DE1263065B - Antrieb fuer aus einem Einphasen-wechselstromnetz gespeiste Lokomotiven oder Triebwagen mit Drehstromkurzschluss-laeufermotoren als Fahrmotoren - Google Patents

Description

• Antrieb für aus einem Einphasenwechselstromnetz gespeiste Lokomotiven oder Triebwagen mit Drehstromkurzschlußläufermotoren als Fahrmotoren Die Erfindung bezieht sich auf einen Antrieb für aus einem Einphasenwechselstromnetz gespeiste Lokomotiven oder Triebwagen mit Drehstromkurzschlußläufermotoren als Fahrmotoren. In den letzten Jahrzehnten sind sehr viele Versuche mit Lokomotiv- und Triebwagenantrieben - allgemein Traktionssystemen - durchgeführt worden, um das technisch und wirtschaftlich Beste unter den vielen möglichen Systemen zu finden. Die Ergebnisse, die sich im heutigen Stand der Traktionssysteme niederschlagen, können deshalb als eine gut fundierte Basis für alle weiteren Bemühungen zur Verbesserung der Traktion bei einphasig gespeisten Wechselstrombahnen betrachtet werden.
• Die zum Großeinsatz gekommenen Lösungen lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: Bei 16`-'/s-Hz-Speisung werden Kollektormotoren unmittelbar mit dem Wechselstrom betrieben, während bei 50-Hz-Speisung Gleichstrommotoren unter Zwischenschaltung eines Gleichrichters benutzt werden. Bei Zweifrequenzlokomotiven in den Grenzbezirken verschiedener Netze bestimmt die höhere Frequenz die anzuwendende Technik.
• Eine Untergruppe der 50-Hz-Antriebe arbeitet mit steuerbaren Gleichrichtern. Dadurch werden generell alle Schaltfragen erleichtert. Darüber hinaus wird in manchen Fällen auch noch die Möglichkeit der Rückstrombremsung ausgenutzt. Trotz der sehr großen Vorteile der Rückstrombremsung - Verringerung des sonst extrem hohen Bremsverschleißes - hat die Rückstrombremsung nur begrenzten Einsatz gefunden, weil die Bekämpfung der mit dem Wechselrichterbetrieb verknüpften Hochfrequenzstörungen einigen Zusatzaufwand erfordert.
• Obwohl durch Einführung und Standardisierung der obenerwähnten Traktionssysteme ein gewisser Entwicklungsabschluß erreicht scheint, laufen die Bemühungen um weitere grundsätzliche Verbesserungen weiter. Ein verbesserungsfähiger Umstand aller zur Zeit verwendeten Traktionssysteme ist die Verwendung von Kollektormotoren in den Fahrgestellen. Sie bedürfen einer laufenden Wartung. Vom betrieblichen Standpunkt würden Käfigankermotoren besonders günstig sein. Faßt man die bestehenden Wünsche für ein neu zu schaffendes Traktionssystem zusammen, so wären zu nennen: die Einfügbarkeit in die vorhandenen Speisesysteme, die Verwendung von Drehstrom-Asynchronmotoren, möglichst Käfigänkermotoren als Fahrmotoren, eine Strom-, möglichst Rückstrombremsung ohne Hochfrequenzstörungen, keine oder nur unwesentliche Gewichtserhöhung gegenüber konventionellen Einheiten und angemessene Herstellungskosten.
• Es ist ein Antrieb für aus einem Einphasenwechselstromnetz gespeiste Triebfahrzeuge bekannt, bei dem Asynchronmotoren über einen zwischen einem an der Fahrleitung liegenden Transformator und den Fahrmotoren liegenden Umrichter mit Dreiphasenstrom veränderbarer Spannung sowie Frequenz gespeist werden. Es ist außerdem die Möglichkeit der Nutzbremsung der Fahrmotoren gegeben. Durch entsprechende Wahl der Anzapfungen am Transformator ist die Drehzahl der Fahrmotoren stetig einstellbar. Da der zum Antrieb der Fahrmotoren benötigte Drehstrom aus einem Strom niedriger Frequenz, die etwa gleich der Frequenz des Fahrmotorstroms ist, gewonnen wird, ist der Oberwellenanteil des Fahrstroms sehr hoch. Eine optimale Ausnutzung der Fahrmotoren läßt sich dadurch nicht erzielen.
