DE10160612A1

DE10160612A1 - Traktionsantrieb

Info

Publication number: DE10160612A1
Application number: DE10160612A
Authority: DE
Inventors: Andreas Joeckel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2003-06-26
Also published as: EP1454409A1; US20040222761A1; CN1602581A; NO20042947L; US6938555B2; WO2003050940A1; JP2005512497A; CA2470349A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Traktionsantrieb mit einem Traktionsstromrichter (4) und einem permanenterregten Synchronmotor (6), wobei der Traktionsstromrichter (4) wenigstens einen maschinenseitigen Pulsstromrichter (22) aufweist. Erfindungsgemäß ist der permanenterregte Sychronmotor (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 geschalteter 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

Die Erfindung bezieht sich auf einen Traktionsantrieb gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Treibradsätze von Schienenfahrzeugen weisen Asynchrom-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, muss der Radsatz eine anrechenbare ausfallsichere Bremse besitzen. Eine derartige ausfallsichere Bremse ist eine mechanische Bremse, beispielsweise eine Scheibenbremse, eine Klotzbremse oder eine Magnetschienenbremse.

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 Laufdrehgestellen. Die Bremsscheiben sind als Wellenbremsscheiben in den Laufdrehgestellen und als Radbremsscheiben mit Sinterbelägen in den Triebdrehgestellen ausgebildet. Die elektronische Bremssteuerung ist mit der elektropneumatischen 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 Stromversorgung 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 Widerstand 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 Höchstgeschwindigkeit 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 Sekundärwicklungen 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 wechselspannungsseitig 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 Einspeiseschaltung sind der Saugkreis 16, die Kondensatorbatterie 18, die Überspannungs-Schutzeinrichtung 20 und die gleichspannungsseitigen Eingangsanschlüsse des maschinenseitigen Pulsstromrichters 22 geschaltet. Ausgangsseitig ist der maschinenseitige Pulsstromrichter 22 mit Anschlüssen des permanenterregten 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 maschinenseitigen Pulsstromrichters 22 verbunden, in die Betriebsstellung "Bremsen", d. h., die Klemmen des permanenterregten Synchronmotors 6 sind mit den in Stern geschalteten Bremswiderständen 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 maschinenseitige 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 Rädern 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 Kondensatorbatterie 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, insbesondere 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 Traktionsantriebes 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 muss, der mittels eines Pulsstromrichters 22 mit Leistung versorgt wird. Somit kann auch ein Traktionsantrieb eines dieselelektrischen Fahrzeugs gemäß der Erfindung ausgestaltet sein.

Claims

1. Traktionsantrieb mit einem Traktionsstromrichter (4) und einem permanenterregten Synchronmotor (6), wobei der Traktionsstromrichter (4) wenigstens einen maschinenseitigen Pulsstromrichter (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der permanenterregte Synchronmotor (6) an seinen Klemmen jeweils mit einem Eingang eines Umschalters (30) verbunden ist, dass beide Ausgänge eines 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, dadurch gekennzeichnet, dass der Bremswiderstand (28) ein konstanter ohmscher Widerstand ist.

3. Traktionsantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umschalter (30) elektrisch betätigbar ist.

4. Traktionsantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umschalter (30) mechanisch betätigbar ist.

5. Traktionsantrieb nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Umschalter (30) pneumatisch betätigbar ist.

6. Traktionsantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, dass der permanenterregte Synchronmotor (6) innenliegende Magnete aufweist.

8. Traktionsantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Traktionsstromrichter (4) wenigstens einen Vierquadranten-Steller (14), eine Kondensatorbatterie (18) und einen Traktionstransformator (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 Pulsstromrichters (22) verbunden sind.

9. Traktionsantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, 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 Kondensatorbatterie (18) verbindet.

10. Traktionsantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch parallel zur Kondensatorbatterie (18) ein Saugkreis (16) geschaltet ist.

11. Traktionsantrieb nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch parallel zur Kondensatorbatterie (18) eine Überspannungs-Schutzeinrichtung (20) geschaltet ist.