DE19728977A1 - Energieversorgungssystem für den Antrieb eines Magnetschwebefahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem für den Antrieb eines Magnetschwebefahrzeuges, das auf einem Fahrweg geführt ist, der eine Mehrzahl von in Längsrichtung hintereinander angeordneten Antriebsabschnitten umfaßt, die jeweils wenigstens einen Statorabschnitt eines Linearmotors enthalten.

Ein bekannter Antrieb für ein Magnetschwebefahrzeug, bei­ spielsweise für den Transrapid, umfaßt einen Linearmotor, dessen in Längsrichtung ausgedehnter linearer Stator ortsfest auf einer Fahrschiene angeordnet ist. Gegenüber diesem line­ aren Stator befindet sich fahrzeugseitig eine ebenfalls in Längsrichtung ausgedehnte Magnetanordnung, die sowohl das Fahrzeug trägt als auch gemeinsam mit dem mit einer Antriebs­ wicklung versehenen Stator den Linearmotor zum Antreiben des Fahrzeuges bilden. Im Beispiel des Transrapid sind zwei pa­ rallel zueinander angeordnete lineare Statoren vorgesehen, die unterhalb der Fahrschiene angeordnet sind, wobei jedem Stator eine fahrzeugseitige Magnetanordnung zugeordnet ist. Dieser lineare Stator ist in eine Vielzahl von in Längsrich­ tung hintereinander angeordneten Motor- oder Statorabschnit­ ten unterteilt, die aus Gründen des Wirkungsgrades und der Blindleistung elektrisch voneinander getrennt sind. Die Länge dieser Motor- oder Statorabschnitte ist dabei an die Anfor­ derungen der Streckenführung, wie Steigung, Gefälle, Be­ schleunigungs- und Beharrungsabschnitte sowie Zugfolge und Zuggröße angepaßt.

Ein Energieversorgungssystem für den Antrieb eines solchen Magnetschwebefahrzeuges ist beispielsweise aus "Magnetbahn Transrapid, Die neue Dimension des Reisens", 1989, Hestra- Verlag Darmstadt, ISBN 3-7771-0208-3, Seiten 50-59, bekannt. Das dort offenbarte und auf Seite 52 in Bild 4 näher darge­ stellte Energieversorgungssystem umfaßt ein Unterwerk, in dem die von einem Landesnetz bereitgestellte Hochspannung von 110 kV mittels eines Hochspannungstransformators auf 20 kV trans­ formiert wird. Jedem Unterwerk ist ein Antriebsabschnitt zu­ geordnet, der mehrere Statorabschnitte umfaßt.

Mit zwei parallel geschalteten geregelten Gleichrichtersyste­ men wird ein Gleichspannungszwischenkreis mit 2,6 kV ge­ speist. An diesem Gleichspannungszwischenkreis sind zwei Wechselrichtergruppen angeschlossen, die über zwei Strecken­ kabel die Statorabschnitte des Fahrwegs im dem Unterwerk zu­ geordneten Antriebsabschnitt im sogenannten Bocksprungver­ fahren versorgen. Jedem Statorabschnitt ist eine Schaltstelle zugeordnet, mit dem er einer der Wechselrichtergruppen zuge­ schaltet werden kann.

Bei dem bekannten Energieversorgungssystem ist aufgrund des fahrwegbezogenen Antriebs des Magnetschwebefahrzeuges jedem Antriebsabschnitt ein komplettes, die beiden Wechselrichter­ gruppen enthaltendes Unterwerk zugeordnet, wobei jeder An­ triebsabschnitt nur ein Fahrzeug aufnehmen kann. Dies stellt sich insbesondere bei starker Verdichtung der Zugfolge, bei­ spielsweise im Rangierbetrieb in der Nähe von Bahnhofsanlagen oder bei sehr kleinen Zugfolgen im Shuttle-Betrieb, als nach­ teilig heraus, da in diesem Fall die Antriebsabschnitte ver­ kleinert und die Anzahl der Unterwerke entsprechend ver­ größert werden muß.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Energie­ versorgungssystem für den Antrieb eines Magnetschwebefahr­ zeuges anzugeben, dessen Hardwareaufwand gegenüber dem bekannten Energieversorgungssystem verringert ist, und das einen wirtschaftlichen Betrieb mehrerer Magnetschwebefahr­ zeuge auch bei starker Verdichtung der Zugfolge ermöglicht.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit ei­ nem Energieversorgungssystem mit den Merkmalen des Patentan­ spruches 1. Bei dem Energieversorgungssystem gemäß der Er­ findung ist jedem Antriebsabschnitt zumindest ein zuschalt­ barer Wechselrichter zugeordnet, der an einen von einem Unterwerk versorgten Gleichspannungszwischenkreis ange­ schlossen ist, wobei das Unterwerk zur Versorgung der Wechselrichter einer Mehrzahl von Antriebsabschnitten vor­ gesehen ist.

