DE102007045314A1

DE102007045314A1 - Dieselelektrisches Fahrzeug

Info

Publication number: DE102007045314A1
Application number: DE102007045314A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Körner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-04-23
Also published as: EP2201664A2; WO2009040211A3; WO2009040211A2

Abstract

Dieselelektrisches Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einem Dieselgenerator (2) der als permanenterregter Synchrongenerator ausgeführt ist, der mit einer in einem Ständer vorgesehenen Ständerwicklung (4), die eine Traktionswicklung (5) und eine davon galvanisch getrennten Hilfswicklung (6) aufweist, ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein dieselelektrisches Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug mit einem Dieselgenerator.
Fahrzeuge, insbesondere Schienenfahrzeuge, die als Triebfahrzeuge ausgebildet sind, kommen immer dann mit einem Dieselmotor als Primärenergiequelle zum Einsatz, wenn die Strecke wegen mangelnder Belastung nicht elektrifiziert wurde.
Die zentralen Probleme beim Einsatz eines Dieselmotors als Traktionsantrieb sind die Unfähigkeit im Anlauf Drehmoment abzugeben, wie dies beispielsweise Elektromotoren oder Dampfmaschinen können und die relativ feste Bindung von Leistung und Drehzahl bei niedriger Verbrauchsziffer.
Bei Straßenfahrzeugen wurden diese Probleme durch Kupplungen und Schaltgetriebe beseitigt. Bei Schienentriebfahrzeugen ist dies nur im kleinen Leistungsbereich wirtschaftlich realisierbar.
Bei Fahrzeugen für den Schienenverkehr mit höherer Leistung kommen deshalb nur eine dieselhydraulische Kraftübertragung mit Föttinger-Wandler und die dieselelektrische Kraftübertragung in Frage.
Bei dieselelektrischen Fahrzeugen und auch allen weiteren Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen (z. B. Gasmotoren, Gasturbinen) und elektrischer Leistungsübertragung sind neben den Traktionsmotoren auch elektrische Hilfsbetriebe als Verbraucher mit einer niedrigeren verketteten Wechselspannung (z. B. 440 Volt) zu versorgen, die auch umrichtergespeist sein können. Diese Verbraucher müssen aus Schutzgründen galvanisch vom Traktionszwischenkreis elektrisch getrennt werden. Bei höheren Dieselleistungen (insbesondere Leistungen größer 1000 bis 1500 kW) beträgt die Spannung des Traktionszwischenkreises typischerweise mindestens 1800 V.
Zur galvanisch vom Traktionszwischenkreis getrennten Versorgung der Hilfsbetriebe gibt es folgende bekannten Grundkonzepte, auf die später im Rahmen der Figurenbeschreibung näher eingegangen wird:
Anzapfung der Generatorständerwicklung und Einsatz eines Transformators mit Gleichrichter zur Versorgung des Hilfsbetriebsumrichters.
Einbau einer kompletten galvanisch getrennten Hilfsbetriebswicklung im Ständer des Dieselgenerators zusätzlich zur Traktionswicklung.
Versorgung der Hilfsbetriebe direkt aus dem Traktionszwischenkreis.
Versorgung des Hilfsbetriebsumrichters mit einer gepulsten Gleichspannung aus dem Traktionszwischenkreis mittels Tiefsetzsteller.
Versorgung des Hilfsbetriebsumrichters und einer gepulsten Gleichspannung über einen vergleichsweise kompakten leichteren Mittelfrequenztransformator.
Nachteilig bei all den aufgezeigten Lösungen sind infolge der Verwendung von Leistungshalbleitern mit höherer Sperrspannung oder zusätzlich komplexen Wicklungssystemen oder Transformatoren zur Potentialtrennung die aufwändige und teure Umsetzung.
Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Versorgung der Hilfsbetriebe in einfacher Art und Weise bereit zu stellen, unter Anwendung der galvanischen Trennung und unter Beachtung der geltenden Schutzvorschriften.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein dieselelektrisches Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einem Dieselgenerator der als permanenterregter Synchrongenerator ausgeführt ist, der mit einer in einem Ständer vorgesehenen Ständerwicklung, die eine Traktionswicklung und eine davon galvanisch getrennten Hilfswicklung aufweist, ausgeführt ist.
