Eine maßgeschneiderte Lösung

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1 Eine maßgeschneiderte Lösung Die leistungsstarken Antriebsumrichter von ABB sind energieeffizient, zuverlässig und sehr kompakt so eignen sie sich für alle Arten von Schienenfahrzeugen HARALD HEPP In modernen Schienenfahrzeugen wird jeder Bewegungszustand von Traktionsumrichtern auf der Basis von Halbleitertransistoren, sogenannten IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), angetrieben und gesteuert. ABB gehört zu den führenden Anbietern von Leistungshalbleitern und leistungselektronischen Systemen, insbesondere von Motorantrieben für verschiedene Industriezweige und Leistungsbereiche. Aufbauend auf dieser Expertise hat ABB in den vergangenen zehn Jahren eine Reihe äußerst erfolgreicher Traktionsumrichter auf den Markt gebracht, die sich durch ihre Energieeffizienz, Zuverlässigkeit, Kompaktheit und Wartungsfreundlichkeit auszeichnen. Auf dem globalen Markt ist ABB einer der wenigen unabhängigen Anbieter von Traktionsumrichtern und ganzen Traktionspaketen. ABB baut zwar selbst keine Schienenfahrzeuge, liefert aber wichtige Teilsysteme für den Antrieb und die elektrische Ausrüstung. 60 ABB technik 2 10

2 1 ABB 2,3-MW-Kompaktumrichter vom Typ BORDLINE zum Antrieb von drei Achsen von CoCo-Zweisystemlokomotiven V ergleicht man die elektrischen Traktionsmotoren in Straßenbahnen, Triebzügen oder Lokomotiven mit den Muskeln im menschlichen Körper, wären Traktionsumrichter sowohl das Herz als auch das Kleinhirn. Als Herz sichern sie den lebenswichtigen Blutstrom, und als Kleinhirn sorgen sie mithilfe ausgeklügelter Regelalgorithmen für eine sanfte, präzise und koordinierte Bewegung. Technisch gesehen liefert ein Traktionsumrichter die erforderlichen Spannungsmuster für die Traktionsmotoren zur Steuerung der Drehzahl und des Drehmoments sowie des Energiefl usses zu den Rädern oder beim regenerativen Bremsen auch von den Rädern zurück in das System. Das Bild auf Seite 60 zeigt einen modernen energieeffi - zienten 1,5-MV-Umrichter von ABB (Typ BORDLINE CC1500_AC) für Doppelstocktriebzüge von Stadler Rail. Der Traktionsumrichter bildet also die intelligente Verbindung zwischen der Energieversorgung über den Fahrdraht, Transformator oder Dieselgenerator auf der einen Seite und den Traktionsmotoren auf der anderen Seite. Motorseitige Anforderungen Auf der Motorseite bekommt der Traktionsumrichter Eingangssignale vom Motor wie Phasenströme, Drehzahl und Motortemperatur. Diese Informationen werden mit den Steuerbefehlen des Fahrers bzw. des Fahrzeugs kombiniert, die dem Umrichter mitteilen, wie der Zug anfahren, beschleunigen oder bremsen soll. Regelalgorithmen verarbeiten diese Signale innerhalb von Millisekunden unter Berücksichtigung der Motorcharakteristik in verschiedenen Bereichen des Frequenz-/ Lastdiagramms. In Wirklichkeit ist ein Antriebsteuerungssystem für Schienenfahrzeuge jedoch noch viel komplexer. So muss das System zum Beispiel auch den Radschlupf berücksichtigen, der wiederum von den Witterungsbedingungen, der Steigung der Strecke und dem Verschleiß der Schienen und Räder abhängt. Eine weitere Anforderung ist die Koordination verschiedener Antriebsachsen an einem Fahrzeug. In diesem Zusammenhang zeigten Traktionsumrichter von ABB vor wenigen Monaten bei Praxistests mit einer neuen CoCo-Mehrsystemlokomotive des spanischen Systemintegrators Constructiones y Auxiliar de Ferrocarriles (CAF) S.A. hervorragende Vergleichswerte 1. Vielleicht