Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur (Univ.)
Rolf Fischperer
aus Berlin
von der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Land- und Seeverkehr,
Fachgebiet Betriebssysteme elektrischer Bahnen
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
– Dr.-Ing. –
Genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. rer.nat. V. Schindler
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. P. Mnich
Gutachter: Prof. Dr.-Ing. H. Biesenack
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 10. Februar 2006
Berlin 2006
D83
Vorwort
Die vorliegende Arbeit ist parallel zu meiner Tätigkeit als technischer
Projektierungsingenieur bei der Transrapid International GmbH & Co. KG (TRI)
entstanden.
Ich danke ich den Geschäftsführern der TRI, die mir das Arbeiten am vorliegenden
Werk gestattet haben und mit der Veröffentlichung des damit verbundenen Wissens
einverstanden waren.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Mnich von der TU Berlin,
Fakultät V (Verkehrs- und Maschinensysteme), Institut für Land- und Seeverkehr,
Betriebssysteme elektrischer Bahnen, auf dessen Anregung hin diese Arbeit entstanden
ist, sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Biesenack vom Institut für Elektrische
Verkehrssysteme, Fakultät Verkehrswissenschaften „Friedrich List“ der TU Dresden,
für ihre fachlichen Anregungen, die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben und
die Übernahme der Gutachten.
Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit behandelt Auslegungen des Linearmotorantriebes für
Einsatzfälle des Transrapid im Regionalverkehr.
Im ersten Schritt wird die Wirkungsweise des Linearmotors und die damit verbundenen,
für den Fernverkehr entwickelten Konfigurationen und Auslegungsgrundsätze erläutert
und hinsichtlich ihrer betrieblichen Eigenschaften analysiert.
Anschließend werden modifizierte Anforderungen des Regionalverkehrs identifiziert
und Vorgehensweisen zur Optimierung des Antriebssystems festgelegt.
Verschiedene Optimierungsmaßnahmen im Antrieb und anderen mit betroffenen
Subsystemen werden erarbeitet und erläutert.
Schließlich erfolgt eine quantitative Auswertung verschiedener Maßnahmen und
Auslegungen anhand einer Musterstrecke. Optimierungspotentiale gegenüber den aus
dem Fernverkehr bekannten Antrieben werden aufgezeigt. Es zeigt sich, daß mit
entsprechender Entwicklung in den betrachteten Subsystemen Einsparungen in einer
Größenordnung von 40% möglich sind, sowohl bei Investitionskosten als auch bei
Betriebskosten.
Abstract
This work deals with linear propulsion systems of the Transrapid maglev system
especially applicable to regional transportation tasks.
In a first step the principle of the linear motor and its configurations and layout
strategies for long distance applications are explained and analyzed with regard to their
operational characteristics.
Next, modified requirements for regional transportation are identified and strategies for
optimization of the propulsion system are set up.
Various optimization measures within the propulsion system and neighboring
subsystems are worked out and explained.
Finally, a quantitative analysis of different measures is shown using an exemplary
regional line. Optimization potentials compared to a long distance propulsion layouts
are shown. It has been found that given the relevant developments in the subsystems
concerned savings of up to 40% both in investment and operation costs are feasible.
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung .............................................................................................................5
2 Zusammenstellung der bekannten Antriebssysteme .......................................7
2.1 Allgemeines..........................................................................................................................7
2.2 Speiseverfahren und Unterwerkstypen ............................................................................8
2.3 Statorabschnittswechselverfahren ....................................................................................9
2.3.1 Kurzschlußverfahren..................................................................................................9
2.3.2 Bocksprungverfahren ...............................................................................................10
2.3.3 Wechselschrittverfahren...........................................................................................10
2.3.4 Zeitversatzverfahren.................................................................................................10
2.3.5 Dreischrittverfahren .................................................................................................10
2.3.6 Zusammenfassung SAWV.......................................................................................11
3 Analyse Einflußfaktoren...................................................................................12
3.1 Leistungsmerkmale...........................................................................................................12
3.1.1 Fahrzeugleistung ......................................................................................................12
3.1.2 Statorstrom...............................................................................................................13
3.1.3 Polradspannung........................................................................................................15
3.2 Einflußparameter..............................................................................................................15
3.2.1 Stator ........................................................................................................................15
3.2.2 Streckenkabel ...........................................................................................................18
3.2.3 Umrichter mit Trafos................................................................................................20
3.3 Zusammenschau der Einflußparameter.........................................................................21
3.4 Antriebsauslegung ............................................................................................................24
4 Vorgehen zur Optimierung ..............................................................................27
4.1 Prioritäten..........................................................................................................................27
4.2 Vorgehen............................................................................................................................28
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5 Anforderungsprofil ...........................................................................................30
6 Musterstrecke ....................................................................................................32
7 Eingangssparameter..........................................................................................34
8 Maßnahmen zur Antriebsoptimierung ...........................................................36
8.1 Ausgangstrafo....................................................................................................................36
8.1.1 Maximale Übersetzung ............................................................................................36
8.1.2 Variable Übersetzung...............................................................................................37
8.1.3 Nennfrequenz ...........................................................................................................37
8.1.4 Entfall.......................................................................................................................38
8.2 Umrichterkonzept.............................................................................................................38
8.2.1 Dezentraler Aufbau ..................................................................................................38
8.2.2 Leistungsreduktion...................................................................................................39
8.3 Betriebsleittechnik ............................................................................................................40
8.3.1 Bildezeiten................................................................................................................40
8.3.2 Stationen...................................................................................................................42
8.3.3 Moving Block...........................................................................................................42
8.4 Statorschaltung .................................................................................................................43
8.4.1 Sternschaltung..........................................................................................................43
8.4.2 Dreieckschaltung......................................................................................................43
8.4.3 Offene Sternschaltung..............................................................................................44
8.5 Mischspeisung ...................................................................................................................44
8.6 Leistungsvorhalt................................................................................................................46
8.7 Teilschrittverfahren..........................................................................................................47
8.7.1 Grundidee.................................................................................................................47
8.7.2 Belastung Schaltelemente ........................................................................................48
8.7.3 Stationäre Stromfehler..............................................................................................49
8.7.4 Transiente Stromfehler.............................................................................................49
8.7.5 Spannunghalter.........................................................................................................50
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8.7.6 Ausführungsformen..................................................................................................51
8.7.7 Anwendbarkeit .........................................................................................................52
8.8 Energieversorgungskonzept.............................................................................................53
8.9 Rangierkonzept .................................................................................................................53
9 Definition Antriebsvarianten ...........................................................................55
9.1 Variante 1 ..........................................................................................................................55
9.2 Variante 2 ..........................................................................................................................56
9.3 Variante 3 ..........................................................................................................................56
10 Vorabauslegung.................................................................................................58
11 Auslegung Unterwerke .....................................................................................59
11.1 Vorgehensweise .................................................................................................................59
11.2 Ergebnisse..........................................................................................................................59
12 Auslegung Streckenkabel .................................................................................62
12.1 Vorgehensweise .................................................................................................................62
12.2 Ergebnisse..........................................................................................................................63
13 Auslegung Trafoübersetzung ...........................................................................67
13.1 Vorgehensweise .................................................................................................................67
13.2 Ergebnisse..........................................................................................................................67
14 Auslegung Statorabschnitte..............................................................................69
14.1 Vorgehensweise .................................................................................................................69
14.2 Ergebnisse..........................................................................................................................69
15 Auslegung Energieversorgung .........................................................................71
15.1 Vorgehen............................................................................................................................71
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15.2 Ergebnisse..........................................................................................................................71
16 Nachoptimierungen...........................................................................................73
16.1 Variante 1 ..........................................................................................................................73
16.2 Variante 2 ..........................................................................................................................76
16.3 Variante 3 ..........................................................................................................................77
17 Fahrspielergebnisse...........................................................................................79
17.1 Mindestfahrzeit .................................................................................................................79
17.2 Energiebedarf....................................................................................................................79
17.3 Minimaler Takt.................................................................................................................80
18 Kostenvergleich .................................................................................................83
18.1 Festlegung der Einheitskosten .........................................................................................83
18.2 Ergebnisse Investitionskosten..........................................................................................85
18.3 Betriebskosten ...................................................................................................................87
18.4 Lebenszykluskosten ..........................................................................................................88
19 Zusammenfassung und Ergebnisdiskussion...................................................90
Anhang ......................................................................................................................92
Abkürzungsverzeichnis ..............................................................................................................92
Größenbezeichnungen ................................................................................................................94
Literaturverzeichnis ...................................................................................................................96
Lebenslauf....................................................................................................................................97
Anlagenverzeichnis .....................................................................................................................98
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1 Einleitung
Die Magnetbahnentwicklung in Deutschland vom Typ Transrapid hat von Anfang an auf eine
Erweiterung des schienengebundenen Verkehrs in höhere Geschwindigkeitsbereiche gezielt. Dies
spiegelt sich in verschiedenen Systemmerkmalen wieder, welche Begrenzungen aus dem
konventionellen Rad-Schiene System weitgehend eliminieren sollen:
• Das Fahrzeug berührt seinen Fahrweg nicht sondern wird von magnetischen Kräften getragen
und geführt. Hierzu befinden sich aktiv geregelte Elektromagnete an Bord der Fahrzeuge, die
sich von unten an den am Fahrweg befestigten Stator anziehen, siehe auch [13]. Die
berührungsfreie Technik eliminiert nicht nur Reibungen und trägt somit zu einer Reduktion
von Fahrwiderständen und Schall bei, sondern hebt Begrenzungen der Geschwindigkeit auf,
die sich aus dem Verschleiß im Rad-Schiene System ergeben.
• Das Fehlen von Rädern und Stromabnehmern ermöglicht eine aerodynamisch günstige Form
die ebenfalls zum Erreichen hoher Geschwindigkeiten beiträgt.
• Der Antrieb des Fahrzeuges wurde weitgehend aus dem Fahrzeug entfernt und in stationäre
Anlagen integriert. Neben einer Gewichtsreduktion des Fahrzeuges erreicht man dadurch eine
weitgehende Aufhebung von Begrenzungen hinsichtlich der verfügbaren Leistung, denn weder
räumliche Gegebenheiten auf dem Zug noch Begrenzungen von Massen sind noch gegeben.
Weiteres zum Aufbau des Antriebes wird im nächsten Kapitel erläutert.
Diese Systemmerkmale prädestinieren den Transrapid zum Einsatz in Fernverkehrsstrecken mit
hohen Geschwindigkeiten und kleinen Reisezeiten. Geplant war deshalb in der zweiten Hälfte der
90er Jahre eine Anwendung auf einer neuen Schnellverkehrsverbindung Berlin-Hamburg.
Nachdem dieses Vorhaben jedoch Anfang 2000 eingestellt wurde, wurde seitens der
Bundesregierung beschlossen, den Einsatz der Technologie auf Regionalstrecken zu untersuchen.
Hier besteht einerseits ein Bedarf an schnellen Verbindungsstrecken und andererseits erwartet man
eine günstigere Kostensituation als im Fernverkehr aufgrund der reduzierten Streckenlängen.
Auf kurzen Strecken mit regionalem Verkehrscharakter kommt der eigentliche Vorteil der
Magnetschwebetechnik bislang jedoch kaum zur Geltung:
• Die Abstände zwischen den Haltestellen sind gering. Außerdem führen die Trassen i.d.R.
durch dicht besiedelte Gebiete. Beides führt dazu, dass keine so großen Geschwindigkeiten
erreicht werden wie bei Fernverkehrsstrecken.
• Gerade aber bei hohen Geschwindigkeiten können sich die Vorteile des berührungsfreien
Fahrens, also der fehlenden Reibungsverluste, und der guten Aerodynamik voll entfalten,
während sich bei kleinen Geschwindigkeiten der Energiebedarf zum aktiven Schweben
negativ bemerkbar macht.
Die Magnetschnellbahn-Technologie bietet aber dennoch systemimmanente Vorteile, die einem
Einsatz auch auf kürzeren Strecken mit regionalem Charakter entgegenkommen:
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• Die aktive Führung der Fahrzeuge ermöglicht Kurvenneigungen von 12° und mehr. Die sich
daraus ergebenden vergleichsweise kleinen Kurvenradien des Systems ermöglichen auch in
urbanen Bereichen Streckentrassierungen, die Geschwindigkeiten im Bereich von 200 km/h
ermöglichen. Zusammen mit dem für Hochgeschwindigkeitssysteme guten
Beschleunigungsvermögen ergeben sich so fahrzeitgünstige Alternativen zu bekannten
Verkehrssystemen.
• Die niedrigen Fahrzeiten ermöglichen zudem die Bewältigung hoher Verkehrsaufkommen, wie
sie in Ballungszentren häufig vorkommen.
• Im angesprochenen Geschwindigkeitsbereich um 200 km/h liegt der Schallpegel des
Transrapid aufgrund seines berührungsfreien Antriebes so niedrig wie bei keinem anderen
Verkehrssystem. Auch dieser Umstand begünstigt einen Einsatz in dicht besiedelten Gebieten.
Will man auch in diesem Marktsegment die oben beschriebenen, verkehrlichen Vorteile der
Magnetschnellbahn zur Anwendung bringen, so muß die Bemessung der Subsysteme auf den
Einsatzfall hin abgestimmt und kostengünstig gestaltet werden, so daß eine wirtschaftliche
Alternative zum Rad-Schiene-System angeboten werden kann.
Seitens der Elektrotechnik trägt das Antriebssystem der MSB einen wesentlichen Kostenanteil
zum Gesamtsystem bei. Genau dieses bietet aber prinzipbedingt viele Möglichkeiten der
Anpassung an verschiedene Leistungsanforderungen und damit Kostenoptimierungen.
Somit setzt sich dieses Werk zum Ziel, Antriebsvarianten für die MSB zu erarbeiten, welche den
spezifischen Anforderungen des Regionalverkehrs Rechnung tragen und die gegenüber bekannten
Lösungen Kostenvorteile aufweisen.
Dazu werden folgende Arbeiten durchgeführt:
• Die Struktur des Antriebssystems wird dargelegt. Die verschiedenen bekannten Systeme zur
Speisung des Linearmotors werden zusammengestellt.
• Die physikalische Wirkungsweise des Antriebes wird analysiert. Es folgt eine Identifizierung
der Parameter, welche die Leistungsfähigkeit des Antriebes maßgeblich bestimmen
(Leistungsparameter). Weiterhin werden verschiedenen Einflußparameter ermittelt, welche die
Leistungsparameter beeinflussen. Deren Wirkungsweise wird dargestellt und der Einfluß auf
die Wirtschaftlichkeit angegeben.
• Es wird ein Ansatz zum Vorgehen bei Auslegung des Antriebssystems erarbeitet. Hierbei
werden von außen an das System gestellte Anforderungen betrachtet.
• Es folgt eine Erarbeitung von Algorithmen zur Optimierung der einzelnen
Antriebskomponenten mit dem Ziel, die gestellten Anforderungen zu durch Optimierung der
Leistungsparameter zu erfüllen, unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten.
• Weiterhin werden neue Ansätze zur Gestaltung des Antriebssystems entwickelt, welche
speziell auf den Regionalverkehr zugeschnitten sind.
Die so erarbeiteten Theorien werden beispielhaft auf eine Musterstrecke angewendet. Hier zeigt
sich, wie durch Veränderung von Parametern eine kostengünstige Lösung zum Aufbau des
Antriebes entsteht.
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2 Zusammenstellung der bekannten Antriebssysteme
Vor jeder Optimierung eines Systems muß eine Analyse dessen Aufbaus, seines
Leistungsvermögens und seiner Stärken und Schwächen erfolgen. Aus diesem Grunde sind im
Folgenden zunächst die aus dem Hochgeschwindigkeitsverkehr bekannten Antriebssysteme
zusammengestellt und nach kategorisiert.
Zur besseren Übersicht erfolgt eine Einteilung des Antriebssystems nach folgenden zwei Kriterien:
1. Speiseverfahren und Unterwerkstypen.
2. Statorabschnittswechselverfahren.
2.1 Allgemeines
Im Folgenden werden allgemeingültige Prinzipien des Langstatorantriebes beschrieben. Die hier
definierten Begriffe sind Grundlage der weiteren Bearbeitung.
Die prinzipielle Wirkungsweise des Langstatormotors verdeutlicht Anlage 2.1-0: Die Tragmagnete
an Bord des Fahrzeuges dienen gleichzeitig als „Rotor“ bzw. Erregung einer elektrischen
Maschine, dessen Stator nicht zylindrisch aufgebaut ist sonder sich entlang der gesamten Strecke
ausdehnt. Die Kraftwirkung in Längsrichtung, also zum Beschleunigen oder Bremsen, folgt aus
dem Gesetz der Kraftwirkung F auf mit Strom i durchflossene Leiter der Länge l nach [14]:
F = i ⋅ l × B
Da die Induktion B durch das Tragfeld gegeben ist, kann die Schubkraft F lediglich über den in
den Langstator eingespeisten Strom i geregelt werden. Dieser muß in Richtung (Phasenlage) zur
Induktion und Geschwindigkeit (Frequenz) des Fahrzeuges nachgeregelt werden, um die
Schubkraft in der gewünschten Richtung aufrecht zu erhalten.
Das System zur Speisung dieses Langstators befindet sich nicht an Bord der Fahrzeuge, sondern
entlang der Strecke in stationären Einrichtungen, siehe auch [5]. Diese bestehen aus folgenden
Einzelkomponenten (vgl. Anlage 2.1-1):
• Statorabschnitte (SA) am Fahrweg: Der beliebig lange Stator ist in einzelne Abschnitte
unterteilt. Es wird jeweils nur derjenige SA mit Strom gespeist, über dem sich das Fahrzeug
befindet. Dies ist erforderlich um die Impedanz des Stators auf handhabbare Werte zu
begrenzen und verbessert gleichzeitig den Wirkungsgrad.
• Schaltstellen (SS) an den Enden der Statorabschnitte: Sie enthalten Schaltelemente zum
Bilden von Sternpunkten der Statorabschnitte, Trennen der Statorabschnitte von den
Streckenkabeln und Kabelfelder zum Anklemmen der ein- und wieder ausgeführten
Streckenkabel. Außerdem enthalten die Schaltstellen Schutzeinrichtungen des Langstators
(Erdfehlererfassung).
• Streckenkabelgruppe (SKG) entlang des Fahrweges: Sie beinhaltet alle Streckenkabel des
Antriebes entlang der Trasse, in denen die Energie von den Unterwerken zu den Schaltstellen
transportiert wird.
• Unterwerke (UW) an bestimmten Standorten der Strecke: Sie beinhalten wiederum folgende
Komponenten:
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Hochspannungsanlage (HS) zum Bezug der Antriebsenergie aus dem öffentlichen
Hochspannungsnetz. Die HS wird dem Subsystem Energieversorgung zugerechnet, nicht
dem Antrieb, und wird hier aufgrund der Kostenbeeinflussung verschiedener
Antriebskonzepte mit betrachtet,
Antriebsblöcke (ABL) mit Umrichtern (UR) zur Einspeisung der Energie in die
Streckenkabel und der Antriebsregelung-/Steuerung (ARS) zur Regelung der Umrichter
bezogen auf die Fahrzeuglage und –Geschwindigkeit zur Erzeugung der benötigten,
frequenz-, phasen- und amplitudenrichtigen Statorströme,
Betriebsleittechnik-Dezentralen (BLDn) zur Steuerung und Sicherung des Betriebes. Die
BLD wird dem Subsystem Leittechnik zugerechnet, nicht dem Antrieb, wird hier aufgrund
der Kostenbeeinflussung verschiedener Antriebskonzepte aber ebenfalls mit betrachtet.
Alle Komponenten sind je nach Speiseverfahren und Statorabschnittswechselverfahren zu
bemessen und zusammenzustellen und bilden in ihrer Gesamtheit das Antriebssystem. Den
Streckenbereich, der alle Komponenten zum Antrieb eines einzigen Fahrzeuges beinhaltet, wird im
Folgenden als Antriebsbereich (ABE) bezeichnet.
2.2 Speiseverfahren und Unterwerkstypen
Es sind zwei verschiedene Speiseverfahren, d.h. Möglichkeiten, den Statorstrom einzuspeisen,
bekannt, nämlich
• Einfachspeisung (ESP) und
• Doppelspeisung (DSP).
Anlage 2.2-1 zeigt den wesentlichen Unterschied beider Verfahren: Während bei Einfachspeisung
die gesamte Antriebsleistung eines Antriebsbereiches (ABE) von nur einem Unterwerk
aufgebracht wird, stellen bei der Doppelspeisung zwei benachbarte Unterwerke an den Enden des
ABE die Antriebsleistung gemeinsam zur Verfügung.
Dementsprechend sinkt die Belastung der Streckenkabel des ABE bei Doppelspeisung theoretisch
auf 50%. Praktisch teilt sich der Strom im Allgemeinen nicht in einem Verhältnis 50%:50% auf
die Unterwerke auf, da einerseits je nach Ort des einzuspeisenden Statorabschnittes (SA)
unterschiedliche Impedanzverhältnisse auf den entsprechenden Streckenkabel-Abschnitten
herrschen, und andererseits strategische Überlegungen wie Verlustminimierung auf den
Streckenkabeln oder Maximierung des Summenstromes im SA verschiedene
Aufteilungsverhältnisse erfordern.
Neben dem Speiseverfahren werden Unterwerke unterschieden nach der Anzahl der angrenzenden
Antriebsbereiche (ABE), die gleichzeitig gespeist werden können, nämlich
• Typ 1: gleichzeitige Speisung nur eines ABE einer Fahrspur;
• Typ 2: gleichzeitige Speisung von zwei ABE einer Fahrspur;
Der Typ 2 entsteht aus dem Typ 1 durch Verdoppelung der Antriebsblöcke im Unterwerk. Erst
dadurch wird gewährleistet, daß jeder Streckenkabelgruppe (SKG) stets ein Antriebsblock (ABL)
zur Verfügung steht, so daß in jedem Antriebsbereich (ABE) ein Fahrzeug angetrieben werden
kann. Ansonsten darf sich maximal nur in jedem zweiten ABE ein Fahrzeug bewegen.
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Für die Anzahl der gleichzeitig speisbaren Fahrzeuge in einem Streckenbereich zwischen drei
Unterwerken (UW) bedeutet dies:
• UW Typ 1, Einfachspeisung (ESP): 2
• UW Typ 1, Doppelspeisung (DSP): 1
• UW Typ 2, Einfachspeisung (ESP): 4
• UW Typ 2, Doppelspeisung (DSP): 2.
2.3 Statorabschnittswechselverfahren
Das verwendete Statorabschnittswechselverfahren (SAWV) eines Antriebsbereiches (ABE) nimmt
Einfluß auf
• die Anzahl der Streckenkabelverbunde,
• die Anzahl der Umrichter in den Antriebsblöcken,
• die Schaltstellenanzahl,
• die effektiv verfügbare Schubkraft und
• den Fahrkomfort.
Deshalb kommt der optimalen Auswahl des SAWV eine große Bedeutung zu. Folgende SAWV
sind bekannt:
2.3.1 Kurzschlußverfahren
Beim Kurzschlußverfahren (KSV) sind die jeweils rechts und links am Fahrweg befindlichen
Statoren abschnittsweise in Reihe geschaltet. Jeder Antriebsbereich (ABE) enthält lediglich einen
Streckenkabelverbund (SKV), dem sämtliche Statorabschnitte (SA) zugeordnet sind (Anlage 2.3-
1). Dementsprechend wird auch nur ein Umrichter (UR) im Antriebsblock (ABL) benötigt.
Der Statorabschnittswechsel (SAW) geschieht mittels folgendem Ablauf:
• Ruckbegrenzte Absteuerung der Schubkraft auf 0.
• Öffnen der Einspeiseschütze des zu verlassenden Statorabschnittes (SA).
• Schließen der Einspeiseschütze des zu befahrenden SA.
• Ruckbegrenzte Aufsteuerung der Schubkraft.
Anlage 2.3-2 zeigt die zugehörigen Verläufe der induzierten Polradspannung, des Statorstromes
und der Schubkraft, wenn der Abschnittswechsel bei 250 m liegt. Man erkennt, daß die Schubkraft
„Lücken“ im Zeitverlauf bzw. Ortsverlauf aufweist. Dies bewirkt zweierlei:
• Der Fahrkomfort wird beeinträchtigt.
• Die mittlere Schubkraft sinkt.
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2.3.2 Bocksprungverfahren
Beim Bocksprungverfahren (BSV) sind die einzelnen SA zwar wie beim Kurzschlußverfahren in
Reihe geschaltet, jedoch befindet sich jeder zweite SA an einem zweiten Streckenkabelverbund
(SKV), vgl. Beispiel in Anlage 2.3-3. Mit Hilfe des folgenden Steuerungsablaufes kann so ein
schubkrafteinbruchsfreier Statorabschnittswechsel (SAW) erfolgen (Anlage 2.3-4):
• Zuschalten der Einspeiseschalter des zu befahrenden Statorabschnittes (SA) bevor das
Fahrzeug diesen erreicht.
• Aufsteuern des Statorstromes des zu befahrenden SA bevor das Fahrzeug diesen erreicht (ohne
Last).
• Absteuern des Statorstromes des letzten SA, nachdem dieser vom Fahrzeug verlassen wurde.
• Abschalten der Einspeiseschalter des letzten SA, nachdem dieser vom Fahrzeug verlassen
wurde.
Das BSV benötigt pro Fahrspur 2 Streckenkabelverbunde (SKV) und 2 Umrichter (UR) im
Antriebsblock (ABL).
2.3.3 Wechselschrittverfahren
Beim Wechselschrittverfahren (WSV) erfolgt die Einspeisung der rechten und linken Statoren
getrennt und unabhängig voneinander. Deshalb benötigt man zwei SKV und zwei UR im ABL
(z.B. Anlage 2.3-5). Der Statorabschnittswechsel (SAW) erfolgt analog zum Kurzschlußverfahren,
jedoch auf der rechten und linken Statorseite getrennt mit einem örtlichen Versatz (Anlage 2.3-6).
Die Summe der beiden Schubkraftanteile beträgt somit stets mindestens 50%. Für das WSV liegen
Erfahrungswerte zum Fahrkomfort aus dem Betrieb der Transrapid Versuchsanlage Emsland
(TVE) vor.
2.3.4 Zeitversatzverfahren
Beim Zeitversatzverfahren (ZVV) erfolgt die Einspeisung der rechten und linken Statoren
ebenfalls getrennt und unabhängig voneinander. Deshalb benötigt man zwei SKV und zwei UR im
ABL (Anlage 2.3-7). Da einerseits kein Ortsversatz vorliegt, andererseits aber
Schubkrafteinbrüche von über 50% vermieden werden sollen, erfolgt der SAW zeitlich gestaffelt
(Anlage 2.3-8). Gegenüber dem Wechselschrittverfahren (WSV) ergeben sich somit i.allg. größere
Bereiche, in denen die Schubkraft unter 100% liegt, d.h. der Schubmittelwert sinkt.
2.3.5 Dreischrittverfahren
Das Dreischrittverfahren (DSV) speist zwar ebenfalls die rechten und linken Statoren getrennt
voneinander (z.B. Anlage 2.3-9), verursacht aber keine Schubkrafteinbrüche. Dazu bedient man
sich eines dritten Streckenkabelverbundes (SKV), der zusammen mit einem ausreichenden
Ortsversatz gewährleistet, daß alle drei am Statorabschnittswechsel (SAW) beteiligten SA gespeist
werden und die Schubkraftsumme konstant bleibt (Anlage 2.3-10). Dieses Verfahren wird auf der
ersten Anwendungsstrecke in Shangai eingesetzt.
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2.3.6 Zusammenfassung SAWV
Die folgende Tabelle faßt die wesentlichen Eigenschaften der verschiedenen
Statorabschnittswechselverfahren (SAWV) zusammen:
Statoranordnung Schubkrafteinbruch
beim SAW
Anzahl der SKV und
UR pro ABL
KSV In Reihe 100% 1
BSV In Reihe 0% 2
WSV Getrennt 50% 2
ZVV Getrennt 50% 2
DSV Getrennt 0% 3
Die Statorabschnittslänge (SAL) bestimmt durch ihre zugehörige Statorimpedanz, welche
maximale Ströme und damit Schubkraft erzeugt werden können. Bei
Statorabschnittswechselverfahren (SAWV), die Schubkrafteinbrüche verursachen, läßt sich die
mittlere Schubkraft und damit die Leistungsfähigkeit des Antriebes nur dann auf vergleichbaren
Niveaus halten, wenn zwischen den SAW entsprechend höhere Ströme eingespeist werden. Dies
erzwingt bei gegebener Umrichterspannung kleinere Impadanzen, d.h. kürzere
Statorabschnittslängen (SAL), also mehr Schaltstellen im Antriebsbereich (ABE), oder eine höhere
installierte Umrichterleistung.
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3 Analyse Einflußfaktoren
Im Folgenden wird ermittelt, welche Einflußfaktoren auf das Antriebssystem wirken und in
welcher Art sie Leistungsvermögen und Kosten beeinflussen.
Die physikalischen bzw. elektrotechnischen Grundlagen dafür basieren im Wesentlichen auf zwei
Quellen:
Zum einen sind in [16] ausführlich die physikalischen Effekte im Langstatormotor selbst, d.h. dem
Statorpaket und der Wicklung sowie dem Tragmagneten als Erreger der Maschine, beschrieben.
Hieraus lassen sich z.B. die Induktivitäten des Stators berechnen oder die Flussverteilung und die
Schubkraftkonstante (Motorkonstante) ermitteln.
Zum Zweiten beschreibt [5] sämtliche relevante Antriebsgrößen und deren Wechselwirkungen,
angefangen von den speisenden Umrichtern über die Leistungsübertragung durch die
Streckenkabel bis zu den statorseitigen Effekten sowie der Fahrdynamik. Diese Angaben wurden
nicht nur theoretisch beschrieben sondern auch messtechnisch nachgewiesen.
Zur Beschreibung der Leistungsfähigkeit des MSB Antriebes wurden die dazu relevanten
Kenntnisse aus [5] und [16] genutzt und in den folgenden Unterkapiteln mit den aktuell geltenden
Werten übersichtlich zusammengestellt. Darüber hinaus wurde der Einfluss auf Kosten und
Energiebedarf abgeleitet. Schließlich werden die Wechselwirkungen aller Parameter analysiert und
zusammengestellt, um daraus Strategien zur Antriebsoptimierung ableiten zu können.
3.1 Leistungsmerkmale
Bestimmte betriebliche Parameter, insbesondere die geforderte Fahrzeit und der geforderte
Fahrtakt, stellen Anforderungen an die Leistungsfähigkeit des Antriebs. Als Grundlage für
Antriebsauslegungen werden nachfolgend die Parameter identifiziert, welche diese
Leistungsfähigkeit definieren.
3.1.1 Fahrzeugleistung
Die Leistungsfähigkeit eines Magnetfahrzeuges läßt sich durch die allgemein gültigen
Bewegungsgleichungen darstellen: Leistung (P) = Kraft (F) multipliziert mit der Geschwindigkeit
(v).
Weiterhin von Bedeutung ist die Kraftgleichung nach [15] mit der Fahrzeugmasse mFzg und der
Beschleunigung a:
F = mFzg ⋅ a + FWid mit
FWid = Fae + Fmag + Flig + FH
Die einzelnen Kraftanteile FWid lauten nach [15] wie folgt: Es gelten für den aerodynamischen
Widerstand
Fae = 2,8 ⋅ (0,53 ⋅ nS / 2 + 0,3) ⋅ [v / m/s]2 N
(nS: Fahrzeugsektionszahl, v: Geschwindigkeit), für den Widerstand durch
Magnetisierungsverluste
Fmag = nS ⋅ (0,1 ⋅ [v / m/s]½ + 0,02 ⋅ [v / m/s]0,7) ⋅ 103 N
für den Widerstand durch den Lineargenerator zur Deckung des Bordenergiebedarfs maximal
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Flig = nS ⋅ (146 / [v / m/s] – 0,2) ⋅ 103 N
oberhalb von 100 km/h und 0 N darunter, sowie für den steigungsbedingten Widerstand
(Hangabtriebskraft)
FH = mFzg ⋅ g ⋅ sin(arctan(stg)) ≈ mFzg ⋅ g ⋅ stg
mit der Erdbeschleunigung g und der Steigung stg.
Dieses Gleichungssystem beschreibt vollständig die Fahrdynamik des Magnetfahrzeuges. Der
verfügbare Leistungsrahmen wird antriebsseitig demnach ausschließlich durch die zur Verfügung
stellbare Schubkraft F und die erreichbare Geschwindigkeit v bestimmt.
Von sekundärer Bedeutung ist weiterhin die aerodynamische Auftriebskraft
Fz = fA1⋅ 11369 N + fA2 ⋅ 12384 N für jede Endsektion und
Fz = fA1 / 3 ⋅ 24768 N für jede Mittelsektion
Hierbei wurden die Auftriebsfaktoren beim Hersteller durch aerodynamische Berechnungen
ermittelt. Sie liegen (geschwindigkeitsabhängig) zwischen 0 bis –4,6 für fA1 und 0 bis 1,6 für fA2.
Diese Kraft verringert die durch die Tragmagnete aufzubringende Tragkraft und nimmt somit
Einfluß auf den Betrag der Tragfeldinduktion B:
Bmit Auftrieb / (Bohne Auftrieb) = [mFzg ⋅ g + FZ / (mFzg ⋅ g)]½
3.1.2 Statorstrom
Der Statorstrom (iS) – respektive der Anteil des Statorstromes in Phase zum magnetischen
Tragfeld des Fahrzeuges (B) – bestimmt die Schubkraft (F) des Systems über die Kraftgleichung
F = iS ⋅ l × B (vgl. Anlage 2.1-0).
Die wirksame Länge (l) ist durch die Fahrzeuglänge und die Geometrie des Langstators gegeben:
Die Eisenbreite (b) bestimmt die Länge des Teils der Statorwicklung in der Nut, welcher senkrecht
zum magnetischen Tragfeld gerichtet ist und somit einen Beitrag zur gewünschten Schubkraft
liefert. Da über die Fahrzeuglänge gesehen mit zunehmender Anzahl der Wicklungsperioden
entsprechend viele Nuten mit Wicklungselementen der Länge b in Reihe geschaltet sind, ergibt
sich die gesamte wirksame Länge durch Summation aller Längen b, die sich im Bereich der
Magneten des Fahrzeuges befinden.
Da das Fahrzeug aus einzelnen Sektionen zusammengesetzt wird, deren Länge gegeben ist, und
auch die Geometrie des Langstators als gegeben angesetzt wird, läßt sich die Kraftgleichung wie
folgt vereinfachen:
F = iS ⋅ cM ⋅ ns
Die Schubkraft F ist hierbei kein Vektor sondern ein Skalar, da nur 2 Richtungen möglich sind
(vorwärts/rückwärts gerichtet), welche durch die Richtung des Statorstromes iS bestimmt wird. An
dieser Stelle wird auf die Verwendung des Zeigerdiagramms elektrischer Drehstrommaschinen
übergegangen: Hierbei sind zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen definiert, welche die
Phasenlage des Stromes im Stator relativ zur Induktion (respektive der induzierten
Polradspannung) beschreiben, nämlich die Schubachse (reale Achse; in Phase zur Induktion) und
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die Flussachse (imaginäre Achse, um 90° elektrisch gegenüber der Induktion versetzt, bzw.
mechanisch gesehen um eine halbe Polteilung in Längsrichtung des Stators versetzt). In der
Schubachse liegende Statorströme (Realteile des Statorstromes) bewirken Schubkräfte, je nach
Vorzeichen beschleunigend oder bremsend. In der Flussachse liegende Statorströme (Imaginärteile
des Statorstromes) bewirken je nach Vorzeichen eine Schwächung oder Stärkung des
Erregerfeldes und sind daher im Allgemeinen unerwünscht, da diese die Tragfunktion
beeinflussen. Für die Schubkraft ist somit nur der Realanteil (Anteil in Schubachse) des im
Allgemeinen komplexen Statorstromes
iS = REAL(iS)
relevant. Die Größe ns bezeichnet die Anzahl der Sektionen, aus der sich das Fahrzeug zusammen
setzt. Die Motorkonstante cM beschreibt das Produkt aus Induktion des Tragfeldes und der
Eisenbreite b multipliziert mit der Anzahl der Nuten im Bereich einer Fahrzeugsektion. Außerdem
beinhaltet die Motorkonstante Reduktionsfaktoren, die sich aus der Verstimmung des Motors
ergeben (dies sind lokale Abweichungen der idealen Polteilung zwischen Stator und „Rotor“),
sowie Reduktionsfaktoren, die sich aus der Drehstromtechnik ergeben. Streng genommen handelt
es sich bei der „Motorkonstante“ um keine Konstante, da deren Größe von der Tragfeldinduktion
abhängt, welche ihrerseits durch die erforderliche Tragkraft, d.h. Zuladung, bestimmt wird. Jedoch
wird dieser Effekt hier nicht vertiefend betrachtet. Typische Werte für die Motorkonstante liegen
im Bereich von 40 bis 45 N/A (siehe auch [5]).
Folgende Erkenntnisse lassen sich an dieser Stelle gewinnen:
Die Schubkraft steigt – bei konstantem Statorstrom – mit der Fahrzeugsektionszahl. Setzt man die
allgemeine Bewegungsgleichung (ohne Fahrwiderstände)
F = mFzg ⋅ a = mSektion ⋅ ns ⋅ a
mit der Fahrzeugmasse mFzg bzw. der Fahrzeugsektionsmasse mSektion und der Beschleunigung a
gleich der Schubkraft F so erhält man
F = mSektion ⋅ ns ⋅ a = iS ⋅ cM ⋅ ns
bzw.
a = iS ⋅ cM / mSektion
Die Anfangsbeschleunigung (Beschleunigung bei Vernachlässigung von Fahrwiderständen) ist
demnach nur abhängig vom Statorstrom, nicht jedoch von der Fahrzeuglänge.
Weitere Erkenntnis: Betrachtet man den rechts und links am Fahrweg befindlichen Stator separat,
so enthält jeder Stator nur die Hälfte der Nuten im Bereich einer Fahrzeugsektion. Dies bedeutet,
daß sich die Motorkonstante bzw. die Schubkraft FS1 für diesen Stator halbiert; gleiches gilt für
den zweiten Stator (FS2):
FS1 = iS1 ⋅ cM/2 ⋅ ns
FS2 = iS2 ⋅ cM/2 ⋅ ns
Um in Summe wieder die gleiche Schubkraft zu erhalten, muß in jeden Stator der gleiche Strom iS1
= iS2 = iS eingespeist werden oder aber ein geringer Strom in einem Stator muß durch einen
entsprechend höheren im anderen Stator ausgeglichen werden. Diese Tatsache ist von Bedeutung
bei Beurteilung der Statorabschnittswechsel.
