Neuartige und weiterentwickelte Bahnsysteme II Übung ...€¦ · Generator (elektrisches Bremsen) Motor (Antreiben/Traktion) Abb. 7: Betriebszustände elektrischer Maschine beim

Betriebssysteme elektrischer Bahnen Institut für Land- und Seeverkehr

Neuartige und weiterentwickelte Bahnsysteme II

(Stand: Sommersemester 2005) Übung: Linearmaschinen

Dipl.-Ing. Jens Schulze Tel. 314-23533 Dipl.-Ing. Tobias Hauswald Fax: 39 99 24-91 Carnotstraße 6 E-Mail: [email protected] 10587 Berlin www.bahnsysteme.tu-berlin.de

Übungsgliederung 1 Warum überhaupt Linearmotoren?.......................................................................2 2 Grundlagen .............................................................................................................3 3 Einteilung von (Linear-)Motoren für Eisen- und Magnetbahnen ........................6

3.1 Übersicht elektrischer Motoren den Traktionsbereich .......................................6 3.2 Gleichstromlinearmotor .....................................................................................7 3.3 Synchron- und Asynchronmaschinen................................................................8 3.4 Größenverhältnisse von Primär- zu Sekundärteil ..............................................8

4 Asynchroner (Kurzstator-)Linearmotor ..............................................................10 5 Synchroner (Langstator-)Linearmotor................................................................12

5.1 Eisenloser (synchroner) Langstatorlinearmotor...............................................12 5.2 Eisenbehafteter (synchroner) Langstatorlinearmotor ......................................13

5.2.1 Aufbau der Energieversorgung und Vergleich zur Eisenbahn..................13 5.2.2 Vergleich von Einfach- und Doppelspeisung............................................14 5.2.3 Linearmotor Typ Transrapid .....................................................................18 5.2.4 Motorabschnittschaltverfahren .................................................................23 5.2.5 Statorwicklung..........................................................................................26

6 Synchroner Lineargenerator ...............................................................................28 7 Sonstige Varianten...............................................................................................31

7.1 Einwirkungsart.................................................................................................31 7.2 Durchflutungsrichtung .....................................................................................31 7.3 Linearmotor und die Rad/Schiene-Technik .....................................................31

8 Literaturverzeichnis .............................................................................................33 Anhang

Linearmaschinen 28.06.2005 Seite 1 von 35


1 Warum überhaupt Linearmotoren? Die Entwicklung der klassischen rotierenden Maschinen ist weitgehend ausgereift. Sie sind für vielfältige Einsatzgebiete hervorragend optimiert und auch kostengünstig in den erforderlichen Stückzahlen verfügbar. Größere und ständig steigende Geschwindigkeiten - nicht nur im deutschen Hochgeschwindigkeitsverkehr - bedingen immer stärkere und leistungsfähigere Motoren. Bisher war und ist in der konventionellen Rad/Schiene-Technik der Haftverbund und die Spurführung auch bei Geschwindigkeiten um 300 km/h voll beherrschbar. Wirkliche Innovationen waren damit auf dem Gebiet der Traktion nicht zwingend erforderlich. Bei deutlich größeren Geschwindigkeiten als die bisherige Grenze von etwa 300 km/h ist jedoch ein ebenso sicherer und wie auch wirtschaftlicher Eisenbahnbetrieb nicht sinnvoll vertretbar. Der Verschleiß des Fahrweges, der Fahrwegausrüstung (z. B. Fahrleitung) und der Räder sowie die Antriebsenergiekosten erhöhen sich exponentiell ohne einen entsprechend hohen Nutzen beim Betrieb. Die Fortbewegung im Bahnbetrieb erfolgt streckenorientiert, d. h. linienförmig. Durch Einsatz rotierender Antriebsmaschinen muss diese Drehbewegung in eine lineare Fortbewegung umgewandelt werden. Jede Bewegungsenergiewandlungsstufe erfordert zusätzliche Maschinenelemente (z. B. Betriebe) und setzt damit auch den Gesamtwirkungsgrad herab. Die Folgen sind u. a. erhöhte Kosten und eine geringere Zuverlässigkeit. Dank heutiger moderner Regelungstechnik und hochentwickelter, hochintegrierter leistungselektronischer Bauelementen sind sehr flexible Betriebsführungen der Traktionsmotoren möglich. Damit ergeben sich für die zu jedem Bahnantrieb benötigten Steuerblöcke sehr kleine kompakte und zuverlässige Baugruppen. Bei Kopplung beider Funktionen des berührungslosen Antreibens und Tragens (EMS wie beim System Transrapid) ergeben sich weitere Einsparungen. Erfolgt auch noch das Führen des Triebfahrzeuges auf einem analogen Prinzip, kann die Traktion vollkommen berührungsfrei1 mit der Magnetfahr- bzw. Magnetschwebetechnik erfolgen. Wie jede elektrische Maschine besteht auch eine Linearmaschine aus einem Primärteil, einem Sekundär- bzw. Reaktionsteil und dem magnetischer Rückschluss. Genauso kann auch mit einer Linearmaschine elektrisch gebremst (Generatorbetrieb) werden.

1 Berührungsfrei bedeutet nicht verschleißfrei! Auch bei berührungslos befahrenden Fahrbahnen werden Kräfte in den Fahrweg eingeleitet.



2 Grundlagen Die rotierenden Maschinen sind bereits im vorhergehenden Semester in der Übung „Antriebstechnik“ zum Rad/Schiene-Komplex behandelt worden. Des weiteren wurde in der Vorlesung „Aktuelle Vorhaben Bahntechnik“ u. a. das Thema „Antriebstechnologien/-konzepte im Bahnverkehr“2 erläutert. Dieser Vortrag beinhaltet einen technischen und wirtschaftlichen Vergleich aller wesentlichen Traktionsvarianten. Der Inhalt dieser beiden Lehrveranstaltungen wird im Weiteren als bekannt vorausgesetzt. Der prinzipielle Aufbau einer rotierenden Maschine und eines Linearmotors ist in den folgenden Bildern (Abb. 1 und Abb. 2) dargestellt. Im Wesentlichen sind die gleichen Komponenten vorhanden, nur die geometrische Ausführung ist unterschiedlich.

Abb. 1: Grundsätzlicher Aufbau eines rotierenden Motors

Abb. 2: Prinzipieller Aufbau eines Linearmotors

Am Beispiel des Systems Transrapid zeigt die Abb. 3, wie der rotierende Motor „aufgeschnitten“ wird und sowohl Rotor (rot) als auch Stator (grün) „in die Länge gezogen“ werden, um den Linearmotor zu erhalten.

Abb. 3: Beziehung zwischen rotierendem Traktionsantrieb und Linearmotor

Beim Linearmotor richtet sich die Zuordnung von Primär- und Sekundärteil nach dem Größenverhältnis der beiden Komponenten zueinander. Im Gegensatz dazu weisen Stator und Rotor der rotierenden Maschinen (nahezu3) immer die gleiche geometrische Länge bzw. Umfang auf.

2 Umdruck beim Fachgebiet abrufbar 3 abhängig vom Luftspalt



Tabelle 1: Vergleich von Linearmotor und rotierender Antrieb (bei Einsatz im spurgeführten Verkehr)

Linearmaschine

Kurzstator Langstator rotierende Maschine

Ortsfester Teil Sekundärteil4 Primärteil5 Primärteil (Stator) Bewegter Teil Primärteil6 Sekundärteil7 Sekundärteil (Rotor) Bei rotierenden elektrischen Drehstrommaschinen sind zusätzlich zu der elektrischen Verschiebung (Abb. 4) von 120° zwischen den drei Phasen auch die Stränge jeweils um 120° örtlich ( Abb. 6) versetzt angeordnet. Damit ergibt sich ein (rotierendes) Drehfeld.

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Winkel [°]

Nor

mie

rter

Str

om b

zw. S

pann

ung

Phase 1 Phase 2 Phase 3

Abb. 4: Dreiphasiges symmetrisches Strom- bzw. Spannungssystem

Im Gegensatz dazu verändert sich das Feld einer Linearmaschine in nur einer Dimension (linear). Dabei erfolgt die Änderung so, als wandere das Feld entlang des Antriebes (Abb. 5). Das prägte den Begriff des Wanderfeldes.

4 z. B. Reaktionsschiene beim Asyschronmotor oder Felderregersystem bei Synchronmotor im Fahrweg 5 z. B. Statorpakete (Antriebswicklung bzw. Wanderfeldwicklung) im Fahrweg (beim System Transrapid) 6 z. B. Antriebswicklung auf dem Fahrzeug 7 z. B. Erregermagnete = Tragmagnete (beim System Transrapid) auf dem Fahrzeug



Abb. 5: Wanderfeld des Linearantriebes beim System Transrapid

Abb. 6: (Strom-)Zeigerdiagramm einer rotierenden Drehstrommaschine

Eine elektrische Maschine im Traktionseinsatz kann prinzipiell auf zwei Arten betrieben werden. Einerseits wird Energie aus dem Energieversorgungsnetz bezogen und das Triebfahrzeug angetrieben. In diesem Fall arbeitet die Maschine motorisch. Andererseits - beim Einsatz als elektrische Bremse - wandelt die Maschine auf dem Triebfahrzeug, welche dabei als Generator betrieben wird, die mechanische Bewegungsenergie des Zuges in elektrische Energie um. Diese kann je nach Verkehrsart und Fahrzeugtyp in das Bahnenergieversorgungsnetz zurück gespeist oder aber mittels Bremswiderständen in Wärme umgesetzt werden. Generator (elektrisches Bremsen)

Motor (Antreiben/Traktion)

Abb. 7: Betriebszustände elektrischer Maschine beim Einsatz auf Bahnfahrzeugen

Zu jeder elektrischen Maschine gehört auch immer eine sogenannte Erregung. Diese kann auf sehr unterschiedliche Art und Weise - je nach Maschinentyp - ausgeführt werden. Mögliche Varianten sind der Einsatz von Permanentmagneten oder von elektromagnetischen Erregerwicklungen. Beim System Transrapid bzw. dessen integrierten Trag- und Antriebsmodul werden die geregelten Tragmagnete gleichzeitig als Erregung für den Linearmotor genutzt. Das spart Kosten, Raum und Fahrzeuggewicht.



