DE19942938A1

DE19942938A1 - Drive system for electric motor-driven railway vehicle enables installation costs for permanent way to be considerably reduced without departing from proven principle of electric motor drive

Info

Publication number: DE19942938A1
Application number: DE19942938A
Authority: DE
Inventors: Frank Hoffmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-09-08
Filing date: 1999-09-08
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2019-09-09
Also published as: DE19942938B4

Abstract

The drive system has a rotary mass storage device (DMS) connected to the d.c. input circuit or intermediate circuit of the railway vehicle drive that is charged up by a d.c. voltage at stopping points and that provides a d.c. voltage when outputting energy. The energy storage device has a two-pole pickup for energy acquisition at stopping points.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein elektromo torisch angetriebenes Schienenfahrzeug.The invention relates to a drive system for an electromo toric powered rail vehicle.

Elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge für Straßen- oder Stadtbahnsysteme werden über eine Oberleitung oder eine drit te Schiene mit Elektroenergie versorgt. Die Zuleitung zur Oberleitung oder zur dritten Schiene erfolgt über eine Reihe von Unterwerken, die wegen der hohen Impedanz der Oberleitung in relativ kurzen Abständen zueinander entlang der Fahrstrec ke installiert sein müssen und die bereits einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten des Bahnsystems ausmachen.Electrically operated rail vehicles for road or Light rail systems are over an overhead line or a third te rail supplied with electrical energy. The supply line to Catenary or to the third rail is via a row of substations due to the high impedance of the overhead line at relatively short distances from each other along the route ke must be installed and already a considerable Make up part of the total cost of the rail system.

Die Rückleitung erfolgt über die Schienen, wobei durch eine Reihe von Maßnahmen für eine gute Rückleitung zu sorgen ist, um den Personenschutz zu gewährleisten und vagabundierende Ströme im Erdreich weitgehend zu unterdrücken. So werden nicht nur alle Gleise, sondern auch die Gleiskreuze miteinan der verbunden und teure Gleiserdungssysteme eingesetzt, um Berührungsspannungen am Gleis klein zu halten. Um die Rück ströme nicht über die Radlager laufen zu lassen, werden war tungsintensive Erdungskontakte auf die Achsen aufgesetzt.The return is made via the rails, with a Series of measures to ensure good return, to ensure personal protection and vagabond To largely suppress currents in the ground. So be not only all the tracks, but also the track crosses of connected and expensive track grounding systems used to Keep contact voltages on the track small. To the back not flow over the wheel bearings tion-intensive grounding contacts placed on the axes.

Für Schienenfahrzeuge ist auch bereits ein System bekannt, bei dem als Energiespeicher ein Schwungradspeicher genutzt wird, um einen Antrieb ohne eine Oberleitung oder eine zu sätzliche Stromschiene zu realisieren. So wurde für Bristol, Großbritannien, eine Straßenbahn konzipiert, deren Schwung radspeicher jeweils an den beiden Endpunkten der Strecke über eine 70-V-Gleichstromanlage aufgeladen wird, dessen gespei cherte Energie dann für eine Fahrt zwischen den beiden End punkten der Strecke ausreicht, siehe Miller, ULR's Bristol experience in TRAMWAYS & URBAN TRANSIT, Oktober 1998, S. 290. A system is already known for rail vehicles, where a flywheel storage is used as energy storage to a drive without a catenary or too to realize additional busbar. So for Bristol, Great Britain, designed a tram whose momentum wheel memory at the two end points of the route a 70 V DC system is charged, its fed then saved energy for a ride between the two ends points of the route is sufficient, see Miller, ULR's Bristol experience in TRAMWAYS & URBAN TRANSIT, October 1998, p. 290.