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Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 15 von 100
3.1.3 Polradspannung
Neben dem Statorstrom bestimmt die Polradspannung (uP) die Leistungsfähigkeit des Antriebes.
Die Polradspannung läßt sich entweder über das Induktionsgesetz mit Hilfe der Tragfeldinduktion
(B), der wirksamen Leiterlänge (l) und der Änderung der Induktion (dB/dt) herleiten oder einfach
über die Leistungsbilanz des Motors. Dazu wird die innere Leistung einer elektrischen
Synchronmaschine
P = 3 ⋅ uP ⋅ iS
mit der allgemeinen Leistungsgleichung der Kinetik
P = F ⋅ v
(wobei P die Leistung und v die Geschwindigkeit darstellt) gleichgesetzt und nach der
Polradspannung aufgelöst:
uP = F ⋅ v / (3 ⋅ iS)
bzw. mit Beachtung der Motorkonstante:
uP = iS ⋅ cM ⋅ nS ⋅ v / (3 ⋅ iS) = cM ⋅ nS ⋅ v / 3
Wesentliche Erkenntnis hierbei: Die in den Stator induzierte Spannung steigt einerseits mit der
Fahrzeuggeschwindigkeit und andererseits mit der Sektionszahl. Dies ist für die Bemessung der
Speisespannung von Bedeutung.
3.2 Einflußparameter
Dieses Kapitel zeigt auf, welche Parameter so auf das System Einfluß nehmen, daß die
Leistungsmerkmale (Statorstrom und Polradspannung) in den gewünschten Größen liegen.
Weiterhin wird der Einfluß auf Kosten und Energiebedarf hergeleitet. Dazu werden die
elektrischen Eigenschaften der Komponenten des Antriebssystems betrachtet, ausgehend vom
Stator.
3.2.1 Stator
Elektrische Einflußgrößen
Aus elektrischer Sicht stellt der Stator eine Übertragungsleitung dar. Leitungen lassen sich durch
ihren Impedanzbelag beschreiben. Aufgrund von Messungen (z.B. [5]) sind Werte hierfür bekannt:
Statorlängswiderstandsbelag RS‘ = 0,23 Ω/km ⋅ (1 + T/20°C) ⋅ (1 + 0,004 ⋅ f/Hz)
Statorinduktivitätsbelag LS‘ = 2,6 mH/km
Statorkapazitätsbelag CS‘ = 1 µF/km
Der Statorquerleitwert GS‘ ist vernachlässigbar klein.
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Hierbei bebeuten f die Betriebsfrequenz und T die Leitertemperatur. Zusätzlich ist eine durch die
Tragmagnete verursachte Hauptfeldinduktivität LH‘ = 4 mH/km zu beachten, jedoch nur im
Bereich des Fahrzeuges, nicht im übrigen Bereich des Langstatorabschnitts.
Konventionelle Energieübertragungssysteme werden bei Frequenzen von 50 Hz bzw. 162/3 Hz
(Bahnanwendungen) betrieben. Bei der Magnetbahn ist das anders: Da der Strombelag des Stators
dem Fahrzeug synchron folgen muss, ergeben sich zwangsweise variable Betriebsfrequenzen.
Abhängig von der Geschwindigkeit können diese auch deutlich oberhalb von 50 Hz liegen.
Auf der anderen Seite erstrecket sich der Langstatormotor je nach Auslegung evtl. über mehrere
Kilometer zwischen dem Einspeisepunkt der Energie und dem „Verbraucher“ Fahrzeug (noch
größer sind die Längen bei den Streckenkabeln, siehe weiter unten). Aus der Elektrotechnik (z.B.
[7]) ist bekannt, dass eine Verwendung von Gleichungssystemen mit diskreten Bauteilen wie
Induktivitäten und Widerständen nur dann zu genauen Ergebnissen führt, wenn das Produkt aus
Betriebsfrequenz und Übertragungslänge hinreichend klein ist. Andernfalls muss eine genauere
Berechnung der Energieübertragung unter Verwendung der aus der Wellentheorie bekannten
Gleichungssysteme angewandt werden. Dazu wird der Langstatormotor als eine
Energieübertragungsleitung angesehen.
Nach [7] können aus den Impedanzbelägen die relevanten Ausbreitungsdaten ermittelt werden:
Statorwellenwiderstand: ZWS = [(RS‘ + j⋅ω ⋅ LS‘) / (j⋅ω⋅ CS‘)]½
Ausbreitungsmaß Stator: γS = [(RS‘ + j⋅ω ⋅ LS‘) ⋅ (j⋅ω⋅ CS‘)]½
Wellenlänge Stator: λS = 1 / (f ⋅ [LS‘⋅ CS‘]½)
Mit der Winkelgeschwindigkeit ω = 2⋅π⋅f und der Kreiszahl π.
Weiterhin lassen sich bei bekannter Statorabschnittslänge dS folgende Ausbreitungsfaktoren
ermitteln:
xS = ½ ⋅ (eγS⋅dS + e-γS⋅dS)
yS = ½ ⋅ (eγS⋅dS - e-γS⋅dS)
wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus darstellt. Strom (iES) und Spannung (uES) an der
Einspeisestelle (Schaltstelle) werden mit Hilfe dieser Ausbreitungsfaktoren bis zum Fahrzeug, hier
am anderen Ende des Statorabschnittes angenommen, übertragen:
uES = uP ⋅ xS + iS ⋅ (yS ⋅ ZWS + j⋅ω ⋅LH)
iES = uP ⋅ yS / ZWS + iS ⋅ xS
Die Hauptfeldinduktivität ist hier vereinfachend als diskretes Element angenommen. Die
Polradspannung uP ist hier real, da sie definitionsgemäß in der Schubachse liegt. Physikalisch
exakt müßte für den Bereich des Fahrzeuges eine zweite Wellengleichung aufgestellt werden.
Ebenso ist eine zweite Wellengleichung für den Bereich zwischen Fahrzeug und Sternpunkt des
Statorabschnittes in gleicher Art und Weise anzusetzen, wenn sich das Fahrzeug nicht an diesem
Ende befindet wie in obiger Gleichung unterstellt. Dabei wird jeweils Strom und Spannung in
Amplitude und Phasenlage durch die Dämpfung (ohmscher Widerstand RS des Statorabschnitts)
und Reaktanz (Induktivität LS und Kapazität CS des Statorabschnitts) verändert.
Für den Fall λS >> dS läßt sich das System in ein einfaches elektrisches Ersatzschaltbild mit
diskreten Elementen überführen (vgl. Abbildung 3.2-1). Aus Hochgeschwindigkeitsanwendungen
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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Seite 17 von 100
ist bekannt, daß bei derartigen Vereinfachungen Fehler entstehen. Für die hier betrachteten
typischen Geschwindigkeiten v (Größenordnung 60 m/s) läßt sich über die Polteilung τP der
Maschine die erforderliche Betriebsfrequenz f bestimmen:
f = v / (2 ⋅ τP) = 60 m/s / 0,516 m = 116 Hz
Damit ergibt sich eine Wellenlänge von λS = 131 km. Bei einer angenommenen
Statorabschnittslänge von 2 km ist somit der Fehler durch Verwendung des einfachen
Ersatzschaltbildes vernachlässigbar: Genauigkeit = cos(2⋅π⋅2km/131km) = 99,5%.
An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, daß der Statorstrom im Allgemeinen komplex
sein kann, d.h. Anteile in Schubachse und Anteile in Magnetisierungsachse enthalten kann.
Stromanteile in der Magnetisierungsachse nehmen Einfluß auf das Tragfeld (Ankerrückwirkung)
und sind deshalb i.d.R. seitens des Fahrzeuges unerwünscht. Aus Sicht des Antriebes können sie
jedoch einen positiven Einfluß darstellen, da sie induktive Spannungsfälle im Stator kompensieren
können und somit den Spannungsbedarf an der Schaltstelle reduzieren bzw. bei gegebenem
Spannungsbetrag einen erhöhten Strom in der Schubachse ermöglichen. Dies wird an späterer
Stelle im Zusammenhang mit den Streckenkabeln und Umrichtern weiter verdeutlicht.
Als wesentliche Punkte sind festzuhalten:
• Um einen gewünschten Statorstrom iS einzuprägen, ist additiv zur Polradspannung der
Spannungsabfall durch die Statorimpedanz an der Einspeisestelle des Statorabschnittes
anzulegen. Letztere sind abgesehen von der Hauptinduktivität des Fahrzeuges nur durch die
Länge des Statorabschnittes bestimmt.
• Veränderungen des Statorstromes im Statorabschnitt sind bei den hier betrachteten
Betriebsfrequenzen vernachlässigbar.
Kosteneinfluß
Da an den Enden der Statorabschnitte Schaltstellen zur Einspeisung bzw. zum Schließen des
Sternpunktes erforderlich sind, nimmt die Statorabschnittslänge dS überschlägig folgenden Einfluß
auf die Kosten K einer Strecke der Gesamtlänge dG:
K = dG / dS ⋅ nSt ⋅ KSS
Dabei sind die Kosten einer Schaltstelle KSS sowie die Zahl der Statoren nSt von Bedeutung. Die
Zahl der Statoren ergibt sich aus dem Statorabschnittswechselverfahren: Beim Bocksprung- und
Kurzschlußverfahren liegt ein Stator vor, bei den übrigen Verfahren zwei.
Einfluß auf Energiebedarf
Der jeweils aktive Statorabschnitt verursacht durch seinen ohmschen Widerstand Verluste und
trägt somit zum Leistungs- und Energiebedarf des Antriebes bei. Die Verlustleistung des
Statorabschnitts PVS beträgt im vereinfachten Modell
Seite 18 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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PVS = 3 ⋅ RS‘⋅ dS ⋅ |iS|2
Die Verlustenergie im Statorabschnitt ES erhält man über die zeitliche Integration des
Verlustleistungsverlaufes
ES = ∫ PVS(t) ⋅ dt
3.2.2 Streckenkabel
Elektrischer Einfluß
Zur Übertragung der Energie vom Unterwerk zu den Statorabschnitten dienen Streckenkabel
entlang der Trasse. Diese stellen aus elektrischer Sicht ebenfalls eine Übertragungsleitung dar. Im
Gegensatz zum Langstator selbst sind die Impedanzbeläge jedoch nicht gegeben, sondern vom für
den Einsatzfall gewählten Kabeltyp (insbesondere Leiterquerschnitt) und Anzahl bestimmt.
Entsprechende Projektierungsdaten sind z.B. in [4] angegeben.
Das Gleichungssystem läßt sich in Analogie zum Stator aufstellen. Beispielhaft wird hier mit
folgenden Daten der Transrapid Versuchsanlage Emsland (TVE) abgeschätzt, ob mit dem
vereinfachten Ersatzschaltbild gerechnet werden darf.
RK‘ = 0,208 / npK Ω/km
LK‘ = 0,285 / npK mH/km
CK‘ = 0,365 ⋅ npK µF/km
Mit der Zahl der parallel verlegten Kabelsysteme npK = 4.
Die Projektierungsdaten für Kabel nach [4] gelten für 50 Hz Drehstromanwendungen. In [3] ist
nachzulesen, auf welche Art die Betriebsfrequenz über Skineffekt und Näheeffekt abhängig vom
Aufbau des Kabels den Wirkwiderstand der Kabel beeinflußt. Aufgrund des Umfangs der
Gleichungssysteme wird an dieser Stelle auf eine Wiedergabe des Formelwerks verzichtet. Es
wurde jedoch bei den Berechnungen stets beachtet.
Mit diesen Daten ergibt sich beispielhaft bei einer Betriebsfrequenz von f = 116 Hz (60 m/s) eine
Wellenlänge λK:
λK = 1 / (f ⋅ [LK‘⋅ CK‘]½) = 267 km
Rechnet man mit Kabellängen von 30 km, so beträgt die Genauigkeit G bei Verwendung eines
vereinfachten Ersatzschaltbildes in Analogie zum obigen Kapitel
G = cos(2⋅π⋅30 km / 267 km) = 76,1%.
Die Abweichung ist hier so erheblich, daß die Vereinfachung unzulässig wäre.
Für die praktische Umsetzung im Simulationsprogramm bedeutet dies, daß grundsätzlich mit den
exakten Wellengleichungen zu rechnen ist, was fallbezogene Prüfungen der Zulässigkeit von
Vereinfachungen erübrigt. Lediglich bei Frequenzen unter ca.1 Hz wird aus numerischen Gründen
das vereinfachte Modell verwendet. Zur Verdeutlichung verschiedener Zusammenhänge eignet
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sich jedoch das vereinfachte Ersatzschaltbild aufgrund seiner Anschaulichkeit besser, so daß es
hier in verschiedenen bildlichen Darstellungen weiterhin verwendet wird.
Ein weiterer zu beachtender Aspekt bei Berechnung der Kabel besteht in den zwei
unterschiedlichen Speiseverfahren – Einfach- und Doppelspeisung. Während bei Einfachspeisung
der gesamte Strom vom Umrichter über die Schaltstelle in den Stator fließt, addieren sich bei
Doppelspeisung die Ströme der beiden beteiligten Umrichter an der Schaltstelle. Dementsprechend
sind hierfür zwei Übertragungsgleichungssysteme erforderlich. Außerdem entstehen
Freiheitsgrade hinsichtlich der Aufteilung der Ströme auf die Unterwerke. Der Strom an der
Schaltstelle iSS läßt sich beliebig in Anteile aus Richtung des Unterwerks A (iSSA) und aus
Richtung des Unterwerks B (iSSB) aufspalten:
iSS = iSSA + iSSB
Hierbei ist zu beachten, daß der Strom im Allgemeinen komplex ist, d.h. Anteile in der
Schubachse und Anteile in der Magnetisierungsachse enthält.
Die Aufteilung des Stromes ist sowohl für den Spannungsfall über die Kabelimpedanzen von
Bedeutung (vgl. nächstes Kapitel) als auch für die Verlustleistung. Letztere ist von elementarer
Bedeutung für die thermische Auslegung der Kabel.
Kosteneinfluß
Der Einfluß auf die Kosten der Kabel ergibt sich unmittelbar über die Zahl der verwendeten
parallelen Kabel npK, den spezifischen Kosten des gewählten Kabeltyps KK, der Kabeltrassenlänge
dK sowie dem Statorabschnittswechselverfahren, welches die Zahl der benötigten Verbunde nV
bestimmt:
K = npK ⋅ KK ⋅ dK ⋅ nV
Die spezifischen Kabelkosten müssen die zugehörigen Verlegekosten enthalten, da diese einen
wesentlichen Anteil darstellen.
Einfluß auf Energiebedarf
In Analogie zum Stator erhält man in erster Näherung für die Verlustleistung in den Kabeln PVK
PVK = 3 ⋅ RK‘⋅ dK ⋅ |iK|2
Mit dem Kabelstrom iK, der sich bei Doppelspeisung jeweils aus einem Anteil des Statorstromes iS
zusammensetzt. Man beachte, daß der spezifische Kabelwiderstand RK‘ neben dem
Gleichstromwiderstand des gewählten Kabeltyps Anteile durch Skin- und Näheeffekt, thermisch
bedingte Widerstandserhöhungen sowie die Zahl der parallelen Kabel enthält.
Wie oben gezeigt ist diese Darstellung mit diskreten Elementen jedoch ungenau. Aus der
Wellentheorie läßt sich die Verlustleistung PK am einfachsten über die Leistungsbilanz am Anfang
und am Ende des betrachteten Kabels ermitteln:
PVK = REAL[ 3 ⋅ uT ⋅ iT* – 3 ⋅ uSS ⋅ iSS* ]
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Hierbei bezeichnet * die konjugiert komplexe Größe, der Index T steht für die elektrischen Größen
am Trafo der Umrichter, d.h. am Anfang des Kabels, der Index SS steht für die Schaltstelle (Ende
des Kabels).
Die Verlustenergie erhält man über zeitliche Integration der Verlustleistung.
3.2.3 Umrichter mit Trafos
Elektrischer Einfluß
Der Einfluß des ausgangsseitigen Trafos der Umrichter ist zum einen durch seine Impedanz
(ohmscher Widerstand RT, Induktivität LT) bestimmt und zum anderen durch seine Übersetzung ü.
Für Strom iUR und Spannung uUR des Umrichters gilt mit den Größen iT und uT am Kabelanfang:
iUR = iT ⋅ ü
uUR = [uT – iT ⋅ (RT + j⋅ω⋅LT) ] / ü
Typische Werte sind RT = 0,02 Ω und LT = 0,4 mH (TVE, vgl. [5]), wobei für den
Direkttaktbetrieb (Umgehung des Trafos bei kleinen Frequenzen) etwas günstigere Daten gelten.
Wesentlich hierbei ist, daß weder Spannung noch Strom die Nennwerte des Umrichters iNenn, uNenn
übersteigen dürfen:
|iUR| ≤ iNenn
|uUR| ≤ uNenn
Mit Hilfe des aus der Synchronmaschine bekannten Zeigerdiagramms läßt sich so unter
Verwendung der vereinfachten Gleichungssysteme mit diskreten Bauelementen veranschaulichen,
wie die verfügbaren Umrichternenngrößen mit den Leistungsgrößen uP und iS zusammenhängen
(Bild 3.2-1), wobei RT und LT vereinfachend den Kabelimpedanzen zugeschlagen wurden:
Liegt der Statorstrom in der Schubachse (Kippunkt der Maschine), d.h. in Phase zur
Polradspannung, so liegt der Strom im Kabel iK in Richtung Flußachse verschoben, da ein Teil des
Stromes in die Kapazitäten des Kabels und der Statorwicklung abzweigt. Die Spannungen am
Kabel fallen gemäß der jeweiligen Stromrichtung ohmsch und induktiv ab. Addiert man alle
Spannungsabfälle zur Polradspannung, so erhält man die anzulegende Spannung, um die
angenommenen Ströme einspeisen zu können. Im gezeigten Fall sei die anzulegende Spannung u
betragsmäßig gleich der Nennspannung uNenn.
Erhöht man entweder die Impedanzen (z.B. durch größere Längen des Statorabschnitts oder der
Kabel) oder will man eine größere Geschwindigkeit fahren (höhere Polradspannung) oder will
man die Schubkraft erhöhen (höherer Statorstrom iS) so ist dies im Kippunkt nicht möglich.
Anlage 3.2-2 zeigt, wie dies durch Einspeisung eines Statorstromes in die Flußachse trotzdem
erreicht werden kann: Im Beispiel sind Nennspannung, Polradspannung und Streckenimpedanzen
unverändert, der Statorstrom enthält jedoch zusätzlich Blindanteile (IMAG(iS)). Die induktiven
Spannungsabfälle dieses Imaginärteils kompensieren die ohmschen Spannungsabfälle des
Realteils. In Summe wird so weniger Spannung u benötigt. Die Differenz zwischen |u| und uNenn
kann nun dazu verwendet werden, den Realteil des Statorstromes weiter zu erhöhen.
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An dieser Stelle sei daran erinnert, daß bei Doppelspeisung eine beliebige Stromaufteilung an der
zu speisenden Schaltstelle möglich ist. Hier gibt es stets zwei Zeigerdiagramme, eines für das eine
und eines für das andere Unterwerk. Liegt ein Unterwerk (A) mit der Spannung am Nennwert, das
andere (B) jedoch nicht, so ist es möglich, den Strom so aufzuteilen, daß das hoch belastete
Unterwerk A weniger und das Unterwerk B mehr Strom liefert, so daß letztlich beide Unterwerke
an ihrem Nennwert liegen und der Statorstrom maximiert wurde. Dabei kann z.B. auch Blindstrom
zwischen den Unterwerken ausgetauscht werden, um ein Unterwerk spannungsmäßig zu entlasten.
Diese Aufteilung ist jedoch nicht zwangsläufig auch das Optimum des Wirkungsgrades des
Antriebes. Eine geschlossene optimale Lösung – sei es nach maximal möglichem Schub oder
optimalem Wirkungsgrad – ist nicht trivial, da das Zeigerdiagramm nur eine stark vereinfachte
Darstellung ist und im Allgemeinen Strom und Spannung über die Leitungslänge verändert
werden, siehe Wellengleichungen. Anhaltspunkte für das Wirkungsgradoptimum sind: keine
Statorströme in Feldachse (diese tragen nicht zur mechanischen Leistung bei sondern verursachen
nur ohmsche Verluste) und Aufteilung der Ströme bei Doppelspeisung so, daß das Kabel mit der
großen Widerstand wenig und das Kabel mit dem kleineren Widerstand mehr Strom führen muß,
d.h. Aufteilung reziprok zu den beteiligten Widerständen der Kabel A und B:
PVmin ≈ RS ⋅ iS2 + RT ⋅ iT2 + RKA ⋅ [iS ⋅ RKB / (RKA + RKB)]2 + RKB ⋅ [iS ⋅ RKA / (RKA + RKB)]2
Zur exakten Berechnung wurden in die Antriebssimulation numerische Iterationsverfahren
integriert, welche nach dem gewünschten Schuboptimum suchen. Dieses wird also letztlich durch
„Probieren“ ermittelt.
Kosteneinfluß
Die Umrichter nehmen hauptsächlich durch ihre Stückzahl Einfluß auf die Gesamtkosten. Die
Bemessung der Trafos kann hingegen nach Bedarf erfolgen, was eine Kostenanpassung dieser
Komponente ermöglicht. Die Stückzahl ist gegeben durch die Zahl der Unterwerke, das
Abschnittswechselverfahren (Umrichter pro Block) und das Speiseverfahren (einfach/doppelt).
Die Zahl der Unterwerke ist von übergeordneter Bedeutung für die Gesamtkosten. Entsprechende
Optimierungen sind im nächsten Kapitel erläutert.
Einfluß Energiebedarf
Der Energiebedarf des Trafos ergibt sich durch Integration der ohmschen Verluste in Analogie
zum Stator. Die Umrichter tragen durch ihren Wirkungsgrad (ca. 90-95%) zur Energiebilanz bei.
3.3 Zusammenschau der Einflußparameter
Anlage 3.3-1 listet die bislang ermittelten Einflußparameter auf. Auf Basis der bisher erarbeiteten
Erkenntnisse kann man die Parameter in 4 Gruppen einteilen:
Eingangsparameter:
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Diese Größen liegen im Allgemeinen als Vorgaben vor, z.B. als Wunschgrößen seitens eines
Kunden. Sie gehen wie folgt ein:
• Streckenprofil: Nimmt durch die Steigungen Einfluß auf Fahrwiderstände und durch die
Trassierung (Kurvenradien) auf die zulässige Höchstgeschwindigkeit. Beides geht über
Strom- und Spannungsbedarf in die Leistungsparameter ein. Über die Lage der Stationen wird
das örtlich benötigte Leistungsvermögen (Schubkraft) mitbestimmt.
• Fahrzeitvorgabe: Bestimmt erforderliche Höchstgeschwindigkeit und
Beschleunigungsvermögen.
• Fahrtakt: Bestimmt maßgeblich die zeitliche Länge der Antriebsbereiche.
• Verkehrsaufkommen: Bestimmt die erforderliche Fahrzeuglänge und nimmt damit Einfluß auf
den Spannungsbedarf.
Leistungsparameter:
Die Leistungsparameter dienen der Erfüllung der Anforderungen aus den Eingangsparametern. Sie
definieren die Leistungsfähigkeit des Systems im weiteren Sinne:
• Schubkraft: Ermöglicht die erforderlichen Beschleunigungen und damit Fahrzeiten.
• Höchstgeschwindigkeit: Ermöglicht die geforderten Fahrzeiten.
• Energiebedarf: Zeigt den Erfolg von Optimierungen des Antriebes hinsichtlich Betriebskosten.
• Kosten: Zeigt den Erfolg von Optimierungen des Antriebes hinsichtlich zu tätigender
Investitionen und Betriebskosten (Instandhaltungsaufwendungen).
Optimierungsparameter:
Anhand der in den vorangegangenen Kapiteln beschriebenen Zusammenhänge lassen sich diese
Parameter als Gegenstand von Optimierungsbemühungen ausmachen:
• Unterwerksabstand: Nimmt maßgeblich Einfluß auf die benötigte Anzahl der Unterwerke und
damit der Kosten. Beeinflußt die benötigten Kabellängen und nimmt so Einfluß auf
Energiebedarf.
• Umrichter: Definiert die verfügbare Spannung und den verfügbaren Strom und somit das
Leistungsvermögen.
• Statorabschnittslängen: Bestimmen über die Impedanzen (Spannungsbedarf) das örtlich
verfügbare Leistungsvermögen und den Energiebedarf. Nehmen über die Zahl der benötigten
Schaltstellen Einfluß auf die Kosten.
• Streckenkabel: Bestimmen über die Impedanzen (Spannungsbedarf) das verfügbare
Leistungsvermögen und den Energiebedarf. Nehmen über Zahl und Typ Einfluß auf die
Kosten.
• Abschnittswechselverfahren: Nehmen Einfluß auf Kosten (Anzahl der benötigten Verbunde),
Schubkraft (Einbrüche am Abschnittswechsel) und Höchstgeschwindigkeit (durch mittlere
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verfügbare Schubkraft aufgrund von Einbrüchen im Abschnittswechsel bei hohen
Geschwindigkeiten).
• Speiseverfahren: Unmittelbarer Einfluß auf die Kosten durch Zahl der benötigten
Antriebsblöcke, Einfluß auf verfügbare Schubkraft durch Zahl der speisenden Antriebsblöcke,
Einfluß auf Energiebedarf durch Stromaufteilung falls möglich.
• Fahrzeugsektionen: Einfluß auf Spannungsbedarf über Polradspannung.
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3.4 Antriebsauslegung
In den vorangegangenen Kapiteln wurden die verschiedenen Parameter einzeln untersucht, sowohl
hinsichtlich ihrer physikalisch-technischen Effekte als auch hinsichtlich ihrer Einflussnahme auf
Kosten und Energiebedarf. Die Wirkung im Zusammenhang zeigt Anlage 3.4-1:
Die Leistungsparameter Schubkraft, Höchstgeschwindigkeit, Energiebedarf und Kosten werden
auf indirektem Wege von praktisch allen Eingangsgrößen und Optimierungsparametern
beeinflusst. Es folgt eine Diskussion weiterer wichtiger unmittelbaren Abhängigkeiten:
Sämtliche Optimierungsparameter beeinflussen die Schubkraft. Das bedeutet, dass eine bestimmte
Schubkraft stets durch Kombination verschiedenster Optimierungsparameter erzielt werden kann.
Insbesondere ist es möglich, Maßnahmen mit hohem finanziellem Aufwand zur
Schubkraftsteigerung , wie z.B. eine hohe, dicht aufeinander folgende Zahl von Unterwerken zu
vermeiden und statt dessen vergleichsweise wenig aufwändige Methoden, z.B. verkürzte
Statorabschnitte mit einer kleinen Imperdanz zu verwenden, um den gerwünschten Effekt zu
erzielen.
Die Höchstgeschwindigkeit wird auf technischer Seite unmittelbar durch den Umrichtertyp (bzw.
Trafoübersetzung) durch sein Leistungsvermögen und seine Nennspannung bestimmt. Auf Seiten
der Eingangsparameter wirkt einerseits die Trassierung durch Kurvenradien, Kuppen und Wannen
begrenzend, andererseits stellt aber auch eine vorgegebene Anforderung an eine Fahrzeit
Vorgaben an die zu erreichende Höchstgeschwindigkeit. Um diese erreichen zu können, sind
wiederum unter Beachtung der Haltestellenabstäde bestimmte Schubkräfte zur Beschleunigung
erforderlich. Wie schon gezeigt, nehmen alle Optimierungsparameter Einfluss auf die Schubkraft.
Somit bestimmen letzlich die Trassierung, die Haltestellenabstände und die geforderten
Fahrzeiten/Höchstgeschwindigkeiten die gesamte Systemauslegung, mit Wirkung auf die Kosten.
Aus diesem Grunde sollten bei der Projektplanung Belange der Systemauslegung in den Prozess
der Streckenfindung eingebracht werden, um ein Gesamtoptimum zu erhalten.
Der Energiebedarf wird neben Impedanzen und Wirkungsgradunterschieden von verschiedenen
Speiseverfahren und Fahrzeuglängen (der Wirkungsgrad verbessert sich aufgrund des günstiger
werdenden Verhältnisses von Schubkraft zu Verlustleistung mit länger werdenden Fahrzeugen)
primär durch die Höchstgeschwindigkeit und die erforderlichen Schubkräfte bestimmt. Beide
Faktoren, insbesondere aber die Höchstgeschwindigkeit, hängen stark von planerischen
Eingangsdaten (maßgeblich der Trassierung) ab.
Die Kosten (Investition und Instandhaltung) werden durch die Zahl der Unterwerke, Typ und
Anzahl der Umrichter in den Unterwerken, Zahl der Schaltstellen und Streckenkabel maßgeblich
bestimmt. Die Anlagenkosten werden weiterhin durch die Anzahl der benötigten
Fahrzeugsektionen beeinflusst, welche sich unmittelbar aus dem Verkehrsaufkommen und der
Fahrzeutvorgabe ableiten lässt. Die Fahrzeuge werden in dieser Arbeit jedoch nicht näher
betrachtet (gestrichelte Linie in Anlage 3.4-1).
Es wird deutlich, dass Unterwerksabstand, Umrichter, Statortabschnittslängen und Streckenkabel
gleichermaßen unmittelbar die Kosten als auch die Schubkraft (und damit die
Schlüsselkomponente zur Erfüllung der vorgegebenen Eingangsparameter) bestimmen. Eine
optimierte Antriebsauslegung muss daher primär diese Parameter beachten.
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
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Um ein Kostenoptimum zu erhalten, müssen zuerst die kostenintensivsten Komponenten auf das
erforderliche Mindestmaß reduziert werden, anschließend können die weniger teueren
Komponenten sukzessive so weit reduziert werden, dass die gewünschte Schubkraft gerade noch
verfügbar ist. Im Vorgriff auf Kapitel 18.1 zeigt sich, dass beim Stand der Technik die
Kostenanteile i.d.R. in folgender Reihenfolge zu gewichten sind:
1. Unterwerke (mit Umrichtern)
2. Streckenkabel
3. Schaltstellen
Daraus folgt, das die Zahl der Unterwerke vordringlich zu minimieren ist. Dies gelingt am
einfachsten durch Vorgabe relativ großer Fahrtakte, da dies die Zahl der Fahrzeuge auf der Strecke
und damit der benötigten Antriebsbereiche, die von einem Unterwerk zu speisen ist, minimiert.
Allerdings kann diese Option normalerweise nicht genutzt werden, da die Takte vom Auftraggeber
vorgegebnen sind, d.h. die Antriebsbereiche ergeben sich automatisch aus dem Takt. Als weitere
Alternative bietet sich gemäß Anlage 3.4-1 die Wahl eines kostengünstigen Speiseverfahrens an,
nämlich der Einfachspeisung: Hierbei muss die Energie eines Antriebsbereiches von nur einem
Unterwerk bereitgestellt werden statt von zweien. Dadurch ergeben sich normalerweise auch
gleichzeitig Einsparungen an der Anzahl der eingesetzten Umrichter. Weiterhin wird die
Standortwahl erleichtert, da sich Unterwerke für Einfachspeisung prinzipiell an beliebiger Stelle
im Antriebsbereich anordnen lassen, während bei Doppelspeisung die Unterwerke an den
Bereichsgrenzen stehen müssen, welche wiederum durch den Takt fest vorgegeben sind.
Voraussetzung für den Einsatz der Einfachspeisung ist einerseits, dass die verfügbaren Umrichter
ausreichend Leistung bereitstellen können und dass ein hinreichendes Redundanzkonzept vorliegt.
Die Zahl der Umrichter wurde bereits im Zusammenhang mit der Zahl der Unterwerke diskutiert.
Jedoch nimmt auch das gewählte Abschnittswechselverfahren unmittelbar Einfluss auf die Zahl
der benötigten Umrichter und auch der Streckenkabelsysteme einerseits sowie der verfügbaren
Schubkraft insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten durch die Schubkraftverluste beim
Abschnittswechsel andererseits. Aus Kostengründen sollte daher ein Abschnittswechselverfahren
gewählt werden, welches mit einem Minimum an Umrichtern/Kabelsystemen auskommt, soweit
die zu erzielende Höchstgeschwindigkeit dies erlaubt.
Ein weiterer wichtiger Optimierungsschritt bei den Umrichtern besteht in deren leistungsmäßiger
und insbesondere spannungsmäßiger Bemessung: Gelingt es, Umrichtertypen geringerer Leistung
einzusetzten, die vorzugsweise aus kostengünstigen Serienumrichtern abgeleitet werden können,
so wirkt sich dies erheblich auf die wirtschaftlichen Daten der Auslegung aus. Ob eine kleinere
Leistung eingesetzt werden kann ergibt sich daraus, ob es gelingt, mit Hilfe der Trafoübersetzung
am Umrichterausgang einerseits ausreichend Spannung bereitzustellen um die Polradspannung bei
Höchstgeschwindigkeit kompensieren zu können und andererseits den Ausgangsstrom genügend
hoch einstellen zu können, damit die erforderlichen Schubkräfte aufgebracht und die
Höchstgeschwindigkeit erreicht werden kann.
Die Streckenkabel lassen sich so weit reduzieren, dass sie die von ihnen zu transportierende
Leistung noch zu keinen thermischen Überlastungen führt. Dann ist der minimale Kostenaufwand
für Streckenkabel erreicht.
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Als letzter und einfachster Schritt können die Statorabschnitte so lange verkürzt oder verlängert
werden bis die erforderliche Schubkraft und Höchstgeschwindigkeit gerade erreicht werden.
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4 Vorgehen zur Optimierung
Die Optimierungsparameter nehmen praktisch alle gleichzeitig Einfluß auf die
Leistungsparameter. Eine optimale Auslegung des Antriebssystems ergibt sich daher nicht von
selbst. Im Folgenden wird daher unter Beachtung der quantitativen Wirkung der verschiedenen
Parameter ein Vorgehen zur optimalen Auslegung eines Antriebssystems erarbeitet.
4.1 Prioritäten
Es ist offensichtlich, daß Optimierungen eines der vier identifizierten Leistungsparameter –
Höchstgeschwindigkeit, Schubkraft, Kosten und Energiebedarf – stets zu Lasten mindestens eines
anderen Parameters gehen. Verkürzt man z.B. die Statorabschnitte um weniger Impedanz, d.h.
mehr Schubkraft zu erhalten, so werden mehr Schaltstellen benötigt, die Kosten steigen somit. Aus
diesem Grunde muß eine Wichtung oder Priorisierung der Parameter erfolgen. Dazu folgende
Überlegungen:
Die Realisierung eines Projektes hängt i.d.R. unmittelbar von den wirtschaftlichen Daten der
Anlage ab, d.h. den Investitions- und Betriebskosten. Trotzdem können diese Parameter für die
Auslegung des Systems aus rein praktischen Gründen nie erste Priorität haben. Ansonsten würde
daraus nämlich eine Auslegung mit Höchstgeschwindigkeiten und Schubkraft nahe 0 resultieren,
was eine absurde Auslegung wäre mit der ein sinnvoller Betrieb unmöglich ist. Es ist daher
abzuwägen, ob prioritär die Höchstgeschwindigkeit oder die Schubkraft optimiert werden soll.
Dies kann je nach Anwendung unterschiedlich sein.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit Anwendungen regionalen
Charakters. Hier gestalten sich Trassierungen aufgrund der oftmals dichten Bebauung i.d.R.
schwierig, so daß die trassenseitig gegebenen Höchstgeschwindigkeiten ein für die
Magnetschnellbahn relativ niedriges Niveau aufweisen. Um gegenüber Rad-Schiene
Anwendungen zeitliche Vorteile zu erarbeiten scheint es daher vordringlich geboten, die
trassierungstechnischen Höchstgeschwindigkeiten möglichst gut auszunutzen, zumindest solange
keine „Spitzfahrten“ (Fahrten ohne oder nur mit kurzer Beharrung bei Höchstgeschwindigkeit)
auftreten. Demnach ergibt sich folgende Prioritätenliste:
1. Höchstgeschwindigkeit
2. Schubkraft
3. Kosten
4. Energiebedarf
Obwohl der Energiebedarf in der Öffentlichkeit immer wieder Gegenstand von Diskussionen ist,
muß man realistischer Weise dem Umstand Rechnung tragen, daß für eine Magnetbahnstrecke –
ähnlich wie für anderen Verkehrsprojekte – erhebliche Investitionen zu tätigen sind und das
Scheitern oder Gelingen eines Projektes wesentlich von den Kosten und nur sekundär vom
Energiebedarf geprägt wird. Auf eine Wichtung der Parameter, um z.B. feststellen zu können, mit
welchem Mehraufwand an Kosten man welche Energieersparnisse erreicht, wird aus diesem
Grunde hier verzichtet. Weiterhin ist zu beachten, dass der Energiebedarf einer Magnetbahnstrecke
weitgehend durch die Streckencharakteristik bestimmt wird:
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• Liegt das Geschwindigkeitsniveau niedrig, so müssen prinzipbedingte energetische
Nachteile der Magnetbahn in Kauf genommen werden, die sich durch den Energiebedarf
zum Schweben ergeben.
• Bei kurzen Haltestellenabständen entsteht ein hoher Energiebedarf zum Beschleunigen der
Fahrzeuge. Da hierzu hohe Ströme über große Strecken zu übertragen sind, ist mit
entsprechend hohen ohmschen Verlusten zu rechnen.
• Im Gegensatz dazu fällt die Energiebilanz bei hohen Geschwindigkeiten aufgrund der
fehlenden Reibkräfte und der wegen der guten Aerodynamik vergleichsweise kleinen
Statorströme im Vergleich zu Rad-Schiene-Systemen gut aus.
Fazit: Der Energiebedarf von Magnetschnellbahnen lässt sich sehr effektiv durch Wahl einer
günstigen Trassierung verringern, die Fahrten auf relativ hohem, gleich bleibendem
Geschwindigkeitsniveau mit wenigen Beschleunigungsvorgängen ermöglichen. In dieser
Arbeit wird die Trassierung jedoch als gegeben angesetzt. Nur so können die Optimierungen
der Langstatorauslegung bzgl. des Energiebedarfs effektiv erfasst werden. Sie würden sonst
gegenüber den Auswirkungen alternativer Trassierungen in den Hintergrund treten.
4.2 Vorgehen
Nachdem die Ziele bzw. Prioritäten einer Optimierung klar sind ist zu definieren, wie man zu einer
optimierten Auslegung gelangt. Hierzu wird eine sequentielle Optimierung der Parameter
vorgeschlagen, welche den verschiedenen Randbedingungen der Einflußparameter und deren
Kostenanteilen Rechnung trägt:
1. Auswahl Antriebskonzept: Das Grobkonzept des Antriebes, also welches Speiseverfahren und
welches Statorabschnittswechselverfahren soll eingesetzt werden, beeinflußt in starkem Maße
sämtliche Leistungsparameter und ist deshalb an erster Stelle zu klären. Hier spielen auch die
geforderte Verfügbarkeit (Redundanz der Anlage) sowie der gewünschte Fahrkomfort eine
Rolle.