Der Wechselrichter ist auf diese Weise nicht mehr Teil des Unterwerkes, sondern ist vom Unterwerk am Gleichspannungszwi­ schenkreis entkoppelt. Das Unterwerk beinhaltet weiterhin die Anbindung an das Landesnetz mittels eines Hochspannungstrans­ formators sowie einen Gleichrichter inklusive Kapazität und Bremswiderstand, der nach dem Gesamtleistungsbedarf im Unter­ werksbereich zu bemessen ist. Vom Unterwerk entkoppelt ist für jeden Antriebsabschnitt zumindest ein Wechselrichter vor­ gesehen. Dies ermöglicht eine Verdichtung der Zugfolge dahin­ gehend, daß jedem Antriebsabschnitt ein Zug zugeordnet werden kann, ohne daß hierfür eine der Anzahl der Züge entsprechende Anzahl von Unterwerken benötigt wird. Anstelle einer Vielzahl kleiner Gleichrichter und Bremswiderstände ist somit bei die­ ser Anordnung nur noch ein einziger Gleichrichter und ein einziger Bremswiderstand sowie eine einzige Hochspannungsan­ lage erforderlich. Des weiteren sind zur Energieübertragung zu den einzelnen Antriebsabschnitten nicht mehr eine Vielzahl von parallelen Streckenkabeln erforderlich. Vielmehr genügen ein einziges Gleichstromkabel oder eine einzige Gleichstrom­ schiene. Dadurch sind zumindest auf einem Teil der gesamten Energieübertragungsstrecke, d. h. zwischen Unterwerk und Wechselrichter, hohe ohmsche Verluste, beispielsweise auf­ grund des Skineffekts, vermieden. Des weiteren können keine Probleme mit Kabelresonanzen auftreten.

Die Erfindung beruht somit auf der Überlegung, jeden An­ triebsabschnitt lediglich mit den Komponenten zu bestücken, die für den unabhängigen Betrieb des Antriebsabschnittes un­ bedingt erforderlich sind, anstatt jeden Antriebsabschnitt mit einem kompletten Unterwerk zu versorgen. Diese für den Antriebsabschnitt unbedingt erforderlichen Komponenten sind insbesondere die Wechselrichter. Andere Komponenten, z. B. Gleichrichter, Bremswiderstände oder Hochspannungsanlage, werden zentral in wenigen Unterwerken angeordnet, so daß die Gesamtzahl der erforderlichen Komponenten verringert ist. Die Trennung zwischen Unterwerk und Antriebsabschnitt erfolgt da­ bei leistungsseitig im Gleichspannungszwischenkreis.

Vorzugsweise ist jeder Wechselrichter dezentral, d. h. ent­ fernt vom Unterwerk, in einer den Antriebsabschnitten des Fahrwegs jeweils zugeordneten Wechselrichterstelle angeord­ net.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist jeweils zwei benachbarten Antriebsabschnitten eine Wechsel­ richterstelle zugeordnet, die wenigstens zwei zuschaltbare Wechselrichter enthält. Durch diese Maßnahme ist die Anzahl der Wechselrichterstellen halbiert und dementsprechend der bauliche Aufwand für die Gesamtzahl der an der Strecke ange­ ordneten Wechselrichterstellen verringert.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Antriebsabschnitt jeweils nur aus einem Statorabschnitt. Dies hat den Vorteil, daß auch die Energieübertragung zwischen Wechselrichter und Statorabschnitt nicht über technisch auf­ wendige Streckenkabel mit nach Betrag, Phase und Frequenz ge­ regelten Drehspannungssystemen erfolgen muß. Dadurch sind auf der gesamten Energieübertragungsstrecke zwischen Unterwerk und Statorabschnitt hohe ohmsche Verluste, beispielsweise aufgrund des Skineffekts, vermieden und es können keine Probleme mit Kabelresonanzen auftreten. Des weiteren werden bei dieser Ausführungsform in den Wechselrichterstellen keine Transformatoren benötigt. Damit entfallen durch Sättigungseffekte bedingte Leistungsbeschränkungen bei kleineren Frequenzen.

