DE19928736C2 - Verfahren und Anordnung zur Versorgung eines Langstator-Linearmotors mit mindestens zwei voneinander getrennten Antriebsseiten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung eines Langstator-Linearmotors mit mindestens zwei voneinander ge­ trennten, jeweils von einem Energieversorgungssystem gespei­ sten Antriebsseiten mit Antriebsenergie während des Übergan­ ges von einem Statorwicklungsabschnitt einer jeweils ersten Seite auf den folgenden, sowie eine Anordnung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens (etz von 1987, Heft 9, Seiten 378-381).

Magnet-Schwebebahnen mit sychronem Langstatorantrieb, auch als Magnet-Schnellbahnen bezeichnet, sind üblicherweise mit einem Linearmotor mit zwei unabhängig versorgten Teillinear­ motoren ausgerüstet, die auf beiden Fahrzeug- bzw. Fahrweg­ seiten angeordnet sind. In den Statorwicklungen der Linearmo­ toren, die links und rechts an einem Fahrwegträger angeordnet sind, wird durch einen dreiphasigen Strom ein elektromagneti­ sches Wanderfeld erzeugt. Das Schwebefahrzeug wird durch sei­ ne erregten Trägermagnete von dem Wanderfeld mitgezogen. Die Statorwicklungen sind aus technischen Gründen in einzelne Langstatorabschnitte gegliedert und werden auch separat durch Umrichtereinheiten mit Energie versorgt. Während der Fahrt muss jeweils der entsprechende Statorwicklungsabschnitt ein­ geschaltet werden. Beim Übergang von einem Statorwicklungsab­ schnitt zu dem folgenden muss die Antriebsenergie zunächst abgeschaltet werden, um die notwendigen Schalthandlungen (Um­ schaltung) stromlos vorzunehmen. Hierzu muss der betreffende Umrichter heruntergeregelt werden, ehe er auf den nächsten Statorwicklungsabsschnitt aufgeschaltet werden kann. Erst wenn der gewünschte Statorwicklungsabschnitt zugeschaltet ist, wird die Antriebsenergie der Statorwicklung wieder zuge­ führt. Damit die Antriebsenergie (Schubkraft) in dieser Phase nicht völlig abgeschaltet ist, werden die Übergänge der Statorwicklungsabschnitte auf beiden Fahrwegseiten räumlich ver­ setzt.

Während des Abschnittswechsels einer Fahrwegseite verringert sich durch die notwendige Abschaltung der Antriebsenergiever­ sorgung des ersten Systems, d. h. einer Fahrwegseite, die Ge­ samtschubkraft des Schwebefahrzeugs. Der Schubkraftverlust wird bisher kompensiert bzw. gemindert, indem der Antriebs­ strom in der am Abschnittswechsel nicht beteiligten Stator­ wicklung des zweiten Systems, d. h. der zweiten Fahrwegseite, vergrößert wird. Dieses bekannte Verfahren wird Wechsel­ schrittverfahren genannt. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass eine Vergrößerung der Gesamtsschubkraft nur durch eine Vergrößerung des Stromes im zweiten System er­ reicht wird. In allen Fällen, bei denen bereits mit einer ho­ hen Schubkraft gefahren wird, ist der Antriebsstrom aber be­ reits so groß, dass eine weitere Vergrößerung nicht mehr oder nur in geringem Maße möglich ist. Für den Fahrgast treten dann unzumutbare Beschleunigungsänderungen (Rucke) auf. Die Beherrschung dieser Situation ist nur durch Reduzierung des mittleren Betriebsstroms während des Wechselvorgangs möglich. Dadurch verringert sich die mittlere Schubkraft, wodurch sich die Fahrleistungen (Beschleunigung, Endgeschwindigkeit) ver­ schlechtern. Ungünstig ist daneben, dass die Antriebssysteme leistungsmäßig nicht ausgenutzt werden, weil allein das Er­ reichen der Stromgrenze die Schubkraft begrenzt, obwohl noch ausreichende Spannungsreserven verfügbar wären.

Dort, wo eine hohe Fahrleistung benötigt wird, muss deshalb bisher ein weiteres, drittes Antriebsenergieversorgungssystem installiert werden. Diese dritte System bestromt dann während des Abschnittswechsels den Statorwicklungsabschnitt, in den das Fahrzeug fahren wird, während gleichzeitig das erste Sy­ stem noch den bestromt, den das Fahrzeug verlässt. Die An­ triebsenergieversorgung des ersten Systems braucht dann wäh­ rend des Abschnittswechsels nicht abgeschaltet zu werden, es gibt also keinen Schubkraftverlust. Das dritte System bleibt zugeschaltet und übernimmt die Aufgabe des oben genannten er­ sten Systems. Nachdem das Fahrzeug den Statorwicklungsbereich des ersten Systems verlassen hat, wird das erste System abge­ schaltet und steht für den nächstfolgenden Abschnittswechsel zur Verfügung, wobei dann das erste System die Rolle des dritten Systems übernimmt usw. Dieses Verfahren wird Drei­ schrittverfahren genannt. Nachteil dieses Verfahrens sind die hohen Investitionskosten und der zusätzliche Platzbedarf ei­ nes kompletten dritten Antriebssystems. Die installierte An­ triebsleistung beträgt beim Dreischrittverfahen 150% der Nennleistung.