die wich- tigsten Funktionen der Antriebssteuerung sind aber die Schutzalgorithmen, die dafür sorgen, dass die Regelung auch in allen denkbaren außerordentlichen Zuständen des gesamten Antriebssystems richtig, zuverlässig und sicher reagiert. Einer der Hauptvorteile von ABB-Traktionsumrichtern ist, dass sie auf der Steuerungsplattform AC 800PEC [1] basieren, dem wohl leistungsstärksten modularen Vergleicht man die Traktionsmotoren in Straßenbahnen, Triebzügen oder Lokomotiven mit den Muskeln im menschlichen Körper, wären Traktionsumrichter sowohl das Herz als auch das Kleinhirn. Controller für sehr schnelle Regelungsanwendungen auf dem Markt 2. Neben Schienenfahrzeugen kommt die Steuerungsplattform auch in Windkraftanlagen, industriellen Hochleistungsantrieben, Anlagenautomatisierungssystemen, Hochleistungsgleichrichtern und vielen anderen Anwendungen zum Einsatz. Die Software Eine maßgeschneiderte Lösung 61

3 2 Ein Controller vom Typ AC 800PEC, wie er in ABB-Traktionsumrichtern zum Einsatz kommt 3 Schlanke Hardwarestruktur: BORDLINE CC1500_AC Steuersystem mit AC 800PEC-Controller des AC 800PEC ist auf drei Funktionsebenen unterschiedlicher Taktzeit implementiert und bietet eine hervorragende Bandbreite an Steuer- und Kommunikationsfunktionalitäten mit Taktzeiten von unter einer Mikrosekunde bis in den Millisekundenbereich. Darüber hinaus bietet der Controller eine Vielzahl von Eingabe-/ Ausgabemodulen sowie Engineering- und Servicetools 3. ABB-Traktionsumrichter basieren auf der Steuerungsplattform AC 800PEC, dem wohl leistungsstärksten modularen Controller für sehr schnelle Regelungsanwendungen auf dem Markt. Mehrere Teams von Hardware- und Softwareingenieuren, die ausschließlich an Traktionsumrichtern arbeiten, entwickeln bei ABB traktionsspezifi sche Hardwarekonfi gurationen und Softwaremodule, die auf die Fahrzeuge und Projekte einzelner Kunden zugeschnitten werden. Im Vergleich zu den meisten kommerziell erhältlichen Antriebssteuerungssystemen ist die Anwendungssoftware des AC 800PEC so konzipiert, dass die Inbetriebnahme der Züge erheblich beschleunigt wird. So können Parameter und Algorithmen in Echtzeit angepasst werden, um eine sanfte und kraftvolle Bewegung über alle Drehzahl- und Lastbereiche hinweg zu gewährleisten. Systemintegratoren und Eisenbahnbetreiber sind häufi g überrascht, wie schnell neue Fahrzeugkonstruktionen mit Umrichtern und Antriebssteuerung von ABB einsatzbereit sind, nachdem sie zum ersten Mal eingeschaltet und gestartet wurden. Netzseitige Anforderungen Da ein Zug ein sich häufi g schnell bewegendes System darstellt, ist der Kontakt zur Fahrleitung nicht zu 100 % stabil. Daher muss der Umrichter die Schwankungen in der Eingangsleistung ausgleichen. In schwachen Bahnstromnetzen wie sie zum Beispiel in einigen Teilen Indiens zu fi nden sind, ist die Anpassung an veränderliche Spannungen noch schwieriger. Aufgabe der Umrichtersteuerung ist es, nicht nur die Form der Ausgangsspannung für die Motoren zu optimieren, sondern auch dafür zu sorgen, dass vom Antriebsstrang keine Rückwirkungen, Oszillationen oder Oberschwingungen auf der Eingangsseite verursacht werden. Bei dieselelektrischen Fahrzeugen werden Verzerrungen der Generatorwellenform minimiert, um einen niedrigeren Verschleiß und eine höhere Energieeffi zienz zu gewährleisten. Bei elektrischen Zügen ist die Steuerung auf der Netzseite noch wichtiger, um Störungen von sicherheitsrelevanten Signalanlagen zu verhindern. In bestimmten Netzen können sich gut funktionierende Traktionsumrichter wie oben beschrieben sogar stabilisierend auf die Spannung im Versorgungsnetz auswirken. 62 ABB technik 2 10

