01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 1
Theorie elektrischer Verkehrssysteme
Abbildungen zur Vorlesung WS 2014/2015
Vorlesung
Folie 2
Vorlesung Theorie EVSInhalte
1. Elektrisches Verkehrssystem- Systemdefinition- Traktionstechnischer Vergleich- Elektrifizierungswürdigkeit
2. Elektrotechnische Grundlagen (Wdh.)
3. Elektrische Maschinen- Transformator- Gleichstrommaschine- Asynchronmaschine- Synchronmaschine
4. Leistungsauslegung elektrischer Fahrzeuge- Grenzkräfte- Grenzleistungen
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme"
Laborpraktikum
Übung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 3
1 Elektrisches Verkehrssystem
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 4
Elektrisches Verkehrssystem
Transportaufgabe
Ortsveränderung
Leistung, Energie
Umwelt
PrimärwirkungenTräger des ProzessesAusgangsgröße
Sekundärwirkungen- Aufkommen(Anzahl / Menge)
- Entfernung
- Masse
- Geschwindigkeit
- zeitliche Verteilung
- Energieerzeugung
- Energieübertragung
- Energieverteilung
- Energiezuführung
- Elektrisches Fahrzeug
- Rückstromführung / Erdung
- Flächennutzung
- EMV
- Lärm
- Schadstoffe
Grundlagen: Elektrisches Verkehrssystem
55
EnergieverteilungUnterwerk
Schutz
EnergieübertragungBahnenergie-leitung
EnergiezuführungFahrleitung
Rückstromführung / Erdung
Gleis
Rückleitung
Erde
EnergieerzeugungKraftwerk
NetzregelungSchutz Schutz
Landesnetz
Umrichter
Folie 5
ElektrischesTriebfahrzeug
Zähler
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme"
Grundlagen: Systemübersicht Elektrische Bahn
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" Folie 6
EnergieverteilungLadestation
Zähler / Schutz
EnergieübertragungEnergie-leitung
EnergieerzeugungKraftwerk
NetzregelungSchutz Schutz
Kraftwerk
Elektro-Fahrzeug
Speicher
Ladestation Ladestation Ladestation
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
SpeicherSpeicher
Grundlagen: Systemübersicht Elektroverkehr Straße
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" Folie 7
Grundlagen: Systemaufbau spurgeführter elektrischer Verkehrssysteme
=3~
Fahrzeug
Streckenkabel
Bremssteller/Bremswiderstände
Kraftwerk Kraftwerk
3~110-kV-50-Hz
3~20-kV-50-Hz
2~110-kV / 55-kV-16 2/3-Hz
1~15-kV-16 2/3-Hz
Fahrleitung 1~15-kV-16 2/3-Hz
3~ =
3~ =
Linearmotor
Wechselrichter
Eingangsstromrichter
Unterwerkstransformator Hochspannungstransformator
Stromrichtertransformator
Ausgangstransformator
FMLoktrafo
Wechselrichter
Fahrmotor
Getriebe
1~=
4-qs
Magnetbahn (Transrapid) Eisenbahn (ICE)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme"
Warumelektrisch
?
