Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Vyšetřování harmonických v trakci (1. část)

doc. Ing. Jaroslav Novák, CSc., doc. Ing. Radovan Doleček, Ph.D., Ing. Ondřej Černý, Ph.D.,
Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice
Ing. Jan Švanda, Škoda Electric, a. s.
 
Synchronní motory s permanentními magnety se staly díky malým rozměrům, malé hmot­nosti, velké momentové přetížitelnosti a lepší účinnosti velmi atraktivní alternativou pohon­né jednotky v elektrické trakci. V současnosti jsou používány běžně v silničních vozidlech, rychle se rozšiřuje jejich uplatnění u lehkých kolejových vozidel. Vzhledem ke zdokonalo­vání konstrukce a technologie směřuje vývoj k uplatnění těchto motorů i u výkonných že­lezničních vozidel. V této oblasti se ve zvětšené míře projevuje nutnost řešení rušivých vli­vů a elektromagnetické kompatibility pohonu, a to vzhledem k velkým výkonům železnič­ních vozidel a vzhledem k nezbytné slučitelnosti trakčních, zabezpečovacích a sdělovacích obvodů. Tento článek se věnuje některým vlastnostem trakčního pohonu se synchronním motorem s permanentními magnety, které se vztahují k harmonickému složení proudů v trakčním obvodu a které byly experimentálně vyšetřovány na Dopravní fakultě Jana Per­nera Univerzity Pardubice ve spolupráci s firmou Škoda Electric, a. s.
 

1. Úvod

 
Aplikace permanentních magnetů ze spe­ciálních slitin přinesla velký obrat ve využití synchronních strojů malých a středních výko­nů. Konstrukční řešení synchronních motorů s permanentními magnety (PMSM – Perma­nent Magnet Synchronous Motor) pro trakci lze rozdělit do dvou skupin.
 
První koncepci PMSM představuje stroj – motor s vnitřním rotorem, který má statoro­vé třífázové vinutí uloženo v drážkách želez­ného magnetického obvodu a uvnitř statoru je umístěn rotor, na němž jsou nalepeny per­manentní magnety (obr. 1). Póly permanent­ních magnetů jsou tvořeny dílčími segmenty. Rozměry těchto segmentů jsou i u výkonných motorů omezeny na desetiny, maximálně jed­notky centimetrů (obr. 3). Rychlost otáčení rotoru synchronního motoru se řídí změnou frekvence napájecího napětí statoru. Trakční synchronní motory jsou proto vždy napájeny z výkonových polovodičových měničů napě­tí s řiditelnou výstupní frekvencí.
 
Druhou konstrukční variantou koncepce PMSM je motor s vnějším rotorem, u kterého rotor s permanentními magnety obepíná třífá­zový stator (obr. 2). Tato konstrukce se využí­vá v aplikacích, ve kterých je motor integro­ván přímo do konstrukce kola. Stator je spo­jen s osou kola, rotor je součástí kola. Principy napájení a řízení motorů s vnějším rotorem jsou stejné jako u motorů s vnitřním rotorem.
 
Hlavními výhodami trakčních PMSM jsou jejich malé objemy a hmotnosti – až třikrát menší ve srovnání s asynchronními a stejno­směrnými motory pro stejný výkon a otáčky. Tohoto zmenšení rozměrů je dosaženo pou­žitím permanentních magnetů ze speciálních slitin NdFeB nebo SmCo s magnetickou in­dukcí přibližně 1 T. Trakční synchronní mo­tory je proto možné konstruovat s dostatečně velkou hodnotou točivého momentu při do­statečně malých rozměrech. Přínosem trakč­ních pohonů s PMSM je možnost absence mechanické převodovky v pohonu kol nebo náprav vozidla. Pomaluběžné trakční syn­chronní motory se konstruují jako mnohapó­lové až s padesáti póly.
 
Vlivem velké koncentrace výkonu v ma­lém objemu motoru jsou u PMSM méně pří­znivé podmínky pro odvod ztrátového tepla. Proto se u trakčních PMSM větších výkonů používá zpravidla vodní chlazení.
 
U silničních a kolejových vozidel se uplat­ňuje několik koncepcí bezpřevodovkových trakčních pohonů se synchronními motory s permanentními magnety v rozsahu výkonů od řádově stovek wattů do stovek kilowattů na jeden trakční motor. U silničních vozidel je efektivním řešením použití motorů s vněj­ším rotorem, které jsou integrovány přímo do kol. U kolejových vozidel není integra­ce motoru s vnějším rotorem do konstrukce kola výhodná, neboť toto řešení zvyšuje ne­odpružené hmoty a při jízdě vozidla dochá­zí ke zvýšení mechanických rázů v trati a je­jím okolí. U bezpřevodovkových individuál­ních pohonů kol kolejových vozidel je proto z důvodu minimalizace neodpružených hmot výhodnější koncepce s PMSM s vnitřním ro­torem a přenosem točivého momentu od mo­toru na kolo kloubovým spojením. Toto řeše­ní je vhodné zejména pro plně nízkopodlažní tramvaje, neboť absence nápravy kol zvětšuje plochu nízké podlahy.
 
