DE2306292A1

DE2306292A1 - Einrichtung zur energieversorgung von mit hoher geschwindigkeit betriebenen fahrzeugen

Info

Publication number: DE2306292A1
Application number: DE2306292A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr Ing Thomas
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1973-02-08
Filing date: 1973-02-08
Publication date: 1974-08-15
Also published as: JPS49112310A; US3863574A

Description

Einrichtung zur Energieversorgung von mit hoher Geschwindigkeit betriebenen Fahrzeugen

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energieversorgung von mit hoher Geschwindigkeit betriebenen Fahrzeugen mit mindestens einem elektromagnetischen, über Stromschienen gespeisten Antrieb.

Die Motoren elektrisch angetriebener Fahrzeuge, z.B. Elektrolokomotiven oder Straßenbahnen, werden üblicherweise über Stromschienen oder Fahrdrähte und Stromabnehmer an eine Gleichoder Wechselspannungsquelle angeschlossen. Aus mechanischen Gründen ergeben sich erhebliche Schwierigkeiten, Fahrzeuge, die mit Geschwindigkeiten von mehreren hundert km/h fahren sollen, mit der erforderlichen Antriebsenergie über Schleifkontakte zu versorgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erforderliche Antriebsenergie auf mit hoher Geschwindigkeit fahrende Fahrzeuge kontaktlos zu übertragen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine zusätzliche Schiene abschnittsweise über Stromrichter mit den Stromschienen verbunden ist und daß die Stromrichter nur des Abschnittes in Betrieb sind, den das Fahrzeug gerade durchfährt. Dabei bildet die zusätzliche Schiene die Primärwicklung eines auf dem Fahrzeug angeordneten Transformators, dessen Sekundärwicklung über einen Gleichrichter und einen Wechselrichter an .den Fahrzeugantrieb angeschlossen

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ist. Vorteilhafterweise trägt der im wesentlichen TJ-förmige Eisenkern des Transformators die Sekundärwicklung, wobei der Eisenkern mindestens angenähert koaxial zu der zusätzlichen Schiene verläuft.. Zur Ein- und Ausschaltung der Stromrichter ist den in den η Abschnitten angeordneten η +- 1 Stromrichtern je ein Steuergerät zugeordnet, das vom Fahrzeug aus betätigbar ist. An ein auf dem Fahrzeug angeordnetes Steuergerät sind zwei Hilfstransformatoren angeschlossen, deren Sekundärwicklung eine die Steuergeräte für die Stromrichter verbindende Leitung ist. Mit besonderem Vorteil ist der Fahrzeugantrieb nur oberhalb einer vorgegebenen Geschwindigkeit an die zusätzliche Schiene gekoppelt, unterhalb dieser Geschwindigkeit dagegen unmittelbar über abhebbare Schleifkontakte an die Stromschienen angeschlossen. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung bildet die zusätzliche Schiene den Primärteil des als ■ Linearmotor ausgeführten Fahrzeugantriebs.

An Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden'löäher erläutert.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Fahrzeug 1, beispielsweise eine Magnetkissen-Schwebebahn, das durch Linearmotoren 2 angetrieben wird. Mit 3 ist der Bahnkörper bezeichnet.

Figur 2 zeigt schematisch ein Schaltbild der Einrichtung zur Stromversorgung des oder der Antriebsmotoren 2 eines Fahrzeuges 1. An eine Gleich- oder Wechselstromquelle 4 sind zwei Stromschienen 5 angeschlossen, die für die maximal erforderliche Leistung bemessen sind. Parallel zu den Stromschienen 5 verläuft eine weitere Schiene 6, die über Thyristoren 8 enthaltende Strqmrichterzweige 7 mit den Stromschienen verbünden ist. Die Stromriehter^weige 7 unterteilen die Stromschienen 5 und 6 in Abschnitte angenähert gleicher Länge. Jedem Stromrichterzweig 7 ist ein Steuergerät 9 zugeordnet, das mit den

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■benachbarten Steuergeräten durch eine Leitung 10 verbunden ist.

