DE3235107C2

DE3235107C2 - Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen

Info

Publication number: DE3235107C2
Application number: DE3235107A
Authority: DE
Inventors: Toshimi Suita Osaka Kawamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-09-25
Filing date: 1982-09-22
Publication date: 1986-12-18
Also published as: DE3235107A1; US4523059A; JPS5853523A; JPS6135011B2

Abstract

Es wird ein Energiespeichersystem (13) für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen angegeben, das einen Motorgenerator (14), der an ein Energieversorgungssystem zur Versorgung von elektrischen Fahrzeugen (17a, 17b) mit elektrischer Energie angeschlossen ist, und ein Schwungrad (15) aufweist, das an den Motorgenerator (14) angeschlossen ist. Der Motorgenerator (14) kann die elektrische Energie speichern und anschließend wieder abgeben, und zwar entsprechend der Annäherung eines elektrischen Fahrzeuges (17a) an einen vorgegebenen Fahrbereich und seiner Fahrt in diesem Bereich (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen, mit einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug, mit einem Motorgenerator, an den ein Schwungrad angekoppelt ist, zur Speicherung kinetischer Energie, wobei der Motorgenerator elektrische Energie aus einer Oberleitung und/oder einem Antriebsmotor des Fahrzeuges aufnimmt und anschließend an diese abgibt, und mit einer Steuerung, die die Energieaufnahme und -abgabe des Motorgenerators steuert.

Derartige Energiespeichersysteme sind beispielsweise aus der US-PS 27 41 731 und CH-PS 2 42 086 bekannt. Die Anordnungen sind dabei so getroffen, daß der Motorgenerator und das Schwungrad innerhalb des jeweiligen Fahrzeuges untergebracht sind. Wenn man jedoch spürbare und für den Hilfsantrieb des jeweiligen Fahrzeuges ausreichende Energie mit dem Schwungrad speichern will, so muß dieses eine beträchtliche Masse haben, wenn die möglichen Drehzahlen in vernünftigen Grenzen bleiben sollen, die durch Lagerreibung und Luftreibung, Konstruktion der Lager und ähnliche Parameter vorgegeben sind. Dadurch wird aber das Fahrzeug deutlich schwerer, mit der Folge, daß unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Schwungrades mit Motorgenerator der Nutzungseffekt nur noch gering ist.

Aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten bei den

herkömmlichen Energiespeichersystemen ist weiterhin zu berücksichtigen, daß sich bei der Speicherung von größeren Energiemengen im Schwungrad die auftretenden Kreiselmomente je nach Ausrichtung der Kreiselachse bei Kurvenfahrten oder Steigungs- bzw. Gefälleänderungen ungünstig auswirken.

Zum Stand der Technik gehören weiterhin Energiespeichersysteme, die in F i g. 1 schematisch dargestellt sind und verschiedene Konstellationen zeigen, und zwar einen Fall (a), wo eine Energiespeichervorrichtung 3a für elektrische Fahrzeuge entlang einer oder in der Nähe von einer Energie-Unterstation IA angeordnet ist, die als Unterstation zur Gleichrichtung von üblicher Wechselspannungsenergie in Gleichspannungsenergie

angegeben ist; einen Fall (b), wo eine Energiespeichervorrichtung 36 sich in der Mitte zwischen einer Energie-Unterstation 2A und einer Energie-Unterstation 2ß befindet; und einen Fall (c), wo eine Energiespeichervorrichtung 3c anstelle einer Energie-Unterstation 2B am hinteren Ende einer Oberleitung 1 angeordnet ist, die das Energieversorgungssystem bildet In der Tat werden auch Maßnahmen realisiert, die zwischen den Fällen (a), (b) und (c) liegen, sowie kombinierte Anordnungen dieser Art. Die Energiespeichervorrichtung besteht dabei aus einem Motorgenerator 4, einem Schwungrad 5 und einer Steuerung 6, die an den Motorgenerator 4 angeschlossen sind. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet ein elektrisches Fahrzeug oder einen fahrenden Zug.