Der Schwungradspeicher arbeitet über ein Getriebe und eine Kupplung direkt auf die Antriebsräder der Straßenbahn. Die Aufladung des Schwungradspeichers erfolgt an einer Getriebe welle mittels eines Gleichstrommotors, für den im Bereich der beiden Endpunkte Strom an einer dritten Schiene abgenommen wird und der eine weitere Kupplung zum Ankoppeln an die Ge triebewelle erforderlich macht.The flywheel storage works via a gearbox and a Coupling directly onto the tram's drive wheels. The The flywheel accumulator is charged on a gearbox shaft by means of a DC motor, for which in the range of power on a third rail was drawn at both end points and another clutch for coupling to the Ge drive shaft required.

Zur Geschwindigkeitssteuerung des Fahrzeuges ist ein stufen loses Getriebe vorgesehen.There is a step to control the speed of the vehicle loose gear provided.

Insgesamt ist so eine komplizierte Übertragungsmechanik er forderlich, die einen solchen Antrieb von vornherein auf eine geringe Leistung beschränkt sein lässt. Das Antriebskonzept setzt darüber hinaus mit der Abkehr von einem elektromotori schen Antrieb eine völlig neue Konstruktion der Fahrzeuge voraus.Overall, it is a complicated transmission mechanism required that such a drive from the outset on a low performance can be limited. The drive concept continues with the move away from an electric motor a completely new construction of the vehicles ahead.

Schwungradspeicher sind auch für den Einsatz in anderen Fahr zeugen, so in Kraftfahrzeugen bekannt. So wird in der EP 0 125 320 B1 ein Stromerzeugungsaggregat für ein Kraft fahrzeug beschrieben, mit dem sowohl ein Fahrzeugantrieb über Elektromotoren als auch andere Stromverbraucher gespeist wer den. Der Generator des Stromerzeugungsaggregats wird durch einen zwischengeschalteten Schwungradspeicher unterstützt, so dass ein kurzzeitig höherer Leistungsbedarf durch die Nutzung der Schwungmasse des Schwungradspeichers abgedeckt wird. In leistungärmeren Belastungsphasen wird der Schwungradspeicher durch den Generator dann wieder aufgeladen. Der Generator wiederum wird von einem Verbrennungsmotor angetrieben. Durch die Energiepufferung in einem Schwungradspeicher können der Verbrennungsmotor und der Generator konstant in einem günsti gen Drehzahlbereich betrieben werden.Flywheel memories are also for use in other driving testify so known in motor vehicles. So in the EP 0 125 320 B1 a power generation unit for a power described vehicle with which both a vehicle drive over Electric motors as well as other electricity consumers who are fed the. The generator of the electricity generating set is by supports an intermediate flywheel storage, so that a short-term higher power requirement through the use the flywheel mass is covered. In The flywheel accumulator becomes a less powerful load phase then recharged by the generator. The generator in turn is driven by an internal combustion engine. By the energy buffering in a flywheel storage can Internal combustion engine and the generator constantly in one favorable be operated in the speed range.

Weiter ist aus der EP 0 437 266 B1 ein Kraftfahrzeug mit Ver brennungsmotor, Generator, Schwungradspeicher und einem oder mehreren Antriebselektromotoren bekannt, bei dem dem Schwung radspeicher die Leistungsdifferenz zwischen dem Generator und dem oder den Antriebselektromotoren zugeführt wird, wobei der Verbrennungsmotor zwar mit differenzierter Abgabeleistung be trieben wird, dabei aber so gesteuert wird, dass er stets im verbrauchsoptimalen Bereich läuft. Bei erhöhtem Leistungsan fall wird Energie aus dem Schwungradspeicher entnommen und einem Gleichspannungszwischenkreis zugeführt, an dem über ei nen Vierquadrantensteller die Antriebsmotoren versorgt wer den.Furthermore, EP 0 437 266 B1 describes a motor vehicle with Ver internal combustion engine, generator, flywheel storage and one or several electric drive motors known, in which the momentum wheel memory the power difference between the generator and is supplied to the drive electric motor or motors, the Internal combustion engine with differentiated output is driven, but is controlled so that it is always in the consumption-optimized area is running. With increased power case energy is taken from the flywheel storage and fed to a DC link, on which via ei A four-quadrant actuator supplies the drive motors the.