• Es ist ferner eine Umformeranordnung für Triebfahrzeuge bekannt, die von einer Gleichstromspeisung ausgeht und Gleichstrommotoren als Fahrmotoren besitzt. Hierbei wird Gleichstrom aus der Fahrleitung über einen laufenden Umformersatz in Wechsel- oder Drehstrom und dann über einen nachgeschalteten Gleichrichter in Gleichstrom für die Fahrmotoren umgewandelt. Der Umformersatz läuft mit sehr hoher Drehzahl (3000 bis 30 000 U/min) und erzeugt einen Drehstrom hoher Frequenz. Aus dem Buch von S a c h s, »Elektrische Triebfahrzeuge«, Bd. 1I, 1953, S. 376 und 377, geht hervor, daß der unmittelbare Anschluß der Ständerwicklung des Phasenumformers an die Fahrleitung und die selbsttätige Einstellung auf cos (p = 1 bei Verwendung von Synchronphasenumformern auf Triebfahrzeugen bereits bekannt sind.
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb für aus einem Einphasenwechselstromnetz gespeiste Lokomotiven oder Triebwagen mit Drehstromkurzschlußläufermotoren als Fahrmotoren. Sie ist gekennzeichnet durch einen Generator zur Erzeugung eines Drehstroms von einer Frequenz zwischen 150 und 800 Hz, angetrieben über ein drehzahlerhöhendes Getriebe von einem unmittelbar am Fahrdraht liegenden Synchronmotor, und einen Umrichter zur Umwandlung des Drehstroms des Generators in Drehstrom veränderbarer Spannung und Frequenz zur Speisung der asynchronen Fahrmotoren.
• Im folgenden wird eine spezielle Traktionsanordnung beschrieben, die alle obengenannten Forderungen gleichzeitig erfüllt. Da im Bahnbetrieb noch bei 1/s der Maximalgeschwindigkeit volle Zugkraft und hoher Wirkungsgrad erforderlich sind, muß zur Speisung der Motoren ein Drehstrom veränderlicher Frequenz mit einem Frequenzbereich von mindestens 1: 5 zur Verfügung gestellt werden. Zur Verbesserung der Anfahreigenschaften wird der Frequenzbereich zweckmäßig noch auf 1:10 ausgedehnt. Die Frequenzänderung kann dabei stetig oder in hinreichend engen Stufen erfolgen.
• Die Umwandlung des vom Fahrdraht kommenden Einphasenspeisestroms fester Frequenz in Drehstrom veränderlicher Frequenz zur Speisung der Fahrmotoren ist an sich technisch auf verschiedene Weise realisierbar, Die bekannte unmittelbare elektrische Frequenzumwandlung erscheint ungünstig, weil bei dem breiten sekundärseitigen Frequenzbereich die Elimination der Speisefrequenz zu großen Aufwand erfordert. Es bleibt eine Modulation des Drehstroms mit der Speisefrequenz, die die Motorenleistung erheblich herabsetzt. Es ist deshalb eine »Zwischenfrequenz« erforderlich. Nahe liegt die Verwendung der Zwischenfrequenz Null - also von Gleichstrom.
• Die praktische Realisierung würde in bekannter Weise aus einem Gleichrichter mit nachfolgendem Drehstromwechselrichter bestehen. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß ein relativ großes Gleichrichterfilter erforderlich ist und daß die überwindung der Kommutierungsschwierigkeiten, insbesondere bei der stark induktiven Last der asynchronen Fahrmotoren, großen Aufwand bedingt.
• Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wird deshalb im Rahmen der Erfindung die Verwendung einer Mittelfrequenz (etwa 150... 800 Hz) als Zwischenfrequenz vorgeschlagen. Ein Motorgenerator formt den ankommenden Einphasenwechselstrom in Mittelfrequenzstrom um, und ein als Frequenzteiler arbeitender Umrichter liefert dann den gewünschten Drehstrom zum Speisen der asynchronen Fahrmotoren. Der Mittelfrequenzstrom wird zweckmäßig auch als verketteter Drehstrom angelegt, weil die Ausnutzung der Bauelemente besser und die Spannung der Fahrmotoren von Natur aus glatter wird. Zum Antrieb des Motorgenerators, dieser Begriff soll den von einem Fahrdraht gespeisten Motor, ein Zwischengetriebe und einen Mittelfrequenzgenerator umschließen, wird ein Synchronmotor benutzt.
• Die Frequenzteilung im Umrichter kann entweder frequenzelastisch oder Frequenz- und phasenstarr erfolgen. Bei asynchronen Fahrmotoren wird selbst bei Verwendung eines Synchronmotors im Motorgenerator eine frequenzstarre Umrichtung ausreichen, da sich hinreichend eng benachbarte Frequenzen des niederfrequenten Drehstroms erzeugen lassen. Bei einer frequenzstarren Umrichtung können alle diejenigen Frequenzen erzeugt werden, bei denen sich die trapezförmige Spannungshalbwelle als Hüllkurve einer Zahl von Mittelfrequenzhalbwellen erzeugen läßt, die durch die Phasenzahl des Drehstroms, also normalerweise durch 3, teilbar ist.
