DE10103538B4 - Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug mit Verbrennungsmotor - Google Patents

Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug mit Verbrennungsmotor Download PDF

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Abstract

Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug, welches
– zumindest einen Verbrennungsmotor (1),
– zumindest ein Generator-/Motorsystem mit einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (3) oder einer Asynchronmaschine,
– eine mechanische Kopplung von Verbrennungsmotor (1) und permanentmagneterregter Synchronmaschine (3) oder Asynchronmaschine, und
– zumindest ein Stromrichtergerät (4, 5, 6) mit einem Pulsgleichrichter (5), einem Gleichspannungszwischenkreis (5) und einem Wechselrichter (6), über das zumindest ein Fahrmotor (7) des Schienenfahrzeuges elektrisch versorgbar ist, aufweist,
wobei das Schienenfahrzeug ein Dual-Mode-Schienenfahrzeug ist, welches auch elektrisch über eine Gleichstromfahrleitung betreibbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Pulsgleichrichter (5) als Active Front End ausgeführt ist, wobei dieser beim Betrieb an der Gleichstromfahrleitung als Pulswechselrichter betreibbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Generator-Motor-System.
  • Triebfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren insbesondere dieselelektrische Triebfahrzeuge weisen Dieselgeneratoren zur Leistungsübertragung auf. Der Dieselgenerator ist dabei als ein gleichstromerregter Drehstromsynchrongenerator mit bürstenloser Erregung und ausgangsseitiger Diodenbrücke ausgeführt. Diese Anordnung ist sehr schwer und groß. Die Fertigung einer derartigen Anordnung ist sehr aufwendig und aufgrund der relativ komplizierten Läuferkonstruktion und der auf der Welle mitrotierenden Dioden der Erregermaschine auch sehr störanfällig.
  • Aus der DE 198 30 621 A1 ist ein elektromotorisches angetriebenes Fahrzeug bekannt mit einem Verbrennungsmotor und einem Stromrichter zur Versorgung des Fahrmotors, wobei der Verbrennungsmotor und die permanenterregte Synchronmaschine mechanische gekoppelt sind.
  • In der DE 197 29 033 C1 ist ein dieselelektrischer Antrieb gezeigt, wobei Bremsleistung durch die Verbrennungskraftmaschine aufgenommen wird.
  • Die DE 296 19 924 U1 offenbart ein Drehstrom-Asynchronmotor-Schienenfahrzeug als Mehrsystemfahrzeug.
  • Aus der DE 195 23 985 A1 ist ein Hybridfahrzeug bekannt, bei dem ein Verbrennungsmotor als Last für eine generatorische Bremsung verwendet wird.
  • Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Generator-Motor-System für ein elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zu schaffen, das eine reduzierte Störanfälligkeit, Systemvorteile für das Triebfahrzeug und einen erhöhten Systemwirkungsgrad aufweist.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt bei einem elektromotorisch angetriebenen Schienenfahrzeug mit den Merkmalen nach Anspruch 1 bzw. 2.
  • Dieses elektromotorisch angetriebene Schienenfahrzeug weist also:
    • – ein Generator-Motor-System mit einer permanentmagneterregten Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine,
    • – einen Verbrennungsmotor,
    wobei der Verbrennungsmotor und die permanentmagneterregte Synchronmaschine oder die Asynchronmaschine direkt aneinander geflanscht sind, und ein Stromrichtergerät, über das zumin dest ein Fahrmotor des Schienenfahrzeugs elektrisch versorgbar ist, auf.
  • Dieses Generator-Motor-System weist eine einfache elektrische Maschine mit einem Stromrichter auf. Die Erregung wird dabei gegenüber herkömmlichen Maschinen auf die stationäre Elektronik verlagert. Damit sind folgende Vorteile verbunden: Durch einen einfachen und robusten Läufer einer permanentmagneterregten Synchronmaschine oder der Asynchronmaschine wird dessen Störanfälligkeit gegenüber herkömmlichen Systemen erheblich reduziert. Es stellt sich dadurch ein erhöhter Systemwirkungsgrad ein, der unter anderem den Treibstoffverbrauch des Verbrennungsmotors reduziert. Der Verbrennungsmotor eines derartigen elektromotorisch angetriebenen Schienenfahrzeugs ist insbesondere als Dieselmotor ausgeführt.