4 4 FLIRT-Triebzug von Stadler für die Schweiz mit angepasster Steuersoftware von ABB bei einer Testfahrt in Norwegen Ein Beispiel für solche Anforderungen sind die im norwegischen 15-kV-/16,7-Hz- Bahnstromnetz gültigen Regeln für Netzrückwirkungen. So fordert die für die Infrastruktur der norwegischen Eisenbahnen zuständige Gesellschaft Jernbaneverket eine bestimmte Dämpfung von niederfrequenten Oszillationen, die durch die Last der Züge auf den Fernverkehrsstrecken des Netzes und die Regelung kleiner Wasserkraftwerke entstehen, die diese Strecken versorgen. Aufgrund ihrer leistungsstarken Steuerungsprogrammierung waren die Traktionsumrichter von ABB in der Lage, diese Anforderungen durch einfache Anpassung der Software zu erfüllen, die bereits auf Umrichtern läuft, die für Züge in der Schweiz entwickelt wurden. Davon konnte sich die Norwegische Staatsbahn NSB bei Probeläufen mit einem Schweizer Triebzug des Typs FLIRT von Stadler Rail in Norwegen überzeugen. Mittlerweile liegen ABB Bestellungen für 300 Kompaktumrichter vom Typ BORD- LINE CC750 und 150 Traktionstransformatoren für die NSB vor. Passend für alle Fahrzeugarten Bei den meisten Schienenfahrzeugprojekten sind die physischen Abmessungen der Traktionsumrichter, -transformatoren und -motoren durch das Design des Fahrzeugs beschränkt. Dank ihrer äußerst kompakten und leichten Bauweise bieten die Geräte von ABB größere Freiheiten bei der Fahrzeugkonstruktion. Prinzipiell können Traktionsumrichter und -transformatoren im Maschinenraum (wie der Umrichter auf dem Titelbild), unter dem Wagenboden 5 oder auf dem Dach des Fahrzeugs montiert werden 6. Außerdem kann durch das Design des Traktionsumrichters die Größe und das Gewicht des Transforma- tors erheblich reduziert werden. Doch wie erreichen die Traktionsumrichter von ABB diese Kompaktheit und hohe Leistungsdichte? Die Antwort liegt in der internen Flüssigkeitskühlung, dem intelligenten Design des Leistungsmoduls und der sorgfältigen Gestaltung des Aluminiumbzw. Stahlgehäuses. Da extrem hohe Anforderungen an die Robustheit von Traktionssystemen gestellt werden, sind um - fangreiche Erfahrungen in der Materialauswahl und -verarbeitung, der Schweißund Niettechnik, der FEM-Analyse, der Kühltechnik und auf weiteren Gebieten erforderlich, um die Gewichtsreduzierungen zu erreichen, die ABB bei Traktionsprojekten bieten kann. Die interne Flüssigkeitskühlung für Traktionsumrichter ist zum Beispiel eine Technologie, die in den letzten zehn Jahren von ABB mit großer Sorgfalt entwickelt und optimiert wurde. Die Vorteile sind vielfältig. So ist die Temperaturverteilung in allen Teilen des Umrichters sehr gleichmäßig, was sich positiv auf die Lebensdauer der Leistungshalbleiter auswirkt. Tatsächlich können die Leistungsmodule so klein und leicht gebaut werden, dass sie von einer Person gehandhabt werden können. Dem Umrichter muss keine Kühlluft aus dem Maschinenraum zugeführt werden, und die Steuerungselektronik und Leistungsmodule können sauber gegen Staub, Schmutz und Feuchtigkeit geschützt werden. Nachrüstlösungen Bei Modernisierungsprojekten sind die mit der Anpassung der Traktionsumrichter an die vorhandenen Fahrzeuge verbundenen Anforderungen viel höher als bei Neukonstruktionen, da sämtliche Schnittstellen, z. B. zum Fahrzeugleitsystem, zur Netz- Im Vergleich zu den meisten kommerziell erhältlichen Antriebssteuerungssystemen ermöglicht die Anwendungssoftware des AC 800PEC eine schnellere Inbetriebnahme der Züge. Eine maßgeschneiderte Lösung 63