3 Einteilung von (Linear-)Motoren für Eisen- und Magnetbahnen

3.1 Übersicht elektrischer Motoren für den Traktionsbereich Die folgende Einteilung der Motortechnik bezieht sich ausschließlich auf die Einsatzfähigkeit im Traktionsbereich. Zugförderung ist durch Anfahren, anteilige Konstantfahrt, Geschwindigkeits- und Lastwechsel und Anhalten gekennzeichnet, das heißt z. B., dass die Antriebe bei einer Drehzahl Null (Stand) ein sehr großes Drehmoment aufbringen müssen (Anfahren). Die Drehzahl bzw. die Geschwindigkeit muss über einen großen Bereich regelbar sein. Im Bereich der klassischen rotierenden Motoren8 der Eisenbahnen ist der Drehstromasynchronmotor mit Kurzschlussläufer weltweit der dominierende Antrieb.

Abb. 8: Gliederung rotierender Traktionsmotoren

Bei den Linearmotoren haben sich drei wesentliche Varianten für Magnetbahnen durchgesetzt. Ähnlich wie in der Eisenbahntechnik ist auch für Magnetbahnen ein asynchroner Drehstrommotor in sehr einfacher und robuster Bauweise verfügbar. Diese ursprünglich auf deutschen (mittlerweile ausgelaufenen und verkauften) Patenten beruhende Technik wurde in Japan einsatzreif zum HSST-System (Kapitel 4) weiterentwickelt.

8 siehe Übung (Wintersemester): Antriebstechnik (rotierende Maschinen)



Abb. 9: Einteilung der Linearmotoren für Traktionseinsatz

Die anderen beiden synchronen Linearmotortypen unterscheiden sich voneinander nur in der Möglichkeit, ferromagnetisches Material für den magnetischen Rückschluss nutzen zu können oder nicht. Das japanische Magnetschnellbahnsystem MLU/MLX (Kapitel 5.1) mit synchronem Langstator muss auf Grund der extrem hohen magnetischen Felder der supraleitenden Spulen des elektrodynamischen Trag- und Führsystems (EDS) auf Eisen für den Linearantrieb verzichten. Der Transrapid (Kapitel 5.2) setzt in Kombination mit dem elektromagnetischen Schwebesystem (EMS) auf einen eisenbehafteten synchronen Langstatorlinearmotor.

3.2 Gleichstromlinearmotor Auf dem Stator ist die Erregerwicklung bzw. die permanentmagnetische Erregung für das magnetische Gleichfeld untergebracht. Das Reaktionsteil besteht aus einer Ankerwicklung oder einer elektrischen Reaktionsschiene. Mittels Schleifkontakten wird die Antriebsenergie auf den Reaktionsteil übertragen. Der dadurch hervorgerufene Verschleiß erfordert einen erhöhten Wartungsaufwand dieses Maschinentyps. Der systembedingte Übergangswiderstand von den Schleifkontakten auf den Kommutator (Stromwender) kann durchaus bis zu mehreren Volt betragen. Physikalisch bedingt sind Bauformen nur für relativ niedrige Spannungen zu realisieren. Da die erforderlichen Traktionsleistungen jedoch von beträchtlicher Größe vorgegeben sind, müssen demzufolge hohe Ströme9 fließen, um die geforderten Leistungen

9 IUP ⋅=



bereitzustellen. Damit würden sich aber auch große Verlustleistungen10 ergeben, die dem Quadrat des jeweiligen Traktionsstromes proportional sind. Aufgrund der schweren Lasten im Bahnbereich und der damit verbundenen hohen Verlustleistung oder der sehr schweren und großen Bauformen der Antriebsmaschinen ist der Gleichstromlinearmotor für die Traktion nicht geeignet. Sinnvolle Anwendungen liegen im Bereich kleiner Leistungen.

3.3 Synchron- und Asynchronmaschinen Bei Maschinen mit elektromagnetischen Wechselfeldern unterscheidet man die zwei Grundtypen entsprechend der Relation von Wechselfeldfrequenz und (mechanischer) Drehzahl. Sind beide identisch spricht man von einer Synchronmaschine. Liegt eine Differenz vor - der sogenannte Schlupf - läuft dieser Antrieb asynchron. Der Schlupf ist bei Linearmaschinen durch die Differenz zwischen der Wanderfeld- und Motordrehzahl (jeweils bezogen auf Felddrehzahl) bestimmt:

s

feldfeld

mechfeld

nn

nnn

s ∆=

−=

Die synchrone Geschwindigkeit des Wanderfeldes ergibt sich gemäß einer sehr einfachen Beziehung und ist der Frequenz und der Polpaarzahl direkt proportional. Diese Geschwindigkeit entspricht beim System Transrapid der tatsächlichen Fahrzeuggeschwindigkeit, da der Antrieb als synchroner Langstatorlinearmotor ausgeführt ist. Die Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit des Transrapid erfolgt also über eine Frequenzvariation in den Umrichtern des jeweilig zugeschalteten Unterwerkes.

spsyn fv ⋅⋅= τ2 synchrone Wanderfeldgeschwindigkeit [m/s] synv pτ Polteilung [m]

Ständerfrequenz [Hz] sf

3.4 Größenverhältnisse von Primär- zu Sekundärteil Es werden bei der Einteilung nach den Längenverhältnissen der beiden Maschinenteilen zueinander zwei Varianten von Motortyen unterschieden. Tabelle 2: Qualitativer Kostenvergleich zwischen Kurz- und Langstatorausführung

Fahrzeug Fahrweg Kurzstator - + Langstator + -

Beim Kurzstatorprinzip ist das Primärteil kürzer als das Reaktions- bzw. Sekundärteil. Das heißt, der eigentliche Antrieb befindet sich auf dem Fahrzeug. Damit ist die Übertragung der Traktionsenergie auf das Fahrzeug notwendig. Dazu ist ein Stromabnehmer erforderlich, der durch seinen mechanischen Schleifkontakt über die

10 2IRP ⋅=



Reibung erheblichen Verschleiß hervorrufen kann. Gerade im Hochgeschwindigkeits-verkehr sind diese Bauteile Verursacher vieler Probleme (z. B. Wartungskosten, aerodynamische Geräusche). Das Fahrzeug ist folglich auch schwer und teuer, da der Hauptteil des Linearmotors immer mitgeführt werden muss. Der Aufwand an Kosten und Material für den Fahrweg ist jedoch bedeutend geringer als für einen Langstatorlinearmotor.

Abb. 10: Vergleich und Aufbau von Kurz- und Langstatorantrieben

Bei einer Langstatormaschine ist das Primärteil länger als Sekundärteil. Das hat zur Folge, dass die Antriebswicklung bzw. die Wanderfeldwicklung im Fahrweg untergebracht werden kann, wie es z. B. beim Transrapid und beim japanischen System Linear Motor Car (MLU/MLX) der Fall ist. Die Einspeisung der Traktionsenergie erfolgt in die Wicklung im Fahrweg. Damit sind die Energiemengen, welche auf das Fahrzeug zu übertragen sind, bedeutend geringer als bei einem Kurzstatorfahrzeug. Bei gleichzeitigem Einsatz eines Lineargenerators (Einsatz z. B. im Transrapid) kann damit ein Stromabnehmerschleifkontakt während der Fahrt entfallen.

Abb. 11: Statorpakete des Transrapid am Fahrweg in Shanghai [Karsten Schubert]



4 Asynchroner (Kurzstator-)Linearmotor Der asynchrone Kurzstatormotor ist die einfachste und preisgünstigste Bauform eines Linearmotors. Als Reaktionsteil im Fahrweg kann eine einfache elektrische leitende (Kurzschluss-)Schiene (z. B. Kupfer, Aluminium) als passives Bauteil eingesetzt werden, in welche Wirbelströme induziert werden. Der Ständer ist als eine dreiphasige Wanderfeldwicklung ausgeführt. Zu beachten ist allerdings, dass in diesem Fall die Statorwicklung auf dem Fahrzeug untergebracht ist. Dadurch, dass sich die Hauptkomponente des Antriebes bei Kurzstatortechnik auf dem Zug befindet, muss auch die Antriebsenergie auf das Triebfahrzeug übertragen werden. Dazu ist ein Stromabnehmer mit Schleifkontakten erforderlich. Systemtypisch ist die Differenzgeschwindigkeit bzw. -drehzahl des Wanderfeldes und des vom Wirbelstrom (Reaktionsschiene) hervorgerufenen Feldes (Schlupf). Die durch die elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen Primär- und Sekundärteil hervorgerufenen Kräfte bewirken einen Schub in Bewegungsrichtung des Wanderfeldes. Die sich ergebene Schubkraft ist der Luftspaltlänge, der Grundwelle des Statorstrombelages und der Luftspaltinduktion direkt proportional.

Abb. 12: Grundtypen bzw. Ausführungsmöglichkeiten asynchroner Linearmaschinen

Der Wirkungsgrad eines asynchronen Motors wird infolge des Schlupfes immer kleiner sein, als der einer vergleichbaren Synchronmaschine. Charakteristisch ist auch der relativ große Luftspalt (ca. 10 – 40 mm) im Vergleich zu rotierenden Antrieben. Dieser verursacht eine hohe Blindleistungsaufnahme und vermindert zusätzlich den Wirkungsgrad dieses Linearmotortypes. Will man den damit verbundenen Verlusten entgegenwirken, müssen u. a. größere Leitungsquerschnitte eingesetzt werden, die wiederum aber ein erhöhtes Fahrzeuggewicht nach sich ziehen.