2. Stationierung der Unterwerke: Als größter einzelner Kostenfaktor im Antrieb ist es von
übergeordneter Bedeutung, die Unterwerke hinsichtlich ihrer Anzahl und Standorte zu
optimieren. Da man über andere Faktoren wie Kabel und Statorabschnitte das
Leistungsverhalten des Langstators stark beeinflussen kann, sollten die Unterwerke in ihrer
Anzahl minimiert werden. Hierzu dient i.d.R. die geforderte Zugfolge als Maß.
3. Streckenkabel: Im Gegensatz zu den Statorabschnitten werden die Streckenkabel i.allg. durch
thermische Gegebenheiten bestimmt: Da sie – je nach Fahrplan – die meiste Zeit bestromt sind
erfolgt eine Erwärmung im Laufe des Tages. Da abhängig vom Kabeltyp bestimmte
Temperaturen nicht überschritten werden dürfen sind entsprechend viele Kabel parallel zu
verlegen, um die Last zu verteilen und die Verluste zu minimieren. Da andererseits die
Impedanz der Kabel gegenüber den Statorabschnitten „kleine“ Werte aufweist, und sich somit
die Statorabschnitte besser zur Beeinflussung der Leistungsparameter eignen, erfolgt die
Kabelauslegung primär unter dem Aspekt Kostenminimierung, d.h. es werden lediglich so
viele Kabel angeordnet wie thermisch erforderlich.
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4. Umrichter: Bislang ist nur ein Standard-Umrichtertyp für den Transrapid beschrieben. Dieser
kann jedoch mittels der Übersetzung des Ausgangstrafos an die jeweils erforderlichen
Szenarien angepaßt werden. Da über den Ausgangstrafo der Rahmen für
Höchstgeschwindigkeit (Spannung) und Schubvermögen (Strom) gesteckt wird, muß diese
Optimierung vor der Statorabschnittsauslegung erfolgen.
5. Statorabschnitte: Nachdem alle übrigen Parameter fest liegen, kann über die
Statorabschnittslänge die endgültige Leistungsfähigkeit des Systems festgelegt werden.
Aufgrund des gegenseitigen Einflusses der diversen Parameter ist nicht auszuschließen, daß am
Ende der Optimierung z.B. die Annahmen, die zur Auswahl von Unterwerksstandorten geführt
haben, nicht mehr exakt zutreffen – etwa weil die angenommenen Fahrzeiten nicht erreicht
wurden. Aus diesem Grunde kann eine Nachoptimierung erforderlich sein, in der noch einmal alle
Optimierungsschritte durchlaufen werden.
Das oben genannte Verfahren wird später in diesem Werk (Kapitel 10 ff) für jeden Schritt
ausführlicher beschrieben und angewendet. Daneben werden alternative Antriebskonzepte
erarbeitet und ebenfalls im gleichen Verfahren optimiert. Die Optimierungen betreffen auch Teile
der Energieversorgung und der Betriebsleittechnik, da diese unmittelbar mit dem Antrieb
verknüpft sind. Die Betriebsleittechnik und Energieversorgung selbst, oberhalb der
Mittelspannungseinspeisung in die Unterwerke, sind jedoch nicht Gegentand der vorliegenden
Betrachtungen.
Nachfolgend werden zunächst noch Randbedingungen festgelegt, unter denen das System
betrieben werden soll.
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5 Anforderungsprofil
Grundlage für eine Optimierung des Antriebes bildet das betrieblich/technische
Anforderungsprofil schneller Regionalstrecken. Dieses kennzeichnet sich durch folgende
Eingangsparameter, die aus Erfahrungen mit ersten Vorstudien abgeleitet wurden:
• Dichte Zugfolge: Typischerweise wird für die Spitzenstunde ein Takt zwischen 5 min und 10
min gefordert.
• Kurze Streckenlänge: Sinnvollerweise kommen Streckenlängen zwischen 30 km und 100 km
für den schnellen Regionalverkehr in Frage.
• Kurze Haltestellenabstände: Die Abstände zwischen den Stationen sind deutlich geringer als
im Fernverkehr; allerdings dürfen diese bei einem Hochgeschwindigkeits-Verkehrssystem
auch nicht zu dicht liegen. Für die MSB sollte deshalb ein typischer Haltestellenabstand von
ca. 5-10 km nicht unterschritten werden.
• Höchstgeschwindigkeit: Die dicht liegenden Haltestellen verhindern das Erreichen hoher
Geschwindigkeiten, wie sie aus MSB-Fernverkehrsanwendungen bekannt sind. Zur
Abgrenzung von Rad-Schiene Anwendungen ist jedoch ein nach wie vor hohes
Geschwindigkeitsniveau anzusetzen. Die Spitzenwerte sollten daher im Bereich von nicht
unter 200 km/h liegen.
• Große Beschleunigungsanteile: Die Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsbereiche
überwiegen deutlich gegenüber den Beharrungsbereichen.
• Streckenführung: größtenteils durch dicht besiedelte Gebiete, Stadtrandgebiete und
Innenstadtbereiche.
• Hohe Verfügbarkeit: Die relativ hohen Kosten der MSB lassen sich nur durch ein hohes
Verkehrsaufkommen kompensieren. Dies bedeutet wiederum, daß die MSB auf Strecken mit
großer Wichtigkeit zum Einsatz kommt, die entsprechend verfügbar sein müssen.
Dieses Profil soll weiterhin auch Anwendungen abdecken, welche schnelle Nonstop Verbindungen
zweier Zielstationen darstellen, etwa in Form von Flughafenanbindern. Hier besteht bereits eine
Anwendung in Shanghai, mit einer Spitzengeschwindigkeit von 430 km/h auf einer Punkt-zu
Punkt-Verbindung von etwa 30 im Länge zwischen dem Pudong International Airport und der
Long Yang Station im Handelszentrum von Shanghai. Eine weitere Strecke diesen Typs befindet
sich in Planung zwischen dem Flughafen München und dem Münchner Hauptbnahnhof.
Anhand dieses Anforderungsprofiles läßt sich ablesen, in welche Richtung eine
Gesamtkonfiguration des Antriebes erfolgen könnte, nämlich
• Unterwerkstypen: Zumindest bei einem 5-min-Takt scheint der Typ 2 zwingend erforderlich,
um die Anzahl der Unterwerke nicht zu groß werden zu lassen. Andererseits benötigt dieser
Typ große Flächen. Dieser Punkt gewinnt an Bedeutung, wenn man sich vor Augen hält, der in
Stadtbereichen nur schwer große Flächen erworben werden können.
• Speiseverfahren: Die gleichen Gründe sprechen auch für die Einfachspeisung, wenngleich
diese Nachteile hinsichtlich Verfügbarkeit und Belastung der Streckenkabel mit sich bringt.
• Abschnittswechselverfahren: Hier ergibt sich ein Zielkonflikt, nämlich daß einerseits
möglichst kompakte Unterwerke mit wenig Umrichtern vorzusehen sind, die wenig Fläche
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benötigen und wenig Kosten verursachen, und andererseits einen ausreichenden Fahrkomfort
bieten, da die größten Streckenabschnitte in Beschleunigungsbereichen mit hohem
Schubbedarf liegen.
Als allgemeine Tendenz deutet sich an, daß aufgrund der kurzen Streckenlängen und kleinen
Zugfolgezeiten Einsparungen im Bereich Antriebsblock/Unterwerk höher zu bewerten sind als
streckenseitige Einsparungen.
Eine bloße Auswahl von Bausteinen der vorhandenen Antriebskonzepte führt nach erster
Einschätzung stets zu Einschränkungen an der einen oder anderen Stelle, so daß evtl. neue, auf den
Einsatzfall hin optimierte Konzepte benötigt werden. Deshalb wird folgendermaßen vorgegangen:
1. Definition einer Musterstrecke zur Eingrenzung der benötigten Leistungsparameter des
Antriebes, anhand der später die Wirkung verschiedener Antriebskonzepte nachvollzogen
werden kann.
2. Definition der Eingangsparameter, die der Antrieb erfüllen muß.
3. Untersuchung alternativer Statorabschnittswechselverfahren (SAWV) und anderer
Maßnahmen, die sich möglicherweise besser für den vorliegenden Einsatzfall eignen.
4. Konfiguration verschiedener zu vergleichender Antriebsvarianten.
5. Auslegung jeder Antriebsvariante, d.h. Bestimmung der Unterwerks-Standorte, der
Statorabschnittslängen, und der Statorschaltungen sowie Dimensionierung der Streckenkabel.
6. Bewertung der Antriebe hinsichtlich des erreichten Leistungsvermögens und der Investitions-
und Betriebskosten.
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6 Musterstrecke
Der Antrieb soll für folgende Musterstrecke bemessen werden:
• Streckenlänge: 38 km, zweispurig.
• Haltestellen: Sydney Central km 0.1
Town Hall km 1.7
Homebush Bay km 16.5
Parramatta km 25.2
Seven Hills km 34.0
Prospect km 37.9
Die Haltezeit der Durchgangsstationen betrage jeweils 1 min. In den Endstationen warten die
Fahrzeuge aus- und einstiegsbereit auf ihren fahrplanmäßigen Einsatz. Dort erfolgt ggf. auch
die Fahrzeuginnenreinigung o.ä.
• Von der Trassierung her zulässiges Geschwindigkeitsprofil der Strecke:
von km 0.0 bis km 8.0 v = 170 km/h
von km 8.0 bis km 8.5 v = 200 km/h
von km 8.5 bis km 11.5 v = 220 km/h
von km 11.5 bis km 25.2 v = 170 km/h
von km 25.2 bis km 34.0 v = 200 km/h
von km 34.0 bis km 38.0 v = 170 km/h
• Steigungsprofil:
von km 0 bis km 38 stg = 0 %
• Verkehrsaufkommen zur Bemessung: 3500 Passagiere pro Stunde und Richtung.
Diese Musterstrecke liegt vom Charakter her am „unteren“ Spektrum der anvisierten
Magnetschnellbahnstrecken, d.h. ist vergleichsweise langsam und hat viele Haltestellen. Am
anderen Ende des Anwendungsspektrums würde z.B. ein schneller Flughafenzubringer liegen.
Aus diesem Grunde ist es nicht trivial, für diese Strecke eine günstige Auslegung in
Magnetschwebetechnik als Alternative zu Rad-Schiene-Systemen zu finden, insbes. nicht mit den
vorliegenden Antriebskonzepten, etwa dem Antrieb der Strecke Shanghai. Konventionelle Rad-
Schiene-Systeme können hier vom geforderten Geschwindigkeitsniveau her noch gut mithalten.
Auch befindet sich die konventionelle Bahn hier energietechnisch im Vorteil, weil bei kleinen
Geschwindigkeiten die Reibungsverluste von Rad-Schiene und Stromabnehmern kaum ins
Gewicht fallen, während der Energiebedarf, um Magnetfahrzeuge aktiv anzuheben und schweben
zu lassen, unabhänig von der Geschwindigkeit ist. Er kann also erst bei höheren
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Geschwindigkeiten durch die fehlenden Reibungsverluste und die aerodynamisch günstige
Ausgestaltung der Magnetfahrzeuge wettgemacht werden.
Dennoch wurde diese Musterstrecke gewählt, aus folgendem Grund: Da sie weit von
Fernverkehrsanwendungen entfernt einzuordnen ist, eignet sie sich sehr gut zum Aufzeigen der
Unterschiede und zur Optimierung des Langstatorantriebes für dieses Einsatzspektrum.
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7 Eingangssparameter
Der Antrieb soll mindestens die im Folgenden aufgeführten Anforderungen erfüllen, wobei die
Vorgaben anhand von Abschätzungen betrieblicher Erfordernisse sowie erreichbarer
Antriebseigenschaften erfolgen, wie sie z.B. auf der Transrapid Versuchsanlage Emsland (TVE)
erprobt werden, vgl. hierzu auch [5]:
• Takt/Fahrplan: Betriebliche Zugfolge 7,5 min, Reserve 1 min. Die technische Zugfolge für
die Auslegung muß also ≤ 6,5 min betragen. Die Fahrten sollen jeweils zur vollen Stunde in
den Endstationen beginnen.
• Fahrzeit: ≤ 25 min (betrieblich) bei jeweils 1 min Haltezeit in den Durchgangsstationen.
Daraus resultieren 5 min Aufenthaltszeit an den Endstationen bei Einsatz von 4 Zügen pro
Stunde und Richtung. Die Auslegung soll möglichst 1 min Reserve beinhalten, um
Verspätungen auszugleichen.
• Zugwende: 300 m vor Einfahrt in die Endstationen bzw. nach Ausfahrt aus den Endstationen
erfolgt ein Wechsel auf das jeweils zu befahrende Gleis ohne zusätzlichen Zeitbedarf
(Kurzkehre). Die fahrplanmäßige Standzeit von 5 min in den Endstationen soll neben Ein-/
Aussteigevorgängen und ggf. Reinigung als betriebliche Pufferzeit zum Ausgleich von
betriebsbedingten Verspätungen dienen.
• Verfügbarkeit: Alle Komponenten müssen teilredundant ausgeführt sein, so daß
Einzelausfälle beliebiger Bauteile nicht zu erheblichen Verspätungen führen.
• Gegenwind: 15 km/h auf der gesamten Strecke.
• Fahrzeuge: Nach [12] beträgt die maximale Sitzplatzzahl 90 pro Bugsektion und 100 pro
Mittelsektion. An dieser Stelle wird eine mittlere Passagierkapazität PK = 90 pro Sektion
angesetzt. Bei der betrieblichen Zugfolge ZF = 7,5 min und dem Verkehrsaufkommen VA =
3500 P/h errechnet sich dann die benötigte Anzahl der Sektionen nS (auf eine ganze Zahl
aufgerundet) zu
5
P 90
min 7,5 P/h 3500
PK
ZFVA
nS=
⋅
=
⋅
=
• Massen: Die mittlere Fahrzeugmasse mFzg betrage voll beladen 63,5 t/Sektion (vgl. [12].
• Motorkonstante: cM = 42,3 N/A pro Sektion beidseitig.
• Statorwicklung: 300 mm2 Alu.
• Fahrkomfort: Die maximale Beschleunigung anenn betrage 0,8 m/s2.
Beschleunigungsänderungen, insbesondere periodisch bei SAW, mindern den Fahrkomfort.
Als tolerabel für den ungestörten Regelbetrieb wurden durch Testfahrten auf der
Versuchsanlage Emsland (TVE) periodische Beschleunigungseinbrüche von bis zu 0,2 m/s2
bei Änderungsgeschwindigkeiten von 0,2 m/s3 ermittelt. Singuläre
Beschleunigungsänderungen dürfen 0,5 m/s2 betragen. Auch im Störbetrieb soll das
Komfortkriterium verletzt werden.
• Umrichterdaten: Nennwert Zwischenkreisspannung: uZK = 2⋅2,5 kV
Nennspannung Trafobetrieb: uURTB = 2⋅2,15 kV ⋅ ü (Strang)
Nennspannung Direktbetrieb: uURDT = 2,15 kV (Strang)
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Nennstrom Trafobetrieb: iURTB = 1,2 kA / ü (Strang)
Nennstrom Direktbetrieb: iURDT = 2⋅1,0 kA (Strang)
Maximale Frequenz: fmax = 300 Hz
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8 Maßnahmen zur Antriebsoptimierung
Dieses Kapitel untersucht verschiedene, alternative Ausführungen von Antriebskomponenten und
gibt Einschätzungen, in wie weit einzelne Maßnahmen Optimierungspotential für das
Gesamtsystem bieten. Ein Grundsatz hierbei lautet, daß die Systemkompatibilität erhalten bleiben
muß und aufwendige Hardware-Neuentwicklungen möglichst vermieden werden sollen, damit
eine kurz- oder mittelfristige Anwendbarkeit gegeben ist.
8.1 Ausgangstrafo
Die in den Antriebsblöcken enthaltenen Umrichter (UR) beinhalten z.B. nach [10] u.a. einen
Ausgangstransformator (AT), siehe Anlage 8.1-1. Dieser gewährleistet eine optimale Anpassung
der streckenseitigen Spannungsebene an die zu transportierende Leistung. Die Übersetzung ü stellt
normalerweise eine Konstante dar. Im folgenden wird die Bemessung der Übersetzung sowie das
Frequenzverhalten untersucht.
8.1.1 Maximale Übersetzung
Die verkettete Nennspannung der Statorwicklung beträgt nach [1] uNS = 15 kV. Will man diese
voll ausnutzen, so berechnet sich die benötigte Übersetzung ü ausgehend von uNS wie folgt:
• Abzug der möglichen Spannungs-Überhöhung uÜ, die aufgrund der wellenförmigen
Ausbreitung der Spannung auf langen Streckenkabeln auftritt. Bei den zu erwartenden kurzen
Kabellängen im Regionalverkehr wird dieser Effekt an dieser Stelle zunächst vernachlässigt.
• Berücksichtigung der UR-Gesamteffektivspannung ueffΣ, nicht nur der Grundwellenspannung
ueff1. Beide Werte hängen von den verwendeten Steuerwinkeln der durch 3-Punkt-
Wechselrichter erzeugten Phasenspannung ab (Anlage 8.1-2). Bei gegebenen Steuerwinkeln
α
und Schwenkwinkeln
β
gilt nach [2]
∑∞=
Σ⋅⋅⋅⋅
⋅
=
..,1,5,7,11,.n
2
eff
eff1
))cos(n)cos(n(1/n
)cos()cos(
u
u
βα
βα
wobei n alle positiven ganzen Zahlen umfaßt, die weder durch 2 (Symmetrie des
Spannungsverlaufes) noch durch 3 (gegenseitige Aufhebung in dreiphasigen
Drehstromsystemen) teilbar sind. Die Anlage 8.1-3 zeigt den Grundwelleneffektivwert und den
Gesamteffektivwert der Oberwellen (bis zur 29. Harmonischen) der „Treppenkurve“
(=Zwischenkreisspannung uZK) bei Variation der Steuer- und Schwenkwinkel.
Insgesamt berechnet sich die maximal zulässige Trafoübersetzung ümax unter Berücksichtigung der
minimalen Winkel
α
=0 und
β
=0 zu
=
⋅⋅
=
⋅
=100%35kV
15kV
uu
u
ü
effZK
NS
max
αβ
1,73
Betrieblich werden stets größere Werte für
α
und
β
eingestellt, nicht zuletzt um die Form der
Spannungsstufen so einstellen zu können, dass Resonanzanregungen der Strecke vermieden
werden. Im Folgenden wird deshalb ueff
αβ
= 86% als betrieblich nutzbar angesetzt. Die
Ausgangswerte des Standard-Umrichters im Nennpunkt betragen dann
uUR = 5 kV ⋅ 86% ⋅ 3 ⋅ 1,73 = 12,9 kV (verkettet)
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iUR = 1,2 kA / 1,73 = 0,69 kA
Bei Doppelspeisung stehen somit bis zu 2⋅0,69 kA = 1,38 kA im Stator zur Verfügung. Damit
kann maximal (d.h. beim Anfahren, wenn die Fahrwiderstände 0 sind) folgende Beschleunigung a
erzielt werden:
2
SM
Xm/s 0,92
t63,5
kA 1,38N/A 42,3
m
ic
m
F
a=
⋅
=
⋅
== .
Dieser Wert liegt bereits über dem festgelegten Komfortgrenzwert, so daß eine niedrigere
Übersetzung bei Doppelspeisung normalerweise keine Leistungsvorteile bringt.
8.1.2 Variable Übersetzung
Aus Leistungs- und Fahrtaktgründen bietet sich im Regionalverkehr Einfachspeisung an.
Berechnungsbeispiel bei einer Trafoübersetzung von 1,15:
uUR = 4,3 kV ⋅ 3 ⋅ 1,15 = 8,6 kV (verkettet)
2
SM
Xm/s 0,70
t63,5
1,15kA / 1,2N/A 42,3
m
ic
m
F
a=
⋅
=
⋅
==
Man sieht, daß obwohl die Spannung deutlich unter dem zulässigen Grenzwert liegt und der Strom
nicht ausreicht, um die Nennbeschleunigung zu erreichen, d.h. bei Einfachspeisung ergibt sich
folgender Zielkonflikt: Einerseits soll die Spannung möglichst groß gewählt werden, um
insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten die induzierte Polradspannung und die
Spannungsabfälle an den Streckenimpedanzen überwinden zu können. Andererseits soll
insbesondere bei kleinen Geschwindigkeiten der verfügbare Strom so groß sein, daß die
Beschleunigung wenigstens annähernd an die Komfortgrenzwerte heranreicht.
Eine Lösung können Ausgangstransformatoren mit mehreren, schaltbaren Sekundäranzapfungen
d.h. Übersetzungen darstellen. Je nach Anforderung kann so während des Fahrbetriebes eine
aus n verschiedenen Übersetzungen ausgewählt werden. Die Umschaltung sollte aus
Komfortgründen mit dem Statorabschnittswechsel kombiniert werden.
Für Antriebskonzepte mit Einfachspeisung wird diese Möglichkeit in späteren Kapiteln näher
untersucht.
8.1.3 Nennfrequenz
Die Ausgangstransformatoren des Transrapid stellen hinsichtlich ihrer Bemessung eine
Sonderentwicklung dar, die aufgrund einer besonders „weichen“ Magnetisierungskennlinie
Unsymmetrien der beiden angeschlossenen Wechselrichter tolerieren und die aufgrund der hohen
Betriebsfrequenzen des Transrapid eine Nennfrequenz von 100 Hz aufweisen, d.h. erst ab einer
Speisefrequenz von 100 Hz tritt bei Nennspannung keine Eisensättigung mehr auf, so daß die volle
Nennspannung übertragen werden kann. Dies liegt daran, daß bei
Hochgeschwindigkeitsanwendungen durch die geschwindigkeitsproportionale induzierte
Polradspannung bei „kleinen“ Geschwindigkeiten der Spannungbedarf geringe Werte aufweist,
d.h. man kann es sich in diesem Bereich erlauben, die übertragbare Spannung proportional zu
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abnehmenden Frequenzen zurückzunehmen, ohne daß dies zu nennenswerten
Leistungsbeschränkungen im System führt.
Im Regionalverkehr liegt das Geschwindigkeitsniveau ca. um den Faktor zwei niedriger als bei
Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Dies bedeutet, daß die Nennspannung der Umrichter
aufgrund der frequenzmäßigen Trafoauslegung evtl. nie ganz genutzt werden kann. Aus diesem
Grunde bietet es sich an, die Trafoauslegung diesbezüglich anzupassen, z.B. durch Verlagerung
des Nennpunktes auf 50 Hz. Dies erfordert eine Neubemessung dieser Transformatoren,
insbesondere eine Verdoppelung des Eisenquerschnittes. Die Umschaltungen zwischen
Trafobetrieb und Direkttaktbetrieb können dann bei entsprechend kleineren Frequenzen erfolgen.
8.1.4 Entfall
Die oben genannten Nachteile der Leistungsübertragung einerseits und die aufgrund der kleinen
Geschwindigkeiten im Regionalverkehr niedrigen Gegenspannung, d.h. kleinen erforderlichen
Trafoübersetzung, legen es nahe, auf Ausgangstrafos ganz zu verzichten. Um die Spannung der
zwei Wechselrichter in Reihe aber nutzen zu können, müßte dann eine direkte Reihenschaltung der
GTO („gate turn-off“) -Wechselrichter erfolgen. Es ist jedoch bekannt daß es sich bei GTOs um
empfindliche Bauteile handelt; technologisch sind somit bei Reihenschaltungen von GTOs
Schwierigkeiten zu erwarten, da evtl. bei geringfügig abweichenden Ausschaltzeitpunkten
kurzzeitig eine Spannungsüberlastung an einem GTO auftritt, die zur Zerstörung des Elementes
führen kann. Eine Anordnung ohne Ausgangstrafo erfordert somit eine Nachentwicklung oder den
Einsatz anderer Umrichtertechnologien wie z.B. konventionelle Thyristoren oder Integrated Gate
Bipolar Transistors (IGBTs), die diesbezüglich weniger empfindlich sind.
8.2 Umrichterkonzept
8.2.1 Dezentraler Aufbau
Wenn Antriebsbereiche nur einen geringen Leistungsbedarf aufweisen, besteht neben der
Möglichkeit, die Antriebsblöcke mit weniger Umrichtern zu bestücken, als eine Alternative der
Hardwareeinsparung, die Umrichter (UR) selbst einfacher aufzubauen. Der konventionelle MSB-
Umrichter besteht aus folgenden Leistungsbauteilen (siehe auch Anlage 8.1-1):
• Eingangstransformator zur Spannungsanpassung zwischen Versorgungsnetz und
Netzstromrichter-Elektronik.
• Netzstromrichter zum Erzeugen der Zwischenkreis-Gleichspannung, zur Energierückspeisung
ins Netz und zur Einstellung eines Leistungsfaktors nahe 1.
• Gleichspannungszwischenkreis für Wechselrichter.
• Wechselrichter zum Erzeugen der nach Phase, Frequenz und Amplitude benötigten Umrichter-
Ausgangsspannung.
• Ausgangstransformator zur Spannungsanpassung zwischen Umrichter und Strecke.
• Kühlanlage zur Kühlung der Leistungshalbleiter.
Würde man die netzseitigen Komponenten nur einmal zentral aufbauen und anstatt der
Drehstromeinspeisung die Gleichspannung an die einzelnen Umrichter heranführen, so ergäben
sich folgende Einsparungen bei den Umrichtern:
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• Eingangstrafo komplett.
• Netzstromrichter komplett.
• Gleichspannungszwischenkreis komplett.
• Kühlanlage ca. zur Hälfte.
Demgegenüber muß ein Kabel oder eine Stromschiene zur Verteilung der Gleichspannung auf die
verschiedenen angeschlossenen Umrichter bzw. Unterwerke vorgesehen werden und natürlich
muß mindestens jeweils eine der eingesparten Komponenten an der zentralen Stelle aufgebaut
werden.
Bei sehr dichten Zugfolgen kann dies bedeuten, daß jeder Statorabschnitt seinen eigenen
Wechselrichter erhält und somit auf eine Kabeltrasse ganz verzichtet werden kann.
Dieses Konzept brächte zudem den Vorteil, daß die rückgespeiste Energie eines Umrichters
(Fahrzeuges) innerhalb des Antriebssystems von anderen Umrichtern (Fahrzeugen) ähnlich wie im
DB-Netz wieder aufgenommen werden könnte, und daß dies an der Schnittstelle zum öffentlichen
Netz als ein verminderter Energiebezug in Erscheinung tritt (der Energie-Bezugspreis ist i.allg.
deutlich höher als die Vergütung rückgespeister Energie; zudem lassen einige
Energieversorgungsunternehmen keine Rückspeisung zu).
Aufgrund des relativ geringen Spannungsniveaus des bislang verwendeten Zwischenkreises (2⋅2,5
kV) können hohe Leistungen nicht über große Entfernungen transportiert werden. Diese
Maßnahme eignet sich daher
• entweder für Umrichter innerhalb eines Unterwerkes
• oder für Bereiche, in denen die Unterwerke aufgrund geringer Geschwindigkeiten bzw. kleiner
Zugfolge sehr dicht nebeneinander stehen. Dies hätte u.U. zudem den Vorteil, daß bei
entsprechend dichtem Takt so viele Wechselrichter vorhanden wären, daß alle Statorabschnitte
direkt ohne Verwendung von Streckenkabeln gespeist werden könnten,
• oder bei Verwendung anderer Umrichtertypen mit höheren Zwischenkreisspannungen.
Ein Nachteil dieses Konzeptes besteht darin, daß zwischen den einzelnen Leistungsteilen
(Netzstromrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter) galvanische Verbindungen herzustellen
sind, welche stets induktive Impedanzanteile aufweisen. Da jedoch die vorhandenen Standard
GTO-Umrichter erfahrungsgemäß sehr empfindlich auf induktive Verkopplungen reagieren – z.B.
wird eine spezielle niederinduktive Verschienung zwischen Zwischenkreiskondensatoren und
Wechselrichtern benötigt – , kann eine technische Umsetzung dieses Konzeptes nicht ohne
robustere, alternative Umrichter – etwa auf IGBT-Basis – sichergestellt werden, sondern stellt ein
längerfristiges Optimierungspotential dar.
8.2.2 Leistungsreduktion
Der vorhandene GTO-Umrichter kann durch folgende Maßnahmen vereinfacht werden:
• Einsatz von nur einem statt zwei Netzstromrichtern: Da statorseitig hohe Blindleistungen
benötigt werden, netzseitig jedoch beliebige Leistungsfaktoren eingestellt werden,
insbesondere auch cosϕ=1, kommt man dort evtl. auch mit der halben installierten Leistung
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zurecht. Die niederinduktive Verschienung des Standardaufbaus braucht nicht verändert zu
werden.
• Einsatz von nur einem Netzstromrichter und nur einem Wechselrichter pro Umrichter: Bei
geringem Leistungsbedarf genügt evtl. auch eine 50%ige Wechselrichterleistung.
Siehe hierzu Anlage 8.2-1. Da im Direkttaktbetrieb keine Parallelschaltung der zwei
Wechselrichter erfolgt, kann theoretisch der volle Nennstrom des Wechselrichters von 1,2 kA
genutzt werden. Allerdings bedeutet der Verzicht auf den zweiten Wechselrichter, daß die
Spannungsform nicht mehr fünfstufig (Strang) sondern nur noch dreistufig ist. Das Taktverfahren
der Umrichter sollte deshalb geändert werden, da das Fehlen des 2. Wechselrichters keinen
Schwenkwinkel mehr ermöglicht und somit die Kontrolle über das Oberschwingungsspektrum
verloren gehen würde. Statt dessen bietet es sich z.B. an, anstelle der Vollblocktaktung eine
Dreifachtaktung vorzusehen, da die Betriebsfrequenzen ohnehin in erster Näherung um bis zum
Faktor 3 niedriger liegen als im Fernverkehr (ca. 100 Hz statt maximal 300 Hz). Bei Übergang auf
alternative Umrichtertechnologien wie IGBTs stellt eine Erhöhung der Taktfrequenz auch auf noch
größere Werte kein Problem dar, so daß die Anregung von Oberschwingungen immer weiter
zurück geht.
Generell wäre ein Einsatz anderer Umrichter mit kleinerer Nennleistung denkbar, z.B. aus dem
Bahnbereich. Dies erfordert jedoch Anpaßentwicklungen, insbesondere auch im Hinblick auf die
Schnittstellen zur Regelung/Steuerung des Transrapid. Grundsätzlich ergeben sich so beliebig
viele Nennparameter für Strom und Leistung. Im Einzelfall kann eine entsprechende Marktstudie
zur Auswahl geeigneter Umrichter betrieben werden. Da mit dem „halben“ Standard-Umrichter
der Einfluß der Umrichterleistung untersucht werden kann, werden andere Umrichtertypen hier
aber nicht weiter betrachtet.
8.3 Betriebsleittechnik
Obwohl die Betriebsleittechnik nicht dem Antrieb angehört, nimmt sie doch an bestimmten Stellen
unmittelbar Einfluß auf die Antriebsauslegung. Aus diesem Grunde sind an dieser Stelle
Modifikationen der Betriebsleittechnik-Dezentralen (BLD) vorgeschlagen, die sich günstig auf die
Gesamtkosten des Antriebes auswirken können.
8.3.1 Bildezeiten
Aus sicherheitstechnischen Gründen erstreckt sich die Belegung der Antriebsbereiche (ABE) nicht
nur auf die Zeit, in der sich das Fahrzeug tatsächlich im ABE aufhält, sondern zusätzlich auf eine
steuerungstechnisch bedingte Räumzeit tR, eine Bildezeit tB sowie Überlappungszeiten durch die
Längenausdehnung der Fahrzeuge, die im Folgenden in den Bilde- und Räumzeiten enthalten sind.
Die Bildezeit stellt sicher, daß wenn z.B. aufgrund von Störungen im Betriebsablauf das Fahrzeug
den ABE n nicht zur vorgesehenen Zeit verläßt, das nachfolgende Fahrzeug noch genügend Weg
in seinem ABE n-1 vorfindet, um mit Hilfe des sicheren Bremssystems noch rechtzeitig vor
Erreichen des ABE n zum Stehen zu kommen (Anlage 8.3-1).
Als Haltepunkt vor der Antriebsbereichsgrenze (ABG) kommen nur Streckenabschnitte in Frage,
die weder eine große Querneigung noch Längsneigung aufweisen. Geeignete Streckenbereiche
müssen anhand der Trassierung definiert werden. Für erste Abschätzungen geht man davon aus,
daß sich Haltepunkte innerhalb von ½ km vor den ABG befinden.
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Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 41 von 100
Bei Fahrzeiten zwischen Bremseinsatzpunkt und ABG im Bereich von 1 min je nach
Anfangsgeschwindigkeit stellt dieser Anteil somit zweistellige Prozentbeträge der im
Regionalverkehr geforderten technischen Zugfolgezeiten von 4 bis 9 min dar, d.h. die
Antriebsbereiche (ABE) müssen genau um diesen Zeitbetrag verkleinert werden, es müssen
deshalb evtl. mehr Unterwerke als antriebstechnisch nötig gebaut werden.
Eine „Eliminierung“ dieser Bildezeiten läßt demzufolge u.U. Kosteneinsparungen durch
Reduktion der Anzahl von Unterwerken erwarten, was zu folgendem Konzept führt (Anlage 8.3-
2):
• Jeder ABE n erhält nicht nur eine Betriebsleittechnik Dezentrale (BLD) n, sondern zusätzlich
eine zweite BLD m.
• Die zweite BLD m erstreckt sich mindestens über einen Streckenbereich im ABE n, der dem
Bremsweg des nachfolgenden Fahrzeuges n-1 entspricht.
• Das nachfolgende Fahrzeug n-1 kann nun im Störungsfall in den Bereich dieser zweiten BLD
m einfahren und mit Hilfe der sicheren Bremse zum Stehen kommen, ohne daß dies
unmittelbar auf das Fahrzeug n zurückwirkt, denn die Statoren im BLD-Bereich m sind
antriebsseitig abgeschaltet und die BLD m gewährleistet die vollständige Sicherung des
Fahrzeuges n-1.
• Im störungsfreien Betrieb gelangt das Fahrzeug n-1 nicht in den Bereich der BLD m, bevor
nicht der ABE n frei geworden ist und dieser den Antrieb für das Fahrzeug n-1 gewährleistet.
• Bei Überfahrt des Fahrzeuges vom Bereich der BLD m in den Bereich der BLD n findet wie
bei Überfahrt von Antriebsbereichsgrenzen eine Übergabe der Sicherungsfunktionen statt. Der
Antrieb hingegen braucht nicht weitergeschaltet werden.
Bei kleinen Bildezeiten führt dies allerdings zu einer BLD-seitigen „Überdimensionierung“ von
annähernd 100%. In diesen Fällen wäre es vorteilhafter, die BLD-Bereiche grundsätzlich von den
Antriebsbereichen (ABE) zu trennen und den n ABE m BLD-Bereiche zu überlagern, mit m>n
(Anlage 8.3-2): Die Belegungszeiten der m BLD-Bereiche sollen nun jeweils knapp unter der
Fahrzeit pro ABE liegen, so daß der Takt ausschließlich durch die Fahrzeit bestimmt wird. ABE
entfallen dann, wenn die Summe der eingesparten Bildezeiten ausreicht, um die Fahrzeit eines
ABE auf die verbleibenden zu verteilen, ohne daß die Fahrzeiten größer als der Takt werden.
Dieses Konzept bedingt folgende Änderungen:
• Die feste Zuordnung BLD-ABE entfällt.
• Die BLD muß in Abhängigkeit vom Ort erkennen können, welcher Antrieb mit den
Steuerungsdaten zu versorgen und im Notfall sicher abzuschalten ist.
• Die Übergabe zwischen den BLD erfolgt wie bisher, jedoch i.allg. ohne Weiterschaltung des
Antriebes.
Da die Bildezeiten im Fernverkehr aufgrund der langen Bremswege vergleichsweise große Beträge
aufweisen, eignet sich dieses Konzept besonders dort, dennoch könnte das Konzept auch im
Regionalverkehr Vorteile bringen.
Beide Alternativen erfordern Entwicklungsaufwand, insbesondere an den Schnittstellen Antrieb –
Betriebsleittechnik und den Sicherungseinrichtungen (selektive Abschaltung des korrekten
Antriebsbereiches im Fehlerfall).
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8.3.2 Stationen
Die BLD stellt durch die direkte Zuordnung BLD-Bereich – Antriebsbereich (ABE) sicher, daß ein
ABE stets nur einem Fahrzeug bereitgestellt wird. Während sich dieses Fahrzeug im ABE
befindet, gilt dieser als belegt und kann für kein zweites Fahrzeug genutzt werden, selbst wenn das
erste Fahrzeug an einer Station (Haltestelle) steht und den Antrieb eigentlich gar nicht in Anspruch
nimmt.
Aus diesem Sachverhalt leitet sich folgende Optimierungsstrategie ab (vgl. Anlage 8.3-3):
• Die Antriebsbereichsgrenzen (ABG) sollten sich vorzugsweise in unmittelbarer Nähe von
Stationen befinden. Dies läßt sich oftmals verwirklichen, da sich die Fahrzeuge in diesen
Bereichen aufgrund der geringen Geschwindigkeiten besonders lange aufhalten, und so die
Wahrscheinlichkeit groß ist, daß die zulässige Belegungszeit (gegeben durch den Takt) an
diesen Stellen abläuft.
• Der Statorabschnitt, auf dem sich die Station befindet, sollte sowohl dem einen als auch dem
anderen der beiden angrenzenden ABE n und n+1 zuordenbar sein. Dies läßt sich durch
entsprechende Schaltvorrichtungen in den Schaltstellen gewährleisten.
• Hält das einfahrende Fahrzeug n an, so kann es seinen Antrieb freigeben, da es ihn im
Stillstand nicht mehr benötigt. Die BLD n sperrt zwar den betroffenen Streckenbereich, nicht
jedoch den gesamten ABE, gegen weiteres Befahren, meldet das Fahrzeug als gesichert
abgestellt ab und wird so ebenfalls frei für andere Aufgaben.
• Die somit frei gewordenen Komponenten BLD n und ABE n können unmittelbar zur
Sicherung und zum Antrieb des nächsten Fahrzeuges verwendet werden. Gleichzeitig wird das
vorausfahrende Fahrzeug n+1 noch vom nächsten ABE n+1 eingespeist und von der BLD n+1
gesichert.