In beiden Fällen ist der Schwungradspeicher nur zur Ver gleichmäßigung der Energieabgabe des fahrzeuggebundenen Ener gieerzeugers gedacht, stellt also einen zusätzlichen Energie puffer dar, dessen Energieabgabe weitaus geringer ist als die des Energieerzeugers selbst.In both cases, the flywheel storage is only for ver uniformity of the energy output of the vehicle-bound Ener Energy producer thought, so represents an additional energy buffer, whose energy output is much lower than that of the energy producer itself.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug anzugeben, mit dem die Investitions kosten für den Fahrweg erheblich gesenkt werden können, ohne dass von dem bewährtem Prinzip des elektromotorischen An triebs abgegangen werden muss.The invention has for its object a drive system specify for a rail vehicle with which the investment costs for the route can be significantly reduced without that of the proven principle of electromotive drive must be removed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention, the object is achieved by the features of claim 1. Appropriate configurations are the subject of subclaims.

Danach wird ein bei Energieaufnahme an Haltestellen über eine Gleichspannung aufladbarer und bei Energieabgabe eine Gleich spannung liefernder Drehmassenspeicher auf den Gleichspan nungs-Eingangskreis oder -zwischenkreis des Fahrzeugantriebs aufgeschaltet.After that, when there is energy consumption at stops, a DC voltage rechargeable and a DC when energy is released voltage supplying rotating mass storage on the DC chip voltage input circuit or intermediate circuit of the vehicle drive activated.

Dadurch, dass die Energierücklieferung nicht über ein mecha nisches Getriebe erfolgt, sondern über einen Gleichspannungs erzeuger zunächst eine Gleichspannung bereitgestellt wird, kann der bisherige Antrieb von Straßen- oder Stadtbahnen, der bei modernen Antriebskonzepten z. B. über einen kapazitiven Zwischenkreis, einen frequenzgesteuerten Pulswechselrichter und Asynchronmotoren erfolgt, beibehalten werden. Die Fahr zeuge können deshalb nach wie vor mit einem Stromabnehmer ausgerüstet werden, so dass sie ohne weiteres auch auf Strec ken betrieben werden können, die mit einer Oberleitung ausge rüstet sind und auf der herkömmlich angetriebenen Schienen fahrzeuge ebenso fahren. Oder es kann auf Strecken mit beson deren Anforderungen, z. B. an großen Steigungen, eine Ober leitung installiert sein, über die dann zusätzlich zum Schwungmassenantrieb Energie eingespeist wird. Die Oberlei tung kann in diesem Fall aber sparsamer ausgeführt werden als im Normalfall, da sie nur als zusätzliche Energiequelle benö tigt wird.Because the energy return does not have a mecha African transmission takes place, but via a DC voltage a DC voltage is initially provided, can the previous drive of trams or light rail vehicles, the in modern drive concepts such. B. via a capacitive DC link, a frequency-controlled pulse inverter and asynchronous motors takes place. The driving Witnesses can therefore still use a pantograph be equipped so that they can also be used on Strec ken can be operated with a catenary are equipped and on the conventionally driven rails drive vehicles as well. Or it can with special on routes their requirements, e.g. B. on steep slopes, a top be installed over which then in addition to the Inertia mass drive energy is fed. The Oberlei In this case, however, processing can be carried out more economically than normally, since they are only used as an additional energy source is done.

