Energieumformung und Leistungssteuerung bei einer modernen Universallokomotive als Beispiel für den Einsatz von Leistungselektronik

40 Pages·1983·1.611 MB·German

by  Manfred Depenbrock (auth.)

Rheinisch-Westfalische Akademie der Wissenschaften
Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften Vortrage . N 323
Herausgegeben von der
Rheinisch-Westfalischen Akademie der Wissenschaften
MANFRED DEPENBROCK
Energieumformung und Leistungssteuerung
bei einer modernen U niversallokomotive
als Beispiel fur den Einsatz von Leistungselektronik
Westdeutscher Verlag
296. Sitzung am 31. Marz 1982 in DUsseldorf
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Depenbrock, Manfred:
Energieumformung und Leistungssteuerung bei einer modernen Universal
lokomotive als Beispiel fUr den Einsatz von Leistungselektronik / Manfred
Depenbrock. -Opladen: Westdeutscher Verlag, 1983.
(Vortrage / Rheinisch-Westfalische Akademie der Wissenschaften: Natur-,
Ingenieur-u. Wirtschaftswiss.; N 323)
ISBN 3-531-<)8323-6
NE: Rheinisch-Westfiilische Akademie der Wissenschaften (DUsseldorf): Vor
trage/Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswissenschaften
© 1983 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen
Herstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-08323-0 e-ISBN-13: 978-3-322-85564-0
DOl: 10.1007/978-3-322-85564-0
Inhalt
Manfred Depenbrock, Bochum
Energieumformung und Leistungssteuerung bei einer modernen U niversal-
lokomotive als Beispiel fUr den Einsatz von Leistungselektronik . . . . . . . . 7
Tafeln ......................................................... 25
Schrifttum, Bild- und Datenquellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Diskussionsbeitrage
Professor Dr. sc. techno Alfred Fettweis, Professor Dr.-lng. Manfred
Depenbrock, Professor Dr. phil. nat. habil. Hermann Flohn, Professor
Dr. rer. nat. Walter L. Eng~ Professor Dr. rer. nat. Ulf von Zahn, Profes-
sor Dr. rer. nat. Werner Schreyer, Professor Dr. phil. Maximilian Steiner,
Professor Dr.-lng. Rolf Staufenbiel, Professor Dr.-lng. Helmut Domke 31
Die Leistungselektronik ist das Teilgebiet der Elektrotechnik, in dem man
mit Hilfe elektronischer Ventile elektrische Energiefltisse schaltet, verstellt und
umformt. Die elektronischen Ventile werden so betrieben, daB im DurchlaB
zustand schon sehr geringe Spannungen sehr groBe Strome hervorrufen und im
Sperrzustand auch hohe Spannungen nur sehr geringe Strome zur Folge haben.
Diese Arbeitsweise kann man an einem sehr einfachen Beispiel veranschaulichen,
bei dem eine Wechselspannungsquelle tiber einen Thyristor mit einem Lastwider
stand verbunden ist, wie Bild 1 zeigt. Wenn der Thyristor sich im Sperrzustand
befindet, kann kein Strom flieBen, die gesamte Spannung der Quelle fallt am
Thyristor abo Wird bei t=ta der Thyristor durch einen StromstoB auf seinen
SteueranschluB G leitend gemacht, dann wird der tiber die Hauptanschltisse von
Bild 1: Stromkreis mit Thyristor; oben: Schaltbild, unten: Zeitverlauf von Quellenspannung und
Laststrom.
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8 Manfred Depenbrock
A nach K flieBende Strom allein durch die Spannung der QueUe und den Last
widerstand R bestimmt, solange der Strom in dieser DurchlaBrichtung iiber
den Thyristor flieBt. In entgegengesetzter Richtung kann kein Strom flieBen,
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bei t T beginnt der Thyristor die nun entgegengesetzt zu seiner
DurchlaBrichtung wirkende Spannung zu sperren, der Lastwiderstand ist strom
und spannungslos. Wenn ein Strom in DurchlaBrichtung iiber den Thyristor
flieBt, kann er durch keine Beeinflussung der Steuerelektrode G wieder in den
sperrenden Zustand zuriickversetzt werden, das ist nur moglich, wenn der Strom
iiber die Hauptanschliisse verschwindend klein gemacht wird. Ahnlich wie bei
einem mechanischen Schaltapparat wird im Vergleich zur sogenannten Schalt
leistung, das ist das Produkt aus der zulassigen Spannung UTRM im Sperrzustand
und dem zulassigen Strom iTAVM im DurchlaBzustand, nur sehr wenig elektrische
Leistung PT in thermische Verlustleistung umgesetzt, haufig z. B. nur wenige
Promille der Schaltleistung.