Die Steuerung der Schubkraft bzw. der Fahrzeuggeschwindigkeit kann über folgende Parametervariationen erfolgen:

• Änderung der Spannung • Änderung der Frequenz • Änderung der Spannung und der Frequenz (gleichzeitig) • Änderung des Sekundärwiderstandes • Polumschaltung bzw. Veränderung der Polteilung • Impulsbetrieb • Änderung des Luftspaltes.

Anwendung im spurgeführten Verkehr findet dieses Antriebssystem, welches auf ausgelaufenen deutschen Patenten beruht, derzeit in Japan unter der Bezeichnung High Speed Surface Transport (HSST). In Japan wird die Weiterentwicklung dieser Technik konsequent verfolgt, während in Deutschland alle Forschungsaktivitäten zu dieser Technologie nach dem Systementscheid von 1977 zu Gunsten des Transrapid eingestellt wurden. Es existiert eine HSST-Teststrecke in Naghoya. Zur Weltausstellung Expo im Jahr 2005 soll auf einer neuen Strecke der Fahrgastbetrieb aufgenommen werden. Eine weitere bereits wieder demontierte europäische Strecke gab es als Flughafenzubringer in Birmingham.

Abb. 13: HSST-Teststrecke mit verschiedenen Fahrzeugen in Naghoya

Abb. 14: Flughafenanbindung in Birmingham

Diese Antriebsart ist für die geforderten großen Traktionsleistungen im Hochgeschwin-digkeitsverkehr aufgrund des damit verbundenen enormen Blindleistungsbedarfes, der Probleme mit dem Stromabnehmer und des resultierenden Fahrzeuggewichtes nicht geeignet. Für Nah- oder Regionalverkehrsanwendungen ist dieses Prinzip durchaus eine Alternative zu den konventionellen Antrieben.



5 Synchroner (Langstator-)Linearmotor

5.1 Eisenloser (synchroner) Langstatorlinearmotor Das japanische Magnetschwebesystem basiert auf dem Prinzip des elektrodyna-misches Schweben (EDS). Es sind supraleitende Magnetspulen im Fahrweg (Abb. 17) angeordnet, die das Antreiben, Tragen und Führen übernehmen. Die aus der Supraleitung resultierenden sehr hohen magnetischen Felder zwingen zum Verzicht auf Eisen beim Antrieb.

Abb. 15: Prinzip Anziehung und Abstoßung beim Antrieb MLX [24]

Wie der Name dieses Prinzips schon besagt, ist Dynamik zum Schweben erforderlich. Erst ab einer Mindestgeschwindigkeit von ca. 100 km/h ergeben sich ausreichend große Tragkräfte. Die dabei entstehenden Trag- und Führkräfte sind abstoßend11 und bewirken im Zusammenspiel mit dem U-förmigen Fahrweg ein stabiles Führverhalten.

Abb. 16: Linear Motor Car (MLX 01) Abb. 17: Antriebs-, Trag- und Führspulen im

U-förmigen Fahrweg

11 Das Tragen und Führen beim Transrapid basiert im Gegensatz dazu auf anziehenden Kräften. Dieses damit instabile System erfordert zum Ausgleich einen sehr hohen regelungstechnischen Aufwand.



Abb. 18: Antriebsprinzip des synchronen Linearmotors beim MLX [24]

Zum Starten und Landen benötigt dieses System zusätzliche Räder, die dem Flugzeugbau entstammen. Im Gegensatz dazu ist der deutsche Transrapid in der Lage, auch im Stand zu schweben. Das ist nicht unbedingt ein Nachteil des japanischen Maglev12, denn im Havariefall lässt sich ein solches mit Rädern ausgestattetes Fahrzeug relativ einfach und unkompliziert bergen.

5.2 Eisenbehafteter (synchroner) Langstatorlinearmotor

5.2.1 Aufbau der Energieversorgung und Vergleich zur Eisenbahn Grundsätzlich ist der Aufbau der Energieversorgung von Magnet- und Eisenbahn sehr ähnlich. Sie unterscheiden sich nur in einem wesentlichen Punkt: Während bei der Rad/Schiene-Technik sich alle Traktionskomponenten auf dem Triebfahrzeug befinden (ortsveränderlich), sind die vergleichbaren Anlagen bei der Magnetbahn Transrapid stationär in den Unterwerken eingebaut und die Hauptkomponente des Linearmotors (Statorwicklung) ist beidseitig längs des Fahrweges untergebracht. Die konventionelle Bahnenergieversorgung erfolgt teilweise zentral und dezentral über ein bahneigenes einphasiges 110 kV-Netz (bzw. zweiphasiges mittelpunktgespeistes 55 kV-Netz) mit der Bahnfrequenz von 16,7 Hz. Die genauen Hintergründe dazu sind den Übungen „Energieversorgung“ und „Bahnstromsysteme“ des Wintersemesters dargelegt. Die Energieversorgung des Transrapid erfolgt über die Landesfrequenz von 50 Hz aus dem öffentlichen Netz. Dieses Versorgungsnetz hat einen um 4 % höheren Wirkungsgrad auf Grund der wesentlich engeren Vermaschung und der höheren Anzahl der Energieeinspeisepunkte (Kraftwerke) als das Bahnnetz.

12 weitere Bezeichnungen der japanischen Magnetschnellbahn: Linear Motor Car, MLX, MLU



Abb. 19: Aufbau und Vergleich der Traktionsstromversorgung bei Eisen- und Magnetbahnen

Von der 110 kV-Verteilungsebene wird auf 20 kV13 abgespannt. Aus diesem Netz erfolgt die Speisung der Unterwerke. In den Unterwerken wird die dreiphasige Spannung konstanter Frequenz (50 Hz) erst gleichgerichtet und anschließend wieder zu einem dreiphasigen System wechselgerichtet. Dieser Aufbau ist notwendig, um für die Linearmotorsteuerung eine variable Frequenz und Spannung zu erzeugen. Die Geschwindigkeit des Transrapid ist direkt proportional der vom Unterwerk gesteuerten Wanderfeldfrequenz.

5.2.2 Vergleich von Einfach- und Doppelspeisung Die Energieversorgung des Linearmotors entlang der Strecke kann mittels zweier unterschiedlicher Verfahren erfolgen. Bei der Einfachspeisung (Abb. 23) werden die Unterwerke ungefähr mittig (T-Schema) zu den speisenden Antriebsbereichen angeordnet. Hingegen befinden sich die Unterwerksstandorte bei der Doppelspeisung ( Abb. 24) an den jeweiligen Speiseabschnittsenden (π-Schema). In den Bahnhofsbereichen (Einfahrt und Ausfahrt) sind immer Speiseabschittwechsel betrieblich notwendig. Damit ist die Errichtung der zugehörigen Unterwerke in unmittelbarer Bahnhofsumgebung erforderlich. Meist ist aber gerade das Gelände um Bahnhöfe sehr dicht besiedeltes Gebiet mit entsprechend hohen Bodenpreisen – falls überhaupt genügend große Flächen zur Verfügung stehen.

13 auch 30 kV möglich



Fahrweg

3~=

=3~

3~=

=3~

3~=

=3~

TraktionssammelschieneUnterwerks- Einspeisung

Nebenanlagensammelschiene

Traktion

Unterwerk nAntr ie bsbl ock 1

30 kV

lVlSA

lAB

Stromrichtertrafo

Netzstromrichter(4QS)

Wechselrichter

Ausgangstrafo

Eingangs-SIAB

Ausgangs-SIAB

Abb. 20: Einfachspeisung bei Dreischritt-verfahren für eine Fahrspur (T-Schema)

3~=

=3~

3~=

=3~

3~=

=3~

3~=

=3~

Unterwerks- Einspeisung Traktionssammelschiene

Unterwerks- Einspeisung

Nebenanlagensammelschiene

Unterwerk nAntr iebsblo ck 1

Unterwerk n+1Antr iebsbl ock 2

Fahrweg

lV

lAB

lSA

30 kV

Stromrichtertrafo

Netzstromrichter(4QS)

Wechselrichter

Ausgangstrafo

Eingangs-SIAB

Ausgangs-SIAB

Abb. 21: Doppelspeisung bei Wechselschritt-verfahren für eine Fahrspur (π-Schema)

Tabelle 3: Qualitativer Vergleich von Einfach- und Doppelspeisung beim Transrapid

Einfachspeisung Doppelspeisung Platzbedarf geringer höher Energiebedarf bzw. Übertragungsverluste höher geringer Versorgungszuverlässigkeit geringer höher Lage bzw. Anordnung zu den Speiseabschnitten

ca. mittig (T-Schema)

an den Enden (π-Schema)

Investitionskosten geringer höher Betriebskosten höher geringer

Abb. 22: Blockschaltbilder der drei einsetzbaren Umrichterklassen [21] - „high power“ mit 15,6 MVA (oben links) - „medium power“ mit 7,5 MVA (oben rechts) - „low power“ mit 1,2 MVA (unten rechts)

Der Flächenbedarf eines Unterwerkes ist abhängig von der gewählten Speiseart (Einfach- oder Doppelspeisung) und der eingesetzten Antriebsfortschaltung14. Diese Randbedingungen bestimmen die Anzahl der im Unterwerk benötigten Umrichterblöcke (Abb. 22) und deren Leistungsklasse.

14 siehe Abschnitt 5.2.4



Das heißt, es sind erhebliche Investitionskosten (z. B. Grunderwerb) bei der Planung zu berücksichtigen. Des weiteren weisen die Unterwerke bei Doppelspeisung auch einen wesentlich höheren Flächenbedarf auf. Dem gegenüber ist allerdings der Energiebedarf bzw. sind die Energieverluste (Betriebskosten) bei Doppelspeisung niedriger als bei einem Einfachspeisekonzept.