Drehmassenspeicher, die z. B. mit einer Drehstrommaschine über Umrichter an einem Gleichspannungsnetz aufgeladen wer den, wobei der Umrichter im Vierquadrantenbetrieb arbeitet und bei Energieabgabe des Drehmassenspeichers umgekehrt einen Gleichstrom zurückliefert, sind an sich bekannt. Sie können mindestens in einer Größe zur Verfügung gestellt werden, wie sie für einen Straßenbahnbetrieb benötigt werden.Rotary mass storage, the z. B. with a three-phase machine who are charged via converters on a DC voltage network with the converter operating in four-quadrant mode and vice versa when the rotating mass accumulator releases energy DC current is known per se. You can be provided in at least one size, such as they are required for a tram operation.

Der Betrieb mit einem Drehmassenspeicher hat den Vorteil, dass der gesamte Oberleitungsbau oder mindestens ein Großteil des Oberleitungsbaus entfallen kann, wodurch in erheblichem Maße Investitionskosten eingespart werden und sich die Bau zeit einer Neubaustrecke wesentlich verkürzt. Ein Nebeneffekt dabei ist außerdem die Verbreiterung des Lichtraumprofils we gen des Wegfalls der Strommasten, die Vergrößerung der Durch fahrtshöhe unter Brücken und in Tunneln sowie eine Verschöne rung durch den Wegfall optisch störender Oberleitungen.Operation with a rotating mass accumulator has the advantage that the entire overhead line construction or at least a large part the overhead line construction can be omitted, which in considerable Dimensions investment costs can be saved and the construction time of a new line considerably shortened. A side effect it is also the broadening of the clearance profile we due to the elimination of the electricity pylons, the enlargement of the through ride height under bridges and in tunnels as well as a beautification due to the elimination of optically disruptive overhead lines.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Aufladung des Drehmassen speichers an den Haltestellen über einen zweipoligen Stromab nehmer, so dass außer einer Schutzerdung über die Schienen ein isoliertes System vorliegt und keine Berührungsspannungen am Gleis auftreten können. Jegliche vagabundierenden Ströme, die an Rohrleitungen im Erdreich Schäden durch Elektrokorro sion hervorrufen können, werden ebenso vermieden wie Störun gen an der Signaltechnik, die durch Stromrückwirkungen auf der Oberleitung oder der Schiene verursacht werden können.The rotating masses are advantageously charged store at the stops via a two-pole downstream subscriber, so that besides a protective grounding over the rails there is an isolated system and no touch voltages can occur on the track. Any stray currents, damage to pipelines in the ground due to electrical corrosion can cause as well as interference on the signal technology caused by current feedback the overhead line or the rail can be caused.

Mindestens die Querverbindungen an den Schienen können weg fallen, da die Schienen nicht mehr als Rückleiter benutzt werden.At least the cross connections on the rails can go away fall because the rails are no longer used as a return conductor become.

An jeder Haltestelle wird im Mittel soviel Energie aufgenom men, wie für die Fahrt bis zur nächsten Haltestelle ver braucht wird.On average, so much energy is consumed at each stop as for the journey to the next stop is needed.

Die beim Bremsen anfallende Energie wird über den Antriebsum richter an den Gleichspannungs-Eingangskreis bzw. Gleichspan nungs-Zwischenkreis des Fahrzeugantriebs zurückgeliefert und lädt somit den Drehmassenspeicher teilweise wieder auf, so dass die Energie insgesamt optimal ausgenutzt wird.The energy generated during braking is transferred to the drive judge the DC input circuit or DC DC link of the vehicle drive is returned and partially recharges the rotating mass accumulator, so that the energy as a whole is optimally used.

Durch den Wegfall der Oberleitung sind auch Kabel mit niedri gerer Impedanz einsetzbar, so dass die Anzahl der Unterwerke entlang der Fahrstrecke reduziert werden kann.By eliminating the overhead line, cables with low lower impedance can be used, so that the number of substations can be reduced along the route.

Vorhandene Fahrzeuge können mit einem Drehmassenspeicher nachgerüstet werden, wobei das Stromabnehmersystem belassen werden kann, so dass ein Betrieb sowohl mit als auch ohne Oberleitung möglich wird.Existing vehicles can use a rotating mass memory be retrofitted, leaving the pantograph system can be, so that an operation both with and without Catenary becomes possible.

