EP1454409A1 - Traktionsantrtieb - Google Patents

Traktionsantrtieb

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EP1454409A1
EP1454409A1 EP02792616A EP02792616A EP1454409A1 EP 1454409 A1 EP1454409 A1 EP 1454409A1 EP 02792616 A EP02792616 A EP 02792616A EP 02792616 A EP02792616 A EP 02792616A EP 1454409 A1 EP1454409 A1 EP 1454409A1
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EP
European Patent Office
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traction
traction drive
drive according
converter
synchronous motor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02792616A
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English (en)
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Inventor
Andreas JÖCKEL
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/02—Dynamic electric resistor braking
    • B60L7/06—Dynamic electric resistor braking for vehicles propelled by ac motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/24—Arrangements for stopping
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2220/00—Electrical machine types; Structures or applications thereof
    • B60L2220/10—Electrical machine types
    • B60L2220/14—Synchronous machines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a traction drive according to the preamble of claim 1.
  • Known driving wheel sets for rail vehicles have asynchronous traction motors with pulse inverter power. These traction drives cover driving and braking as a generator brake. So that such a motor vehicle can maintain a prescribed braking distance even in the event of a fault in the pulse-controlled inverter, the wheelset must have a fail-safe brake that can be counted.
  • a fail-safe brake is a mechanical one
  • Brake for example a disc brake, a block brake or a Magnetschienenbrem.se.
  • the invention is based on the object of realizing a driving wheel set of a rail vehicle which does not require any mechanical brake.
  • a traction drive according to the invention now has a permanent-magnet synchronous motor instead of an asynchronous motor means that instead of a mechanical brake, braking resistors can now be used, which are electrically star-connected on the one hand and, on the other hand, can be connected to the stator windings of the permanent-magnet synchronous machine in such a way that they can be connected by the Outputs of the Traction converter are decoupled.
  • FIG. 1 shows a traction drive according to the invention for a
  • AC vehicle and in FIG 2 is a traction drive according to the invention for a
  • the traction transformer 1 shows a traction drive for an AC vehicle, also referred to as an AC vehicle, with 2 being a traction transformer, 4 being a traction converter, 6 being a permanently excited synchronous motor and 8 being a braking device.
  • the traction transformer 2 has one primary and several secondary windings 10 and 12, of which only two secondary Windings 12 are shown.
  • the traction converter 4 has two four-quadrant actuators 14, a suction circuit 16, a capacitor bank 18, an overvoltage protection device 20 and a machine-side pulse current converter 22.
  • the two four-quadrant actuators 14 are each connected to a secondary winding 12 of the traction transformer 2 on the AC voltage side and electrically connected in parallel on the DC voltage side.
  • the suction circuit 16, the capacitor bank 18, the overvoltage protection device 20 and the DC-side input connections of the machine-side pulse converter 22 are electrically connected in parallel with the two DC-side connections 24 and 26 of this feed-in circuit.
  • the pulse converter 22 on the machine side can be connected to connections of the permanent-magnet synchronous motor 6. Such a traction drive is known.
  • the brake device 8 is constituted per phase of the permanent-magnet synchronous motor 6 from a braking resistor 28 and a switch 30. These braking resistors 28 are electrically connected in a star 'and have a constant resistance value in each case.
  • the changeover switches 30 are linked to the outputs of the machine-side pulse converter 22 and the inputs of the permanent-magnet synchronous motor 6 in such a way that the inputs of the permanent-magnet synchronous motor 6 can be connected on the one hand to the braking resistor 28 and on the other hand to the outputs of the machine-side pulse converter 2.
  • changeover switches 28 which are also referred to as fail-safe switches, can be operated electrically or mechanically or pneumatically.
  • the permanently excited synchronous motor 6 generates a braking torque that decreases with the reduction in the speed of the rail vehicle. Neither the machine-side pulse converter 22 nor any control system is required to generate the braking torque.
  • This provides a fail-safe, inverter-independent electrical brake for a driving wheel set of a rail vehicle.