Abb. 23: Einfachspeisung Unterwerkskonzept Regio mit Unterwerk Typ I und Dreischrittverfahren

Abb. 24: Doppelspeisung Unterwerkskonzept Modell Shanghai mit Dreischrittverfahren

Für Regionalanwendungen (z. B. Metrorapid in NRW) wäre damit trotz der erhöhten Betriebskosten, das Einfachspeisekonzept aufgrund der geringen Eingriffe im Innenstadt- bzw. Bahnhofsbereich zu bevorzugen.

Abb. 25: Grundriss eines Unterwerkes Typ Regio (75 m x 27 m)



Abb. 26: Geplante Unterwerksanordnung für eine Fernverkehrsvariante (Strecke Hamburg-Berlin)

Tabelle 4: Vergleich der Daten von Unterwerkstypen für den Transrapid in Abhängigkeit des Motorabschnittschaltverfahren mit Zweispurfahrweg und Anordnung im Streckenverlauf15

Typ I16 Typ II17 Typ R/M18 Typ R/L19

Speiseart einfach doppel einfach einfach Unterwerksabstände 10 - 20 km 30 - 50 km < 10 km < 5 km Anordnung zum Antriebsbereich Mitte / Ende20 Ende Mitte / Ende Mitte Bezeichnung Umrichterklasse high power high power medium power low power Leistung einer Umrichtereinheit 15,6 MVA 15,6 MVA 7,5 MVA 1,2 MVA Anzahl Umrichtereinheiten bei

Wechselschrittverfahren 4 8 4 / 221 2 Dreischrittverfahren 6 12 6 / 322 ---23

Installierte Leistung bei Wechselschrittverfahren 62,4 MVA 124,8 MVA 30,0 / 15,0 MVA 2,4 MVA Dreischrittverfahren 93,6 MVA 187,2 MVA 45,0 / 22,5 MVA ---24

Abmessungen Grundstück25 101,5 x 38,5 m² variabel 87 x 38,5 m² 65 x 38,5 m²Platzbedarf Grundstück 4.000 m2 10.000-15.000 m² 3.350 m2 2.600 m2

(ungefähre) Gesamtkosten26 30 Mio. € 60 Mio. € 20 Mio. € 10 Mio. € 15 am Streckenende halbe Umrichteranzahl 16 Typ I: Unterwerk zur einseitigen Speisung der zwei angrenzenden Antriebsbereiche (je Fahrspur, Strecken- und Endunterwerk) 17 Typ II: Unterwerk zur gleichzeitigen Speisung der vier angrenzenden Antriebsbereiche (zwei je Fahrspur, Streckenunterwerk) 18 Typ R/M: Unterwerk zur Speisung Stationen am Streckenende, Abstell- und Instandhaltungsanlagen (Rangierunterwerk) 19 Typ R/L: Unterwerk zur Speisung Stationen am Streckenende, Abstell- und Instandhaltungsanlagen (Rangierunterwerk) 20 als Endunterwerk 21 am Streckenende 22 am Streckenende 23 wirtschaftlich nicht sinnvoll 24 wirtschaftlich nicht sinnvoll 25 nur Größenordnung, auch abhängig von jeweiligen Motorabschnittschaltverfahren und Speiseart



Die hier dargestellte isolierte Betrachtung der Einspeiseverfahren dient lediglich der Übersichtlichkeit. Die Optimierung der gesamten Antriebsenergieversorgung muss im Zusammenhang mit den gewählten Motorabschnittschaltverfahren durchgeführt werden. In Abb. 26 und Abb. 27 sind jeweils eine Fern- und eine Regiovariante mit entsprechendem Unterwerkskonzept dargestellt. Dieses legt u. a. die kleinste mögliche Taktzeit fest.

Abb. 27: Fahrschaubild mit den geplanten Unterwerksstandorten für eine Regionalanwendung (Metrorapid/TransrapidRegio)

5.2.3 Linearmotor Typ Transrapid Die Hauptkomponente (Abb. 30) des Linearantriebes in Langstatorbauweise ist im Fahrweg untergebracht. Damit muss keine Antriebsenergie (bzw. nur die Erregungsenergie) auf Fahrzeug übertragen werden. Wird dieses System zusätzlich mit einem Lineargenerator zur Versorgung des Bordnetzes kombiniert, kann der sonst übliche Stromabnehmer entfallen. Beim System Transrapid ist dieser berührungslose Lineargenerator (Kapitel 6) in den Tragmagneten integriert (Abb. 29).

26 nur Größenordnung, stark projektabhängig



Abb. 29: Tragmagnet mit integriertem Lineargenerator beim Transrapid 08

Abb. 28: Prinzipieller Aufbau Tragen, Führen und Antreiben beim Transrapid

Abb. 30: Ortsfeste, auf der Fahrwegunterseite montierte Antriebswicklung

Da die schwere Hauptkomponente des Linearmotors stationär im Fahrweg angeordnet ist, können damit die Fahrzeuge relativ leicht gebaut werden. Die Antriebsleistung kann der jeweiligen Geländeform individuell angepasst werden. Durch diese lokalen Optimierungsmöglichkeiten des Langstatorantriebes zur Anpassung an topologische Gegebenheiten werden weniger und einfachere Kunstbauten benötigt. Die Trassierung eines derartigen Systems kann folglich wesentlich umweltverträglicher vorgenommen werden als bei der konventionellen Rad/Schienen-Technik.

Abb. 31: Unterschiedliche Steigfähigkeiten der Magnet- und Eisenbahnen im Personenverkehr



Abb. 32: Realisierte 10% Steigung im Bereich des Instandhaltungszentrums Shanghai (Bauphase)

Oft lassen sich diese günstigen Trassierungsparameter aber nicht in die Tat umsetzen. In Deutschland z. B. wird immer mit bereits vorhandenen Verkehrswegen (u. a. Autobahnen, Eisenbahnen, Hochspannungsleitungen) gebündelt. Diese nicht durch den Transrapid bedingten Zwangspunkte wirken sich meistens sehr ungünstig auf den Energiebedarf und die Trassenkosten aus und werden in der öffentlichen Diskussion aber trotzdem dem Magnetbahnsystem zu Last gelegt. Der erforderliche Fahrweg (inkl. Statorwicklung, Unterwerke usw.) ist im Vergleich zu allen anderen Varianten mit etwas höheren (Investitions-)Kosten verbunden. Die Betriebskosten, die im Wesentlichen durch den Verschleiß bestimmt werden, sind dagegen relativ gering. Der Transrapid ist systembedingt verschleißarm, aber nicht verschleißfrei.

Abb. 33: Vergleich der mechanischen Beanspruchungen und Instandhaltungskosten des Fahrweges der Bahnsysteme Transrapid und ICE (Hochgeschwindigkeitsverkehr)



Der synchrone Linearmotor beim System Transrapid hat durch den relativ geringen27 Luftspalt von ca. 10 mm einen geringen Blindleistungsbedarf und damit einen hohen Leistungsfaktor. Wie bei jeder herkömmlichen rotierenden Synchronmaschine kann auch bei linearer Bauform die Betriebsart (z. B. Übererregung) - je nach Anforderung - einfach variiert werden.

Abb. 34: Schematischer Aufbau des integrierten Trag- und Antriebsmoduls

Die Steuerung der Fahrzeuggeschwindigkeit erfolgt in der Praxis über die Wanderfeldfrequenz des Synchronmotors, zwischen denen eine direkte Proportionalität besteht:

spsyn fv ⋅⋅= τ2 synchrone Wanderfeldgeschwindigkeit [m/s] synv pτ Polteilung [m]

Ständerfrequenz [Hz] sf Beim System Transrapid sind die Funktionen von Antreiben und Tragen kombiniert. Das Felderregersystem besteht im Gegensatz zum asynchronen Linearmotor (passive Reaktionsschiene) aus aktiven Bauteilen, das heißt die erregenden (Trag-)Magnete benötigen eine Energieversorgung und müssen geregelt werden. Die Erregung des synchronen Linearmotors beim Transrapid wird ausschließlich durch die Gewichtskraft des Fahrzeuges bestimmt. Der Transrapid ist durch das Prinzip des elektromagnetischen Schweben (EMS) in der Lage, auch im Stand bei v = 0 km/h zu schweben.

27 gegenüber asynchronen Linearmotoren



Abb. 35: Trag-, Führ- und Antriebskomponenten beim System Transrapid [TRI]

Bei der M-Bahn, die in Berlin zu Testzwecken betrieben wurde, kam das permanentmagnetische Schweben zu Anwendung. Es wurden keine elektrisch geregelten Tragmagnete eingesetzt, sondern lediglich Permanentmagnete, deren Lage an den Haltepunkten mechanisch angepasst wurde. Es war eine mechanische Trag- und Führunterstützung zusätzlich erforderlich. Das heißt, die M-Bahn fuhr - im Gegensatz zum Transrapid - nicht vollkommen berührungslos. Diese Variante ist aufgrund der schlechten Regelmöglichkeiten für hohe Geschwindigkeiten nicht geeignet. Beiden Systemen ist gemeinsam, dass sie anziehende Tragkräfte ausüben (instabil). Im Unterschied dazu beruht das japanische elektrodynamische Prinzip (EDS) auf abstoßenden Kräften (stabil). Der Einsatz von Permanentmagneten ist im Vergleich zu den aufwendigen Elektromagneten wesentlich kostengünstiger. Eine bisher noch nicht realisierte Variante könnte EMS und PMS kombinieren und damit Kosten senken. Die Grundtragkraft könnte mittels Permanentmagnete fest installiert werden. Die Anpassung während der Fahrt und an den Haltepunkten müsste dann über kleinere Elektromagnete erfolgen.