Folie 8
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme"
Bo’ Bo’86 t, 4 Achsen
8,0 MW
10 … 15 kg / kW
Co’ Co’ + Co’ Co’ + Co’ Co’ + Co’ Co’ 520 t, 24 Achsen
4 x 2,0 MW = 8,0 MW
35 … 50 kg / kW
Leistungsfähigkeit der elektrischen Traktion
Folie 9
Ftr
v
Fmax ()
vmax
Fmax (P)
Zugkraft Ftr(v)
Fa (v)
Beschleunigungskraft Fa(v)
5 … 10 %
Fahrwiderstand FR(v)
FR = A + B * v + C * v²
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme"Folie 10
Zugkraft und Beschleunigung eines elektrischen Fahrzeugs
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" Folie 11
Leistung eines elektrischen Fahrzeugs
P
v vmaxvü
Pmech
P = F * v
Ftr
v vmaxvü
F(µ)
F(P)
F (v)
Pel
Antrieb
Ftr
v
Fmax ()
vmax, e
Fmax (Pmax, e)
Zugkraft Elektrische Traktion
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 12
vmax, d
Fmax (Pmax, d)
Zugkraft Dieseltraktion
(bei gleicher Radsatzfahrmasse)
Traktionstechnischer Vergleich: Diesel- und E-Traktion (Zugkraft)
P
v vmax, e220 km/h
Pmax, e
6,4 MW
Traktionsleistung Elektrische Traktion
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 13
vmax, d140 km/h
Pmax, d
2,4 MW
Traktionsleistung Dieseltraktion
Traktionstechnischer Vergleich: Diesel- und E-Traktion (Leistung)
12 MW
- über 2 cm²
- bis 350 km/h- funktioniert beiWind, Regen undSchnee
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme"Folie 14
Leistungsfähigkeit der E-Traktion: Kontinuierliche Energiezuführung
LCC in Abhängigkeit der Streckenbelastung
Dieseltraktion
1 Kapitalkosten für Streckenausrüstung der Diesel-traktion (Tankanlagen, Instandhaltungsanlagen)
2 1 + Kapitalkosten für Dieseltriebfahrzeuge3 2 + Betriebskosten der Dieseltraktion (Kraftstoff,
Instandhaltung, Personal)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme"
Streckenbelastung [Bt/a]
10 … 20 * 106
Bt/a
1
2
3
4
5
6
Elektrische Traktion
4 Kapitalkosten für Streckenausrüstung der elektrischen Traktion (Bahnstrom-, Fahrleitungs-, Instandhaltungs-anlagen)
5 4 + Kapitalkosten für elektrische Triebfahrzeuge6 5 + Betriebskosten der elektrischen Traktion
(Elektroenergie, Instandhaltung, Personal)
LCC
Folie 15
Elektrifizierungswürdigkeit – Lebenszykluskosten (LCC) absolut
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme"
MehrkostenLCC[%]
VorteilDieseltraktion
VorteilElektrische Traktion
Streckenbelastung [Bt/a]
Investitionskosten: • Bahnstromanlagen (+)• Rückstromführung (+)• EMV-Maßnahmen (+)• Triebfahrzeuge (–)
Betriebskosten: • Instandhaltung Bahnstromanlagen (+)• Instandhaltung Triebfahrzeuge (–)• Energiekosten (–)
10 … 20 * 106
Bt/a
Folie 16
Elektrifizierungswürdigkeit – Lebenszykluskosten (LCC) relativ
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 17
2 Elektrotechnische Grundlagen(Wiederholung)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 18
t
io
0t
i
)cos(ˆioti
i iojei ˆ
i )(ˆ iotjei mit Winkelgeschwindigkeit rotierender Zeiger der Länge î zum Zeitpunkt t ZEITBEREICH
ruhender Zeiger der Länge î zum Zeitpunkt t = 0 BILDBEREICH(„Momentaufnahme“)
Darstellung periodischer Wechselgrößen als Zeiger
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 19
q dtd
E
Darstellung periodischer Wechselgrößen in Zeigerschreibweise
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 20
Verbraucherzählpfeilsystem am Vierpol
Primärseite (1) Sekundärseite (2)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 21
Vierquadranten-Darstellung: Leistungsaufnahme und -abgabe
M
G
Wirkleistungsaufnahme
Wirkleistungsabgabe
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 22
t
32
t = 0
a
c
b
Dreiphasensystem: Zeitverlauf von Wechselgrößen (ZEITBEREICH)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 23
32
32
32
a
bc
+-„Projektionsebene“
Dreiphasensystem: Zeigerdarstellung von Wechselgrößen (BILDBEREICH)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 24
Dreiphasensystem: Drehstromleitung
Anordnung Zeigerdarstellungder Spannungen
30°
-Ub
-Uc
-Ua
Ua
Ub
Uc
UL1L2
UL3L1
UL2L3
.
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 25
b
L1 L2 L3
a c
Schaltung Zeigerdarstellungder Spannungen
30°
-Ub
-Uc
-Ua
Ua
Ub
Uc
UL1L2
UL3L1
UL2L3
.