Elektrische Fahrzeuge, die z. B. mit Zerhackern gesteueri werden, werden in den letzten Jahren in großem Umfang verwendet, um den Energieverbrauch bei elektrischen Fahrzeugen zu verringern. Sie haben die Eigenschaft, daß sie in der Lage sind, während des Bremsens eine Energierückgewinnung vorzunehmen. Der Betrieb einer Energiespeichervorrichtung der oben angegebenen Art ist manchmal auch für die Speicherung der wiedergewonnenen Energie vorgesehen, und manchmal für das sogenannte »Abschneiden von Spitzen«, um den Einfluß von hoher Energie auf die Unterstation zu verringern, wobei die hohe Energie üblicherweise während des Startens oder der Beschleunigung der elektrischen Fahrzeuge erforderlich ist. Diese Betriebsarten können durch Steuerung des Motorgenerators gewählt werden. Auf jeden Fall ist die Verringerung der Verluste aufgrund des Betriebes der Energiespeichervorrichtung ein aktuelles technisches Thema und Problem.

Genauer gesagt, ist es so, daß die Verluste, die aufgrund der Rotation des Schwungrades 5 auftreten, hauptsächlich solche Verluste sind, die dem Reibungswiderstand mit der Umgebungsluft zuzuschreiben sind, sowie solche Verluste, die auf der Kontaktreibung zwischen dem Schwungrad und einem Schmiermittel oder Metall in einem Lager zur Lagerung des Schwungrades basieren. Um diese Verluste zu verringern, wird gemäß herkömmlichen Maßnahmen die Vorrichtung entlüftet und im Vakuum untergebracht, wobei das Lager kleine Größenabmessungen erhält, um die Lagerverluste zu reduzieren. Dabei wird die unzureichende Komponente der Belastungskapazität des Lagers durch Magnetlager oder dergleichen aufgefangen, die keine Verluste hervorrufen. Die Verbesserung der Ausbildung des Schwungrades 5 seibst steiii somii auch eine wichtige Maßnahme zur Verringerung von Verlusten dar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Energiespeichersystern für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen der Eingangs genannten Art anzugeben, das eine verbesserte Nutzung der zugeführten elektrischen Energie ermöglicht und eine wirkungsvolle Energieauf-

nähme und Energieabgabe des Energiespeichersystems in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen gewährleisteL

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, ein Energiespeichersystem der Eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Motorgenerator mit Schwungrad und die Steuerung ortsfest an die Oberleitung angeschlossen sind, daß die Steuerung zusätzlich einen Detektor aufweist, der das Passieren eines Fahrzeuges an einer Stelle in vorbestimmten! Abstand von dem Motor- ic generator Oberwacht daß die Steuerung dann den Motorgenerator auf Energieaufnahme und damit zum Hochfahren des Schwungrades umschaltet, wenn der Detektor ein Passieren des Fahrzeuges meldet, und daß die Steuerung dann den Motorgenerator auf Energieabgäbe und damit auf Verbrauch der kinetischen Energie des Schwungrades umschaltet wenn das Fahrzeug einen vorgegebenen örtlichen Fahrbereich erreicht hat

Mit dem erfindungsgemäßen Energiespeichersystem wird in vorteilhafter Weise erreicht daß sowohl die Energieaufnahme als auch die Energieabgabe an geeigneten Stellen des Streckensystems erfolgen, so daß die elektrische Energie dann an das Fahrzeug abgegeben werden kann, wenn sie von diesem benötigt wird.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energie-Speichersystems ist vorgesehen, daß der Detektor einen Fahrplanspeicher und einen Zeitgeber aufweist und in Abhängigkeil von der gespeicherten Ankunftzeit eines Fahrzeuges in einem vorbestimmten örtlichen Bereich, in Abhängigkeit von der gespeicherten Fahrzeugart sowie in Abhängigkeit von der tatsächlichen Zeit die Steuerung auf Energiespeicherung oder Energieabgabe umsteuert Damit wird in vorteilhafter Weise eine Anpassung an die tatsächlichen Gegebenheiten vorgenommen und dadurch eine besonders effiziente Energieausnutzung gewährleistet

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von herkömmlichen Anordnungen von Energiespeichersystemen für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen;

F i g. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;

F i g. 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Betriebswellenformen eines Energiespeichersystems;

