Elektrische Triebfahrzeuge und ihre Energie Versorgung Grundlagen und Praxis von Prof. Dr.-Ing. Andreas Steimel

Oldenbourg Industrieverlag München

Inhalt Vorbemerkungen Inhalt

V VII

1

Grundlagen

1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.4 1.5

Definitionen Was ist eine Eisenbahn? Einteilung der Bahnen Historische Entwicklung der elektrischen Eisenbahn Kurzer Überblick über die Bahnstromsysteme Gleichstrom-Bahnsysteme Wechselstrom-Bahnsysteme Drehstrom-Bahnsysteme Spannungen der Zugsammeischiene Stand der Elektrifizierung in ausgewählten Ländern Vergleich der Traktionsarten Europäische Bahnindustrie

1 1 1 2 7 8 '8 9 9 10 10 12

2

Zugförderungsmechanik

17

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.3 2.4

Prinzipien der Spurführung Spurweiten Spurführung des Radsatzes Fahrwerk und Drehgestell Drehgestelle mit selbststeuernden Radsätzen Gleisbogenabhängige Wagenkastensteuerung (Neigetechnik) Fahrwiderstand Laufwiderstand Bogenwiderstand Steigungswiderstand Beschleunigungswiderstand Dauer- und Anfahrkräfte (F-v-Diagramm) Radsatzentlastung Adhäsion, Gleit- und Schleuderschutz Zeitverlust durch Anfahren und Bremsen

17 17 18 21 25 26 29 29 30 30 31 32 34 37 42

3

Fahrwerk und Antrieb von Triebfahrzeugen

45

Einteilung der Triebfahrzeuge, Radsatzfolge Einteilung der Triebfahrzeugbauarten Radsatzfolge

45 45 45

3.1 3.1.1 3.1.2

1

VIII

Inhalt

3.2

Mechanische Komponenten der Kraftübertragung

47

4

Kommutator-Fahrmotoren und ihre Steuerung

59

4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.2 4.2.1 4.2.2

Gleichstromfahrmotor 59 Gleichstrom-Kommutatormotor 59 Steuerung der Ankerspannung über Vorwiderstände 65 Steuerung der Ankerspannung bei Gleichstrombahnen mittels Gleichstromsteller 66 Steuerung der Ankerspannung bei Wechselstrombahnen mit Anschnittsteuerung 71 Wechselstromfahrmotor 76 Der Wechselstrom-Kommutatormotor 76 Spannungssteuerung beim Wechselstrom-Kommutatormotor 77

5

Synchronfahrmotoren und ihre Steuerung

81

5.1

Synchronmotor

81

5.2

Speisung des Synchronfahrmotors mit einem lastgeführten Wechselrichter 84

6

Asynchronfahrmotoren und ihre Steuerung

89

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 6.6.5 6.6.6 7

Aufbau und stationäres Betriebsverhalten Pulswechselrichter Geregelter Betrieb des Asynchronmotors Gruppenspeisung von Asynchronfahrmotoren Vierquadrantsteller Wechselrichter-Schaltungs- und Aufbautechnik Zwangskommutierte Thyristor-Wechselrichter Wechselrichter mit Gate-Turn-Off-Thyristoren IGBT-Wechselrichter Dreipunkt-Wechselrichter Stromzwischenkreis- (I-) Wechselrichter Kühlungs-und Aufbautechnik Elektrische Triebfahrzeuge für Vollbahnen

89 99 103 108 111 117 117 120 122 123 124 126 137

7.1 7.1.1 7.1.2. 7.2 7.3 7.4 7.4.1 7.4.2

Elektrische Triebfahrzeuge mit Gleichstrom-Fahrmotoren Gleichstromsteller-Steuerung Thyristor-Anschnittsteuerung Elektrische Triebfahrzeuge mit Wechselstrom-Fahrmotoren Elektrische Triebfahrzeuge mit Synchron-Fahrmotoren Elektrische Triebfahrzeuge mit Asynchron-Fahrmotoren Lokomotiven Hochgeschwindigkeits-Triebzüge

137 137 137 141 144 145 146 150

8

Mehrsystemfahrzeuge

155

8.1 8.2

Bauformen mit GS-Kommutatormotoren und Synchronmotoren Bauformen mit Asynchronmotoren