5 5 ABB-Umrichter für die Unterflurmontage AC DC ASM Trans formator Schütze DC- Zwischenkreis ASM Schiene Leistungsschalter 4-Q-Netzumrichter Antriebsstromrichter Spannungsbegrenzer Hilfsbetrieb 2 (optional) Batterieladegerät Hilfsbetrieb 1 BORDLINE CC750 MS 5a Leistungsstarker mehrsystemfähiger ABB-Unterflurumrichter für Schmalspurfahrzeuge ABB bietet leistungselektronische Niederspannungsund Mittelspannungsumrichter für Anwendungen aller Art. 5b Prinzipschaltbild des Umrichters seite, zu den Motoren und zum Kühlsystem ebenso vorgegeben sind wie der verfügbare Platz und alle Befestigungen und Anschlüsse. Doch trotz ihrer Komplexität können solche Projekte sehr ökonomisch sein, wenn der Umrichteranbieter über eine leistungsstarke modulare Plattform verfügt und die entsprechende Unterstützung beim Engineering- und Projektmanagement bieten kann. Ein Beispiel hierfür ist die Nachrüstlösung mit ABB-Umrichtern für deutsche Hochgeschwindigkeitszüge des Typs ICE1 (mehr über dieses Projekt lesen Sie auf Seite 70 dieses Hefts). Grenzenlose Mehrsystemzüge Heutzutage müssen Schienenfahrzeuge mehr denn je in der Lage sein, Grenzen zwischen unterschiedlichen Elektrifi zierungssystemen, z. B. zwischen Ländern mit unterschiedlichen Gleich- und Wechselstromnetzen oder zwischen Nahverkehrs- und Fernstrecken, zu überqueren. Die Bewältigung unterschiedlicher Versorgungsspannungen stellt eine besondere technische Herausforderung für Zugantriebssysteme dar. ABB hat mehrere intelligente und vielseitige Lösungen für solche Mehrsystemzüge entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist der Schienenverkehr zwischen Italien und der Schweiz. Treni Regionali Ticino Lombardia (TILO), eine Tochter der Schweizerischen Bundesbahnen SBB betreibt regionale Zugverbin- dungen zwischen der Schweiz (15 kv/ 16,7 Hz Wechselstrom) und Italien (3 kv Gleichstrom). Zwischen 2005 und 2009 bestellte TILO insgesamt 31 Triebzüge vom Typ FLIRT (31 MW) von Stadler Rail mit Traktionspaketen von ABB (mit Kompaktumrichtern und einem Transformator von ABB Sécheron), die ohne Unterbrechung in beiden Netzen fahren können. Die Abmessungen und die meisten Module sind identisch mit der Version für den Wechselstrombetrieb, die von der SBB seit 2002 in über 80 Zügen in der Schweiz eingesetzt wird. So profi tieren die SBB und TILO von einem optimalen Service und Ersatzteilmanagement sowie reduzierten Gesamtkosten für ihre Zugfl otte. Darüber hinaus zeigt dies, wie zufrieden die SBB mit der ABB-Lösung ist. Das gleiche Mehrsystem-Traktionspaket wurde auch 2007 von der Südtiroler Transportstrukturen AG für acht Züge bestellt, die zwischen Italien und Österreich (15 kv Wechselstrom) eingesetzt werden. Aus historischen Gründen sind einige Strecken im Netz der Rhätischen Bahn (RhB) in der Schweiz unterschiedlich elektrifi ziert. Während der größte Teil des Netzes mit 11 kv und 16,7 Hz betrieben wird, ist die als UNESCO-Welterbe gelistete Strecke über den Berninapass mit einer Steigung von 7 % eine der steilsten Adhäsionsstrecken der Welt mit 1 kv Gleichstrom elektrifi ziert. 64 ABB technik 2 10