Die damit zusätzlich galvanisch getrennte Hilfsbetriebswicklung im Ständer des Dieselgenerators, der als permanenterregter Synchrongenerator ausgeführt ist, sind keine weiteren Trenntransformatoren, die sich in Kosten, in Masse und in Bauraum niederschlagen, für die Hilfsbetriebe notwendig. Auch sind keine zusätzlichen Leistungshalbleiterbauelemente mit erhöhter Sperrspannung notwendig.
Vorteilhafter Weise sind dabei die Hilfsbetriebswicklungen mit der Traktionswicklung des Stators des permanenterregten Synchrongenerators verschachtelt. D. h. die Hilfsbetriebswicklung befindet sich zumindest abschnittsweise mit der Traktionswicklung in den gleichen Nuten des Ständers.
In einer anderen Ausführungsform sind vorgegebene Abschnitte des Ständers nur von der Hilfsbetriebswicklung belegt. Damit ist die Hilfsbetriebswicklung konzentriert in den Nuten eines Abschnitts der permanenterregten Synchronmaschine angeordnet.
Sowohl bei der einen, als auch bei der anderen Ausführungsform wird in erster Näherung das Verhältnis zwischen den Nutenzahlen bzw. Polen, die jeweils für die Traktionswicklung und die Hilfsbetriebswicklung belegt werden, durch das Verhältnis der Traktions- und Hilfsbetriebsleistungen bestimmt. Beide Wicklungsanordnungen, d. h. eine verteilte Hilfsbetriebswicklung als auch die konzentrierte Hilfsbetriebswicklung führen zu vergleichsweise höheren Wicklungsoberfeldern, die allgemein zu größeren Maschinenverlusten im Rotor und im Ständer führen.
Deshalb kommen für hoch ausgenutzte und gleichzeitig auf Wirkungsgrad ausgelegte Asynchrongeneratoren und elektrisch erregte konventionelle Generatoren mit Dämpferkäfig derartige Rotoren nicht in Frage. Dies würde bei Käfigläufern zu hohen Ausgleichsströmen führen.
Bei der konzentrierten Hilfsbetriebswicklung führen die Randeffekte vom Übergang der Traktionswicklung auf die Hilfsbetriebswicklung und umgekehrt zu vergleichsweise hohen Verlusten bei Asynchrongeneratoren und konventionellen Synchrongeneratoren. Der Rotor der permanenterregten Synchronmaschine ist aufgrund der vorgeschlagenen Anordnung der Hilfsbetriebswicklung, die zu erhöhten Läuferverlusten bei konventionellen Generatoren führt, vergleichsweise gut geeignet, da die Wicklungsoberfelder und/oder Randeffekte keine parasitären Auswirkungen auf den Rotor haben, die sich letztendlich in erhöhten Wärmeabgabe zeigen würden. Dies zeigt sich insbesondere auch dadurch, dass bei Verwendung der Zahnspulentechnik bei der permanenterregten Synchronmaschine die ebenfalls Oberwellen verursacht, die Läufer weniger verlustbehaftet sind.
Die Hilfsbetriebswicklung und die Traktionswicklung sind im Bereich des Ständers des permanenterregten Synchrongenerators konzentriert ausgeführt, wobei eine vorgebbare Anzahl der vorhandenen Polpaare, die galvanisch getrennte Hilfsbetriebswicklung bilden.
Vorteilhafterweise bilden dabei ca. 20% der vorhandenen Polpaare für die konzentrierte Hilfsbetriebswicklung vorgesehen.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 bis 5 Anordnungen des Standes der Technik,
6 ein erfindungsgemäßes Schaltungsprinzip,
7 konzentrierte Hilfsbetriebswicklung,
8 verteilte Hilfsbetriebswicklung,
9 prinzipielle Darstellung eines permanenterregten Synchrongenerators.
1 zeigt in einem Schaltbild eine Anzapfung einer Ständerwicklung 4 eines Dieselgenerators 2, wobei die Ständerwicklung 4 als Traktionswicklung 5 ausgelegt ist. Die Traktionswicklung 5 dient insbesondere der Leistungszufuhr der Fahrmotoren 8. Des Weiteren ist im Rahmen einer elektrischen Anzapfung ein Transformator 12 vorgesehen, der eine galvanische Trennung zwischen der Ständerwicklung 4 und dem Hilfsbetriebsgleichrichter 11 herbeiführt. Der Hilfsbetriebsgleichrichter 11 speist über einen Zwischenkreis den Hilfsbetriebsumrichter 10, der wiederum die Hilfsbetriebe, beispielsweise Klimaanlagen, Licht etc. betreibt. Der Dieselgenerator 2 weist eine elektrische Erregung 3 auf. Der Dieselgenerator 2 wird von einem Dieselmotor 1 angetrieben. Über die Ständerwicklung 4, die in diesem Fall als Traktionswicklung 5 ausgebildet ist, wird über einen Diodengleichrichter 7 ein Traktionszwischenkreis 18 gespeist. Vom Traktionszwischenkreis 18 werden über verschiedene Traktionsumrichter 17 die Fahrmotoren 8 gespeist. Am Traktionszwischenkreis 18 sind elektrisch ebenfalls der Bremschopper 15 und der Bremswiderstand 16 angeordnet.