• Verläßt das vorausfahrende Fahrzeug n+1 den ABE n+1, so kann dieser das noch haltende
Fahrzeug n wieder anfahren.
Auf diese Weise reduziert sich die Belegungszeit um die Haltezeit, die ABE n bzw. n+1 können
räumlich weiter ausgedehnt werden, die Unterwerke müssen nicht so dicht stehen, evtl. lassen sich
insgesamt Unterwerke einsparen. Außerdem entfällt die Bildezeit, da Haltepunkt und Station
identisch sind und so der Bremsweg vollständig in der regulären Belegungszeit enthalten ist.
Nachteil: Im Falle einer sicheren Antriebsabschaltung im Stationsbereich müssen beide
angrenzenden ABE abgeschaltet werden, da diesen beide einspeisen können.
8.3.3 Moving Block
Aufgrund der Block-Charakteristik des stationären Langstatorantriebes bietet sich für das Leit- und
Sicherungssystem ebenso ein „Fixed-Block“ System mit unmittelbarer Verknüpfung zum Antrieb
an, wie es für Hochgeschwindigkeitsanwendungen ausgeführt ist. Andererseits entstehen gerade
bei dichten Zugfolgen, wie sie im Regionalverkehr üblich sind, die oben beschriebenen
Restriktionen durch einen Fixed Block, der zu einer hohen Zahl von BLD bzw. ABE führt.
Würden hingegen „Moving Blocks“ eingesetzt, so könnte das Leit- und Sicherungssystem so vom
Antrieb entkoppelt werden, daß lediglich die ABE selbst eine Begrenzung der Zugfolge festlegen,
nicht jedoch die BLD. Da dies eine komplette Neuentwicklung des Leit- und Sicherungssystems
bedeuten würde, kann dies sicher nicht kurz- oder mittelfristig realisiert werden.
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8.4 Statorschaltung
8.4.1 Sternschaltung
Bislang kommt beim Langstatorantrieb der MSB ausschließlich die Sternschaltung (Anlage 8.4-1)
zum Einsatz. Der Vorteil liegt darin, daß die Übertragung der Leistung mit hoher Spannung und
geringem Strom erfolgen kann, d.h.
• die Übertragungsverluste sind gering,
• die zu installierende Leistung kann relativ gering sein,
• der Wirkungsgrad ist hoch.
Die Anlagen 8.4-1 und 8.4-2 zeigen beispielhaft Statoren, deren rechte und linke Seiten in Reihe
geschaltet sind. Genau so gut können jedoch auch beide Seiten getrennt aufgebaut werden, siehe
Abschnittswechselverfahren (Kap. 2.3).
8.4.2 Dreieckschaltung
Bei Anwendungen, die eine Reihenschaltung beider Statorseiten vorsehen, kann insbes. Bei langen
Fahrzeugen oder hohen Geschwindigkeiten die induzierte Polradspannung so groß werden, daß die
Nennspannung der Umrichter überschritten wird. Aus diesem Grunde wurde bislang die
Reihenschaltung der Statorseiten für Einsätze außerhalb der Transrapid Versuchsanlage Emsland
(TVE) nicht ernsthaft erwogen.
Da andererseits aber die Reihenschaltung die Anzahl der separat einzuspeisenden Statorsysteme
halbiert, verspricht sie eine Halbierung der benötigten Umrichter in den Antriebsblöcken und
damit auch eine Halbierung der zu installierenden Leistung.
Eine Dreieckschaltung (Anlage 8.4-1) eröffnet grundsätzlich diese Option, indem sie die benötigte
Spannung der Umrichter um den Faktor 31/ reduziert. Zudem stellt die Reihenschaltung sicher,
daß sich sämtliche Anschlüsse der Streckenkabel in der selben Schaltstelle befinden, was
ansonsten aufgrund der räumlichen Ausdehnung der Statorabschnitte nicht der Fall wäre.
Die Dreieckschaltung bewirkt gegenüber der Sternschaltung folgende Änderungen:
• Reduktion der unterwerksseitig meßbaren Motorkonstante und damit der induzierten
Polradspannung mit dem Faktor 1/ 3.
• Reduktion der wirksamen Statorimpedanz mit dem Faktor 1/3.
• Erhöhung des zu transportierenden Stromes in den Streckenkabeln mit Faktor 3.
Insbesondere letztgenannte Eigenschaft kann zu unerwünscht hohen thermischen Belastungen der
Streckenkabel führen. Deshalb sollte diese Schaltung nur verwendet werden, wenn der
Strombedarf ohnehin klein ist oder wenn eine begrenzte verfügbare Spannung zu dieser
Maßnahme zwingt.
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8.4.3 Offene Sternschaltung
Neben den klassischen Schaltungsvarianten bietet der Langstatorantrieb noch eine dritte
Möglichkeit, die Statorabschnitte (SA) an die Streckenkabel anzuschließen, nämlich in einer
offenen Sternschaltung (Anlage 8.4-2): Die Streckenkabel werden an beiden Enden des SA
angeschlossen und jeweils weiter bis zu den Umrichtern in den angrenzenden Unterwerken A und
B geführt. Diese Schaltung setzt also zwingend eine Art Doppelspeisung voraus, auch wenn als
Untervariante denkbar wäre, die Kabel wieder ins Unterwerk A zurückzuführen und dort an einen
zweiten Umrichter B anzuschließen.
Im Gegensatz zur bislang bekannten Doppelspeisung erfolgt bei offener Sternschaltung keine
Stromaddition der beiden Umrichter (UR) am Statorabschnitt (SA), sondern der Strom des UR A
fließt über den Stator weiter in den zweiten Umrichter B. Statt dessen erfolgt eine
Spannungsaddition, vgl. Ersatzschaltbild (Anlage 8.4-2). Ähnlich wie bei der Dreieckschaltung
ermöglicht dies die Reihenschaltung beider Statorseiten auch bei großer Polradspannung. Die
Anordnung besitzt folgende Eigenschaften:
• Die Höhe und Phasenlage des Stromes hängt von den Spannungen der beiden Umrichter uURA
und uURB ab. Sind z.B. beide gleich, so fließt überhaupt kein Strom, ist eine der Spannungen 0,
so herrschen mit Ausnahme des zusätzlichen Kabelweges zum zweiten Umrichter die gleichen
Verhältnisse wie bei einer konventionellen Sternschaltung, sind beide Spannungen
entgegengesetzt gleich wie im Anlage 8.4-2 dargestellt, so wirkt eine doppelt so große
treibende Spannung auf den Strom.
• Sowohl das Potential gegen Erde (bzw. den Sternpunkt der Unterwerke) als auch die verkettete
Spannung übersteigt an keiner Stelle die Werte, die ein einzelner Umrichter verursachen
würde. Trotzdem fällt am Stator die doppelte Umrichterspannung uUR ab, d.h. ohne die Stator-
Nennspannung uNS = 15 kV (verkettet) zu verletzen, kann die Anordnung mit einer treibenden
Spannung von bis zu 30 kV (verkettet), beaufschlagt werden.
Verzichtet man bei den Umrichtern auf den Ausgangstrafo , so erhält man in Summe eine
speisende Spannung, die der eines Umrichters mit Trafoübersetzung 1:1 entspricht. Der verfügbare
Strom wäre dann durch die Parallelschaltung der Wechselrichter in jedem Umrichter so hoch, daß
eine Halbierung der Wechselrichteranzahl i.allg. ohne Beschränkung des Leistungsvermögens
bleibt. Damit ergeben sich folgende Vorteile:
• Kostenreduktion durch Entfall der Trafos,
• Kostenreduktion durch Halbierung der Wechselrichter im Umrichter,
• keine Beschränkung der einspeisbaren Spannung durch die Magnetisierungseigenschaften der
Trafos.
• Die aus Hochgeschwindigkeitsanwendungen bekannten GTO-Wechselrichter können
unverändert eingesetzt werden, da keine direkte Reihenschaltung erfolgt (vgl. Kap. 6.1.4).
8.5 Mischspeisung
Beschleunigt man bei Nennleistung mit Werten von 0,8 m/s2, so liefert das
Wechselschrittverfahren (WSV) gemäß Kapitel 2 mit 50% Schubkrafteinbruch
Beschleunigungseinbrüche von 0,4 m/s2. Das Komfortkriterium „Beschleunigungseinbruch bis zu
0,2 m/s2“ (Kap. 7) wird dadurch verletzt. Aus diesem Grunde wurden bei Fernverkehrsstrecken
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Seite 45 von 100
bislang Dreischritt Antriebsbereiche (ABE) auf Beschleunigungsabschnitten vorgesehen, obwohl
dies mit 50% Mehraufwand bei Antriebsblöcken und Streckenkabeln einher geht.
Um das Komfortkriterium zu erfüllen, darf theoretisch
25%
m/s 0,8
m/s 0,2
2
2
=
der verfügbaren Leistung ausfallen. Berücksichtigt man die Tatsache, daß bei Doppelspeisung
insgesamt vier Umrichter für den ABE bereitstehen, so darf jeweils einer seine Speisetätigkeit
unterbrechen. Aus dieser Überlegung heraus kann man ein Statorabschnittswechselverfahren
(SAWV) entwickeln, welches stets mindestens 75% der installierten Leistung bereitstellen kann
(Anlage 8.5-1):
• Der prinzipielle Aufbau entspricht dem Wechselschrittverfahren.
• Davon abweichend beinhalten die Einspeise-Schaltstellen Vakuumschütze, die die
Streckenkabelverbunde zwischen der Richtung vom Unterwerk A und der Richtung vom
Unterwerk B auftrennen können (Trennschalter).
• Pro Streckenkabelverbund müssen daher zwei statt einem Kabelanschlußfeld vorgesehen
werden, d.h. pro Verbund enthält eine Einspeise-Schaltstelle 5 statt 3 Mittelspannungsfelder.
Diese Anordnung gewährleistet, daß der Statorabschnittswechsel (SAW) gemäß Anlage 8.5-2
erfolgen kann:
• Der Umrichter B des abzusteuernden Stators n wird ruckbegrenzt auf 0 zurückgefahren, der
Umrichter A speist den Stator n alleine ein (Einfachspeisung). Die Schubkraft beträgt nun nur
noch 25% auf der betroffenen Seite. Die nicht wechselnde Seite liefert nach wie vor 50% in
Doppelspeisung, so daß insgesamt 75% Schubkraft bereitstehen.
• Das Trennschütz im Streckenkabelverbund wird geöffnet.
• Der Stator n+1 wird zugeschaltet, obwohl Stator n immer noch eingespeist wird, und zwar vom
Unterwerk A aus. Dies kann deshalb erfolgen, da die Verbindung zwischen Unterwerk A mit
Stator n und Unterwerk B mit Stator n+1 unterbrochen wurde.
• Der Umrichter B steuert seinen Strom auf den Nennwert auf, noch bevor das Fahrzeug in den
Stator n+1 einfährt.
• Das Fahrzeug fährt in den Stator n+1 ein und befindet sich nun teils im Stator n+1 und teils im
Stator n. Da sowohl Umrichter A wie auch Umrichter B den gleichen Strom liefern, bleibt die
Schubkraftsumme über beide Statoren konstant (nach wie vor 75%).
• Hat das Fahrzeug den Stator n verlassen, so steuert nun Umrichter A auf 0 ab.
• Der Stator n wird abgeschaltet.
• Der Streckenkabelverbund wird wieder durchverbunden. Dadurch erhält Umrichter A eine
elektrische Verbindung zum Stator n+1.
• Umrichter A steuert nun ruckbegrenzt seinen Strom auf, bis wieder 100% der Schubkraft
bereitstehen. Erst jetzt herrscht auf beiden Statorseiten wieder Doppelspeisung.
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Da die Speisung der Statoren z.T. in Doppelspeisung und z.T. in Einfachspeisung erfolgt, wird das
Statorabschnittswechselverfahren (SAWV) im Weiteren als Wechselschrittverfahren mit
Mischspeisung (MSV) bezeichnet. Dieses besitzt folgende Eigenschaften:
• Die Fahrkomfortgrenzwerte können ohne Zusatzaufwand in Antriebsblöcken und
Streckenkabeln eingehalten werden.
• Der Zusatzaufwand besteht in zusätzlichen Schaltfeldern in den Schaltstellen.
• Hält man pro Umrichter 25%⋅4/3 = 33% der Umrichter-Leistung vor, die man erst während der
SAW einsetzt, so kann sogar ein völlig schubkrafteinbruchsfreier SAW erfolgen.
• Aufgrund der besseren Leistungsausnutzung erhält man bessere mittlere Beschleunigungen als
beim herkömmlichen Wechselschrittverfahren.
Nachteil: Das Verfahren setzt zwingend Doppelspeisung voraus.
8.6 Leistungsvorhalt
Eine offensichtliche Methode, die Schubeinbrüche beim Wechselschrittverfahren zu reduzieren,
besteht darin, außerhalb der Statorabschittswechsel (SAW) Leistung vorzuhalten und diese dann
während des Abschnittswechsels einzusetzen. Legt man beispielsweise die im obigen Kapitel
angesetzte Nennbeschleunigung von 0,8 m/s2 zu Grunde, so erfolgen dann keine
Schubkrafteinbrüche mehr, wenn diese Beschleunigung bereits von nur einer Statorseite erbracht
werden kann. Außerhalb der Statorabschnittswechsel, d.h. bei Einsatz beider Statorseiten, besteht
dann eine Leistungsreserve von 100%, die ungenutzt bleibt.
Für die als zulässig betrachteten Beschleunigungseinbrüche von 0,2 m/s2 genügt dementsprechend
eine Leistungsreserve von 50%, d.h. eine Statorseite muß 75% der Beschleunigung von 0,8 m/s2
aufbringen (0,6 m/s2), beide Statorseiten zusammen repräsentieren dann 150% Leistung (1,2 m/s2),
wovon 100% (0,8 m/s2) genutzt werden.
Im umgekehrten Fall, nämlich daß die installierte Leistung aufgrund verfügbarer Umrichtertypen
festliegt, bewirkt dieses Vorgehen, daß u.U. die gewünschte Nennbeschleunigung nicht erreicht
werden kann.
Das Verfahren erfordert Änderungen in der Steuerungs- und Regelungssoftware, denn um
entsprechend Leistung vorhalten zu können, muß die zur Verfügung stehende Leistung im SAW
erst berechnet werden. Diese hängt nämlich vom einseitig erzielbaren Statorstrom ab, der
wiederum durch die momentan gültigen Betriebspunktparameter wie Polradspannung,
Spannungsverlust auf den Streckenkabeln und im Stator sowie Strom- und Spannungsgrenze der
Umrichter bestimmt wird, was außerhalb der SAW eine Berechnung neben der eigentlichen
Regelung erfordert.
Ein genereller Vorteil dieses Vorgehens gegenüber dem Dreischrittverfahren besteht darin, ca. 1/3
der Antriebstechnik einzusparen, ohne daß der Fahrkomfort unterschritten wird. Dies gelingt z.B.
dann, wenn der tatsächliche Leistungsbedarf gegenüber der installierten Leistung klein ist, d.h.
wenn wie im Regionalverkehr üblich relativ kleine Geschwindigkeiten vorliegen und gleichzeitig
die Standard-Umrichter der Hochgeschwindigkeitsstrecken zum Einsatz kommen.
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8.7 Teilschrittverfahren
8.7.1 Grundidee
Um Schubkrafteinbrüche beim Statorabschnittswechsel (SAW) zu vermeiden, muß bei den
bekannten Verfahren stets eine Überdimensionierung an Umrichterleistung erfolgen, nämlich beim
Bocksprungverfahren 100% (1 von 2 Umrichtern steht außerhalb des SAW still), beim
Dreischrittverfahren 50% (1 von 3 Umrichtern steht außerhalb des SAW still) und beim weiter
oben vorgestellten WSV mit MSP 33% (Leistungsreserve pro Umrichter, nur bei Doppelspeisung
möglich!), bei Wechselschritt mit Leistungsvorhalt 50%-100%.
Dies liegt daran, daß der SAW bei allen bekannten Verfahren eine Verkopplung der
Fahrzeugposition mit dem SA-Anfang bzw. –Ende herstellt, was stets ein Absinken der
induzierten Polradspannung in mindestens einem der beteiligten Statorabschnitte (SA) und damit
Schubverlust bewirkt, der durch zusätzliche Speisesysteme kompensiert werden muß.
Ein Lösungsansatz, um trotz ohne zusätzliche Leistung installieren zu müssen einen
schubkrafteinbruchsfreien SAW zu erzeugen, kann daher nur in einer SA-Fortschaltung bestehen,
die bereits erfolgt, bevor sich das Fahrzeug dem SA-Ende nähert und die Polradspannung
einbricht.
Anlage 8.7-1 zeigt eine prinzipielle Anordnung beispielhaft in einer Sternschaltung der Statoren
eines Streckenkabelverbundes. Folgender Ablauf wäre denkbar:
1. Das Fahrzeug befindet sich im Statorabschnitt (SA) n; dieser wird eingespeist, allerdings mit
offenem Sternpunkt. Der SA n+1 ist nicht wie alle anderen SA abgeschaltet, sondern befindet
sich in Reihe zum SA n und wird somit vom selben Statorstrom iS durchflossen. Erst am Ende
dieses SA n+1 befindet sich ein geschlossener Sternpunkt, der den Stromfluß erst ermöglicht.
2. Der SA n+2 wird ebenfalls mit geschlossenem Sternpunkt in Reihe zu den SA n und n+1
geschaltet. Dieser bleibt zunächst trotzdem stromlos, da sich der eingespeiste Strom bereits
über den Sternpunkt des SA n+1 schließt.
3. Das Fahrzeug fährt in den SA n+1 ein. Dabei entsteht kein Schubkrafteinbruch, da beide SA
durch die Reihenschaltung wie ein einziger SA wirken.
4. Spätestens wenn sich das Fahrzeug vollständig im SA n+1 befindet, wird dessen
Sternpunktschalter geöffnet. Der Strom fließt nun über alle 3 in Reihe geschalteten SA.
5. Die Einspeisung des SA n+1 wird zugeschaltet. Dadurch stehen dem Strom zwei Wege zur
Verfügung, auf die er sich aufteilt, nämlich über das zum SA n parallel liegende Streckenkabel
(kleine Impedanz, hoher Anteil) und über den SA n selbst (hohe Impedanz, kleiner Anteil).
6. Der Einspeiseschalter des SA n wird geöffnet, da dieser Strompfad nicht mehr benötigt wird,
der Strom kann vollständig über die Einspeisung des SA n+1 eingespeist werden. Die
Steuerung beginnt wieder von vorne.
Auf diese Weise können theoretisch alle Abschnittswechsel ohne Schubkrafteinbruch erfolgen,
ohne zusätzliche Verbunde/Umrichter zu benötigen. Da man stets nur Teile des gerade
eingespeisten Statorbereiches weiterschaltet, wird dieses Verfahren im Weiteren als
Teilschrittverfahren (TSV) bezeichnet. Alternativ wäre auch ein Ablauf denkbar, bei dem anstatt
kurzzeitig drei SA in Reihe zu schalten, kurzzeitig nur ein SA eingespeist wird.
Das TSV stößt allerdings auf folgende Schwierigkeiten:
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• Die Schaltvorgänge erfolgen nicht mehr stromlos, sondern unter Last.
• Die Impedanzen bleiben während des SAW nicht konstant. Soll auch bei der Reihenschaltung
dreier SA noch Nennstrom fließen, so müssen die Einzelimpedanzen der SA klein sein, d.h. die
Schaltstellen dementsprechend dicht stehen (hohe Anzahl der Schaltstellen). Andernfalls muß
mit Schubkrafteinbrüchen während dieser Zeitbereiche gerechnet werden.
• Während der Schaltzeiten sind die Streckenimpedanzen nicht klar definiert, bzw. die
Streckenimpedanzen ändern sich zu nicht exakt bestimmbaren Zeitpunkten. Dies führt
normalerweise zu Änderungen der Statorströme, die ausgeregelt werden müssen.
Diese Punkte bedürfen einer weitergehenden Untersuchung, bevor das Verfahren als Alternative in
die weiteren Optimierungsüberlegungen einfließen kann.
8.7.2 Belastung Schaltelemente
Die Vakuumschütze in den Schaltstellen müssen folgende Lastfälle beherrschen:
• Einschalten unter Last: Dies ist normalerweise unkritisch, da während des Schaltvorganges
noch kein Strom fließt. Dieser beginnt sich erst nach Kontaktierung mit der Zeitkonstante τ der
Strecke aufzubauen, so daß das Einschalten keine besonderen Anforderungen an die
Schaltgeräte stellt.
• Ausschalten unter Last: Die Schaltgeräte können den Nennstrom bei der Nennfrequenz von 50
Hz ohnehin problemlos schalten. Desweiteren wird unterstellt, daß die durch die
Schaltvorgänge ausgelösten, transienten Spannungüberhöhungen an den Schaltelementen
ebenfalls durch die Auslegung der Schalter abgedeckt sind.
• Beim Transrapid reicht der Frequenzbereich bis hinab zu 0 Hz (Stillstand). Zwischen 0 Hz
und einer Mindestfrequenz (ca. 30 Hz) garantieren die Schaltgeräte keine sichere
Stromflußunterbrechung. Andererseits erfolgt bei dem vorgestellten Konzept kein
Abschaltvorgang, ohne daß dem Strom ein alternativer Pfad zur Verfügung gestellt wird, so
daß dieser bei Erhöhung der Impedanz im Schaltgerät (Lösen der Kontakte) mit der
Zeitkonstante τ in diesen alternativen Strompfad kommutieren kann und somit das Öffnen des
Schalters evtl. trotzdem gewährleistet.
Die Zeitkonstante beträgt in erster Näherung
SAT
SAT
RRR
LLL
++
++
=
τ
mit den Induktivitäten LT, LA und LS des Ausgangstrafos, der Streckenkabel vom Unterwerk A
und des Stators sowie den entsprechenden Widerständen. Sie liegt i.allg. in einem Bereich
zwischen 10 ms und 20 ms. Ob diese Zeitkonstante klein genug ist, um den Strom hinreichend
schnell abzukommutieren, müßten Versuche zeigen. Für den Fall, daß dies nicht immer der Fall
ist, darf das Verfahren nicht unterhalb von ca. 30 Hz zum Einsatz kommen. Dies betrifft aber
normalerweise nur singuläre Statorabschnittswechsel (SAW), da meist schneller als 30 Hz
gefahren wird.
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8.7.3 Stationäre Stromfehler
Fehlerhafte Statorströme iS können aus Modellfehlern in der Regelung resultieren: Als Meßgröße
für den Statorstrom iS steht nur der Strom am Unterwerks-Ausgang iA zur Verfügung. Die
Antriebsregelung/-steuerung (ARS) rechnet deshalb iA anhand von Streckenmodellen auf iS um.
Solange die Wellenlänge λA des eingespeisten Drehstromsystems um ca. zwei Zehnerpotenzen
unter der Übertragungslänge dA zwischen Unterwerk und Schaltstelle liegt, genügt als Modell ein
aus diskreten Bauelementen R und L aufgebauter Stromkreis. Hier gilt dann stets iA = iS, so daß
grundsätzlich kein stationärer Fehler auftritt.
Aus Fernverkehrsprojektierungen des Transrapid ist bekannt, daß Modelle der Wellentheorie
Anwendung finden. Dann gilt z.B. für den Strom zwischen Unterwerk A (iA) und der Schaltstelle
(iSSA)
WK
d
d
SS
d
d
SSAA Z
1
)(
2
1
u)(
2
1
ii A
A
A
A
A
A
A
A⋅−⋅⋅++⋅⋅= ⋅
−
⋅
⋅
−
⋅
γ
γ
γ
γ
eeee
mit dem Ausbreitungsmaß der Streckenkabel γA , dem Abstand Unterwerk-Schaltstelle dA, der
Spannung an der Schaltstelle uSS und dem Wellenwiderstand der Kabel ZWK. In analoger Form gilt
dies auch für den Stator.
Man sieht, daß der Strom am Unterwerk i.allg. weder in Amplitude noch in Phase mit dem Strom
im Stator übereinstimmt. Ändert sich die Strecke während eines Umschaltvorganges, so bedeutet
dies eine Änderung von dA (bzw. für den Stator dS), so daß die Berechnung von iS Fehler enthält,
die auf die Längendifferenz ∆dA bzw. ∆dS zurückzuführen sind.
Beispielhafte Berechnungen zeigen jedoch, daß die hier angedachten Betriebsfälle keine
Wellenansätze erfordern und somit grundsätzlich keine stationären Stromfehler auftreten.
8.7.4 Transiente Stromfehler
Unterstellt man vereinfachend, daß sich die Streckenimpedanz schlagartig ändert, die angelegte
Umrichterspannung uA jedoch zunächst konstant bleibt, so stellt sich mit der Zeitkonstante der
Strecke τ eine Abweichung des Stromes vom Sollwert ein.
Je nachdem, wie schnell der Stromregler auf die Abweichung reagieren kann, wird ein Endwert
des Stromes entweder erreicht oder schon vorher abgeregelt. Der Endwert des Statorstromes iSnach
läßt sich einfach aus einer stationären Betrachtung ableiten, wenn die vor dem Schaltvorgang
gültige Unterwerksspannung uAvor auf die nach dem Schaltvorgang gültige Impedanz Znach
angelegt wird:
nachvor
nachvorvorSvor
P
nachvor
nachvor
Avor
vor
Avor
nach
Avor
SvorSnach ZZ
)ZZ()Zi(u
ZZ
)ZZ(u
Z
u
Z
u
ii ⋅
−⋅⋅+
=
⋅
−⋅
=−=−
Die Abweichung der Ströme wird also groß, wenn
• die Polradspannung uP groß ist,
• der Statorstrom iSvor groß ist,
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• die Impedanzdifferenz relativ gesehen groß ist. Dies begünstigt im Übrigen die Variante mit
kurzzeitig drei SA in Reihe (Impedanzerhöhung 33%) gegenüber kurzzeitig ein SA
(Impedanzminderung 50%).
Man muß unbedingt vermeiden, daß iSnach >> iSvor , da dies Beschädigungen der
Antriebskomponenten durch Überstrom nach sich ziehen kann. Aus diesem Grunde sollte auch der
dritte SA n+2 zugeschaltet werden, bevor die Einspeisung des ersten SA n überbrückt wird, da
sonst über 50% der Impedanz entfiele und der Strom kurzzeitig ansteigen könnte.
Folgender worst-case-Ansatz berechnet die maximale positive Abweichung des Statorstromes:
• uP bei Nenngeschwindigkeit und maximaler Sektionszahl.
• Angenommener Nennstrom des Antriebsbereiches.
• Reduktion der Impedanz von 3 Statoren in Reihe auf 2 Statoren in Reihe und Parallelschaltung
aus einem Stator und Streckenkabeln.
Diese Berechnung müßte nach Aufbau jedes Antriebsbereiches durchgeführt werden, so daß der
Abstand des Nennstromes zum betrieblich nutzbaren Strom definiert werden kann.
Eien beispielhafte Berechnung dieses Falles bei 200 km/h, 1 kA Nennstrom und einheitlichen Teil-
Statorabschnitten von 0,5 km Länge ergibt eine maximale Stromabweichung ca. 30% (300 A bei
1000 A Nennstrom), und zwar je nach Änderungsrichtung der Impedanz positiv oder negativ. Die
Stromspitze kann in ca. 20 ms von einem integralen Stromregler mit einer Nachstellzeit von 10 ms
ausgeregelt werden.
Eine Stromreserve von 300 A zu schaffen, stellt jedoch keine befriedigende Lösung dar. Deshalb
sollte das unten beschriebene Konzept mit einem „Spannungshalter“ verfolgt werden.
8.7.5 Spannunghalter
Die oben ermittelte Stromabweichung entspricht einer Beschleunigungsänderung um weniger als
0,2 m/s2. Somit folgt, daß eine kurzfristige Ausregelung dieser Fehlerströme eigentlich gar nicht
unbedingt erforderlich wäre. Daraus resultiert folgendes Konzept (vgl. Anlage 8.7-2):
• Im Abstand von ca. 10 ms vor Punkt 5 der Ablaufsteuerung (Zuschaltung Einspeisung SA
n+1) blockiert die ARS ihren konventionellen Stromregler (insbesondere auch den Integrator)
und schaltet statt dessen auf einen speziellen „Spannungshalter“ um.
• Der Spannungshalter erhält als Sollwert die Spannung uA, die für den Sollwert des
Statorstromes und die Impedanz nach Abschluß des SAW einzustellen wäre. Dies führt
zunächst zu einem Einbruch des Stromes, da die Impedanz zu diesem Zeitpunkt noch größer
ist.
• Der Spannungshalter regelt diese Spannung als konstanten Wert ein. Dies bewirkt, daß sich der
Statorstrom in Abhängigkeit von der Impedanz verändert, aber nicht aktiv nachgeregelt wird.
Insbesondere geht der Strom vom anfangs zu kleinen Wert auf den geforderten Endwert über.
• Unmittelbar nach Punkt 5 der Ablaufsteuerung (Kap. 6.7.1) wird der Spannungshalter gesperrt
und statt dessen der konventionelle Stromregler wieder freigegeben.
Anlage 8.7-3 zeigt den Verlauf des Statorstrombetrages und der Beschleunigung, wenn die
Schaltvorgänge in einem angenommenen Abstand von 100 ms erfolgen (real liegen voraussichtlich
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 51 von 100
größere Abstände vor). Ergebnis: Die Stromeinbrüche betragen ca. 0,3 kA (entspricht ca. 0,2 m/s2)
und stehen über einen Zeitraum an, der sich beim ersten Schalten durch die Dynamik des
Stromreglers und beim zweiten Schalten überwiegend durch die Zeit zwischen Einschalten des
Spannungshalters und dem tatsächlichen Schalten der Vakuumschütze bestimmt.
Nach Abschalten des Spannungshalters stellt sich im untersuchten Beispiel eine kleine
Stromschwankung von ca. 10 bis 20 A ein. Diese resultiert daraus, daß der nun wieder
freigegebene Integrator des Stromreglers aufgrund ungenauer Streckenmodellierungen nicht den
exakt benötigten Wert aufweist. Dieses Phänomen kann auch real auftreten.
Da der Ruck sehr große Beträge aufweist (ca. 10 m/s3), kann der Fahrkomfort voraussichtlich nur
dann akzeptiert werden, wenn die Einwirkdauer, d.h. die Schaltdauer, unterhalb der
Wahrnehmungsschwelle liegt. Welche Einwirkdauer in Verbindung mit der vorhandenen
Fahrzeugfederung in Fahrzeug-Längsrichtung noch zu spürbaren Krafteinwirkungen führt, wäre
gesondert zu untersuchen. Ggf. müßten die Schaltzeiten verkleinert werden. Eine Möglichkeit der
Verkürzung von Schaltvorgängen besteht z.B. darin, die Steuerung für die nicht wie bisher als
Ablaufsteuerung, sondern als Interruptsteuerung zu realisieren.
Gesicherte Aussagen zum Fahrkomfort lassen sich jedoch erfahrungsgemäß erst durch Meßfahrten
mit Probanden gewinnen.
8.7.6 Ausführungsformen
Das TSV läßt sich sowohl in Einfach- als auch in Doppelspeisung, mit getrennten oder in Reihe
geschalteten Statoren betreiben. Für den Regionalverkehr bieten sich insbesondere
Ausführungsformen an, die möglichst wenig Hardware in Unterwerken benötigen. Deshalb
werden hier beispielhaft Schaltungen beschrieben, die in Einfachspeisung mit in Reihe
geschalteten Statoren auskommen.
Sternschaltung: Anlage 8.7-4 zeigt eine sinnvolle Anordnung in Sternschaltung. Pro Schaltstelle
liegen fünf Schalter vor, nämlich neben dem üblichen Einspeiseschalter und Sternpunktschalter
zusätzlich ein „Reihenschalter“ für die Reihenschaltung der Statoren rechts und links und zwei
„Verlängerungssschalter“ zur Verlängerung bzw. Verkürzung der Statorabschnitte auf beiden
Seiten.
Dreieckschaltung: Die Dreieckschaltung benötigt keinen Sternpunktschalter, ansonsten entspricht
die Anordnung der Sternschaltung (Anlage 8.7.-5).
Eine offene Sternschaltung erfordert einen erhöhten Hardwareaufwand (Doppelspeisung) und wird
deshalb nicht weiter betrachtet.
Ablauf: Entsprechend dem oben beschriebenen Steuerungsablauf erfolgt zunächst eine
Zuschaltung des nächsten (Teil-) SA. Bezüglich der Abschaltung kann es sich u.U. als günstig
erweisen, nicht gleich den gesamten, ersten (Teil-) SA abzuschalten, sondern den rechten und den
linken (Teil-) SA nacheinander (Anlage 8.7-6). Vorteil: Die Impedanzsprünge und damit die
Beschleunigungseinbrüche betragen nur noch die Hälfte.
Redundanz: Die Anordnung enthält nur noch ein einziges Speisesystem. Dies widerspricht
zunächst dem Redundanzprinzip, wonach Einzelausfälle nicht zu Betriebsstillstand führen dürfen.
Anstatt jedoch ein zweites, redundantes Speisesystem aufzubauen, gelingt es auch mit Hilfe
anderer, einfacherer Maßnahmen, die möglichen Einzelausfälle zu beherrschen, nämlich:
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• Ein Reserve-Umrichter im Unterwerk, z.B. zuständig für alle vier angrenzenden
Antriebsbereiche.
• Umgehung defekter Streckenkabelbereiche über einzelne Teil-SA (Beispiel Anlage 8.7-7).
Dies erfordert allerdings ein- und ausgangsseitige Trenner im Strompfad der Streckenkabel
innerhalb der Schaltstellen und führt zu höheren betrieblichen Impedanzen im Störfall.
• Liegt aus anderen Gründen mehr als ein Streckenkabelsystem parallel, so können diese in zwei
Einspeiseverbunde aufgeteilt werden, die normalerweise parallel geschaltet sind. Die SA
befinden sich wechselweise am einen oder anderen Verbund. Weist ein Kabelsystem einen
Defekt auf, so heben Trennvorrichtungen in den Schaltstellen die Parallelschaltung auf, die
Einspeisung erfolgt nur noch über einen der Kabelverbunde. Jeweils einer der SA, die an den
intakten Verbund angeschlossen sind, übernimmt die Einspeisung (Beispiel in Anlage 8.7-7).
Die intakten Kabel werden während des Störbetriebes u.U. thermisch stark belastet (je nach
Außentemperatur), was die Lebensdauer reduzieren kann.
• Umgehung defekter SA durch Streckenkabel (Beispiel Anlage 8.7-7): Hierzu sind ohnehin
bereits ausreichend Schaltelemente vorhanden.
Da diese Störfallmaßnahmen noch mehr Schaltgeräte erfordern, wird im Weiteren ein kostenmäßig
günstigerer Aufbau gemäß Anlage 8.7-8 verwendet, bei dem nicht alle SA komplett ausgestattet
werden. Daraus resultieren Einschränkungen in Störfällen dergestalt, daß nicht nur der defekte
Abschnitt sondern auch noch der folgende Abschnitt bis zum nächsten Schalter zu umgehen ist.
8.7.7 Anwendbarkeit
Aus obigen Ausführungen lassen sich folgende Fragestellungen zur Anwendbarkeit des TSV
zusammenstellen:
• Inwieweit die Antriebsregelung/-Steuerung tatsächlich die Schaltvorgänge unter Last
regelungstechnisch bewältigen kann, müßte durch Versuche verifiziert werden.
• Es treten während der Abschaltvorgänge Zeitbereiche auf, in denen der Strom nicht geregelt
wird, sondern lediglich eine Spannungshaltung erfolgt. Ob dieses System wie beschrieben
funktioniert und ob insbesondere keine unzulässigen Stromspitzen auftreten – auch bedingt
durch kapazitive Effekte – müßte ebenfalls versuchstechnisch verifiziert werden.
• Es treten Beschleunigungsänderungen im Bereich von 0,2 m/s2 auf, die aber nur während der
Schaltvorgänge anstehen (real ca. 0,1 bis 0,2 s). Der mittlere Ruck beträgt dabei ca. 10 m/s3,
beschränkt sich aber auf sehr kurze Zeitintervalle (abhängig von Streckenzeitkonstante, ca.
0,02 s. Ob diese Beschleunigungsänderung in Verbindung mit dem Federungssystem des
Fahrzeuges noch spürbar ist, bzw. ob der Fahrkomfort beeinträchtigt wird müßte durch
Fahrversuche geklärt werden.
• Der Aufwand an Schaltstellen steigt stark an. Inwiefern dies Kosteneinsparungen bei
Unterwerken wieder kompensiert, muß sich im Rahmen der Auslegungsbeispiele zeigen.
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Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 53 von 100
8.8 Energieversorgungskonzept
Aufgrund der relativ großen Abstände der Unterwerke sowie der relativ hohen Leistungen pro
Unterwerk wird für Fernverkehrsstrecken des Transrapid jeweils eine Hochspannungsanlage pro
Unterwerk vorgesehen. Im Regionalverkehr hingegen liegt sowohl der Abstand zwischen den
Unterwerken als auch die benötigte Leistung niedriger. Aus diesem Grunde wäre es z.B. denkbar,
nur jedes zweite oder dritte Unterwerk mit einer Hochspannungsanlage auszurüsten und die
benötigte Energie für die restlichen Unterwerke mittels Mittelspannungskabeln zu übertragen.
Dazu wird die momentam im System gebräuchliche Spannungsebene 20 kV angesetzt.
Welche Kabel hierzu thermisch und impedanzmäßig nötig wären, sei am Beispiel eines Kabels mit
500 mm2 Leiterquerschnitt im Anlage 8.8-1 bei max. uab = 1 kV Spannungsabfall dargestellt.
Berechnungsformeln:
Strom i = P / (uN – uab) (mit Leistung P und Nennspannung uN)
Länge l = uab / i / R‘ (mit Widerstandsbelag R‘).
Die thermische Grenze (bei 603 A nach [4]) beträgt hier knapp 20 MW (Effektivwert).
Aus Redundanzgründen müßten mindestens zwei Kabel pro Unterwerk vorgesehen werden. Die
Kosten der Kabel wären den Kosten der eingesparten Hochspannungsanlagen gegenzurechnen.
8.9 Rangierkonzept
An den Endstationen entsteht grundsätzlich ein Problem hinsichtlich der Bewegung von
Fahrzeugen: Eine Langkehre erfordert Fahrzeugbewegungen unabhängig vom Fahrbetrieb auf der
Strecke. Eine Kurzkehre bedeutet, daß Fahrzeuge ihre Spur entweder vor Erreichen der Station
oder nach Abfahrt aus der Station verlassen müssen und somit in den gegenüberliegenden
Antriebsbereich (ABE) einfahren und diesen belegen. Dies kann zu unzulässigen
Doppelbelegungen führen und verursacht unerwünschte Verkopplungen der Fahrpläne beider
Richtungen. Aus diesen Gründen muß der Wendevorgang mit Hilfe von Rangierstrategien
optimiert werden.
