Elektrotraktion

Professor Dr.-Ing. habil. Klaus Hofer lehrt an der Fachhochschule Bielefeld, FB 2. Er ist Privatdozent an der Universität Bielefeld, TechFak, Erfinder des BiBo, LineCar und UniCyc, Autor von sieben Fachbüchern beim VDE VERLAG, Schriftsteller und Verleger von zwei Romanen, Speaker und Chairman auf internationalen Fachkongressen, Referent im Haus der Technik (HdT) in Essen, Senior-Member bei IEEE, USA.

Entwicklungsgeschichte der Elektrotraktion. 11
2 Energiebedarf unterschiedlicher Transportsysteme. 17
3 Mechanische Antriebsgrundlagen. 23
3.1 Rotation und Translation. 23
3.2 Vierquadrant-Betrieb. 27
3.3 Optimaler Hochlauf. 30
4 Elektrische Energiespeicher. 33
4.1 Öffentliches Netz. 33
4.2 Mechanische Energiespeicher. 34
4.3 Elektrostatische Energiespeicher. 36
4.4 Elektrochemische Energiespeicher. 36
4.5 Brennstoffzellen. 38
4.6 Solarzellen. 39
5 Elektrische Maschinen. 41
5.1 Gleichstrommaschinen. 42
5.1.1 Fremderregte Gleichstrommaschine. 42
5.1.2 Universalmotor / Gleichstromreihenschlussmaschine. 46
5.2 Drehstrom-Transformator. 49
5.2.1 Aufbau und Wirkungsweise des Transformators. 50
5.2.2 Ersatzschaltbild des Transformators. 51
5.2.3 Zeigerdiagramm des Transformators. 54
5.2.4 Bestimmumg der Parameter des Transformators. 56
5.3 Drehstrom-Asynchronmaschine. 60
5.3.1 Aufbau und Wirkungsweise der Asynchronmaschine. 60
5.3.2 Einphasiges Ersatzschaltbild der Asynchronmaschine. 64
5.3.3 Zeigerdiagramm der Asynchronmaschine. 66
5.3.4 Stromortskurve der Asynchronmaschine. 67
5.3.5 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien der Asynchronmaschine. 69
5.3.6 Feldorientierung der Asynchronmaschine. 72
5.4 Drehstrom-Synchronmaschine. 73
5.4.1 Aufbau und Wirkungsweise der Synchronmaschine. 74
5.4.2 Einphasiges Ersatzschaltbild der Synchronmaschine. 75
5.4.3 Vereinfachtes Zeigerdiagramm der Synchronmaschine. 77
5.4.4 Stromortskurven der Synchronmaschine. 78
5.4.5 Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien der Synchronmaschine. 80
5.5 Lineare Drehstrommaschinen. 82
5.5.1 Konventionelle Asynchronlinearmaschine. 83
5.5.2 Gekrümmte Kurzstator-Asynchronlinearmaschine. 88
5.5.3 Vollstator-Asynchronlinearmaschine. 95
6 Vierquadrant-Stromrichtergeräte. 101
6.1 Netzgeführte Stromrichter-Stellglieder. 101
6.1.1 Einphasiger Umkehrstromrichter. 102
6.1.2 Einphasiger Direktumrichter. 107
6.2 Selbstgeführte Stromrichter-Stellglieder. 109
6.2.1 Vierquadrant-Gleichstromsteller. 109
6.2.2 Vierquadrant-Frequenzumrichter. 112
6.2.3 Drehstrom-Wechselrichter. 114
6.2.3.1 Schaltzustände des Wechselrichters. 116
6.2.3.2 Spannungs-Raumzeigermodulation. 120
6.3 Stromrichter in der Elektrotraktion. 125
7 Drehzahl-Drehmoment-Regelung. 127
7.1 Klassische Kaskadenstruktur. 127
7.1.1 Drehmoment-Regelung. 130
7.1.2 Drehzahl-Regelung. 134
7.1.3 Positions-Regelung. 137
7.1.4 Analoger PI-Regler. 139
7.1.5 Digitaler PI-Regler. 141
7.2 Ankerstromregelung der Gleichstrommaschine. 147
7.3 Feldorientierte Regelung der Asynchronmaschine. 151
7.3.1 Raumzeigerdarstellung. 154
7.3.2 Hochlauf mit feldorientierter Regelung. 157
7.4 Feldorientierte Regelung der Synchronmaschine. 158
8 Antriebsbeispiele aus der Elektrotraktion. 163
8.1 Elektrofahrzeuge mit Mehrmotorenantrieb. 164
8.2 Elektrofahrzeuge mit Hybridantrieb. 166
8.3 Spurgebundene Elektrofahrzeuge. 168
8.3.1 Elektrische Eisenbahnen. 169
8.3.2 Elektrische Straßenbahnen. 172
8.3.3 Magnet-Schwebebahnen. 173
8.4 Spurungebundene Elektrofahrzeuge. 175
8.4.1 Elektro-Vierradfahrzeuge. 176
8.4.2 Lenkradlose Elektrofahrzeuge. 179
8.4.3 Elektro-Zweiradfahrzeuge. 182
8.4.4 Elektro-Einradfahrzeuge. 184
8.4.4.1 Elektrisches Einrad als inverses Pendel. 185
8.4.4.2 Regelungstechnische Stabilisierung des Einrads. 187
8.4.4.3 Fuzzy-Regelung des Elektroeinrads. 190
8.4.4.4 Elektro-Einrad mit integriertem Felgenmotor. 194
9 Dimensionierungsbeispiele aus der Elektrotraktion. 199
9.1 Traktionsantrieb für ein Elektrofahrzeug. 199
9.2 Fremderregte 40-kW-Gleichstrommaschine für die Traktion. 202
9.3 Reihenschlussmotor einer Straßenbahn. 206
9.4 Nenndaten eines Drehstromtransformators. 209
9.5 Stromortskurve einer Asynchronmaschine. 212
9.6 Hochlauf eines Umkehrstromrichterantriebs. 217
9.7 Elektronische Lichtmaschine für die Traktion. 220
9.8 Frequenzumrichtergespeister Drehstromantrieb. 224
9.9 Laden einer Traktionsbatterie aus einem Solarpanel. 228
9.10 Energiemanagement f