Abb. 36: Vergleich der Schwebeprinzipien EMS und PMS

Der Transrapid wirkt mit seinen gleichmäßig verteilten Tragmagneten wie eine Flächenlast auf den Fahrweg. Die konventionelle Bahntechnik konzentriert mit dem Rad/Schiene-Kontakt die Belastungen nahezu punktförmig auf wenige Quadratzentimeter. Das berührungslose Schweben verringert zwar den Verschleiß und damit die Betriebskosten, ist aber nicht als verschleißfrei zu betrachten.

5.2.4 Motorabschnittschaltverfahren28 Zur Senkung der Verluste und Erhöhung des Wirkungsgrades des Langstators werden die (stationären) Wanderfeldwicklungen in einzelne Abschnitte unterteilt. Bei Überfahrt der Motorabschnitte werden jeweils nur die gespeist, welche sich in unmittelbarer Nähe zum Fahrzeug29 befinden. Dabei können vier unterschiedliche Motorabschnittschalt-verfahren Anwendung finden:

• Kurzschlussverfahren • Bocksprungverfahren • Wechselschrittverfahren • Dreischrittverfahren.

Die Motorabschnittslänge wird auch maßgeblich durch das geforderte Betriebskonzept bestimmt. Durch die daraus resultierenden Unterwerksabstände wird die minimal mögliche Taktzeit festgelegt. Ein Langstatormotorabschnitt kann (bei passivem Fahrzeug wie das System Transrapid) nur von einem Fahrzeug besetzt sein. Das bietet allerdings aus sicherheitstechnischer Sicht klare Vorteile.

28 Animationen der Motorabschnittschaltverfahren unter www.bahnsysteme.tu-berlin.de 29 Die tatsächlich bestromten Abschnitte sind abhängig vom realisierten Schaltverfahren.



Die folgenden vier Bilder (Abb. 37 - Abb. 40) zeigen schematisch die möglichen Motorabschnittschaltverfahren. Es sind die rechte und linke Seite der Statorwicklung (Abb. 30) unterhalb des Fahrweges dargestellt. Das Transrapid-Fahrzeug befährt in diesen Abb.en gerade einen Abschnittswechsel. Die verschiedenen Farben geben den Zustand der Speisung an. Dabei bedeutet die Farbe schwarz, dass der Abschnitt ungespeist - also stromlos - ist. Die anderen Farben korrespondieren mit dem speisenden Unterwerk.

Abb. 37: Kurzschlussverfahren Abb. 38: Bocksprungverfahren

Abb. 39: Wechselschrittverfahren Abb. 40: Dreischrittverfahren

Hat die Fahrzeugmitte beim Kurzschlussverfahren (Abb. 37) ungefähr den Abschnittswechsel erreicht, wird der bestromte (rote) Abschnitt abgeschaltet und erst dann der noch stromlose (schwarze) Bereich unter dem Fahrzeug in Fahrtrichtung gespeist. Es erfolgt ein Übergang von einem gespeisten Abschnitt in einen stromlosen. Das heißt, dass es beim Kurzschlussverfahren bei der Überfahrung eines Motorabschnittes zu einem kurzzeitigen Schubkrafteinbruch von 100 % kommt. Dieser wird beim Bocksprungverfahren (Abb. 38) vermieden. Die Möglichkeit der kontinuierlichen Energiespeisung wird sehr teuer durch ein zweites Unterwerk und ein weiteres Streckenkabel erkauft. Auch der Flächenbedarf dieses Motorabschnittschalt-verfahrens ist fast doppelt so groß. Beim Wechselschrittverfahren (Abb. 39) werden die rechte und linke Statorseite jeweils gegeneinander verschoben. Durch diesen Versatz wird erreicht, dass bei der Motorabschnittweiterschaltung nicht wie beim Kurzschlussverfahren die volle Schubkraft kurzzeitig einbricht, sondern nur noch die Hälfte. Dabei werden auch zwei Streckenkabel und zwei Umrichterblöcke (allerdings jeweils nur mit der halben Leistung) benötigt. Damit ist der Flächenbedarf nicht viel größer als beim Kurzschlussverfahren.



Das Wechselschrittverfahren ist somit relativ preiswert und wird vorwiegend dort eingesetzt, wo eine Konstantfahrt (Abb. 41) zu erwarten ist. Auch das Dreischrittverfahren (Abb. 40) nutzt diesen Abschnittsversatz. Durch Hinzunahme eines weiteren Umrichterblockes halber Leistung und eines dritten Streckenkabel erhöhen sich die Kosten für dieses Verfahren. Damit wird allerdings erreicht, dass kein Schubkrafteinbruch mehr auftritt. Im Vergleich zum sehr aufwendigen und kostenintensiven Bocksprungverfahren kommt man hier mit nur 150 % installierter Unterwerksleistung aus. Eingesetzt wird das Dreischrittverfahren in Beschleunigungsbereichen (Abb. 41) und Steigungen, wo also viel Leistung bereitgestellt werden muss und keine Schubkrafteinbrüche auftreten sollen. Bei dem Technologieprojekt Shanghai/China wurde die gesamte Strecke im Dreischrittverfahren ausgeführt. Tabelle 5: Merkmale der vier grundsätzlichen Motorabschnittschaltverfahren für das System Transrapid

Die baulichen Auswirkungen des besonderen Antriebes des Transrapid müssen schon sehr früh in die Planungen zum Streckenverlauf einfließen. Wesentlich für die Trassenplanung sind auch z. B. der unterschiedliche Platzbedarf an der Strecke infolge der Variantenwahl der Motorabschnittschaltverfahren (Anzahl der Streckenkabel, Anzahl und Größe der Umrichterblöcke), die Motorabschnittslängen (Häufigkeit der Schaltstellen30) und die für den geplanten Minimaltakt benötigten Unterwerksabstände.

30 Platzbedarf pro Schaltstelle inkl. Antrieb: 20 m²



Abb. 41: Geplanter Einsatz von Wechsel- und Dreischrittverfahren zwischen Hamburg und Berlin

5.2.5 Statorwicklung Zur Realisierung sowohl elektrisch als auch mechanisch fester Statorwicklungen wurden viele sehr unterschiedliche Kabeltypen erprobt. Einige ausgewählte Entwicklungsschritte davon sind in Tabelle 6 dargestellt. Die Kabel müssen in die entsprechenden Nuten der Statorpakete verlegt und fixiert werden. In Shanghai wurde dieses mittels eines Verlegeroboters (Abb. 42) durchgeführt.

Abb. 42: Verlegeroboter auf dem Fahrweg [23] Abb. 43: Statorwicklung und S am Hybrid-Fahrweg in Shanghai

tromschiene

ür die ca. 35 mm starken Kabelstränge ist der Biegeradius relativ klein und führt durch F

die hohe elektrische Beanspruchung gerade in den Wicklungsköpfen zu erheblichen mechanischen Spannungen, die es zu beherrschen gilt.



Tabelle 6: Übersicht ausgewählter Generationen von Wanderfeldkabeln des Transrapid

Tabelle 7: Grundlegende Anforderungen gemäß IEC 60502-2 [23]

Eigenschaft Anforderung Einheit Sollwert Tol. Leiter Durchmesser mm 20,9 max. Mittelwert mm 5,0 min. Einzelwert mm 4,4 min. Mantelwanddicke Mittelwert mm 2,1 min. Einzelwert mm 1,7 min. Außendurchmesser Mittelwert mm 38,7 ± 0,2 Einzelwert mm 38,3 min. Einzelwert mm 39,1 max. Gleichstromwiderstand bei 20 °C Ω km-1 0,1 max. Spannungsprüfung bei 30 kV, 50 Hz, 5 min - kein Durchschlag - Teilentladung bei 24 kV, 50 Hz pC 20 max. Verlustfaktor bei 20 °C, 24 kV, 50 Hz - 0,003 max.



6 Synchroner Lineargenerator Der synchrone Lineargenerator (Abb. 29) dient der berührungslosen Bordenergieversorgung während der Fahrt, was deutliche Vorteile gerade bei hohen Geschwindigkeiten in Bezug auf Verschleiß und Instandhaltungskosten gegenüber einer herkömmlichen Stromabnehmer/Stromschiene-Paarung bietet. Er wird allerdings erst bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von ca. 100 km/h zugeschaltet. Unterhalb von 100 km/h ist ein Betrieb des Lineargenerators nicht wirtschaftlich. Der durch den Lineargenerator erzeugte Fahrwiderstand ist in erster Näherung der Geschwindigkeit indirekt proportional. Damit würde sich für kleine Geschwindigkeiten ein sehr großer (vom Lineargenerator hervorgerufener) Fahrwiderstandsanteil ergeben. Die Zuschaltung des Lineargenerator bewirkt eine sprunghafte Änderung des Gesamtfahrwiderstandes. Weitere detailliertere Ausführungen zum Thema Fahrwiderstand und Energiebedarf sind der Übung „Vergleich Transrapid und ICE“ zu entnehmen.