U železničních vozidel s PMSM, kde jsou kola spojena nápravou, se používají trakč­ní PMSM, u kterých motor pohání celou ná­pravu. Z důvodu minimalizace neodpruže­ných hmot je nutné opět řešit pružné spoje­ní pro přenos točivého momentu, nejčastěji prostřednictvím pružné spojky s dutou hřídelí motoru, kterou prochází náprava.
 
V oblasti silničních dopravních prostředků byl trakční PMSM využit např. ve voze Toyo­ta Prius s hybridním pohonem nebo v auto­busech a trolejbusech Neoplan.
 
Z realizovaných kolejových vozidel s trakčními PMSM je možné jmenovat např. japon­ský příměstský vlak e-train s přímými poho­ny náprav o výkonu jednoho motoru 160 kW nebo tramvaj Citadis od firmy Alstom s vý­konem jednoho motoru 100 kW.
Zajímavou aplikací trakčních PMSM jsou kolové pohony vozů metra na pneumatikách od firmy Siemens s výkonem motoru 65 kW. V oblasti vysokovýkonných po­honů byly trakční PMSM s vý­konem 1 MW použity u vyso­korychlostních francouzských vlaků AGV.
 
V současnosti jediným typem vozidla s trakčními PMSM, kte­ré bylo vyrobeno v České re­publice, je plně nízkopodlažní tramvaj 15 T ForCity od firmy Škoda Transportation (obr. 4). Tramvaj je vybavena šestnácti trakčními PMSM 45 kW. Jsou použity motory s vnitřním roto­rem, které jsou kloubově spoje­ny s koly. Tramvaj je určena pro Prahu a v současnosti je ve zku­šebním provozu.
 
Podrobnější informace o po­honech se synchronními motory s permanentními magnety jsou např. v [1], [2], [3].
 

2. Rušivé vlivy střídavých trakčních pohonů

Rozvoj techniky výkonových polovodičových měničů přinesl v oblasti elektrických pohonů, včetně trakčních, zcela nové koncepce, umožňující využití zpětnovazebních regulačních struktur, které dávají pohonným systémům vyšší kvalitu po strán­ce trakční, dynamické i energetické. Napro­ti tomu se s nástupem výkonových polovodi­čových měničů otevřela problematika jejich vedlejších rušivých účinků, spojených s vel­kými strmostmi napětí a proudů výkonových polovodičových součástek, se kterými tyto měniče pracují. V trakční technice, zejména železniční, bylo nutné řešit odstranění ruši­vých účinků polovodičových měničů již u po­honů se stejnosměrnými motory v 80. letech 20. století. Výrazně větší pozornost vyžaduje tato problematika od 90. let 20. století v sou­vislosti s nástupem techniky trakčních poho­nů s asynchronními motory.
Zvýšený důraz na řešení odstranění ruši­vých vlivů u trakčních pohonů s asynchron­ními motory je dán zejména těmito skuteč­nostmi:
  • velké strmosti napětí (řádově 1 000 V/μs) a proudů (řádově 100 až 1 000 A/μs), se kterými pracují měniče pro napájení asyn­chronních motorů – trakční měniče pro asynchronní motory využívají nejčastěji rychlé vypínatelné tranzistory IGBT (In­sulated Gate Bipolar Transistor);
  • velké spínací frekvence šířkově pulzní mo­dulace (v trakčních pohonech 1 až 5 kHz);
  • na rozdíl od stejnosměrných pohonů se v trakčních proudech pro střídavé pohony projevuje výrazně vliv okamžité hodnoty napájecí frekvence a jejích násobků v har­monickém složení proudů v trakčním ob­vodu;
  • velký počet provozovaných výkonových zařízení, která pracují se šířkově pulzní modulací;
  • přítomnost mnoha citlivých zabezpečova­cích a sdělovacích zařízení, která pracují v bezprostřední blízkosti trakčních zaří­zení;
  • zvyšující se požadavky na bezpečnost a spolehlivost technických systémů;
  • náročné požadavky na dopravní systémy ze strany legislativy;
  • požadavky na interoperabilitu železničních vozidel – provoz železničních vozidel sla­děný s různými technickými podmínkami provozovatelů železničních sítí v různých zemích.
Velikost a druh rušivých účinků pohonu závi­sí na mnoha vlivech. Jde zejména o:
  • celkovou koncepci trakčních obvodů vozi­dla,
  • konstrukci výkonového měniče,
  • instalaci elektrovýzbroje vozidla,
  • parametry (R, L, C) trakčního obvodu,
  • rozložení parametrů trakčního obvodu,
  • spínací vlastnosti výkonových polovodi­čových součástek v měniči,
  • frekvenci šířkově pulzní modulace měniče,
  • algoritmus šířkově pulzní modulace měniče,
  • velikosti ochranných (mrtvých) dob měniče,
  • parametry a provedení vstupního filtru mě­niče,
  • konstrukci motoru,
  • okamžitou rychlost, režim a moment mo­toru.
Rušivé vlivy výkonových polovodičových měničů lze rozdělit na vysoko- a nízkofrek­venční.
Vysokofrekvenční rušení je vyzařováno v okolí výkonových obvodů, může pronikat do napájecí sítě a způsobovat rušení v blíz­kých signálových a řídicích obvodech. Ome­zení vysokofrekvenčního rušení postihují pří­slušné normy jak z hlediska vlivů na napájecí síť, tak z hlediska rádiového rušení. Při kon­strukci výkonových systémů je nutné dodr­žovat mnoho zásad pro omezení těchto ruši­vých vlivů.
 