  • Außerdem weist das neue Generator-Motor-System gegenüber herkömmlichen Systemen eine deutlich verringerte Masse und eine reduzierte axiale Länge der Gesamtanordnung auf. Damit kann der Einbauraum des neuen Generator-Motor-Systems wesentlich verkleinert werden. Es kann außerdem der Anlasser des Verbrennungsmotors eingespart werden, da ein Anlassen des Verbrennungsmotors über die permanentmagneterregte Synchronmaschine oder die Asynchronmaschine möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Bremswiderstand eingespart oder zumindest in seiner thermischen Auslegung reduziert werden kann, da beim Bremsen des elektromotorisch angetriebenen Schienenfahrzeugs das Generator-Motor-System im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen motorisch arbeitet und somit die Bremsenergie in den Verbrennungsmotor einleitbar ist. Damit ist vorteilhafterweise bei entsprechender Dimensionierung der Motorbremse des Verbrennungsmotors eine Dauerbremsleistung des Schienenfahrzeugs in Höhe der installierten Traktionsleistung möglich.
  • Das Stromrichtergerät speist zumindest einen Fahrmotor. Es sind aber auch parallele Versorgungen mehrerer Fahrzeugmotoren des Triebfahrzeugs möglich.
  • Erfindungsgemäß ist ein Teil des Stromrichtergeräts als Pulsgleichrichter (Active Front End) ausgeführt, der die dreiphasige Wechselspannung der permanentmagneterregten Synchronmaschine oder der Asynchronmaschine in einen Gleichspannungszwischenkreis einspeist. Unter Active Front End (AFE) wird ein aktiver Eingangsstromrichter verstanden, der in der Lage ist Bremsenergie in die elektrische Maschine zurückzuspeisen. Damit ist Zweiquadrantenbetrieb, d.h. Antreiben und Bremsen durch Momentenumkehr möglich.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Pulsgleichrichter (RFE) bei Dual-Mode-DC-Schienenfahrzeugen (Dieselbetrieb oder elektrischer Betrieb an einer Gleichstromfahrleitung) im elektrischen Betrieb umgruppiert und als zweiter Pulswechselrichter eingesetzt worden, was eine Verdopplung der Traktionsleistung im elektrischen Betrieb ermöglicht.
  • Außerdem kann der Pulsgleichrichter (AFE) des Stromrichtergeräts bei Dual-Mode-AC-Schienenfahrzeugen (Dieselbetrieb oder elektrischer Betrieb an einer Wechselstromfahrleitung) im elektrischen Betrieb an der AC-Fahrleitung umgruppiert und als Vierquadrantensteller genutzt werden. Dadurch wird ein Dual-Mode-AC-Schienenfahrzeug ohne Zusatzstromrichter ermöglicht. Lediglich ein Haupttransformator und ein Saugkreis müssen zusätzlich installiert werden.
  • Vorteilhafterweise ist dem Gleichstromzwischenkreis ein Wechselrichter nachgeschaltet, der einen oder mehrere Fahrmotoren speist. Es ist somit möglich, Drehstromfahrmotoren über Wechselrichter aus dem Gleichspannungszwischenkreis zu versorgen. Es können ebenso Gleichstrommotoren direkt vom Zwischenkreis des Stromrichtergeräts gespeist werden.
  • Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im folgenden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert, darin zeigt:
  • 1 die prinzipielle Darstellung eines derartigen Generatorsystems.
  • Ein Dieselmotor 1 treibt über drehmomentübertragende Mittel z.B. eine Welle 2 einen Generator an, der als permanentmagneterregter Synchrongenerator 3 ausgeführt ist. Es ist ebenso möglich anstatt des permanentmagneterregten Synchrongenerators 3 einen Asynchrongenerator einzusetzen. Dieselmotor 1 und permanentmagneterregter Synchrongenerator 3 sind direkt aneinander geflanscht. Über die Welle 2 wird sowohl die Antriebsleistung des Dieselmotors 1 an den permanentmagneterregten Synchrongenerator 3 als auch die Bremsleistung des elektronisch angetriebenen Schienenfahrzeugs über den nun als Motor laufenden permanentmagneterregten Synchrongenerators 3 an den Dieselmotor 1 übertragen. Der permanentmagneterregte Synchrongenerator 3 gibt im Normalbetriebsfall (Antreiben des elektronisch angetriebenen Schienenfahrzeugs) eine dreiphasige Wechselspannung an einen Pulsgleichrichter 4, der einen Gleichspannungszwischenkreis 5 speist, aus. Der Gleichspannungszwischenkreis 5 kann einen nicht näher dargestellten Gleichstrommotor, der als Fahrmotor fungiert, speisen. In dem nun dargestellten Fall gemäß 1 wird die Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises 5 über einen Wechselrichter 6 in eine dreiphasige Spannung umgeformt und diese einem oder mehreren Drehstromfahrmotoren 7 zugeführt.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung reduziert sich das gesamte Bauvolumen des Antriebsystems des elektromotorisch angetriebenen Schienenfahrzeugs und die aufzuwendende Masse wird außerdem verringert. Mit dem Antriebsystem ist außer dem Fahrvorgang auch der Bremsvorgang ohne zusätzliche Bremswi derstände zu beherrschen, da der Dieselmotor 1 zur Aufnahme der Dauerbremsleistung auslegbar ist.

