Warum verwenden Trolleybus-Stromkabel Gleichstrom und nicht Wechselstrom?

Ich interessiere mich für mehrere Aspekte von Oberleitungsbussen als Möglichkeit, von mit fossilen Brennstoffen betriebenen Bussen zu "grünen" öffentlichen Verkehrsmitteln überzugehen.

Ich bin selbst kein Elektrotechniker, habe aber ein, wenn auch begrenztes Verständnis von Elektrotechnik.

Wenn man sich die Spezifikationen der verfügbaren Trolleybusse durchliest, scheint es, als ob die Standardmethode zur Übertragung von Strom zu ihnen über Gleichstromkabel (600 V) erfolgt. Soweit ich weiß, ist die Übertragung von Strom über größere Entfernungen mit Wechselstrom effizienter.

Was spricht in diesem Fall für die Verwendung von Gleichstrom zur Stromübertragung?

Ist die Gleichstromübertragung in diesem Fall effizienter (keine schweren Stromrichter im Fahrzeug; billiger herzustellende Gleichstrommotoren; effizientere Gleichstrommotoren usw.), sicherer für die Fußgänger oder nur veraltet?

Ich habe hier eine interessante Diskussion über die Umstellung von Tesla-Motoren auf mit Wechselstrom betriebene Motoren gefunden: electronic.stackexchange.com/questions/58236/…
Fahrmotor - ein guter Artikel aus dem Wiki erklärt historisch, warum Gleichstrommotoren verwendet werden.
@Andyaka: Schön, danke! "Die Verfügbarkeit von Hochleistungshalbleitern (Thyristoren und IGBT) hat nun die Verwendung von viel einfacheren, zuverlässigeren Wechselstrom-Induktionsmotoren, die als asynchrone Traktionsmotoren bekannt sind, praktikabel gemacht."
Wechselstrom ist über Entfernungen nicht besser als Gleichstrom, aber eine höhere Spannung ist effizienter. Bei Wechselstrom ist es relativ einfach, Spannungen mit einem Transformator umzuwandeln. Interessanterweise verwenden elektrische Züge häufig Wechselstrom mit niedriger Frequenz (<50 Hz).
@Frog Tatsächlich ist AC zwar praktisch, aber weniger effizient. Der Skin-Effekt erhöht die Widerstandsverluste, Übertragungsleitungseffekte behindern die Stromübertragung, es gibt induktive und kapazitive Verluste (insbesondere bei Unterwasserkabeln) usw. Aus diesem Grund gibt es einige HGÜ-Übertragungsleitungen, die Strom teilweise als Gleichstrom verarbeiten ( en.wikipedia.org/ wiki/Hochspannungsgleichstrom ).
Die Isolatoranforderungen für Wechselstrom sind auch an die Spitzenspannung gebunden, die für Wechselstrom 41 % über dem Durchschnitt liegt. 600 V AC haben eine Spitzenspannung von ~850 V. Dies ist besonders wichtig für öffentliche Verkehrssysteme wie Trolleybusse, bei denen die Spannung zwangsläufig im Freien liegen muss.
Vielleicht möchten Sie mit Zügen/U-Bahnen/Stadtbahnen vergleichen . Viele Systeme verwenden Gleichstrom, insbesondere städtische/vorstädtische Systeme (U-Bahn, Stadtbahn), die mit 600-3000 V Gleichstrom betrieben werden, aber mehr als ein Drittel des französischen Fernbahnnetzes verwendet ebenfalls 1500 V Gleichstrom, und alle nicht hoch -Geschwindigkeitsnetze in Belgien, Spanien, Italien... 3000 V DC. Wechselstrom wird nur in Systemen mit viel höherer Spannung (15 kV und mehr) verwendet. Wikipedia hat einen Vergleich von Wechselstrom und Gleichstrom für Eisenbahnen
Ein Teil dieser Frage wird beantwortet, wenn wir erkennen, dass die Freileitungen eher eine Stromverteilung als eine Stromübertragung sind - deshalb gehen wir nicht auf höhere Spannungen, die wir in einer Übertragungsleitung verwenden würden.

Antworten (3)

Wagen mit Oberleitungen werden oft kurzzeitig getrennt, und die hohe Induktivität erzeugt einen Lichtbogen mit demselben Strom, der eine gewisse Kontinuität ermöglicht, jedoch mit einem gewissen Spannungs- oder Leistungsabfall. Während AC in < 10 ms abschalten könnte.

Aber der wahre Grund ist, dass DC-Traktionsmotoren ein größeres effizientes Drehmoment haben, das zum Starten benötigt wird.