Z hlediska bezpečnosti provozu železnič­ních vozidel i z hlediska splnění legislativních požadavků je velmi kritickou oblastí nízkofrekvenční rušení, konkrétně součinnost vý­konových trakčních obvodů a drážních za­bezpečovacích zařízení. I v médiích byla tato problematika citována v souvislosti s uvá­děním vlaků Pendolino do provozu v Čes­ké republice.
 
Aby nedocházelo k nežádoucímu ovliv­ňování drážního zabezpečovacího zařízení činností trakčních měničů na vozidlech, vy­hodnocují se zejména harmonická spektra vstupních proudů hnacích vozidel. Při čin­nosti trakčních obvodů je nutné omezit ve vstupním proudu vozidla především harmo­nické složky s frekvencemi, se kterými pra­cuje drážní zabezpečovací technika. V pod­mínkách ČR jde o frekvence 50, 75 a 275 Hz.
 
Vyhodnocování harmonické skladby proudů v trakčním obvodu je velmi náročné. Na vymezených frekvencích stanovují nor­my mezní hodnoty velikostí harmonických složek i s ohledem na dobu působení. Mez­ní hodnoty velikostí harmonických složek na vstupu trakčního obvodu vozidla se pohybu­jí v rozmezí desítek až stovek miliampérů. Tyto složky je nutné vyhodnocovat přede­psanými postupy z proudů, jejichž základní harmonická – nultá v případě stejnosměrné trakce, první v případě střídavé trakce – se pohybuje v řádech stovek až tisíců ampérů. V případě, že spektra trakčních proudů ne­splňují limity stanovené normami, je nutné činit zásahy v trakčním vozidle, a to jak na úrovni výkonového obvodu, tak na úrovni programového vybavení pro řízení výkono­vých měničů.
 
Tento článek je příspěvkem k řešení právě této problematiky nízkofrekvenčního rušení od trakčních pohonů.
 

3. Trakční pohon se synchronním motorem s permanentními magnety

 
Trakční pohony se synchronními motory s permanentními magnety se používají nej­častěji pro individuální pohony kol nebo ná­prav vozidla. Vzhledem k tomu, že regulač­ní struktura momentu PMSM je orientová­na na okamžité úhlové natočení rotoru, musí být každý motor vybaven systémem vyhod­nocování tohoto úhlu. Vzhledem k této sku­tečnosti nemůže být napájeno více PMSM společně z jednoho měniče, ale každý mo­tor musí mít individuální střídač. Ve větši­ně aplikací se používá třífázový můstkový střídač se šesti výkonovými spínacími prv­ky – nejčastěji IGBT – a šesti zpětnými di­odami. Zapojení měniče je tedy shodné jako v případě pohonu s asynchronním motorem. U pohonů s PMSM je snaha volit co nej­vyšší spínací frekvenci nejen z důvodu co nejkvalitnějšího promodulování výstupní­ho napětí a proudu a co nejvyhlazenějšího průběhu momentu, ale také proto, že vyšší harmonické složky proudu motoru způsobují ohřev permanentních magnetů vlivem ztrát vířivými proudy. Toto oteplení permanent­ních magnetů je nebezpečné, neboť magne­ty mohou při zvýšených teplotách (řádově stovky stupňů Celsia) ztrácet své magnetic­ké vlastnosti.
 