Beide vorgenannten Verfahren sind z. B. in Hellinger u. a., Stationary Components of the Long-Stator-Propulsion System for High Speed Maglev Systems, REE No. 9/98 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art zum Abschnittswech­ sel anzugeben, mit denen der Schubkraftverlust gering gehal­ ten wird, ohne dass sich die Investitionskosten beträchtlich erhöhen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und bei einer Anordnung durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 3 im Zusammenwirken mit den Merkmalen im je­ weiligen Oberbegriff gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden beim Abschnitts­ wechsel der aktuell befahrene und ein unmittelbar folgender Statorwicklungsabschnitt wie beim Dreischrittverfahren gleichzeitig mit Energie versorgt. Anstelle der Verwendung eines dritten Energieversorgungssystems wird jedoch ein Teil der Statorwicklung der jeweils anderen Fahrwegseite zwischen den aufeinander folgenden Statorwicklungsabschnitten der Fahrwegseite angeordnet, auf der der Abschnittswechsel stattfindet oder in den Endbereichen dieser aufeinander folgenden Statorwicklungsabschnitte, diese überdeckend. Dieser Stator­ wicklungsteil der ersten und der gegenüberliegende Stator­ wicklungsabschnitt der zweiten Fahrwegseite sind in Reihe ge­ schaltet. Mit dieser Maßname wird ein Statorwicklungsbereich in jedem Abschnittsswechselbereich der ersten (und beim fol­ genden Abschnittswechsel in umgekehrter Weise in jedem Ab­ schnittswechselbereich der zweiten) Fahrwegseite geschaffen, der unabhängig von dem ersten Energieversorgungssystem durch das zweite Energieversorgungssystem gespeist wird.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt in der optimalen Leistungsausnutzung der installierten Betriebsmittel. Mit der Länge des Statorwicklungsteils im Abschnittswechselbereich der gegenüberliegenden Fahrwegseite, die man als Sprunglänge bezeichnen kann, kann die Höhe der Spannungsbelastung des je­ weils stromführenden Systems individuell projektiert werden. Dieser zusätzliche Spannungsanteil hängt von der Überdec­ kungslänge des Schwebefahrzeugs mit der Sprunglänge und von der Fahrzeuggeschwindigkeit ab. Weil die Energieversorgungs­ systeme in der Regel nicht für die doppelte Leistung bzw. Spannung ausgelegt sind, sollte - insbesondere für höhere Fahrgeschwindigkeiten - die Sprunglänge kürzer als die Länge eines Schwebefahrzeugs sein. Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist dagegen eine größere Sprunglänge vorteilhafter. In diesem Fall kann jedoch ein Fahrzeug auf dem Sprungabschnitt nicht mehr aus dem Stillstand in Fahrt gebracht werden, wenn das zweite System, das hier die volle Antriebsfunktion übernommen hat, bei einer Fehlerbedingung ausfällt. Bei Sprunglängen kleiner als die Länge des Schwebefahrzeugs besteht dagegen immer eine Restüberlappungslänge mit dem ersten System.

Der herausragende Vorteil besteht jedoch in der Minimierung der Rückwirkungen auf den Fahrgast. Mit Ausnahme des Be­ triebsbereiches mit Maximalleistung, d. h. Maximalbeschleuni­ gung bei hoher Geschwindigkeit, kann der Zeitverlauf der Be­ schleunigung aktiv geregelt werden. Durch die Polradspannungserhöhung im zweiten System während des Anschnittswech­ sels im ersten System können rasche Stromänderungen in ersten System durch geringere Stromänderungen im zweiten System aus­ geglichen werden, weil die Kraftauswirkung bei höherer Pol­ radspannung, die durch die höhere Fahrzeugüberdeckungsfläche mit der Statorwicklung entsteht, größer ist.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zur Realisierung des Verfah­ rens ist so aufgebaut, dass der Statorwicklungsabschnitt der jeweils zweiten Antriebsseite, der dem Bereich des Statorab­ schnittswechsels gegenüberliegt, in drei Statorwicklungsab­ schnitte unterteilt ist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und von denen der mittlere zwischen den aufeinander fol­ genden Statorwicklungsabschnitten der ersten Antriebsseite angeordnet ist, auf der der Abschnittswechsel stattfindet oder in den Endbereichen dieser aufeinander folgenden Stator­ wicklungsabschnitte, diese überdeckend.