Wenn jeder Statorabschnitt seinen eigenen Wechselrichter be­ sitzt, müssen die Wechselrichter nicht im Sinn eines Stator­ abschnittswechsel, beispielsweise im Bocksprungverfahren, weitergeschaltet werden. Dadurch sind Schubeinbrüche vermie­ den, und die Steuerung ist vereinfacht.

Insbesondere umfaßt der Gleichspannungszwischenkreis eine Gleichstromschiene, die am Fahrweg angeordnet ist. Vorzugs­ weise ist die Gleichstromschiene auf Halterungen, insbeson­ dere Isolationsstützen, gelagert frei schwebend am Fahrweg ge­ führt. Dies hat gegenüber einer Gleichspannungsversorgung mit einem Kabel thermische Vorteile, da die Stromschiene direkt mit Luft gekühlt werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Gleichstromschiene in einem Schutzgehäuse angeordnet, bei dem vorzugsweise zumindest ein Teil der Wand aus einem Gitter be­ steht. Dieses Schutzgehäuse dient als Berührschutz und ist insbesondere bei ebenerdigem Fahrweg zweckmäßig. Das Schutz­ gehäuse kann beispielsweise aus einem metallischen Werkstück oder aus einem Isolator bestehen und kann beispielsweise durch ein Kunststoffgitter gebildet werden.

In der bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der Wechselrichter eine Brückenschaltung, bei der in jedem Brückenzweig Thyristoren in Reihe geschaltet sind. Durch eine solche Reihenschaltung ist es möglich, eine hohe Gleichspan­ nung, vorzugsweise über 15 kV, im Gleichspannungszwischen­ kreis zu verarbeiten.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform enthält jede Wechselrichterstelle einen an den Gleichspannungszwischen­ kreis angeschlossenen Gleichspannungswandler zum Bereitstel­ len einer für den Eigenbedarf der Wechselrichterstelle erfor­ derlichen Gleichspannung. Dadurch ist die Anzahl der notwen­ digen Streckenkabel weiter verringert.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 jeweils Ausführungsbeispiele eines Energiever­ sorgungssystems gemäß der Erfindung in einem vereinfachten Blockschaltbild,

Fig. 3 die räumliche Anordnung der Stromschiene sowie der Wechselrichterstelle am Fahrweg,

Fig. 4 eine bevorzugte Anordnung der Stromschiene am Fahrweg in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 5 eine zur Versorgung des Antriebs des Magnet­ schwebefahrzeugs bevorzugte Ausgestaltung der Wechselrichterstelle,

Fig. 6 einen in der Wechselrichterstelle angeordneten Gleichspannungswandler zur Eigenversorgung der Wechselrichterstelle.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Fahrweg 2 eine Vielzahl von in Längs­ richtung hintereinander angeordneten Antriebsabschnitten 3a. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 werden die Antriebsabschnit­ te 3a jeweils durch einen einzigen Statorabschnitt 4 gebil­ det, der zwei elektrisch in Reihe geschaltete und am Fahrweg 2 parallel zueinander angeordnete lineare Statoren 5a, 5b ei­ nes Linearmotors umfaßt.

Einander in Längsrichtung benachbarten Antriebsabschnitten 3a ist jeweils eine Wechselrichterstelle 6a zugeordnet, so daß die Anzahl der Wechselrichterstellen 6a halb so groß ist wie die Anzahl der Antriebsabschnitte 3a. Jede Wechselrichter­ stelle 6a umfaßt zwei Wechselrichter 8, so daß im Beispiel­ fall jedem Statorabschnitt 4 ein Wechselrichter 8 zugeordnet ist. Die Wechselrichter 8 sind jeweils über einen steuerbaren Schalter 10 an einen Gleichspannungszwischenkreis 12 ange­ schlossen. Dieser Gleichspannungszwischenkreis 12 wird von einem Unterwerk 14 mit Gleichspannung U_DC versorgt. Das Un­ terwerk 14 ist hierzu an ein Landesnetz 16 angeschlossen. Im Unterwerk 14 wird die Hochspannung des Landesnetzes 16 mit­ tels eines Hochspannungstransformators 18 auf etwa 20 kV her­ abgesetzt und mit Hilfe eines Gleichrichters 20 in eine Gleichspannung von etwa 15 kV gleichgerichtet.

