DE19823233A1

DE19823233A1 - Vorrichtung zur Speisung von gleichstrombetriebenen Fahrzeugen

Info

Publication number: DE19823233A1
Application number: DE19823233A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Linhofer
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Hitachi Energy Switzerland AG
Priority date: 1998-05-25
Filing date: 1998-05-25
Publication date: 1999-12-02
Also published as: NL1012134C2; SI9900129A; ITMI991126A1; ZA993472B; NL1012134A1

Abstract

Bei Gleichstrombahnen führt die niedrige Betriebsspannung zu großen Übertragungsverlusten und bedingt eine Vielzahl von Unterwerken entlang der Verkehrsstrecken. Ein Spannungs-Booster kompensiert den Spannungsabfall zwischen Unterwerk und Aufstellungsort des Boosters durch Einbringen einer Zusatzspannung in die Fahrleitung. Dadurch können die Leitungsverluste gesenkt, die Unterwerksabstände vergrößert sowie leistungsstärkere Fahrzeuge betrieben werden. Falls am Aufstellungsort des Boosters kein Anschluß an das Mittelspannungsdrehstromnetz vorhanden ist, kann als Quelle der Zusatzspannung das Gleichstromsystem der Bahnversorgung selbst herangezogen werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Stromversorgung von leitungsgebundenen Gleichstromfahrzeugen. Sie betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Traktions leistung auf gleichstrombetriebene Fahrzeuge nach dem Oberbe griff des Patentanspruches 1.

STAND DER TECHNIK

Weltweit bilden Gleichstromsysteme einen wesentlichen Anteil der elektrischen Traktion. Diese Systeme umfassen Trolley bus-Linien, Strassenbahnen, U-Bahnen, S-Bahnen, Industriebahnen und Fernbahnen. Die dafür heute üblichen Nenn-Betriebs spannungen sind 600, 750, 1500 und 3000 V. Die Energieversor gung erfolgt fast ausschliesslich aus dem öffentlichen Dreh stromnetz mittels Diodengleichrichtern. Wegen der niedrigen Betriebsspannung ergeben sich grosse betriebsbedingte Spannungsabfälle in den Fahrleitungen. Dies führt einerseits zu grossen Übertragungsverlusten und bedingt andererseits - da eine bestimmte Mindestspannung nicht unterschritten werden darf - eine Vielzahl von Unterwerken mit Speisegleichrichtern entlang der Verkehrsstrecken. Mit zunehmender Verkehrsdichte und zunehmenden Antriebsleistungen akzentuiert sich dieses Problem. Selbst wenn die bereits existierenden Gleichrich ter-Unterwerke an und für sich leistungsstark genug sind für die Versorgung des Bahnverkehrs, bleibt die zulässige Länge der einzelnen Speiseabschnitte wegen des maximal zulässigen Spannungsabfalls beschränkt.

Die Resultate einer einfachen Rechnung, welche in Fig. 5 dar gestellt sind, verdeutlichen das Ausmass des Spannungsabfalls und die überproportionale Zunahme der Leitungsverluste mit der Distanz des Fahrzeuges zum Unterwerk.

Als Lösung bietet sich eine wesentliche Vergrösserung der Fahrleitungsquerschnitte oder die Verlegung von Entlastungs leitern parallel zu den Fahrleitungen an. Dies ist jedoch nur mit grossem Aufwand und dementsprechend hohen Kosten möglich. Insbesondere im Bereich von Tunnelstrecken kann der dazu erforderliche bauliche Zusatzaufwand sehr gross werden.

Ähnliches gilt auch für die Errichtung zusätzlicher Unter werke. Diese haben einen nicht zu unterschätzenden Platzbedarf und benötigen eine Anschlussmöglichkeit an das Drehstromnetz auf Mittelspannungsebene. Beides ist manchmal nicht vorhanden und kann Investitionen erfordern, die das Vielfache der Kosten der Gleichrichteranlage selbst betragen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche einen Teil der Spannungsabfälle in den Spei seleitungen kompensiert und die Übertragungsverluste redu ziert, dabei mit einem Minimum an Platz auskommt und gegebe nenfalls auch dort zur Anwendung gelangen kann, wo kein Anschluss an das Mittelspannungsdrehstromnetz vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass durch einen in Serie zwischen zwei Abschnitte der Speiseleitung geschalteten soge nannten Spannungs-Booster eine geregelte Zusatzspannung in die Speiseleitung eingebracht wird. Diese Zusatzspannung kompen siert den Spannungsabfall zwischen Unterwerk und Aufstellungs ort des Spannungs-Boosters. Der Spannungs-Booster umfasst einen Gleichrichter, welcher über einen Gleichrichtertransfor mator von einem Umrichter mit einer periodischen Spannung versorgt wird. Letztere ist i.A. nicht sinusförmig, sondern besteht beispielsweise aus rechteckförmigen Spannungspulsen.

