Vl Theorie Evs 2014-Tud

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


1 Elektrisches Verkehrssystem


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


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


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)


Warumelektrisch

?

Folie 8


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


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


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


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)


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


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


2 Elektrotechnische Grundlagen(Wiederholung)


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


q dtd

E

Darstellung periodischer Wechselgrößen in Zeigerschreibweise


Verbraucherzählpfeilsystem am Vierpol

Primärseite (1) Sekundärseite (2)


Vierquadranten-Darstellung: Leistungsaufnahme und -abgabe

M

G

Wirkleistungsaufnahme

Wirkleistungsabgabe


t

32

t = 0

a

c

b

Dreiphasensystem: Zeitverlauf von Wechselgrößen (ZEITBEREICH)


32

32

32

a

bc

+-„Projektionsebene“

Dreiphasensystem: Zeigerdarstellung von Wechselgrößen (BILDBEREICH)


Dreiphasensystem: Drehstromleitung

Anordnung Zeigerdarstellungder Spannungen

30°

-Ub

-Uc

-Ua

Ua

Ub

Uc

UL1L2

UL3L1

UL2L3

.


b

L1 L2 L3

a c

Schaltung Zeigerdarstellungder Spannungen

30°

-Ub

-Uc

-Ua

Ua

Ub

Uc

UL1L2

UL3L1

UL2L3

.

Dreiphasensystem: Verbraucheranschluss in Sternschaltung (Y)


Dreiphasensystem: Verbraucheranschluss in Dreieckschaltung (D)

Schaltung Zeigerdarstellungder Ströme


3.1 Transformator


1 - Oberspannungswicklung2 - Unterspannungswicklung

Aufbau des Transformators: Eisenkreis als Kerntransformator


Aufbau des Transformators: Eisenkreis als Manteltransformator

1 - Oberspannungswicklung2 - Unterspannungswicklung


Aufbau des Transformators: Wicklungsanordnung


1 2

2

q1 q2

Flussverlauf

Idealer Transformator im Leerlauf

PrinzipschaltbildI1


1 2

1 2

Idealer Transformator: Zeigerbild im Leerlauf


Idealer Transformator mit Belastung


1 2

1 2 B

1 B

2

B

2

Idealer Transformator: Zeigerbild bei Belastung


1 2

h

h

1

2

Realer Transformator: Schema der induktiven Verkettungen


1

1 q 2

21

0

21 2

Fe h

Realer Transformator: Ersatzschaltbild


Realer Transformator: Zeigerbild


2

B

2

1

1

2

1

1

1 B

Realer Transformator: Vereinfachtes Ersatzschalt- und Zeigerbild


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)


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


Kurzschluss des Transformators: Feldverlauf

U2 = 0

U2 = 0


Realer Transformator: Kurzschlussversuch


3.2 Gleichstrommaschine


Gleichstrommaschine: Aufbau


F1

B

I

F2

Bürstenebene

S

NU

Gleichstrommaschine: Kraftwirkung und Drehbewegung

Kraftwirkungenauf stromführende Leiter im Magnetfeld

Anordnung inder Maschine


x

Gleichstrommaschine: Erregerfeld und Luftspaltinduktion


t

uq

re

0

BV

EB 0

HHdsV

B

x

Gleichstrommaschine: Luftspaltinduktion B und induzierte Spannung Uq


Gleichstrommaschine: Ankerrückwirkung

Erregerfeld

Ankerfeld„Ankerquerfeld“


Gleichstrommaschine: Resultierendes Feld infolge Ankerrückwirkung

Resultierendes überlagertes Feldneutrale Zone


AnkerquerfeldFeld durch Kompensations-und Wendepolwicklung

Gleichstrommaschine: Kompensation des Ankerquerfeldes

Kompensationswicklung im Polschuh

Wendepolwicklung in Bürstenebene

Ankerwicklung im Läufer


Gleichstrommaschine: Kommutator (auch: Kollektor)

KommutatorstegeBürsten

Ankerwicklungim Läufer


2BI

BI

2BI

2BI

BI

2BI

BI

2BI

2BI

2BI

2BI

Gleichstrommaschine: Stromwendung (Kommutierung)


M M

Reihenschlussmaschine

Gleichstrommaschine: Schaltung von Erreger- und Ankerwicklung

Nebenschlussmaschine


Gleichstrommaschine: Induktionsverlauf B(x) unter einer Polteilung p

B(x) dx ≈ Bm px = 0

p

∫


M

Ie

IA U = konst.

Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Prinzipschaltbild


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)


A e

Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Prinzipschaltbild


Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Magnetisierungskurve

Sättigung


n

M

1. Abschnitt 2. Abschnitt

Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Kennlinien

n = f(M) I = f(M)


Gleichstrommotoren: Kennlinienvergleich


(1) Änderung des Widerstandes im Ankerkreis

Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Drehzahlstellung (1)


(2) Änderung der Ankerspannung (mit konstanter Erregung nur fremderregt möglich)




(3) Leonardo-Schaltung



(4) Änderung des Erregerfeldes (Feldschwächung mit Reihenwiderstand)


1

B

B

Gleichstrom-Nebenschlussmotor (GNM): Wirkung der Feldschwächung

Feldschwächung bewirkt Ankerstromerhöhung!


(1) Änderung des Widerstandes im Ankerkreis

Gleichstrom-Reihenschlussmotor (GRM): Drehzahlstellung (1)


n

M

Un

1,2 Un

0,8 Un

(2) Änderung der Ankerspannung



(3) Änderung des Erregerfeldes (Feldschwächung mit Parallelwiderstand)



3.3 Asynchronmaschine


Asynchronmaschine: Drehstrom-Ständerwicklung für Polpaarzahl p = 1


t

32

2

23 2

Asynchronmaschine: Stromverlauf in den Ständerwicklungen


B

B

L1 L1

L3L3 L2 L2

0t2 t

23

t t

Asynchronmaschine: Entstehung des Drehfeldes


180°

Asynchronmaschine: Elektrischer und räumlicher Winkel


f1

f2

n1 n

untersynchroner Lauf übersynchroner LaufGegenlauf

Bremse Motor Generator

s > 1 s = 1 s = 0 s < 0negativ

Asynchronmaschine: Schlupf und Betriebszustände


Asynchronmaschine: Ersatzschaltbild


Asynchronmaschine: Zeigerbild


P1 Pδ

Pv1

Pv2

Pmech

Asynchronmaschine: Leistungsfluss im Motorbetrieb


Asynchronmaschine: Drehmoment-/ Drehzahlkennlinie M = f(n)


Asynchronmaschine: Vereinfachte Stromortskurve


3

3

Asynchronmaschine: Stern-/ Dreieckschaltung des Ständers


Asynchronmaschine: Anlauf mit Stern-/ Dreieckschaltung des Ständers


Asynchronmaschine: Kippschlupf bei veränderlichem Läuferwiderstand


Z

Asynchronmaschine: Anlauf mit Anlasswiderständen im Läuferkreis (1)


a

Asynchronmaschine: Anlauf mit Anlasswiderständen im Läuferkreis (2)


Asynchronmaschine: Stromverdrängung in den Läuferstäben


Asynchronmaschine: Anlauf (1)


Asynchronmaschine: Anlauf (2)

1n 2n 3n

Nachteile:

• Rotor als Schleifringläufer

• Externe Widerstände für Läuferkreis

• Hohe Verluste, geringer Wirkungsgrad


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


(2) Änderung der Klemmenspannung


nff 11 nf1

nff 11

Nachteile:

• stark sinkendes DrehmomentM ~ 1/f²

• hohe Motorströme bei f 0


(3) Änderung der Primärfrequenz


M

nn1 n2 n3

Vorteile:

• konstantes DrehmomentM ~ U²/f² (= U/f)

