-
Betr.: Induktivitätsarme Langstatorausführung niedriger Spannung und
Mehrfachausnützung der Frequenzumrichter 1. übersicht Gegenüber Linearmotoren der
Kurzstatorbauart weisen Langstatoranordnungen eine problemlose Energie zuführung
sowie eine erhebliche Vereinfachung der technischen Fahrzeugausrüstung auf.
-
Die synchrone Langstatorvariante ermöglicht darüber hinaus eine beachtliche
Verbesserung des Antriebswirkungsgrades und die Erzeugung der zum Tragen und Führen
des Fahrzeuges oder des Motorerregerteiles notwendigen Kraftkomponenten, (P 22 38
Xo3 .8 ) .
-
Die Problematik konzentriert sich bei diesen Antriebssystemen hauptsächlich
auf die Verringerung des Aufwandes längs des Fahrweges- Die festen Kosten sind durch
den notwendigen Anteil für das Eisenblechpaket, die Wanderfeldwicklung und die Unterstationen
bestimmt. Während sich das Eisenvolumen im Zusammenhang mit den erforder]ichen Schub-
und Tragkräften ergibt und bei gegebener Geschwindigkeit stark von der maximalen
Frequenz abhängt, ind die Wicklungskosten durch das Wicklungsvolumen und die Spannung
bestimmt; beide sind durch die Art der Schaltung beeinflußbar.
-
Auch die Preise für die Frequenzumformer lassen sich durch die Wahl
einer niedrigen Betriebsspannung senken. Sie sind darüber hinaus in direktem Zusammenhang
zur Antriebsscheinleistung und zur Zahl der Einspeisestellen zu sehen.
-
Im Folgenden wird ein Verfahren beschrieben, das zu @@@@@@@@@ aostensenkungen
sowie zur Verringerung der Schelnleirtung und/ oder Verbesserung des Wirkungsgrades
führt. Durch Verringerung der Betriebsspannung wird der Uberwachungsaufwand reduziert
und die Störanfälligkeit des Transportsystems verringert.
-
2. Maßnahmen zur Verringerung der Scheinleistung Die für die Bemessung
der Energieeinspeisung sowie der Stellglieder in den Unter stationen bestimmende
Scheinleistung ist umso größer, je höher bei gegebener Frequenz die mit einem Blockabschnitt
verbundene magnetische Energie ist. Diese läßt sich offenbar verringern, wenn die
Streckenabschnittslänge bei gleicher Strombelastung verringert wird oder wenn durch
entsprechende geometrische Anordnung der Wicklung der Energieinhalt je Längeneinheit
gesenkt werden kann.
-
2.1 Gegensinnig durchflutete Statorhälften In Bild 1 sind drei unterschiedliche
Anordnungen des Stators wiedergegeben. Die Anordnung 1 A stellt einen einseitige
Langstator mit einer bestimmten Stromverteilung der Drehstromwicklung dar. Das von
den Wicklungsströmen erregte magnetische Feld hat einen charakteristischen Verlauf,
der im Längsschnitt wesentlich durch die Polteilung bestimmt ist. Stehen sich wie
im Bild 1 B zwei gleichsinnig erregte Statoren gegenüber, so tritt unterhalb eines
bestimmten Mindestabstandes eine Kopplung beider Hälften auf, die zu einer Verstärkung
der Normalkomponente der magnetischen Feldstärke im Statorbereich im Vergleich zur
Anordnung 1 A führt. Der Energieinhalt je Längeneinheit vergrößert sich damit gegenüber
zwei unabhängigen einseitigen Anordnungen.
-
Umgekehrt führt die Gegenüberstellung zweier gegensinnig durchfluteten
Statoren unterhalb eines bestimmten Mindestabstandes zu einer Verringerung des magnetischen
Energieinhaltes je Längeneinheit. Im Falle eines vollständigen Zusammenrückens der
beiden
Statorhälften h@@@@ sich die f@@@@@@@@@@@@@@ Wirkung@@ der'Ströme an jedem Ort auf;
sie haben ein völliges Verschwinden der magnetischen Energie außerhalb der Nuten
zur Folge.