Dieses Signal wird über den Gleichrichtertransformator in die Speiseleitung eingekoppelt, durch den Gleichrichter gleichge richtet und durch eine in Serie geschaltete Glättungsspule geglättet.

Die Spannungs-Zeit-Fläche der Ausgangsspannung des selbstge führten Umrichters ist bei konstanter Amplitude durch die Länge und die Frequenz der Spannungspulse gegeben und bestimmt die Höhe der Zusatzspannung, welche der Speiseleitung aufge prägt wird. Der Umrichter wird so geregelt, dass die Spannung der Speiseleitung am Ausgang des Spannungs-Boosters, d. h. auf der dem Unterwerk abgewandten Seite, einen höheren Wert auf weist als am Eingang des Spannungs-Boosters. Dieser Wert kann beispielsweise gleich dem Wert der Leerlaufsgleichspannung des streckenspeisenden Unterwerks sein.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Eingangsspannung des Umrichters an einem Stützkondensator abgegriffen wird, welcher direkt an den Fahrdraht angeschlossen ist. Eine derartige Verwendung des Gleichstromsystems der Bahnstromversorgung selbst als Quelle für die Zusatzspannung ist insbesondere dann wirtschaftlich interessant, wenn an dem für den Spannungs-Booster als günstig betrachteten Aufstellungsort keine geeignete Anschlussmöglich keit an das Drehstromnetz existiert oder diese nur mit grossem Kostenaufwand gebaut werden kann.

Bei einer weiteren Ausführungsform des Spannungs-Boosters dient das Drehstromnetz als Quelle für die Zusatzspannung. Je nach der gewünschten Leistung kann die Aufbringung der Zusatz spannung ein-, zwei- oder dreiphasig erfolgen. Der Umrichter ist entweder direkt oder über einen Gleichspannungszwischen kreis an das Drehstromnetz angekoppelt. Letztgenannte Reali sierung lässt sich problemlos erweitern zum Zwecke der Rück führung der von einem Fahrzeug im Bremsbetrieb erzeugten Energie in das Drehstromnetz. Damit kann bei einer nachträg lichen Ausrüstung einer Verkehrsstrecke mit Spannungs-Boostern gleichzeitig der elektrischen Nutzbremsung moderner Traktions fahrzeuge Rechnung getragen werden.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 Einseitig gespeiste Strecke; Spannungs-Booster mit Gleichspannungszwischenkreis und Energieversorgung aus dem Gleichstromnetz.

Fig. 2 Einseitig gespeiste Strecke; Spannungs-Booster mit Energieversorgung aus dem Drehstromnetz.

Fig. 3 Einseitig gespeiste Strecke; Spannungs-Booster mit wahlweiser Energieversorgung aus dem Gleichspannungs- oder Wechselstromnetz und Energierückspeisemöglichkeit.

Fig. 4 Zweiseitig gespeiste Strecke; zwei Spannungs-Booster.

Fig. 5a) Spannung U am Stromabnehmer des Fahrzeugs, b) Lei tungsverluste P und c) Fahrzeugstrom I in Abhängigkeit der Distanz d des Fahrzeuges vom Unterwerk, mit (gestrichelte Linie) und ohne (ausgezogene Linie) Spannungs-Booster.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Vorrichtung zur Versorgung von gleichstrombetriebenen Fahrzeugen, wobei im betrachteten Falle die Speisung der Fahrstrecke einseitig erfolgt. Das Fahrzeug 1 fährt entlang des Gleiskörpers 2 und entnimmt die Antriebsleistung der Speiseleitung 3, welche beispielsweise eine Fahrleitung oder eine Stromschiene sein kann. Die entnommene Leistung wird vom Drehstromnetz 4 gelie fert und in einem Unterwerk mit Hilfe der Streckenspeiseein heit 5, welche einen Speisegleichrichter 6 umfasst, von Dreh strom in Gleichstrom mit der gewünschten Spannung umgewandelt.