Folgende Rangiermöglichkeiten sind für den Transrapid bekannt:
1. Einbeziehen der Umsetzfahrten in den Fahrplan bzw. streckenseitigen Antriebsbereich:
Aufgrund der kleinen Wendegeschwindigkeiten und der großen Standzeiten (Fahrplan-Puffer)
in den Endstationen ergeben sich sehr große Belegungszeiten. Dies führt zu unnötig kurzen
ABE, d.h. unnötig vielen Unterwerken.
2. Zusätzlicher Rangierantrieb: Dies ermöglicht vom Fahrbetrieb unabhängige Rangierfahrten an
den Endstationen, erfordert aber zusätzliche Rangier-Unterwerke kleinerer Leistung. Einsatz
sowohl bei Kurzkehre als auch Langkehre möglich.
3. Antriebsloses Rangieren mit Schleppfahrzeugen: Dies erfordert zwar nur einen geringen
Aufwand an Hardware, führt aber zu großen Wendezeiten, da die Schleppfahrzeuge nur
langsam fahren können, erfordert Personal mit Sicherheitsverantwortung und schließt
Kurzkehren aus, erzwingt also Fahrweg-Mehrlängen hinter den Stationen. Diese Gründe
schließen einen Einsatz für Umsetzvorgänge in den Endstationen praktisch aus.
Seite 54 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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Alle bekannten Varianten befriedigen nicht. Legt man eine Kurzkehre zugrunde, so kann man eine
Verkopplung und gegenseitige Störung der beiden beteiligten Spuren bzw. Antriebsbereiche
(ABE) nur dann erreichen, wenn das jeweils ein- bzw. ausfahrende Fahrzeug „seinen“ ABE nicht
verläßt, obwohl es die Spur wechselt. Daraus resultiert folgender Konzeptvorschlag:
• Der erste und der letzte Statorabschnitt (SA) der Strecke kann wahlweise dem ABE der Spur a
oder der Spur b zugeordnet werden.
• Die Zuordnung korrespondiert eindeutig mit der Weichenstellung der Kurzkehr-
Überleitverbindung.
• Der SA wird über eine Trennvorrichtung mechanisch mit der Weichenlage entweder an die
Einspeisung des einen oder anderen ABE geschaltet (Anlage 8.9-1).
Dies beinhaltet folgenden Entwicklungsbedarf:
• Die Betriebsleittechnik Dezentrale (BLD) muß – etwa anhand der Weichenlage - sicher
erkennen können, welche Spur welchem ABE und damit welcher BLD zugeordnet ist.
• BLD und ABE müssen dergestalt miteinander kommunizieren, daß Weichenbewegungen von
der BLD angekündigt und vom Antrieb mit Stromlosschalten des SA und Umstellung der
Streckenparameter in den Reglern quittiert werden.
• Die Trennvorrichtungen müssen konstruiert und einer sicherheitstechnischen Abnahme
unterzogen werden. Dabei muß eine ausreichend große Löschstrecke für Lichtbögen
Berücksichtigung finden, die stets eine sichere Abtrennung des nicht zuständigen ABE
gewährleistet, auch wenn dieser fehlerhafter Weise einen Strom einprägt. Die
Lebensdauerfestigkeit (im fehlerfreien Betrieb) muß gewährleistet sein. Dies erfordert
Maßnahmen hinsichtlich Korrosion, Verschmutzungsschutz etc.
Eine technisch einfacher umsetzbare Möglichkeit besteht darin, die jeweiligen Streckenenden
mittels einer zusätzlichen „Umschaltstelle“ beliebig an den jeweils zuständigen Antrieb zu
schalten. Prinzipbedingt ist diese Umschaltung aber nicht sicher, denn die derzeit verfügbaren
Vakuumschütze können – insbesondere bei kleinen Speisefrequenzen – einen Antriebsstrom nicht
sicher unterbrechen. Deshalb muß die Betriebsleittechnik aus Sicherheitsgründen unterstellen, daß
über die Umschaltstelle eine galvanische Verkopplung der Antriebe beider Spuren hergestellt
wird. Im Falle einer Sicherheitsabschaltung des Antriebes auf einer Spur muß deshalb
zwangsläufig auch die andere Spur mit abgeschaltet werden.
Indem man entweder diesen betrieblichen Nachteil in Kauf nimmt oder aber eine Entwicklung
einer sicheren, z.B weichenlagenabhängigen, Trennvorrichtung durchführt, kann man auf
zusätzliche Rangiereinrichtungen verzichten.
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 55 von 100
9 Definition Antriebsvarianten
Wie man den obigen Kapiteln entnehmen kann, lassen sich durch Kombination verschiedener
Antriebskomponenten bzw. –Verfahren quasi beliebig viele verschiedene Antriebsvarianten
definieren. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, die bezogen auf die Referenzstrecke
kostengünstigste Variante zu bestimmen, welche das geforderte Leistungsprofil noch erfüllt. Dabei
muß eine Risikoabwägung hinsichtlich des Einsatzes neuer Techniken erfolgen. Aus diesem
Grunde soll jeweils eine Auslegung für folgende drei verschiedenen Varianten erfolgen:
1. Referenz: Diese Variante soll ausschließlich auf Komponenten und Verfahren zurückgreifen,
wie sie aus Fernverkehrsprojektierungen bekannt bzw. durch Versuche auf der Versuchsanlage
erprobt sind. Damit erhält man einen Referenz-Antrieb, anhand dessen die Wirksamkeit von
Optimierungsmaßnahmen quantifizierbar wird.
2. Konservative Optimierung: Diese Variante soll alle Verfahren und Komponenten
berücksichtigen, die eine nennenswerte Einsparung an Hardware und damit an Kosten
erwarten lassen, die aber gleichzeitig keine unwägbaren Risiken hinsichtlich erforderlicher
Entwicklungen beinhalten. Mit Hilfe dieser Variante lassen sich relativ kurzfristig erzielbare
Kosteneinsparungen beziffern.
3. Progressive Optimierung: Diese Variante soll sämtliche Komponenten und Verfahren
berücksichtigen, die auf der vorhandenen Technologie basieren und die Einsparungen erwarten
lassen. Unwägbarkeiten hinsichtlich der Realisierbarkeit bzw. des Nachentwicklungsbedarfes –
zumindest bei Software – werden dabei ignoriert. Diese Variante dient dazu, evtl. mittel- oder
langfristig erreichbare Kosteneinsparungen abzuschätzen.
9.1 Variante 1
Dieser Variante liegen alle bislang aus Hochgeschwindigkeitsanwendungen vorhandenen und
erprobten Komponenten zugrunde. Anhand des Anforderungsprofils gelangt man zu folgenden
Ausgangsparametern für die Auslegung der Referenz-Variante:
• Unterwerke: Die kleinen Taktzeiten bewirken in Verbindung mit dem niedrigen
Geschwindigkeitsniveau sehr kleine Unterwerksabstände. Deshalb kommen aus
Kostengründen nur Typen in Frage, die ein Minimum an Unterwerksstandorten gewährleisten,
d.h. Einfachspeisung in Verbindung mit Unterwerks-Typ 2.
• Statorabschnittswechselverfahren: Die aufgrund der zahlreichen Haltestellen häufigen
Beschleunigungsvorgänge erfordern standardmäßig das Dreischrittverfahren, in Anlehnung an
die Auslegung in Shanghai. Zwar stellt dies angesichts der großen Diskrepanz zwischen
installierter und tatsächlich benötigter Leistung einen überproportional hohen Aufwand dar, so
daß eine realistische Projektierung wahrscheinlich auf Alternativen zurückgreifen wird.
Dennoch eignet sich dieses Verfahren an dieser Stelle als Referenz.
• Statorschaltung: Da einerseits die Statoren rechts und links separat betrieben werden und das
Geschwindigkeitsniveau sehr niedrig liegt, bleibt der Spannungsbedarf klein. Die
Sternschaltung genügt diesen Anforderungen und verursacht gleichzeitig aufgrund des
geringen zu übertragenden Stromes geringe Komponentenbelastungen, so daß günstige
Komponentenauslegungen möglich werden.
Seite 56 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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• Rangierkonzept: Falls ausreichend Zeit zur Verfügung steht, kann die Kehrfahrt in den
Fahrplanbetrieb mit integriert werden. Sonst Rangierunterwerke in den Endstationen.
Die Auslegung der sich daraus ergebenden Antriebskomponenten erfolgt in den weiteren Kapiteln.
9.2 Variante 2
Ausgehend von der Variante 1 können folgende konservative Optimierungen erfolgen:
• Unterwerk: Keine Änderung gegenüber Referenz-Variante erkennbar.
• Statorabschnittswechselverfahren (SAWV): SAWV, die gegenüber der Referenz besonders
große Einsparungen an Hardware ermöglichen, sind das Kurzschlußverfahren (KSV) und das
Teilschrittverfahren (TSV). Das KSV scheidet aus Komfortgründen grundsätzlich aus, das
TSV beinhaltet dagegen sehr hohe Entwicklungsrisiken, so daß letztlich als Kompromiss auf
das Wechselschrittverfahren (WSV) zurückgegriffen wird. Zur Komfortverbesserung soll 50%
der Leistung als Reserve vorgehalten werden.
• Statorschaltung: Wie Referenz-Variante, mit gleicher Begründung.
• Ausgangstrafos: Anstelle einer festen Trafoübersetzung soll eine in zwei Stufen schaltbare
Übersetzung zum Einsatz kommen, um die Speisespannung besser auf den Leistungsbedarf
abstimmen zu können. Außerdem soll die Nennfrequenz 50 Hz betragen.
• Umrichterkonzept: Es sollen falls möglich Umrichter mit 50% der Nennleistung der Standard-
Umrichter verwendet werden. Der damit einhergehende Leistungsverlust soll durch andere
Maßnahmen soweit möglich ausgeglichen werden, siehe insbes. Ausgangstrafos.
• Energieversorgungskonzept: Anhand der Leistungsverläufe ist zu untersuchen, ob sich
Einsparungen durch Entfall von Hochspannungsanlagen ergeben.
• Betriebsleittechnik Dezentralen (BLD): Für die derzeit vorliegende BLD wurden bereits
Überlappungen von Antriebsbereichen (ABE) über einig 100 m projektiert (siehe Endbereiche
der Strecke Berlin-Hamburg), d.h. Haltestellen können in naher Zukunft bereits – je nach
Erfordernis – dem einen oder anderen ABE zugeordnet werden. Die Haltezeiten
belegungszeitmäßig entfallen zu lassen stellt daher kein nennenswertes Projektierungsrisiko
mehr dar und sollte genutzt werden. BLD ohne feste Zuordnung zu ABE bzw. ABE mit 2 BLD
entsprechen nicht dem derzeitigen Leistungsprofil des Transrapid und werden hier deshalb
nicht angesetzt.
• Rangierkonzept: Mit einer Umschaltvorrichtung ohne Entwicklung gemäß Kap. 8.9.
9.3 Variante 3
Ausgehend vom Referenz-Konzept können folgende progressive Optimierungen erfolgen:
• Unterwerk: Keine Änderung gegenüber Referenz möglich.
• Statorabschnittswechselverfahren (SAWV): Zur Ermittlung eines möglichen
Optimierungspotentials erfolgen die SAW im Teilschrittverfahren (TSV) mit in Reihe
geschalteten Statorseiten. Dabei wird vorausgesetzt, daß die aufgezeigten Probleme durch
entsprechende Nachentwicklungen und Versuche bewältigt werden.
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Seite 57 von 100
• Statorschaltung: Durch die Reihenschaltung der rechten und linken Statorseite verdoppelt sich
der Spannungsbedarf in etwa. Zur Minimierung der Kabelbelastung soll dennoch eine
Sternschaltung angesetzt werden, falls dies aus Spannungsgründen möglich ist. Alternativ kann
eine Dreieckschaltung vorgesehen werden. Eine offene Sternschaltung sollte vermieden
werden, da dies Doppelspeisung und somit mehr Unterwerke erfordert.
• Ausgangstrafos: Da sich beim TSV normalerweise stets alle Umrichter im Einsatz befinden,
stehen keine „Pausen“ zum Umschalten verschiedener Übersetzungen zur Verfügung. Pro
ABE soll deshalb nur eine feste Übersetzung pro Antriebsbereich (ABE) verwendet werden.
Die Nennfrequenz soll jedoch 50 Hz betragen.
• Umrichterkonzept: Je nach Leistungsbedarf sollen falls möglich Umrichter mit 50% Leistung
zum Einsatz kommen.
• Energieversorgungskonzept: Vorgehen wie Variante 2.
• Betriebsleittechnik Dezentralne (BLD):Wie schon bei der konservativen Auslegung erfolgt
eine Eliminierung der Belegungszeit von Haltestellen an Antriebsbereichsgrenzen.
Desweiteren werden mehrere BLD pro ABE zugelassen.
• Rangierkonzept: Mit weichengesteuerten Trennvorrichtungen.
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10 Vorabauslegung
Prinzipiell beeinflussen sich sämtliche Auslegungsparameter des Langstatorantriebes gegenseitig,
z.B. nimmt die Auslegung der Streckenkabel und der Statorabschnittslängen Einfluß auf die
Impedanz und wirkt so auf die Fahrdynamik, die Belegungszeit der Antriebsbereiche und die
thermische Belastung der Kabel. Aus diesem Grunde müßten die Auslegungen sämtlicher
Komponenten streng genommen iterativ erfolgen. Schätzt man jedoch die Parameter verschiedener
Komponenten anhand von Erfahrungswerten im Voraus ab, so genügen ein bis zwei
Iterationsschritte, um annähernd optimale Werte für alle Parameter zu erhalten.
Die Unterwerke sind so zu plazieren, daß sowohl in der einen wie auch der anderen Fahrtrichtung
Belegungszeiten entstehen, die unter der technisch geforderten Grenze liegen. Hierzu benötigt man
Weg-Zeit-Diagramme der beiden Fahrtrichtungen. Da diese zu Beginn der Auslegung noch nicht
vorliegen können – die Fahrdynamik des Transrapid hängt eben von dieser Auslegung ab – muß
diese Fahrdynamik anhand einer „Vorab-Auslegung“ ermittelt werden.
Diese Vorab-Auslegung kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein, es bieten sich jedoch folgende
Eigenschaften an:
• Streckenkabel: Dimensionierung so, daß damit voraussichtlich keine ungewollten
fahrdynamischen Einschränkungen resultieren. Die Streckenkabel können später
kostenoptimiert werden. Ansatz: Kabelauslegung wie Transrapid Versuchsanlage Emsland
(TVE, vgl. [5]).
• Trafoübersetzung: Die Übersetzung sollte so klein gewählt werden, daß bei Einsatz des
„Standard-Umrichters“ genügend Strom zum Erreichen der Nennbeschleunigung zum
Anfahren vorhanden ist, andererseits aber keine Spannungsbegrenzungen bei
Höchstgeschwindigkeit auftreten. Abschätzung Anfahrbereich mit F = mFzg ⋅ anenn und F = cM ⋅
iS Anfahr:
kA 1,17
N/A 43,3
m/s 0,8 t 63,5
c
am
i
2
M
nennFzg
Anfahr S =
⋅
=
⋅
=
Nachdem die Wechselrichter 1,2 kA Nennstrom liefern, bietet sich zunächst eine Übersetzung
von 1:1 an. Die verfügbare Spannung beträgt dann
u = uWR nenn = 4,3 kV.
Dies liegt deutlich unter dem zulässigen Grenzwert und genügt hinsichtlich der
Polradspannung uP für folgende theoretische Endgeschwindigkeit (aus P = 2⋅3⋅uP⋅iS und P =
cM⋅iS⋅vEnd ):
m/s 119
N/A 43,35
kV 4,36
cn
u6
v
MS
P
End =
⋅
⋅
=
⋅
⋅
=
Dieser Wert liegt deutlich über den betrieblich zu fahrenden Geschwindigkeiten.
• Statorabschnittslängen: Es werden Abschnittslängen von das = 1,2 km projektiert. Dieser Wert
entspricht der durchschnittlichen Länge der MSB Berlin-Hamburg und auch Shanghai. Im
Rahmen der Auslegung der einzelnen Varianten können je nach Bedarf Verkürzungen oder
Verlängerungen erfolgen.
Als Statorabschnittswechselverfahren wird Dreischritt als Referenz angesetzt.
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Seite 59 von 100
11 Auslegung Unterwerke
11.1 Vorgehensweise
Liegen die Weg-Zeit-Diagramme der Vorabauslegung vor, so läßt sich die Anzahl der benötigten
Antriebsbereiche nABE wie folgt mittels der geforderten technischen Fahrzeit tFahrzeit, des
technischen Taktes tTakt und der vorerst geschätzten Belegungszeit durch die Betriebsleittechnik
tBLT = 1 min abschätzen:
min) 1 min (6,5
min 25
)t(t
t
n
BLTTakt
Fahrzeit
ABE −
=
−
=,
wobei nABE stets auf die nächste ganze Zahl aufzurunden ist und somit 5 ergibt. Die
Antriebsbereichsgrenzen (ABG) liegen dann in einem zeitlichen Abstand von tFahrzeit/nABE = 5 min,
die sich durch die Weg-Zeit-Diagramme auf bestimmte Orte für Hin- bzw. Rückfahrt festlegen
lassen.
Beim Unterwerkstyp 2 in Einfachspeisung muß an jeder zweiten ABG ein Unterwerk (UW)
stehen. Da ein UW jeweils beide Fahrtrichtungen einspeist, muß sich der Standort an den
entsprechenden zwei ABG der beiden Fahrtrichtungen orientieren, d.h. in dem Bereich zwischen
diesen ABG liegen. Dabei muß beachtet werden, daß die ABG entweder zwingend außerhalb von
Stationen oder möglichst in Stationen liegt – je nach BLT-Ausführung. Im letzgenannten Fall
reduziert sich dann die anzusetzende Fahrzeit um die jeweils eingesparten Haltezeiten, so daß
entsprechend obiger Formel evtl. weniger ABE benötigt werden. Sinnvollerweise legt man danach
die ABG der beiden Richtungen an den Unterwerks-Standort (Anlage 11.1-1).
Sind Unterwerksstandorte aus städtebaulichen Gründen nicht realisierbar, so müssen entweder
Zuleitungen zwischen den Unterwerken und den ABG verlegt werden oder es muss stasttdessen
der UW Typ 1 eingesetzt werden. Bei diesem kann das UW mehr oder weniger beliebig innerhalb
des ABE plaziert werden. Diese Problematik wird hier jedoch nicht näher betrachtet.
Nach Abschluß der Komponentenauslegung, d.h. wenn die tatsächliche Fahrkurve und die
tatsächliche Belegungszeit durch die BLT vorliegt, müssen die tatsächlichen Belegungszeiten
jedes ABE berechnet und die Lage der UW nochmals überprüft werden.
11.2 Ergebnisse
Anlage 11.2-1 zeigt die Weg-Zeit-Diagramme der Vorab-Auslegung in beiden Fahrtrichtungen.
Bei einem Zeitraster von 270 s kommen die Antriebsbereichsgrenzen (ABG) in etwa bei km 0, 6,
16, 25, 33 und 38 zu liegen. Festlegungen:
Variante 1: Die 5 Antriebsbereiche (ABE) erfordern drei Unterwerke. Diese werden bei km 6, 25
und 38 plaziert. Die Kurzkehre erfordert ca. 0,5 min (Fahrzeit der ersten bzw. letzten 300 m).
Berücksichtigt man zusätzlich eine Weichenstellzeit von 0,5 min in der Belegungszeit dieser
Bereiche, so ergibt sich unter Berücksichtigung einer Fahrzeit von 25 min und den oben
beschriebenen Abfahrtszeiten folgende Belegungssituation in den Endstationen, abhängig davon,
ob die Kehre bei Ankunft oder Abfahrt von Zügen erfolgt (vgl. Anlage 11.2-2); Beispiel:
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abfahrende Fahrzeuge belegen ankommende Fahrzeuge belegen
ABE/Spur von bis
A
BE/Spur von bis
Abfahrt :00 :01 Ankunft :58 :02
Abfahrt :00,5 :04,5 Abfahrt :02 :03
Abfahrt :07,5 :08,5 Ankunft :05,5 :09,5
Abfahrt :08 :12 Ankunft :09,5 :10,5
Ankunft :15 :16 Ankunft :13 :17
Abfahrt :15,5 :19,5 Ankunft :17 :18
Der vorliegende Fahrplan verursacht stets unzulässige Doppelbelegungen von ABE und erfordert
deshalb eine Abkopplung der Spurenden vom restlichen ABE, d.h. zusätzliche Rangierunterwerke.
Alternativ wäre eine Verschiebung des Fahrplanes denkbar, indem z.B. im die Abfahrtszeit einer
Endstation um 3 min verschoben wird. Die Belegungen der Abfahrts- und Ankunftsgleise liegen
dann jeweils „auf Lücke“.
Ein 7,5-min-Takt ohne zusätzliche Unterwerke wäre somit zwar denkbar, die Fahrplan-Forderung
nach Abfahrten jeweils zur vollen Stunde kann aber nur mit zusätzlichen Rangierunterwerken
erfüllt werden kann. Aus Kostengründen werden diese in die vorhandenen Streckenunterwerke
integriert.
Variante 2: Günstiger Weise sollten möglichst viele ABG an Haltestellen liegen, um die
Bildezeiten zu sparen. In Frage kommen die km 16.5, 25.2, und 34. Damit ergeben sich
schätzungsweise folgende Belegungszeiten (abzulesen aus dem Weg-Zeit-Diagramm):
ABE 1: 270 s
ABE 2: ca. 250 s + Bildezeit
ABE 3: ca.260 s
ABE 4: ca. 240 s
ABE 5: ca. 150 s
Ein Unterwerk kann dann eingespart werden, wenn durch Zusammenfassung zweier ABE (und
ggf. Verschiebung der anderen) der Takt unter 6,5 min (390 s) bleibt. Bei der vorliegenden
Musterstrecke ist dies jedoch nicht möglich. Die Einsparungen an Belegungszeit sind zu gering im
Verhältnis zum Takt und können lediglich die Pufferzeiten erhöhen. Dies kann evtl. Freiheiten bei
Auslegung anderer Komponenten schaffen.
Variante 3: Entfällt grundsätzlich die Bildezeit, so gilt für die Anzahl der benötigten ABE:
4
min 6,5
min 25
t
t
n
Takt
Fahrzeit
ABE ===
Der zeitliche Abstand beträgt dann 25 min / 4 = 6 ¼ min = 375 s bzw. in der Vorab-Auslegung 23
min / 4 = 5 ¾ min. Dies entspricht in etwa folgenden Standorten:
ABG 1: km 0 kein Unterwerk
ABG 2: km 9 Unterwerk 1
ABG 3: km 19 kein Unterwerk
ABG 4: km 29,5 Unterwerk 2
ABG 5: km 38 kein Unterwerk
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Seite 61 von 100
Die BLD-Bereiche können dabei z.B. der Variante 2 entsprechen. Daraus folgt, daß ein BLD-
Bereich jeweils Teile zweier ABE beinhaltet.
Rangierunterwerke werden in dieser Variante grundsätzlich nicht benötigt, da die
weichenlagenabhängige Zuordnung zwischen ABE und Spuren Doppelbelegungen ausschließt.
Hinweise:
• Im vorliegenden Beispiel konnte durch Entfall der Bildezeit ein Antriebsbereich (ABE)
eingespart werden, nicht aber durch Verlagerung der Antriebsbereichsgrenzen (ABG) in
Stationen. Dies liegt an den gegebenen Abständen der Haltestellen im Verhältnis zur Taktzeit –
die Haltestellen liegen zufällig nahezu in einem Raster von 5 Taktperioden (ABE). Bei anderen
Abständen bzw. Taktzeiten wäre ebenso der umgekehrte Fall möglich.
• Die Fahrzeit der Vorab-Auslegung weist noch Reserven zur geforderten Fahrzeit auf.
Sinnvoller Weise nutzt man diese Reserven zu Geschwindigkeitsreduktionen in Bereichen, in
denen kurzzeitig höhere Geschwindigkeiten gefahren werden. Hierzu bietet sich der Bereich
zwischen km 8,5 und 11,5 sowie 25 und 34. Die Belegungszeiten verschieben sich dadurch
noch etwas. Bei Bedarf müßten ABG nochmals angepaßt werden.
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12 Auslegung Streckenkabel
12.1 Vorgehensweise
Zwei Faktoren wirken auf die Auslegung der Streckenkabel, nämlich
• die Kabelimpedanz (Spannungsbedarf) und
• die thermische Belastung der Kabel.
Da sich die Streckenimpedanz neben den Kabeln in starkem Maße durch die Statorabschnittslänge
regulieren läßt, steht die thermische Belastung der Kabel im Vordergrund bei der Dimensionierung
der Streckenverkabelung.
Die im Kabel umgesetzte Verlustleistung PVK bestimmt sich aus dem effektiven Kabelwiderstand
RKeff einerseits und dem effektiven Kabelstrom iKeff andererseits:
PVK = 3 ⋅ RKeff ⋅ iKeff2
Der effektive Strom ergibt sich aus dem Fahrspiel der Vorab-Auslegung zzgl. eines Zuschlages für
Stromoberschwingungen. Diese berechnen sich in Abhängigkeit von den Kabeldaten und dem
Steuer- und Schwenkwinkel einer 5-stufigen Spannungsform mit Fourieranalyse nach [2] (vgl.
auch Kap. 8.1). Die Werte des Klirrfaktors streuen je nach Parametersatz um zweistellige
Prozentbeträge, der Gesamteffektivwert liegt dementsprechend nur wenige Prozent oder
Prozentbruchteile über dem Grundwellenwert.
Der effektive Widerstand berechnet sich nach [7] aus der maximalen Leitertemperatur, dem
Kabelaufbau und der Stromfrequenz. Dabei wird auf Eingangsdaten des Herstellers [4]
zurückgegriffen.
Ebenfalls mit Hilfe von umfangreichen Formelwerken des Herstellers [3] lassen sich mittels
Berechnung thermischer Widerstände der Kabel und des Bodens bzw. der Umgebungsluft unter
Beachtung der Verlegedichte, gegenseitiger thermischer Beeinflussungen,
Bodenaustrocknungsprozessen etc. schließlich zulässige Grenzwerte für den Kabelstrom angeben,
mit Reduktionsfaktoren für parallel verlegte Kabel.
Berechnungsergebnisse für 50-Hz-Anwendungen finden sich in [3] und [4]. Dies entspricht
Fahrzeuggeschwindigkeiten von ca. 100 km/h, was gleichzeitig dem Mittelwert des angestrebten
Geschwindigkeitsbereiches zwischen 0 und 200 km/h entspricht. Deshalb wird an dieser Stelle auf
eine Neuberechnung der Strombelastbarkeiten verzichtet.
Statt dessen erfolgt hier eine Berechnung des effektiven Stromes in jedem ABE und eine Auswahl
von Kabeln gemäß dem Tabellenwerk aus [3] dergestalt, daß die Kabelanzahl möglichst gering
ausfällt, um die Kosten niedrig zu halten. Der Typ wurde dabei auf die Reihe NA2XS2Y 3⋅.../..
6/10 kV beschränkt. Begründung:
• Diese Kabel weisen besonders niedrige Induktivitäten auf und nehmen somit wenig
Blindleistung auf.
• Aufgrund der Einfachspeisung liegt das Spannungsniveau so niedrig, daß die Nennspannung
dieser Kabel von 10 kV den Anforderungen genügt.
Um den Strom-Klirrfaktor, etwas verringerte Stromtragfähigkeiten aufgrund von Frequenzen
>50 Hz sowie Reserven für starken Gegenwind, thermische Einflüsse anderer Kabel (der
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Seite 63 von 100
Energieversorgung) u.ä. abzudecken, wird die nominelle Stromtragfähigkeit der Kabelanordnung
hier mindestens 15% über dem ermittelten Stromeffektivwert des Fahrspiels festgelegt.
Im Gegensatz zur Doppelspeisung, wo die Kabelbelastung über die gesamte Kabeltrasse im
Antriebsbereich (ABE) in etwa konstant bleibt, nimmt die Belastung bei Einfachspeisung mit
zunehmender Entfernung vom Unterwerk immer weiter ab. Deshalb kann evtl. die Systemzahl in
Abhängigkeit von der Unterwerksentfernung abnehmen.
12.2 Ergebnisse
Anlage 12.2-1 zeigt die Beträge der Statorstromverläufe is der Vorab-Auslegung. Mit Hilfe des
Tabellen-Kalkulationsprogrammes EXCEL wurde für jeden ABE der effektive Strom ieff wie folgt
berechnet:
115%
t
dti
i
Takt
2
S
Eff ⋅
⋅
=∑ (mit tTakt = 6,5 min).
Die Zeitintervalle dt ergeben sich dabei aus der gewählten Simulationsschrittweite. Einflüsse des
Statorabschnittswechsels wurden vernachlässigt, bis auf einen Korrekturfaktor von
3
2 beim
Dreischrittverfahren (DSV) zur Berücksichtigung der stromlosen Zeiten (beim DSV sind
außerhalb der Abschnittswechsel immer nur 2 von 3 Verbunden aktiv).
Hinweis: Die Fahrdynamik und damit der Statorstrom der Varianten 1 bis 3 kann gegenüber der
Vorab-Auslegung geringfügig abnehmen. Dadurch ergeben sich zusätzliche thermische Reserven.
Ergebnisse:
Belastung / A Variante 1 Variante 2 Variante 3
1,15 Spur a Spur b Spur a Spur b Spur a Spur b
ABE 1 630 485 772 593 811 636
ABE 2 417 463 580 673 734 730
ABE 3 562 630 666 706 736 715
ABE 4 577 501 772 768 813 920
ABE 5 630 671 672 681 - -
Wie zu erwarten war, liegen die Effektivströme in ABE mit überwiegender Konstantfahrt am
niedrigsten (ABE 2) und in Bereichen mit Bremsvorgängen und langer Aufenthaltsdauer am
höchsten (ABE 4/5). Demgegenüber stehen folgende Belastbarkeiten der Kabel nach [3], wenn
folgende Annahmen bzgl. Der Verlegeparameter angesetzt werden:
• Max. zulässige Leitertemperatur: 90°C. Dies entspricht dem thermisch zulässigen
Maximalwert. Darüber können Langzeitschäden entstehen.
• Bodentemperatur im Mittel 25 °C. Dies ist ein willkürlicher Ansatz. Die tatsächlichen
Bodentemperaturen über die Betriebszeit sind in Abhängigkeit von den örtlichen
Klimaverhältnissen zu bestimmen.
• Bodenleitwert 2,5 Km/W. Dies entspricht dem worst-case-Boden. Durch Vorort-
Untersuchungen könnten sich bessere Werte ergeben.
Seite 64 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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• Maximaler Lastfaktor und Berücksichtigung des Umstandes, daß bei Verfahren mit rechts und
links getrennt gespeisten Statoren stets 2 Verbunde gleichzeitig aktiv sind dadurch, daß für
diese Verfahren die Korrekturfaktoren für doppelt so viele Systeme verwendet wurden.
Ergebnisse:
Belastbarkeit / A bei 90° Leitertemp., 25° Bodentemp., 2,5 Km/W Bodenleitwert
bei Wechselschritt, Dreischritt u.ä. Verfahren mit 2 gleichzeitig aktiven Verbunden
NA2XS2Y 3x... ...120/16... ...150/25... ...185/25... ...240/25 6/10 kV
1System 184 206 234 272
2Systeme 304 341 388 450
3Systeme 450 505 573 666
4Systeme 558 626 710 826
5Systeme 602 676 767 891
Belastbarkeit / A bei 90° Leitertemp., 25° Bodentemp., 2,5 Km/W Bodenleitwert
bei Verfahren mit 1 aktivem Verbund
NA2XS2Y 3x... ...120/16... ...150/25... ...185/25... ...240/25 6/10 kV
1System 216 242 274 319
2Systeme 368 413 468 544
3Systeme 488 548 622 723
4Systeme 609 683 775 901
5Systeme 708 794 901 1048
Man sieht z.B. anhand der Werte von 5 Systemen 185 mm2 und 4 Systemen 240 mm2, daß unter
den angesetzten Randbedingungen höhere Systemzahlen als 5 keine Vorteile gegenüber
Querschnittsvergrößerungen bringen.
Setzt man möglichst geringe Systemzahlen an, so ergibt sich unter Berücksichtigung der 15%-
Reserve für die einzelnen ABE folgende Kabelauslegung mit den Anzahlen nV (Kabelsysteme pro
Verbund) und nG (Kabelsysteme gesamt) am Unterwerk:
Benötigte Kabelsysteme Variante 1
Spur a Spur b
Typ NA2XS2Y 3x... nVnGTyp NA2XS2Y 3x... nVnG
ABE 1 ...240/25 6/10 kV 3 9...185/25 6/10 kV 3 9
ABE 2 ...240/25 6/10 kV 2 6...185/25 6/10 kV 3 9
ABE 3 ...185/25 6/10 kV 3 9...240/25 6/10 kV 3 9
ABE 4 ...240/25 6/10 kV 3 9...185/25 6/10 kV 3 9
ABE 5 ...240/25 6/10 kV 3 9...185/25 6/10 kV 4 12
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Benötigte Kabelsysteme Variante 2
Spur a Spur b
Typ NA2XS2Y 3x... nVnGTyp NA2XS2Y 3x... nVnG
ABE 1 ...240/25 6/10 kV 4 8...240/25 6/10 kV 3 6
ABE 2 ...240/25 6/10 kV 3 6...185/25 6/10 kV 4 8
ABE 3 ...240/25 6/10 kV 3 6...185/25 6/10 kV 4 8
ABE 4 ...240/25 6/10 kV 4 8...240/25 6/10 kV 4 8
ABE 5 ...185/25 6/10 kV 4 8...185/25 6/10 kV 4 8
Benötigte Kabelsysteme Variante 3
Spur a Spur b
Typ NA2XS2Y 3x... nVnGTyp NA2XS2Y 3x... nVnG
ABE 1 ...240/25 6/10 kV 4 4...240/25 6/10 kV 3 3
ABE 2 ...185/25 6/10 kV 4 4...185/25 6/10 kV 4 4
ABE 3 ...185/25 6/10 kV 4 4...240/25 6/10 kV 3 3
ABE 4 ...240/25 6/10 kV 4 4...240/25 6/10 kV 5 5
Man sieht:
• Bedingt durch die dichte Zugfolge und die häufigen Beschleunigungs- und Bremsvorgänge
treten höhere thermische Belastungen auf, als dies von Hochgeschwindigkeitsstrecken her
bekannt ist, obwohl die Leistung eher auf niedrigem Niveau liegt (kleine Polradspannung).
Dieser systembedingte Nachteil ließe sich nur durch Umkonstruktion der Stator- und
Tragmagnetgeometrie beseitigen, indem die Motorkonstante erhöht wird, was im Rahmen
dieser Arbeit jedoch nicht betrachtet wird.
• Durch die großen Ströme werden Kabel mit großen Querschnitten und großen Systemzahlen
bis zu 5 benötigt.
• Es kommen ausschließlich die Leiterquerschnitte 185 mm2 und 240 mm2 zum Einsatz. Aus
Logistik-Gründen könnte man evtl. grundsätzlich nur einen Kabeltyp verwenden (z.B. 240
mm2). Aus Kostengründen wird jedoch die oben beschriebene Mischung angesetzt.
• Obwohl das Wechselschrittverfahren der Variante 2 gegenüber dem Dreischrittverfahren der
Variante 1 mit einem Verbund weniger auskommt, schlägt sich dies bei der benötigten
Gesamt-Kabelsystemzahl nicht immer zu Buche, da die thermische Belastung der einzelnen
Systeme aufgrund der fehlenden Speiselücken ansteigt.
• Theoretisch ergeben sich bei Variante 3 gegenüber den anderen Varianten mindestens 50%
weniger Kabel dadurch, daß nur ein statt zwei oder drei Verbunde benötigt werden. Da jedoch
gleichzeitig ein ABE eingespart wurde, erhöht sich die thermische Belastung in den
verbleibenden 4 ABE und die Kabelreduktion erreicht nicht ganz 50% gegenüber Variante 2.
• Liegen andere thermische Verhältnisse vor, so können sich dementsprechend günstigere
Kabelauslegungen ergeben. Insbesondere bei Luftverlegung steigt die thermische Belastbarkeit
stark an. Die für die Luftverlegung bislang bekannten Konzepte (Betonkanäle oder
Seite 66 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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Stahltragwerke) sind jedoch so teuer, daß diese Lösung i.allg. nicht wirtschaftlich ist und
deshalb nur dort eingesetzt wird, wo unzureichende Platzverhältnisse dies erfordern.
Reduktion der Systemzahlen in Unterwerksferne: Da die exakten Statorabschnittsgrenzen noch
nicht vorliegen und da andererseits gerade in Unterwerksferne niedrigere Impedanzen
wünschenswert wären, erfolgt zunächst keine Reduktion der Systemzahlen.
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13 Auslegung Trafoübersetzung
13.1 Vorgehensweise
Aus Gründen der Ersatzbeschaffung kann gefordert sein, einheitliche Trafotypen zu verwenden,
d.h. es ist die auf die Gesamtstrecke bezogene optimale Übersetzung zu ermitteln.
Die Auswahl der Trafoübersetzung für die Vorab-Auslegung wurde bereits bei der
Vorgehensweise zur Auslegung der Unterwerke erläutert. Erreicht die Spannung am Unterwerk
eines Antriebsbereiches (ABE) im Verlauf des Fahrspieles häufig den Grenzwert, so bedeutet dies,
daß der Statorstrom durch mangelnde Spannung ungewollt begrenzt wird, was zu
Fahrzeitverlängerungen durch fehlende Schubkraft führt. In diesem Fall kann man die
Trafoübersetzung so lange erhöhen, bis die Gesamtfahrzeit ein Minimum erreicht.
Steht eine zweite oder dritte Übersetzung zur Verfügung, so kann diese gezielt dort eingesetzt
werden, wo entsprechend wenig Strom oder aber wenig Spannung zur Verfügung steht.
13.2 Ergebnisse
Variante 1:
Minimale Fahrzeiten ergeben sich bei einer Trafoübersetzung von 1,1:1 über die gesamte Strecke.
Da sich aber zwischen Übersetzungen von 1,0:1 bis 1,2:1 nur ca. 5 Sekunden Fahrzeitunterschied
ergeben, wird im Weiteren mit einer Übersetzung von 1,2:1 gerechnet, um evtl. größere
Statorabschnittslängen erreichen zu können, zumal die absoluten Fahrzeiten von gut 22 ½ min
noch Reserven bieten.