Für Teilstrecken, in denen eine besonders hohe Antriebsener gie benötigt wird oder an deren Haltestellen nur eine sehr begrenzte Ladezeit zur Verfügung steht, können die Triebfahr zeuge mit zusätzlichen Energiespeichern oder Energiequellen ausgerüstet werden, die ebenfalls mit an den Gleichspannungs- Eingangs- bzw. -zwischenkreis angekoppelt sind. Dies können Batterien oder Brennstoffzellen sein oder schnell aufladbare Kondensatorbatterien. For sections where there is a particularly high drive voltage gie is needed or at their stops only a very limited charging time is available, the locomotive can witness with additional energy storage or energy sources equipped, which are also connected to the DC voltage Input or intermediate circuit are coupled. You can Be batteries or fuel cells, or quick-charge Capacitor batteries.

Im Fernverkehr ist der Einsatz eines Drehmassenspeichers in analoger Weise möglich, um während des Anfahrvorgangs oder an Steigungen eine zusätzliche Energiequelle zur Verfügung zu haben, wobei der normale Betrieb auf der Fahrstrecke dann über die Stromabnehmer an der Oberleitung erfolgt.In long-distance transport, the use of a rotating mass storage is in in an analogous way possible to start or during Gradients an additional energy source is available have, then normal operation on the route then via the pantographs on the overhead line.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungs beispiels näher erläutert werden.The invention is based on an embodiment example are explained in more detail.

Die Zeichnung zeigt ein Blockschaltbild eines Straßenbahnan triebs mit oder ohne eine Oberleitung. Der Antrieb des Stra ßenbahntriebfahrzeugs erfolgt in gewohnter Weise über einen kapazitiven Gleichspannungs-Zwischenkreis ZK, der durch eine Kondensatorbatterie C1 gestützt wird. Die Kondensatoren der Kondensatorbatterie C1 sind zum Anschwingen und zum Betrieb eines Pulswechselrichters PWR1 nötig, der zu jeder Zeit eine Gleichspannung benötigt, die andernfalls z. B. bei Bügel springen eines Stromabnehmers an einer Oberleitung zeitweise aussetzen würde. Außerdem fungiert die Kondensatorbatterie C1 als Netzfilter für den Fall, dass der Antrieb über die Strom abnahme an einer Oberleitung OL mittels eines Stromabnehmers SA erfolgt.The drawing shows a block diagram of a tram with or without an overhead line. The drive of the Stra tram motor vehicle takes place in the usual way via a capacitive DC voltage intermediate circuit ZK, which by a Capacitor battery C1 is supported. The capacitors of the Capacitor battery C1 are for starting and for operation a PWR1 pulse inverter is required, which can be used at any time DC voltage required, which otherwise z. B. with bracket jump of a pantograph on an overhead line at times would suspend. The capacitor bank C1 also functions as a line filter in the event that the drive is powered by electricity Acceptance on an overhead line OL using a pantograph SA takes place.

