DE2806601A1 - Energieversorgungssystem fuer den synchron-langstatormotor mit dezentraler modultechnik der wechselrichter - Google Patents

Description

• "Energieversorgungssystem für den Synchron-Langstatormotor
• mit dezentraler Modultechnik der Wechselrichter 1. Das bisherige Konzept der Energieversorgung Bei Verkehrssystemen, die für Geschwindigkeiten um 300 km/h und mehr ausgelegt werden, sind große Vortriebsleistungen nötig, die der Statorwicklung zugeführt werden müssen. Um Verluste und Blindleistung zu begrenzen, wurde bereits in P 2449618 eine Aufteilung eines Unterwerksbereiches in mehrere Einzelabschnitte empfohlen, die über Schalter und entsprechende Zuleitungen die Verbindungen zur Wicklung erhalten. Hierdurch können Verluste, Blindleistung und die Baugröße der Unterwerksausrüstung beschränkt und Kosten gesenkt werden. Das Verfahren erwies sich auch für kleinere Geschwindigkeiten, wie sie etwa im Nahverkehr auftreten, als vorteilhaft.Durch die Anwendung preisgünstiger Schaltelemente in Kombination mit dem Frequenzumrichter besteht die Möglichkeit, einen höheren Energienutzungsgrad zu erzielen. Es kann auch dafür gesorgt werden, daß beim Umschaltvorgang von einem Wicklungsabschnitt zum anderen keine störenden Schub--beeinflussungen auftreten. Allerdings bleiben, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten einige Wünsche offen, die mit dem vorliegenden Konzept nicht befriedigt werden können. So steht z.B. einer, hinsichtlich der Betriebseigenschaften und der Kosten geltenden Systemoptimierung im Wege, daß selbstgeführte Frequenzumrichter auf der Thyristorbasis nur für begrenzte Spannungen, deutlich unter 10 kV undBetriebsfrequenzen um 100 Hz zur Verfügung stehen. Die Zahl der Schalter kann aus Kostengründen nur schwerlich soweit erhöht werden, daß die Wicklungsabschnitte kurz genug sind, den Wirkungsgrad des Antriebs über 90% anzuheben.
• Für Strecken mit hoher Auslastung ist das Mittel der Verlängerung, der Unterwerksabstände zur Kostensenkung ungeeignet.
• Bei kurzen Unterwerksabständen entstehen jedoch aufgrund der hohen Kostenanteile für die Frequenzumrichter große Investitionsanteile.
• Eine hohe Flexibilität der Strecke ist deshalb nicht gegeben, weil die verhältnismäßig großen Unterwerksabstände eine dichtere Fahrzeugfolge nicht zulassen. Dicse könnte aber z.B.
• bei einer zusätzlichen Güterbeförderung mit kleineren Geschwindigkeiten crwünscht sein.
• Die Jochhöhe des Eisens für den Stator ist proportional der Polteilung, so daß mit ihr die Kosten des Blechpaketes ansteigen. Erwünscht sind deshalb verhältnismäßig kleine Polteilungen der Statorwicklung. Voraussetzung für eine Verkleinerung der Polteilung ist eine Energieversorgung mit ausreichend hoher Frequenz und die Lösung der mit Störungen der Phasenwinkelzuordnung gegebenen Probleme Bild 1 stellt eine Energieversorgung dar, bei der ein Unterwerksabschnitt zur Versorgung von 6 Wicklungsabschnitten eingerichtet ist. Das Schaltbild ist einphasig gezeichnet, wobei angenommen ist, daß die Streckenschalter aus Halbleiterelemcnten bestehen und ein Thyristor mit einer Diode antiparallel geschaltet ist. Zwischen dem Unterwerk und den Schaltern besteht eine Drehstromübertragung. Das Fahrzeug wird über die Größe des Stromes vom Frequenzumrichter des Unterwerke aus geführt. Die Frequenz des Umrichters hat der Geschwindigkeit des Fahrzeuges zu entsprechen. Sie wird über einen Regelkreis oder durch direkte Zuordnung der Zündimpulse zu den Pollagesignalen festgelegt. Die Erfassung der Pollage des Erregersystems kann durch Messung der von den Magneten des Fahrzeugs oder einem speziellen Wechselstrommagnet erzeugten induzierten Spannung am Ausgang der Wicklung bzw. am Umrichter erfolgen. Hierbei lassen sich im Gegensatz zu anderen Verfahren besondere Übertragungseinrichtungen für die Meßsignale vermeiden.