Möglicherweise sehen Sie eine Leistungskurve für das Drehmoment eines Gleichstrommotors. Diese passen besser zu den Last-Geschwindigkeits-Anforderungen als Wechselstrommotoren zum Beschleunigen einer Straßenbahn mit konstantem Strom, der durch ein Steuerverfahren angelegt wird, bis die Geschwindigkeit erreicht ist.

Ein weiterer Vorteil in den Niederlanden sind die DC-Trolleys, die Batterien haben, um Strecken zu verlängern. Ein 18-Meter-Bus mit IMC500-Technologie muss nur 20 Prozent seiner Strecke unter Oberleitungen fahren.

Ich verstehe. Aber warum nicht stattdessen einen Gleichstromgleichrichter in die Fahrzeuge einbauen?
Eine Sache weniger, die in jedem Bus ausfällt.
Es macht Sinn, aber heutzutage gibt es DC-DC-Wandler in den Fahrzeugen, um die Elektronik mit geringer Leistung (wie Bildschirme usw.) anzutreiben. Ich denke, es ist immer noch vorzuziehen, keinen stärkeren (und schwereren) Gleichrichter im Inneren zu haben, den man herumtragen kann. Aber da Tesla-Motoren auf Wechselstrommotoren umsteigen, scheint mir das Argument mit den Batterien nicht so stark zu sein.
Tesla verwendete immer BLDC-Motoren. Sie haben gerade auf PM-Motoren umgestellt, um niedrigere Kosten, ein effizienteres Anlaufdrehmoment, aber ein weniger effizientes Flussmanagement bei Autobahngeschwindigkeiten zu erzielen.
OK, wenn ich das richtig verstehe, haben die PM-Motoren von (Tesla) heutzutage ein effizienteres Anlaufdrehmoment als die Gleichstrom-Traktionsmotoren.
Das ist ein Vergleich von Äpfeln und Birnen. Traktionsmotoren sind für niedrigere Geschwindigkeiten in Reihe gewickelt, einige schalten bei höheren Geschwindigkeiten auf Parallelwicklung um. Die Franzosen verwenden IGBT- und SCR-gesteuerte AC-Motoren
@Copiltembel Sie benötigen einen einphasigen Wechselstrom für die Verwendung mit einem integrierten Gleichrichter. Eine dreiphasige Freileitungsverkabelung wäre schrecklich schwierig, insbesondere an Kreuzungen (die wahrscheinlich einen Energiespeicher an Bord erfordern), und Transistor ging darauf ein, warum einphasig viel schlechter ist als dreiphasig
Wie wäre es auch mit regenerativem Bremsen? Es ist viel einfacher, Strom in eine Gleichstromversorgung zurückzuspeisen als in eine Wechselstromversorgung. Angenommen, die Straßenbahn hat eine "Umkehr" -Schaltanlage, werfen Sie sie einfach in den Rückwärtsgang, wenn Sie ihre Vorwärtsbewegung verlangsamen möchten. Frag mich nur nicht, was am Hauptbahnhof passiert, wenn alle Straßenbahnen der Stadt gleichzeitig langsamer werden wollen.
@Copiltembel, " Aber warum nicht stattdessen einen Gleichstromgleichrichter in die Fahrzeuge einbauen? " Der einzige Grund dafür wäre, dass Sie ein Hochspannungs-Oberleitungssystem haben, aber dann müsste Ihr Oberleitungsbus auch einen kräftigen Transformator herumschleppen.
Wenn Sie die Rückwärtstreiber auf Strom setzen, der durch die Rückmeldung der PWM-Stromregelung begrenzt ist, handelt es sich im Wesentlichen um regeneratives Bremsen, außer dass sich dieser Begriff auf Batterien bezieht. Die 3 Ph-Hall-Sensoren und -Wicklungen müssen auch für BLDC-Motoren korrekt invertiert werden, um die Richtung umzukehren, indem nur 2 richtige Paare aller Kombinationen von Paaren (8) 1 Paar Sensor und 1 Paar Wicklungen ausgetauscht werden. Bremsstrom ist oft gleichbedeutend mit Beschleunigung.
@SolomonSlow, „ Frag mich nicht, was am Hauptbahnhof passiert, wenn alle Straßenbahnen in der Stadt gleichzeitig langsamer werden wollen. “ Es ist ganz einfach. Beim Rückspeisen steigt die örtliche Netzspannung an. Auf dem Dublin Area Rapid Tranisit (DART) konnte man beim regenerativen Bremsen aufgrund des erhöhten Anstiegs der Nennspannung von 1500 V DC einen Hitzestoß unter den Sitzen spüren. Wenn die Netzspannung eine vorher festgelegte maximale Spannung erreicht – vielleicht 2 kV – werden die Luftbremsen eingemischt und die Regenerierung wird verringert.