Statorpaket

Erregermagnetfeld

Magnetwicklung

Tragmagnetpol

Lineargenerator-wicklung

N

Bordbatterien

Abb. 44: Prinzipskizze des Lineargenerators im integrierten Trag- und Antriebsmodul (Transrapid)

Der Lineargenerator ist beim Transrapid in den Polen der Tragmagneten (integriertes Trag- und Antriebsmodul) untergebracht. Somit ist er in einem Synchronmotor einem synchronen Wanderfeld ausgesetzt. Um aber eine Spannung zu induzieren bzw. Leistung dem Lineargenerator entnehmen zu können, gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten. Entweder findet eine Relativbewegung zwischen dem örtlich veränderlichem magnetischen Feld und einer Spule statt oder aber die „ortsfeste“ Spule ist einem sich zeitlich ändernden magnetischen Fluss ausgesetzt. Wie bereits erwähnt, ist der Lineargenerator selber eine Synchronmaschine und wird durch die Befestigung auf dem Fahrzeug mit der synchronen Geschwindigkeit des



Linearmotors bewegt. Damit wird auf den ersten Blick weder die erste noch die zweite Variante zur Spannungsinduktion genutzt. Scheinbar wird das magnetische Feld am jeweiligen Ort der Lineargeneratorwicklungen durch den Synchronlauf konstant gehalten. Tatsächlich aber wird eine typische geometrische Eigenschaft des ortsfesten Statorpaketes (Abb. 30) an der Fahrwegunterseite zur Generierung der Lineargeneratorspannung genutzt. Die Statorwicklungen sind in den Nuten der geblechten Eisenpakete eingebracht. Diese Nuten bewirken eine Änderung des Luftspaltes in Abhängigkeit des Ortes und damit des magnetischen Widerstandes bzw. des magnetischen Flusses. Diese lokalen Unterschiede werden in der folgenden Abb. durch die unterschiedliche Länge und Dichte der Pfeile verdeutlicht. An der Stelle, wo die Wicklungen im Stator eingebracht sind, ist der Luftspalt größer und folglich auch die magnetische Feldstärke kleiner. Damit wird beim Fahren das eigentliche „makroskopische“ synchrone Wanderfeld „mikroskopisch“ periodisch verändert. Aus dieser geringen Flussvariation versorgt der Lineargenerator alle Bordfunktionen (wie z. B. Tragen, Führen, Klimaanlage, Nachladen der Batterien) mit elektrischer Energie.

Abb. 45: Schematische Funktionsweise des Lineargenerators [24]



Beim Transrapid sind 15 Lineargeneratoren (Abb. 29) pro Sektion (pro Seite 7 ½ Tragmagnete, sektionsübergreifend) verteilt. Diese redundante Auslegung gewährleistet u. a. eine sichere Bordenergieversorgung, die für das sichere Schweben unerlässlich ist. Es existieren 4 unabhängige Bordnetze. Die Bordenergieversorgung ist für eine elektrische Leistung von ca. 272 kW für eine (Bug-)Sektion dimensioniert. Jedes der 4 Bordnetze wird über Hochsetzsteller von 7 bzw. 8 Lineargeneratoren gespeist. Die Bordbatterien können alle notwendigen Bordsysteme für maximal 10 min auch ohne Nachladung über den Lineargenerator oder Stromschiene versorgen. Der Transrapid ist mit wartungsarmen NiCd-Batterieeinheiten ausgestattet. Die Zellenspannung einer einzelnen NiCd-Zelle beträgt 1,26 V. Damit werden 348 Zellen mit je 1,3 kg Gewicht benötigt. Das ergibt ein Gesamtbatteriegewicht von ca. 6 t (1,5 t pro Trog). Tabelle 8: Installierte Leistung einer Bugsektion des Transrapid 07 [19]

(alle Angaben in kW) Netz 1 Netz 2 Netz 3 Netz 4 SektionSchweben (Tragen und Führen) 102,1

Tragmagnete 10,2 10,6 9,1 9,4 39,3Führmagnete 7,7 7,7 7,7 7,7 3,8Tragstellerverluste 2,5 2,5 2,5 2,5 10,0Führstellerverluste 1,9 1,9 1,9 1,9 7,6Hochsetzstellerverluste 1,2 1,3 1,2 1,3 5,0Niederspannungsverbraucher 1,8 --- 1,8 --- 3,6Sicherheitskreise 0,8 0,8 0,8 0,8 3,2Pneumatik --- --- --- 2,6 2,6

Klimatisierung 49,0Kühlen 6,5 1,0 6,5 --- 14,0Heizung 12,0 13,0 12,0 12,0 49,0

Wirbelstrombremse 112,8Prüfen 0,2 0,2 0,2 0,2 0,8Bremsen 28,0 28,0 28,0 28,0 112,0

Sonstige Verbraucher 8,0Gesamte installierte Leistung 271,9



7 Sonstige Varianten

7.1 Einwirkungsart Das nebenstehende Bild zeigt ein Beispiel für einen asynchronen Linearmotor mit seitlicher zweiseitiger Einwirkung der Antriebswicklungen auf die fahrwegseitige passive Reaktions-schiene. Möglich sind viele weitere Varianten, deren Ausprägungen von den jeweiligen örtlichen Gegebenheiten und vom Einsatzbereich des Linearmotors abhängen. Typisch ist für Linearmotoren, wie aus dem Bild zu erkennen ist, der systembedingt deutlich größere Luftspalt gegenüber rotierenden Maschinen. Damit wird der Wirkungsgrad von Linearmaschinen immer kleinerer als bei Drehfeldmotoren sein.

Abb. 46: Prinzipskizze einer Variante mit zweiseitigem Primärteil eines asynchronen Kurzstatorlinearmotors

Reaktionsschiene

doppelseitiger Primärteil

7.2 Durchflutungsrichtung Die am meisten verbreitete Durchflutungsrichtung bei elektrischen Maschinen ist entlang der Fahrtrichtung. Ein solcher Längsflussmotor wird auch beim System Transrapid eingesetzt. Bisher noch weitgehend in der Forschungs- und Entwicklungsphase befinden sich die Quer- bzw. Transversalflussmotormotoren. Von einer Anwendung zur Traktion im Bahnbereich sind diese Antriebe noch weit entfernt, weshalb hier auch auf eine tiefergehende Beschreibung verzichtet wird.

7.3 Linearmotor und die Rad/Schiene-Technik In Japan werden teilweise Linearmotoren als Booster zur Antriebsverstärkung an z. B. Steigungen eingesetzt. Nachteilig ist dabei immer, dass der Fahrweg erheblich verteuert wird und eine Instandhaltung durch die zusätzlichen Komponenten im Gleisbett erschwert wird. Abb. 47 zeigt ein Beispiel dafür.

Abb. 47: Boosterlinearmotoren

Die folgenden Bilder zeigen zwei der Aufhängungsmöglichkeiten linearer Antriebe zum Einsatz bei herkömmlicher Rad/Schiene-Technik. Dabei kann der Linearmotor am Rahmen oder direkt an der Achse befestigt werden.



Abb. 48: Aufbau bei Achsaufhängung Abb. 49: Linearmotor an Achse befestigt

Abb. 50: Aufbau bei Rahmenaufhängung Abb. 51: Linearmotor am Rahmen befestigt

In Deutschland untersucht das Programm „Neue Bahntechnik Paderborn“31 der Universität Paderborn die Anwendung von Linearmotoren unter Beibehaltung der Schienenfahrwege. Mit einem sehr umfangreichen Forschungsaufwand wird ein neues Verkehrssystem (railcab) entwickelt.

31 www.railcab.de


Betriebssysteme elektrischer BahnenInstitut für Land- und Seeverkehr

Linearmaschinen.ppt 28.06.2005

Übungen Linearmaschinen

• Warum Linearmotoren• Grundlagen• Kurz- / Langstator• Synchron- / Asynchronmotor• Unterwerke • Motorabschnitte (Schaltverfahren)• Statorkabel• Bordnetz / Lineargenerator



Komponenten des Systems Transrapid

Quelle: TRI



Drehstrom und Wanderfeld

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Winkel [°]

Nor

mie

rter

Str

om b

zw. S

pann

ung

Phase 1 Phase 2 Phase 3



Drehstrom und Wanderfeld

Beispiele für Mäanderformen

Quelle: Ministerium für Umwelt und Naturschutz,Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen

Quelle: D. Hann, Arbeitsblätter Architektur



Antreiben und Bremsen

Motor (Antreiben/Traktion)

Generator (elektrisches Bremsen)



Übersicht rotierende Maschinen

Elektrische Antriebe

Linearmotoren

Rotierende Maschinen

Drehstrommotor Gleichstrommotor

Synchronmotor Asynchronmotor Gleichstromreihen-schlussmotor

Einsatz in einigen TGV -Triebköpfen

Einsatz in Nahverkehrs-und Regionalfahrzeugen

Einsatz in Nahverkehrs-,Regional- und

Fernverkehrsfahrzeugen

Käfigläufermotor

(Fortsetzung nächstes Bild)

ICE 1/2

Transversalflussmotor

(„Direktantrieb“; zur Zeit noch nicht im Einsatz)



Übersicht Linearmotorvarianten

Linearmotoren Drehstrom-/Wanderfeldmotor

GleichstrommotorIndustrieapplikation

Synchronmotor Asynchronmotor

Langstator KurzstatorIndustrieapplikaion

LangstatorIndustrieapplikaion

Kurzstator

Transversalflussmotor eisenbehaftet eisenlos

Japan HSST-100L

DeutschlandTransrapid

Japan MLX 01

Zur Zeit keine Anwendung Deutschland

M-BahnDeutschland

EET

Korea HML-03

USA Magneplan Deutschland/

FrankreichStarlim

Deutschland Neue Bahntechnik

Paderborn

USA BechtelUSA

Grumman



Kurz- und Langstator

Langstatorvariante

Kurzstatorvariante

z. B. HSST

Fahrzeug

Fahrweg

z. B. Transrapid

Fahrzeug

Fahrweg (in Motorabschnitte unterteilt)

Primärteil Sekundärteil



Grundtypen des asynchronen Linearmotors

Quelle: AEG



Vergleich der Energieversorgung



Umrichtereinheiten

Umrichterklassen:

• high power• medium power• low power



Einfach- und Doppelspeisung Transrapid



Unterwerkslayout – Typ Regio (75 m x 27 m)



Unterwerksstandorte – Regional Verkehr



Unterwerksstandorte - Fernverkehr



Unterwerkskonfigurationen

Typ I1 Typ II2 Typ R/M3 Typ R/L4 Speiseart einfach doppel einfach einfach Unterwerksabstände 10 - 20 km 30 - 50 km < 10 km < 5 km Anordnung zum Antriebsbereich Mitte / Ende5 Ende Mitte / Ende Mitte Bezeichnung Umrichterklasse high power high power medium power low power Leistung einer Umrichtereinheit 15,6 MVA 15,6 MVA 7,5 MVA 1,2 MVA Anzahl Umrichtereinheiten bei

Wechselschrittverfahren 4 8 4 / 26 2 Dreischrittverfahren 6 12 6 / 37 ---8

Installierte Leistung bei Wechselschrittverfahren 62,4 MVA 124,8 MVA 30,0 / 15,0 MVA 2,4 MVA Dreischrittverfahren 93,6 MVA 187,2 MVA 45,0 / 22,5 MVA ---9

Abmessungen Grundstück10 101,5 x 38,5 m² variabel 87 x 38,5 m² 65 x 38,5 m² Platzbedarf Grundstück 4.000 m2 10.000-15.000 m² 3.350 m2 2.600 m2 (ungefähre) Gesamtkosten11 30 Mio. € 60 Mio. € 20 Mio. € 10 Mio. €

• Aufbau, Dimensionierung und Anzahl der Komponenten ist abhängig vom Motorabschnittschaltverfahren, Unterwerksabstand, ...