• 2. Die dezentrale Anordnung der Wechselrichter zur Speisung kurzer Wicklungsabschnitte (Bild 2) In Analogie zu P 2802753.4 wird von einer Aufteilung des Frequenzumrichters ausgegangen, so daß mehrere parallel geschaltete Wechselrichtereinheiten gleichartiger Bauweise als Module vorliegen. Diese Wechselrichtereinheiten werden vom Unterwerk über eine Gleichstromsammelleitung mit Strom versorgt.
• Damit entfallen induktive Spannungsabfälle bei der Energieübertragung zu den Wicklungsabschnitten.
• Auf die Fahrzeuglänge bezogen muß die Gesamtleistung der Teilwechselrichter der Fahrzeugleistung entsprechen. Mehrere Wechselrichter je Fahrzeuglänge speisen also eine entsprechende Zahl von Wicklungsabschnitten, wobei der Wicklungsabschnitt mit dem Stellglied hinsichtlich der Steuerung von Frequenz und Phasenlage des Stromes möglichst autark ist. Dies wird dadurch erreicht, daß jeder Abschnitt oder eine kleine Abschnittsgruppe durch einen Meßwertgeber z.B. eine Hallsonde die Pol lage des Magnetsystems mißt und für die Steuerung der Zündimpulse verwertet. Jeder Teilabschnitt oder eine Abschnittsgruppe kann somit unabhängig von anderen Abschnitten durch die optimale Phasenlage den Größtwert des möglichen Schubes erreichen.
• Der Nachteil, der durch die vergleichsweise hohe zu installierende Leistung entlang der Strecke besteht, kann dadurch aufgehoben werden, daß eine Vielzahl gleichartiger Wechslerichter zu fertigen ist, und dabei jeder aus mehreren gleichartigen Halbleiterbauteilen im Leistungsteil und in der Steuerung besteht, und somit kostengünstig gefertigt werden kann.
• Es liegt nach dem derzeitigen Stand der Bauteiltechnologie nahe, als Schaltelemente für den Wechselrichter von bipolaren Leistungstransistoren auszugehen. Die Abschaltbarkeit dieser Elemente hat den Vorteil, daß die Steuerung im Vergleich zu normalen Thyristoren wesentlich einfacher wird. Der Wechselrichter kann, wie Bild 3 zeigt, aus je 2 Vierquadrantenstellern bestehen. Im Gegensatz zu der für rotierende Maschinen vorgeschlagenen Zweiquadrantenschaltung (P 2802753.4) ergibt sich hier der Vorteil, daß nur eine Gleichstromleitung benötigt wird. Die Statorwicklung ist in zweisträngiger Anordnung vorgesehen. Es ist auch die Möglichkeit gegeben, die Wicklung in mehrere Nuten je Pol und Strang aufzuteilen.
• Werden anstelle der Transistoren als Bauelemente des Wechselrichters Thyristoren eingesetzt, dürfte es günstiger sein, eine dreisträngige Wicklungsanordnung heranzuziehen.
• Die Größe des Stromes, die bestimmend für den Schub ist, kann durch das Einschaltverhältnis über den Steuerstrom der Transistoren variiert werden. Die Steuerbefehle hierzu können zweckmäßig durch das übergeordnete Steuerungssystem übermittelt werden, wobei alle Wechselrichter eines Fahrzeugs möglichst übereinstimmende Schubvorgaben erhalten sollten.
• Es erscheint vorteilhaft, daß die Statorblechpakete mit Wicklung und Steller baulich eine Einheit bilden und eine einfache Auswechslung möglich ist. Der Ausfall eines einzelnen Aggregates bedeutet wegen des Vorhandenseins mehrerer gleichartiger Einheiten je Fahrzeug keine nennenswerte Störung des Betriebs.
• Es kann davon ausgegangen werden, daß bei großen Fahrzeugen mehr als 4 Wechselrichter je Fahrzeuglänge in Eingriff sind.