Soweit ich weiß, ist die Übertragung von Strom über größere Entfernungen mit Wechselstrom effizienter.

Das stimmt, wenn Sie die Spannung erhöhen können. Im Falle des Trolleybusses werden die Drähte mit der „Endverbraucher“-Spannung von 600 V versorgt. Beachten Sie, dass die Oberleitung in isolierte Abschnitte aufgeteilt wird und diese von der nächsten Trolleybus-Unterstation gespeist werden. Die Einspeisung in die Umspannstation wird wahrscheinlich irgendwo im Bereich von 25 - 100 kV (AC) liegen, abhängig von den Standardspannungen des nationalen Netzes. Auf diese Weise werden die Verluste gering gehalten, da die 600-V-DC-Abschnitte angemessen kurz sind.

Was spricht in diesem Fall für die Verwendung von Gleichstrom zur Stromübertragung?

  • Konstante Kraft. Gleichstrom ist immer an. AC ist in Impulsen.
  • Eine ausgewogenere dreiphasige Last auf der Unterstation. Es wird ein mehrphasiger Gleichrichter verwendet und eine Phase liefert immer Strom.
  • Möglichkeit zum einfachen Regenerieren in die Linie beim Bremsen.
  • Bei einer gegebenen Isolator-Durchbruchspannung ermöglicht Gleichstrom die Übertragung von mehr Leistung.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Abbildung 1. Dreiphasen-DC-Wandlung belastet die 3-Phasen-Versorgung auf ausgewogenere Weise. Eine einphasige Wechselstromversorgung würde der Versorgung eine pulsierende Last liefern. Bildquelle: Elektronik-Tutorials .

Ist die Gleichstromübertragung in diesem Fall effizienter (keine schweren Stromrichter im Fahrzeug; billiger herzustellende Gleichstrommotoren; effizientere Gleichstrommotoren usw.), sicherer für die Fußgänger oder nur veraltet?

Wahrscheinlich eine Kombination aus allen oben genannten, außer der Fußgängersicherheit. Gleichstrom hat das Problem, dass das Schalten schwieriger ist, da es keinen Nulldurchgang gibt, bei dem der Strom auf Null abfällt, um Schaltlichtbögen zu löschen.

Aus den Kommentaren:

„Beachten Sie, dass der Overhead in isolierte Abschnitte aufgeteilt wird und diese von der nächsten Trolleybus-Unterstation gespeist werden.“ Das sieht wieder nach einem Argument für AC-Übertragung aus. Unterwegs müssen weniger Umspannwerke gewartet werden.

Die Unterstationen werden ohnehin für die Kupplungsschalter benötigt, so dass da kaum gespart wird. Sie ermöglichen auch Redundanz im Falle eines Umspannwerkausfalls, bei dem jede Seite den toten Abschnitt mit Strom versorgen kann (indem die Abschnitte überbrückt werden), obwohl dies zu einem gewissen Spannungsabfall führt.

Ich denke, das war in den frühen Tagen der Trolleybusse sinnvoll, aber heute mit der Verfügbarkeit billiger elektronischer Komponenten frage ich mich, ob es nicht ein stärkeres Argument für die Wechselstromübertragung gibt.

Ihnen entgehen noch der Vorteil der gleichmäßigeren Belastung des Drehstromnetzes, Rückspeisung und Kosten der Hochspannungsisolation des Netzes.