Vstupní obvod střídače má vždy napěťový charakter a je tvořen článkem LC gama. Ten­to vstupní filtr může být i společný pro více střídačů. Vstupní filtr musí v co největší míře zabránit pronikání rušivých složek vstupního proudu pohonu do napájecího obvodu. Při ne­dostatečné eliminaci těchto složek může do­jít k rušení činnosti drážního zabezpečova­cího zařízení.
 
Kvalitativně je problematika rušivých vli­vů trakčních pohonů s PMSM velmi podobná jako u pohonů s asynchronními motory – po­hon s měničem se šířkově pulzní modulací. Odlišnosti pohonu s PMSM spočívají jednak v některých rozdílech v regulační struktuře a dále v odlišné konstrukci motoru – mnoha­pólový pomaluběžný stroj se zdrojem mag­netického toku na rotoru.
 
Na Katedře elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky v dopravě na Do­pravní fakultě Univerzity Pardubice je již delší dobu řešena problematika trakčních po­honů s PMSM. Některé aktivity byly v po­sledním období věnovány právě vyšetřování specifik těchto pohonů z hlediska rušivých účinků v nízkofrekvenční oblasti. Několik výsledků těchto prací prezentují následují­cí odstavce.
 

4. Experimentální pracoviště

 
Na Dopravní fakultu Jana Pernera Univer­zity Pardubice byl v roce 2004 dlouhodobě zapůjčen speciální zkušební stav pro výzkum mechanických a elektrických vlastností trakč­ního bezpřevodovkového individuálního po­honu kola kolejového vozidla (obr. 5). Stav je konstrukčně tvořen rámem, ve kterém je usazen trakční PMSM spojený homokinetic­kým kloubem s tramvajovým kolem. Použi­tý tramvajový trakční PMSM s vnitřním ro­torem má tyto parametry:
  • jmenovitý výkon 58 kW,
  • jmenovité otáčky 650 min–1 – odpovídá rychlosti na obvodu kola 85 km·h–1,
  • jmenovitý moment 852 N·m,
  • jmenovitý proud 122 A,
  • jmenovité napětí 3× 368 V,
  • jmenovitá frekvence 238 Hz,
  • počet pólpárů 22.
K pohonu byla na Dopravní fakultě Jana Pernera doplněna elektrická část a byl vyvi­nut systém regulace momentu založený na použití výkonného procesorového systému. Regulační struktura realizuje vektorovou re­gulaci momentu, včetně režimu odbuzování. Podrobnější informace k těmto pracím lze na­lézt např. v [4], [5].
 
Elektrické schéma výkonové části expe­rimentálního pohonu je na obr. 6. Zatěžova­cí asynchronní motor je napájen z průmys­lového měniče frekvence s napěťovým stej­nosměrným meziobvodem, který je napájen přes třífázový můstkový diodový usměrňo­vač. Z tohoto meziobvodu je zároveň přes fil­trační tlumivku se železným jádrem napájen střídač trakčního PMSM. V sérii s tlumivkou je možné do napájecí části trakčního střída­če zapojit předřadný rezistor 2 Ω, který mo­deluje vliv odporu trakčního vedení. Popsa­ná konfigurace obvodu umožňuje rekuperaci energie při zkouškách a ze sítě je odebírána jen energie potřebná ke krytí ztrát soustrojí.
 
Parametry vstupního filtru LC jsou dány především indukčností filtrační tlumivky a kapacitou filtračního kondenzátoru v trakč­ním střídači. Základní kapacita filtru je 4,7 mF, při jedné sadě měření byla kapacita zvýšena na 6,9 mF. Při měřeních byly ověřo­vány vlastnosti s různými parametry vstup­ního filtru LC.
 
Při návrhu parametrů filtru LC je klíčová hodnota rezonanční frekvence dána vztahem:
 
rovnice (1)
Při zkouškách byly řazeny do filtru tlu­mivky se štítkovými hodnotami indukčností L1 = 3 mH, L2 = 1 mH a L3 = 4 mH. Tomu odpovídají podle rovnice (1) teoretické hodnoty rezonančních frekvencí filtru frez1 = 42,4 Hz, frez2 = 73,4 Hz a frez3 = 36,7 Hz. Při zvýšení kapacity na 6,9 mF a indukčnosti na 4 mH je teoretická hodnota rezonanční frekvence frez4 = 30,3 Hz.
(dokončení příště)
 
Obr. 1. Synchronní motor s permanentními magnety s vnitřním rotorem
Obr. 2. Synchronní motor s permanentními magnety s vnějším rotorem
Obr. 3. Segment permanentního magnetu pro synchronní motor
Obr. 4. Tramvaj 15 T ForCity
Obr. 5. Zkušební stav s trakčním PMSM na Dopravní fakultě Jana Pernera
Obr. 6. Elektrické zapojení výkonové části experimentálního pracoviště