-
Für die praktische Anwendung gilt, daß die Anordnung 1 C günstiger,
die Anordnung 1 B ungünstiger als 1 A ist. Da verkleinerte Energieinhalte je Längeneinheit
zu kleineren Blindwiderständen für die außerhalb des Fahrzeugbereiches liegende
Wicklungsstrecke führen, bedeutet dies kleinere Blindleistung und kleinere Klemmenspannung.
In den Anordnungen B und C ist im Falle einer Asynchronmaschine der Sekundärteil
bzw. bei Synchronmaschinen der Erregerteil jeweils unterschiedlich zu gestalten.
-
Während bei gegensinnig durchfluteten Statoren der Translator aus
jeweils zwei miteinander verbundenen einseitig wirkenden Maschinenteilen besteht,
kann bei gleichsinniger Durchflutung der Eisenteil für den Feldrückschluß mit verringertem
Querschnitt, ja im Falle vollkommener Feldsymmetrie sogar völlig ohne Eisen ausgeführt
werden.
-
Bild 2 zeigt die Erregeranordnung, die der Statoranordnung 1 C entspricht.
Ähnlich wie in der Patentanmeldung P 23 6L 019 1 beschrieben, kann die Erregerwicklung
in eine an konstanter Spannung betriebene Hauptwicklung und eine Steuerwicklung
unterteilt werden, die über ein Stellglied spaltabhängig mit variablem Strom versorgt
werden kann, so daß eine berührungslose Führung des Erregerteils b. des Fahrzeuges
bewirkt wird. Haupt- und Steuerwicklung sind induktiv nicht miteinander gekoppelt,
so daß günstige Bedingungen für die Bemessung der Steuerwicklung und des Stellgliedes
gegeben sind und eine schnelle Regelung möglich wird.
-
Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß unter der Voraussetzung gleicher
Stromverteilung in beiden Statoren eine Aussteuerung der magnetischen Induktion
die Größe der Schubkraft unbeeinflußt läßt. Tangential- und Normalkraft beeinflussen
sich bei Rege-
@@@gsvorg@@gen ra?"'t5cJch nicht. Dies gilt mit guter
Nanerung auch für den Fall von Stromänderungen in der Drehstromwicklung, da das
vom Strombelag erzeugte magnetische Feld gegenüber dem -v-om rregersystem erzeugten
Hauptfeld sehr klein ist, so daß die Normalkraft nicht verändert wird.
-
Bild 3 zeigt eine mögliche Anordnung des Erregerteils, bei dem das
magnetische Hauptfeld durch Permanentmagnete erzeugt wird.
-
Die Steuerwicklung übernimmt - ähnlich wie in Bild 2 - die Aufgabe
der Normalkraftbeeinflussung. Hierdurch kann der Leistungsbedarf für das Erregersystem
gesenkt werden.
-
Es besteht andererseits die Möglichkeit - wie in P 22 57 773.7 beschrieben
- durch eine Generatorwicklung in den Polschuhen den Leistungsbedarf des Erregersystems
induktiv aus der Wanderfeldleistung auszukoppeln. Hierbei wird Energie, einer durch
Leitfähigkeitsschwankung erzeugten Feldoberwelle, ausgenützt.
-
Eine galvanische Verbindung zwischen dem Fahrzeug und dem Fahrweg
wird dann entbehrlich, wenn die Erregerleistung im Stillstand gepuffert oder konduktiv
zugeführt wird.
-
Die Polmittellinie stellt eine Symmetrieebene dar, die vom magnetischen
Feld nicht durchsetzt wird. Um bei senkrecht stehenden Polflächen eine gewisse Einstellbarkeit
des Erregersystems in Kurven zu erreichen, kann in dieser Ebene ein Spalt eingerichtet
werden (Bild 4).
-
Um den Vorteil eines kleinen Abstandes zwischen den Statorhälften
zur Geltung zu bringen, kann das Mitteljoch zwischen den Polen breiter als die Statorblechpakete
und damit mit geringer Höhe ausgeführt werden. Ein ähnliches Vorgehen gilt auch
im Falle eines Asynchronmotors, wo der flußführende Teil des Translators gegenüber
dem Primärteil verbreitert werden kann.