  • This fail-safe brake also has inherent anti-slip protection. This means that flat spots on the wheels of a driving wheel set can never occur again when braking, because if the wheel set slides on a wet rail, the braking torque generated is automatically reduced.
  • the prerequisite for generating the braking torque is that the rotor of the permanently excited synchronous motor 6 rotates. Without a rotation of this rotor, no voltage is generated at the terminals of the permanent magnet synchronous motor 6. And without this induced voltage, no braking torque can be generated by means of the braking resistors 28. In the case of sliding wheels of a wheel set of a rail vehicle, these wheels are almost stationary. As a result, no braking torque can be generated by means of the permanently excited synchronous motor 6 and the braking resistors 28 on sliding wheels, and thus no more flat spots can arise.
  • the inventive design of the traction drive means that there is no need for a mechanical brake on a driving wheel set of a rail vehicle.
  • FIG. 2 shows a traction drive for a DC vehicle, which is also referred to as a DC vehicle, in more detail.
  • This traction drive differs from the traction drive according to FIG. 1 in that the traction converter 4 has no four-quadrant actuators 14, no traction transformer 2 and no suction circuit 16.
  • the condens Sator battery 18 is connected in an electrically conductive manner to a current collector of the DC vehicle by means of a DC choke 32.
  • the traction converter 4 can have a DC / DC converter, in particular if the DC vehicle is to be operated on a plurality of DC voltage systems. Such a DC / DC converter would then be a step-up / step-down converter.
  • a traction drive of a diesel-electric vehicle can also be designed according to the invention.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Traktionsantrieb mit ei-nem Traktionsstromrichter (4) und einem permanenterregten Synchronmotor (6), wobei der Traktionsstromrichter (4) we-nigstens einen maschinenseitigen Pulsstromrichter (22) auf-weist. Erfindungsgemäss ist der permanenterregte Synchronmotor (6) jeweils klemmenseitig mit einem Eingang eines Umschalters (30) verbunden, dessen Ausgänge jeweils mit einem Ausgang des Pulsstromrichters (22) und mit einem Anschluss in Stern ge-schalteter Bremswiderstände (28) verknüpft ist. Somit erhält man eine ausfallsichere wechselrichterunabhängige elektrische Bremse für einen Treibradsatz eines Schienenfahrzeugs, so dass völlig auf eine mechanische Bremse verzichtet werden kann.

Description

Beschreibung
Traktionsantrieb
Die Erfindung bezieht sich auf einen Traktionsantrieb gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Treibradsätze von Schienenfahrzeugen weisen Asyn- chrom-Fahrmotoren mit Pulswechselrichterspeisung auf. Mit diesen Traktionsantrieben wird der Fahrbetrieb und der Bremsbetrieb als generatorische Bremse abgedeckt. Damit ein solches Triebfahrzeug auch bei einer Störung des Pulswechselrichters einen vorgeschriebenen Bremsweg einhalten kann, uss der Radsatz eine anrechenbare ausfallsichere Bremse besitzen. Eine derartige ausfallsichere Bremse ist eine mechanische
Bremse, beispielsweise eine Scheibenbremse, eine Klotzbremse oder eine Magnetschienenbrem.se.
Unter Punkt 4.3 der Veröffentlichung "Neue InterCityExpress- Triebzüge für die Deutsche Bahn", abgedruckt in der deutschen Zeitschrift "eb - Elektrische Bahnen", Band 93, 1995, Heft 1/2, Seiten 15 bis 24, wird die Bremsausrüstung eines ICE 2/2-Triebzuges beschrieben. Derartige Triebzüge haben neben der generatorischen Bremse des Drehstromasynchronantriebs mit Netzrückspeisung eine Druckluftscheibenbremse in den Trieb- und Laufdrehgesteilen. Die Bremsscheiben sind als ellen- bremsscheiben in den Laufdrehgestellen und als Radbremsscheiben mit Sinterbelägen in den Triebdrehgestellen ausgebildet. Die elektronische Bremssteuerung ist mit der elektropneumati- sehen Steuerung kombiniert, so dass bei Ausfall der Elektronik ohne Beschränkung der Geschwindigkeit gefahren werden kann. Mit Vorrang werden die generatorischen Bremsen aktiviert, erst danach die mechanischen Bremsen.
