DE2806601A1

DE2806601A1 - Sync. linear motor with stationary windings - incorporates DC transmission and local inverters of modular form

Info

Publication number: DE2806601A1
Application number: DE19782806601
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof Dr Ing Weh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-02-16
Filing date: 1978-02-16
Publication date: 1979-08-23

Abstract

The synchronous linear motor control system design is modified by replacing the AC power transmission to the individual stationary windings with a DC system. The necessary inversion is carried out locally at each winding by an inverter of modular form. The DC transmission eliminates inductive losses and interference in the connections. The local modular construction gives units of less power than the centralised inverter of the original design. This enables the use of bipolar high power transistors which gives a simplification of the inverter controls.

Description

"Energieversorgungssystem für den Synchron-Langstatormotor"Energy supply system for the synchronous long stator motor

mit dezentraler Modultechnik der Wechselrichter 1. Das bisherige Konzept der Energieversorgung Bei Verkehrssystemen, die für Geschwindigkeiten um 300 km/h und mehr ausgelegt werden, sind große Vortriebsleistungen nötig, die der Statorwicklung zugeführt werden müssen. Um Verluste und Blindleistung zu begrenzen, wurde bereits in P 2449618 eine Aufteilung eines Unterwerksbereiches in mehrere Einzelabschnitte empfohlen, die über Schalter und entsprechende Zuleitungen die Verbindungen zur Wicklung erhalten. Hierdurch können Verluste, Blindleistung und die Baugröße der Unterwerksausrüstung beschränkt und Kosten gesenkt werden. Das Verfahren erwies sich auch für kleinere Geschwindigkeiten, wie sie etwa im Nahverkehr auftreten, als vorteilhaft.Durch die Anwendung preisgünstiger Schaltelemente in Kombination mit dem Frequenzumrichter besteht die Möglichkeit, einen höheren Energienutzungsgrad zu erzielen. Es kann auch dafür gesorgt werden, daß beim Umschaltvorgang von einem Wicklungsabschnitt zum anderen keine störenden Schub--beeinflussungen auftreten. Allerdings bleiben, insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten einige Wünsche offen, die mit dem vorliegenden Konzept nicht befriedigt werden können. So steht z.B. einer, hinsichtlich der Betriebseigenschaften und der Kosten geltenden Systemoptimierung im Wege, daß selbstgeführte Frequenzumrichter auf der Thyristorbasis nur für begrenzte Spannungen, deutlich unter 10 kV undBetriebsfrequenzen um 100 Hz zur Verfügung stehen. Die Zahl der Schalter kann aus Kostengründen nur schwerlich soweit erhöht werden, daß die Wicklungsabschnitte kurz genug sind, den Wirkungsgrad des Antriebs über 90% anzuheben.with decentralized module technology of the inverter 1. The previous concept of energy supply In transport systems designed for speeds are designed to be 300 km / h and more, large propulsion performances are necessary, the must be fed to the stator winding. To limit losses and reactive power, already in P 2449618 a division of a substation area into several We recommend individual sections that are connected to the Get connections to the winding. This can cause losses, reactive power and the size of the substation equipment can be limited and costs reduced. That Procedure also proved itself for smaller speeds, as they are about in local traffic occur as advantageous. By using inexpensive switching elements in Combination with the frequency converter offers the possibility of a higher energy efficiency to achieve. It can also be ensured that when switching from one On the other hand, there are no disturbing shear influences on the winding section. However, some wishes remain unfulfilled, especially at higher speeds, which cannot be satisfied with the present concept. For example, there is one system optimization applicable in terms of operating characteristics and costs in the way that self-commutated frequency converters based on thyristors are only available for limited use Voltages well below 10 kV and operating frequencies around 100 Hz are available. For cost reasons, the number of counters can hardly be increased to the extent that that the winding sections are short enough to increase the efficiency of the drive 90% increase.

Für Strecken mit hoher Auslastung ist das Mittel der Verlängerung, der Unterwerksabstände zur Kostensenkung ungeeignet.For routes with high occupancy, the means of lengthening is the substation spacing is unsuitable for reducing costs.

Bei kurzen Unterwerksabständen entstehen jedoch aufgrund der hohen Kostenanteile für die Frequenzumrichter große Investitionsanteile.In the case of short substation distances, however, due to the high Cost shares for the frequency converters large investment shares.

Eine hohe Flexibilität der Strecke ist deshalb nicht gegeben, weil die verhältnismäßig großen Unterwerksabstände eine dichtere Fahrzeugfolge nicht zulassen. Dicse könnte aber z.B.The route does not have a high degree of flexibility because the relatively large distances between the substations do not result in a closer succession of vehicles allow. But Dicse could e.g.

bei einer zusätzlichen Güterbeförderung mit kleineren Geschwindigkeiten crwünscht sein.in the case of additional goods transport at lower speeds be desired.