• Die erfindungsgemäße Anordnung erfüllt die eingangs erwähnten Forderungen. Die Einfügbarkeit in die vorhandenen Speisesysteme wird erfüllt durch Anpassung des Motors des Motorgenerators an die Fahrdrahtbedingungen. Die Verwendung von asynchronen Fahrmotoren ergibt sich aus der grundsätzlichen Auslegung des Traktionssystems. Die Forderung nach Strom-, möglichst Rückstrombremsung läßt sich in bekannter Weise durch spezielle Ausgestaltung des Umrichters erfüllen. Die Störfreiheit ist durch die völlige elektrische Trennung von Speise- und Mittelfrequenz vorgegeben.
• Die Forderung, keine oder nur unwesentliche Gewichtserhöhungen gegenüber konventionellen Einheiten zuzulassen, bedarf einer Erläuterung. Um das Mehrgewicht des Motorgenerators einzusparen, ist der Motor in bekannter Weise unmittelbar an die Bedingungen des Speisesystems angepaßt. Dadurch entfällt der Haupttransformator. Motor und Transformator haben ungefähr gleiche Gewichte. Dem Gewicht des Mittelfrequenzgenerators steht das einsparbare Gewicht der Glättungsdrossel normaler Gleichrichterlokomotiven gegenüber. Der Mittelfrequenzgenerator ist besonders leicht gebaut, da mit Hilfe eines Zwischengetriebes zwischen Motor und Mittelfrequenzgenerator dessen Drehzahl hoch liegt, beispielsweise bei 6000 Umdrehungen pro Minute.
• Da im Motorgenerator ein Synchronmotor bew nutzt wird, kann in bei Synchronmotoren allgemein bekannter vorteilhafter Weise mittels dessen Erregerstroms die Phase zwischen Speisestrom und -spannung beein$ußt werden, sei es auf cos g9 .--- 1 der Traktionseinheit oder auf einen vorzugebenden Wert, der den höchsten Wirkungsgrad des gesamten Speisesystems ergibt.
• Beim heutigen Stand der Regelungstechnik ist es auch ohne weiteres möglich, die Anordnung automatisch so zu steuern, daß sich optimale Traktionseigenschaften ergeben. So kann beispielsweise durch Beeinflussung des Erregerstroms des Mittelfrequenzgenerators eine Drehmomentenschwankung der Fahrmotoren bei Durchschaltung der verschiedenen Frequenzstufen vermieden werden. Die Anwendbarkeit sonstiger konventioneller Schaltoperationen, wie beispielsweise Serien-, Gruppen- und Parallelschaltung der Motoren zwecks Anpassung an Generator und Wechselrichter bei verschiedenen Fahrgeschwindigkeiten bedarf keiner Erläuterung. Die technische Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung wird durch die Anwendung von steuerbaren Halbleitergleichrichtern im Umrichter sehr erleichtert. An Hand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Der Fahrdraht 1 liefert über den Stromabnehmer 2 die Energie an den Synchronmotor 3. Dieser Synchronmotor 3 und der Mittelfrequenzgenerator 5 stehen über ein drehzahlerhöhendes Getriebe 4 in Verbindung. Der Umrichter 6 gibt die vom Mittelfrequenzgenerator 5 empfangene Energie an die asynchronen Fahrmotoren 7 bis 10 weiter.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Antrieb für aus einem Einphasenwechselstromnetz gespeiste Lokomotiven oder Triebwagen mit Drehstromkurzschlußläufermotoren als Fahrmotoren, gekennzeichnet durch einen Generator (5) zur Erzeugung eines Dreh-Stroms von einer Frequenz zwischen 150 und 180 Hz, angetrieben über ein drehzahlerhöhendes Getriebe (4) von einem unmittelbar am Fahrdraht liegenden Synchronmotor (3), und einen Umrichter (6) zur Umwandlung des Drehstroms des Generators (5) in Drehstrom veränderbarer Spannung und Frequenz zur Speisung der asynchronen Fahrmotoren (7 bis 10). 2. Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Umrichter (6) mit trapezförmiger Spannungshalbwelle als Hüllkurve. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 882 415, 1038 594; Buch von S a ch s, »Elektrische Triebfahrzeuge«, Bd. 11, 1953, S. 376, 377 und 383.