Diese mechanischen Bremsen haben folgende Nachteile: sehr komplexes und fehleranfälliges System, - hoher Preis, - Bremse selbst ist wartungsintensiv und
Fehlfunktionen beim Gleitschutz führen sofort zu Flachstellen an den Radsätzen und damit zu hohen Kosten bei der Reprofilierung der Räder.
Aus dem europäischen Patent 0 704 961 ist eine Vorrichtung zum Bremsen eines permanenterregten Synchronmotors eines Aufzuges bekannt, dessen Ständerwicklungen mittels eines Schalters mit Bremswiderständen verbindbar sind. Zur Stromversor- gung der Ständerwicklung des permanenterregten Synchronmotors ist ein Frequenzumrichter vorgesehen. Wegen der geringen Synchroninduktivität müssen die zuschaltbaren Bremswiderstände jeweils einen nichtlinearen Widerstandswert aufweisen, der mit steigender Spannung größer wird. Dieser nichtlineare Wi- derstand gewährleistet, dass die Sinkgeschwindigkeit so gering wie möglich ist. Die Bremsleistung und der durch den Bremswiderstand fließende Strom werden groß, wenn die Ständerwicklungen des permanenterregten Synchronmotors auf diese Bremswiderstände speisen und der Motor bei Höchstgeschwindig- keit läuft.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Treibradsatz eines Schienenfahrzeugs zu realisieren, der ohne jegliche mechanische Bremse auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 in Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
Dadurch, dass ein Traktionsantrieb nach der Erfindung anstelle eines Asynchronmotors nun einen permanenterregten Synchronmotor aufweist, können anstelle einer mechanischen Bremse nun Bremswiderstände verwendet werden, die einerseits elektrisch in Stern geschaltet sind und andererseits derart mit den Ständerwicklungen der permanenterregten Synchronmaschine verbindbar sind, dass diese von den Ausgängen des Traktionsstromrichters entkoppelt sind.
Durch die Verwendung eines permanenterregten Synchronmotors wird nicht nur ein Getriebe eingespart, sondern an den Klemmen des Synchronmotors steht eine induzierte Spannung an, sobald sich der Motor dreht. Diese vorhandene Spannung wird zum Bremsen eines Treibradsatzes eines Schienenfahrzeugs benutzt. Mittels eines Umschalters wird diese Spannung auf die Bremswiderstände geschaltet.
Somit kann man völlig auf eine mechanische Bremse an einem Treibradsatz eines Schienenfahrzeugs verzichten. Dadurch entfallen auch die Aufwendungen für die Wartung einer mechanischen Bremse. Da keine mechanische Bremse mehr benötigt wird, ist ein Treibradsatz nicht nur preiswerter, sondern weist auch eine reduzierte Masse auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Traktionsantriebs sind den Unteransprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Traktionsantriebs schematisch veranschaulicht ist.
FIG 1 zeigt einen Traktionsantrieb nach der Erfindung für ein
Wechselstromfahrzeug und in der FIG 2 ist ein Traktionsantrieb nach der Erfindung für ein
Gleichstromfahrzeug näher dargestellt.
In der FIG 1 ist ein Traktionsantrieb für ein Wechselstromfahrzeug, auch als AC-Fahrzeug bezeichnet, näher dargestellt, wobei mit 2 ein Traktionstransformator, mit 4 ein Traktionsstromrichter, mit 6 ein permanenterregter Synchronmotor und mit 8 eine Bremseinrichtung gekennzeichnet sind. Der Traktionstransformator 2 weist eine Primär- und mehrere Sekundärwicklungen 10 und 12 auf, von denen hier nur zwei Sekundär- Wicklungen 12 dargestellt sind. Der Traktionsstromrichter 4 weist zwei Vierquadranten-Steller 14, einen Saugkreis 16, eine Kondensatorbatterie 18, eine Überspannungs-Schutzeinrichtung 20 und einen maschinenseitigen PulsStromrichter 22 auf. Die beiden Vierquadranten-Steller 14 sind wechselspannungs- seitig jeweils mit einer Sekundärwicklung 12 des Traktionstransformators 2 verknüpft und gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschaltet. Elektrisch parallel zu den beiden gleichspannungsseitigen Anschlüssen 24 und 26 dieser Einspei- seschaltung sind der Saugkreis 16, die Kondensatorbatterie 18, die Überspannungs-Schutzeinrichtung 20 und die gleichspannungsseitigen Eingangsanschlüsse des maschinenseitigen Pulsstromrichters 22 geschaltet. Ausgangsseitig ist der a- schinenseitige Pulsstromrichter 22 mit Anschlüssen des perma- nenterregten Synchronmotors 6 verbindbar. Ein derartiger Traktionsantrieb ist bekannt.