Variante 2:
Da nur „halbe“ Standard-Umrichter zum Einsatz kommen, verändern sich die Leistungsdaten
gegenüber Variante 1 wie folgt:
neuer Wert entspricht
Nennstrom DT 1,2 kA 60%
Nennspannung DT 2,15 kV 100%
Nennstrom TB 1,2 kA 100%
Nennspannung TB 2,15 kV 50%
Dazu kommt, daß jeweils ¼ der verfügbaren Schubkraft außerhalb der Statorabschnittswechsel als
Reserve vorgehalten werden muß, um die Beschleunigungseinbrüche entsprechend klein zu halten.
Unter Beachtung dieser Randbedingungen ergibt sich, daß die Fahrzeiten gegenüber Variante 1
ansteigen. Bei einer Übersetzung von 1,2:1 über die gesamte Strecke kann die Fahrzeitvorgabe
aber gerade noch erfüllt werden. Zur Schaffung von Reserven wird mit 1,6:1 eine zweite
Übersetzung vorgesehen, die bei höheren Geschwindigkeiten zum Einsatz kommt. Anlage 13.2-1
und 13.2-2 zeigen die somit erzielbaren Ergebnisse für Strom und Spannung: Die vorhandenen
Nennwerte können gut genutzt werden, die Zeitverbesserungen betragen ca. 10 Sekunden. Die
Beschleunigungshübe liegen in der erwarteten Größenordnung von 0,2 m/s2 (Anlage 13.2-3).
Variante 3:
Aufgrund der Reihenschaltung beider Statorseiten verdoppelt sich aus elektrischer Sicht die
Statorabschnittslänge (SAL). Ein Ansatz mit den SAL der Vorabauslegung kann deshalb nicht
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zum Ziel führen, weswegen zunächst eine Halbierung der mechanischen SAL auf 600 m angesetzt
wurde.
Die Simulationen zum Teilschrittverfahren (TSV) erfolgten ersatzweise mit Bocksprungverfahren
(BSV). Begründung: Da die Statorabschnittswechsel (SAW) des TSV in Sekundenbruchteilen
ablaufen sollen, kann man deren Effekte vernachlässigen und es ergibt sich praktisch die gleiche
Schubcharakteristik wie im BSV. Die Umschaltungen von Direkttakt- in Trafobetrieb im
Kurzschlußverfahren wurden ebenfalls vernachlässigt.
Als günstige Einheitsübersetzung für die Gesamtstrecke erweist sich 1,8:1. Damit wird die
Fahrzeitanforderung knapp erfüllt. Da keine stromlosen SAW zur Umschaltung von
Trafoübersetzungen vorliegen, wird keine zweite Übersetzung vorgesehen.
Hinweis: Eine Übersetzung von 1,8:1 würde beim Standard-Umrichter die Bemessungsspannung
der Betriebsmittel bereits überschreiten. Da jedoch „halbe“ Umrichter mit 2,5 kV
Zwischenkreisnennspannung zum Einsatz kommen, beträgt die maximale verkettete
Effektivspannung der Umrichter:
umax = 2,5 kV ⋅ 3 ⋅ 1,8 = 7,8 kV.
Dieser Wert liegt deutlich unterhalb des Bemessungswertes von 12 kV. Somit besteht keine
Notwendigkeit, Maßnahmen zur Reduktion der benötigten Spannung zu treffen, wie etwa
Verwendung von Dreieckschaltungen.
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Seite 69 von 100
14 Auslegung Statorabschnitte
14.1 Vorgehensweise
Die Berechnung der Impedanz des Stators kann z.B. in [5] nachgelesen werden. Die Daten der
300-Al-Wicklung sind im Simulationsprogramm hinterlegt.
Solange im Fahrspiel die Spannungsgrenze in einem Statorabschnitt (SA) nicht erreicht wird, kann
dieser verlängert werden. Ebenso kann evtl. eine Verlängerung erfolgen, obwohl die Spannung am
Grenzwert liegt, wenn der Fahrzeitverlust entsprechend gering bleibt, d.h. die geforderte Fahrzeit
trotzdem eingehalten wird.
Enden die SA beider Fahrspuren an der selben Stelle, so lassen sich die beiden Schaltstellen
planungstechnisch und aufwandsseitig günstig zusammenfassen. Deshalb werden die Längen auf
beiden Spuren identisch projektiert, solange nicht gravierend unterschiedliche
Leistungsanforderungen vorliegen, was hier nicht der Fall ist.
Besonderes Augenmerk verlangen die Bereiche, in denen Umschaltungen erfolgen, z.B. vom
Direkttakt- in den Trafobetrieb, da sich dort die elektrischen Nennwerte ändern, oder
Antriebsbereichsgrenzen (ABG), da sich dort die Zuordnung der Belegungszeit ändert. Deshalb
müssen die Statorabschnittsgrenzen in diesen Bereichen sorgfältig projektiert werden:
• Es sollen keine SA-Grenzen in unmittelbarer Nähe von Stationen liegen, da sonst ein
Umschalten in den Trafobetrieb nicht rechtzeitig möglich wird und somit zusätzlich noch eine
ganze SAL im Direkttakt bewältigt werden muß. Günstig sind Abstände von ca. 300 m bis
800 m, da diese Strecken einerseits lang genug sind, um die nötige Umschaltgeschwindigkeit
an SA-Ende zu erreichen und andererseits kurz genug, um die Impedanz klein zu halten.
• Umgekehrt sollten SA-Grenzen in Nähe der ABG liegen, denn die ABG muß mit SA-Grenzen
zusammenfallen. Ansonsten ergeben sich ungünstige Belegungszeiten der ABE.
Thermische Begrenzungen werden aufgrund der guten Luftkühlung der Statorwicklung sowie der
im Vergleich zu den Streckenkabeln geringen Einschaltdauern hier vernachlässigt.
14.2 Ergebnisse
Variante 1:
Die Variante 1 beinhaltet große Leistungsreserven. Aus diesem Grunde kann man es sich leisten,
zur Kostenminimierung selbst in Beschleunigungsbereichen sehr große SAL zu wählen. Gibt man
die Statorabschnittsgrenzen im Bereich der ABE-Grenzen und der Stationen mit einem Abstand
von einigen 100 m vor, so lassen sich die verbleibenden Bereiche mit SAL von ca. 2½ bis 3½ km
auffüllen, vgl. Anlage 14.2-1.
Variante 2:
Hier bestehen kaum Leistungsreserven. Nachdem eine Festlegung der SA-Grenzen ähnlich wie bei
Variante 1 erfolgt ist, müssen die verbleibenden Beschleunigungsbereiche mit möglichst
unveränderter SAL von ca. 1,2 km aufgefüllt werden, die Beharrungsbereiche können
anschließend mit größeren SAL von ca. 2 km versehen werden vgl. Anlage 14.2-2.
Seite 70 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Variante 3:
Da einerseits keine Leistungsreserven bestehen und andererseits Längenänderungen der
Teilabschnitte zu neuen steuerungstechnischen Problemen führen, da sich die Impedanz vor und
nach dem Teilabschnittswechsel deutlich ändert und somit der Spannungshalter modifiziert
werden müßte, wurde auf eine ortsbezogene Optimierung der SAL verzichtet. Durch die kurzen
Teil-SA ergeben sich automatisch immer günstige Lagen der SA-Grenzen hinsichtlich ABE-
Grenzen und Umschaltungen in den Trafobetrieb.
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Seite 71 von 100
15 Auslegung Energieversorgung
15.1 Vorgehen
Aus Gründen der Redundanz sollten mindestens zwei Hochspannungsanlagen vorgesehen werden.
Damit ergeben sich folgende Möglichkeiten:
• Redundante Hochspannungsanlage an jedem Unterwerk (Konzept bei Standard-
Hochgeschwindigkeitsantrieb)
• Versorgung der zwei oder drei Unterwerke von ein oder mehreren Standorten aus mit
gegenseitiger Teilredundanz durch 20 kV Kabelverbindungen.
Letzteres soll bei den optimierten Varianten zum Einsatz kommen. Erste Priorität hat dabei die
Reduktion von Standorten, zweite Priorität der Verzicht auf Redundanzen. Dazu ist der
Leistungsverlauf jedes Antriebsbereiches (ABE) zu bestimmen und die Summenleistung der
Unterwerke auf einzelne Hochspannungsanlagen zu verteilen.
15.2 Ergebnisse
Variante 1:
Da die Standardauslegung zum Einsatz kommen soll, erhalten alle drei Unterwerke eine
redundante Hochspannungsanlage ohne Kabelverbindung.
Variante 2:
Da drei Unterwerke vorhanden sind, kann mindestens ein Standort gewählt werden, der keine
Hochspannungsanlage erhält. Die Leistungsverläufe einer Hin- und einer Rückfahrt zeigt Anlage
15.2-1: Die einzelnen Leistungsspitzen liegen im Bereich von ca. 10 MW, die tatsächlich
erforderliche Übertragungsleistung ergibt sich jedoch durch Überlagerung der Leistungen aller
Fahrzeuge im fraglichen Wirkungsbereich des Unterwerkes. Betrachtet man die vorliegende
Konfiguration (siehe Kap. 11.2), so ergibt sich folgendes Bild:
• Der Übertragungsweg zwischen Unterwerk (UW) Nr. 1 (km 6) und UW 2 (km 25,2) beträgt
ca. 19 km, der Übertragungsweg zwischen UW 2 und UW 3 (km 38) beträgt ca. 13 km.
• Die UW 1 und 3 versorgen jeweils 4 ABE, d.h. bis zu 4 Fahrzeuge, das UW 3 nur 2.
• UW 1 (Anlagen 15.2-2): In Zeitabschnitten, in denen sich nur 2 Fahrzeuge im
Wirkungsbereich der UW befinden, betragen die Leistungsspitzen zwischen 10 und 15 MW.
Wenn weitere zwei Fahrzeuge einfahren, erhöht sich die Spitzenleistung bis auf knapp 30 MW.
• UW 2 (Anlagen 15.2-3): Auch hier befinden sich zeitweise vier Fahrzeuge im UW-Bereich.
Die Spitzen liegen zwischen 20 und 25 MVA.
• UW 3 (Anlagen 15.2-4): Fahrplanmäßig werden immer nur 2 Fahrzeuge gleichzeitig betrieben.
Deshalb beträgt die Spitzenleistung nur ca. 10 MW.
Betrachtet man gleichzeitig die mögliche Übertragungsleistung eines 20 kV-Kabelsystems (Anlage
8.9-1), so bietet sich folgendes Konzept an:
• UW 3 benötigt keine Hochspannungsanlage sondern wird vom UW 2 aus mitversorgt. Da nur
bis zu 2 Fahrzeuge gleichzeitig zu betreiben sind, genügt aus elektrotechnischer Sicht eine
Seite 72 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
einfache Kabelverbindung, die jedoch aus Redundanzgründen zweifach aufgebaut werden
sollte.
• UW 2 erhält eine redundante Hochspannungsanlage, damit auch UW 3 stets redundant versorgt
werden kann.
• UW 1 benötigt selbst eine hohe Leistung (für bis zu 4 Fahrzeuge), so daß auch im Hinblick auf
die relativ große Entfernung zum UW 2 eine Kabelverbindung als einzige Einspeisequelle aus
thermischen und energetischen Gründen keine gute Lösung darstellt. Es erscheint jedoch
sinnvoll, das UW 1 nur mit einer einfachen Hochspannungsanlage auszurüsten und als
Redundanz eine einfache 20 kV-Kabelverbindung zum UW 2 herzustellen. Diese kann zwar
nicht die volle benötigte Leistung bereitstellen, ermöglicht jedoch einen Betrieb mit reduzierter
Leistung, ähnlich einem Ausfall von Umrichtern.
Variante 3:
Es existieren nur 2 Unterwerke. Die Leistungsverläufe der Fahrten in beide Richtungen zeigt
Anlage 15.2-5. Die Spitzen liegen etwas niedriger als bei Variante 2. Dennoch folgt in Analogie zu
Variante 2 unmittelbar, daß beide UW eine nicht redundante Hochspannungsanlage erhalten, mit
einer Kabelverbindung als gegenseitige Teilredundanz. Begründung:
• Ein UW speist die meiste Zeit 4 Fahrzeuge gleichzeitig. Für eine Anbindung über Kabel
bedeutet dies eine sehr hohe thermische und energetisch ungünstige Belastung, deshalb erhält
jedes UW seine eigene Hochspannungsanlage.
• Im Fehlerfall genügt die Kabelverbindung zur Aufrechterhaltung eines leistungsreduzierten
Betriebes.
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16 Nachoptimierungen
Die vorangegangenen Kapitel beschreiben Optimierungsvorgänge einzelner Komponenten, die
weitgehend unabhängig voneinander abgelaufen sind. Da jedoch Änderungen einzelner
Komponenten des Langstatorantriebes stets Rückwirkungen auf andere Komponenten
verursachen, muß abschließend nochmals überprüft werden, inwieweit die einzelnen
Optimierungsvorgänge Nachoptimierungen erforderlich machen.
16.1 Variante 1
Unterwerke: Die Auslegungen führen zu Veränderungen des Beschleunigungsverhaltens und
damit der Fahrzeiten in den einzelnen Antriebsbereiche (ABE). Aus diesem Grunde empfiehlt sich
eine erneute Überprüfung der gewählten Antriebsbereichsgrenzen (ABG). Dazu müssen die
folgenden Randbedingungen berücksichtigt werden:
• Im Gegensatz zur erreichbaren Fahrzeit der Auslegung soll die Fahrzeit im Betrieb ca. 25 min
betragen. An dieser Stelle wird dies dadurch verwirklicht, daß die Höchstgeschwindigkeit auf
150 km/h zurückgenommen wird, vgl. Kapitel 17.2.
• Die Bilde- und Räumzeiten werden nun in Abhängigkeit von den örtlichen Geschwindigkeiten
gemäß Anlage 8.3-1 mit berücksichtigt. Dazu wird unterstellt, daß sich die Betriebshalteplätze
in einer Entfernung von 300 m vom Gefahrenpunkt – d.h. der ABG – befinden, oder in einer
nahegelegenen Station. Der Versatz an den Bereichsgrenzen soll 0 betragen, um keine
zusätzlichen Belegungszeiten zu erzeugen.
Ergebnis: die ABG sollten etwas verschoben werden, damit nicht unnötig große Bildezeiten
auftreten und damit eine Angleichung der einzelnen Belegungszeiten erreicht wird; neue Grenzen:
1. km 0 (Streckenanfang)
2. km 0,3 (Überleitung)
3. km 6,0 (Standort UW 1)
4. km 15,8 (kein Unterwerk)
5. km 23,2 (Standort UW 2)
6. km 30,8 (kein Unterwerk)
7. km 37,7 (Überleitung)
8. km 38 (Streckenende, Standort UW 3)
Streckenkabel: Die Statorabschnittslängen wurden deutlich erhöht, was aufgrund der höheren
Impedanz zu Beschränkungen der einsetzbaren Spitzenleistungen führt. Dies kann positive
Auswirkungen auf die thermische Belastung der Kabel haben. Außerdem liegen nach Festlegung
der Zuordnung der einzelnen Statorabschnitte die tatsächlichen Belastungen der drei
Speisesysteme vor, so daß sich eine erneute Überprüfung lohnt. Dabei tritt ein unerwarteter Vorteil
zu Tage:
• Geht man davon aus, daß Statorabschnitte (SA), die „direkt“ am Unterwerk beginnen, auch
„direkt“ – d.h. mit einer kleinen Kabellänge vom Unterwerk zur Schaltstelle (Ansatz: 100 m) –
eingespeist werden, so geht die Belastung dieser SA nicht in die übrigen Streckenkabel ein. Da
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die SA meist sehr lang sind, betrifft dies große Streckenbereiche. Im Endeffekt ergeben sich so
kurze, stark belastete und längere, weniger stark belastete Kabelabschnitte.
• Legt man desweiteren zu Grunde, daß die Kabeltrasse nur bis an das in Unterwerksrichtung
liegende Ende des jeweils letzten SA des ABE herangeführt werden muß, so erhält man große
Streckenbereiche, in denen überhaupt keine Streckenkabel zu verlegen sind.
Allerdings müssen die „Rangier“-Umrichter für den Streckenanfang zusätzliche Kabelzuleitungen
zum UW 1 erhalten.
Anlage 16.1-1 zeigt die nunmehr vorliegenden Stromverläufe bewispielhaft für Spur a. Eine
erneute Auswertung in Analogie zu Kap. 12 führt zu folgendem Ergebnis, wenn die vorliegenden
Effektivströme mit 15% beaufschlagt und die tatsächlich benötigten Längen und Belastungen wie
oben beschrieben angesetzt werden:
Verbund 1 Verbund 2 Verbund 3 Σ 185
Σ
240
Spur a ieff/kA mm2nkmieff/k
A
mm2n km ieff/k
A
mm2nkm km km
ABE "0" 391 240 2 5,8 391 240 2 5,8 0 0 0 25,52
ABE 1 599 240 3 3,3 0 609 240 3 3,6 0 22,77
0 0 316 185 2 0,1 679 185 4 0,1 0,66 0
ABE 2 312 185 2 0,1 312 185 2 0,1 0 0 0,44 0
234 240 1 3,2 223 240 1 6,7 354 185 2 7 15,4 10,89
ABE 3 651 240 3 5,9 581 240 3 5,5 295 185 2 2,5 5,5 37,62
0 0 585 240 3 0,1 301 185 2 0,1 0,22 0,33
ABE 4 712 240 4 0,1 607 240 3 0,1 0 0 0 0,77
396 240 2 2,8 131 185 1 5,1 422 240 2 5,5 5,61 18,26
ABE 5 653 240 3 4,7 363 185 2 1,5 582 240 3 2,5 3,3 23,76
0 0 537 185 3 0,1 716 240 4 0,1 0,33 0,44
ABE "6" 332 185 2 0,1 332 185 2 0,1 0 0 0,44 0
Verbund 1 Verbund 2 Verbund 3 Σ 185
Σ
240
Spur b ieff/kA mm2nkmieff/k
A
mm2n km ieff/k
A
mm2nkm km km
ABE "0" 333 185 2 5,8 333 185 2 5,8 0 0 25,52 0
ABE 1 595 240 3 3,3 0 0 617 240 3 3,6 0 22,77
0 0 241 240 1 0,1 649 240 3 0,1 0 0,44
ABE 2 315 185 2 0,1 363 185 2 0,1 0 0 0,44 0
227 240 1 3,2 287 185 2 6,7 384 185 2 7 30,14 3,52
ABE 3 617 240 3 5,9 599 240 3 5,5 214 185 1 2,5 2,75 37,62
0 0 654 240 3 0,1 362 240 3 0,1 0 0,66
ABE 4 651 240 3 0,1 586 240 3 0,1 0 0 0 0,66
309 185 2 2,8 125 185 1 5,1 386 185 2 5,5 23,87 0
ABE 5 711 240 4 4,7 392 240 2 1,5 594 240 3 2,5 0 32,23
0 0 564 185 3 0,1 689 185 4 0,1 0,77 0
ABE" "6 390 240 2 0,1 390 240 2 0,1 0 0 0 0,44
Summe 115,39 238,7
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Die Gesamtsummen der Kabelkilometer beinhalten einen Verlegefaktor von 110%. Man sieht:
• Aufgrund der sehr großen Statorabschnittslängen (SAL) ergeben sich stark unterschiedliche
Belastungen der drei Verbunde eines ABE, nämlich abhängig davon, wie viele Statoren eines
Verbundes sich im ABE befinden und an welchen Orten (Beschleunigungs- oder
Beharrungsbereiche). Dies rechtfertigt die oben durchgeführte separate Auslegung für jeden
Verbund.
• Die Längen der einzelnen Kabelverbunde sind ebenfalls unterschiedlich, nämlich abhängig
davon, ob der ABE mit einem Stator des fraglichen Verbundes endet – dann erstrecken sich die
Kabel über den ABE abzüglich der Länge des letzten SA – oder nicht (dann ist der zu
verkabelnde Bereich noch kürzer).
Insgesamt ergibt sich durch die Nachoptimierung nochmals eine deutliche Reduktion der
Kabelkilometer in Summe.
Trafoübersetzung:
Die Trafoübersetzung hat bei der ersten Optimierung nur einen relativ geringen Einfluß auf die
Leistungsfähigkeit ausgeübt. Da jedoch mit der nachoptimierten Kabelauslegung die Impedanzen
verändert wurden, empfiehlt sich trotzdem eine Überprüfung der Übersetzung.
Ergebnis: Aufgrund der höheren Impedanz verschiebt sich das Optimum der Trafoübersetzung
deutlich nach oben. Wie in Kap. 8.1.1 gezeigt, läßt sich die maximal zulässige Übersetzung aus
der Zwischenkreisspannung (5 kV) und der Bemessungsspannung der Betriebsmittel bestimmen.
Da die streckenseitigen Komponenten mit 12 kV Nennspannung (effektiv verkettet) angesetzt
wurden, ergibt sich:
1,38
kV 5 3
kV 12
ümax ==
Um die thermische Auslegung nicht nochmals deutlich zu verändern, was zudem aus Gründen der
Fahrdynamik nicht erforderlich wäre, wird auf die volle Nutzung dieser Übersetzung verzichtet
und statt dessen eine Übersetzung von 1,3:1 eingestellt.
Statorabschnittslängen (SAL):
Die SAL müssen an die veränderten ABG angepaßt werden. Andere Veränderungen sind
praktisch ohnehin nicht möglich, da die großen Längen eine verfeinerte Längenabstufung nicht
mehr zulassen, denn die ABE beinhalten z.T. nur aus 3 Statorabschnitten (SA), d.h. durch
Hinzufügen oder Weglassen von SA ergeben sich sofort drastisch veränderte Längen.
Energieversorgung:
Die Nachoptimierungen beeinflussen das Konzept nicht.
Schlußbetrachtung:
Das Ergebnis der Auslegung zeigt Anlage 16.1-2. Die erzielbaren Nennwerte der Umrichter über
der Frequenz zeigt Anlage 16.1-3.
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16.2 Variante 2
Unterwerke:
Aufgrund der durch die Stationen gegebenen Antriebsbereichsgrenzen kann praktisch keine
Nachoptimierung erfolgen, mit Ausnahme der Grenze bei km 6. Dort zeigt sich, daß sich eine
Vorverlegung günstig auswirkt. Im Weiteren wird die Grenze auf km 5 gelegt.
Streckenkabel:
Zwar haben sich die SAL im Gegensatz zur Variante 1 nur geringfügig verändert, dafür nimmt
aber die Halbierung der Umrichterleistung Einfluß auf die Stromverläufe. Deshalb erfolgt auch
hier eine Nachoptimierung der Kabelauslegung. Ergebnisse:
Verbund 1 Verbund 2
Σ
185
Σ
240
Spur a ieff/kA mm2nkmieff/kA
mm2nkm km km
ABE 1 755 240 4 4,1 745 240 4 3,8 0 34,76
ABE 2 516 185 3 11 507 185 3 11,3 73,59 0
ABE 3 674 185 4 8,3 674 185 4 8 71,72 0
ABE 4 715 240 4 8,2 715 240 4 8,8 0 74,8
ABE 5 652 240 3 3,8 652 240 3 4,4 0 27,06
Verbund 1 Verbund 2
Σ
185
Σ
240
Spur b ieff/kA mm2nkmieff/kA
mm2nkm km km
ABE 1 690 185 4 4,1 692 185 4 3,8 34,76 0
ABE 2 573 185 3 11 569 185 3 11,3 73,59 0
ABE 3 686 185 4 8,3 686 185 4 8 71,72 0
ABE 4 708 185 4 8,2 708 185 4 8,8 74,8 0
ABE 5 657 240 3 3,8 657 240 3 4,4 0 27,06
Summe 400,18 163,7
Man sieht:
• Im Gegensatz zu Variante 1 ergeben sich nur relativ kleine Unterschiede zwischen den
einzelnen Verbunden oder auch den ABE. Dies liegt daran, daß die ABE-Grenzen meist mit
Stationen zusammenfallen und somit eine gleichmäßige Verteilung der Lasten erfolgt, nämlich
annähernd gleiche Abschnittslängen der Verbunde (rechter Stator, linker Stator) und annähernd
symmetrische Stromverteilungen (Bremsströme im ABE vor der Station, Antriebsströme im
ABE nach der Station). Deshalb lohnt sich auch der Versuch einer weitere Unterteilung der
Kabel in vermeintlich schwach belastete Abschnitte zur Einsparung von Systemen nicht.
• Der Einsatz des Wechselschrittverfahrens anstelle des Dreischrittverfahrens sowie die
Reduktion der installierten Leistung schlägt sich hier nicht in einer deutlichen Kabelreduktion
nieder. Gründe: Die langen Statorabschnitte der Variante 1 führen zu erheblichen
Einsparungen an Kabelmengen, die hier nicht wirksam werden. Obwohl die Leistungsspitzen
gegenüber Variante 1 zurückgehen, wirkt sich dies nur teilweise auf die effektive thermische
Belastung aus, da die Beschleunigungsvorgänge dementsprechend länger dauern.
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Trafoübersetzung, Statorabschnittslängen:
Da sich die Kabelauslegung nur unwesentlich verändert hat, wird auf weitere Nachoptimierungen
verzichtet.
Energieversorgung:
Aufgrund der größer gewordenen Entfernung zwischen den Unterwerken (UW) 1 und 2 ergeben
sich nun günstigere Kosten bei Aufbau einer redundanten Hochspannungsanlage im UW 1 statt
einer Kabelverbindung.
Schlußbetrachtung:
Das Ergebnis der Auslegung zeigt Anlage 16.2-1. Die erzielbaren Nennwerte der Umrichter über
der Frequenz zeigt Anlage 16.2-2.
16.3 Variante 3
Unterwerke:
Keine Änderung.
Streckenkabel:
Wie bei Variante 2 sind auch hier evtl. Änderungen durch die reduzierte installierte Leistung zu
erwarten. Eine erneute Auslegung ergibt:
Verbund 1 Σ 185
Σ
240
Spur a ieff/kA mm2nkm km km
ABE 1 747 185 4 8,8 38,72 0
ABE 2 660 240 3 9,8 0 32,34
ABE 3 685 240 3 10,8 0 35,64
ABE 4 768 185 4 7,8 34,32 0
Verbund 1 Σ 185
Σ
240
Spur b ieff/kA mm2nkm km km
ABE 1 707 240 3 8,8 0 29,04
ABE 2 668 240 3 9,8 0 32,34
ABE 3 676 240 3 10,8 0 35,64
ABE 4 803 240 4 7,8 0 34,32
Summe 73,04 199,3
Man sieht:
• Die Belastungen sind relativ gut ausgeglichen, allerdings auf hohem Niveau, da die ABE etwas
länger sind.
• Die Kabelmengen konnten gegenüber der ersten Optimierung noch etwas reduziert werden.
• Absolut gesehen kommt diese Variante mit den geringsten Kabelkilometern aus.
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Trafoübersetzung/Statorabschnittslängen:
Die Variante 3 erfüllt die Fahrzeitanforderungen nur sehr knapp. Eine erneute Überprüfung der
Trafoübersetzung ergab, daß mit 1,8:1 nach wie vor der optimale Wert vorliegt. Auf eine weitere
Reduktion der Statorabschnittslänge (SAL) wird jedoch, da die Teilstatorabschnitte mit einer
Länge von 300 m bereits extrem kleine Werte aufweisen. Eine Verlängerung der SA würde
hingegen dazu führen, daß die geforderte Fahrzeit nicht mehr eingehalten werden kann.
Energieversorgung:
Da sich die Kabelauslegung nur unwesentlich verändert hat, wird auf weitere Nachoptimierungen
verzichtet.
Schlußbetrachtung:
Das Ergebnis der Auslegung zeigt Anlage 16.3-1. Die erzielbaren Nennwerte der Umrichter über
der Frequenz zeigt Anlage 16.3-2.
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17 Fahrspielergebnisse
Auf Basis der endgültigen Auslegungen erfolgten nochmals Fahrspiele zur Ermittlung der
Leistungsfähigkeit der einzelnen Varianten nach verschiedenen Gesichtspunkten:
17.1 Mindestfahrzeit
Die Mindestfahrzeit wird durch die Auslegung sichergestellt und gibt letztlich an, welche
betriebliche Reserven das System hinsichtlich des Aufholens von Verspätungen bereitstellt. Dazu
erfolgten die Simulationen unter Einsatz der gesamten verfügbaren Leistung. Im Gegensatz zur
Auslegung, wo die Maschine im Kippunkt betrieben wird, wurde hier auch noch der
Schwenkwinkel auf maximalen Schub eingestellt. Begründung:
Die Schubreserve durch Schwenkwinkeloptimierung kann normalerweise zum Ausgleich von
erschwerten Betriebsbedingungen wie starker Gegenwind oder Leistungsverlusten dienen und
bedeutet eine Verschlechterung des Wirkungsgrades und damit erhöhte Energiekosten. Deshalb
wurde sie bei der Auslegung nicht berücksichtigt. Da jedoch betriebliche Verspätungen u.U. mit
höchster Priorität abzubauen sind, werden diese Reserven ggf. auch hier zum Einsatz kommen,
ohne Rücksicht auf den Energiebedarf. Dann ergeben sich:
Variante 1 Variante 2 Variante 3
Spur 1 23,2 min 23,7 min 23,6 min
Spur 2 23,5 min 23,8 min 23,7 min
Summe 46,7 min 47,5 min 47,3 min
Umlaufreserve 3,3 min 2,5 min 2,7 min
Obwohl im Rahmen der Auslegung versucht wurde, die drei Varianten leistungsmäßig im Sinne
einer besseren Vergleichbarkeit anzugleichen, erreicht Variante 1 um ca. ½ min kleinere
Fahrzeiten, was jedoch angesichts der sehr hohen installierten Leistung nicht verwundern darf.
Entsprechend hoch fällt die Zeitreserve aus, die sich bei Hin- und Rückfahrt allein durch die
technisch mögliche Fahrzeit ergibt. Die Varianten 2 und 3 sind diesbezüglich etwa gleichwertig
und erfüllen die Anforderung. Grafische Darstelungen zeigen die Anlagen 17.1-1 und 17.1-2.
17.2 Energiebedarf
Zur Ermittlung des Energiebedarfs muß man zunächst die Fahrzeiten auf die fahrplanmäßigen
25 min einstellen. Hierfür bestehen mehrere Möglichkeiten:
• Erhöhung der Haltezeiten: Dies schafft zusätzlich betriebliche Reserven, bringt jedoch keine
Einsparungen beim Energiebedarf.
• Erniedrigung der Maximalgeschwindigkeit: Da der Leistungs- und damit Energiebedarf mit
der Geschwindigkeit zunimmt, führt dieser Weg zu Energieeinsparungen. Im Vorliegenden
Fall bietet es sich insbesondere an, auf die kurze Zwischenbeschleunigung auf 220 km/h bei
km 9 zu verzichten.
• Regelungstechnische Begrenzung des Maximalstromes: Mit zurückgehendem Strom sinkt auch
die Schubkraft und die Fahrzeit erhöht sich. Da die Verluste mit dem Stromquadrat eingehen,
verspricht diese Methode eine Wirkungsgradverbesserung und somit eine Energieeinsparung.
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Da nicht offensichtlich ist, welche der beiden letztgenannten Methoden sich günstiger auf den
Energiebedarf auswirkt, wurden am Beispiel der Variante 3, Spur 2 beide Maßnahmen unabhängig
voneinander untersucht. Ergebnis:
Eine Fahrzeit von 25 min erreicht man durch eine Strombegrenzung auf 0,88 kA bei einem
Traktionsenergiebedarf von 1098 kWh oder durch Reduktion der Höchstgeschwindigkeit auf
155 km/h bei einem Traktionsenergiebedarf von 1037 kWh. Somit erfolgten alle weiteren
Simulationen mit einer Höchstgeschwindigkeit von 155 km/h (150 km/h bei Variante 1):
Variante 1 Variante 2 Variante 3
Traktionsenergie Spur 1 1,58 MWh 1,23 MWh 1,04 MWh
Traktionsenergie Spur 1 1,56 MWh 1,25 MWh 1,02 MWh
Traktionsenergie Umlauf 3,14 MWh 2,48 MWh 2,06 MWh
Rückspeisung Spur 1 0,03 MWh 0,08 MWh 0,13 MWh
Rückspeisung Spur 2 0,02 MWh 0,09 MWh 0,13 MWh
Rückspeisung Umlauf 0,05 MWh 0,17 MWh 0,26 MWh
Bedingt durch die unterschiedliche Auslegung, d.h. den Statorabschnittslängen und
Kabelquerschnitten der drei Varianten, ergibt sich ein unterschiedlicher Energiebedarf. Daraus
erklären sich die schlechteren Werte insbesondere der Variante 1.
17.3 Minimaler Takt
Die technischen Belegungszeiten der Antriebsbereiche (ABE) bzw. Betriebsleittechnik
Dezentralen (BLD) –Bereiche bei den im Kap. 17.2 ermittelten Höchstgeschwindigkeiten zeigt
folgende Auswertung, in welche die Bilde- und Räumzeiten der BLD bei einem Abstand von
300 m zwischen Betriebshalteplatz und Gefahrenpunkt geschwindigkeitsabhängig einbezogen
wurden.
Variante 1:
Anlage 17.3-1 zeigt den sich aus der Auslegung ergebenden Bildfahrplan. Hierbei läuft die
Zeitachse nach unten, der Ort nach rechts. Jede fett gezeichnete Linie beschreibt eine Fahrt. Die
dünnen wagerechten und horizontalen Kästen beschreiben die zeitliche Belegung der einzelnen
Antriebs- bzw. BLD-Bereiche. Einige davon sind zur Verdeutlichung schraffiert dargestellt. Eine
Auswertung ergibt:
Spur 1 von bis von bis
BLD km km min min Fahrzeit Bildezeit Räumzeit Belegung
0 0,0 0,3 0,0 0,4 0,4 min 0,2 min 0,4 min 1,0 min
1 0,3 6,0 0,4 5,0 4,6 min 0,3 min 0,4 min 5,3 min
2 6,0 15,8 5,0 9,0 4,0 min 1,0 min 0,4 min 5,4 min
3 15,8 23,2 9,0 14,1 5,1 min 1,0 min 0,4 min 6,5 min
4 23,2 30,8 14,1 19,2 5,1 min 1,0 min 0,4 min 6,5 min
5 30,8 37,7 19,2 24,2 5,0 min 1,0 min 0,5 min 6,5 min
6 37,7 38,0 24,2 24,9 0,7 min 1,3 min 0,4 min 2,4 min
Maximum 6,5 min
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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Spur 2 von bis von bis
BLD km km min min Fahrzeit Bildezeit Räumzeit Belegung
6 38,0 37,7 0,0 0,4 0,4 min 0,2 min 0,4 min 1,0 min
5 37,7 30,8 0,4 5,6 5,2 min 0,3 min 0,4 min 5,9 min
4 30,8 23,2 5,6 10,7 5,1 min 1,0 min 0,4 min 6,5 min
3 23,2 15,8 10,7 15,6 4,9 min 0,9 min 0,4 min 6,2 min
2 15,8 6,0 15,6 19,7 4,1 min 1,0 min 0,4 min 5,5 min
1 6,0 0,3 19,7 24,2 4,5 min 1,0 min 0,5 min 6,0 min
0 0,3 0,0 24,2 24,9 0,7 min 1,0 min 0,4 min 2,1 min
Maximum 6,5 min
Man sieht, daß die Bilde- und Räumzeiten die Belegung gegenüber der Fahrzeit nochmals deutlich
erhöhen. Obwohl die Antriebsbereichsgrenzen etwas weiter von den Stationen entfernt wurden,
um die Wege mit kleiner Geschwindigkeit und damit die Bildezeiten für Spur 1 zu minimieren,
kann die geforderte Maximalbelegungszeit von 6,5 min insbesondere auf Spur 1 nur knapp erreicht
werden.
Für den Fahrplan werden 8 Fahrzeuge im Umlauf benötigt.
Variante 2:
Da die Haltezeit nicht mehr in die Belegung eingeht, ergeben sich günstigere minimale Taktzeiten.
Die Auswertung des Bildfahrplanes (Anlage 17.3-2) ergibt:
Spur 1 von bis von bis
BLD km km min min Fahrzeit Bildezeit Räumzeit Belegung
1 0,0 5,0 0,0 4,7 4,7 min 0,2 min 0,4 min 5,3 min
2 5,0 16,5 4,7 9,7 5,0 min 1,0 min 0,4 min 6,4 min
3 16,5 25,2 10,7 15,3 4,6 min 0,2 min 0,4 min 5,2 min
4 25,2 34,0 16,3 21,0 4,7 min 0,2 min 0,4 min 5,3 min
5 34,0 38,0 22,0 24,7 2,7 min 0,2 min 0,4 min 3,3 min
Maximum 6,4 min
Spur 2 von bis von bis
BLD km km min min Fahrzeit Bildezeit Räumzeit Belegung
5 38,0 34,0 0,0 2,7 2,7 min 0,2 min 0,4 min 3,3 min
4 34,0 25,2 3,7 8,4 4,7 min 0,2 min 0,4 min 5,3 min
3 25,2 16,5 9,4 14,0 4,6 min 0,2 min 0,4 min 5,2 min
2 16,5 5,0 15,0 20,2 5,2 min 0,2 min 0,4 min 5,8 min
1 5,0 0,0 20,2 24,8 4,6 min 1,0 min 0,4 min 6,0 min
Maximum 6,0 min
Der minimal mögliche Takt hat sich somit gegenüber Variante 1 etwas verbessert, insbesondere
auf Spur 2.
Variante 3:
Da die BLD-Grenzen hier nach Belieben anders gelegt werden als die Antriebsbereichsgrenzen,
muß man zwischen zwei unterschiedlichen Belegungen unterscheiden, nämlich
• BLD-Belegungen (wie bisher auch) und
• ABE-Belegungen ohne Beachtung der BLD.
