PL200634B1 - Sposób kompensacji momentów oscylacyjnych w silnikach elektrycznego pojazdu trakcyjnego oraz elektryczny pojazd trakcyjny - Google Patents

Abstract

1. Sposób kompensacji momentów oscylacyjnych w sil- nikach elektrycznego pojazdu trakcyjnego posiadaj acego pewn a ilosc silników trakcyjnych (M1-M4) s luzacych do nap edu zestawów ko lowych albo poszczególnych kó l (2) na odpowiednich podwoziach lub zawieszeniach, w szczegól- no sci na wózkach jezdnych (1), znamienny tym, ze stosuje si e silniki trakcyjne (M1-M4) o uzwojeniu wieloprzewodo- wym, przy czym uzwojenie ka zdego silnika trakcyjnego (M1-M4) jest rozdzielone na co najmniej dwa uk lady uzwo- jen (M1T1-M4T2) i przy czym ka zdy rozdzielony uk lad uzwoje n (M1T1-M4T2) sk lada si e z poszczególnych grup zezwojów (SG1-SG4), oraz ze ka zdy rozdzielony uk lad uzwoje n (M1T1-M4T2) silnika trakcyjnego (M1-M4) zasila si e poprzez jeden przekszta ltnik pr adowy (PWR1, PWR2) i przy czym za pomoc a tych przekszta ltników wysterowuje si e silniki trakcyjne (M1-M4) z co najmniej jednego modu lu sterowania nap edem (5) dla wyeliminowania okre slonych momentów oscylacyjnych, korzystnie, w zakresie cz estotli- wo sci drga n w lasnych danego wózka jezdnego (1) w taki sposób, ze na podstawie pomiarów wyznacza si e ka zdora- zowo cz estotliwo sci drga n w lasnych wózka jezdnego (1) i wprowadza si e do modu lu sterowania nap edem (5) odpo- wiednie zestawy wzorców impulsowania (rozmieszczenia impulsów steruj acych). PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób kompensacji momentów oscylacyjnych w silnikach elektrycznego pojazdu trakcyjnego.

Przedmiotem wynalazku jest także elektryczny pojazd trakcyjny, w którym taki sposób kompensacji momentów oscylacyjnych jest stosowany.

Elektryczne pojazdy trakcyjne są najczęściej napędzane znajdującymi się na wózkach albo na łożu silnikami trakcyjnymi, które z kolei są zasilane przez przekształtniki. Takie silniki trakcyjne, ze względu na niesinusoidalne napięcie zasilające z ich przekształtników, wytwarzają dodatkowe straty i pulsacje sił promieniowych, w szczególno ś ci wysokie momenty oscylacyjne. Reakcje tych momentów oscylacyjnych powodują często odkształcenia wózka albo łoża silników trakcyjnych, a także czasem znaczną emisję dźwięków powietrznych.

W DE 35 25 421 A1 opisano sposób zmniejszenia pulsacji momentu obrotowego silnika przekształtnikowego z dwoma oddzielonymi galwanicznie, przemieszczonymi względem siebie o 30° trójfazowymi układami uzwojenia stojana, za pomocą którego próbuje się tłumić te momenty oscylacyjne. Te układy uzwojenia stojana są zasilane z dwóch przekształtników - składających się każdorazowo z przekształtnika sieciowego, dławika obwodu pośredniego i przekształtnika maszynowego - przez wysterowanie zaworów przekształtnika sieciowego i podlegających wpływowi ich amplitudy prądów obwodu pośredniego, przy czym zawory przekształtnika sieciowego są sterowane tak, że oba prądy obwodu pośredniego przemieszczone względem siebie o 90° płyną jako następujące po sobie półokresy sinusoidalne. Poza tym zawory przekształtnika maszynowego są sterowane tak, że każdy z dwóch prądów obwodu poś redniego w kierunku dodatnim i ujemnym naprzemiennie, zależnie od półokresu sinusoidalnego, przepływa przez wyłącznie dwa z trzech przyłączy fazowych poprzez uzwojenia obu układów uzwojenia stojana, które z punktu widzenia ich działania elektrycznego są położone ortogonalnie względem siebie.