Der Aufwand dieser Anordnung zeigt sich u. a. darin, dass eine Anzapfung der Ständerwicklung 4 vorgenommen werden muss und zur galvanischen Trennung zwischen Ständerwicklung 4 und Hilfsbetriebsgleichrichter 11 ein Transformator 12 vorzusehen ist.
2 zeigt einen der 1 ähnlichen Aufbau, wobei zur elektrischen Speisungen der Hilfsbetriebe 9 eine von der normalen Ständerwicklung, in diesem Fall die Traktionswicklung 5 komplett galvanisch getrennte Hilfsbetriebswicklung 6 im Ständer des Dieselgenerators 2 zusätzlich zur Traktionswicklung 5 vorzusehen ist. Diese Hilfsbetriebswicklung 6 muss u. a. zur Vermeidung von Pendelmomenten und Verlusten im Dämpferkäfig dieses konventionellen Dieselgenerators 2 wie die Traktionswicklung 5 aufgebaut sein, d. h. gleiche Spulenzahl mit gleicher Spulenweite. Damit ist diese Hilfsbetriebswicklung 6 sehr aufwendig herzustellen und dementsprechend teuer.
3 zeigt in einer weiteren bereits bekannten Alternative die Versorgung der Hilfsbetriebe 9 direkt aus dem Traktionszwischenkreis 18, wobei der Hilfsbetriebsumrichter 10 mit Leistungshalbleitern von entsprechender Sperrspannung aufgebaut sein muss und ein Transformator 12 vorzusehen ist, um eine galvanische Trennung zu gewährleisten. Sowohl die entsprechenden Leistungshalbleiter als auch ein zusätzlicher Transformator machen sich in den Kosten und auch in der Masse als auch den elektrischen Verlusten bemerkbar.
4 zeigt die Versorgung des Hilfsbetriebsumrichters 10 durch eine gepulste Gleichspannung aus dem Traktionszwischenkreis 18 mittels eines Tiefsetzstellers, der aus einem Chopper 14 und einer Drossel 13 gebildet ist. Zur galvanischen Trennung muss dabei ebenfalls ein Transformator 12 eingesetzt werden.
5 zeigt in einer weiteren bereits eingesetzten Variante einen vergleichsweise kompakten und leichten Mitteltransformator 12 für Mittelfrequenz zur die Versorgung des Hilfsbetriebsumrichters 10 durch eine gepulste Gleichspannung. Damit liegt eine galvanische Trennung vor und es ist ein zusätzlicher Gleichrichter vorhanden.
6 zeigt nunmehr eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Dieselgenerator, der als permanenterregter Synchrongenerator ausgeführt ist mit einer einfachen, galvanisch getrennten Hilfsbetriebswicklung 6 im Ständer 30 des Synchrongenerators zusätzlich zur Traktionswicklung 5. Der permanenterregte Synchrongenerator speist über einen Gleichrichter 7 den Traktionszwischenkreis 18. Dies kann über einen Diodengleichrichter oder einen IGBT-Gleichrichter geschehen, der zusätzlich eine Energieumkehr bei elektrischen Bremsen des Fahrzeugs erlaubt.
Damit werden die Hilfsbetriebe 9 mit ansonsten in den Bremswiderständen dissipierten Energie gespeist. Diese Energie wird induktiv in die Hilfsbetriebswicklung 6 übertragen und speist somit die Hilfsbetriebe 9. Damit müssen die Hilfsbetriebe 9 im elektrischen Bremsen nicht vom Dieselmotor 1 mit Energie versorgt werden, was eine zusätzliche Kraftstoffeinsparung zur Folge hat.
Damit werden die Hilfsbetriebsumrichter 10 auf angepasster Niederspannungsebene direkt vom Dieselgenerator 2 über einen Dioden- oder IGBT-Gleichrichter gespeisten Zwischenkreis mit einer Spannung U_d von ca. 600 bis 700 V versorgt.
7 zeigt in einem konkreten Ausführungsbeispiel einen 10-poligen permanenterregten Synchrongenerator. Bei der ca. 80% der Dieselleistung für die Traktion und die verbleibenden 20% für die Hilfsbetriebe 9 zur Verfügung stehen sollen. Die dreiphasige elektrische Maschine von der ausgegangen wird, ist mit folgender Ständerwicklung ausgestattet:

Nutzahl pro Pol und Strang: q = 2
Polzahl: 2 p = 10
Strangzahl: m = 3
Wicklungsausführung: Zweischichtwicklung
Ständernutenzahl: N₁ = 60

Das Wicklungsschema für ein Polpaar zeigt 7. Es werden für die 10-polige elektrische Maschine 60 Ständerspulen benötigt. Die Zweischichtwicklung ist gesehnt und weist ein Verhältnis der Spulenweite zur Polteilung von W/_τp = 5/6 auf. Die Schaltung der Spulen von Strang U-X ist fett gekennzeichnet. Die Klemme X wäre bei einer Dreieckschaltung Teil des Sternpunkts.
Für die erfindungsgemäß vorgeschlagene konzentrierte Hilfsbetriebswicklung sind die Polpaare mit einer Wicklung nach 7 versehen, wobei acht Pole für die Traktionswicklung 5 gemäße 6 entsprechend verschaltet sind (parallel, in Reihe, kombiniert). Die beiden verbleibenden Pole für die konzentrierte Hilfsbetriebswicklung 6 werden separat verschaltet, wie in 7 dargestellt. Die beiden Wicklungssysteme (Traktionswicklung 5 und Hilfsbetriebswicklung 6) überlappen sich. Die Ständerspulenzahl erhöht sich dabei nicht.

Die Ständernutenzahlen N1 und Spulenzahlen für das Beispiel des 10-poligen permanenterregten Synchrongenerators sind im folgenden tabellarisch aufgeführt, wobei sich Aufwand und Kosten für die Wicklungsherstellung in erster Linie an der Spulenzahl orientieren.

	Nutenzahl	Spulenzahl für Traktions- und Hilfsbetriebswicklung
Konventionelle Generatoren mit symmetrischen Wicklungen (ASM, elektrisch erregte SM)	60	120
PM-Generator mit verteilter Hilfsbetriebswicklung	75	75
PM-Generator mit konzentrierter Hilfsbetriebswicklung	60	60