Die Jochhöhe des Eisens für den Stator ist proportional der Polteilung, so daß mit ihr die Kosten des Blechpaketes ansteigen. Erwünscht sind deshalb verhältnismäßig kleine Polteilungen der Statorwicklung. Voraussetzung für eine Verkleinerung der Polteilung ist eine Energieversorgung mit ausreichend hoher Frequenz und die Lösung der mit Störungen der Phasenwinkelzuordnung gegebenen Probleme Bild 1 stellt eine Energieversorgung dar, bei der ein Unterwerksabschnitt zur Versorgung von 6 Wicklungsabschnitten eingerichtet ist. Das Schaltbild ist einphasig gezeichnet, wobei angenommen ist, daß die Streckenschalter aus Halbleiterelemcnten bestehen und ein Thyristor mit einer Diode antiparallel geschaltet ist. Zwischen dem Unterwerk und den Schaltern besteht eine Drehstromübertragung. Das Fahrzeug wird über die Größe des Stromes vom Frequenzumrichter des Unterwerke aus geführt. Die Frequenz des Umrichters hat der Geschwindigkeit des Fahrzeuges zu entsprechen. Sie wird über einen Regelkreis oder durch direkte Zuordnung der Zündimpulse zu den Pollagesignalen festgelegt. Die Erfassung der Pollage des Erregersystems kann durch Messung der von den Magneten des Fahrzeugs oder einem speziellen Wechselstrommagnet erzeugten induzierten Spannung am Ausgang der Wicklung bzw. am Umrichter erfolgen. Hierbei lassen sich im Gegensatz zu anderen Verfahren besondere Übertragungseinrichtungen für die Meßsignale vermeiden.The yoke height of the iron for the stator is proportional to the pole pitch, so that the cost of the laminated core increases with it. It is therefore desirable that they are proportionate small pole pitches of the stator winding. Requirement for a reduction in the Pole division is an energy supply with a sufficiently high frequency and the solution of the problems associated with disturbances in the phase angle assignment Figure 1 presents a Power supply with a substation section for supplying 6 winding sections is set up. The circuit diagram is drawn in one phase, assuming that the section switches consist of semiconductor elements and a thyristor a diode is connected in anti-parallel. Between the substation and the counters there is a three-phase transmission. The vehicle is about the size of the stream from the frequency converter of the substation. The frequency of the converter has to match the speed of the vehicle. It is via a control loop or determined by direct assignment of the ignition pulses to the pole position signals. The detection of the pole position of the excitation system can be done by measuring the position of the magnets induced voltage generated by the vehicle or a special AC magnet at the output of the winding or at the converter. Here, in contrast Avoid special transmission devices for the measurement signals in relation to other methods.

2. Die dezentrale Anordnung der Wechselrichter zur Speisung kurzer Wicklungsabschnitte (Bild 2) In Analogie zu P 2802753.4 wird von einer Aufteilung des Frequenzumrichters ausgegangen, so daß mehrere parallel geschaltete Wechselrichtereinheiten gleichartiger Bauweise als Module vorliegen. Diese Wechselrichtereinheiten werden vom Unterwerk über eine Gleichstromsammelleitung mit Strom versorgt.2. The decentralized arrangement of the inverters for feeding short Winding sections (Fig. 2) In analogy to P 2802753.4, a division of the frequency converter assumed, so that several inverter units connected in parallel of the same type of construction as modules. These inverter units are Supplied with power from the substation via a direct current bus line.

Damit entfallen induktive Spannungsabfälle bei der Energieübertragung zu den Wicklungsabschnitten.This eliminates inductive voltage drops during energy transmission to the winding sections.

Auf die Fahrzeuglänge bezogen muß die Gesamtleistung der Teilwechselrichter der Fahrzeugleistung entsprechen. Mehrere Wechselrichter je Fahrzeuglänge speisen also eine entsprechende Zahl von Wicklungsabschnitten, wobei der Wicklungsabschnitt mit dem Stellglied hinsichtlich der Steuerung von Frequenz und Phasenlage des Stromes möglichst autark ist. Dies wird dadurch erreicht, daß jeder Abschnitt oder eine kleine Abschnittsgruppe durch einen Meßwertgeber z.B. eine Hallsonde die Pol lage des Magnetsystems mißt und für die Steuerung der Zündimpulse verwertet. Jeder Teilabschnitt oder eine Abschnittsgruppe kann somit unabhängig von anderen Abschnitten durch die optimale Phasenlage den Größtwert des möglichen Schubes erreichen.The total output of the partial inverters must be related to the vehicle length correspond to the vehicle performance. Feed several inverters per vehicle length thus a corresponding number of winding sections, the winding section with the actuator with regard to the control of frequency and phase position of the current is as self-sufficient as possible. This is achieved by having each section or one small group of sections by a transducer e.g. a Hall probe the pole position of the magnet system and used to control the ignition pulses. Every subsection or a section group can thus be carried out independently of other sections by the optimal phase position achieve the maximum value of the possible thrust.