• großer Drehzahlstellbereich


(4) Änderung von Spannung und Frequenz


n


Änderung von Spannung und Frequenz

Asynchronmaschine: Drehmoment-/ Drehzahlstellung für Traktionsantriebe


3.4 Synchronmaschine


Ankerwicklung(Dreiphasen)

StänderAnker

PolsystemAnkerwicklung(Dreiphasen)

PolsystemPolrad

LäuferAnker

Erregerwicklung

Synchronmaschine: Innen- und Außenpolausführung

Innenpolmaschine Außenpolmaschine


Dämpferwicklung

Ständer

Erregerwicklung(in Nuten untergebracht)

Polrad

Läufer

Erregerwicklung

Dämpferwicklung

Ständer

Synchronmaschine: Vollpol- und Schenkelpolausführung (Innenpol)

Vollpolmaschine Schenkelpolmaschine


Synchronmaschine: Klassisches Erregersystem


Synchronmaschine: Erregersystem mit mehreren gekoppelten Maschinen


Synchronmaschine: Schleifringloses Erregersystem


Θ,V

τp

π

2π

x,α

1 1

Synchronmaschine: Felderregerkurve der Vollpolmaschine


p

Ständerwicklung

Synchronmaschine: Flussverteilung


p

res p

Synchronmaschine: Zeigerbild im Leerlauf (Vollpolmaschine)


Synchronmaschine: Ankerrückwirkung bei Erregungsänderung im Leerlauf


Synchronmaschine: Ankerrückwirkung bei Belastung


res

Synchronmaschine: Prinzipschaltbild


A

p

A

A A A d

Synchronmaschine: Ersatzschaltbild der Vollpolmaschine


IA

.

.

.

jIAXd

IARA

U

p

A

res

Up

Synchronmaschine: Zeigerbild der Vollpolmaschine (Generatorbetrieb)


Motor

GeneratorStabilitätsgrenze

P, M

1

22 > 1

2

2

Synchronmaschine: Momenten- und Leistungskennlinie der Vollpolmaschine


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


4 Leistungsauslegung elektrischer Bahnen


G

Tr

N

Grenzkräfte: Kräfte am Rad-Schiene-Kontakt


Sv

)(vf

Grenzkräfte: Kraftschluss-Schlupf-Funktion

µ = f (vs)


0

v

vvv

2,081,08)( 0

SNCF:µ(v) = 0,161 + 7,5 / (v + 44)DR nach Curtius-Kniffler:

Grenzkräfte: Geschwindigkeitsabhängigkeit des Kraftschlusses


Reihenschlussmotor

nasse Schiene

trockene Schiene

ASFM

Sv

Grenzkräfte: Kraftschlussausnutzung


Grenzkräfte: Einfluss der Fahrzeugsteuerung


1 – Drehgestellanlenkung

2 – Zug-/Druckstangen

3 – Fahrmotor

Grenzkräfte: Achs- und Drehgestell-Entlastung


max G

G

Grenzkräfte: Entlastungsfaktor


Grenzkräfte: Tiefanlenkung zur Reduzierung der Achsentlastung


FM ,

vn,

U steigt

GM

EWM

Spannungsgrenze Reihenschlussmotor


n, v

.konstM KM

FM ,

Einhüllende gelten für maxU

Spannungsgrenze Asynchronfahrmotor


Fahrwiderstände von Eisenbahnzügen


Ftr

v

Fmax ()

vmax

Fmax (P)

Fa (v)

Zugkraft Ftr(v)

Fahrwiderstandskraft FR(v)

Beschleunigungskraft Fa(v)

Zugkraft und Beschleunigung eines elektrischen Triebfahrzeugs


Leistung eines elektrischen Triebfahrzeugs

P

v vmaxvü

Pmech

P = F * v

Ftr

v vmaxvü

F(µ)

F(P)

F (v)

Pel

Antrieb


Energieaufnahme

Energierückspeisung

Fahrdynamik, Leistung und Energie (Beispiel: Regionalverkehr)


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)

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