6 6 Hochintegrierte BORDLINE-Kompaktumrichter zur Dachmontage auf Straßenbahnen und regionalen Schmalspurbahnen Die ABB BORDLINE-Kompaktumrichter zur Dachmontage sind ein hervorragendes Beispiel für komplette, hochintegrierte leistungselektronische Teilsysteme. Darin enthalten sind zwei Motorwechselrichter, zwei Umrichterausgänge für Hilfsbetriebe, ein Batterieladegerät, ein Brems-Chopper sowie die gesamte Steuerelektronik. Die Umrichter eignen sich für den Einsatz auf Straßenbahnen und regionalen Schmalspurbahnen mit Netzspannungen zwischen 600 und VDC. Zu ihren besonderen Merkmalen gehören anpassbare mechanische, elektrische und logische Schnittstellen zum Fahrzeug, ein sehr niedriges Gewicht und kompakte Abmessungen. Umrichter dieser Art wurden bereits an öffentliche Nahverkehrsbetriebe in der Schweiz (Basel, Bern-Solothurn, Region Lausanne und Großraum Zürich), Deutschland (Bochum, Mainz, München, Nürnberg und Potsdam), Österreich (Graz), China (Changchun), Frankreich (Lyon) und Norwegen (Bergen) geliefert. 6a BORDLINE-Kompaktumrichter für Stadtbahnen 6b Kompaktumrichter zur Montage auf dem Dach von Schmalspurtriebwagen BORDLINE CC750 bis heute wurden über Umrichter dieser Klasse für Triebzüge vom Typ FLIRT und GTW an Stadler Rail geliefert. Im Frühjahr 2010 nahmen die ersten leistungsstarken Zweisystem-Triebzüge von Stadler Rail mit dem Namen Allegra nach sechsmonatigem erfolgreichem Probebetrieb den kommerziellen Betrieb auf. Für diese Schmalspurzüge entwickelte ABB unterfl ur montierte Kompaktumrichter mit zwei 350-kW-Antriebsstromrichtern, galvanisch getrennten Hilfsbetriebeumrichtern und einem Batterieladegerät, die in einem kompakten Gehäuse untergebracht sind. Jeder Zug ist mit vier BORDLINE-Kompaktumrichtern und zwei Unterfl ur-traktionsumrichtern vom Typ LOT1250 von ABB Sécheron ausgestattet. Die Lieferung von 60 Umrichtern und 30 Transformatoren wird noch bis in die zweite Hälfte des Jahres 2010 andauern. Eine einzigartige Marktposition ABB bietet leistungselektronische Niederspannungs- und Mittelspannungsumrichter für Anwendungen aller Art von Schiffsantrieben und Windkanälen bis hin zur Steuerung von großen und kleinen Elektromotoren in fortschrittlichen industriellen Prozessen. Diese Umrichter helfen dabei, große Mengen an Energie einzusparen, den Automatisierungsgrad und die Prozessqualität zu erhöhen sowie den mechanischen Verschleiß zu reduzieren. Die darin verwendete Leistungselektronik wird unter anderem zur Einspeisung der Energie von Windkraft- oder Photovoltaikanlagen in das Stromnetz oder zur Stabilisierung elektrischer Netze eingesetzt. Als einer der führenden Anbieter von Leistungshalbleitern trägt ABB zur ständigen Innovation in diesen Bereichen bei. Immer mehr Schienenfahrzeughersteller und Eisenbahnbetreiber auch solche mit eigener Umrichterfertigung entscheiden sich für Antriebslösungen von ABB. Dank der Flexibilität von ABB können Kunden einzelne Komponenten nach ihren Spezifi - kationen oder komplette optimierte, energieeffi ziente und kostengünstige Antriebslösungen bestellen. Während die Spezifi kation der Anwendung und die Systemintegration dem Fahrzeughersteller überlassen bleiben, kann ABB ihre größenbedingten Vorteile zur Standardisierung und Optimierung auf der Teilsystem- und Modulebene nutzen. Harald Hepp ABB Automation Products, Traction Converters ABB Switzerland Ltd. Turgi, Schweiz harald.hepp@ch.abb.com Literaturhinweise [1] Johansen, E.: Mustergültig: Codesign-Muster für die fortschrittliche Regelung mit AC 800PEC. ABB Technik 2/2006: Weiterführende Literatur Hepp, H., Cavalcante, F., Biller, P.: Power für die Schiene: Elektrische Systeme von ABB machen Zugreisen komfortabler. ABB Technik 2/2008: Eine maßgeschneiderte Lösung 65