Der Nachteil, der durch die vergleichsweise hohe zu installierende Leistung entlang der Strecke besteht, kann dadurch aufgehoben werden, daß eine Vielzahl gleichartiger Wechslerichter zu fertigen ist, und dabei jeder aus mehreren gleichartigen Halbleiterbauteilen im Leistungsteil und in der Steuerung besteht, und somit kostengünstig gefertigt werden kann.The disadvantage, due to the comparatively high amount to be installed Performance along the route can be canceled out by having a multitude of the same type of inverter is to be produced, and each of them is made up of several of the same type There is semiconductor components in the power section and in the controller, and thus inexpensive can be manufactured.

Es liegt nach dem derzeitigen Stand der Bauteiltechnologie nahe, als Schaltelemente für den Wechselrichter von bipolaren Leistungstransistoren auszugehen. Die Abschaltbarkeit dieser Elemente hat den Vorteil, daß die Steuerung im Vergleich zu normalen Thyristoren wesentlich einfacher wird. Der Wechselrichter kann, wie Bild 3 zeigt, aus je 2 Vierquadrantenstellern bestehen. Im Gegensatz zu der für rotierende Maschinen vorgeschlagenen Zweiquadrantenschaltung (P 2802753.4) ergibt sich hier der Vorteil, daß nur eine Gleichstromleitung benötigt wird. Die Statorwicklung ist in zweisträngiger Anordnung vorgesehen. Es ist auch die Möglichkeit gegeben, die Wicklung in mehrere Nuten je Pol und Strang aufzuteilen.According to the current state of component technology, it is obvious that Switching elements for the inverter are based on bipolar power transistors. The fact that these elements can be switched off has the advantage that the control system in comparison to normal thyristors is much easier. The inverter can, as Figure 3 shows, consist of 2 four-quadrant controllers. In contrast to the two-quadrant circuit proposed for rotating machines (P 2802753.4) the advantage here is that only one direct current line is required. the The stator winding is provided in a two-strand arrangement. It is also a possibility given to divide the winding into several slots per pole and strand.

Werden anstelle der Transistoren als Bauelemente des Wechselrichters Thyristoren eingesetzt, dürfte es günstiger sein, eine dreisträngige Wicklungsanordnung heranzuziehen.Are used instead of transistors as components of the inverter If thyristors are used, it should be cheaper to use a three-strand winding arrangement to use.

Die Größe des Stromes, die bestimmend für den Schub ist, kann durch das Einschaltverhältnis über den Steuerstrom der Transistoren variiert werden. Die Steuerbefehle hierzu können zweckmäßig durch das übergeordnete Steuerungssystem übermittelt werden, wobei alle Wechselrichter eines Fahrzeugs möglichst übereinstimmende Schubvorgaben erhalten sollten.The size of the current, which is decisive for the thrust, can be determined by the switch-on ratio can be varied via the control current of the transistors. the Control commands for this purpose can expediently be carried out by the higher-level control system are transmitted, with all inverters of a vehicle as matching as possible Should receive thrust specifications.

Es erscheint vorteilhaft, daß die Statorblechpakete mit Wicklung und Steller baulich eine Einheit bilden und eine einfache Auswechslung möglich ist. Der Ausfall eines einzelnen Aggregates bedeutet wegen des Vorhandenseins mehrerer gleichartiger Einheiten je Fahrzeug keine nennenswerte Störung des Betriebs.It appears advantageous that the stator cores with winding and Actuators structurally form a unit and easy replacement is possible. The failure of a single unit means because of the presence of several of similar units per vehicle no significant disruption to operations.

Es kann davon ausgegangen werden, daß bei großen Fahrzeugen mehr als 4 Wechselrichter je Fahrzeuglänge in Eingriff sind.It can be assumed that for large vehicles more than 4 inverters per vehicle length are engaged.

Mehrere Teilmotoren sind elektrisch parallel geschaltet, so daß bei Ausfall eines Aggregates die Verfügbarkeit der Strekke nicht beeinträchtigt wird.Several sub-motors are electrically connected in parallel, so that at Failure of a unit does not affect the availability of the line.