F i g. 4 ein Schaltbild zur Erläuterung der Steuerung des Energiespeichersystems, die einen Detektor für das Passieren von elektrischen Fahrzeugen verwendet wobei die Steuerung auf die Ausführungsform gemäß F i g. 2 anwendbar ist; und in

F i g. 5 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Steuerung des Energiespeichersystems auf der Basis eines Fahrplans für die elektrischen Fahrzeuge, wobei die Steuerung der Ausführungsform gemäß Fig.2 verwendbar ist

In der nachstehenden Beschreibung, in der durchgehend gleiche Bezugszeichen für gleiche oder äquivalen-

αη ti/iest nq

die Ausführungsform gemäß F i g. 2 näher erläutert. Ein Energiespeichersystem 13, das an der richtigen Stelle ortsfest an einer Oberleitung 11 installiert ist, besteht aus einem Motorgenerator 14, einem Schwungrad 15 und einer Steuerung 16 wie bei einem herkömmlichen System. Ein Detektor 18 für elektrische Fahrzeuge ist am Eingang eines Fahrbereiches angeordnet der sich in einem Abstand d von dem Energiespeichersystem 13 längs der Oberleitung 11 befindet Das Bezugszeichen 17a bezeichnet ein elektrisches Fahrzeug oder einen Zug, der sich dem Energiespeichersystem 13 nähert während das Bezugszeichen 176 ein elektrisches Fahrzeug oder einen Zug bezeichnet der in der Nähe des Energiespeichersystems 13 angekommen ist und sich an einem Ort befindet wo er mit Energie von dem Energiespeichersystem 13 versorgt wird.

Die Energie wird in dem Energiespeichersystem 13 gespeichert, unmittelbar bevor das elektrische Fahrzeug 176 die Energie benötigt oder anfordert. Außerdem ist eine Zeitspanne in dem Maße erforderlich, daß die Belastung des Energieübertragungsnetzes auf ein Minimum gebracht wird. Dementsprechend ist der Detektor 18 für elektrische Fahrzeuge für die Steuerungsfunktion des Energiespeichersystems 13 durch ein Signal ausgebildet und vorgesehen, welches dem richtigen Abstand auf der Fahrstrecke der elektrischen Fahrzeuge YIa, 176 entspricht Genauer gesagt das Energiespeichersystem 13 wird von der Steuerung 16 auf der Basis des Signals von dem Detektor 18 ür elektrische Fahrzeuge in der Weise gesteuert, daß die Energiespeicherung zu einem Zeitpunkt gestartet werden kann, in welchem das elektrische Fahrzeug 17a den Ort des Detektors 18 für elektrische Fahrzeuge passiert hat, und daß die Energie abgegeben und dem elektrischen Fahrzeug zugeführt werden kann, wenn der Ort des elektrischen Fahrzeuges 176 erreicht worden ist.

In diesem Zusammenhang wird auf F i g. 4 Bezug genommen, welche nähere Einzelheiten der Steuerung 16 zeigt. Das Ausgangssignal des Detektors 18 für elektrische Fahrzeuge wird einem Referenzspannungsgenerator 164 der Steuerung 16 zugeführt. Eine Recheneinheit 165 erhält eine Referenzspannung vom Referenzspannungsgenerator 164, ein Spannungssignal 163 und ein Stromsignal 162 von der Oberleitung 11 sowie ein Ausgangssignal von einem Tachometergenerator 161. Ein berechnetes Ausgangssignal von der Recheneinheit 165 wird einer Thyristorschaltung 166 zugeführt, welche die Erregung einer Feldwicklung 141 des Motorgenerators 14 steuert.

Auf diese Weise kann das Energiespeichersystem 13 die notwendige Energie bei Bedarf speichern, so daß Verluste, die innerhalb des Körpers des Energiespeichersystems 13 auftreten, auf ein Minimum reduziert werden.