Aby krzywe pola wzbudzenia i prądu były zbliżone do kształtu sinusoidy zaproponowano, między innymi w artykule specjalistycznym zatytułowanym „ASM double star system instability in dc line” (EPE'99 Lozanna), zastosowanie znanych silników dwugwiazdowych w celu ograniczenia oddziaływań wstecznych na sieć.

Biorąc za punkt wyjścia taki stan, zadaniem wynalazku jest stworzenie sposobu, za pomocą którego eliminowane są czasem silne dźwięki powietrzne emitowane podczas pracy elektrycznych i podobnych pojazdów trakcyjnych.

Zadanie to zostało rozwiązane zgodnie z wynalazkiem za pomocą sposobu kompensacji momentów oscylacyjnych w silnikach elektrycznego pojazdu trakcyjnego posiadającego pewną ilość silników trakcyjnych służących do napędu zestawów kołowych albo poszczególnych kół na odpowiednich podwoziach lub zawieszeniach, w szczególności na wózkach jezdnych, który charakteryzuje się tym, że stosuje się silniki trakcyjne o uzwojeniu wieloprzewodowym, przy czym uzwojenie każdego silnika trakcyjnego jest rozdzielone na co najmniej dwa układy uzwojeń i przy czym każdy rozdzielony układ uzwojeń składa się z poszczególnych grup zezwojów, oraz że każdy rozdzielony układ uzwojeń silnika trakcyjnego zasila się poprzez jeden przekształtnik prądowy i przy czym za pomocą tych przekształtników wysterowuje się silniki trakcyjne z co najmniej jednego modułu sterowania napędem dla wyeliminowania określonych momentów oscylacyjnych, korzystnie, w zakresie częstotliwości drgań własnych danego wózka jezdnego w taki sposób, że na podstawie pomiarów wyznacza się każdorazowo częstotliwości drgań własnych wózka jezdnego i wprowadza się do modułu sterowania napędem odpowiednie zestawy wzorców impulsowania (rozmieszczenia impulsów sterujących).

Korzystnie, częstotliwości drgań własnych wózków jezdnych, podwozi jednoosiowych albo niezależnych zawieszeń kół wyznacza się już przy włączaniu do ruchu pojazdu trakcyjnego.

Korzystnie również, przekształtniki prądowe steruje się impulsowo asynchronicznie albo synchronicznie do częstotliwości podstawowej.

Zgodny z wynalazkiem elektryczny pojazd trakcyjny posiadający pewną ilość silników trakcyjnych służących do napędu zestawów kołowych albo poszczególnych kół na odpowiednich podwoziach lub zawieszeniach, w szczególności w wózkach jezdnych, charakteryzuje się tym, że każdy silnik trakcyjny ma uzwojenie wieloprzewodowe, przy czym uzwojenie każdego silnika trakcyjnego jest rozdzielone na co najmniej dwa układy uzwojeń, przy czym każdy układ uzwojeń składa się z poszczególnych grup zezwojów i każdy rozdzielony układ uzwojeń silnika trakcyjnego jest zasilany poprzez jeden

PL 200 634 B1 przekształtnik prądowy, i przy czym przekształtniki silników trakcyjnych są połączone z co najmniej jednym modułem sterowania napędem.

Korzystnie, pierwszy rozdzielony układ uzwojeń tworzą nieparzyste grupy zezwojów przewodu fazowego, a drugi rozdzielony układ uzwojeń tworzą parzyste grupy zezwojów.

Według innej cechy wynalazku, pierwszy rozdzielony układ uzwojeń tworzy pierwsza połowa grup zezwojów, a drugi rozdzielony układ uzwojeń tworzy druga połowa grup zezwojów.

Korzystnie dalej, osie rozdzielonych układów uzwojeń są przemieszczone o 180°/p, przy czym p jest ilością par biegunów silnika trakcyjnego.

Korzystnie także, odpowiednie grupy zezwojów rozdzielonego układu uzwojeń są połączone elektrycznie szeregowo i/albo równolegle.

Korzystnie wreszcie, silniki trakcyjne są zabudowane wzdłużnie albo poprzecznie względem kierunku jazdy elektrycznego pojazdu trakcyjnego.

Zalet wynalazku należy upatrywać w tym, że wykonując silniki trakcyjne z dwoma rozdzielonymi układami uzwojeń i wysterowując zgodnie z wynalazkiem oba rozdzielone układy uzwojeń, korzystnie według zróżnicowanych wzorców impulsowania (rozmieszczenia impulsów sterujących), można zredukować do zera odpowiednią składową wypadkowego momentu oscylacyjnego.