In einiger Entfernung vom Unterwerk ist die erfindungsgemässe Vorrichtung 10 zur Aufschaltung der Zusatzspannung installiert. In die Speiseleitung wird eine isolierende Trennstrecke 11 eingebaut, durch welche die Speiseleitung 3 in zwei Abschnitte 3a, 3b unterteilt wird. Befindet sich das Fahrzeug 1 auf dem der Streckenspeiseeinheit 5 abgewandten Abschnitt 3a, fliesst der gesamte Speisestrom durch einen in den Leitungszug geschalteten Gleichrichter 12 und eine Glättungsdrossel 13, welche die Trennstrecke 11 überbrücken.

Über einen Gleichrichtertransformator 14 wird der Gleichrich ter 12 mit einer mit Hilfe des selbstgeführten Umrichters 15a geregelten Spannung versorgt. Fig. 1 zeigt eine Ausführung, bei welcher das Gleichstromsystem selbst als Quelle für die Erzeugung der Zusatzspannung benutzt wird. Dabei wird die Eingangsspannung für den Umrichter 15a an einem Stützkondensa tor 17 abgenommen, der direkt an einer beliebigen Stelle an die Speiseleitung 3 angeschlossen ist. Der Umrichter 15a wird so geregelt, dass die Leitungsspannung nach der Trennstrecke 11 einen höheren Wert aufweist als die Spannung vor der Trennstrecke. Die Spannung kann z. B. auf den Wert der Leer laufsgleichspannung des Unterwerks gehalten werden.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante gezeigt, bei welcher das Drehstromnetz 4 als Quelle der Zusatzspannung dient. Wie bei der Streckenspeiseeinheit 5 erfolgt auch hier die Einbrin gung der Zusatzspannung über einen Diodengleichrichter 12. Die Spannungsregelung erfolgt in diesem Fall mit einem Steller 15b, welcher antiparallel geschaltete Thyristoren umfasst.

Genausogut ist ein Steller 15b mit abschaltbaren Elementen (wie z. B. GTO-Thyristoren) anstatt Thyristoren denkbar. Als weitere Ausführungsvariante kann auf den Umrichter 15b auch verzichtet werden und für die Einbringung der Zusatzspannung anstatt eines Diodengleichrichters 12 ein steuerbarer Gleichrichter (Thyristorgleichrichter) verwendet werden. Dies hat jedoch gegenüber den Varianten mit Diodengleichrichtern den Nachteil, dass bei einem Ausfall der Gleichrichtersteuerung die Speiseleitung 3 unterbrochen bleibt.

Ein wichtiger Aspekt moderner Traktionsfahrzeuge ist die elektrische Nutzbremsung. Dabei wird die im Bremsbetrieb erzeugte Energie den anderen Fahrzeugen zur Verfügung gestellt oder in das speisende Mittelspannungsnetz 4 zurückgeführt. Bei einem grösseren Bahnnetz mit vielen angeschlossenen Strecken abschnitten ist es wünschbar, diese durch Bremsung erzeugte Leistung auch auf andere Streckenabschnitte zu verteilen. Dies bedingt u. U. Stromflüsse in Sperrichtung der Gleichrichters 12. Um diese Stromrichtung freizuschalten ist eine zusätzliche schaltbare Einrichtung notwendig. Dies kann entweder ein mechanischer Schnellschalter oder ein Halbleiterschalter 18 (z. B. ein Thyristorschalter) sein.

Wird jedoch mehr Bremsleistung erzeugt, als gerade von anderen Fahrzeugen benötigt wird, muss diese zusätzliche Leistung entweder in Widerständen vernichtet oder in das Drehstromnetz zurückgespeist werden. In Fig. 3 ist eine Ausführungsmöglich keit für eine Vorrichtung zur Zusatzspannungserzeugung kombi niert mit einer Rückspeiseeinheit zur Energierückführung in das Drehstromnetz 4 gezeigt. Bei dieser Anordnung besteht die Möglichkeit, wahlweise das Gleichstromsystem oder das Dreh stromnetz als Quelle für die Zusatzspannung heranzuziehen. Der Gleichspannungszwischenkreis 16 umfasst den Stützkondensator 17 sowie einen zweiten selbstgeführten Umrichter 19, zudem wird bei dieser Realisierung sinnvollerweise der Gleich spannungszwischenkreis 16 an die Ausgangsseite des Gleichrich ters 12 angeschlossen. Der zweite Umrichter 19 ist über einen Transformator 20 an das Wechselstromnetz angekoppelt. Damit dem Drehstromnetz keinesfalls mehr Leistung entnommen wird als für die Erzeugung der Zusatzspannung benötigt, ist es sinnvoll den Stützkondensator 17 mit Hilfe einer Diode 21 von der Speiseleitung 3 zu entkoppeln. Ein weiterer Vorteil dieser Entkopplungsdiode 21 ist, dass bei etwaigen Fahrdrahtkurz schlüssen keine ungewollte Einspeisung in die Fehlerstelle erfolgen kann.

