DE2417214A1 - Antriebsanordnung, insbesondere fuer elektrische triebfahrzeuge oder fuer rollgaenge von walzwerken - Google Patents

Description

BROWN, BOVERI & ClE · AKTIENGESELLSCHAFT
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Mp.-Nr. 550/74 ' Mannheim, den 4. April 1974

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\ Antriebsanordnung, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge
! oder für Rollgänge von Walzwerken. ■_ !

Die Erfindung betrifft eine Antriebsanordnung, insbesondere ■ für elektrische Triebfahrzeuge oder für Rollgänge von Walz- - j werken, mit mindestens einer aus einer mit variabler Winkel- ! geschwindigkeit bzw. Lineargeschwindigkeit betriebenen, aus ! einer Wechsel- oder Gleichstromquelle über Stromrichter gespeisten elektrischen Drehfeld- bzw. Wanderfeldmaschine. Eine ^!

solche Anordnung ist z.B. aus der CH-PS 409 074 bekannt. ]

Die die elektrische Drehfeldmaschine speisenden Stromrichter _: sind entweder mit Gleichstromzwischenkreis ausgebildet oder ί v/erden als Direktumrichter betrieben. Im Yergleich mit Antrieben, die mit Gleichstromantriebsmotoren ausgerüstet sind, welche '

von gesteuerten Gleichrichtern gespeist v/erden, ist der Auf- j '

• wand jedoch relativ hoch. Für selbstgeführte Stromrichter mit

Gleichstrom- bzw. Gleichspannungszwischenkreis erfolgt nämlich
j eine zweifache Energieumformung im Gleichrichter und im Wechselrichter und es ist ein Energiespeicher im Zwischenkreis er- ! j forderlich. Bei der Anwendung von Direktumrichtern besteht die

Notwendigkeit antiparallele Stromrichter in jedem Wicklungs- ' ! zweig vorzusehen.

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Es ist· bereits vorgeschlagen worden zur Herabsetzung des Aufwandes bei den Stromrichteranordnungen den speisenden Stromrichter im Aufwand zu verkleinern, indem man in diese m drei von jeweils einem Gleichstrom überlagerte Wechselströme erzeugt, ^! die ein Drehstromsystem bilden (DPa Az. P 2 259 826). Da eine ¹ normale Mehrphasenwechselstrommaschine (Drehstrommaschine) für ι die Speisung mit solchen, von einem Gleichstrom überlagerten j Wechselströmen nicht geeignet ist, ist bei diesem Torschlag ] i die Ständerwicklung der elektrischen Drehfeldmaschine in einer ; Spezialausführung ausgebildet. Sie weist eine Zweischichtwick-¹ lung auf, die so aufgebaut ist, daß jeweils die beiden in einer ; Nut angeordneten Wicklungsstränge oder Leiterstäbe von einem . Wechselstrom mit überlagertem Gleichstrom durchflossen sind, I wobei die Gleichstromglieder des Stromes entgegengesetzte I Stromrichtungen in den beiden Leiterstäben einer Nut aufweisen. j Dadurch heben sich die von den Gleichstromgliedern erzeugten j Amperewindungen (Durchflutungen) der beiden in jeweils einer I Nut liegenden Wicklungsstränge bzw. Leiterstäbe gegenseitig

auf, während die Wechselstromglieder zusammen ein Drehfeld ^: bzw. Wanderfeld erzeugen. In einer Nut liegen dabei jeweils zwei Leiter, deren Gleichstromkomponenten umgekehrte Richtungen \ haben. Die Anordnung nach diesem Vorschlag erlaubt es, den Aufwand für den Umrichter in Bezug auf die Anzahl gleich groß dimensionierter Thyristoren auf etwa die Hälfte herabzusetzen, ^; da die antiparallelen Ventile des Direktumrichters wegfallen ; können. Weiterhin können bei kreisstrombehafteten Schaltungen die Kreisstromdrosseln bzw. bei kreisstromfreien Schaltungen die Ümschaltlogik und Stromrichtungsüberwachung entfallen. ^[ Bekanntlich kann man sich vorstellen, daß ein Direktumrichter

aus drei Umkehrstromrichtern für Gleichstrommaschine^ die , somit jeweils aus jswei Drehstrombrückenschaltungen bestehen ■ müssen, aufgebaut ist. Bei der vorgeschlagenen Anordnung ist es möglich, die Hälfte der Stromrichterbrücken einzusparen.

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Die in der erwähnten Patentanmeldung vorgeschlagenen Spezialmotoren v;eisen jedoch wegen der bezüglich der Ausnutzung und des Oberwellengehaltes des Iiuftspaltfeldes ungünstigen Sehnung und vor allem wegen der vom Gleichstromanteil der Ständerströme verursachten Stromwärmeverluste, welche doppelt so hoch sind wie die von den Wechselstromgrundwellen verursachten, sowie der erhöhten Oberwellenverluste. erheblich größere Abmessungen auf als die normalen Motoren und sind damit naturgemäß schwerer als diese. Die Drehfeldmaschinen v/erden jedoch nicht nur im Wirkungsgrad schlechter als solche konventioneller Bauart, sondern werden auch im Gewicht und im Volumen vergrößert. '

Dies wirkt sich z.B. bei elektrischen Triebfahrzeugen besonders nachteilig aus, bei denen die Drehstrommotoren beispielsweise als Tatzlagermotoren ausgebildet sind und daher nur halbabgefedert im Fahrzeugrahmen bzw. Drehgestell angeordnet sind. Für die Verluste in den Zuleitungen vom Stromrichter zu den Motoren gilt dasselbe wie für die Ständerwicklungsverluste.