155 159

IX 9

Dieselelektrische Fahrzeuge

9.1 9.2 9.3

Klassische Technik - Hydraulische und elektrische Kraftübertragung . . . 165 DE-Fahrzeuge mit Drehstromantriebstechnik 171 Zweikraft-Triebfahrzeuge 181

10

Nahverkehrsfahrzeuge

183

10.1 10.2 10.3

S- und U-Bahn-Fahrzeuge Straßenbahnen, besonders in Niederflurtechnik Speichertriebfahrzeuge

184 190 202

11

Bremstechnik

207

11.1 11.2 11.3

Druckluftbremse Magnetschienenbremse Lineare Wirbelstrombremse

207 211 212

12

Unkonventionelle Bahnen

215

12.1 12.2 12.3 12.4 12.4.1 12.4.2 12.4.3 12.4.4 12.4.5

Spurgeführte Bahnen mit Luftgummirädern Hängebahnen Gleislose Bahnen Magnetschwebebahnen Tragen und Führen Berührungsloser Antrieb Umrichter Bordnetzversorgung der Fahrzeuge Anwendungsstrecke Pudong International Airport - Shanghai

215 218 221 225 226 228 231 232 232

13

Stromversorgung der elektrischen Bahnen

235

Wechselstrombahnen mit 16 2/3 (16,7) Hz Zentrales und dezentrales Netz der DB Rotierende Umformer Statische Umrichter Wechselstrombahnen mit 50 Hz , Eigenschaften, Vergleich mit 16 2/3 Hz-System Autotransformatorschaltung Höhere Betriebsspannung Gleichstrombahnen Fahrleitungen und Stromabnehmer

235 235 241 244 246 246 249 250 252 256

13.1 13.1.1 13.1.2 13.1.3 13.2 13.2.1 13.2.2 13.2.3 13.3 13.4

165

14

Netzrückwirkungen

263

14.1 14.2 14.2.1 14.2.2 14.2.3

Überblick Störquellen bei Gleichspannungsbahnen Spannungsoberschwingungen der Unterwerks-Gleichrichter Eingangsstromoberschwingungen der Gleichstromsteller Eingangsstromoberschwingungen des I-Wechselrichters

263 264 264 265 266

X 14.2.4 14.3 14.3.1 14.3.2 14.3.3 14.3.4 14.3.5 14.4 14.5 14.6 14.7

Inhalt

14.8

Eingangsstromoberschwingungen des Pulswechselrichters 267 Störquellen bei Wechselspannungsbahnen 269 Spannungsoberschwingungen der Einspeisungen 269 Eingangsstromoberschwingungen der Phasenanschnittsteuerung 269 Eingangsstrom-Oberschwingungs-Anteile durch WR-Eingangsstrom .. . 273 Eingangsspannungsoberschwingungen des Vierquadrantstellers 274 Modulation der Eingangsstrom-Oberschwingungen des PWR durch den 4q-Steller278 Impedanzen im Bahnnetz 278 Kopplungsmechanismen, psophometrischer Störstrom 281 Gleisfreimeldekreise 283 Geregelte frequenzselektive Unterdrückung von niederfrequenten Störstromanteilen von leistungselektronischen Stellgliedern 285 Höchstfrequente Störwirkungen 285

15.

Anhang

287

15.1 15.1.1 15.1.2 15.1.3 15.1.4 15.1.5 15.1.6 15.1.7 15.2 15.3

Regelungsverfahren für Traktionsumrichterantriebe Anforderungen der Traktion Raumzeigerdarstellung von dreisträngigen Systemen Dynamisches Raumzeigerersatzschaltbild der Asynchronmaschine Feldorientierte Regelung Direkte Selbstregelung Indirekte Statorgrößen-Regelung Zusammenfassung Einheitliche Kennzeichnung der Waggons von UIC und OSShD Formelzeichen und Abkürzungen

287 287 287 288 289 295 301 304 305 306

16

Literatur

313

16.1 16.2 16.3

Bücher, Vorlesungsskripte Zeitschriften Ausgewählte Zeitschriftenaufsätze

313 314 315

17

Übungen (mit Musterlösungen)

327

Index

361