Die Wechselrichterstellen 6a sind dezentral, d. h. entfernt vom Unterwerk 14, unmittelbar bei den jeweiligen Antriebsab­ schnitten 3a oder Statorabschnitten 4 angeordnet. Im Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind die den Statorabschnitten 4 im Stand der Technik zugeordneten und am Ort eines Statorab­ schnittswechsels angeordneten Schaltstellen als Wechselrich­ terstellen 6a ausgebaut.

Gemäß Fig. 2 enthält ein Antriebsabschnitt 3b eine Mehrzahl von Statorabschnitten 4. Zwei benachbarten Antriebsabschnit­ ten 3b ist jeweils eine Wechselrichterstelle 6b zugeordnet, die im Ausführungsbeispiel für jeden Antriebsabschnitt 3b einen ersten und einen zweiten Wechselrichter 8a bzw. 8b ent­ hält, die über ein Streckenkabelsystem 21 entfernt von der Wechselrichterstelle 6b befindliche Statorabschnitte 4 ver­ sorgen. Auf diese Weise ist ein Betrieb der zu einem An­ triebsabschnitt 3b gehörenden Statorabschnitte 4 im Bock­ sprungverfahren ermöglicht. Im Ausführungsbeispiel ist zu erkennen, daß zu diesem Zweck den von der Wechselrichter­ stelle 6b entfernten und einander benachbarten Statorab­ schnitten 4a, 4b jeweils eine wechselrichterfreie Schalt­ stelle 6c zugeordnet ist, die einen Statorabschnitt 4a mit dem ersten Wechselrichter 8a und den benachbarten Statorab­ schnitt 4b mit dem zweiten Wechselrichter 8b verbindet. Die in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele können auch in der Weise kombiniert werden, daß Antriebsabschnitte mit jeweils mehreren Statorabschnitten und Antriebsabschnitte mit jeweils einem einzigen Statorabschnitt in einem Fahrweg in beliebiger Reihenfolge hintereinander angeordnet sein kön­ nen.

In Fig. 3 ist der Fahrweg 2 mit seiner Fahrschiene 22 zu er­ kennen, an deren Unterseite die beiden parallel zueinander angeordneten Statoren 5a, 5b befestigt sind. Die Fahrschiene 22 ist auf einen Fahrwegträger 24 angeordnet, an dem seitlich eine Stromschiene 26 gelagert ist. Die Stromschiene 26 führt die Gleichspannung U_DC des Gleichspannungszwischenkreises 12. Sie ist elektrisch isoliert gegen den Fahrwegträger 24 in ei­ nem Schutzgehäuse 28 angeordnet.

In jedem Statorabschnitt 4 ist die Stromschiene 26 mit einem Klemmverbinder 30 versehen, von dem aus ein Gleichstromkabel 31 zur Wechselrichterstelle 6a führt. In der Wechselrichter­ stelle 6a wird die zur Versorgung der Wicklung der Statoren 5a, 5b erforderliche dreiphasige Wechselspannung erzeugt.

In Fig. 4 ist zu erkennen, daß am in der Regel aus Stahl be­ stehenden Fahrwegträger 24 die Stromschiene 26 freischwebend in am Fahrwegträger 24 fixierten Halterungen 32 geführt ist. Das Schutzgehäuse 28 besteht im Ausführungsbeispiel der Figur aus einem am Fahrwegträger 24 fixierten U-förmigen Kasten, dessen Wände aus einem Kunststoffgitter bestehen. Durch diese Maßnahme ist eine gute Kühlung der Stromschiene 26 durch die Umgebungsluft gewährleistet.