Claims (7)

  1. Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug, welches – zumindest einen Verbrennungsmotor (1), – zumindest ein Generator-/Motorsystem mit einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (3) oder einer Asynchronmaschine, – eine mechanische Kopplung von Verbrennungsmotor (1) und permanentmagneterregter Synchronmaschine (3) oder Asynchronmaschine, und – zumindest ein Stromrichtergerät (4, 5, 6) mit einem Pulsgleichrichter (5), einem Gleichspannungszwischenkreis (5) und einem Wechselrichter (6), über das zumindest ein Fahrmotor (7) des Schienenfahrzeuges elektrisch versorgbar ist, aufweist, wobei das Schienenfahrzeug ein Dual-Mode-Schienenfahrzeug ist, welches auch elektrisch über eine Gleichstromfahrleitung betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter (5) als Active Front End ausgeführt ist, wobei dieser beim Betrieb an der Gleichstromfahrleitung als Pulswechselrichter betreibbar ist.
  2. Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug, welches – zumindest einen Verbrennungsmotor (1), – zumindest ein Generator-/Motorsystem mit einer permanentmagneterregten Synchronmaschine (3) oder einer Asynchronmaschine, – eine mechanische Kopplung von Verbrennungsmotor (1) und permanentmagneterregter Synchronmaschine (3) oder Asynchronmaschine, und zumindest ein Stromrichtergerät (4, 5, 6) mit einem Pulsgleichrichter (5), einem Gleichspannungszwischenkreis (5) und einem Wechselrichter (6), über das zumindest ein Fahrmotor (7) des Schienenfahrzeuges elektrisch versorgbar ist, aufweist, wobei das Schienenfahrzeug ein Dual-Mode-Schienenfahrzeug ist, welches auch elektrisch über eine Wechselstromfahrleitung betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter (5) als Active Front End ausgeführt ist, wobei dieser beim Betrieb an der Wechselstromfahrleitung als Vier-Quadrantensteller betreibbar ist.
  3. Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schienenfahrzeug einen Transformator aufweist.
  4. Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schienenfahrzeug einen Saugkreis aufweist.
  5. Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbrennungsmotor (1) und Synchronmaschine (3) direkt aneinander geflanscht sind.
  6. Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) als Dieselmotor ausgeführt ist.
  7. Elektromotorisch angetriebenes Schienenfahrzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bremsen des elektromotorisch angetriebenen Schienenfahrzeugs das Generator-/Motorsystem motorisch arbeitsfähig ist und somit die Bremsenergie in den Verbrennungsmotor einleitbar ist.
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