Aus der sehr groBen Zahl von Anwendungsfallen der Leistungselektronik solI
beispielhaft die Energieumformung und Leistungssteuerung bei der neuen Hoch
leistungslokomotive BR 120 betrachtet werden, von der zur Zeit eine Vorserie von
flinf Stiick bei der Deutschen Bundesbahn (DB) intensiv erprobt wird. Dabei kann
man erleben, daB eine dieser Lokomotiven, die gerade einen schweren Giiterzug
befordert hat, als n1ichstes zum Transport eines FernschneUzuges eingesetzt wird
(Tafel I). So etwas ist mit Lokomotiven bisheriger Bauart praktisch nicht moglich.
Einen guten Uberblick iiber die Leistungsmoglichkeiten einer Lokomotive geben
ihre Zugkraft-Geschwindigkeitsdiagramme (Z-V-Kennlinien). Die stark ausge
zogene Kurve in Bild 2 zeigt die dauernd erreichbare Zugkraft Z der BR 120 in
Abhangigkeit von der Fahrgeschwindigkeit V. In das Diagramm sind auch die von
verschiedenen Zugarten bei einer Steigung von 5%0 benotigten Zugkrafte fUr
gleichbleibende Geschwindigkeit diinn eingezeichnet. Wie man erkennt, kann die
BR 120 im Dauerbetrieb alle diese Zugarten mit fUr Beschleunigungsvorgange
ausreichender Zugkraftreserve befordern. Betrachtet man zum Vergleich die dick
gepunktet gezeichneten Z-V-Kennlinien der Lokomotive BR 103, das ist die lei
stungsstarkste Lokomotive der DB mit dem bisher iiblichen Antriebssystem, so
erkennt man, daB im Dauerbetrieb diese sechsachsige Lokomotive erst ab einer
Geschwindigkeit von ca. 170 km/h hohere Zugkrafte entwickeln kann als die
neue, vierachsige BR 120. Da die fUr die Beforderung schwerer langsamer Ziige
benotigten Zugkrafte von der BR 103 nur kurzzeitig aufgebracht werden konnen,
wird diese Lokomotive praktisch nur flir die Beforderung von Schnellverkehrs
ziigen mit Spitzengeschwindigkeiten von iiber 160 km/h bis zu 200 km/h ein
gesetzt. Die Z-V-Kennlinie eines solchen Zuges mit einer Masse von 300t liegt noch
unterhalb der Z-V-Kennlinie der BR 120, so daB auch solche Ziige z.B. im Intercity-
Leistungselektronik in einer Universallokomotive 9
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Bild 2: Z-V-Kennlinien von Lokomotiven und Ziigen der DB.
10 Manfred Depenbrock
15 KV 16~Hz Fahrd raht
Schiene Umax= 612V
I max = 22 .200A
Bild 3: Antriebsschema der BR 103
verkehr von der BR 120 befordert werden konnen. Die kurzzeitig und bei
Geschwindigkeiten oberhalb von 170 km/h fUr Beschleunigungsvorgange zur Ver
fUgung stehende Zugkraftreserve ist bei der BR 103 (dick gestriche1te Kurve in
Bild 2) allerdings groBer als bei der neuen BR 120'.