Um dies bei konventionellen Generatoren umsetzen zu können, wären zusätzliche 60 Spulen für die Hilfsbetriebswicklung notwendig um eine zur Traktionswicklung symmetrische Hilfsbetriebswicklung herzustellen. Dadurch würde sich der Fertigungsaufwand für die Ständerwicklung 4 verdoppeln.
Für die erfindungsgemäße vorgeschlagene verteilte Hilfsbetriebswicklung 6 erhöhen sich die Nutenzahlen pro Pol und Strang, in diesem Beispiel um 0,5 auf q = 2,5, wobei von der Traktionswicklung 5 wie zuvor nur zwei Nuten pro Pol und Strang belegt werden.
8 zeigt in einem beispielhaften Wicklungsschema für die Anordnung einer verteilten Hilfsbetriebswicklung 6. Die Gesamtspulenzahl für die Ständerwicklung 4 erhöht sich von 60 auf 75 Spulen. Es liegt ebenfalls eine gesehnte Zweischichtwicklung mit verteilter Hilfsbetriebswicklung 6 für ein Polpaar (Traktionswicklung q = 2, Hilfsbetriebswicklung q_HB = 0,5, Spulenweite zu Polteilung W/_τp = 7/7,5) vor. Die Spulen in 8 der Hilfsbetriebswicklung 6 sind gestrichelt dargestellt. Die Schaltungen der Spulen von Strang U-X der Traktionswicklung 4 sind fett dargestellt. Klemme X wäre bei einer Dreiecksschaltung Teil des Sterns. Des Weiteren ist der Anschluss des Strangs R der Hilfsbetriebswicklung dargestellt. Klemme X* wäre bei einer Dreiecksschaltung Teil des separaten Sternpunkts der Hilfsbetriebswicklung.
Die Zahlen in 7,8 sind keine Bezugszeichen sondern lediglich Nummerierungen von Spulen oder Nuten.
9 zeigt in einem prinzipiellen Längsschnitt einen permanenterregten Synchrongenerator ausgeführten Dieselgenerator 2. Der Ständer 30 weist die Ständerwicklung 4 auf, die als Traktionswicklung 5 und als Hilfsbetriebswicklung 6 wie oben beschrieben ausgeführt ist. Die Bleche des Ständers 30 weisen axial verlaufende Kühlkanäle auf. Der Rotor 21, auch als Läufer bezeichnet, ist insbesondere hohl ausgeführt, um zum einen die Trägheit zu reduzieren und zum anderen über den Hohlraum Kühlluft zu führen und oder einen Axiallüfter 23 zu positionieren.
In dieser Ausführungsform sind Permanentmagnete 20 an der Oberfläche des Rotors 21 angeordnet und beispielsweise über eine nicht näher dargestellte Bandage fixiert. Selbstverständlich sind die Permanentmagnete 20 in einer anderen Aus führungsform auch im Rotor 21 als vergrabene Permanentmagnete 20 anordenbar.
Der Ständer 30 ist in einem Gehäuse untergebracht, das eine Wassermantelkühlung 24 aufweist. Das Gehäuse selbst ist über Lager 28 mit einer vom Dieselmotor 1 in Rotation versetzten Welle 29 verbunden.
Über zumindest einen Axiallüfter 23, der beispielhaft im Rotor 21 angeordnet ist, wird ein Kühlluftstrom vom Lufteintritt über den Rotor 21 und den Radiallüfter 26 zum Luftaustritt gelenkt.
Ein weiterer Kühlluftstrom führt vom Lufteintritt 22 über die Kühlkanäle des Ständers 30 und die Wickelköpfe über ein Leitblech zum Luftaustritt 25.
Zusammen mit der Wassermantelkühlung 24 liegt damit eine äußerst effiziente Kühlung des permanenterregten Synchrongenerators an.
Anstatt der Durchzugsbelüftung kann ebenso ein geschlossener Kühlgaskreislauf eingesetzt werden, wobei durch dementsprechend gestaltete Lüfter eine Zirkulation des Kühlgases herbeigeführt wird, die der Wassermantelkühlung 24 in einfacher Art und Weise den Wärmeabtransport ermöglichen. Die gelingt beispielsweise dadurch, dass das erwärmte Kühlgas auf der Innenseite des Gehäuses vorbei streicht.

Claims

Dieselelektrisches Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einem Dieselgenerator (2) der als permanenterregter Synchrongenerator ausgeführt ist, der mit einer in einem Ständer (30) vorgesehenen Ständerwicklung (4), die eine Traktionswicklung (5) und eine davon galvanisch getrennten Hilfswicklung (6) aufweist, ausgeführt ist.
Dieselelektrisches Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsbetriebswicklung (6) mit der Traktionswicklung (5) verschachtelt angeordnet ist.
Dieselelektrisches Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsbetriebswicklung (6) und die Traktionswicklung (5) im Bereich des Ständers (30) des permanenterregten Synchrongenerators konzentriert ausgeführt sind, wobei eine vorgebbare Anzahl der vorhandenen Polpaare (p) die galvanisch getrennte Hilfsbetriebswicklung (6) bilden.
Dieselelektrisches Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionswicklung (5) und/oder die Hilfsbetriebswicklung (6) als Zahnspulen ausgeführt sind.
Dieselelektrisches Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete sich auf der Oberfläche oder in axial verlaufenden Ausnehmungen eines Rotors der permanenterregten Synchronmaschine befinden.
Dieselelektrisches Fahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionswicklung (5) den Traktionszwischenkreis (18) über zumindest einen Gleichrichter (7) speist, der mit IGBT-Modulen ausgeführt ist.