Sehr günstig wirkt sich auf die Verlustbilanz aus, daß nun der stromführende Wicklungsbereich praktisch auf die Fahrzeuglänge beschränkt ist. Bei gleichem Wicklungsquerschnitt gehen im Vergleich zur Anordnung nach Bild 1 die Verluste im Verhältnis Fahrzeuglänge zu Wicklungsabschnitt, also z.B. im Verhältnis 60 m : 1500 m zurück. Es sind somit Möglichkeiten gegeben, den Wicklungsquerschnitt zu verkleinern und Wicklungsmaterial zu sparen.The fact that the current-carrying Winding area is practically limited to the length of the vehicle. With the same winding cross-section In comparison to the arrangement according to Figure 1, the losses are related to the vehicle length to winding section, e.g. in the ratio 60 m: 1500 m back. So there are Possibilities given to reduce the winding cross-section and winding material to save.

Da die Statorwicklung eine größere Zahl von Windungen je Spule enthält, ist es naheliegend, die einzelnen Windungen durch Vergießen mit Kunststoff zu einem festen Verbund zu verkleben und dafür zu sorgen, daß Feuchtigkeit und Schmutz nicht eindringen können. Neben der Möglichkeit, die Wicklung in Nuten einzulegen, kann, ähnlich wie in P 2802753.4 beschrieben, die magnetische Leitfähigkeit durch besondere ferromagnetische Einlagen zwischen den Spulen erhöht werden. Die mit diesen Einlagen yersehene Wicklung, die als mechanisch selbständige Schicht betrachtet werden kann, muß dann mit dem ungenuteten Joch verbunden werden. Das Joch kann aus kornorientierten Blechen hergestellt sein, die durch besondere Maßnahmen vor Korrosion geschützt werden.Since the stator winding contains a larger number of turns per coil, it is obvious to make the individual turns into one by potting with plastic to stick a solid bond and to ensure that moisture and dirt do not can penetrate. In addition to the possibility of inserting the winding in slots, similar to that described in P 2802753.4, the magnetic conductivity by special ferromagnetic deposits between the coils are increased. The ones with these deposits provided winding, which can be viewed as a mechanically independent layer, must then be connected to the unslotted yoke. The yoke can be made from grain-oriented Sheets must be made that are protected from corrosion by special measures will.

Durch eine Strombeeinflussung, die über die Stellglieder nur im Längenbereich des Fahrzeuges vorgenommen wird, entsteht nun die Möglichkeit, bei entsprechender Auslegung des Unterwerks auch dicht hintereinander betriebene Fahrzeuge individuell, d.h. auch mit voneinander abweichenden Kräften und Geschwindigkeiten steuern zu können. Die Zugfolge ist nun unabhängig vom Steuereingriff am Unterwerk. Das Unterwerk selbst ist wegen der Verlagerung der Wechselrichter an die Strecke einfacher und billiger. Es besteht aus Transformator, Gleichrichter und Leistungsschalter. Hierdurch wird ohne wesentliche Erhöhung der Gesamtkosten eine Verringerung der Unterwerksabstände möglich.By influencing the current via the actuators only in the length range of the vehicle is made, there is now the possibility of using the appropriate Design of the substation, even vehicles operated closely behind one another, individually, i.e. also steer with differing forces and speeds can. The train sequence is now independent of the control intervention at the substation. The substation itself is easier and easier because of the relocation of the inverter to the track cheaper. It consists of a transformer, rectifier and circuit breaker. Through this there will be a reduction in the substation spacing without a significant increase in total costs possible.

Claims

Protection claims 1. Lanystator synchronous motor as a non-contact propulsion device with at least one two-strand or multi-strand winding along the route and a magnet system with a corresponding pole pitch on board the vehicle, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the stator winding is divided into sections which correspond to a fraction of the length of the magnet system, the sections fed in parallel from the substation with direct current, which then is converted into three-phase current by inverters at the point of winding.

2. Power supply for a long stator drive according to 1, d a -d u notices that individual sections or section groups are equipped with probes that set the frequency and phase of the ignition signals of the inverter.

3. Power supply for a long stator drive according to 1 and 2, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that for the switching elements of the inverter switchable semiconductor components are used.

4. Power supply for a long stator drive according to the above claims, d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that by influencing the duty cycle The magnitude of the winding current is set via the control current.

5. Long stator drive according to the above claims, d a d u r c h g e -k It is noted that the two-strand or multi-strand winding with several turns each coil is equipped and a winding strand of a corresponding one Branch of the inverter is fed.

6. Long stator drive according to the above claims, d a d u r c h g e -k It is noted that the winding forms a prefabricated unit that is mechanically is connected to the stator core and electrically to the inverter.