Dreiphasensystem: Verbraucheranschluss in Sternschaltung (Y)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 26
Dreiphasensystem: Verbraucheranschluss in Dreieckschaltung (D)
Schaltung Zeigerdarstellungder Ströme
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 27
3.1 Transformator
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 28
1 - Oberspannungswicklung2 - Unterspannungswicklung
Aufbau des Transformators: Eisenkreis als Kerntransformator
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 29
Aufbau des Transformators: Eisenkreis als Manteltransformator
1 - Oberspannungswicklung2 - Unterspannungswicklung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 30
Aufbau des Transformators: Wicklungsanordnung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 31
1 2
2
q1 q2
Flussverlauf
Idealer Transformator im Leerlauf
PrinzipschaltbildI1
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 32
1 2
1 2
Idealer Transformator: Zeigerbild im Leerlauf
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 33
Idealer Transformator mit Belastung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 34
1 2
1 2 B
1 B
2
B
2
Idealer Transformator: Zeigerbild bei Belastung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 35
1 2
h
h
1
2
Realer Transformator: Schema der induktiven Verkettungen
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 36
1
1 q 2
21
0
21 2
Fe h
Realer Transformator: Ersatzschaltbild
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 37
Realer Transformator: Zeigerbild
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 38
2
B
2
1
1
2
1
1
1 B
Realer Transformator: Vereinfachtes Ersatzschalt- und Zeigerbild
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 39
Bei einem entsprechenden Leerlaufversuch sind also bestimmbar:
1. das Übersetzungsverhältnis
2. die Ummagnetisierungsverluste
3. der relative Leerlaufstrom
2
1
2
1
2
1
ww
UU
UU
ün
n
00
1
0 10011
nUUnIII
VUPI 0 0
U1 V V
A W
I0U2
PVU
,
Realer Transformator: Leerlaufversuch (Sekundärseite unbelastet)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 40
K
K K
K
K
1
K
K
K K
1 K K
o
1 2 K T
1
k
2 K T
Kurzschluss des Transformators: Ersatzschalt- und Zeigerbild
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 41
Kurzschluss des Transformators: Feldverlauf
U2 = 0
U2 = 0
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 42
Realer Transformator: Kurzschlussversuch
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 43
3.2 Gleichstrommaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 44
Gleichstrommaschine: Aufbau
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 45
F1
B
I
F2
Bürstenebene
S
NU
Gleichstrommaschine: Kraftwirkung und Drehbewegung
Kraftwirkungenauf stromführende Leiter im Magnetfeld
Anordnung inder Maschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 46
x
Gleichstrommaschine: Erregerfeld und Luftspaltinduktion
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 47
t
uq
re
0
BV
EB 0
HHdsV
B
x
Gleichstrommaschine: Luftspaltinduktion B und induzierte Spannung Uq
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 48
Gleichstrommaschine: Ankerrückwirkung
Erregerfeld
Ankerfeld„Ankerquerfeld“
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 49
Gleichstrommaschine: Resultierendes Feld infolge Ankerrückwirkung
Resultierendes überlagertes Feldneutrale Zone
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 50
AnkerquerfeldFeld durch Kompensations-und Wendepolwicklung
Gleichstrommaschine: Kompensation des Ankerquerfeldes
Kompensationswicklung im Polschuh
Wendepolwicklung in Bürstenebene
Ankerwicklung im Läufer
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 51
Gleichstrommaschine: Kommutator (auch: Kollektor)
KommutatorstegeBürsten
Ankerwicklungim Läufer
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 52
2BI
BI
2BI
2BI
BI
2BI
BI
2BI
2BI
2BI
2BI
Gleichstrommaschine: Stromwendung (Kommutierung)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 53
M M
Reihenschlussmaschine
Gleichstrommaschine: Schaltung von Erreger- und Ankerwicklung
Nebenschlussmaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 54
Gleichstrommaschine: Induktionsverlauf B(x) unter einer Polteilung p
B(x) dx ≈ Bm px = 0
p
∫
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 55
M
Ie
IA U = konst.
Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Prinzipschaltbild
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 56
n0
n
M
n = f (M)
n
Generator Motor
U = konst.
M
Generator Motor
I
Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Kennlinien
n = f(M) I = f(M)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 57
A e
Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Prinzipschaltbild
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 58
Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Magnetisierungskurve
Sättigung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 59
n
M
1. Abschnitt 2. Abschnitt
Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Kennlinien
n = f(M) I = f(M)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 60
Gleichstrommotoren: Kennlinienvergleich
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 61
(1) Änderung des Widerstandes im Ankerkreis
Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Drehzahlstellung (1)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 62
(2) Änderung der Ankerspannung (mit konstanter Erregung nur fremderregt möglich)
Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Drehzahlstellung (2)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 63
Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Drehzahlstellung (3)
(3) Leonardo-Schaltung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 64
Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Drehzahlstellung (4)
(4) Änderung des Erregerfeldes (Feldschwächung mit Reihenwiderstand)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 65
1
B
B
Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Wirkung der Feldschwächung
Feldschwächung bewirkt Ankerstromerhöhung!