Przy tym rozdzielone układy uzwojeń są korzystnie utworzone z nieparzystych 1, 3, 5, .. i parzystych 2, 4, 6, .. grup zezwojów albo z grup zezwojów 1 do n i n+1 do 2n, przy czym n jest całkowitą liczbą naturalną. Można też wyobrazić sobie inne konfiguracje tych rozdzielonych układów uzwojeń.

Następną zaletą tego wynalazku jest to, że kompensacja szkodliwych momentów oscylacyjnych odbywa się już w szczelinie powietrznej danego silnika trakcyjnego. Sposób ten można zastosować do wszystkich odmian napędów, to znaczy do silników trakcyjnych usytuowanych poprzecznie lub podłużnie względem kierunku jazdy.

Wzorce impulsowania można optymalizować i dopasowywać w każdym czasie, w szczególności poprzez zmianę oprogramowania. Ponadto, ograniczane są też w dużym stopniu inne, zależne od sposobu eksploatacji, efekty zakłócające wynikające z zasilania przekształtnikowego, jak na przykład pulsacje sił promieniowych i dodatkowe straty w wirniku.

W odmianie realizacji wynalazku osie rozdzielonych ukł adów są przemieszczone o 180°/p i przy zasilaniu synfazowym powstaje normalne pole szczeliny powietrznej w danym silniku trakcyjnym. Występuje to niezależnie od wykonania uzwojenia, to znaczy na przykład niezależnie od skrótu uzwojenia, ilości żłobków na biegun i przewodu fazowego.

Poza tym gabaryty silnika trakcyjnego są porównywalne z rozmiarami silników w konwencjonalnym wykonaniu, ponieważ nie zwiększa się ilość zezwojów. Jedynie powiększają się nieznacznie nakłady związane z układem połączeń zezwojów i skrzynką zaciskową.

Każdy z dwóch rozdzielonych układów uzwojeń silnika trakcyjnego jest zasilany z własnego przekształtnika prądowego. Korzystnie, każdy taki przekształtnik zasila rozdzielone układy uzwojeń kilku silników połączonych równolegle. Przynajmniej dwa przekształtniki prądowe są sterowane sygnałami włączenia/wyłączenia o tej samej częstotliwości podstawowej i przy użyciu identycznych lub zróżnicowanych wzorców impulsowania, przy czym identyczne wzorce impulsowania należy stosować w tych przypadkach, w których nie jest potrzebna kompensacja momentu oscylacyjnego, a zróżnicowane, optymalne dla danego przypadku wzorce impulsowania wykorzystuje się wtedy, gdy potrzebna jest kompensacja momentu oscylacyjnego. Ważne jest przy tym, żeby przy elektrycznym zasilaniu rozdzielonych układów uzwojeń nie wystąpiło wzajemne przesunięcie fazowe drgań podstawowych. W idealnym przypadku drgania harmoniczne wywołujące moment oscylacyjny występują tylko w przeciwieństwach faz.

W przypadku asynchronicznego sterowania impulsowego momenty przełączenia są wyznaczane z punktów przecięcia zadanej krzywej impulsowania, na przykład trójkątnej krzywej piłokształtnej, z krzywą odniesienia, na przykład krzywą sinusoidalną. Eliminację dominujących drgań harmonicznych uzyskuje się poprzez fazowe przesunięcie krzywej impulsowania o 90° przy niezmiennej krzywej odniesienia.

W przypadku synchronicznego sterowania impulsowego muszą być zastosowane specjalne wzorce impulsowania, zoptymalizowane na przeciwieństwo faz szkodliwych drgań harmonicznych. Na przykład, przy potrójnym sterowaniu impulsowym i dużym wysterowaniu kąty przełączenia α = 87,48° w jednym układzie oraz α = 15,48° w drugim układzie wytwarzają niemal jednakowe drgania podstawowe, a zarówno piąta jak i siódma harmoniczna drgań znajdują się prawie dokładnie w przeciwieństwie faz. Tak więc, sześciokrotny moment oscylacyjny jest kompensowany niemal w stu procentach. Im większa jest liczba impulsów tym więcej jest stopni swobody dla optymalizacji momentów oscylacyjnych.