Die Forschung und Entwicklung sowie die Produktion und der Einsatz von Fahrzeugen aller Art garantieren die Wettbewerbsfähigkeit eines modernen Industriestaats und damit den Wohlstand und die Mobilität eines jeden Einzelnen. Damit der Fahrzeugsektor aber auch in Zukunft der Motor einer rohstoffarmen Volkswirtschaft bleiben kann, müssen bei der Weiterentwicklung mehr und mehr dessen Folgen auf die Umwelt berücksichtigt und minimiert werden. Dies wird im gesamten Fahrzeugbau einen gewaltigen Innovationsschub hin zu den umweltfreundlicheren Elektromobilen auslösen. Insbesondere die rasante Verknappung der weltweiten Erdölreserven, die Verfügbarkeit von alltagstauglichen Brennstoffzellen und die regenerative Energieerzeugung aus Sonne, Wasser und Wind werden den Trend zu Straßenfahrzeugen mit Elektrotraktion in den nächsten Jahren und Jahrzehnten immens beschleunigen. Dabei wird die Verdrängung von Verbrennungsfahrzeugen durch Elektrofahrzeuge umso schneller vorankommen, je mehr die Anschaffungskosten, Reichweiten und Auftankzeiten sich annähern und je schneller sich die Brennstoffpreise denen der alternativen Energieträger angleichen werden. Und dies alles unter dem Hintergrund, dass auch diese nachwachsenden Energieträger importiert werden müssen, da sie in europäischen Breitengraden nicht annähernd in ausreichenden Mengen zur Verfügung stehen.Der Übergang vom Verbrennungsantrieb zum Elektroantrieb hat mit der Abschaffung der Dampflokomotiven und der Elektrifizierung der Bahnstrecken zu Beginn des letzten Jahrhunderts begonnen. Die Vorteile der schienengebundenen Elektrotraktion sind enorm und werden sich auch auf die Straßenfahrzeuge übertragen, bieten sie nicht zuletzt auch die einmalige Chance zu einem bewussteren Umgang mit dem Rohstoff Energie. Die Substitution von Komponenten des Maschinenbaus durch solche der Elektrotechnik und Energietechnik wird die hohe Betriebssicherheit und uneingeschränkte Verfügbarkeit sowie die Bewegungsdynamik von Fahrzeugen auf allen Gebieten weiter erhöhen. Ähnlich wie im Werkzeugmaschinenbau, der Handhabungstechnik und vielen anderen Zweigen der Industrieautomation werden auch bei leistungsstarken Elektromobilen hauptsächlich die robusten Drehstromantriebe zum Einsatz kommen. Wegen des komplizierten Zusammenspiels von moderner Leistungselektronik plus Mikroelektronik, intelligenter Regelungs- und Antriebstechnik sowie elektromechanischer Energieumwandlung und mechanischer Fahrdynamik setzt der Umgang mit Elektrofahrzeugen ein breit gefächeltes Fachwissen voraus. Diesen Ansprüchen wird das vorliegende Buch dadurch gerecht, dass es auf die Anwendung elektrischer Antriebstechnik in Fahrzeugen auf Rädern zugeschnitten ist und auf die Funktionsweise und die Leistungsgrenzen der einzelnen Komponenten sehr ausführlich eingeht.Anhand unterschiedlicher Transportsysteme, wie Flugzeuge, Autos, Bahnen, Busse etc., werden die Einflussgrößen aufgezeigt, die den relativen Energiebedarf eines Fahrzeugs bestimmen, um eine Person hundert Kilometer weit zu befördern. Dies führt auf eine ökologische Formel, die unabhängig von der Antriebsform für alle Fahrzeuge gleichermaßen gilt. Dem Thema Energiespeicherung auf spurungebundenen Fahrzeugen widmet sich ein eigenes Kapitel, das die Batterie-Problematik als das Handicap der Elektrofahrzeuge der letzten einhundert Jahre verdeutlicht und alternative Lösungsweg aufzeigt. Sehr ausführlich werden die speziellen, antriebstechnischen Eigenschaften, Leistungsgewichte und Wirkungsgrade von Gleichstrom- und Drehstrommaschinen abgeleitet und die Eingriffsmöglichkeiten in deren Systemverhalten aufgezeigt. Die Steuerung des elektrischen Energieflusses mittels Leistungselektronik macht dem Leser am Beispiel eines dreiphasigen Wechselrichters verständlich, welcher Stromrichteraufwand erforderlich ist, um aus der Gleichspannung der Traktionsbatterie ein synthetisches (künstliches) Drehstromsystem variabler Spannung und Frequenz zu