Im Gegensatz dazu werden bei herkömmlichen Systemen gemäß Fig. 1, bei denen die Positionsinformation der elektrischen Fahrzeuge nicht berücksichtigt wird, nur die Oberleitungsspannung und der Oberleitungsstrom als Eingangssignale zur Erzeugung von Steuersignalen verwendet. Damit wird der Zeitpunkt, in welchem die Leitungsspannung hoch ist, als Zeitpunkt beurteilt, in welchem die elektrischen Fahrzeuge selten fahren, und es wird dafür gesorgt, daß das Energiespeichersystem immer mit der maximalen Speicherkapazität in Bereitschaft steht, nämlich mit der höchsten Rotationsgeschwindigkeit. Dies wird nachstehend anhand von F i g. 3 näher erläutert.

verbrauch (Energiespeicherung— Energieabgabe), während die Abszissenachse die Zeit angibt. Wie mit der Kurve 31 in F i g. 3 angegeben, wird die Energie wesentlich früher gespeichert als die Annäherung des elektrischen Fahrzeuges erfolgt, so daß der Verlust des Systems groß wird, wie es mit der geraden Linie 32 ange-

deutet ist. Wenn im Gegensatz dazu die Positionsinformation der elektrischen Fahrzeuge richtig erhalten wird, so wird die Speicherung der Energie bei Bedarf gestartet, und die Energie wird unmittelbar nach der Energiespeicherung wieder abgegeben und verbraucht, wie es die Kurve 33 andeutet. Dadurch entspricht der Verlust einem Wert, der mit der geraden Linie 34 angedeutet ist, so daß der Verlust des gesamten Energiespeichersystems erheblich reduziert werden kann.

Genauer gesagt, wenn die Oberleitungsspannung im to Falle von seltenen Zugfahrten angestiegen ist, beginnt die Energiespeicherung zu einem Zeitpunkt f 1. Auch wenn die Energiespeicherung zu einem Zeitpunkt t2 beendet ist, wird das elektrische Fahrzeug nicht immer kommen. Nehmen wir an, daß /3 der Zeitpunkt ist, zu dem die Energie tatsächlich benötigt wird, so wird die Energie während der Zeitspanne von ί 2 bis i3 gespeichert gehalten. Da das Energiespeichersystem als Rotationsmaschine ausgebildet ist, sind die mechanischen Verluste in der Zwischenzeit hoch. Um diese Verluste zu verringern, muß die Zeitspanne 12 bis 13 verkürzt werden. Beispielsweise wird der Zeitpunkt, zu dem der Energiespeicherbetrieb startet, auf t V gesetzt, damit ein Zeitpunkt, der dem Zeitpunkt 2 entspricht, den Wert f 2' haben kann, der unmittelbar vor dem Zeitpunkt f3 liegt. Dann wird während der Zeitspanne 11 bis t Γ, die der Beendigung der Energiespeicherung vorausgeht das ein Energiespeicherelement bildende Schwungrad sich im Zustand niedriger Schwindigkeit befinden, so daß die mechanischen Verluste der Rotationsmaschine gering sind. Um den Zeitpunkt r 1' zu finden, tastet die oben angegebene Ausführungsform die Position des elektrischen Fahrzeugs mit dem Detektor 18 für elektrische Fahrzeuge ab.

Außerdem erfolgt die Bedienung bzw. Versorgung der elektrischen Fahrzeuge entsprechend einem vorgegebenen Fahrplan. Somit wird der Fahrplan in einem Rechner 19 bzw. dessen Fahrplanspeicher gespeichert, und ein Energiespeicherungs-Steuersignal wird unter Verwendung einer Betriebszeit-Steuereinheit 20 geliefen, das vorher unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Gegebenheiten bestimmt wird. Somit kann die Gesamtwirksamkeit des Energiespeichersystems 13 noch mehr verbessert werden. Die optimale Energiespeichermenge kann auch geliefert werden, indem man die elektrischen Fahrzeuge nach ihrer Art unterscheidet und entsprechende Daten für die jeweilige Fahrzeugart speichert.