Worin liegen nun die Ursachen fUr die stark verschiedenen Z-V-Kennlinien der
beiden betrachteten Lokomotiven? Bei der BR 103 und allen anderen Lokomo
tiven mit konventioneller Technik erfolgt die U mwandlung elektrischer Leistung
in mechanische Leistung durch Kommutatormotoren, deren Aufbau auf T afe1 II
und deren elektrotechnisches Symbol in Bild 3 dargestellt ist. Durch den Durch
fluB des Motorstromes i durch die im Stander ruhende Erregerwicklung E - F ent
steht ein raumfestes Magnetfeld. Derse1be Strom i durchflieBt auch die in den
Nuten des Rotors untergebrachte Ankerwicklung A-B. Der sogenannte Kommu
tator sorgt dafiir, daB in den Teilen der Rotorwicklung, die sich im Bereich des
magnetischen Siidpols des Erregerfe1des befinden, der Strom immer im umgekehr
ten Sinne flieBt wie in den Teilen der Rotorwicklung, die jeweils im Bereich des
13
magnetischen Nordpols liegen. In einem Magnetfe1d mit der FluBdichte werden
auf elektrische Ladungen Q, die mit der Geschwindigkeit V durch die Leiter
flieBen, Kriifte nach dem Grundgesetz
F=Q· Vx13
ausgeiibt. Durch die Funktion des Kommutators greifen dann am Rotor alle auf
die bewegten Ladungen ausgeiibten T eilkrafte im gleichen Sinne zur Bildung
des gewiinschten Drehmomentes des Motors an. Durch die stromdurchflossene
Leistungselektronik in einer U niversallokomotive 11
Rotorwicklung wiirde infolge der Kommutatorfunktion unabhangig von der
Drehung des Rotors ein zusatzliches, in bezug zum Stander ortsfestes Magnetfeld
entstehen, das aus verschiedenen Grunden unerwiinscht ist. Durch den DurchfluG
des Stromes i durch eine weitere, im Stander ruhende Wicklung 1-K wird dieses
unerwiinschte Feld kompensiert. Wenn eine Nut des Ankers die Grenze zwischen
dem magnetischen Siidpol und dem Nordpol iiberschreitet, muG in den zugehori
gen Leitern der Ankerwicklung der Strom seine FluGrichtung umkehren. Damit
dieses funktionssicher geschieht, muG im Stander von Kommutatormotoren noch
eine weitere, ebenfalls vom Motorstrom durchflossene Wicklung G-H vor
gesehen werden, die den sogenannten WendefluG erregt. In allen, relativ zum
Magnetfeld des Motors ruhenden Standerwicklungen wird nur vergleichsweise
sehr wenig elektrische Energie in Verlustwarme umgewandelt. Bei der Bewegung
der Rotorwicklung im raumlich ruhenden Erregerfeld wird dagegen elektrische
Leistung sehr verlustarm in mechanische Leistung verwandelt, die gesamte dazu
benotigte elektrische Leistung muG iiber auf dem Kommutator schleifende Grafit
kontakte der rotierenden, fiir die volle Motorspannung isolierten Ankerwicklung
zugefiihrt werden. Durch die Starke des Stromes i wird das Drehmoment be
stimmt. Die Spannung, die notwendig ist, urn diesen Strom durch den Motor zu
treiben, ist nahezu proportional zur Drehzahl des Motors. Bei fast allen Fern
bahnen wird den elektrischen Triebfahrzeugen iiber das Leiterpaar Fahrdraht -
Schiene Wechselspannung zugefiihrt. Die Hohe der den Motoren zugefiihrten
Spannung muG sich, wie gesagt, zur Einhaltung einer gewiinschten Zugkraft mit
der Geschwindigkeit V andern. Dies geschieht in einfachster Weise durch Trans
formatoren, deren Dbersetzungsverhaltnis mit Hilfe eines Stufenschalters verstellt
wird.
Der mit der Fahrdrahtspannung von 15 kV gespeiste Spartransformator mit
Stufenschaltwerk gestattet bei der BR 103 die dem Abspanntransformator zu
gefiihrte Spannung in 40 Stufen zu andern. Die maximale Motorspannung hat
einen Effektivwert von 612 V. Bei Dauerbetrieb mit dem dann maximal zulassigen
Drehmoment wird den sechs Fahrmotoren ein Strom von insgesamt 10500 A
zugefiihrt, der beim kurzzeitig zulassigen Spitzendrehmoment auf 22200 A
anwachst. Zur Umkehr der Fahrtrichtung muG die DurchfluGrichtung dieser
Strome in den Erregerwicklungen durch mechanische Schaltapparate umgekehrt
werden. Bei Kommutatormotoren groGer Leistung, die direkt mit Wechselstrom
betrieben werden, begrenzt die Funktionseinheit Grafitkontakt-Kommutator die
zulassige F requenz des Wechselstroms auf weniger als 20 Hz. 1m deutschsprechen
den Mitteleuropa und in Nordeuropa werden deshalb die Fernbahnen durch
Wechselspannung mit V3 der normalen Netzfrequenz, d. h. mit 16% Hz betrieben.
Das beschriebene System zur U mwandlung von elektrischer Energie in mecha
nische Energie durch Wechselstrom-Kommutatormotoren und deren Leistungs-