Das Einbringen der Zusatzspannung ist natürlich auch möglich bei zweiseitiger Streckenabschnittsspeisung, wie sie für einen Streckenabschnitt zwischen zwei Unterwerken 5, 5' zutrifft.

Eine Ausführungsvariante ist in Fig. 4 dargestellt. Da die Spannungs-Booster 10, 10' nur in einer Richtung wirken, bietet es sich an, in diesem Fall zwei oder allgemeiner eine gerade Anzahl Booster zwischen die zwei Unterwerke zu schalten.

Vorteile der erfindungsgemässen Kompensation des Spannungsab falls, insbesondere die dadurch erreichte Verringerung der Leitungsverluste, werden aus den in Fig. 5 dargestellten Resultaten einer Simulation ersichtlich. Der Berechnung der Strom- und Spannungsverhältnisse liegen die folgenden Annahmen zugrunde:

- Der Fahrzeugantrieb bezieht aus der Speiseleitung eine konstante Leistung von 1200 kW.
- Die Leerlaufgleichspannung der Streckenspeiseeinheit beträgt 820 V.
- Der ohmsche und induktive Gleichspannungsabfall der Speise gleichrichteranlage entspreche einem Innenwiderstand von 0,03 Ohm.
- Der gesamte spezifische Leitungswiderstand (Speiseleitung und Rückleitung) betrage 0,1 Ohm pro Kilometer.

Bei einseitiger Speisung ohne erfindungsgemässen Span nungs-Booster erhält man die in der Fig. 5 gestrichelt dargestellten Ergebnisse. Ist das Fahrzeug 1 km vom Unterwerk entfernt, sinkt die an seinem Abnehmer zur Verfügung stehende Spannung von 773 auf 520 V. Bei konstanter Leistungsaufnahme erhöht sich dementsprechend der Betriebsstrom von 1550 auf 2310 A.

Die Übertragungsverluste nehmen überproportional zu mit der Entfernung des Fahrzeuges zum Unterwerk und betragen in 1 km Distanz bereits 533 kW.

Unter den gleichen Annahmen bezüglich Fahrzeugleistung sowie Unterwerks- und Streckenwiderständen wurden die Berechnungen unter Berücksichtigung der Wirkung des Spannungs-Boosters wiederholt. Bei Aufschaltung der Zusatzspannung in einem Abstand von 0,4 km vom Unterwerk (entsprechend dem Streckenab schnitt 3b in Fig. 1) erhält man die in der Fig. 5 dargestell ten Ergebnisse. Die niedrigste Fahrdrahtspannung tritt nach 0,4 km bei Erreichen der Trennstelle auf und hat dort einen Wert von 700 V. Nach 1 km beträgt die Fahrdrahtspannung noch immer 720 V. Bei konstanter Leistungsaufnahme erhöht sich der Betriebsstrom von 1550 auf nur noch 1710 A bei der Trennstelle und auf 1670 A nach einem Kilometer. Die gesamten Übertra gungsverluste (einschliesslich der der Boosterschaltung zuge führten Leistung) betragen in 1 km Entfernung vom Unterwerk nur 329 kW.

Die Einbringung einer Zusatzspannung in die Fahrleitung gestattet bei verhältnismässig geringem Investitionsaufwand wahlweise:

- Erhöhung der Speisereichweite (grössere Unterwerksabstände)
- Verringerung der Leitungsverluste (Senkung des Energiever brauchs) bei gleichbleibenden Unterwerksabständen und bei gleicher Leistung der Triebfahrzeuge.
- Erhöhung der Verkehrsdichte oder Betrieb mit leistungs stärkeren Fahrzeugen ohne Unterschreiten der Mindestbetriebsspannung bei gleichbleibenden Unterwerksabständen und Fahrleitungsquerschnitten.