Die Wirkungsweise des Verfahrens soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden. In den zu­ gehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer schema­ tischen Darstellung der Statorwicklungen in einem Abschnittswechselbereich,

Fig. 2 die Statorwicklungen im Abschnittswechselbereich beim bekannten Wechselschrittverfahren,

Fig. 3 den prinzipiellen Zeitverlauf der Statorströme und -spannungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 4 den prinzipiellen Zeitverlauf der Statorströme und -spannungen bei dem bekannten Wechselschrittverfah­ ren und

Fig. 5 die Anordnung der Statorwicklungen im Abschnitts­ wechselbereich mit überlappenden Wicklungen.

Fig. 1 zeigt einen Abschnittswechselbereich einer Statorwick­ lung auf einem Fahrweg FW. Ein in Fig. 1 nicht gezeigtes Fahrzeug befährt den Fahrweg FW von links kommend, so dass ein Antriebswechsel von einem Statorwicklungsabschnitt SW1a auf einen Statorwicklungsabschnitt SW1b nötig wird. Die Sta­ torwicklungsabschnitte SW1a und SW1b werden von einem Ener­ gieversorgungssystem EV1 gespeist und durch Schalter S1a und S1b jeweils mit diesem verbunden. Die gegenüberliegende Sta­ torwicklung der zweiten Antriebsseite ist in zwei Statorwick­ lungsabschnitte SW21 und SW23 geteilt, die über einen Schal­ ter S2 mit einem eigenen Energieversorgungssystem EV2 verbun­ den Sind. Zwischen den Statorwicklungsabschnitten SW1a und SW1b des ersten Systems und mit den Statorwicklungsabschnit­ ten SW21 und SW23 des zweiten Systems in Reihe geschaltet liegt ein kurzer Statorwicklungsabschnitt SW22, der während des Abschnittswechsels zusätzliche Antriebsenergie liefern soll.

Fig. 2 zeigt dagegen die Anordnung der Statorwicklungen bei dem bisher bekannten Wechselschrittverfahren. Der Statorwick­ lungsabschnitt SW2 ist hierbei ungeteilt. Bei einem Ab­ schnittswechsel von dem Statorwicklungsabschnitt SW1a auf den Statorwicklungsabschnitt SW1b ist kurzzeitig nur der Stator­ wicklungsabschnitt SW2 des zweiten Systems stromführend, was anhand von Fig. 4 noch näher zu zeigen sein wird.

Zur Erläuterung des Verfahrens sind in Fig. 3 die prinzipiel­ len Zeitverläufe der Statorströme und -spannungen darge­ stellt. Zu Beginn des Abschnittswechsels fährt ein Fahrzeug FZ, vom Statorwicklungsabschnitt SW1a kommend, in den Bereich des Statorwicklungsabschnitts SW22 des zweiten Systems. In dieser Überlappungsphase induziert das Fahrzeug FZ Polrad­ spannungsanteile nicht nur in den Statorwicklungsabschnitten SW21 und SW23, sondern auch im Statorwicklungsabschnitt SW22 auf der gegenüberliegenden Seite, wodurch sich die Polrad­ spannung up2 in der Statorwicklung des zweiten Systems (im Grenzfall bis auf die maximale Polradspannung upmax) und da­ mit die Gesamtluftspaltleistung erhöht, während die Polrad­ spannung up1a am Statorwicklungsabschnitt SW1a sinkt, da das Fahrzeug FZ diesen Wicklungsbereich mehr und mehr verläßt. Wird nun unmittelbar vor der Umschaltung der Strom i1a im Statorwicklungsabschnitt SW1a des ersten Systems kontinuier­ lich nach Null gefahren, so wird in der Statorwicklung des zweiten Systems der Strom i2 vergrößert (im Grenzfall bis auf den maximalen Strom imax). In der Umschaltpause wird das Ma­ gnet-Schwebefahrzeug FZ auf der ersten Antriebsseite über den zusätzlichen Statorwicklungsabschnitt SW22 somit weiterhin angetrieben. Solange die Strom- und Spannungsgrenze des Sy­ stems noch nicht erreicht wird, bleibt die Schubkraft voll­ ständig erhalten. Nachdem der Statorwicklungsabschnitt SW1b des ersten Systems zugeschaltet ist, das erste System den Strom i1b wieder hochfährt und die Polradspannung up1b des ersten Systems sich beim Einfahren in den Bereich des Stator­ wicklungsabschnitts SW1b wieder erhöht, wird das zweite Sy­ stem bezüglich der höheren Ströme und Spannungen entlastet, bis die erste Antriebsseite ihre Funktion wieder voll er­ füllt.

Der Vorgang wiederholt sich bei einem nächsten Abschnitts­ wechsel auf der anderen Antriebsseite in analoger Weise.

