimal ausgelegten Fahrmotoren die Art der Steuerung der Spannung und der Frequenz des Drehstromes, mit dem die Asynchronfahrmotoren gespeist werden, wesentlich ist. Für die Modelleistung des Stromrichters und angenähert der des Drehstromgenerators ist nämlich das Produkt von durch die Steuerung gegebener maximaler Spannung und maximalem Strom maßgebend.

So müßten z.B. bei einer Steuerung, welche die optimale Bemessung der Asynchronfahrmotoren zuläßt und bei der die Spannung der Drehzahl proportional über den gesamten Drehzahlbereich gesteigert wird, der Stromrichter und der Drehstromgenerator

■ -fache der Leistung der Kraftma-

für das

H₁ · COSip

schine bemessen sein. n_max bedeutet die maximale Drehzahl des Fahrmotors (vgl. Fig. 1), cos φ den Leistungsfaktor des Asynchronfahrmotors. Bei der Steuerung gemäß der Erfindung verringert sich aber dieser Wert. Der Stromrichter bzw. der Drehstromgenerator braucht nur noch für das

- -fache

der Leistung der Kraftmaschine ausgelegt sein.

Dieser Wert ist ein bei derartigen Antrieben erreichbares Optimum für den Gesamtaufwand an installierter Leistung für Drehstromgeneratoren, Stromrichter und Fahrmotoren.

In F i g. 2 ist eine für die Anwendung der Erfindung geeignete Schaltungsanordnung schematisch dargestellt. Als mechanische Kraftquelle für den mechanisch-elektrischen Fahrzeugantrieb dient eine Gasturbine^, die einen Drehstromgenerator DG mit

ίο konstanter Drehzahl antreibt. Dem Drehstromgenerator DG sind ein oder mehrere statische Thyristor-Umrichter U₁, U₂ nachgeschaltet. Als Umrichter U₁, U, kommen vorzugsweise direkte Drehstromumrichter mit zwei Thyristor-Umrichtern in Gegenschaltung in Betracht. Es können jedoch auch Umrichter mit Gleichstromzwischenkreis verwendet werden.

Die Fahrmotoren F₁, F₂ sind Drehstrom-Käfigläufermotoren für hohe Drehzahl. Die den Fahrmotoren F₁, F₂ von den Umrichtern zugeführte Frequenz bestimmt ihre Drehzahl und damit die Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Die Frequenz / ist der Drehzahl angenähert proportional (s. Kurve 2 in Fig. 1). Die den Fahrmotoren F₁, F₂ zugeführte Spannung U ist durch eine elektronische Regelung R der Umrichtersteuerung gemäß der Kurve 3 in F i g. 1 gesteuert. Bis zur Drehzahl U₁ ist die Spannung proportional der Frequenz gesteuert und im Drehzahlbereich darüber proportional der Wurzel aus der Frequenz. Durch diese Spannungssteuerung ist das von den Fahrmotoren F₁, F₂ entwickelte Drehmoment proportional dem Kehrwert der Motordrehzahl, d. h., er entspricht der gewünschten Kurve 1 in der F i g. 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Mechanisch-elektrischer Fahrzeugantrieb, bei dem von mechanischen Kraftquellen angetriebene Drehstromgeneratoren über Umrichter Drehstrom-Asynchronfahrmotoren speisen und Spannung und Frequenz des den Fahrmotoren zugeführten Drehstromes durch die Umrichter im Sinne der Einhaltung eines der Moiordrehzahl bzw. der Frequenz des speisenden Drehstromes umgekehrt proportionalen Momentenverlaufes der Fahrmotoren gesteuert sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Fahrmotoren (F₁, F₀), deren Modelleistung dem Anfahrdrehmoment entspricht, bei einer der Drehzahl entsprechenden Frequenz die Spannung des den Fahrmotoren zugeführten Drehstromes bis zu einer bestimmten Drehzahl n_x proportional der Frequenz und im Drehzahlbereich darüber proportional der Wurzel aus der Frequenz Steuerbar ist, wobei unter Zt₁ die Drehzahl zu verstehen ist, die durch den Quotienten aus der von der mechanischen Kraftmaschine abgegebenen Leistung durch das geforderte Anfahrdrehmoment gegeben ist, wenn die Verluste vernachlässigt werden.