Die Bremseinrichtung 8 besteht pro Phase des permanenterregten Synchronmotors 6 aus einem Bremswiderstand 28 und einem Umschalter 30. Diese Bremswiderstände 28 sind' elektrisch in Stern geschaltet und weisen jeweils einen konstanten Widerstandswert auf. Die Umschalter 30 sind derartig mit den Ausgängen des maschinenseitigen Pulsstromrichters 22 und den Eingängen des permanenterregten Synchronmotors 6 verknüpft, dass die Eingänge des permanenterregten Synchronmotors 6 einerseits mit dem Bremswiderstand 28 und andererseits mit den Ausgängen des maschinenseitigen Pulsstromrichters 2 verbindbar sind.
Diese Umschalter 28, die auch als Fail-Safe-Schalter bezeichnet werden, können elektrisch oder mechanisch oder pneumatisch betätigt werden. Sobald diese Umschalter 28 von der Betriebsstellung "Fahren", d.h., die Klemmen des permanenterregten Synchronmotors 6 sind mit den Ausgängen des maschinen- seitigen Pulsstromrichters 22 verbunden, in die' Betriebsstellung "Bremsen", d.h., die Klemmen des permanenterregten Synchronmotors 6 sind mit den in Stern geschalteten Bremswider- ständen 28 verbunden, gelangt, erzeugt der permanenterregte Synchronmotor 6 ein Bremsmoment, das sich mit der Verringerung der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs vermindert. Zur Erzeugung des Bremsmoments wird weder der maschinenseiti- ge Pulsstromrichter 22 noch irgend eine Regelung benötigt.
Somit erhält man eine ausfallsichere wechselrichterunabhängige elektrische Bremse für einen Treibradsatz eines Schienenfahrzeugs.
Diese ausfallsichere Bremse hat außerdem einen inhärenten Gleitschutz. D.h., es kann nie mehr beim Bremsen zu Flachstellen an- den Rädern eines Treibradsatzes kommen, da, wenn der Radsatz auf einer nassen Schiene ins Gleiten kommt, das erzeugte Bremsmoment sich automatisch reduziert. Die Voraussetzung zur Generierung des Bremsmoments ist, dass der Läufer des permanenterregten Synchronmotors 6 sich dreht. Ohne eine Drehung dieses Läufers wird keine Spannung an den Klemmen des permanenterregten Synchronmotors 6 erzeugt. Und ohne diese induzierte Spannung kann mittels der Bremswiderstände 28 kein Bremsmoment erzeugt werden. Im Falle des Gleitens von Rädern eines Radsatzes eines Schienenfahrzeuges stehen diese Räder nahezu still. Dadurch kann mittels des permanenterregten Synchronmotors 6 und der Bremswiderstände 28 an gleitenden Rä- dern kein Bremsmoment erzeugt werden, und somit können auch keine Flachstellen mehr entstehen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Traktionsantriebs kann völlig auf eine mechanische Bremse an einem Treibradsatz eines Schienenfahrzeugs verzichtet werden.