• Mehrere Teilmotoren sind elektrisch parallel geschaltet, so daß bei Ausfall eines Aggregates die Verfügbarkeit der Strekke nicht beeinträchtigt wird.
• Sehr günstig wirkt sich auf die Verlustbilanz aus, daß nun der stromführende Wicklungsbereich praktisch auf die Fahrzeuglänge beschränkt ist. Bei gleichem Wicklungsquerschnitt gehen im Vergleich zur Anordnung nach Bild 1 die Verluste im Verhältnis Fahrzeuglänge zu Wicklungsabschnitt, also z.B. im Verhältnis 60 m : 1500 m zurück. Es sind somit Möglichkeiten gegeben, den Wicklungsquerschnitt zu verkleinern und Wicklungsmaterial zu sparen.
• Da die Statorwicklung eine größere Zahl von Windungen je Spule enthält, ist es naheliegend, die einzelnen Windungen durch Vergießen mit Kunststoff zu einem festen Verbund zu verkleben und dafür zu sorgen, daß Feuchtigkeit und Schmutz nicht eindringen können. Neben der Möglichkeit, die Wicklung in Nuten einzulegen, kann, ähnlich wie in P 2802753.4 beschrieben, die magnetische Leitfähigkeit durch besondere ferromagnetische Einlagen zwischen den Spulen erhöht werden. Die mit diesen Einlagen yersehene Wicklung, die als mechanisch selbständige Schicht betrachtet werden kann, muß dann mit dem ungenuteten Joch verbunden werden. Das Joch kann aus kornorientierten Blechen hergestellt sein, die durch besondere Maßnahmen vor Korrosion geschützt werden.
• Durch eine Strombeeinflussung, die über die Stellglieder nur im Längenbereich des Fahrzeuges vorgenommen wird, entsteht nun die Möglichkeit, bei entsprechender Auslegung des Unterwerks auch dicht hintereinander betriebene Fahrzeuge individuell, d.h. auch mit voneinander abweichenden Kräften und Geschwindigkeiten steuern zu können. Die Zugfolge ist nun unabhängig vom Steuereingriff am Unterwerk. Das Unterwerk selbst ist wegen der Verlagerung der Wechselrichter an die Strecke einfacher und billiger. Es besteht aus Transformator, Gleichrichter und Leistungsschalter. Hierdurch wird ohne wesentliche Erhöhung der Gesamtkosten eine Verringerung der Unterwerksabstände möglich.

Claims (6)

1. Schutzansprüche 1. Lanystatorsynchronmotor als berührungslose Vortriebseinrichtung mit mindestens einer zwei- oder mehrsträngigen Wicklung entlang des Fahrwegs und einem Magnetsystem entsprechender Polteilung an Bord des Fahrzeugs, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Statorwicklung in Abschnitte unterteilt ist, die einem Bruchteil der Länge des Magnetsystems entsprechen, wobei die Abschnitte in Parallelschaltung vom Unterwerk aus mit Gleichstrom gespeist werden, der dann am Ort der Wicklung von Wechselrichtern in Drehstrom verwandelt wird.
2. 2. Energieversorgung für einen Langstatorantrieb nach 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß einzelne Abschnitte oder Abschnittsgruppen mit Sonden ausgerüstet sind, die zur Frequenz- und Phasenvorgabe der Zündsignale des Wechselrichters dienen.
3. 3. Energieversorgung für einen Langstatorantrieb nach 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für die Schaltelemente des Wechselrichters abschaltbare Halbleiterbauteile verwendet werden.
4. 4. Energieversorgung für einen Langstatorantrieb nach obigen Ansprüchen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß durch die Beeinflussung des Einschaltverhältnisses über den Steuerstrom die Größe des Wicklungsstromes gestellt wird.
5. 5. Langstatorantrieb nach obigen Ansprüchen, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die zwei- oder mehrsträngige Wicklung mit mehreren Windungen je Spule ausgestattet ist und jeweils ein Wicklungsstrang von einem entsprechenden Zweig des Wechselrichters gespeist wird.
6. 6. Langstatorantrieb nach obigen Ansprüchen, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Wicklung eine vorgefertigte Einheit bildet, die mechanisch mit dem Statorblechpaket und elektrisch mit dem Wechselrichter verbunden ist.