Auch bei den Antriebsmotoren von Rollgängen zu Walzwerken sind die räumlichen Abmessungen der Antriebsmotoren von großer Bedeutung, insbesondere, wenn, wie meist üblich, jede Rolle durch einen besonderen Motor angetrieben wird. Durch die großen räumlichen Abmessungen einer solchen Rollganganlage sind die Zuleitungen zwischen Umrichter und Antriebsmotor relativ lang, womit die bei der vorgeschlagenen lösung sich ergebenden Verluste in den Zuleitungen entweder merklich größere Leitungsquerschnitte erforderlich machen oder sich die Energieverluste erheblich erhöhen.

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Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei Anwendung des obigen Stromrichtersystems, insbesondere bei elektrischen Triebfahrzeugen mit Antrieb durch Tatzlagermotoren oder bei Rollgangantrieben fiir Walzwerke, die Nachteile der vorgeschlagenen Anordnung zu vermeiden, d.h. bei der erstgenannten Anwendung den Einsatz normaler Drehstrommotoren zu ermöglichen, Verluste einzusparen und die unabgefederten Massen, die den Lauf des Fahrzeuges in ungünstiger Weise beeinflussen, zu verkleinern und beim zweitgenannten Anwendungsgebiet die radialen Abmessungen der Antriebsmotoren zu verkleinern, sowie die erheblichen zusätzlichen Yerluste in den Zuleitungen zu vermeiden.

Als Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Speisung der Ständerwicklung der elektrischen Maschine ein Stromrichter, welcher drei von jeweils einem Gleichstrom überlagerte Wechselströme erzeugt, die ein Drehstromsystem bilden, dient, und daß zwischen Stromrichter und elektrischer Maschine ein Mehrphasentransformator zwischengeschaltet ist, dessen Primärwicklung in Zick-Zack-Schaltung und dessen die Ständerwicklung der elektrischen Maschine speisende Sekundärwicklung in Stern- oder Dreieckschaltung geschaltet ist. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung fallen Gleichstromverluste im Gegensatz zu der vorgeschlagenen Anordnung nach DPa Az. P 2 259 826 nur im Transformator (nicht aber in den Motoren und deren Zuleitungen) an, aus dem sie besser abgeführt werden können als z.B. v£>n Fahrmotoren, die aus Gründen der erhöhten Betriebssicherheit nicht mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden können.

Die Verwendung eines Transfor-mators zwischen Stromrichter und Motoren erlaubt es,auch die Motoren, die, wie oben erwähnt, Drehstrommotoren herkömmlicher Bauart (z.B. Normmotoren) sein können, für optimale Spannungswerte unabhängig von den optimalen ¹ Spannungswerten für die Stromrichter auszulegen und umgekehrt,

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wodurch über die in der DPa Az. P 2 -259 826 erwähnten noch hinausgehende weitere Einsparungen, z.B. durch bessere Nutzung der bei einem ThyristDrmodell zulässigen Sperrspannung, am Direkumrichter möglich v/erden.

Darüberhinaus bietet die Verwendung eines Transformators den Vorteil, daß sämtliche Motoren an einen Transformator parallel angeschaltet werden können, was bei der bereits vorgeschlagenen Lösung mit Rücksicht auf die Unsicherheit der Aufteilung des Gleichstromes nicht ohne erheblichen zusätzlichen Aufwand möglich ist, weshalb man dort getrennte Stromrichtereinrichtungen für jeden Motor vorgeschlagen hat.

Bei Triebfahrzeugen kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung der zusätzlich erforderliche Transformator voll abgefedert im Fahrzeugrahmen untergebracht werden, so daß der bei der Ausführung nach DPa P 2 259 826 vorhandene Nachteil des schlechteren Laufes durch die vergrößerten Massen der Fahrmotoren bei gleicher Leistung vermieden wird. Als Fahrmotoren können dann konventionelle Drehstrommotoren von geringem Gewicht im Drehgestell bzw. Fahrzeugrahmen in Tatzlagerbauart vorgesehen werden. Das Mehrgewicht des Transformators gegenüber der vorgeschlagenen Anordnung liegt etwa im Rahmen der Gewichtsersparnis bei den Antriebsmotoren.

Die Gleichstromverluste in den Leitungen zwischen Stromrichter und Motoren werden vollständig vermieden. Die Motoren können mit normalen'(3-phasigen) Drehstromanschlüssen angeschlossen v/erden, die bei der DPa Az. P 2 259 826 erforderlichen Rückleitungen entfallen daher, so daß bei diesen Leitungen 5/6 des Gesamtquerschnitts eingespart werden.