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 66
(1) Änderung des Widerstandes im Ankerkreis
Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Drehzahlstellung (1)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 67
n
M
Un
1,2 Un
0,8 Un
(2) Änderung der Ankerspannung
Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Drehzahlstellung (2)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 68
(3) Änderung des Erregerfeldes (Feldschwächung mit Parallelwiderstand)
Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Drehzahlstellung (3)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 69
3.3 Asynchronmaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 70
Asynchronmaschine: Drehstrom-Ständerwicklung für Polpaarzahl p = 1
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 71
t
32
2
23 2
Asynchronmaschine: Stromverlauf in den Ständerwicklungen
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 72
B
B
L1 L1
L3L3 L2 L2
0t2 t
23
t t
Asynchronmaschine: Entstehung des Drehfeldes
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 73
180°
Asynchronmaschine: Elektrischer und räumlicher Winkel
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 74
f1
f2
n1 n
untersynchroner Lauf übersynchroner LaufGegenlauf
Bremse Motor Generator
s > 1 s = 1 s = 0 s < 0negativ
Asynchronmaschine: Schlupf und Betriebszustände
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 75
Asynchronmaschine: Ersatzschaltbild
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 76
Asynchronmaschine: Zeigerbild
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 77
P1 Pδ
Pv1
Pv2
Pmech
Asynchronmaschine: Leistungsfluss im Motorbetrieb
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 78
Asynchronmaschine: Drehmoment-/ Drehzahlkennlinie M = f(n)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 79
Asynchronmaschine: Vereinfachte Stromortskurve
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 80
3
3
Asynchronmaschine: Stern-/ Dreieckschaltung des Ständers
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 81
Asynchronmaschine: Anlauf mit Stern-/ Dreieckschaltung des Ständers
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 82
Asynchronmaschine: Kippschlupf bei veränderlichem Läuferwiderstand
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 83
Z
Asynchronmaschine: Anlauf mit Anlasswiderständen im Läuferkreis (1)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 84
a
Asynchronmaschine: Anlauf mit Anlasswiderständen im Läuferkreis (2)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 85
Asynchronmaschine: Stromverdrängung in den Läuferstäben
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 86
Asynchronmaschine: Anlauf (1)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 87
Asynchronmaschine: Anlauf (2)
1n 2n 3n
Nachteile:
• Rotor als Schleifringläufer
• Externe Widerstände für Läuferkreis
• Hohe Verluste, geringer Wirkungsgrad
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 88
Asynchronmaschine: Drehmoment-/ Drehzahlstellung (1)
(1) Änderung des Schlupfes
n1 n2 n3
M
n
nUU 1
nUU 1
nUU 1
Nachteile:
• sehr geringer Drehzahlstellbereich
• M ~ U²
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 89
(2) Änderung der Klemmenspannung
Asynchronmaschine: Drehmoment-/ Drehzahlstellung (2)
nff 11 nf1
nff 11
Nachteile:
• stark sinkendes DrehmomentM ~ 1/f²
• hohe Motorströme bei f 0
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 90
(3) Änderung der Primärfrequenz
Asynchronmaschine: Drehmoment-/ Drehzahlstellung (3)
M
nn1 n2 n3
Vorteile:
• konstantes DrehmomentM ~ U²/f² (= U/f)
• großer Drehzahlstellbereich
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 91
(4) Änderung von Spannung und Frequenz
Asynchronmaschine: Drehmoment-/ Drehzahlstellung (4)
n
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 92
Änderung von Spannung und Frequenz
Asynchronmaschine: Drehmoment-/ Drehzahlstellung für Traktionsantriebe
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 93
3.4 Synchronmaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 94
Ankerwicklung(Dreiphasen)
StänderAnker
PolsystemAnkerwicklung(Dreiphasen)
PolsystemPolrad
LäuferAnker
Erregerwicklung
Synchronmaschine: Innen- und Außenpolausführung
Innenpolmaschine Außenpolmaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 95
Dämpferwicklung
Ständer
Erregerwicklung(in Nuten untergebracht)
Polrad
Läufer
Erregerwicklung
Dämpferwicklung
Ständer
Synchronmaschine: Vollpol- und Schenkelpolausführung (Innenpol)
Vollpolmaschine Schenkelpolmaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 96
Synchronmaschine: Klassisches Erregersystem
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 97
Synchronmaschine: Erregersystem mit mehreren gekoppelten Maschinen
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 98
Synchronmaschine: Schleifringloses Erregersystem
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 99
Θ,V
τp
π
2π
x,α
1 1
Synchronmaschine: Felderregerkurve der Vollpolmaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 100
p
Ständerwicklung
Synchronmaschine: Flussverteilung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 101
p
res p
Synchronmaschine: Zeigerbild im Leerlauf (Vollpolmaschine)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 102
Synchronmaschine: Ankerrückwirkung bei Erregungsänderung im Leerlauf
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 103
Synchronmaschine: Ankerrückwirkung bei Belastung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 104
res
Synchronmaschine: Prinzipschaltbild
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 105
A
p
A
A A A d
Synchronmaschine: Ersatzschaltbild der Vollpolmaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 106
IA
.