Die durch die Stromrichter 7 gespeiste Schiene 6 "bildet die Primärwicklung eines Transformators 11, dessen Eisenkern und Sekundärwicklung in das Fahrzeug eingebaut sind. An den Transformator 11 sind beispielsweise über einen Gleichrichter 12 und einen Wechselrichter 13 der oder die Antriebsmotoren 2 angeschlossen. Auf dem Fahrzeug sind ferner ein aus dem Wechselrichter 13 gespeistes Steuergerät 14 und die an dieses angeschlossenen Primärwicklungen von zwei Steuer- oder Hilfstransformatoren 15 vorgesehen, deren Sekundärwicklung die Verbindung si eitung 10 zwischen den Steuergeräten 9 bildet. Das Steuergerät 14 betätigt über die Steuertransformatoren 15 jeweils die im Bereich des Fahrzeuges liegenden Steuergeräte 9» so daß während der Vorbeifahrt des Fahrzeuges zwei oder im Höchstfall drei Stromrichterzweige gleichzeitig in Betrieb sind und infolgedessen maximal zwei Abschnitte der Schiene 6 die von den Stromrichterzweigen erzeugte Wechselspannung führen. Die Ein- und Ausschaltbefehle für die Stromrichterzweige können statt auf dem beschriebenen induktiven Wege beispielsweise auch über opto-elektronische Mittel oder mittels anderer bekannter Verfahren auf die Steuergeräte 9 übertragen werden.

Die Stromrichter .7, die im Ausführungsbeispiel nur schematisch in Verbindung mit je einem die für die Zwangskommutierung erforderlichen Schaltelemente enthaltenden Steuergerät dargestellt sind, formen die von den Stromschienen geführte Gleich- oder Wechselspannung in eine mittelfrequente Wechselspannung von einigen kHz um. Als Schaltelemente für die Stromrichter werden Thyristoren mit kleiner Freiwerdezeit und gegebenenfalls für kleine Beförderungsanlagen durch Transistoren eingesetzt. Die Anwendung von mittelfrequenten Strömen bietet gegenüber Strömen mit einer beispielsweise im Bahnbetrieb üblichen Frequenz von 16 2/3 oder 50 Hz den Vorteil, daß die Abmessungen des auf dem Fahrzeug angeordneten Transformators erheblich kleiner als bei Niederfrequenz sind. Eine Anwendung.mittelfrequenter Wechselströme zur direkten Übertragung einer aus-

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reichend großen Energie über die "bisher üblichen, beliebig langen Stromschienen auf das Fahrzeug ist unwirtschaftlich, weil der induktive Widerstand der Stromschienen zu groß wäre.

Eine besonders wirtschaftliche Ausführung der Einrichtung ergibt sich, wenn der auf dem Fahrzeug befindliche Wechselrichter 13 zunächst bis zu einer vorgegebenen Geschwindigkeit, beispielsweise 150 km/h, direkt über Schleifkontakte 16 an die Gleich- oder Wechselspannung führenden Stromschienen 5 angeschlossen ist und die Stromrichterzweige 7 bei einer diesen Wert überschreitenden Geschwindigkeit in Tätigkeit gesetzt werden. Im Zeitpunkt der Umschaltung von der direkten Spannung über die Schleifkontakte auf die transformatorische Speisung werden die Schleifkontakte von den Stromschienen abgehoben. " Die geschwindigkeitsabhängige Umschaltung wird beispielsweise durch ein Ausgangssignal des Wechselrichters 13 ausgelöst, das der Fahrgeschwindigkeit proportional ist und das Steuergerät 14 freigibt. Da in diesem Falle die Stromrichterzweige und die Übertragungsschiene 6 nur bei einer relativ hohen Geschwindigkeit, d.h. kurzzeitig, benötigt werden, brauchen auch die elektronischen Schaltelemente der Stromrichter und die Übertragungsschiene 6 nur für eine kurzzeitige thermische Beanspruchung bemessen zu sein.