In Fig. 4 ist dagegen der Verlauf der Ströme und Spannungen beim bekannten Wechselschrittverfahren mit einer Statorwick­ lungsanordnung gemäß Fig. 2 dargestellt. Im Gegensatz zum er­ findungsgemäßen Verfahren bleibt die Polradspannung up2 im Statorwicklungsabschnitt SW2 des zweiten Systems hierbei kon­ stant. Die Schubkraft kann während des Abschnittswechsels nur dadurch aufrechterhalten werden, dass der Strom i2 im Stator­ wicklungsabschnitt SW2 im Grenzfall bis auf den maximal mög­ lichen Stromwert imax erhöht wird. Kann dadurch der Lei­ stungseinbruch im ersten System nicht ausgeglichen werden, führt das je nach der verwendeten Stromänderungsgeschwindig­ keit im ersten System zu einem deutlichen Rucken des Magnet- Schwebefahrzeugs FZ.

Fig. 5 zeigt eine Variante der Anordnung des Wicklungsab­ schnitts auf der gegenüberliegenden Antriebsseite. Ein Sta­ torwicklungsabschnitt SW22 ist hier nicht in der Lücke zwi­ schen den Statorwicklungsabschnitten SW1a und SW1b des ersten Systems plaziert, sondern überdeckt die Statorwicklungsab­ schnitte SW1a und SW1b. Damit wird die Antriebsleistung wäh­ rend des Abschnittswechsels weiter vergleichmäßigt, da sich die durch den abklingenden Strom i1a bewirkte Antriebslei­ stung im Statorwicklungsabschnitt SW1a bzw. die durch den an­ steigenden Strom i1b bewirkte Antriebsleistung im Statorwick­ lungsabschnitt SW1b zu der Antriebsleistung im Statorwick­ lungsabschnitt SW22 addieren.

Claims (7)

1. Verfahren zur Versorgung eines Langstator-Linearmotors mit mindestens zwei voneinander getrennten, jeweils von einem Energieversorgungssystem gespeisten Antriebsseiten mit An­ triebsenergie während des Übergangs von einem Statorwick­ lungsabschnitt einer jeweils ersten Antriebsseite auf den folgenden, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich der beiden am Abschnittswechsel be­ teiligten Statorwicklungsabschnitte der ersten Antriebsseite ein Statorwicklungsabschnitt positioniert wird, der vom Ener­ gieversorgungssystem der jeweils zweiten Antriebsseite ge­ speist wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (i2) in der Statorwicklung der zweiten An­ triebsseite während des Abschnittswechsels durch Erhöhung der Leistungsabgabe des Energieversorgungssystems der zweiten An­ triebsseite erhöht wird.

3. Anordnung zur Versorgung eines Langstator-Linearmotors mit mindestens zwei voneinander getrennten, jeweils von einem Energieversorgungssystem gespeisten Antriebsseiten mit An­ triebsenergie während des Übergangs von einem Statorwick­ lungsabschnitt (SW1a) einer jeweils ersten Antriebsseite auf den folgenden Statorwicklungsabschnitt (SW1b) zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Bereich des Statorabschnittswechsels gegenüber­ liegende Statorwicklungsabschnitt der jeweils zweiten An­ triebsseite in drei Statorwicklungsabschnitte (SW21, SW22, SW23) geteilt ist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und von denen der mittlere Statorwicklungsabschnitt (SW22) im Übergangsbereich der beiden am Statorabschnittswechsel beteiligten Statorwicklungsabschnitte (SW1a, SW1b) der ersten An­ triebsseite positioniert ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Statorwicklungsabschnitt (SW22) der zweiten Antriebsseite in einer Lücke zwischen den am Statorab­ schnittswechsel beteiligten Statorwicklungsabschnitten (SW1a, SW1b) der ersten Antriebsseite positioniert ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Statorwicklungsabschnitt (SW22) der zweiten Antriebsseite die Endbereiche der beiden am Statorabschnitts­ wechsel beteiligten Statorwicklungsabschnitte (SW1a, SW1b) der ersten Antriebsseite überdeckt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des mittleren Statorwicklungsabschnitts (SW22) der zweiten Antriebsseite in Bereichen hoher Antriebsge­ schwindigkeit des Langstator-Linearmotors die Länge eines durch den Langstator-Linearmotors angetriebenen Rotorteils, z. B. eines Magnet-Schwebefahrzeugs (FZ), nicht übersteigt.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des mittleren Statorwicklungsabschnitts (SW22) der zweiten Antriebsseite in Bereichen geringer Antriebsge­ schwindigkeit des Langstator-Linearmotors größer ist als die Länge eines durch den Langstator-Linearmotors angetriebenen Rotorteils, z. B. eines Magnet-Schwebefahrzeugs (FZ).