282 Wissenschaft Fahrzeugtechnik 118 (2020) Heft 7-8 Wirkungsgradsteigerung von elektrischen Antriebssträngen mit hochdrehenden Maschinen Leonie Heckele, Markus Tesar, Peter Gratzfeld, Karlsruhe Der Einsatz einer hochdrehenden Antriebsmaschine und eines Stromrichters mit Siliciumcarbid-Halbleitern in einem Straßenbahnfahrzeug ermöglicht die Steigerung des Wirkungsgrades. Diese ergibt sich hauptsächlich durch den verbesserten Wirkungsgrad der Komponenten, aber auch durch die Verringerung der Antriebsstrangmasse. Durch Energieverbrauchsberechnungen auf zwei Strecken wird das Energiesparpotenzial aufgezeigt. Efficiency Improvement of electrical power trains with high-speed machines The use of a high-speed machine and Silicon Carbide semiconductors in converters increase the efficiency of tramway vehicles. This results mainly from the improved efficiency of the components, but also from the mass reduction of the power train. The energy saving potential is demonstrated by energy consumption calculations on two different rail tracks. Rendement des groupes motopropulseurs électriques augmenté par l’utilisation de machines à grande vitesse L’utilisation d’une machine à grande vitesse et de semi-conducteurs en carbure de silicium dans le convertisseur d’un tram permet d’augmenter le rendement. L’augmentation est principalement due au rendement plus élevé des composants ainsi qu’à la réduction de la masse du groupe motopropulseur. Le calcul de la consommation d’énergie sur deux itinéraires différents met en avance les économies d’énergie envisageables. 1 Einführung Schienenfahrzeugbetreiber sind an Fahrzeugen mit niedrigen Lebenszykluskosten interessiert. Diese werden unter anderem durch den Energieverbrauch und massenabhängige Trassengebühren bestimmt. Eine Veränderung des Antriebsstrangs erlaubt es, beide Parameter gleichzeitig zu beeinflussen. Eine Möglichkeit dazu ist der Einsatz weiter- und neuentwickelter Komponenten, welche die Masse des Antriebsstrangs reduzieren und dessen Wirkungsgrad erhöhen. Durch den Einsatz leichterer Komponenten wird die Masse des Fahrzeuges verringert, was einen geringeren Energieverbrauch erwarten lässt. Zusätzlich können diese neuen Komponenten mit neuartigen, energieeffizienten Technologien ausgerüstet sein, wodurch der Energieverbrauch weiter gesenkt wird. Der Lösungsansatz zur Massenreduktion im vom BMWi geförderten Projekt MTAB (Modellierung und Test neuartiger, hocheffizienter und hochintegrierter Antriebssysteme für Bahnanwendungen) ist eine Erhöhung der Drehzahl des Antriebsmotors [1]. Bei den neuen Technologien werden für den Antriebsmotor speziell für den Bahnbereich ausgelegte Asynchronmaschinen (ASM) und permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) sowie Siliciumcarbid (SiC)- Halbleiter für den Stromrichter betrachtet. Um die Einflüsse der verschiedenen Komponenten unabhängig voneinander und auf das Fahrzeug ganzheitlich zu betrachten und bewerten, wird eine Gesamtsystembetrachtung durchgeführt. 2 Grundlagen 2.1 Fahrmotor In Straßenbahnfahrzeugen werden meistens ASM und seltener PSM als Traktionsantriebe eingesetzt [2]. Bei elektrischen Maschinen kann ein Zusammenhang zwischen Nenndrehzahl und geometrischen Größen hergestellt werden [3]. Es gilt: (1) mit P Leistung der elektrischen Maschine C Essonscher Ausnutzungsfaktor d Bohrungsdurchmesser l ideelle Eisenlänge d2 · l = P C · n
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