Der durch eine Steuerungseinrichtung ST1 gesteuerte Pulswech selrichter PWR1 erzeugt die nötige Spannung für die Fahrmoto ren M. Anstelle der Oberleitung OL oder zusätzlich zu dieser wird jedes Straßenbahntriebfahrzeug mit einem Drehmassenspei cher DMS ausgerüstet, der an den Haltestellen über einen zweipoligen Stromabnehmer an einer Gleichspannungs-Einspei sung GS des Bahnnetzes, z. B. mit 750 V Gleichspannung, auf geladen wird. Der Drehmassenspeicher DMS hat eine rotierende Speichermasse, die über einen integrierten Drehstromantrieb in eine hohe Drehzahl versetzt werden kann. Der Aufladevor gang kann sehr schnell erfolgen. Der Drehstromantrieb des Drehmassenspeichers DMS besteht aus einem gesteuerten Puls wechselrichter PWR2, der im Vierquadrantenbetrieb arbeiten kann, und einem Drehstrommotor, die von einer Steuerungsein richtung ST2 gesteuert werden.The pulse change controlled by a control device ST1 PWR1 inverter generates the necessary voltage for the drive motor ren M. Instead of the overhead line OL or in addition to it every tram locomotive is equipped with a rotating mass feed DMS equipped that at the stops via a two-pole pantograph on a DC voltage feed solution GS of the rail network, z. B. with 750 V DC is loaded. The rotating mass memory DMS has a rotating one Storage mass via an integrated three-phase drive can be set to a high speed. The pre-charging can be done very quickly. The three - phase drive of the Rotary mass storage DMS consists of a controlled pulse PWR2 inverter, which operate in four-quadrant mode can, and a three-phase motor, which are controlled by a controller direction ST2 can be controlled.

Während der Fahrt von Haltestelle zu Haltestelle gibt der Drehmassenspeicher DMS seine gespeicherte Energie an den Gleichspannungs-Zwischenkreis ZK ab und liefert so die An triebsenergie für die Fahrmotoren M.During the journey from stop to stop the Turning mass storage DMS transfers its stored energy to the DC voltage intermediate circuit ZK and delivers the An drive energy for the traction motors M.

Zur schnellen Energiespeicherung an den Haltestellen, insbe sondere in Zeiten kurzer Haltestellenaufenthalte, ist im vor liegenden Ausführungsbeispiel am Gleichspannungs-Zwischen kreis ZK außerdem eine weitere Kondensatorbatterie C2 aus so genannten Ultracaps vorgesehen, das heißt von Kondensatoren mit extrem kurzer Aufladezeit. Die Ultracaps der Kondensator batterie C2 werden bei einem Haltestellenaufenthalt ebenfalls an der Gleichspannungs-Einspeisung GS aufgeladen. Die Konden satorbatterie C2 kann dann während der ersten Sekunden der Fahrt nach einem Halt an einer Haltestellen-Ladestation ihre Energie an den Pulswechselrichter PWR und auch an den Dreh massenspeicher DMS abgeben.For fast energy storage at the stops, esp especially in times of short stops, is in advance lying embodiment on the DC voltage intermediate circle ZK also another capacitor bank C2 from so Ultracaps provided, that is, capacitors with extremely short charging time. The ultracaps of the capacitor batterie C2 are also used during a stopover charged at the DC voltage supply GS. The condens satorbatterie C2 can then during the first seconds of After stopping at a bus stop charging station, drive your Energy to the PWR pulse inverter and also to the rotary Submit mass storage DMS.

Auf die bei bisherigen Antriebssystemen vorgesehe Oberleitung OL kann mit der Lösung verzichtet werden.On the overhead line provided in previous drive systems OL can be dispensed with with the solution.

Claims

1. Drive system for an electromotively driven rail vehicle, characterized in that when the energy consumption at stops via a DC voltage is rechargeable and when a power is supplied, a DC voltage supplying rotating mass memory (DMS) is connected to the DC voltage input circuit or DC link (DC link) of the vehicle drive is.

2. Drive system according to claim 1, characterized, that for energy consumption of the rotating mass memory (DMS) on Hal test a two-pole pantograph is provided.

3. Drive system according to claim 1 or 2, characterized, that the protective earth of the rail vehicle over its axle warehouse takes place.

4. Drive system according to claim 1 or 2, characterized, that to the DC input circuit or intermediate circuit (ZK) of the vehicle drive additionally quickly rechargeable con capacitors (ultracaps) are switched on.

5. Drive system according to claim 1 or 2, characterized, that to the DC input circuit or intermediate circuit (ZK) of the vehicle drive an additional battery is.

6. Drive system according to claim 1 or 2, characterized, that to the DC input circuit or intermediate circuit (ZK) of the vehicle drive additionally fuel cells are switched.