časopis z vydavatelství
FCC PUBLIC

Aktuální vydání

Číslo 7/2020 vyšlo
tiskem 24. 6. 2020. V elektronické verzi na webu 24. 7. 2020. 

Téma: Kabely, vodiče a kabelová technika

Hlavní článek
Nové technologie trakčního napájení 25 kV/50 Hz (2. část)

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