Die geschilderten Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Kompensation des Spannungsabfalls bei Gleich strombahnen bieten folgende Vorteile:

- Vergrösserte Flexibilität in der Wahl des Aufstellungsortes: Wenn an dem für den Spannungs-Booster als günstig betrachteten Aufstellungsort keine geeignete Anschlussmöglichkeit an das Drehstromnetz existiert, kann das Gleichstromsystem der Bahnversorgung selbst als Quelle für die Zusatzspannung verwendet werden.
- Mehrere Freiheitsgrade für die kostenoptimale Ausführung des selbstgeführten Umrichters 15, des Gleichrichtertransforma tors 14 und des Gleichrichters 12: Die Ausgangsspannung des Umrichters muss nicht sinusförmig sein, zudem kann ihre Frequenz frei gewählt werden. Letzteres ist insbesondere ein für die Optimierung der Transformatorkosten wesentlicher Parameter.

Bezugszeichenliste

1

Fahrzeug

2

Rückleitung, geerdeter Gleiskörper

3

Speiseleitung, Fahrleitung oder Stromschiene

3

a,

3

b Abschnitte der Speiseleitung

4

Drehstromnetz

5

Streckenspeiseeinheit, Unterwerk

6

Speisegleichrichter

10

Vorrichtung zur Aufschaltung einer Zusatzspannung, Spannungs-Booster

11

Trennstelle, isoliertes Fahrleitungsstück

12

Gleichrichter

13

Glättungsdrossel

14

Gleichrichtertransformator

15

a,

15

b Umrichter bzw. Steller für die Einbringung einer geregelten Zusatzspannung

16

Gleichspannungszwischenkreis

17

Stützkondensator

18

Halbleiterschalter für Energierückführung Richtung Unterwerk und andere Streckenabschnitte

19

Umrichter zur Ankopplung an das Drehstromnetz

20

Umrichtertransformator

21

Entkopplungsdiode für Stützkondensator

Claims

1. Vorrichtung zur Speisung von gleichstrombetriebenen Fahr zeugen (1), umfassend

a) ein Fahrleitungssystem bestehend aus einer Speiseleitung (3) und einer Rückleitung (2);
b) mindestens einen Speisegleichrichter (6), welcher wechsel spannungsseitig an ein Drehstromnetz (4) angekoppelt ist und gleichspannungsseitig eine Gleichspannung zwischen der Speiseleitung (3) und der Rückleitung (2) erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, dass
c) die Speiseleitung (3) durch mindestens eine Trennstelle (11) in einen ersten, dem Speisegleichrichter abgewand ten Abschnitt (3a) und einen zweiten, dem Speisegleich richter zugewandten Abschnitt (3b) unterteilt ist und
d) die Trennstelle (11) überbrückt ist durch Mittel zur Erzeugung einer Zusatzspannung (10), welche das Poten tial des ersten Abschnittes (3a) erhöhen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Zusatzspannung (10) einen Gleichrichter (12) umfassen, welcher wechselspannungsseitig an einen Gleichrichtertransformator (14) angeschlossen ist und gleichspannungsseitig in Serie mit einer Glättungsdrossel (13) zwischen den ersten (3b) und den zweiten (3a) Abschnitt der Speiseleitung geschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstelle (11) zusätzlich durch einen abschaltbaren Halbleiterschalter (18) oder einen mechanischen Schnell schalter überbrückt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichtertransformator (14) mit dem Drehstromnetz (4) verbunden ist und der Gleichrichter (12) Thyristoren umfasst.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichtertransformator (14) über einen Steller (15b) mit dem Drehstromnetz verbunden ist und der Gleich richter (12) Dioden umfasst.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichtertransformator (14) über einen ersten Umrichter (15a) mit einem einen Stützkondensator (17) umfassenden Gleichspannungszwischenkreis (16) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungszwischenkreis (16) direkt oder über eine Diode (21) mit (einem Abschnitt) der Speiseleitung (3) verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungszwischenkreis (16) über einen zweiten Umrichter (19) und einen Umrichtertransformator (20) mit dem Drehstromnetz (4) verbunden ist

9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei Streckenspeiseeinheiten (5, 5') eine gerade Anzahl Mittel zur Erzeugung einer Zusatzspannung (10, 10') vorgesehen sind.