• Rückspeisung durch moderne Leistungselektronik und Regelungstechnik problemlos möglich• Unterwerkskonzept muss zusammen mit dem Betriebskonzept abgestimmt werden (nur ein

Fahrzeug im Motorabschnitt, Betriebliche Aspekte, Fahrplan, Wirkungsgrad, Verlustminimierung, ...)



Trag-, Führ- und Antriebskomponenten

Erreger-/Tragmagnet (mit Linear-generator)

Führmagnet

Statorpaket/-wicklung

Quelle: TRI



Antriebsanpassung an Steigungen

Steigung in Shanghai



Integriertes Trag- und Antriebsmodul

im Fahrweg

auf Fahrzeug



Integriertes Trag- und Antriebsmodul

System Transrapid

System M-Bahn

EMS

PMS



Motorabschnittschaltverfahren

Kurzschlussverfahren Bocksprungverfahren

Wechselschrittverfahren Dreischrittverfahren



Übersicht Motorabschnittschaltverfahren

Merkmale Kurzschluß-

verfahren (M-Bahn, TR05)

Bocksprung- verfahren

(TVE) Wechselschritt-

verfahren Dreischritt- verfahren

stromlos 100 % 50 % max. Schubkrafteinbruch bei Motorabschnittswechsel mit Imax 50 %

0 % 25 %

0 %

installierte Unterwerksleistung P 2 P P 3/2 P

min. Anzahl der Umrichter je Unterwerk 1 2 2 3

installierte Umrichterausgangsleistung P P P/2 P/2

Motorklemmenspannung U U U/2 U/2

Anzahl der Streckenkabel 1 2 2 3

Anzahl der Schalter je Motorabschnitt 1 1 2 2

Anzahl der Umrichter zur Speisung eines Motorabschnitts 1 1 2 2

Antriebsleistung bei Ausfall eines Stre-ckenkabels 0 0 P/2 P

*) Streckenkabel werden vereinfachend als verlustlos angenommen; gleiche Motorabschnittslängen bei allen Schaltverfahren

P = 3 ??U ??I : Speiseleistung für einen Motorabschnitt (beidseitig)

U : Motorklemmenspannung I : Motorstrom

P



Kurzschlussverfahren

Abschnittsschalter(Schaltstelle)

Umrichterblock P

Streckenkabel

Unterwerk



Bocksprungverfahren


Streckenkabel

Umrichterblock 2Umrichterblock 1P P

Unterwerk



Wechselschrittverfahren


Streckenkabel

Umrichterblock 1 Umrichterblock 2P2

P2

Unterwerk



Dreischrittverfahren


P2

P2

P2

Streckenkabel

Umrichterblock 1 Umrichterblock 3

Unterwerk Umrichterblock 2



Kurzschlussverfahren 1

P P

UR

UW2

KuppelschalterStreckenkabel

Abschnittsschalter

UW1

Unterwerksspeisegrenze UR




P P

UR

UW2


Abschnittsschalter

UW1





P P

UR

UW2


Abschnittsschalter

UW1




Bocksprungverfahren 1

PP PP

Abschnittsschalter

Unterwerksspeisegrenze


UR1 UR2 UR2

UW1 UW2

UR1




PP PP

Abschnittsschalter

UR1Unterwerksspeisegrenze


UR1 UR2 UR2

UW1 UW2




UR1

PP PP

UR1Unterwerksspeisegrenze


UR2 UR2

Abschnittsschalter

UW1 UW2



Strecke TVE



Schubkrafteinbrüche



Schubkrafteinbrüche



Ausgewählte Statorkabel TransrapidKabelbezeichnung 1x150/15 6/10 KV SA3GCGCGW 1X300 RM 6/10KV - F&G - TENAX SA3GCGCGOEU 1x300sqmm

10/17.5kV Um=20 kV Hersteller / Baujahr AEG 1981 RM / 1986 HSM / 1997 / 2002 Einsatzort TVE TVE (Südschleife) TVE Nord (ebenerdig) TR Shanghai Aufbau

Feindrähtiger Kupferleiter

Innere Leitschicht(mit Isolierung fest verbunden)

Isolierung

Außenmantel

Äußere Leitschicht

Metallener Schirm aus Einzelsegmenten

MehrdrähtigerAluminiumleiterQuerschnitt: 300 mm2

Innere Leitschicht,extrudiert

IsolierungGummidicke: min. 3 mm

Äußere Leitschicht,extrudiert

Leitfähiger AußenmantelAußendurchmesser: 35 mm

(Äußere Leitschicht und Außenmantel wirken als Schirm)

Mehrdrähtiger verdichteterAluminiumrundleiter

Innere Leitschicht

IsolierungGummimischung 3 GJ 3

Leitfähiger Außenmantel


Spiralförmig gewobenerKupferschirm

Mehrdrähtiger verdichteterAluminiumrundleiterQuerschnitt: 300 mm2

Innere Leitschicht,

IsolierungGummimischung 3 GJ 3

Leitfähiger AußenmantelAußendurchmesser: 38,7 mm


Spiralförmig gewobenerKupferschirm

Gesamtdurchmesser 31,5 mm 35 mm 38,7 mm Anforderungen Für 30-jährigen Betrieb geeignet

Biegbarkeit mit mittlerem Radius von 80mm, ohne dass sich Schichten lösen oder der Mantel Falten wirft Zulässige Temperaturen

Dauernd 90°C Kurzzeitig 250°C Minimal –35°C

Dauernd 90°C Kurzzeitig 250°C

Außentemp: –35°C – 70°C

Verarbeitung Wird fertig in Statorpakete eingelegt angeliefert.

Aus 3 Strängen wird zuerst eine Dreiphasen-Wicklung mit Verbindungsgehäusen aus Polycarbonat, Haltebändern aus nichtrostendem Stahl und Erdungsbändern aus verzinntem Kupfer vorgefertigt und aufgespult. Diese Wicklung wird zur Baustelle transportiert und in Statorpakete eingelegt

Wird auf Rolle an Baustelle angeliefert und dort von einem automatischen Verlegefahrzeug verlegt.

Kabelgewicht: 1,5 kg/m Erläuterung zur Bezeichnung: S - Special Cables; A - Aluminium Conductor; 3G - Gummimischung; CG - Äußere Leitschicht; CG - Leitfähiger Schirm; OE – Ölresistent, U - Flammwidrig



Ausgewählte Statorkabel TransrapidKabelbezeichnung 1x150/15 6/10 KV SA3GCGCGW 1X300 RM 6/10KV - F&G - TENAX SA3GCGCGOEU 1x300sqmm

10/17.5kV Um=20 kV Hersteller / Baujahr AEG 1981 RM / 1986 HSM / 1997 / 2002 Einsatzort TVE TVE (Südschleife) TVE Nord (ebenerdig) TR Shanghai Aufbau Leiter: Cu, Querschnitt 150mm2, ∅: 21,7

mm, flexibel, Unenn= 6/10 kV, IBetr≤1500A für 30s, 0-215 Hz Innere Leitschicht (mit Isolierung verbunden) Isolierung: Wanddicke ≥ 3 mm Äußere Leitschicht (mit Isolierung verbunden) Metallener Schirm: aus Einzelsegmenten aufgebaut, Querschnitt: 15 mm2, zur Verhinderung von Verlusten nicht die Form eines geschl. Hohlzylinders, in Querrichtung nicht niederohmig verbunden Mantel: Elastisch, flammwidrig, lichtbeständig, feuchtigkeitsunempfindlich, schwarz

Leiter: mehrdrähtiger verdichteter Rundleiter (58 Adern), Al, Querschnitt: 300mm2, ∅≤21,6mm, UBetr=6/10kV (Spitzenspannung von 19kV in Störfällen), IBetr ≤1500A für 30s, 0-215 Hz Innere Leitschicht: 0,9mm Isolierung: Aus Gummimischung 3 GJ 3 Äußere Leitschicht: In einem Arbeitsgang mit Isolierung extrudiert und mit dieser fest verschweißt (0,4mm-0,9m) Mantel: aus el. Leitfähigem Werkstoff, schwarz, flammwidrig (1,5mm-1,8mm); Die äußere Isolierschicht und der Mantel wirken als Schirm

Leiter: mehrdrähtiger verdichteter Rundleiter (60 Adern), Al, Querschnitt: 300mm2, ∅≤21,6mm, UBetr=6/10kV (Spitzenspannung von 19kV in Störfällen), IBetr ≤1500A für 30s, 0-215 Hz Innere Leitschicht: 0,9mm Isolierung: Aus Gummimischung 3 GJ 3 Schirm: Kupfer Äußere Leitschicht: In einem Arbeitsgang mit Isolierung extrudiert und mit dieser fest verschweißt (0,4mm-0,9m)

Leiter: mehrdrähtiger verdichteter Rundleiter (58 Adern), Al, Querschnitt: 300mm2, ∅≤21,6mm, UBetr=6/10kV (Spitzenspannung von 19kV in Störfällen), IBetr ≤1500A für 30s, 0-215 Hz Innere Leitschicht: 0,9mm Isolierung: Aus Gummimischung 3 GJ 3 Äußere Leitschicht: In einem Arbeitsgang mit Isolierung extrudiert und mit dieser fest verschweißt (0,4mm-0,9m) Schirm: Anwendung eines spiralförmig gewobenen Kupferschirmes (Konventioneller Schirm würde durch Biegung des Kabels zu stark beansprucht) Mantel: aus el. Leitfähigem Werkstoff, schwarz, flammwidrig (1,5mm-1,8mm), Ölresistent

Gesamtdurchmesser 31,5 mm 35 mm 38,7 mm Anforderungen Für 30-jährigen Betrieb geeignet

Biegbarkeit mit mittlerem Radius von 80mm, ohne dass sich Schichten lösen oder der Mantel Falten wirft Zulässige Temperaturen

Dauernd 90°C Kurzzeitig 250°C Minimal –35°C

Dauernd 90°C Kurzzeitig 250°C

Außentemp: –35°C – 70°C

Verarbeitung Wird fertig in Statorpakete eingelegt angeliefert.