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Aus diesem Grunde erfolgten zwei unterschiedliche Auswertungen gemäß Anlage 17.3-3 (BLD-
Belegungen) und Anlage 17.3-4 (ABE-Belegungen ohne BLD):
Spur 1 von bis von bis
ABE km km min min Fahrzeit Bildezeit Räumzeit Belegung
1 0,0 9,0 0,0 6,3 6,3 min 0,0 min 0,1 min 6,4 min
2 9,0 19,0 6,3 12,4 6,1 min 0,0 min 0,1 min 6,2 min
3 19,0 29,5 12,4 18,7 6,3 min 0,0 min 0,1 min 6,4 min
4 29,5 38,0 18,7 24,8 6,1 min 0,0 min 0,1 min 6,2 min
Maximum 6,4 min
Spur 2 von bis von bis
ABE km km min min Fahrzeit Bildezeit Räumzeit Belegung
4 38,0 29,5 0,0 6,3 6,3 min 0,0 min 0,1 min 6,4 min
3 29,5 19,0 6,3 12,6 6,3 min 0,0 min 0,1 min 6,4 min
2 19,0 9,0 12,6 18,7 6,1 min 0,0 min 0,1 min 6,2 min
1 9,0 0,0 18,7 24,8 6,1 min 0,0 min 0,1 min 6,2 min
Maximum 6,4 min
Spur 1 von bis von bis
BLD km km min min Fahrzeit Bildezeit Räumzeit Belegung
1 0,0 5,0 0,0 4,8 4,8 min 0,2 min 0,4 min 5,4 min
2 5,0 16,5 4,8 9,7 4,9 min 1,0 min 0,4 min 6,3 min
3 16,5 25,2 10,7 15,4 4,7 min 0,2 min 0,4 min 5,3 min
4 25,2 34,0 16,4 21,0 4,6 min 0,2 min 0,4 min 5,2 min
5 34,0 38,0 22,0 24,8 2,8 min 0,2 min 0,4 min 3,4 min
Maximum 6,3 min
Spur 2 von bis von bis
BLD km km min min Fahrzeit Bildezeit Räumzeit Belegung
5 38,0 34,0 0,0 2,8 2,8 min 0,2 min 0,4 min 3,4 min
4 34,0 25,2 3,8 8,5 4,7 min 0,2 min 0,4 min 5,3 min
3 25,2 16,5 9,5 14,1 4,6 min 0,2 min 0,4 min 5,2 min
2 16,5 5,0 15,1 20,3 5,2 min 0,2 min 0,4 min 5,8 min
1 5,0 0,0 20,3 24,8 4,5 min 1,0 min 0,4 min 5,9 min
Maximum 5,9 min
Für die reine Antriebsbelegung (ABE 1 bis 4) wurden pauschal 0,1 min Räumzeit zur Abdeckung
von Überlappungen angesetzt. Bei der typischen Geschwindigkeit von 150 km/h entspricht dies
einer Länge von ca. 250 m. Damit läßt sich die gewünschte Taktzeit leicht erreichen.
Die BLD-Grenzen wurden wie bei Variante 2 gewählt, d.h. ebenfalls mit Eliminierung der
Belegung durch die Haltezeiten an Stationen. Auch die Belegung der BLD (1 bis 5) ermöglicht die
gewünschten Taktzeiten von 6,5 min.
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 83 von 100
18 Kostenvergleich
18.1 Festlegung der Einheitskosten
Die Kosten industrieller Güter hängen von vielen Faktoren ab, wie Material- und Lohnkosten am
Fertigungsort, georderten Stückzahlen, Marktsituation, Vertriebspolitik etc. Aus diesen Gründen
versucht dieses Werk erst gar nicht, exakte Preise für verschiedene Antriebsvarianten anzugeben.
Statt dessen wird versucht, mit Hilfe von veröffentlichten Einheitskosten des Projektes Berlin-
Hamburg [9] beispielhaft Größenordnungen zu definieren, in denen sich die Kosten
voraussichtlich bewegen. Zum Aufzeigen von Tendenzen und zur Beurteilung der Wirksamkeit
von Optimierungsmaßnahmen reicht dies aus. Die Angaben lagen damals noch in DM vor und
wurden grob auf Euro umgerechnet.
Angaben zu einzelnen Komponenten ergeben sich aus groben Hochrechnungen und werden mit
einer Genauigkeit von 2 Stellen verwendet:
• Umrichter: [9] enthält keine Angaben zu Umrichterkosten KUR. Statt dessen sind für alle
Unterwerke Komplettpreise für die Antriebsblöcke (incl. Gebäude) angegeben. Einen guten
Anhaltswert für einen Umrichter-Komplettpreis erhält man somit unter Vernachlässigung
zentraler Antriebsregelungs/-Steuerungs (ARS) –Komponenten durch Division aller
Unterwerks-Antriebsblöcke durch die Gesamtzahl der Strecken-Umrichter:
Umrichter / € Mio 4,3
Umrichter 54
€ Mio 233
KUR ==
Diese beinhalten keine Einrichtungen zur Energierückspeisung. Da dies aber gerade auf kurzen
Strecken mit vielen Bremsvorgängen von politischer Bedeutung ist, wird unterstellt, daß diese
benötigt werden. Mit diesen Einrichtungen wird der Umrichter-Preis incl. Gebäudeanteil,
Schaltanlagen, Kühlanlagen, Steuerung, Montage etc. mit 5 Mio. € angesetzt.
• Schaltstellen: Nach [9] beträgt der Komplettpreis einer Schaltstelle im Mittel 0,23 Mio. €.
Diese beinhaltet 6 Mittelspannungsfelder, Schutz und Steuereinrichtungen sowie
Eigenbedarfseinrichtungen. Für das TSV gemäß Anlage 8.7-4 benötigt man bereits 6 Felder
pro Fahrspur, d.h. die Schaltstellen für beide Fahrspuren werden doppelt so groß. Konservativ
werden hierfür auch die doppelten Kosten angesetzt.
• Streckenkabel: Bei Streckenkabeln bestehen besonders große Preisschwankungen je nach
Marktsituation und Fertigungslängen sowie in Abhängigkeit von den Montageverhältnissen.
Insbesondere in städtischen Bereichen sind andere Kabelwege, Wasser- und Gasleitungen,
Straßen etc. zu kreuzen, die Montagebereiche sind beengt u.s.w. Ohne konkrete Vorort-
Untersuchungen und Angebote kann deshalb nur ein spekulativer Kostenansatz erfolgen.
Dieser wird hier wie folgt festgelegt:
Auf die Kabelhohlpreise werde ein Mengenrabatt von 30% auf die Listenpreise für
Bestellmengen ab 1000 m bei „ungängigen Typen“ nach [11] gewährt.
Der Cu-Preis betrage 175 €/100 kg, der Alu-Preis 145 €/kg. Für jeden Kabeltyp errechnet sich
daraus der Metallpreis über die Leiter- und Schirmquerschnitte.
Die Verlegekosten betragen nach [9] im Mittel 0,48 Mio. €/km für 8 bis 12 Systeme
Antriebskabel und je ein System Stator-, Energie- und Eigenbedarfskabel. Im Mittel ergeben
Seite 84 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
sich daraus in etwa 40 T€/Systemkilometer. In erster Näherung erfolgt keine Unterscheidung
nach dem Kabeltyp.
Ergebnisse:
angesetzte Kabel-Systempreise in T€ / km
Typ Hohlpreis Metallpreis Verlegepreis Gesamtpreis
NA2XS2Y 3x120/16 6/10 kV 14,3 1,9 40 56
NA2XS2Y 3x150/16 6/10 kV 15,7 2,4 40 58
NA2XS2Y 3x185/25 6/10 kV 17,8 2,8 40 61
NA2XS2Y 3x240/25 6/10 kV 19,9 3,5 40 63
N2XS2Y 1x300/25 12/20 kV 36,1 5,5 40 82
N2XS2Y 1x400/25 12/20 kV 42,5 7,4 40 90
N2XS2Y 1x500/25 12/20 kV 43,9 9,1 40 93
• Umrichter halber Leistung: In erster Näherung erfolgt eine Halbierung der benötigten
Hardware, insbesondere bei der teueren Leistungselektronik. Da aber andererseits andere Teile
wie Steuerung oder Trafos nicht proportional verbilligt werden können, wird hier als Ansatz
eine Gesamtkosteneinsparung von 33% zugrunde gelegt.
• Redundanz-Schaltanlage/Umschalteinrichtungen: Zur Schaltung eines Reserve-Umrichters auf
einen der vier ABL benötigt man eine Schaltanlage. Diese beinhaltet vergleichbare
Komponenten wie eine Schaltstelle und wird deshalb mit 0,23 Mio. € veranschlagt. Das
Gleiche gilt für andere Umschalteinrichtungen wie z.B. an den Überleitstellen.
Die Antriebsauslegung wirkt sich unmittelbar auf die Kosten verschiedener Komponenten anderer
Subsysteme aus. Deshalb müssen diese in den Kostenvergleich einfließen:
• Betriebsleittechnik-Dezentrale: Gemäß [9] 4,3 Mio. € für Leittechnik Unterwerk, d.h. im
wesentlichen für 2 BLD. Daraus ergeben sich 2,2 Mio. € pro BLD.
• Hochspannungsanlage: Die Kosten der Hochspannungsanlage sind bei Verwendung
standardisierter Einheitstypen weitgehend leistungsunabhängig und werden gemäß [9] mit 48
Mio. € für 12 doppelte Anlagen = 2,0 Mio. € pro Anlage angesetzt.
• Energieversorgung Strecke: Die Einrichtungen entlang der Strecke wie Stromschienen,
Schaltstellen, Funkmaste, Weichen etc. müssen mit Energie versorgt werden. Nach [9]
geschieht dies über Trafostationen, wobei der Typ 1 ausschließlich Schaltstellen und
Funkmaste versorgt. Ansatz: Aus Redundanzgründen werden 2 Trafostationen pro ABE (z.B.
getrennt nach rechtem und linkem Stator) vom Typ 1 mit einem Preis von 0,28 Mio. €
benötigt, die insgesamt 5 Schaltstellen versorgen können. Ansatz für die Teuerung für mehr
Schaltstellen: (Zahl Schaltstellen / 5 )0,75.
• Energieversorgung Unterwerk: Jedes Unterwerk benötigt Einrichtungen zur Versorgung der
Umrichter (Trafos, Schaltanlagen, USV-Anlagen, Niederspannungsverteilung etc.). Nach [9]
betragen die Kosten pro Rangier-Unterwerk (2 Umrichter) 3,22 Mio. € und für ein Strecken-
Unterwerk (5 Umrichter) 4,31 Mio. €. Dementsprechend kommt hier folgender Ansatz zur
Anwendung:
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Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
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Grundkosten Energieversorgung: 2,5 Mio. € pro Unterwerk,
Zusatzkosten Energieversorgung: 0,37 Mio. € pro Umrichter.
Neben den Investitionskosten müssen auch die Betriebskosten in eine
Wirtschaftlichkeitsbetrachtung einfließen. Deshalb wurden auch die Betriebskosten ermittelt, die
sich unmittelbar aus der Antriebsauslegung ergeben:
• Energie: Der Energiepreis ergibt sich aus Verhandlungen mit den
Energieversorgungsunternehmen. Hier werden 3,8 c/kWh für aufgenommene und 1,8 c/kWh
für zurückgespeiste Energie angesetzt. Der Leistungspreis betrage 75 €/kW im Jahr.
• Instandhaltung: Der Aufwand an Personal und Material (Ersatzteilen) hängt stark vom
Umfang der installierten Hardware ab. Aus diesem Grunde werden die Instandhaltungskosten
vereinfacht mit pauschal 1,5% der Gesamt-Investitionskosten p.a. angesetzt.
Gemäß [17] stellen diese beiden Faktoren die wesentlichen technisch bedingten
Betriebskostenanteile dar (vgl. Anlage 18.1-1). Hierbei ist anzumerken, dass bei der Magnetbahn
die Energiekosten einen überproportional hohen Anteil gegenüber der S-Bahn darstellen. Dies
liegt im gewählten Beispiel [17] u.a. daran, dass für die Magnetbahn ein ungleich höheres
Geschwindigkeitsniveau (350 km/h) als bei der S-Bahn (160 km/h) angesetzt wurde. Dennoch
kann die Magnetbahn in der Gesamtbilanz diese Mehrkosten annähernd ausgleichen, da sie
weniger Instandhaltung benötigt und mit weniger Personal auskommt.
18.2 Ergebnisse Investitionskosten
Stellt man sämtliche Antriebskomponenten der drei Varianten zusammen, so erhält man die im
Folgenden dargestellten Tabellen. An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, daß die dort
angegebenen Zahlen nur einen beispielhaften Charakter haben, da Mengenpreise ohne konkrete
Angebote abgeschätzt wurden. Auch sind Planungs- und Projektierungskosten für die
Gesamtanlage nicht betrachtet.
Variante 1
Komponente Menge Mengenpreis* Gesamtpreis
Umrichter 30 Stk 5 Mio € 150,0 Mio €
"halbe" Umrichter 8 Stk 3,4 Mio € 27,2 Mio €
Schaltstellen 6 Felder 34 Stk 0,23 Mio € 7,8 Mio €
Umschalteinrichtungen 0 Stk 0,23 Mio € 0,0 Mio €
Streckenkabel 185 115 km 61 T€/km 7,0 Mio €
Streckenkabel 240 239 km 64 T€/km 15,3 Mio €
Antrieb gerundet 207 Mio €
BLD 14 Stk 2,2 Mio € 30,8 Mio €
Hochspannungsanlage 6 Stk 2 Mio € 12,0 Mio €
20 kV-Kabel 0 km 93 T€/km 0,0 Mio €
Trafostationen 5 SS 10 Stk 0,28 Mio € 2,8 Mio €
Energieversorgung UW 3 Stk 2,5 Mio € 7,5 Mio €
Energieversorgung UR 38 Stk 0,37 Mio € 14,1 Mio €
übrige gerundet 67 Mio €
Gesamtsumme 274 Mio €
*beispielhaft gem. Kap. 18.1
Seite 86 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Variante 2
Komponente Menge Mengenpreis* Gesamtpreis
Umrichter 0 Stk 5 Mio € 0,0 Mio €
"halbe" Umrichter 20Stk 3,4Mio € 68,0Mio €
Schaltstellen 6 Felder 56 Stk 0,23 Mio € 12,9 Mio €
Umschalteinrichtungen 10 Stk 0,23 Mio € 2,3 Mio €
Streckenkabel 185 400 km 61 T€/km 24,4 Mio €
Streckenkabel 240 164 km 64 T€/km 10,5 Mio €
Antrieb gerundet 118 Mio €
BLD 10Stk 2,2Mio € 22,0Mio €
Hochspannungsanlage 4 Stk 2 Mio € 8,0 Mio €
20 kV-Kabel 28,2 km 93 T€/km 2,6 Mio €
Trafostationen 6 SS 10 Stk 0,32 Mio € 3,2 Mio €
Energieversorgung UW 3 Stk 2,5 Mio € 7,5 Mio €
Energieversorgung UR 20 Stk 0,37 Mio € 7,4 Mio €
übrige gerundet 51 Mio €
Gesamtsumme 169 Mio €
*beispielhaft gem. Kap. 18.1
Variante 3
Komponente Menge Mengenpreis* Gesamtpreis
Umrichter 0 Stk 5 Mio € 0,0 Mio €
"halbe" Umrichter 10 Stk 3,4 Mio € 34,0 Mio €
Schaltstellen 12 Felder 128 Stk 0,46 Mio € 58,9 Mio €
Umschalteinrichtungen 4 Stk 0,23 Mio € 0,9 Mio €
Streckenkabel 185 73 km 61 T€/km 4,5 Mio €
Streckenkabel 240 199 km 64 T€/km 12,8 Mio €
Antrieb gerundet 111 Mio €
BLD 10Stk 2,2Mio € 22,0Mio €
Hochspannungsanlage 2 Stk 2 Mio € 4,0 Mio €
20 kV-Kabel 22,6 km 93 T€/km 2,1 Mio €
Trafostationen 13 SS 10 Stk 0,58 Mio € 5,8 Mio €
Energieversorgung UW 2 Stk 2,5 Mio € 5,0 Mio €
Energieversorgung UR 10 Stk 0,37 Mio € 3,7 Mio €
übrige gerundet 43 Mio €
Gesamtsumme 154 Mio €
*beispielhaft gem. Kap. 18.1
Man sieht:
• Insgesamt wird deutlich, daß höhere Einsparungen mit unkonventionelleren Lösungen, d.h.
höheren Entwicklungsrisiken verbunden sind.
• Die Strategie, die kostenintensivsten Elemente – nämlich die Umrichter – möglichst weit zu
reduzieren geht auf. Die Variante mit den kleinsten Umrichterzahlen erweist sich auch als die
preisgünstigste.
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
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• Bereits die Variante 2 reduziert die Kosten nachhaltig, insbesondere beim Antrieb selbst. Dies
ist insofern wichtig, da Variante 2 mit relativ geringem Entwicklungsrisiko realisierbar ist.
• Die Kostenstrukturen verändern sich deutlich: Während bei Variante 1 die Umrichterkosten bei
Weitem überwiegen, fallen bei Variante 3 sogar die Schaltstellen mehr ins Gewicht. Bei
Variante 2 spielen auch die Kabel eine große Rolle. Daraus folgt, daß sich bei Veränderungen
der Kostenansätze auch prozentual andere Einsparpotentiale ergeben. Verteuern sich z.B. die
Schaltstellen und verbilligen sich die Kabel, so wirkt sich dies positiv auf Variante 2 und
negativ auf Variante 3 aus und umgekehrt.
• Aus der Tatsache, daß bei Variante 3 die Kosten für Schaltstellen höher liegen, als für die
Umrichter oder Kabel, kann man schließen, daß hier die installierte Leistung bereits zu gering
angesetzt wurde. Begründung: Erhöht man die Wechselrichterleistung z.B. um den Faktor 2,
vorzugsweise zugunsten einer höheren Spannung, so ergibt sich daraus nach Kap. 18.1 eine
Kostenerhöhung um ca. 50% (d.h. +17 Mio. €). Andererseits darf man durch eine doppelt so
hohe Umrichterspannung in erster Näherung mit einer Verlängerung der Statorabschnitte um
100% rechnen, d.h. die Stückzahl und damit die Kosten für die Schaltstellen halbieren sich um
50% (d.h. –29 Mio. €). Dieser Kostenvorteil ergibt sich allerdings primär aufgrund der
konservativen Kostenansätze im Kap. 18.1, wonach die Kostenreduktion bei Halbierung der
Umrichterleistung nur 33% beträgt, die Kostenerhöhung bei Verdoppelung Schaltstellengröße
aber 100%. Ähnliches gilt für das Verhältnis von Schaltstellen und Kabel: Setzt man anstelle
der Stern- eine Dreieckschaltung an, so ergeben sich durch den Impedanzvorteil Einsparungen
bei den Schaltstellen auf Kosten der Kabel.
Dies verdeutlicht, daß sich eine abschließende, optimale Antriebsauslegung stets an den
momentan am Markt erzielbaren Stückpreisen der verschiedenen Komponenten orientieren muß.
18.3 Betriebskosten
Die Betriebskosten bestehen aus Instandhaltungsaufwendungen, Energiekosten und
Leistungskosten. Letztere seien an dieser Stelle vernachlässigt, da die mittlere Leistung über
15 min in allen Varianten vergleichbare Werte aufzeigen wird, weil zwar einige Varianten eine
größere Spitzenleistung aufweisen als andere, dafür aber diese Leistung über einen längeren
Zeitraum aufbringen müssen, um die gleiche Fahrzeit zu erreichen.
Für den Energiebedarf werden folgende Ansätze getroffen:
• 8 Zugpaare pro Stunde und 20 Stunden Betrieb am Tag; Traktionsenergiebedarf gemäß Kapitel
17.2.
• Eigenbedarf Schaltstelle: 1 kW über 24 h gemäß [6].
Eigenbedarf Umrichter: Nach [6] beträgt der Eigenbedarf für ein Unterwerk „Typ S“ 160 kW
während des Betriebes und 80 kW während der Betriebspause. Da in den 3 Varianten Umrichter
unterschiedlicher Leistung und damit auch einem unterschiedlichem Leistungsbedarf zum Einsatz
kommen, erfolgt eine Abschätzung des Leistungsbedarfs eines Umrichters unter der Annnahme,
daß „Typ S“ 6 Standard-Umrichter enthält wie folgt:
• Standard-Umrichter: 160 kW / 6 = 27 kW im Betrieb, sonst die Hälfte.
Seite 88 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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• „halber“ Umrichter: In Analogie zu Kap. 18.1 33% weniger, d.h. 18 kW im Betrieb, 9 sonst.
Damit erhält man folgende Aufstellung:
Variante 1 Variante 2 Variante 3
Traktionsenergie pro Zugpaar 3,14 MWh 2,48 MWh 2,06 MWh
Traktionsenergie p.a. 183,4 GWh 144,8 GWh 120,3 GWh
Eigenbedarf UR p.a. 6,5 GWh 2,9 GWh 1,2 GWh
Eigenbedarf SS p.a. 0,30 GWh 0,58 GWh 1,16 GWh
Summe Ener
g
iebedarf p.a. 190,2 GWh 148,3 GWh 122,6 GWh
Ener
g
iekosten p.a. 7,1 Mio € 5,6 Mio € 4,6 Mio €
Rückspeisung p.a. 2,9 GWh 9,9 GWh 15,2 GWh
Rückver
g
ütun
g
p.a. 0,1 Mio € 0,2 Mio DM 0,3 Mio DM
Gesamtener
g
iekosten p.a. 7,1 Mio € 5,4 Mio € 4,3 Mio €
Rechnet man in erster Näherung die jährliche Instandhaltung mit 1,5% der Investitionskosten p.a.,
so ergeben sich folgende Summen:
Variante 1 Variante 2 Variante 3
Energiekosten p.a. 7,1 Mio € 5,4 Mio € 4,3 Mio €
Instandhaltung p.a. 4,1 Mio € 2,5 Mio € 2,3 Mio €
Lfd. Kosten in Summe p.a. 11,2 Mio € 7,9 Mio € 6,6 Mio €
Man sieht, daß sich auch bei den laufenden Kosten ähnliche Unterschiede zwischen den drei
Varianten ergeben, wie schon bei den Investitionskosten.
Auch hier gilt, daß Variante 3 bei den getroffenen Ansätzen mit mehr Umrichterleistung und
weniger Schaltstellen etwas günstigere Werte liefern würde.
Im Vergleich zu [17] ergeben sich auf den ersten Blick überproportional hohe Energiekosten im
Vergleich zu den Instandhaltungskosten. Das liegt jedoch daran, dass in dieser Arbeit hinsichtlich
der Kosten im Wesentlichen nur der Antrieb der Magnetbahn betrachtet wird, in [17] hingegen das
Gesamtsystem inkl. Stationen, Tunneln, Fahrzeugen und Fahrweg. Weiterhin ist zu bedenken, dass
die hier gewählte Strecke aufgrund der vielen Halte und Anfahrvorgänge ungünstige
Randbedingungen für den Energiebedarf der Magnetbahn schafft. Schließlich konnten aber durch
Optimierung der Antriebsauslegung die Energiekosten um 40% gesenkt werden. Ein weiteres
Einsparpotenzial ist durch eine Optimierung der Strecke und des Betriebskonzeptes zu erwarten.
18.4 Lebenszykluskosten
Betriebswirtschaftlich relevant zur Beurteilung einer Anlage sind immer die Lebenszykluskosten.
Diese setzten sich aus dem Investitionsvolumen und den laufenden Kosten zusammen. Je nach
Finanzierung sind dabei auch noch Zinsen für die Investitionskredite anzusetzen. An dieser Stelle
sei vereinfachend angenommen, daß die Investitionen ohne weitere Aufschläge über eine
angesetzte Lebensdauer der Komponenten von 30 a betrachtet werden (nur Antrieb und die
sonstigen in Kap. 18.2 aufgeführten Komponenten):
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
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Variante 1 Variante 2 Variante 3
Lfd. Kosten in Summe p.a. 11,2 Mio € 7,9 Mio € 6,6 Mio €
Investition Antrieb p.a. 6,9 Mio € 3,9 Mio € 3,7 Mio €
Investition sonstige p.a. 2,2 Mio € 1,7 Mio € 1,4 Mio €
Gesamtumme p.a. 20,3 Mio € 13,5 Mio € 11,7 Mio €
Ergebnisse:
• Es treten wieder ähnliche Kostenunterschiede in den drei Varianten auf wie schon in den
obigen Kapiteln.
• Bemerkenswert ist, daß die laufenden Kosten den größeren Teil der Gesamtkosten ausmachen.
Dies bedeutet, daß ein wirtschaftlicherer Betrieb in erster Linie auf die Reduktion dieser
Kosten abzielen sollte, z.B. durch Energieeinsparungen durch Zurücknahme der
Fahrzeitanforderung oder durch ein optimiertes Instandhaltungskonzept. Hier wirken sich
ebenfalls die optimierten Varianten positiv aus, da dort wenig teuere Ersatzteile zu beschaffen
sind (Leistungselektronik bei Variante 3, Leistungselektronik und Schalter bei Variante 2).
An dieser Stelle ist anzumerken, dass die Invest- und Lebenszykluskosten zwar eine bedeutende
Rolle bei Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen spielen, jedoch auf der anderen Seite auch die
Attraktivität und damit die Einnahmesituation einer modernen, schnellen Verkehrsverbindung
wichtig ist: In einer Gesamtwirtschaftlichkeitsbetrachtung am Beispiel eines Vergleiches mit einer
S-Bahn nach [17] (Anlage 18.1-2) schlagen bei der Magnetbahn zunächst die Investitionskosten
negativ zu Buche, welche bei der S-Bahn wegen der Nutzbarkeit vorhandener Infrastrukturen
bzw. Zuwendungen aus der öffentlichen Hand nicht anfallen. Trotzdem liegt die Magnetbahn
langfristig in der Gesamtwirtschaftlichkeitsbetrachtung klar vorne, da sie aufgrund ihrer höheren
Attraktivität (die S-Bahn benötigt in dem Beispiel eine um 70% längere Fahrzeit) ein deutlich
besseres Fahrgastaufkommen aufweist und somit deutlich höhere Einnahmen generiert.
Seite 90 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
19 Zusammenfassung und Ergebnisdiskussion
Ausgehend von einer Musterstrecke für den Regionalverkehr wurden drei Auslegungsvarianten für
den Antrieb mit unterschiedlichen Entwicklungsrisiken untersucht. Diese unterscheiden sich
hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit wie folgt:
• Leistungsfähigkeit: Variante 1 (Auslegung gemäß Hochgeschwindigkeitsstrecken) beinhaltet
aufgrund der unverhältnismäßig hohen installierten Wechselrichterleistung etwas größere
Fahrzeitreserven als die anderen beiden Varianten, bei der erreichbaren Zugfolge bieten jedoch
eher die optimierten Varianten Vorteile. Die betrieblichen Anforderungen werden durch alle
Varianten erfüllt.
• Fahrkomfort: Variante 1 weist den besten antriebsbedingten Fahrkomfort auf. Die anderen
Varianten erfüllen zwar die Komfortanforderungen, weisen aber diesbezüglich Nachteile auf,
und zwar bei Variante 2 durch periodische Beschleunigungsänderungen beim
Abschnittswechsel und bei Variante 2 – vorausgesetzt die sehr kurzen Abschnittswechsel sind
nicht spürbar – durch Umschaltungen von Direkttakt- auf Trafobetrieb bei jedem Anfahr- und
Bremsvorgang.
• Entwicklung: Variante 2, die sich mit relativ geringem Entwicklungsaufwand realisieren läßt,
ermöglicht bereits erhebliche Einsparungen im Mengengerüst. Der hohe Entwicklungsaufwand
der Variante 3 hingegen bietet gegenüber Variante 2 nur noch eher geringe Kostenvorteile, z.T.
auch deswegen, weil hier die installierte Leistung unter den getroffenen Kostenansätzen bereits
zu knapp angesetzt wurde.
• Kostenstruktur: Neben dem Mengengerüst, d.h. den Investitionskosten, gilt auch für die
Betriebskosten, daß mit zunehmender Abweichung von der Auslegung für
Hochgeschwindigkeitsstrecken erhebliche Einsparungen erzielt werden können. Zudem
verändert sich bei den verschiedenen Maßnahmen die Kostenstruktur – z.B. liefern bei
Variante 2 die Kabel einen hohen Kostenbeitrag, bei Variante 3 hingegen die Schaltstellen – so
daß prinzipiell Möglichkeiten gegeben sind, auf Veränderungen der Stückpreise durch andere
Auslegungskonzepte zu reagieren. Auch innerhalb der Varianten sind grundsätzlich
Kostenverlagerungen und damit Optimierungen möglich, z.B. Verringerung von
Schaltstellenzahlen zu Lasten von Kabelsystemen oder Erniedrigung von Umrichterleistung zu
Lasten von Schaltstellenzahlen.
• Optimierungserfolg: Die kostenmäßig am stärksten greifenden Maßnahmen, die unmittelbar zu
Reduzierungen beim Mengengerüst führen, und zwar in erster Linie bei der installierten
Wechselrichterleistung, wurden nur dadurch ermöglicht, daß auf Leistungsspitzen verzichtet
wurde. Dies bedeutet in erster Linie den Verzicht auf sehr hohe Geschwindigkeiten, aber auch
den Verzicht auf sehr hohe Beschleunigungen.
Zusammenstellung diverser numerischer und spezifischer Auswertungen der erzielten Ergebnisse:
installierte Wechselrichter- Leistung Variante 1 Variante 2 Variante 3
- der Strecke 526,3 MVA 154,8 MVA 77,4 MVA
- pro km 6,9 MVA 2,0 MVA 1,0 MVA
- pro Fahrzeug im Umlauf 65,8 MVA 19,4 MVA 9,7 MVA
- gleichzeitig einsetzbar pro Fahrzeug* 31,0 MVA 11,6 MVA 7,7 MVA
* außerhalb von Statorabschnittswechseln
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
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Insbesondere die Werte der Variante 3 zeigen deutlich, mit wieviel Einsparung an installierter
Leistung sich die im Regionalverkehr üblichen verkehrlichen Anforderungen bewältigen lassen,
ohne daß dadurch nennenswerte Einbußen an Fahrdynamik resultieren. Die installierte Leistung
der Variante 1 hingegen bleibt weitgehend ungenutzt.
benötigte streckenseitige Antriebsanlagen Variante 1 Variante 2 Variante 3
- Kabel 354 km 564 km 272 km
- Schaltstellen und Umschalteinrichtungen 34 Stk 66 Stk 132 Stk
Aufgrund der großen Leistungsreserven kommt Variante 1 mit wenig streckenseitigen Anlagen
aus. Bei Variante 2 und 3 ergeben sich gegenläufige Mengenentwicklungen für Kabel und
Schaltstellen. Die Ursache hierfür liegt einerseits in den unterschiedlichen
Statorabschnittswechselverfahren und andererseits darin, daß bei Variante 3 die geringe installierte
Leistung in Verbindung mit der geforderten Fahrdynamik keine großen Statorabschnittslängen
mehr zuläßt, wenn die Sternschaltung beibehalten wird. Wie die folgenden Auswertungen zeigen,
spielen die streckenseitigen Einrichtungen bei den Gesamtkosten gegenüber den Unterwerken
allerdings eine i.d.R. weniger bedeutende Rolle, was den Erfolg der Optimierungsbemühungen
gewährleistet:
Investitionskosten Auslegung* Variante 1 Variante 2 Variante 3
- der Strecke 274,0 Mio € 169,0 Mio € 154,0 Mio €
- pro km 3,6 Mio € 2,2 Mio € 2,0 Mio €
- pro betriebenem Fahrzeug 34,3 Mio € 21,1 Mio € 19,3 Mio €
*Antrieb und durch Antrieb beeinflußte Komponenten gemäß Ansatz Kap. 18
Zwischen den spezifischen Kosten der Varianten 1 und 3 liegt annähernd der Faktor 2. Auch
Variante 2 ermöglicht bereits einen sehr großen Teil der Kosteneinsparungen. Dies ist insofern von
Bedeutung, als daß Variante 2 die kurzfristig erzielbaren Optimierungen mit geringem
Entwicklungsrisiko repräsentiert.
Auch bei den Betriebskosten ergibt sich ein ähnliches Bild wie bei den Investitionskosten, nicht
zuletzt dadurch, daß die Instandhaltung maßgeblich durch die Menge der installierten Technik
bestimmt wird, aber auch aufgrund der unterschiedlichen Wirkungsgrade der Varianten:
Betriebskosten p.a.* Variante 1 Variante 2 Variante 3
- der Strecke 11,2 Mio € 7,9 Mio € 6,6 Mio €
- pro km 0,15 Mio € 0,10 Mio € 0,09 Mio €
- pro betriebenem Fahrzeug 1,4 Mio € 1,0 Mio € 0,8 Mio €
*Antrieb und durch Antrieb beeinflußte Komponenten gemäß Ansatz Kap. 18
Insgesamt erhöht sich die Wirtschaftlichkeit des Antriebes mit zunehmender Anpassung an
die Erfordernisse des Regionalverkehrs nachhaltig, insbesondere durch Rücknahme der
Leistungsanforderungen bzw. Höchstgeschwindigkeiten gegenüber dem Fernverkehr.
Seite 92 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
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Anhang
Abkürzungsverzeichnis
Abkürzung ausgeschrieben Beschreibung
ABE Antriebsbereich Bereich, in dem sich nur ein Fahrzeug befinden darf;
definiert durch die Kabelgruppe, die in den
zugehörigen, angrenzenden Unterwerken endet
ABG Antriebsbereichsgrenze Übergangsbereich zwischen zwei Antriebsbereichen
ABL Antriebsblock Teil des Unterwerkes, der einem bestimmten
Antriebsbereich zugeordnet ist; besteht aus
Umrichtern und Antriebsregelung/Steuerung
ARS Antriebsregelung/-
Steuerung
Einrichtung zur Regelung und Steuerung des
Antriebes
BLD Betriebsleittechnik-
Dezentrale
Einrichtung im Unterwerk zur Sicherung und
Steuerung des Betriebes in einem Antriebsbereich
BLT Betriebsleittechnik Übergeordnetes Sicherungs- und Steuerungssystem
BSV Bocksprungverfahren Schubkrafteinbruchsfreies
Statorabschnittswechselverfahren mit zwei
Streckenkabelverbunden
DSV Dreischrittverfahren Schubkrafteinbruchsfreies
Statorabschnittswechselverfahren mit drei
Streckenkabelverbunden
DSP Doppelspeisung Speisung der Statorabschnitte aus 2 Unterwerken
ESP Einfachspeisung Speisung der Statorabschnitte aus einem Unterwerk
FaPro Fahrspielprogramm Fahrdynamik- und Antriebs-Simulationsprogramm für
Langstatorantriebe
HS Hochspannungsanlage Schnittstelle zum öffentlichen Hochspannungsnetz im
Unterwerk
KSV Kurzschlußverfahren Statorabschnittswechselverfahren mit nur einem
Streckenkabelverbund
MSP Mischspeisung Mischung zwischen Einfach- und Doppelspeisung
SA Statorabschnitt Teil des Langstators
SK Streckenkabel Antriebskabel entlang der Strecke
SKV Streckenkabelverbund Summe der Streckenkabel, die einem Umrichter
zugeordnet sind
SKG Streckenkabelgruppe Summe der Streckenkabelverbunde, die zum
Antriebsbereich einer Fahrspur gehören
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 93 von 100
SAL Statorabschnittslänge Länge eines separat einspeisbaren Statorabschnittes
SAW Statorabschnitts-wechsel Vorgang der Umschaltung der
Einspeisung/Schubkraft von einem Statorabschnitt auf
den nächsten
SAWV Statorabschnitts-
wechselverfahren
Verfahren, welches die Fortschaltung der Schubkraft
von aufeinanderfolgenden Statorabschnitten
bewerkstelligt; benötigt bestimmte Verschaltungen
von Kabeln/Schaltstellen/Statoren
SS Schaltstelle Schaltbare Verbindung zwischen ein oder mehreren
Statorabschnitten und ein oder mehreren
Streckenkabeln
TSV Teilschrittverfahren Statorabschnittswechselverfahren, in dem immer nur
Teile des eingespeisten Statorabschnittes
weitergeschaltet werden.
TVE Transrapid
Versuchsanlage Emsland
Anlage nahe Lathen.
UR Umrichter Gerät zum Erzeugen frequenz-, phasen- und
amplitudengeregelter Spannungen und Ströme
UW Unterwerk Beinhaltet die Antriebsblöcke zur Einspeisung der
Streckenkabel
WSV Wechselschritt-verfahren Statorabschnittswechselverfahren mit zwei
Streckenkabelverbunden und Ortsversatz
ZVV Zeitversatzverfahren Statorabschnittswechselverfahren mit zwei
Streckenkabelverbunden ohne Ortsversatz
Seite 94 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Größenbezeichnungen
Größe Beschreibung
anenn Nennbeschleunigung
cM Motorkonstante pro Sektion, beidseitig
dA Abstand Unterwerk A – Schaltstelle
dB Abstand Unterwerk B – Schaltstelle
dS Länge Statorabschnitt
F Kraft (Schubkraft)
iA Strom aus Unterwerk A (zurückliegendes Unterwerk)
iB Strom aus Unterwerk B (vorausliegendes Unterwerk)
iS Statorstrom
iSSA Strom an Schaltstelle aus Richtung Unterwerk A
iSSB Strom an Schaltstelle aus Richtung Unterwerk B
iUR Umrichterstrom
LA Induktivität zwischen Unterwerk A und Schaltstelle
LB Induktivität zwischen Unterwerk B und Schaltstelle
LS Induktivität Statorabschnitt
LT Induktivität Ausgangstrafo
mFzg Fahrzeugmasse pro Sektion
nS Sektionszahl
PA Leistung aus Unterwerk A (zurückliegendes Unterwerk)
PB Leistung aus Unterwerk B (vorausliegendes Unterwerk)
PM Mechanische Leistung im Luftspalt
PSSA Leistung an Schaltstelle aus Richtung Unterwerk A
PSSB Leistung an Schaltstelle aus Richtung Unterwerk B
PZ Leistungsabfall an Streckenimpedanzen
RA Widerstand zwischen Unterwerk A und Schaltstelle
RB Widerstand zwischen Unterwerk B und Schaltstelle
RS Widerstand Statorabschnitt
LR Widerstand Ausgangstrafo
uA Spannung am Unterwerk A (zurückliegendes Unterwerk)
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 95 von 100
uB Spannung am Unterwerk B (vorausliegendes Unterwerk)
uP Induzierte Polradspannung im Stator
uSS Spannung an Schaltstelle
uUR Umrichterspannung
ü Übersetzungsverhältnis Trafo
v Fahrzeuggeschwindigkeit
WKV Verlustenergie in Streckenkabeln
ZA Streckenimpedanz zwischen Unterwerk A und Schaltstelle
ZB Streckenimpedanz zwischen Unterwerk B und Schaltstelle
ZS Streckenimpedanz Stator
ZW K/S Wellenwiderstand Streckenkabel / Stator
γ K/S Wellen-Ausbreitungsmaß Streckenkabel / Stator
τP Stator-Polteilung
ω Winkelgeschwindigkeit
Komplexe Größen sind unterstrichen, wobei der Realteil in Phase zu uP liegt (Schubachse), der
Imaginärteil senkrecht dazu (Erregerfeldachse).