-
Die in 1 C beschriebene Anordnung läßt sich auch ähnlich wie in P
23 6 o1.9./1 beschrieben,durch Anwendung einer Schrägstellung
der
Statoren so modifizieren, daß Kräfte senkrecht zur Zeichenebene der Bilder 2, 3
und 4 stehen. Hierdurch wird eine Vollintegration der Funktionen Vortrieb, Tragen
und Führen erreicht.
-
Auf abstützende Verfahren, die auf nichtmagnetischer Wirkung beruhen,
kann verzichtet werden. Die Vorteile der Anordnung 1 C gegenüber 1 B verschwinden,
wenn der Abstand zwischen den Statoroberflächen größer als eine Polteilung wird.
-
2.2 Die Verringerung der Schaltabschnittslänge Es leuchtet ein, daß
mit der Verringerung der Blockabschnittslänge bis hin zur Länge des Translators
eine Verbesserung der Blindleistungsbilanz einhergeht. Blockabschnitte in der Länge
des Fahrzeuges erfordern jedoch eine Vielzahl von Schaltelementen und stellen nicht
in jeder Hinsicht die günstigste Lösung dar.
-
Bild 5 stellt ein Spannungsdiagramm eines Synchronlangstatorantriebs
dar, bei dem durch Phasenregelung der Strom mit dem resultierenden magnetischen
Feld phasengleich ist und damit zu einer größtmöglichen Schubbildung kommt. Die
außerhalb des Erregerteils lokalisierte magnetische Energie des Blockabschnittes
ruft bei Wechselstrombetrieb den Spannungsabfall Xd je hervor, dessen Größe die
Klemmenspannung Ua und damit die Scheinleistung mitbestimmt. Da der Blindwiderstand
Xd im wesentlichen der außerhalb des Erregerteils liegenden Wicklungsstrecke proportional
ist, geht bei der gestrichelt gezeichneten Verkürzung dieser Länge auf ein Viertel
des ursprünglichen Betrages die Klemmenspannung U a um rund 20 % zurück. Der hierdurch
bedingte entsprechende Rückgang der Scheinleistung bedeutet zwar eine Verringerung
der Typenleistung für das Unterwerk, da sich jedoch die Zahl der Unterstationen
auf fast den vierfachen Betrag erhöht, verteuert sich die Energieversorgung beträchtlich.
Das Diagramm läßt erkennen, daß eine Verringerung der Blockabschnittslänge unter
ein bestimmtes Maß nur noch eine geringe Verkleinerung der Scheinleistung erbringt.
-
-. c'« @@@rfach@@@@ützung der Unterstation Die aus betriebstechnischen
Gründen größtmögliche Blockabschnittslänge liegt beim Schnellverkehr in aller Regel
bei einem Vielfachen der Zuglänge, wenn davon ausgegangen wird, daß aus Sicherheitsgründen
einem Unterwerk nur ein Zug zugeordnet werden soll. Es ist damit möglich, die Abschnittslänge
entsprechend 2.2 in gewissem Umfange zu reduzieren, aber gleichzeitig mehrere Wicklungsabschnitte
über einen besonderen Schaltverteiler einem Unterwerk zuzuordnen. Dieses übernimmt
damit die Aufgabe mehrerer Energieversorgungsstationen, so daß eine Mehrfachausnutzüng
vorliegt. Entsprechend der verringerten Zahl der Unterwerke kann auch deren Anteil
an den Investitionen reduziert werden.
-
In Bild 6a ist der direkte Anschluß jedes Blockabschnittes an ein
Unterwerk FU dargestellt. Vor dem Einlauf in den nächsten Abschnitt wird der zugehörige
Frequenzumrichter auf die Fahrgeschwindigkeit synchronisiert und seine Spannung
soweit erhöht, daß der Strom des Folgeabschnittes demjenigen des vorausgehenden
Blockes entspricht. Beim Einlauf des Zuges muß die Spannung weiter erhöht' werden,
wenn mit konstantem Strom eine konstante Schubkraft erreicht werden soll. Beim passierten
Wicklungsabschnitt wird gegenläufig verfahren.
-
Bild 6b zeigt schematisch die Schaltung der Strecke bei mehrfach ausgenfitzten
Unterstationen. Der Frequenzumrichter der Unterstation ist über einen Schaltverteiler
und über zusätzliche Anschlußleitungen mit den verkürzten Schaltabschnitten verbunden.