F i g. 5 zeigt eine Anordnung der Betriebszeit-Steuereinheit 20 zur Ausführung der obigen Betriebsart. Der Inhalt des Fahrplans der elektrischen Fahrzeuge ist im Rechner 19 bzw. dessen Fahrplanspeicher gespeichert Eine Leseeinheit 21 liest die Zeit und die Fahrzeugart eines Zuges, z. B. besonders schnell, schnell oder normal, in einem vorgegebenen Fahrbereich aus und überträgt die Lesesignale. Eine Recheneinheit 23 führt Berechnungen auf der Basis der obigen Signale und eines Zeitsignals von einem Zeitgeber 22 durch und liefert ein Ausgangssignal hinsichtlich der Energiespeicherzeit und der Energieentladezeit. Das Ausgangssignal wird von einem Wandler 24 in ein Steuersignal umgewandelt das an die Steuerung 16 angelegt wird.

Das oben beschriebene Energiespeichersystem, das mit einer Steuerung des Motorgenerators arbeitet ist im wesentlichen im Hinblick auf die Verbesserung der Effizienz beschrieben worden. Da die meisten Energiespeichersysteme in der Praxis die Tendenz haben, daß die inneren Verluste stark zunehmen, wenn die Energiespeicherung zunimmt, ist eine Technik mit einer Steuerung der vorstehend beschriebenen Art in diesen Fällen gut anwendbar und in hohem Maße wirksam.

Die Vermeidung von übermäßiger Speicherung von Energie führt zur Vermeidung von nutzlosem Energieverbrauch; ferner führt eine große Energiespeicherung im allgemeinen zu einer Erhöhung der Belastungen im inneren des Systems. Insofern werden durch das erfindungsgemäße Energiespeichersystem die Belastungen und Beanspruchungen innerhalb des Systems nicht erhöht Insofern leistet das erfindungsgemäße System einen vorteilhaften Beitrag im Hinblick auf die Erleichterung der Wartungsvorgänge sowie der Verlängerung der Lebensdauer des Systems.

Wenn bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energiespeichersystems die Kapazität ausreichend groß gemacht wird, kann dadurch eine Energie-Unterstation ersetzt werden. Auch an einem Ort, wo keine Energieübertragungsleitung vorhanden ist wird durch richtiges Speichern von Energie aus der Oberleitung in das System dieses System arbeiten, als ob dort eine Energiestation vorhanden ware. Insbesondere auf einer Strecke mit geringer Zugdichte kann somit das System stets als Energie-Unterstation eingesetzt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Energiespeichersystem für elektrische Schienenfahrzeuge oder Eisenbahnen, mit einem elektrisch antreibbaren Fahrzeug, mit einem Motorgenerator, an den ein Schwungrad angekoppelt ist, zur Speicherung kinetischer Energie, wobei der Motorgenerator elektrische Energie aus einer Oberleitung und/oder einem Antriebsmotor des Fahrzeuges aufnimmt und anschließend an diese abgibt und mit einer Steuerung, die die Energieaufnahme und -abgabe des Motorgenerators steuert, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorgenerator (14) mit Schwungrad (15) und die Steuerung (16) ortsfest an die Oberleitung (11) angeschlossen sind, daß die Steuerung (16) zusätzlich einen Detektor (18, 20) aufweist, der das Passieren eines Fahrzeuges (17a, XYb) an einer Stelle in vorbestimmten Abstand (d) von dem Motorgenerator (14) überwacht, daß die Steuerung (16) dann den Motorgenerator (14) auf Energieaufnahme und damit Hochfahren des Schwungrades (15) umschaltet, wenn der Detektor ein Passieren des Fahrzeuges meldet, und daß die Steuerung (16) dann den Motorgenerator (14) auf Energieabgabe und damit Verbrauch der kinetischen Energie des Schwungrades (15) umschaltet, wenn das Fahrzeug (17a, \7b) einen vorgegebenen örtlichen Fahrbereich erreicht hat.

2. Energiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor einen Fahrplanspeicher (19) und einen Zeitgeber (22) aufweist und in Abhängigkeit von der gespeicherten Ankunftszeit eines Fahrzeuges (17a, 176^ in einem vorbestimmten örtlichen Bereicrüpn Abhängigkeit von der tatsächlichen Zeit die Steuerung (16) auf Energiespeicherung oder Energieabgabe umsteuert.

IN ABHHNGIGKEiIT VON DER GEBPEICHERTi:-N FAHRZEUGhRT SOWIE