„Beachten Sie, dass der Overhead in isolierte Abschnitte aufgeteilt wird und diese von der nächsten Trolleybus-Unterstation gespeist werden.“ Das sieht wieder nach einem Argument für AC-Übertragung aus. Unterwegs müssen weniger Umspannwerke gewartet werden. Ich denke, das war in den frühen Tagen der Trolleybusse sinnvoll, aber heute mit der Verfügbarkeit billiger elektronischer Komponenten frage ich mich, ob es nicht ein stärkeres Argument für die Wechselstromübertragung gibt.
Sie verwechseln unterschiedliche Themen. DC hat tatsächlich einen geringeren Verlust als AC für die Übertragung. Aber der wirkliche Schlüssel zu geringen Verlusten ist Hochspannung, und Wechselstrom ermöglicht die einfache Verwendung von Transformatoren für Hochspannungsleitungen. Ein Trolley-System hat nicht die Freigabe, die sehr hohen Spannungen zu verwenden, die von Fernverkehrszügen mit Oberleitung verwendet werden.
"Möglichkeit, beim Bremsen problemlos in die Linie zu regenerieren." Das ist nicht wahr. Bei Wechselstrom kann die Rückspeisung einfach über den Transformator zurück ins Netz umgewandelt werden. Für Gleichstrom werden spezielle Geräte benötigt, um den Strom ins Netz einzuspeisen. Selbst manche Bahnlinien – wo die Leistung und damit der Nutzen viel größer sind – haben das nicht. So kann zB die S Bahn Berlin nicht ins Netz einspeisen. Rückspeiseleistung kann nur genutzt werden, wenn sich gleichzeitig ein Verbraucher im gleichen Abschnitt befindet.
@Christian, ich habe ausdrücklich "in die Linie" gesagt, nicht das Gitter. Ansonsten stimme ich zu.
Dadurch können sie auch nur einen Draht führen und die Schienen als Rückleitung verwenden.
@Joshua, ich denke, Sie werden feststellen, dass die Definition eines Oberleitungsbusses ein Fahrzeug mit Gummireifen ist, das von zwei Oberleitungen angetrieben wird. Sie könnten es mit einer Straßenbahn verwechseln, die auf Schienen laufende Spurkranzräder aus Stahl verwendet.
@Transistor: Eigentlich ist es ein bisschen einfacher. Ich habe es geschafft, Trolleybus mit Trolley zu verwechseln.
@Joshua, Re, "nur ein Kabel ..." Es gibt keinen Grund, warum ein Wechselstromsystem nicht auch ein Oberkabel und die Schienen als Rückleitung verwenden könnte.
@ SolomonSlow: Railroad AC-Designs sind unterschiedlich. Es gibt keinen Neutralleiter. Es unterscheidet sich sehr vom modernen Denken.
@Joshua, ich wollte gestehen, dass ich nicht weiß, welche Probleme gelöst werden würden, indem entweder ein Bein einer Wechselstromversorgung an die Erde angeschlossen oder die Versorgung von der Erde isoliert wird. Aber wenn ich auf die Antwort von Transistor zurückblicke, sehe ich, dass wir über 3-Phasen-Strom sprechen, und das macht die ganze Frage eines einzelnen Freileitungskabels strittig.
@SolomonSlow "Es gibt keinen Grund, warum ein Wechselstromsystem nicht auch ein Oberleitungskabel und die Schienen als Gegenleistung verwenden könnte. " - das tun sie tatsächlich.
@SolomonSlow - Dreiphasen-Eisenbahnelektrifizierung wurde versucht, bemerkenswert in Italien, und existiert immer noch auf 4 Linien, eine in Brasilien, zwei in der Schweiz und eine in Frankreich. Sie haben oft zwei Oberleitungen und die dritte Phase ist geerdet und mit den Laufschienen verbunden. Ein doppelter Stromabnehmer oder Pickup auf dem Zugdach wird benötigt.
@SolomonSlow - Es ist erwähnenswert, dass bei der Wechselstrom-Oberleitungselektrifizierung der Strom zwar von einem auf dem Dach montierten Stromabnehmer gesammelt und über die Räder zu den Laufschienen zurückgeführt wird, aber nicht über die Schienen bis zur Zubringerstation zurückkehrt. Diese werden in regelmäßigen Abständen mit einem Rückleiter neben dem Gleis verbunden, der oft an den Masten getragen wird, die die Oberleitungsausrüstung tragen.
@Copiltembel Gleichstrom ist besser als Wechselstrom, wenn Sie isolierte Abschnitte haben – Sie müssen sich keine Sorgen darüber machen, dass die Abschnitte phasensynchronisiert sind, sodass weniger technische Herausforderungen für die Versorgung bestehen.

Zumindest in den Niederlanden (auch als „hier“ bezeichnet, wo ich lebe) hat es historische Gründe.

Oberleitungsbusse stammen aus dem Jahr 1882, der in den Niederlanden in Arnheim (immer noch in Betrieb) wurde 1949 gestartet. Die Geschwindigkeitsregelung war damals für Gleichstrom einfacher, da die heute bekannte Elektronik fehlte, und die verfügbaren in Reihe geschalteten Gleichstrommotoren waren es super für Traktion.

In den frühen Tagen der Oberleitungsbusse gab es keine einfachen Möglichkeiten, wie wir sie heute haben, um Wechselstrom gleichzurichten, also wurde entschieden, Gleichstrom für die Oberleitungen zu verwenden.

Die Verwendung von Wechselstrom auf den Oberleitungen für diese Art der Traktion hat sich hier erst in den 1950er Jahren wirklich durchgesetzt, aber der Ersatz der bestehenden Flotte und Infrastruktur wurde als zu teuer angesehen, sodass das Gleichstromsystem beibehalten wurde.

In den Ländern der ehemaligen UdSSR sind es auch 600 V DC. Ich bin mir nicht sicher, warum genau, habe keine Erklärung oder Begründung gefunden.
Warum verwenden Trolleybus-Stromkabel Gleichstrom und nicht Wechselstrom?
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