Wegen der Schaltfunktion des Frequenzumrichters kann der Schaltverteiler leistungslos
geschaltet werden. Sein Aufbau wird auf der Basis von Halleiterbauelementen erfolgen,
ist aber im Vergleich zur Ausrüstung des zwangskommutierten Frequenzumrichters einfach
und preisgünstig, so daß eine Vielzahl einzelner Elemente mit einem Umrichter kombiniert
werden kann, ehe
deren Preis in die gleiche Größenor@@@@g @@@@@
@@@ @@@@@@@@ des Umrichters selbst. Da elektronisch gesteuerte Frequenzumrichter
- besonders im Falle des Synchronantriebes - außerordentlich schnell wirksame Steuereingriffe
zulassen, erscheint es möglich, innerhalb eines Unterwerksbereiches nur einen Frequenzumrichter
zu verwenden.
-
Wenn das Fahrzeug zur Hälfte aus dem passierten Abschnitt ausgefahren
ist, wird dieser spannungslos gemacht, mit Hilfe des Schaltverteilers vom Frequenzumrichter
getrennt, während der Folgeabschnitt mit ihm verbunden wird, wonach dann die Spannung
wieder hochgefahren wird. Der hierdurch entstehende Schubkraftausfall liegt im Bereich
von 20 msec und dürfte durch die elastische Verbindung zwischen Magneten und Fahrzeug
aufgefangen werden können. Der durch die Verringerung der aktiven Eingriffslänge
beim Übertritt zusätzlich verursachte Schubkrafteinbruch läßt sich durch einen im
Randbereich verstärkten Strombelag kompensieren.
-
Durch die Mehrfachausnützung. der Unterwerke läßt sich nicht nur ene
Verringerung der Scheinleistung, sondern bei gleichem Wicklungsquerschnitt auch
eine deutliche Verringerung der Verluste in der WIcklung erzielen, sofern der Unterwerksabschnitt
nicht zu lang gewählt wird. Bei gleichen Verlusten ist somit eine raerkbare Verringerung
des Wicklungsvolumens und der entsprechenden Investitionen möglich. Durch die kleinere
notwendige Nuthöhe verringert sich im begrenztem Umfange auch die Eisenmasse. Das
verkleinerte Leitervolumen läßt es auch möglich erscheinen, die hinsichtlich der
Wickelkopfgestaltung etwas aufwendigere Parallelschaltung mehrerer Wicklungsstränge
- etwa wie in Bild 7 gezeigt - einzusetzen.Mit der sprunghaft verkleinerten Klemmenspannung
sinkt der Isolationsbedarf der Wicklung sowie der Schaltaufwand für die Frequenzumrichter,
so daß wiederum Kostensenkungen entstehen.
-
Jede Motoran@rdnung b@@@cht normalerw@@se aus m@hr@r@@ p@@@@ llel
zu betreibendcn Teileinheiten. Durch die Doppelstatorausführung jeder Teilspur ergibt
sich gegenüber der Anordnung 1 A von Hause aus eine niedrigere Spannung, bzw. ein
Betrieb zweier paralleler Wicklungseinheiten. Die Zahl der parallelen Wicklungszweige
wird durch die XTt.NDUNG von Schaltungen wie in Bild 7 und gegebenenfalls die Berücksichtigung
vQn linker und rechter Teilspur vervielfacht. Wenn notwendig, kann auch durch eine
weitere Aufspaltung eines Wicklungszweiges innerhalb einer Nut eine weitere Erhöhung
der Zahl der parallelen Kreise erzielt werden. Hierdurch wird mit der erhöhten Redundanz
nicht nur eine erhöhte Störsicherheit des Antriebs erreicht, es ergeben sich auch
Vorteile für die Entwicklung und den Betrieb des Frequenzumrichters. Der synchrone
Betrieb mehrerer paralleler Wicklungseinheiten kann ausgenützt werden, um den Frequenzumrichter
ebenfalls aus einer Vielzahl einzelner für sich gleich konzipierter Module aufzubauen.
Diese sind konstruktiv identisch und werden von einer gemeinsamen Steuerung aus
betrieben. Die Modulbauweise kommt der Kostenreduzierung ebenso wie der Erhöhung
der Betriebssicherheit zugute.