Seite 96 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Literaturverzeichnis
[1] ARGE Systemauslegung Transrapid, Technischer Bericht MSB Berlin-Hamburg, ROV-
Systemauslegung Langstatormotor, Dok.-Nr. MGM/0048/01/96
[2] Bronstein/Semendjajew, Taschenbuch der Mathematik, Verlag Harri Deutsch
[3] Heinhold/Stubbe, Kabel und Leitungen für Starkstrom Teil 1, Siemens AG
[4] Heinhold/Stubbe, Kabel und Leitungen für Starkstrom Teil 2, Siemens AG
[5] Fürst, Anwendungsnahe Dimensionierung und meßtechnische Überprüfung von
Langstator-Linearmotoren für Magnetschnellbahnen, TU Berlin
[6] Bericht „Transrapid Berlin-Hamburg, Berechnungen zur Erstauslegung“, IfB Dresden, Nr.
317600 vom 29.07.1998
[7] Hütte, Elektrische Energietechnik, Springer Verlag
[9] ARGE Systemauslegung Transrapid, Kostenkatalog für WU1 MSB Berlin-Hamburg, Dok.-
Nr. MGM/585/06/97
[10] Elektrische Bahnen 7/95, Langstator-Synchronantrieb des Transrapid, Dr.-Ing habil. Uwe
Henning, Dr. rer. Nat. Peter G. Kamp, Josef Hochleitner
[11] Starkstromkabel Katalog SK 1.22 der Siemens AG, Oktober 1994.
[12] Bericht „Energiebedarf der Bahnsysteme Transrapid und ICE 3 Strecke Berlin-Hamburg“,
IfB/TUB-Bericht-Nr. 98/BeB/82 vom 7.5.98.
[13] Thomas Stoffel, Dynamische Vorgänge in Fahrbahnausrüstungskomponenten der
Magnetfahrtechnik, Dissertation vom Fachbereich 10 der TU Berlin, 1996.
[14] E. Philippow, Taschenbuch Elektrotechnik, Bd. 1, Grundlagen, VEB Verlag Technik
Berlin1968.
[15] Prof. Dr.-Ing. P. Mnich, Dr.-Ing. Stephan, Dipl.-Ing. Fritz, Energiebedarf der Bahnsysteme
Transrapid und ICE 3 Strecke Berlin-Hamburg, Institut für Bahntechnik GmbH an der
Technischen Universität Berlin und Dresden, Bericht Nr. 98/BeB/82
[16] Rolf Hellinger, Theoretische Grundlagen zur Auslegung von eisenbehafteten Langstator-
Linearmotoren, Dissertation TU Berlin, 1993
[17] Bietergemeinschaft WEP Weiterentwicklung MSB-System, Alternativ-Untersuchung
Transrapid – Rad-/ Schiene-System am Beispiel Flughafenanbinder München, Bericht Nr.
64096
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 97 von 100
Lebenslauf
Dipl.-Ing. (Univ) Rolf Fischperer, geboren am 08.10.1962 in Nürnberg, ledig, wohnhaft in der
Uhlandstraße 195/196, 10623 Berlin.
Werdegang:
1970-
1973
Besuch der Grundschule Erlangen-Tennenlohe der Schuljahre 69/70 (1. Klasse) bis 72/73
(4. Klasse).
1973-
1982
Besuch des Ohm-Gymnasiums Erlangen mit mathematisch-naturwissenschaftlicher und
neusprachlicher Ausrichtung. Abschluß des 13. Schuljahres mit Abitur mit besonderen
Prüfungsschwerpunkten in Englisch, Physik, Wirtschafts- und Rechtslehre sowie Biologie.
1982-
1985
Grundstudium der Elektrotechnik an der TU München und der Friedrich-Alexander
Universität Erlangen-Nürnberg, technische Fakultät. Zwischenzeitlich Erwerb
industriehandwerklicher Grundkenntnisse durch Praktika in den Firmen Siemens AG
(Erlangen), Custom Control Panels LTD (Kanada), Corporate Foods LTD (Kanada) und
AGORA Manufacturing (Kanada).
1985-
1988
Hauptstudium der Elektrotechnik an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-
Nürnberg, technische Fakultät mit Studienschwerpunkten in Antriebs-, Regelungs- und
Steuerungstechnik. Zwischenzeitlich Werkstudententätigkeiten bei der Siemens AG
(Erlangen) im Bereich Softwareentwicklung, Schaltungsaufbau im Entwicklungslabor und
Entwicklung von NC-Steuerungen. Erstellung einer Studienarbeit am Lehrstuhl für
Regelungstechnik „Untersuchung von nichtlinearen Regelungsverfahren für den Einsatz in
einem hydraulischen Servorotationsantrieb“ und einer Diplomarbeit am Lehrstuhl für
elektrische Antriebe „Feldschwächung eines bürstenlosen Servomotors“.
1989-
1996
Anstellung bei der Siemens AG (Erlangen) im Unternehmensbereich E (später Siemens
Verkehrstechnik) mit den Aufgabenbereichen Erstellung von Simulationssoftware für
Magnetschnellbahnen, Erstellung von Weiterentwicklungsprogrammen für den Antrieb der
Magnetschnellbahn Transrapid sowie Steuerung der Entwicklungsaktivitäten
nachgeordneter Siemens-Abteilungen mit Schwerpunkten bei Antriebsregelung-/Steuerung.
1996-
1998
Auslegung und Planung des Antriebes für die Magnetschnellbahn Berlin-Hamburg bei der
Siemens Verkehrstechnik Transrapid (VT TR) in Berlin.
1998-
2006
Wechsel in die Transrapid International GmbH & Co. KG, Berlin, und Weiterführung der
Planungsarbeiten sowie Erarbeitung technischer Vorgaben für die zuliefernde Industrie.
Desweiteren antriebstechnische Vorprojektierung weiterer, internationaler Transrapid-
Projekte.
Seite 98 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Anlagenverzeichnis
Anlage 2.1-0: Wirkungsweise des Langstatormotors
Anlage 2.1-1: Komponenten des Langstatorantriebes
Anlage 2.2-1: Bekannte Unterwerkstypen und Speiseverfahren
Anlage 2.3-1: Schaltung Kurzschlußverfahren
Anlage 2.3-2: Schubverlauf Kurzschlußverfahren
Anlage 2.3-3: Schaltung Bocksprungverfahren
Anlage 2.3-4: Schubverlauf Bocksprungverfahren
Anlage 2.3-5: Schaltung Wechselschrittverfahren
Anlage 2.3-6: Schubverlauf Wechselschrittverfahren
Anlage 2.3-7: Schaltung Zeitversatzverfahren
Anlage 2.3-8: Schubverlauf Zeitversatzverfahren
Anlage 2.3-9: Schaltung Dreischrittverfahren
Anlage 2.3-10: Schubverlauf Dreischrittverfahren
Anlage 3.2-1: Herleitung Zeigerdiagramm
Anlage 3.2-2: Zeigerdiagramm Kippunkt und Feldschwächung
Anlage 3.3-1: Einflußparameter
Anlage 3.4-1: Zusammenwirken der Parameter
Anlage 8.1-1: Aufbau konventioneller MSB-Umrichter
Anlage 8.1-2: Spannungsbildung MSB-Umrichter
Anlage 8.1-3: Spannungsauswertung Umrichter
Anlage 8.2-1: Vereinfachte Umrichter
Anlage 8.3-1: Zusammensetzung der Belegungszeiten
Anlage 8.3-2: BLD- und Antriebsbereichsaufteilung
Anlage 8.3-3: Belegung in Stationsbereichen
Anlage 8.4-1: Statorschaltungen bei Reihenanordnung
Anlage 8.4-2: offene Sternschaltung mit Ersatzschaltbild
Anlage 8.5-1: Schaltung Mischspeisung
Anlage 8.5-2: Mischspeisung
Anlage 8.7-1: Prinzipablauf Teilschrittverfahren
Anlage 8.7-2: Spannungshalter
Anlage 8.7-3: Berechnungsergebnis Teilschrittverfahren
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Seite 99 von 100
Anlage 8.7-4: Sternschaltung Teilschrittverfahren
Anlage 8.7-5: Dreieckschaltung Teilschrittverfahren
Anlage 8.7-6: Speisezustände Teilschrittverfahren
Anlage 8.7-7: Störfallschaltungen Teilschrittverfahren
Anlage 8.7-8: Aufbauvorschlag Teilschrittverfahren
Anlage 8.8-1: Übertragungsleistung 20 kV-Kabel
Anlage 8.9-1: Prinzipskizze weichengesteuerte Schaltvorrichtung
Anlage 11.1-1: Festlegung der Unterwerksstandorte
Anlage 11.2-1: Weg-Zeit-Diagramm Variante 1 mit Vorab-Auslegung
Anlage 11.2-2: Gleisbelegungen Endstation
Anlage 12.2-1: Stromverläufe Vorabauslegung
Anlage 13.2-1: Spannungen optimierte Trafoübersetzung Variante 2
Anlage 13.2-2: Ströme optimierte Trafoübersetzung Variante 2
Anlage 13.2-2: Geschwindigkeit und Beschleunigung Variante 2.
Anlage 14.2-1: Statorabschnittslängen Variante 1
Anlage 14.2-2: Statorabschnittslängen Variante 2
Anlage 15.2-1: Leistungsverläufe einzelner Fahrzeuge, Variante 2
Anlage 15.2-2: Leistungsverlauf Unterwerk 1, Variante 2
Anlage 15.2-3: Leistungsverlauf Unterwerk 2, Variante 2
Anlage 15.2-4: Leistungsverlauf Unterwerk 3, Variante 2
Anlage 15.2-5: Leistungsverläufe einzelner Fahrzeuge, Variante 3
Anlage 16.1-1: Statorstromverläufe Variante 1
Anlage 16.1-2: Auslegungsergebnis Variante 1
Anlage 16.1-3: Nenndaten Umrichter für Variante 1
Anlage 16.2-1: Auslegungsergebnis Variante 2
Anlage 16.2-2: Nenndaten Umrichter für Variante 2
Anlage 16.3-1: Auslegungsergebnis Variante 3
Anlage 16.3-2: Nenndaten Umrichter für Variante 3
Anlage 17.1-1: Fahrspiele Spur 1
Anlage 17.1-2: Fahrspiele Spur 2
Anlage 17.3-1: Bildfahrplan Variante 1 mit BLD-Belegungsblöcken
Anlage 17.3-2: Bildfahrplan Variante 2 mit BLD-Belegungsblöcken
Anlage 17.3-3: Bildfahrplan Variante 3 mit BLD-Belegungsblöcken
Seite 100 von 100 Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
Anlage 17.3-4: Bildfahrplan Variante 3 mit ABE-Belegungsblöcken
Anlage 18.1-1: Betriebskostenanalyse Magnetbahn und S-Bahn
Anlage 18.1-2: Wirtschaftlichkeitsanalyse Magnet- und S-Bahn
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.1-0
Wirkungsweise des Langstatormotors
Tragmagnete am Fahrzeug =
Erre
g
un
g
Induktion
Induktion
St
r
o
m
Strom
Stator mit Wicklung
(am Fahrweg)
Kraft auf Ma
g
ne
t
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Unterwerk Hochspannungsanlage
Antriebs-
block
Antriebs-
block
Hochspannungsnetz
Streckenkabelgruppe Streckenkabelverbund,
b
estehend aus n Streckenkabeln
Schaltstelle Schaltstelle SchaltstelleSchaltstelle
Statorabschnitte
Anlage 2.1-1
Komponenten des Lan
g
statorantriebes
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Unterwerk
n
ABL ABL
Unterwerk n+1
ABL ABL
Unterwerk
n
-1
ABL ABL
ABE 2
(
n-1
)
+1 ABE 2
(
n
)
+1
SKG 2(n
-
1)
+
1
Unterwerk
n
ABL ABL
Unterwerk n+1
ABL ABL
Unterwerk
n
-1
ABL ABL
ABE n ABE n+1
SKG n
Unterwerk Typ 1,
EInfachspeisung
Unterwerk Typ 1,
Doppelspeisung
Unterwerk Typ 2,
EInfachspeisung
Unterwerk Typ 2,
Doppelspeisung
SKG n+1
SKG 2
(
n
)
SKG 2
(
n
)
+1 SKG 2
(
n+1
)
ABE 2
(
n
)
ABE 2
(
n+1
)
ABE n ABE n+1
SKG n
Unterwerk
n
-1
ABL
Unterwerk
n
ABL
Unterwerk n+1
ABL
SKG n+1
ABE 2
(
n-1
)
+1 ABE 2
(
n
)
+1
SKG 2(n-1)+1
Unterwerk
n
-1
ABL
Unterwerk
n
ABL
Unterwerk n+1
ABL
SKG 2
(
n
)
+1SKG 2
(
n
)
SKG 2
(
n+1
)
ABE 2
(
n
)
ABE 2
(
n+1
)
Anlage 2.2-1
Bekannte Unterwerkst
y
pen und Speiseverfahren
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-1
Schaltun
g
Kurzschlußverfahren
Fahrspur 2
Fahrspur 1
Unterwerk ABL
1
ABL
2
Statorabschnitte
links
rechts
links
rechts
Schalt-
stellen
Streckenkabel
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-2
Schubverlauf Kurzschlußverfahren
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Polradspannung
alter/neuer SA
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Statorstrom
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Schubkraft
alter/neuer
S
A
alter/neuer
SA
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-3
Schaltung Bocksprungverfahren
Fahrspur 2
Fahrspur 1
Unterwerk ABL
1
ABL
2
Statorabschnitte
links
rechts
links
rechts
Schalt-
stellen
Streckenkabel
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-4
Schubverlauf Bocksprun
g
verfahren
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Polradspannung
alter S
A
neuer S
A
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Statorstrom
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Schubkraft
alte
r
S
A
neuer S
A
alter S
A
neuer S
A
Summe
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-5
Schaltun
g
Wechselschrittverfahren
Fahrspur 2
Fahrspur 1
Unterwerk ABL
1
ABL
2
Statorabschnitte
links
rechts
links
rechts
Schalt-
stellen
Strecken-
kabel
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-6
Schubverlauf Wechselschrittverfahren
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Polradspannung
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Statorstrom
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Schubkraft
alter SA rechts neuer SA rechts
SA links
Summe
alter/neuer SA rechts
SA links
alter SA rechts
neuer SA rechts
SA links
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-7
Schaltun
g
Zeitversatzverfahren
Fahrspur 2
Fahrspur 1
Unterwerk ABL
1
ABL
2
Statorabschnitte
links
rechts
links
rechts
Schalt-
stellen
Strecken-
kabel
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-8
Schubverlauf Zeitversatzverfahren
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Polradspannung
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Statorstrom
alter SA
rechts neuer SA
rechts
alter SA
links neuer SA
links
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Schubkraft
alter/neuer
SA rechts
alter/neuer
SA links
Summe
alter SA
rechts
neuer SA rechts alter SA links
neuer SA
links
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-9
Schaltun
g
Dreischrittverfahren
Fahrspur 2
Fahrspur 1
Unterwerk ABL
1
ABL
2
Statorabschnitte
links
rechts
links
rechts
Schalt-
stellen
Streckenkabel
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 2.3-10
Schubverlauf Dreischrittverfahren
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Polradspannung
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Statorstrom
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Schubkraft
SA links
alter SA rechts neuer SA rechts
Summe
alter SA rechts neuer SA rechts
SA links
alter SA rechts
neuer SA rechts
SA links
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 3.2-1
Herleitun
g
Zei
g
erdia
g
ramm
Fluß-Achse
Schub-Achse
Fahrzeu
g
uP
uP
XH
Elektrische Komponenten Zeigerdiagramm
Spannungsgrenze
Vereinfachtes Ersatzschaltbild
j
XK iK
RK iK
iK
Streckenkabel
RK XK iK
CK+CS
iS
j
(XS+XH) iS
RS iS
Statorabschnit
t
RS XS
iS
iC
iC
uS
uS
u
u
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Fluß-Achse
Schub-Achse
uP
Betrieb im Kippunkt
Spannungsgrenze
j
XK iK
RK iK
iK
iS
j
(XS+XH) iS
RS iS
iC
uS
u
Fluß-Achse
Schub
-
Achse
uP
Feldschwächebetrieb
Spannungsgrenze
j
XK iK
RK iK
iK
Real(iS)
j
(XS+XH) Real(iS)
RS Real(iS)
iC
uS
u Imag(iS)
RS Imag(iS)
j
(XS+XH) Imag(iS)
Anlage 3.2-2
Zei
g
erdia
g
ramm Kippunkt und Feldschwächun
g
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 3.3-1
Einflußparameter
Leistungs-
parameter
Schubkraft Höchstgeschwindigkeit Energiebedarf Kosten
Eingangsgrößen Streckenprofil Fahrzeitvorgabe Fahrtakt Verkehrsaufkommen
Optimierungs-
parameter
Fahrzeugsektionen
Unterwerksabstand Statorabschnittslängen Streckenkabel
Speiseverfahren
Abschnittswechselverfahren
Umrichter
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 3.4-1
Zusammenwirken der Parameter
Schubkraft Höchstgeschwindigkeit Energiebedarf Kosten
Streckenprofil Fahrzeitvorgabe Fahrtakt
Fahrzeugsektionen
Unterwerksabstand Statorabschnittslängen Streckenkabel
Speiseverfahren
Abschnittswechselverfahren
Umrichter
Verkehrsaufkommen
Zahl der Unterwerke
Kabelimpedanzen
Statorimpedanzen
Leistungsdaten
Widerstände
Typ,
Zahl Zahl Schaltstellen
Steigungen,
Anfahrbereiche
Haltestellenabstände
Typ, Zahl
Wirkungsgrade
benötigte Zahl Umrichter/Block
Typ, Trafo
Radien, Kuppen Fahrzeugsektonen
benötigte Zahl Antriebsblöcke/Bereich
Schubkraft Höchstgeschwindigkeit Energiebedarf Kosten
Streckenprofil Fahrzeitvorgabe Fahrtakt
Fahrzeugsektionen
Unterwerksabstand Statorabschnittslängen Streckenkabel
Speiseverfahren
Abschnittswechselverfahren
Umrichter
Verkehrsaufkommen
Zahl der Unterwerke
Kabelimpedanzen
Statorimpedanzen
Leistungsdaten
Widerstände
Typ,
Zahl Zahl Schaltstellen
Steigungen,
Anfahrbereiche
Haltestellenabstände
Typ, Zahl
Wirkungsgrade
benötigte Zahl Umrichter/Block
Typ, Trafo
Radien, Kuppen Fahrzeugsektonen
benötigte Zahl Antriebsblöcke/Bereich
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.1-1
Aufbau konventioneller MSB-Umrichter
Eingangsrafo Netzstromrichter Zwischenkreis Wechselrichter Ausgangstrafo
Trafobetrieb
30-270 Hz
Direkttaktbetrieb
0-70 Hz
N
etz
50 Hz
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.1-2
Spannungsbildung MSB-Umrichter
00.005 0.01 0.015 0.02
1
1
Teil-Wechselrichter 1, positiv
Teilwechselrichter 1, negativ
Teilwechselrichter 2, positiv
Teilwechselrichter 2, negativ
Schaltzustände Dreipunktwechselrichter
Zeit in s
Schaltzustand
.
00.002 0.004 0.006 0.008
Phase R
Phase S
Phase T
Phasenspannungen Dreipunktwechselrichter
Zeit in s
Spannung in kV
.
Beispiel für Steuerwinkel 35°
und Schwenkwinkel 20° bei
100 Hz Grundfrequenz
α = Steuerwinkel
β = Schwenkwinkel
α
β
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.1-3
Spannun
g
sauswertun
g
Umrichter
H1gb
Grundwelle der Spannung
020 40 60 80
0
20
40
60
80
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
.
GESgb
Summe der Oberwellen der Spannung
020 40 60 80
0
20
40
60
80
0
0.1
0.2
.
Grund- und Oberwellen sind nach
oben gegen Schwenkwinkel (rechts)
und Steuerwinkel (links) aufgetragen
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.2-1
Vereinfachte Umrichter
Umrichter mit halber Leistung
Umrichter mit halber Leistung am Netzteil
Umrichter mit ausgelagertem Netzteil
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.3-1
Zusammensetzun
g
der Bele
g
un
g
szeiten
Antriebsbereich n
Antriebsbereich n-1
Haltepunkt vo
r
Antriebsbereichsgrenze
Antriebsbereichsgrenze
Bremsweg
F
ahrzei
t
B
ildezei
t
R
äumzei
t
Belegungszeit = minimaler Takt
Weg
Zeit Überlappungszeit* Überlappungszeit*
* kann auch in Fahrzeit, Bilde- oder
R
äumzeit berücksichtigt werden
Antriebsbereichsgrenze
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.3-2
BLD- und Antriebsbereichsaufteilun
g
BLD n
A
BE n
F
ahrzeit n
Bildezeit n Räumzeit n
Belegungszeit n = minimaler Takt
N
ormal:
1 BLD/ABE
Option B:
n+1 BLD für
n ABE
A
BE 1
A
BE 2
A
BE 3
A
BE 4
BLD 1 BLD 2 BLD 3 BLD 4 BLD 5
Belegungszeiten = minimaler Takt
≈
Fahrzeit pro ABE
F
ahrzeiten ABE
≈
minimaler Takt
Option A:
2 BLD/ABE
BLD-Belegungszeit m < minimaler Takt
F
ahrzeit Teil m Bildezeit m Räumzeit m
F
ahrzeit Teil n Bildezeit n Räumzeit n
BLD-Belegungszeit n < minimaler Takt
BLD n BLD m
ABE n+m
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
H
altezeit Fahrzeit 2 Fahrzeit 1 Räumzeit
Bildezeit
Belegungszeit
Fahrzeit 1 Fahrzeit 2 Räumzeit rudimentäre Bildezeit
läuft
während Haltezeit,
H
altezeit selbs
t
ohne BLD-Belegung
Belegungszeit
H
erkömmliche Anordnung:
Verschiebung Antriebsbereichsgrenze in Station:
ABE n (verschoben um Fahrzeit 1)
ABE n
Anlage 8.3-3
Belegun
g
in Stationsbereichen
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.4-1
Statorschaltun
g
en bei Reihenanordnun
g
Sternschaltung Dreieckschaltung
Schaltstelle mit Einspeise-
und Stern
p
unktschaltern
Streckenkabel
Stator rechts
Stator links
Schaltstelle mit
Eins
p
eiseschaltern
Reihenschaltung
Phase
R
S
T
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.4-2
Offene Sternschaltung mit Ersatzschaltbild
Schaltstelle mit Einspeise-
und Trennschaltern
Streckenkabel
Stator rechts
Stator links
Offene Sternschaltung
Phase
R
S
TStreckenimpedanz
zum Umrichter A:
ZA
Spannung
Umrichter A:
uA
i
Statorimpedanzen ZS
uA + uB
ZB
Einphasiges Ersatzschaltbild
uP
Polrad-
spannung
uB
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.5-1
Schaltung Mischspeisung
Schaltstelle mit Stern-, Einspeise-
und Trennschaltern
Streckenkabel
Stator rechts
Stator links
Jeder SA kann entweder doppelt aus Richtung A und B gespeist werden (Trennschalter geschlossen) oder zwei
SA gleichzeitig, einer aus Richtung A, der zweite aus Richtung B (Trennschalter SA 1 offen)
Phase
R
S
T
SA 1 SA 2
A B
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.5-2
Schubverlauf Mischspeisun
g
0%
20%
40%
60%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Polradspannung
alter SA rechts neuer SA rechts
SA links
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Schubkraft
alter SA rechts neuer SA rechts
SA links
Summe
0%
40%
80%
120%
0 100 200 300 400 500
Weg / m
Statorstrom
alter SA rechts neuer SA rechts
SA links
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
1.
SA n SA n+1 SA n+2
2.
SA n SA n+1 SA n+2
3.
SA n SA n+1 SA n+2
4.
SA n SA n+1 SA n+2
5.
SA n SA n+1 SA n+2
6.
SA n SA n+1 SA n+2
kennzeichnet Schaltvorgang
Anlage 8.7-1
Prinzipablauf Teilschrittverfahren
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.7-2
Spannun
g
shalter Teilschrittverfahren
Ablaufsteuerung
Umrichter
Speicher
Konventioneller Stromregler
uA*
uA gespeichert*
uA ausgewählt* uA
Spannungshalter
Auswahl
uA ausgewählt*
Strecke
uA
*
Tri
gg
ersi
g
nal
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
0 50 100 150 200 250 300
0
500
1000
1500 Stromverlauf Teilschrittverfahren
Zeit / ms
Statorstrombetrag / A
.
Zuschaltung dritter
Teilabschnitt
Absteuerung der
Spannung
Abschaltung
ersterTeilabschnitt
Nachregelung durch
Stromsregler
Anlage 8.7-3
Berechnun
g
ser
g
ebnis Teilschrittverfahren
Abschalten
Spannungshalter
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.7-4
Sternschaltung Teilschrittverfahren
Schaltstelle Schaltstelle
Statorabschnitte
Einspeise-
schalte
r
Sternpunkt-
schalte
r
Reihen-
schalte
r
Verlängerungs-
schalte
r
Streckenkabel Phase
R
S
T
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.7-5
Dreieckschaltun
g
Teilschrittverfahren
Schaltstelle
Schaltstelle
Statorabschnitte
Einspeise-
schalte
r
Reihen-
schalte
r
Verlängerungs-
schalte
r
Streckenkabel Phase
R
S
T
Dreieck-
schalte
r
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.7-6
Speisezustände Teilschrittverfahren
1. Ausgangszustand
2. Zuschaltung neuer SA
3. Abschaltung halber SA
4. Endzustand
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.7-7
Störfallschaltun
g
en Teilschrittverfahren
1. Streckenkabel defekt,
1 Streckenkabelsystem
symbolisiert defekte Stelle einzuspeisender Statorabschnitt
3. Statorabschnitt defekt
2. Streckenkabel defekt,
2 parallel schaltbare
Streckenkabelsysteme
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.7-8
Aufbauvorschla
g
Teilschrittverfahren
Schaltstelle R Schaltstelle L
Statorabschnitte
Einspeise-
schalte
r
Sternpunkt-
schalte
r
Reihen-
schalte
r
Verlängerungs-
schalte
r
Streckenkabel Phase
R
S
T
Verlängerungs-
schalte
r
Kabeltrenner
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 8.8-1
Kabelausle
g
un
g
Ener
g
ieversor
g
un
g
Leistungsübertragung 20 kV (500 mm2 Leiterquerschitt)
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
5 101520253035
Übertragungsleistung / MW
Übertragungslänge / km
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
an Weiche befestigter Teil der
Schaltvorrichtung
Anlage 8.9-1
Prinzipskizze weichen
g
esteuerte Schaltvorrichtun
g
Streckenkabel
Einspeiseschalter (in
Schaltstelle)
Sternpunktschalter (in
Schaltstelle)
Fahrzeug
stationärer Teil der Schaltvorrichtung
Stator
Umrichte
r
Umrichte
r
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 11.1-1
Festle
g
un
g
der Unterwerksstandorte
Technische Fahrzeit
Einteilung in n gleiche Teile:
Ortsermittlung über Weg-Zeit-Diagramm,
Richtung a ...
... und Richtung b
Festlegung der
Unterwerks-Standorte
zwischen den Orten
beider Richtungen
Zeit
Zeit
Ort
Ort
Ort
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 11.1-2
Weg-Zeit-Dia
g
ramm Vorabausle
g
un
g
(Variante 1)
0
270
540
810
1080
1350
1620
0 5 10 15 20 25 30 35
Ort / km
Fahrzeit / s
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 11.2-2
Gleisbele
g
un
g
en Endstation
Gleisbelegung um :02
Ankunftsspu
r
Abfahrtspu
r
Gleisbelegung um :00
Ankunftsspu
r
Abfahrtspu
r
Fall1: Kreuzen bei Einfahrt
Gleisbelegung um :15
Ankunftsspu
r
Abfahrtspu
r
Gleisbelegung um :17
Ankunftsspu
r
Abfahrtspu
r
Fall2: Kreuzen bei Ausfahrt
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 12.2-1
Stromverläufe Vorabausle
g
un
g
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
0 5 10 15 20 25 30 35
Ort / km
Strom / kA
Spur a
S
p
ur b
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 13.2-1
Spannun
g
en optimierte Trafoübersetzun
g
Variante
Spannungsverlauf
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Ort / km
Spannung / kV
Nennwert
Istwert
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 13.2-2
Ströme optimierte Trafoübersetzun
g
Variante 2
Stromverlauf
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Ort / km
Strom / kA
Nennwert Istwert
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 13.2-3
Geschwindigkeit und Beschleunigung Variante 2
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Ort / km
Geschwindigkeit / km/h
-1
-0,8
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Beschleunigung / m/s2
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 14.2-1
Statorabschnittslän
g
en Variante 1
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Ort / km
Statorabschnittslänge / m
0
50
100
150
200
250
Geschwindigkeit / km/h
linker Stator
rechter Stator
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 14.2-2
Statorabschnittslän
g
en Variante 2
0
500
1000
1500
2000
2500
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Ort / km
Statorabschnittslänge / m
0
50
100
150
200
250
Geschwindigkeit / km/h
linker Stator
rechter Stator
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 15.2-1
Leistun
g
sverläufe einzelner Fahrzeu
g
e Variante 2
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Ort / km
Leistung / MW
Fahrt auf Spur a Fahrt auf Spur b
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 15.2-2
Leistun
g
sverlauf Unterwerk 1 Variante 2
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
012345678910
Zeit / min
Leistung / MW
Spur a Fzg 1
Spur a Fzg 2
Spur a Fzg 3
Spur b Fzg 1
Spur b Fzg 2
Spur b Fzg 3
Summe
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 15.2-3
Leistun
g
sverlauf Unterwerk 2 Variante 2
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Zeit / min
Leistung / MW
Spur a Fzg 1
Spur a Fzg 2
Spur a Fzg 3
Spur b Fzg 1
Spur b Fzg 2
Spur b Fzg 3
Summe
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 15.2-4
Leistun
g
sverlauf Unterwerk 3 Variante 2
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Zeit / min
Leistung / MW
Spur a Fzg 1
Spur a Fzg 2
Spur a Fzg 3
Spur b Fzg 1
Spur b Fzg 2
Spur b Fzg 3
Summe
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 15.2-5
Leistun
g
sverläufe einzelner Fahrzeu
g
e, Variante 3
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Ort / km
Leistung / MW
Fahrt auf Spur a Fahrt auf Spur b
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 16.1-1
Statorstromverläufe, Variante 1
Spur a
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0 5 10 15 20 25
Zeit / min
Strom / kA
Verbund 1
Verbund 2
V
erbund 3
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 16.1-2
Ausle
g
un
g
ser
g
ebnis Variante 1
4
4 4 55
5 6 5 7
7
Unterwerk 1 (km 6) Unterwerk 2 (km 23,2) Unterwerk 3 (km 38)
Legende: Hochspannungsanlage Betriebsleittechnik-Dezentrale Wechselrichter
Station Kabelsystem Antriebsbereich
Schaltstelle rechte Statoren (beide Spuren) Schaltstelle linke Statoren (beide Spuren)
0,3 2,5 6 8,9 12,6 15,8 17,4 20,7 23,2 25,7 28,3 30,8 33,3 35,5 37,7
0 1,7 16,5 25,2 34,0 38 km
6
6
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 16.1-3
Nenndaten Umrichter Variante 1
0
1
2
3
4
5
6
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Frequenz / Hz
Nennspannung / kV
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Nennstrom / kA
Spannung
Direkttakt Trafobetrieb
Strom
Direkttakt Trafobetrieb
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 16.2-1
Ausle
g
un
g
ser
g
ebnis Variante 2
688
6 8 8
6
Unterwerk 1 (km 5) Unterwerk 2 (km 25,2) Unterwerk 3 (km 38)
Legende: Hochspannungsanlage Betriebsleittechnik-Dezentrale Wechselrichter
Station Kabelsystem Antriebsbereich
Schaltstelle rechte Statoren (beide Spuren) Schaltstelle linke Statoren (beide Spuren)
0 1 1,7 5 16,5 25,2 34 36,7 38
Kilometer
8
8
6
Umschaltvorrichtung
20 kV - Verbindung
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 16.2-2
Nenndaten Umrichter Variante 2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Frequenz / Hz
Nennspannung / kV
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Strom / kA
Spannung
Direkttakt Trafobetrieb 1 Trafobetrieb 2
Strom
Direkttakt Trafobetrieb 1 Trafobetrieb 2
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 16.3-1
Ausle
g
un
g
ser
g
ebnis Variante 3
3 3 4
3 3 4
Unterwerk 1 (km 9) Unterwerk 2 (km 29,5)
Legende: Hochspannungsanlage Betriebsleittechnik-Dezentrale Wechselrichter
Station Kabelsystem Antriebsbereich
Umschaltvorrichtung beide Statoren, beide Spuren
0 0,5 1,7 9 16,5 19 25,2 29,5 34 37,5 38
Kilomete
r
3
4
20 kV - Verbindung
Schaltstellen alle 300 m
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 16.3-2
Nenndaten Umrichter Variante 3
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0 20406080100120140160
Frequenz / Hz
Nennspannung / kV
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
Strom / kA
Spannung
Direkttakt Trafobetrieb
Strom
Direkttakt Trafobetrieb
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 17.1-1
Fahrspiele Spur A
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25
Fahrzeit / min
Geschwindigkeit / km/h
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 17.1-2
Fahrspiele Spur B
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25
Fahrzeit / min
Geschwindigkeit / km/h
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 17.3-1
Bildfahrplan Variante 1 mit BLD-Belegung
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 17.3-2
Bildfahrplan Variante 2 mit BLD-Bele
g
un
g
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 17.3-3
Bildfahrplan Variante 3 mit BLD-Bele
g
un
g
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 17.3-4
Bildfahrplan Variante 3 mit ABE-Bele
g
un
g
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 18.1-1
Betriebskostenanalyse Magnetbahn und S-Bahn
MSB
350 km/h
10 min
Express S-Bahn
160 km/h
17 min
Instandhaltung 7,0 Mio EUR 10,6 Mio EURMSB: Abschätzung IFB (Personal/Material: 70%/30%)
RS: detaillierte Berechnung, Erfahrungswerte
Energie 7,9 Mio EUR 2,2 Mio EURMSB: 0,04 EUR/kWh, Netznutzung 3,083 Mio EUR/a
Quelle: /10/
RS: 0,07 EUR/kWh
Betriebspersonal 1,7 Mio EUR 3,1 Mio EURBerechnung mit PMS (IFB-eigenes Werkzeug), ohne
Gepäckservice, MSB ohne Zugbeleiter, RS mit Lokführer
Versicherung 2,8 Mio EUR 1,6 Mio EURca. 2 Promille des aktivierten Anlagevermögens
Sonstige
1) 8,7 Mio EUR 8,7 Mio EUR
- Marketing 0,6 Mio EUR 0,6 Mio EUR
- Vertrieb 4,5 Mio EUR 4,5 Mio EUR
- Operating 0,5 Mio EUR 0,5 Mio EUR
- Gepäck 3,1 Mio EUR 3,1 Mio EUR
Gesamt 28,2 Mio EUR 26,1 Mio EUR
1) Übernahme aus MB-Studie
Betriebskosten/Jahr
Kostengruppe Ansatz
Wert Gepäck-Handling gemäß /11/
MSB
350 km/h
10 min
Express S-Bahn
160 km/h
17 min
Instandhaltung 7,0 Mio EUR 10,6 Mio EURMSB: Abschätzung IFB (Personal/Material: 70%/30%)
RS: detaillierte Berechnung, Erfahrungswerte
Energie 7,9 Mio EUR 2,2 Mio EURMSB: 0,04 EUR/kWh, Netznutzung 3,083 Mio EUR/a
Quelle: /10/
RS: 0,07 EUR/kWh
Betriebspersonal 1,7 Mio EUR 3,1 Mio EURBerechnung mit PMS (IFB-eigenes Werkzeug), ohne
Gepäckservice, MSB ohne Zugbeleiter, RS mit Lokführer
Versicherung 2,8 Mio EUR 1,6 Mio EURca. 2 Promille des aktivierten Anlagevermögens
Sonstige
1) 8,7 Mio EUR 8,7 Mio EUR
- Marketing 0,6 Mio EUR 0,6 Mio EUR
- Vertrieb 4,5 Mio EUR 4,5 Mio EUR
- Operating 0,5 Mio EUR 0,5 Mio EUR
- Gepäck 3,1 Mio EUR 3,1 Mio EUR
Gesamt 28,2 Mio EUR 26,1 Mio EUR
1) Übernahme aus MB-Studie
Betriebskosten/Jahr
Kostengruppe Ansatz
Wert Gepäck-Handling gemäß /11/
Quelle: [17]
Höchstgeschwindigkeit
Fahrzeit
Magnetschnellbahn für den schnellen Regionalverkehr –
Optimierung des Langstatorantriebs und der Energieversorgung
regional Anlagen.doc
Anlage 18.1-2
Wirtschaftlichkeitsanalyse Magnet- und S-Bahn
(abzgl. öffentliche Invest-Zuschüsse)
Betrachtungszeitraum: 30 Betriebsjahre, Eskalation: 3 % für Betriebskosten, 1,5 % für Erlöse;
Finanzierungskosten MSB für 636 Mio. € bei Zinssatz 4,5 %
Aufkommen S-Bahn: 60 % des Aufkommens MSB
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1.000
1.200
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035
[Mio. EUR]
Betriebsüberschüsse
Entwicklung des
Projekterfolges MSB
Entwicklung des
Projekterfolges ExpressS-Bahn
Jahr
Bauphase
2006 - 2009
Beginn Betriebsphase: 2010 Ende Betrachtungszeitraum: 2039
(abzgl. öffentliche Invest-Zuschüsse)
Betrachtungszeitraum: 30 Betriebsjahre, Eskalation: 3 % für Betriebskosten, 1,5 % für Erlöse;
Finanzierungskosten MSB für 636 Mio. € bei Zinssatz 4,5 %
Aufkommen S-Bahn: 60 % des Aufkommens MSB
-800
-600
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-200
0
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1.000
1.200
2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035
[Mio. EUR]
Betriebsüberschüsse
Entwicklung des
Projekterfolges MSB
Entwicklung des
Projekterfolges ExpressS-Bahn
Jahr
Bauphase
2006 - 2009
Beginn Betriebsphase: 2010 Ende Betrachtungszeitraum: 2039
-800
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-200
0
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800
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2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035
[Mio. EUR]
Betriebsüberschüsse
Entwicklung des
Projekterfolges MSB
Entwicklung des
Projekterfolges ExpressS-Bahn
Jahr
Bauphase
2006 - 2009
Beginn Betriebsphase: 2010 Ende Betrachtungszeitraum: 2039
Quelle: [17]