Aus den Figuren 3 und 4 ist der Aufbau des Transformators 11 ersichtlich. Die Übertragungsschiene, welche die Primärwicklung des Transformators darstellt, ist hier beispielsweise ein isoliertes Kabel 17, das auf einem Ständer 18, beispielsweise aus Beton, befestigt ist. Das Kabel und den Ständer umgreift ein beispielsweise im wesentlichen U-förmiger, lamellierter Eisenkern 20 aus hochpermeablem Material und bildet mit dem Ständer und dem Kabel einen Luftspalt 21 -.. Das Joch des auf dem Fahrzeug befestigten Eisenkerns trägt die Sekundärwicklung 19 des Transformators 11, deren Wicklungsenden mit Anschlußlaschen 22 verbunden sind. Durch die keilförmig zulaufenden

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Schienen 23 des Eisenkerns wird der Luftspalt verlängert, um die Induktion und infolgedessen auch den Magnetisierungsstrom niedrig zu halten. Die Stromschienen 5, die "beispielsweise auf einem weiteren Ständer 24 angeordnet sind, stellen die Rückleitung für die jeweils in Tätigkeit befindlichen Stromrichterzweige dar und sind zur Verminderung der Streuinduktivitäten in möglichst geringem Abstand vom Ständer 28 angeordnet.

Wie die Figuren 5 und 6 zeigen, kann die Übertragungsschiene 6 auch eine nach Art einer Wellenwicklung geformte Stromschiene sein. Eine Schleife 26 der Wellenwicklung bildet dabei Jeweils einen magnetischen Pol, dessen Polarität im Takt der von den Stromrichterzweigen 7 gelieferten Frequenz wechselt. In diesem Fall sind auf dem Fahrzeug zwei langgestreckte, mechanisch durch Tragbügel 28 miteinander verbundene, lameliierte Eisenblechpakete 27 angeordnet,, die mit Abstand parallel zu der Übertragungsschiene 25 verlaufen und der Länge nach entlang der Übertragungsschiene beweglich sind. Diese Eisenblechpakete tragen in Nuten eine mehrphasige Wellenwicklung 29 als Sekundärwicklung mit derselben Polteilung wie die Stromschiene 25· Bei einer dreiphasigen Sekundärwicklung z.B. sind die drei Wicklungen um je ein Drittel der Polteilung gegeneinander versetzt. Mit Hilfe des Gleichrichters 12 und des Wechselrichters 13 (vergl. Figur 2) wird die Energie in die für den Antriebsmotor geeignete Frequenz umgewandelt.

In besonders vorteilhafter Weise kann der Transformator so ausgebildet werden, daß er in Verbindung mit der Übertragungsschiene 25 als Linearmotor arbeitet (Fig. 7). Die Sekundärwicklungen 30, die ebenfalls als Wellenwicklungen ausgeführt sind, erhalten dann je einen steuerbaren Kurzschließer 32, der durch ein Steuergerät 33 in Verbindung mit Hilfswicklungen 31 betätigt wird. Die Kurzschließer können beispielsweise je zwei antiparallel geschaltete Thyristoren enthalten. Bei Vollast wird jede Sekundärwicklung in dem Zeitpunkt kurzgeschlossen, in dem die Schleifen dieser Wicklung während der Verschiebung

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längs der Übertragungsschiene mit den Schleifen der Primärwicklung deckungsgleich, sind. Der Kurzschluß wird wieder aufgehoben, wenn die jeweilige Sekundärwicklung um eine halbe Polteilung gegenüber der Primärwicklung verschoben ist. Wird der Zeitpunkt des Kurzschlusses verzögert, also die Kurzschlußdauer vermindert, dann verringert sich die Leistung des Linearmotors, d.h. die-Geschwindigkeit des Fahrzeuges kann auf diese Weise gesteuert werden. Die Hilfswicklungen 31» die in Verbindung mit dem Steuergerät die Kurzschließer 32 betätigen, sind hinsichtlich der Polteilung in derselben Lage zur Primärwicklung wie die Sekundärwicklungen des Linearmotors zu der Übertragungsschiene 25.