In der FIG 2 ist ein Traktionsantrieb für ein Gleichstromfahrzeug, das auch als DC-Fahrzeug bezeichnet wird, näher dargestellt. Dieser Traktionsantrieb unterscheidet sich vom Traktionsantrieb nach FIG 1 dadurch, dass der Traktionsstromrichter 4 keine Vierquadrantensteller 14, keinen Traktionstransformator 2 und keinen Saugkreis 16 aufweist. Die Konden- satorbatterie 18 ist hier mittels einer Gleichstromdrossel 32 mit einem Stromabnehmer des DC-Fahrzeugs elektrisch leitend verbunden. In Abhängigkeit der FahrdrahtSpannung kann der Traktionsstromrichter 4 einen DC/DC-Wandler aufweisen, insbe- sondere dann, wenn das DC-Fahrzeug an mehreren Gleichspannungssystemen betrieben werden soll. Ein derartiger DC/DC- Wandler wäre dann ein Hochsetz-/Tiefsetzsteller .
Anhand dieser beiden Ausführungsbeispielen eines Traktionsan- triebes ist zu erkennen, dass es für die erfindungsgemäße
Ausgestaltung des Traktionsantriebes unerheblich ist, wie eine Einspeiseschaltung ausgestaltet ist. Es kommt lediglich darauf an, dass als Motor ein permanenterregter Synchronmotor vorgesehen sein uss, der mittels eines Pulsstromrichters 22 mit Leistung versorgt wird. Somit kann auch ein Traktionsantrieb eines dieselelektrischen Fahrzeugs gemäß der Erfindung ausgestaltet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Traktionsantrieb mit einem Traktionsstfomrichter (4) und einem permanenterregten Synchronmotor (6), wobei der Trak- tionsstromrichter (4) wenigstens einen maschinenseitigen Pulsstromrichter (22) aufweist, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, dass der permanenterregte Synchronmotor (6) an seinen Klemmen jeweils mit einem Eingang eines Umschalters (30) verbunden ist, dass beide Ausgänge ei- nes jeden Umschalters (30) jeweils mit einem Ausgang des
Pulsstromrichters (22) und mit einem Anschluss eines Bremswiderstandes (28) verknüpft sind, und dass diese Bremswiderstände (28) elektrisch in Stern geschaltet sind.
2. Traktionsantrieb nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Bremswiderstand (28) ein konstanter ohmscher Widerstand ist.
3. Traktionsantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jeder Umschalter (30) elektrisch betätigbar ist.
4. Traktionsantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jeder Um- Schalter (30) mechanisch betätigbar ist.
5. Traktionsantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jeder Umschalter (30) pneumatisch betätigbar ist.
6. Traktionsantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der permanenterregte Synchronmotor (6) eine Synchroninduktivität aufweist, die derart dimensioniert ist, dass ein Kurzschlussstrom etwa gleich einem Nennstrom ist.
7. Traktionsantrieb nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der permanenterregte Synchronmotor (6) innenliegende Magnete aufweist.
8. Traktionsantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Traktionsstromrichter (4) wenigstens einen Vierquadranten-Steller
(14) , eine Kondensatorbatterie (18) und einen Traktionstrans- formator (2) aufweist, dass jeder Vierquadranten-Steller (14) eingangsseitig mit einer Sekundärwicklung (12) des Traktionstransformators (2) verknüpft ist, und dass diese Vierquadranten-Steller (14) gleichspannungsseitig mittels der Kondensatorbatterie (18) mit Gleichspannungs-Anschlüsse des Puls- Stromrichters (22) verbunden sind.
9. Traktionsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Traktionsstromrichter (4) eine Kondensatorbatterie (18) und eine Gleichstromdrossel (32) aufweist, dass die Kondensatorbatterie (18) elektrisch parallel zu Gleichspannungs-Anschlüsse des Pulsstromrichters (22) geschaltet ist, und dass die Gleichspannungsdrossel (32) einen Eingang des Traktionsstromrichters (4) mit dem positiven Anschluss der Kondensatorbat- terie (18) verbindet.
10. Traktionsantrieb nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass elektrisch parallel zur Kondensatorbatterie (18) ein Saugkreis (16) geschaltet ist.
11. Traktionsantrieb nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass elektrisch parallel zur Kondensatorbatterie (18) eine Überspan- nungs-Schutzeinrichtung (20) geschaltet ist.
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