.
.
jIAXd
IARA
U
p
A
res
Up
Synchronmaschine: Zeigerbild der Vollpolmaschine (Generatorbetrieb)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 107
Motor
GeneratorStabilitätsgrenze
P, M
1
22 > 1
2
2
Synchronmaschine: Momenten- und Leistungskennlinie der Vollpolmaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 108
Motor
Generator
übererregt untererregtstabil instabil
+j
U
Ia cos
I = f ( ) bei = konst.I = f ( ) bei M = konst.
= 0,5
= 1,0
= 1,5
2nM
M
1nM
M
1nM
M
= 0
Ia
IA
2
j
d
eXUj
dXUj
j
d
eXUj
r
Synchronmaschine: Stromortskurve der Vollpolmaschine
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 109
4 Leistungsauslegung elektrischer Bahnen
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 110
G
Tr
N
Grenzkräfte: Kräfte am Rad-Schiene-Kontakt
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 111
Sv
)(vf
Grenzkräfte: Kraftschluss-Schlupf-Funktion
µ = f (vs)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 112
0
v
vvv
2,081,08)( 0
SNCF:µ(v) = 0,161 + 7,5 / (v + 44)DR nach Curtius-Kniffler:
Grenzkräfte: Geschwindigkeitsabhängigkeit des Kraftschlusses
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 113
Reihenschlussmotor
nasse Schiene
trockene Schiene
ASFM
Sv
Grenzkräfte: Kraftschlussausnutzung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 114
Grenzkräfte: Einfluss der Fahrzeugsteuerung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 115
1 – Drehgestellanlenkung
2 – Zug-/Druckstangen
3 – Fahrmotor
Grenzkräfte: Achs- und Drehgestell-Entlastung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 116
max G
G
Grenzkräfte: Entlastungsfaktor
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 117
Grenzkräfte: Tiefanlenkung zur Reduzierung der Achsentlastung
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 118
FM ,
vn,
U steigt
GM
EWM
Spannungsgrenze Reihenschlussmotor
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 119
n, v
.konstM KM
FM ,
Einhüllende gelten für maxU
Spannungsgrenze Asynchronfahrmotor
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 120
Fahrwiderstände von Eisenbahnzügen
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 121
Ftr
v
Fmax ()
vmax
Fmax (P)
Fa (v)
Zugkraft Ftr(v)
Fahrwiderstandskraft FR(v)
Beschleunigungskraft Fa(v)
Zugkraft und Beschleunigung eines elektrischen Triebfahrzeugs
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 122
Leistung eines elektrischen Triebfahrzeugs
P
v vmaxvü
Pmech
P = F * v
Ftr
v vmaxvü
F(µ)
F(P)
F (v)
Pel
Antrieb
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 123
Energieaufnahme
Energierückspeisung
Fahrdynamik, Leistung und Energie (Beispiel: Regionalverkehr)
01.10.2014 TU Dresden - Professur Elektrische Bahnen - Vorlesung "Theorie elektrischer Verkehrssysteme" 124
Fahrschaubild und Leistungsverlauf ICE1Betriebsfahrt Hannover - Göttingen, Meßwerte am führenden Triebkopf,
Simulation IFB: Standardparameter und Wirkungsgradmodell ICE1/2
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Weg
v
-4
-2
0
2
4
6
8
PStr
v Meßfahrtv SimulationP MeßfahrtP Simulation
km/h
MW
km
Fehlertoleranzen: Fahrschaubild < 1 %
Energie ab Stromabnehmer < 2 %
Fahrdynamik, Leistung und Energie (Beispiel: HGV)