Der Wechselrichter 8 (8a, 8b) enthält nach Fig. 5 für jede Phase R, S, T mehrere in Zweipunktanordnung (Brückenschal­ tung) in Reihe geschaltete Thyristoren 33 von denen je nach Gleichspannungsniveau für jeden Strang 34 2 × 2 oder 2 × 3 in Serie geschaltet sind. Mit anderen Worten: Jeder Brücken­ zweig 35 eines Stranges 34 enthält 2 bzw. 3 in Reihe ge­ schaltete Thyristoren 33. Bei einer Gleichspannung U_DC im Zwischenspannungskreis von 15 kV reichen vier 8-kV-Thyristo­ ren 33 in einem Strang 34 aus.

Gemäß Fig. 6 ist in der Wechselrichterstelle 6a, 6b ein Gleichspannungswandler 36, beispielsweise ein aus zwei in Reihe geschalteten Thyristoren 37 aufgebauter DC-Chopper, an­ geordnet, dem zur Glättung eine Induktivität L und ein Kon­ densator C nachgeschaltet ist. Über dem Kondensator O kann in diesem Ausführungsbeispiel eine 230 V-Gleichspannung U_E für den Eigenbedarf der Wechselrichterstelle 6a, 6b entnommen werden. Parallel zum Kondensator C ist ein Überspannungsab­ leiter 38 geschaltet, mit dem Überspannungen begrenzt werden. Der Gleichspannungswandler 36 kann in einer bevorzugten Aus­ führungsform auch im Wechselrichter 8 integriert sein.

Claims (12)

1. Energieversorgungssystem für den Antrieb eines Magnet­ schwebefahrzeuges, das auf einem Fahrweg (2) geführt ist, der eine Mehrzahl von in Längsrichtung hintereinander angeordne­ ten Antriebsabschnitten (3a, 3b) umfaßt, die jeweils wenig­ stens einen Statorabschnitt (4) eines Linearmotors enthalten und denen jeweils zumindest ein zuschaltbarer Wechselrichter (8, 8a, 8b) zugeordnet ist, der an einen von einem Unter­ werk (14) versorgten Gleichspannungszwischenkreis (12) ange­ schlossen ist, wobei das Unterwerk (14) zur Versorgung der Wechselrichter (8, 8a, 8b) einer Mehrzahl von Antriebsab­ schnitten (3a, 3b) vorgesehen ist.

2. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, bei dem jeder Wechselrichter dezentral in einer den Antriebsabschnitten (3a, 3b) des Fahrwegs jeweils zugeordneten Wechselrichter­ stelle (6a, 6b) angeordnet ist.

3. Energieversorgungssystem nach Anspruch 2, bei dem je­ weils zwei benachbarten Antriebsabschnitten (3a, 3b) eine Wechselrichterstelle (6a, 6b) mit wenigstens zwei zuschalt­ baren Wechselrichtern (8, 8a, 8b) zugeordnet ist.

4. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Antriebsabschnitt (3b) mehrere Stator­ abschnitte (4) enthält.

5. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Antriebsabschnitt (3a) aus einem Statorab­ schnitt (4) gebildet ist.

6. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Gleichspannungszwischenkreis (12) eine Gleichstromschiene (26) umfaßt, die am Fahrweg (2) angeordnet ist.

7. Energieversorgungssystem nach Anspruch 6, bei dem die Gleichstromschiene (26) auf Halterungen (32) gelagert frei­ schwebend am Fahrweg (2) geführt ist.

8. Energieversorgungssystem nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Gleichstromschiene (26) in einem Schutzgehäuse (28) ange­ ordnet ist.

9. Energieversorgungssystem nach Anspruch 8, bei dem zumin­ dest ein Teil einer Wand des Schutzgehäuses (28) aus einem Gitter besteht.

10. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wechselrichter (8, 8a, 8b) eine Brückenschaltung umfaßt, bei der in jedem Brückenzweig (35) mehrere Thyristoren (33) in Reihe geschaltet sind.

11. Energieversorgungssystem nach Anspruch 10, bei dem die Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis (12) wenig­ stens 15 kV beträgt.

12. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jede Wechselrichterstelle (6a, 6b) einen an den Gleichspannungszwischenkreis (12) angeschlossenen Gleichspannungswandler (36) zum Bereitstellen einer für den Eigenbedarf der Wechselrichterstelle (6a, 6b) erforderlichen Gleichspannung (U_E) umfaßt.