Aus 3 Strängen wird zuerst eine Dreiphasen-Wicklung mit Verbindungsgehäusen aus Polycarbonat, Haltebändern aus nichtrostendem Stahl und Erdungsbändern aus verzinntem Kupfer vorgefertigt und aufgespult. Diese Wicklung wird zur Baustelle transportiert und in Statorpakete eingelegt

Wird auf Rolle an Baustelle angeliefert und dort von einem automatischen Verlegefahrzeug verlegt.

Kabelgewicht: 1,5 kg/m Erläuterung zur Bezeichnung: S - Special Cables; A - Aluminium Conductor; 3G - Gummimischung; CG - Äußere Leitschicht; CG - Leitfähiger Schirm; OE – Ölresistent, U - Flammwidrig



Antriebswicklungspakete am Stahlfahrweg

Quelle: MVPMotorwicklung, Detail Quelle: Glaser



Fertigung und Tests des Statorkabels

Anlage für Kabelproduktion Eindrück- und Biegeversuch

Thermische Tests Betriebsfähigkeitsprüfung Quelle: Glaser



Fertigung und Tests des Statorkabels

Prüfung der Formstabilität

Verlegeroboter auf dem Fahrweg Quelle: Glaser



Linearantriebe bei Rad/Schiene-Technik

Quelle: JRC

Achsaufhängung




Quelle: JRC

Rahmenaufhängung




Quelle: JRC

Achsaufhängung



Japanische Magnetschnellbahn (MLU)



Zusammenfassung Linearantriebe

• Trag-/Führsystem und Antrieb sind jeweils autarke Systeme. Linearantriebe können auch bei konventioneller Rad-/Schiene-Technik realisiert werden.

• Unterscheidung in Bauart (Langstator / Kurzstator) bzw. Wirkungsweise (Synchron / Asynchron)

• Steuerung der Geschwindigkeit des elektromagnetischen Wanderfeldes (des Fahrzeuges) durch variable Frequenz des Drehstroms im Stator (mit Hilfe von Leistungselektronik)

Vorteile• Durch erzeugte translatorische Antriebskraft werden Getriebe unnötig• Durch die Ausführung als Direktantrieb sind Räder zum Antreiben unnötig (keine

Berücksichtigung der Haftreibung, keine Rollgeräusche und -reibung (geringer Verschleiß, nicht verschleißfrei!)

• Antrieb im Fahrweg (Langstator) ermöglicht hohe installierbare Leistung bei geringer Fahrzeugmasse (Auswirkungen auf Fahrleistungen, Wirkungsgrad, Energiebedarf) sowie absolut berührungslosen Antrieb, da auf Stromschienen verzichtet werden kann.

Nachteile• Bauartbedingt größerer Luftspalt als bei rotierenden Maschinen (Wirkungsgradverluste)• Primär- und Sekundärteil haben verschiedene Größen (Wirkungsgradverluste)• Hohes Bauvolumen / Baumasse des Antriebs



Zusammenhang Polteilung, Frequenz, Geschwindigkeit

Polteilung τ

τStator Transrapid = 258 mm

fv ⋅⋅= τ2Beispielrechnung:

• Wie hoch ist die Drehstromfrequenz damit das elektromagnetische Wanderfeld (beim Synchronmotor damit auch das Fahrzeug) eine Geschwindigkeit von v=430 km/h hat?



Lineargenerator: Bordnetz

Jede Sektion hat ihre eigene Energieversorgung. Diese wurde aus Sicherheitsgründen

redundant aus mehreren Bordnetzen konstruiert, welche jeweils potenzialfrei und

galvanisch getrennt sind. Der Transrapid 08 ist mit je 4 unabhängigen 440-V- und 24-V-AC-

Netzen sowie einem 230-V-DC-Netz ausgestattet. Bis auf das 230-V-Netz werden alle

Netze durch parallel dazu geschaltete Nickel-Cadmium-Batterien gepuffert, da die von

ihnen zu versorgenden Verbraucher wenigstens zum Teil sicherheitsrelevante Funktionen

ausüben und daher keinesfalls, auch nicht kurzzeitig, ausfallen dürfen. Die 440-V-Netze

speisen die übrigen Netze über 8 DC/DC-Wandler für die 24-V-Netze bzw. über

Wechselrichter beim 230-V-Netz.

440-V-Netze(Gleichspannung)

230-V-Netz(Wechselspannung)

24-V-Netze(Gleichspannung)

• Tragsystem• Führsystem• Klimaanlage• Wirbelstrombremse

• Beleuchtung• Steckdosen• Fahrgastinformations-systeme

• Fahrzeugsteuerung• Betriebsleittechnik• Kommunikation




Bugsektion Mittelsektion

Tragmagnete 39,3 kW 42,4 kW

Tragstellerverluste 10,0 kW 10,0 kW

Führmagnete 30,8 kW 30,8 kW

Führstellerverluste 7,6 kW 7,6 kW

Hochsetzstellerverluste 5,0 kW 5,2 kW

Niederspannungsverbraucher 3,6 kW 3,6 kW

Sicherheitskreise 3,2 kW 3,2 kW

Pneumatik 2,6 kW 2,6 kW

Klimatisierung:HeizenKühlen

49,0 kW14,0 kW

49,0 kW14,0 kW

Wirbelstrombremse:PrüfenBremsen

0,8 kW112 kW

0,8 kW112 kW

Summe: (ohne Wirbelstrombremsung)Klimatisierung: Ohne/Kühlen/Heizen 102,9 kW/116,9 kW/151,9 kW 106,2 kW/120,2 kW/155,2 kW




Pro Sektion entsteht beim Schweben, je nach Klimatisierung, ein Leistungsbedarf von rund110 kW – 160 kW. Dieser wird während der Fahrt von den mehr als 160 Lineargeneratoren gedeckt, welche Energie in die Netze einspeisen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrogeneratoren wird bei den Lineargeneratoren die Spannung nicht durch Drehen einer Leiterschleife im konstanten Magnetfeld induziert, sondern es wird die durch dieStatornuten wechselnde Feldstärke genutzt, welche Wechselspannung in den in dieTragmagnete eingearbeiteten Wicklungen induziert. Letztendlich wird die Energie also dem im Fahrweg liegenden Antrieb berührungslos entnommen, welcher durch den zusätzlich entstehenden Lineargenerator-Widerstand entsprechend stärker dimensioniert werdenmuss. Sowohl die Höhe der Wechselspannung als auch deren Frequenz nimmt mit steigender Fahrgeschwindigkeit zu. Aus diesem Grund wird mittels redundant ausgelegter Hochsetzsteller die Wechselspannung gleichgerichtet und in ihrer Höhe an die der Bordnetzspannung angepasst. Als Resultat variiert die von den Lineargeneratoren zur Verfügung gestellte Leistung mit der Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Bei einer angenommenen maximalen Betriebsgeschwindigkeit von 500 km/h beträgt die bereitstehende Leistung je Sektion 512 kW, wobei davon noch die Eigenverluste des Lineargenerators zu subtrahieren sind.




Kummulierter Leistungsbedarf einer Sektion im Vergleich zur Einspeiseleistung

0

50

200

250

300

350

400

450

500

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480

EinspeiseleistungLineargeneratoren (abzgl.Verluste)

Wirbelstrombremse (Bremsen)

Klimatisierung(Maximalleistung)

Führen

100

150 Tragen

Niederspannungsverbraucher /Sicherheitskreise / Pneumatik/ Prüfung Wirbelstrombremse

zusätzlicher Leistungs-bedarf

LeistungsbereitstellungLineargeneratoren

P [kW]

v [km/h]



Lineargenerator

Statorpaket

Erregermagnetfeld

Magnetwicklung

Tragmagnetpol

Lineargenerator-wicklung

N

Bordbatterien

• Erregerfluss variiert durch Nutung des Stators (Nuteffekt)• Wicklung im Erregermagnet mit halber Nutteilung des Motors als Polteilung⇒ Variierender Magnetfluss⇒ Induzierte Spannung



Lineargenerator: Zusammenfassung

• Mechanische und magnetische Integration in Trag- und Antriebssystem• Wicklung in Stirn des Tragmagneten eingebracht, induzierte Spannung: ca. 2 kV• Zuschaltung ab ca. v = 100 km/h• Sprunghafte Veränderung des Fahrwiderstandes des Gesamtsystems• Vollkommen berührungslos, dadurch • verschleißarm

Bordnetze:• 4 unabhängige, batteriegepufferte 440-V-Bordnetze• Kopplung an Lineargenerator durch Hochsetzsteller• Max. 10 min Versorgung des Bordnetzes aus Batterien möglich

Hochsetzsteller Quelle: Glaser


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[22] Machbarkeitsstudie Transrapid/Metrorapid

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