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Als speisender Stromrichter kann erfindungsgemäß für jede der drei in Zick-Zack-Schaltung geschalteten Transformatorwicklungen ein Einrichtungsstromrichterstellglied dienen. Bei einer v/eiteren Ausführungsform der Erfindung ist Torgesehen, daß als Stromrichter für jede der in Zick-Zack-Schaltung geschalteten Primärwicklungen des Transformators jeweils eine von einer separaten "Wicklung eines Stromrichtertransformators gespeiste 3n-pulsige Stromrichterbrückenschaltung dient, wobei η ganzzahlig ist. Dabei sind die Ausgänge der drei Stromrichterbrücken jeweils mit den Wicklungsenden der in Zick-Zack geschalteten Primärwicklung des Transformators verbunden.

Bei einer v/eiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß als Stromrichter für jede der in Zick-Zack geschalteten Primärwicklungen des Transformators eine separate 3n-pulsige Stromrichterschaltung dient, deren phasengleichen Eingänge parallel geschaltet sind. Dabei sind die Ausgänge eines jeden Stromrichters mit den beiden Enden jeweils einer in Zick-Zack geschalteten Primärwicklung des Transformators elektrisch verbunden.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel . In diesem ist ein Schaltschema der erfindungsgemäßen Anordnung in Anwendung bei einem Antrieb eines Triebfahrzeuges dargestellt.

In diesem Schema ist mit 1 der Stromrichtertransformator mit der Primärwicklung 10 und den Sekundärwicklungsgruppen 11, und 13 bezeichnet. Diese sind jeweils einseitig in Stern geschaltet. Die freien Enden der Wicklungen sind jeweils mit 3-pulsigen EinrichtungsStromrichterstellgliedern 21 verbunden, die jeweils wenigstens drei Thyristoren aufweisen. Die Steuer-

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einrichtung für die Thyristoren ist nicht dargestellt. Die Kathoden der Thyristoren jeweils eines Stellgliedes sind zu-' sammengeschaltet und jeweils mit einem Wicklungseingang der einen Primärwicklung 301 bzw. 302 bzw. 303 des Zwischentransformators 3 verbunden.

■ Die Primärwicklung des Ewischentransformators 3 ist, wie oben ausgeführt, in Zick-Zack geschaltet und das freie Ende jeden Stranges der Primärwicklung ist mit dem Sternpunkt des zugehörigen Teiles der Sekundärwicklung 11 bzw. 12 bzw. 13 des Netztransformators 1 verbunden. Die Sekundärwicklung des Zwischentransformators 3 ist in Stern geschaltet dargestellt. An die freien Anschlüsse der Sekundärwicklung 31 bzw. 32 bzw. 33 des Zwischentransformators 3 sind die vier Drehstromfahr-

■ motoren 41, 42, 43, 44 parallel angeschlossen.

: Antriebe für Rollgänge von Walzwerken sind in gleicher Weise, wie in obigem Ausführungsbeispiel dargestellt, aufgebaut, jedoch ist die Anzahl der gespeisten Motoren üblicherweise merklich größer als dort dargestellt.

Die mit der erfindungsgemäßen Anordnung erzielten Vorteile sind bei den beiden erwähnten Anwendungsgebieten besonders gravierend. Sie läßt sich selbstverständlich ebenso bei Industrieantrieben beliebiger Art in vorteilhafter Weise 'anwenden.

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Claims (4)

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   Patentansprüche

   j Antriebsanordnung, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge oder für Rollgänge von Walzwerken, mit mindestens einer aus einer mit variabler Winkelgeschwindigkeit bzw. Lineargeschwindigkeit betriebenen, aus einer Wechsel- oder Gleichstromquelle über Stromrichter gespeisten elektrischen Drehfeld- bzw. '."anderfeldmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der Ständerwicklung der elektrischen Maschine (41, 44) ein Stromrichter (2), welcher drei von jeweils einem Gleichstrom überlagerte Wechselströme erzeugt, die ein Drehstromsystem bilden, dient, und daß zwischen Stromrichter und elektrischer Haschine ein Mehrphasentransformator (3) zwischengeschaltet ist, dessen Primärwicklung (301 bis 303) in Zick-Zack-Schaltung und dessen die Ständerwicklung der elektrischen Maschine (41 bis 44) speisende Sekundärwicklung (31 bis 33) in Stern-, oder Dreieckschaltung geschaltet ist.
2. 2. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromrichter für jede der Primärwicklungen (301 bzw. 302 bzw. 303) des Zwischentransformators (3) jeweils ein Einrichtungsstromrichterstellglied (21, 22, 23) dient.
3. 3. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromrichter für jede der Wicklungen des Zwischentransformators (3) jeweils eine von einer separaten Wicklung eines Stromrichtertransformators gespeiste 3n-pulsige Stromrichterbrückenschaltung dient, wobei η ganzzahlig ist.
4. 4. Antriebsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromrichter für jede der Primärwicklungen (301 bzw. 302 bzw. 303) des Zwischentransformatrs (3) eine separate 3n-pulsige Stromrichterschaltung dient, deren phasengleichen Eingänge parallel geschaltet sind.

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