Bei bekannten mechanisch-elektrischen Fahrzeugantrieben treibt eine mechanische Kraftquelle, z. B. eine Dieselmaschine, einen Drehstromgenerator an, der über Umrichter einen Drehstrom-Asynchronfahrmotor speist. Ein derartiger Antrieb ist z. B. in der britischen Patentschrift 949 257 beschrieben. Damit bei diesem bekannten Antrieb die Drehzahl der Dieselmaschine auf einem optimalen Wert gehalten wird, werden Spannung und Frequenz des den Fahrmotoren zugeführten Drehstromes über die Umrichter so gesteuert, daß die von der mechanischen Kraftquelle, also der Dieselmaschine, abgegebene Leistung und damit im wesentlichen auch die Motorleistung konstant gehalten wird. Auf Grund der bekannten Beziehung Leistung = Drehzahl · Drehmoment bedeutet dies, daß mit großer Annäherung auch ein der Motordrehzahl bzw. der Frequenz des speisenden Drehstromes umgekehrt proportionaler Momentenverlauf des Fahrmotors eingehalten wird. Dies ermöglicht, daß die von dem Antrieb geforderte Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie, die in der F i g. 1 als Kurve 1 (Drehmoment Md über Drehzahl«) dargestellt ist, und die durch die konstante Leistung der Kraftmaschine, die Anfahrzugkraft und die Höchstgeschwindigkeit vorgegeben ist, von den Fahrmotoren bei jeder Drehzahl erreicht werden kann, wenn deren Modelleistung dem Anfahrmoment entspricht, weil die von der Antriebsmaschine vorgegebene Maximalleistung in keinem Punkt der leistungsgleichen Hyperbel überschritten werden kann. Dadurch steht die Modelleistung der Fahrmotoren mit der von der Kraftquelle zur Verfügung gestellten Leistung im gesamten Fahrbereich in Übereinstimmung, und es ist für die Fahrmotoren das Gewichts- und Aufwandsminimum erreicht.

Es ist aber auch bekannt (AEG-Mitteilungen 1965, S. 220/221, insbesondere Bild 1), die Steuerung der Spannung eines Käfigläufermotors bei veränderlicher Speisefrequenz, wie sie sich bei Betrieb der Motoren als Bahnmotor mit Pulswechselrichter für Akkumulatortriebwagen ergeben, so vorzunehmen, daß diese im Drehzahlbereich oberhalb/^ konstant gehalten wird, wobei unter n_t die Drehzahl verstanden wird, die durch den Quotienten aus der von der mechanischen Kraftmaschine abgegebenen Leistung durch das geforderte Anfahrdrehmoment gegeben ist, wenn die Verluste vernachlässigt werden. Durch diese besondere Art der Spannungssteuerung wird der Aufwand für den Stromrichter und den Drehstromgenerator verhältnismäßig klein. Um aber eine derartige Steuerung durchführen zu können, ist es nicht möglich, den Fahrmotor an seinem Kippunkt zu betreiben, sondern der Fahrmotor muß überdimensioniert sein. Dies ergibt sich aus den bekannten Verhältnissen bei Asynchronmotoren, weil bei ihnen der Fluß bei gleichbleibenden Strömen (d. h., wenn die Spannung konstant gehalten wird) mit steigender Frequenz zurückgeht, was ein Außertrittfallen des Motors bedeuten würde, würde man von ihm noch das gleiche Drehmoment abverlangen. Für diese Spannung muß also der Motor überdimensioniert sein, um entsprechende Reserven aufzuweisen.

Ein wesentliches Problem bei Fahrzeugantrieben ist nun die Frage einer günstigen Auslegung der dazugehörigen Teile, da der auf einem Fahrzeug zur Verfügung stehende Raum beengt ist und das Gewicht des Antriebes die als Nutzleistung zur Verfügung stehende Leistung einengt und deshalb möglichst klein gehalten werden soll. Dabei ist aber häufig die wichtigste Forderung, den elektrischen Fahrmotor so klein wie möglich zu machen, da dieser in der Nähe der Treibachsen liegt, so daß der Raum durch den Mindestabstand zum Boden und den Radabstand unveränderbar eingeengt ist. Derartige rigorose Forderungen bzw. Einschränkungen bestehen dagegen nicht für die anderen sich im Wagenraum befindlichen Teile des Antriebes, wie Generator und Stromrichter, jedoch ist es ebenfalls erwünscht, diese so klein wie möglich zu machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei optimal ausgelegtem Fahrmotor, d.h. bei einem Fahrmotor, der im Kippunkt betrieben wird, wenn nämlich seine Modelleistung dem Anfahrmoment entspricht, eine günstige Auslegung des Generators und Stromrichters" zu erhalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem bekannten mechanisch-elektrischen Fahrzeugantrieb, bei dem von mechanischen Kraftquellen angetriebene Drehstromgeneratoren über Umrichter Drehstrom-Asynchronfahrmotoren speisen und Spannung und Frequenz des den Fahrmotor zugeführten Drehstromes durch die Umrichter im Sinne der Einhaltung eines der Motordrehzahl bzw. der Frequenz des speisenden Drehstromes umgekehrt proportionalen Momentenverlaufes der Fahrmotoren gesteuert sind.

Gemäß der Erfindung ist bei Verwendung von Fahrmotoren, deren Modelleistung dem Anfahrmoment entspricht, bei einer der Drehzahl entsprechenden Frequenz die Spannung des den Fahrmotoren zugeführten Drehstromes bis zu einer bestimmten Drehzahl η_γ proportional der Frequenz und im Drehzahlbereich darüber proportional der Wurzel aus der Frequenz steuerbar, wobei unter n_x die Drehzahl zu verstehen ist, die durch den Quotienten aus der von der mechanischen Kraftmaschine abgegebenen Leistung durch das geforderte Anfahrdrehmoment gegeben ist, wenn die Verluste vernachlässigt werden.