Die Wirkungsweise des Linearmotors ergibt sich daraus, daß die kurzgeschlossene Sekundärwicklung von der vom Strom durchflossenen Primärwicklung abgestoßen wird, solange Primär- und Sekundärwicklung magnetisch miteinander gekoppelt sind. Wenn eine Schleife der Sekundärwicklung um- eine halbe Polteilung gegenüber einer Schleife der Primärwicklung weiterbewegt ist, dann ist sie von der Primärwicklung magnetisch entkoppelt, weil sie in diesem Zeitpunkt von zwei gleich großen, aber entgegengesetzten Flußanteilen durchflutet wird und damit keine gegenseitige Induktionswirkung auftritt. In diesem Zeitpunkt wird der Stromkreis der Sekundärwicklung unterbrochen und erst wieder geschlossen, wenn durch Y/eiterbewegung die maximale Kopplung erneut erreicht ist. Die Kraftwirkung tritt also nur während der Kurzschließzeit auf. Durch die Mehrphasenwicklung wird die Kraftwirkung der Phasenzahl entsprechend vergrößert und durch die Wahl der Reihenfolge der Kurzschlußschaltungen in den Phasen die Fahrtrichtung des Linearmotors festgelegt.

Durch Kurzschließen der Sekundärwicklungen in einem Zeitpunkt vor dem Erreichen der Deckungsgleichheit zwischen der Primärwicklung und der jeweiligen Sekundärwicklung entsteht eine Bremswirkung.

10 Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

Einrichtung zur Energieversorgung von mit hoher Geschwindigkeit betriebenen Fahrzeugen mit mindestens einem elektromechanischen, über Stromschienen gespeisten Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Schiene (6) abschnittsweise über Stromrichter (7) mit den Stromschienen (5) verbunden ist und daß die Stromrichter nur des Abschnittes in Betrieb sind, den das Fahrzeug gerade durchfährt .
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schiene (25) nach Art einer Wellenwicklung geformt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schiene (6) die Primärwicklung eines auf dem Fahrzeug (1) angeordneten Transformators 11 bildet, dessen Sekundärwicklung (19) über einen Gleichrichter (12) und einen Wechselrichter (13) an den Fahrzeugantrieb (2) angeschlossen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen U-förmige Eisenkern (20, 23) des Transformators (11) die Sekundärwicklung (19) trägt und mindestens angenähert koaxial zu der zusätzlichen Schiene (6) verläuft.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß den in den η Abschnitten angeordneten η + 1 Stromrichtern (7) je ein vom Fahrzeug (1) aus betätigbares Steuergerät (9) zugeordnet ist und daß an ein auf dem Fahrzeug (1) angeordnetes Steuergerät (14) zwei Hilfstransformatoren (15) angeschlossen sind, deren Sekundärwicklung eine die Steuergeräte (9) für die Stromrichter (7) verbindende Leitung (10) ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Schiene (25) den Primärteil des als Linearmotor ausgeführten Fahrzeugantriebes (2) bildet.

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7· Einrichtung nach Anspruch 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der !Fahrzeugantrieb (2) nur oberhalb einer -vorgegebenen Geschwindigkeit an die zusätzliche Schiene (6) gekoppelt ist, unterhalb dieser Geschwindigkeit dagegen unmittelbar über abhebbare Schleifkontakte (16) an die Stromschienen (-5) angeschlossen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mehrphasigen Sekundärwicklungen (30) des Linearmotors (2), die als Wellenwicklung mit derselben Polteilung wie die zusätzliche Schiene (25) ausgeführt sind, auf zwei langgestreckten, parallel zu der zusätzlichen Schiene bewegbaren, mechanisch miteinander verbundenen, lamellierten Eisenblechpaketen (27) angeordnet sind.
9· Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklungen (30), die jeweils um einen der Anzahl der Phasen entsprechenden Bruchteil der Polteilung gegeneinander versetzt sind, während der Bewegung um einen maximal der halben Polteilung entsprechenden Weg über ein Steuergerät (32) kurzgeschlossen sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur zyklischen Betätigung des Steuergerätes (32) ein weiteres Steuergerät (33) vorgesehen ist, das an eine mehrphasige, ebenfalls der zusätzlichen Schiene (25) zugeordnete Steuerwicklung (31) angeschlossen ist.

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