PL 200 634 B1

Przy tym szkodliwą składową momentu oscylacyjnego jest z reguły ta, która jest zbliżona do częstotliwości mechanicznych drgań własnych, na przykład wózka jezdnego, i bez kompensacji doprowadziłaby do emisji hałasu z pojazdu trakcyjnego. Tak więc, można sobie przykładowo wyobrazić sytuację, że podczas włączania do ruchu pojazdu trakcyjnego rejestrowane są widma częstotliwości związane z zasilaniem jednakowymi wzorcami impulsowania, i w przypadku potrzeby kompensacji momentu oscylacyjnego zadawany jest nowy wzorzec impulsowania, optymalny dla eliminacji szkodliwych częstotliwości.

Gdy oscylacje nie są zbliżone do częstotliwości mechanicznych drgań własnych na przykład wózka jezdnego, czyli nie jest potrzebna kompensacja momentu oscylacyjnego, to dwa układy uzwojeń danego silnika trakcyjnego mogą być ewentualnie wykorzystane do dalszych optymalizacji, na przykład do redukcji składowej siły promieniowej albo do zmniejszenia dodatkowych strat w uzwojeniach wirnika.

Przy tym możliwa jest znana regulacja poślizgu koło-szyna, podobnie jak w przypadku normalnej regulacji dotyczącej połączonych równolegle silników trakcyjnych.

Wynalazek w przykładach wykonania został objaśniony na podstawie rysunku, na którym fig. 1 ukazuje układ dwóch przekształtników impulsowych i czterech silników pojazdu trakcyjnego, zaś fig. 2 - układ uzwojeń silnika trakcyjnego przy czterobiegunowej maszynie elektrycznej.

Figura 1 przedstawia schemat ideowy nie omawianego bliżej elektrycznego pojazdu trakcyjnego z dwoma wózkami 1 i z przyporz ądkowanymi do nich odpowiednio silnikami trakcyjnymi M1, M2 lub też M3, M4, które napędzają przynależne zestawy kołowe lub też poszczególne koła 2. Każdy silnik trakcyjny M1-M4 ma dwa rozdzielone układy uzwojeń. Te rozdzielone układy uzwojeń M1T1-M4T2 tworzą w każdym silniku trakcyjnym M1-M4 podwójną gwiazdę w układzie połączeń stojana. Rozdzielone układy uzwojeń M1T1-M4T2 silnika trakcyjnego M1-M4 są zasilane z różnych przekształtników prądowych, w szczególności z przekształtników impulsowych PWR1 i PWR2. Tak więc, przekształtnik impulsowy PWR1 zasila rozdzielony układ uzwojeń M1T2, M2T2, M3T1 i M4T1, a PWR2 zasila rozdzielone układy uzwojeń M1T1, M2T1, M3T2 i M4T2.

Figura 2 ukazuje przykład realizacji rozdzielonego układu uzwojeń stojana czterobiegunowego silnika trakcyjnego z 24 żłobkami. Przedstawiono przy tym 2 x P = 4 grupy zezwojów przewodu fazowego, przy czym p jest ilością par biegunów silnika trakcyjnego. Grupy zezwojów SG1 i SG3 tworzą jedno rozdzielone uzwojenie, a SG2 i SG4 drugie rozdzielone uzwojenie przewodu fazowego. Przedstawiono przy tym szeregowe połączenie grup zezwojów SG1, SG3 i SG2, SG4. Możliwe jest też równoległe połączenie tych grup zezwojów SG1, SG3 i SG2, SG4.

Na wystawionych do badań pojazdach szynowych z ich wózkami 1 rejestrowane są częstotliwości drgań własnych. Odbywa się to korzystnie już w fazie włączania ich do ruchu, tak że w tym czasie do modułu sterowania napędem 5 jest wprowadzany zestaw wzorców impulsowania potrzebnych do kompensacji momentu oscylacyjnego. Zamiast zamiany lub poprawiania wózków 1 potrzebne jest tylko dopasowanie zestawu wzorców impulsowania w module sterującym 5. Do wykrycia szkodliwych częstotliwości drgań własnych i potwierdzenia dokonanych poprawek można wykorzystać czujniki drgań lub mikrofony przy wózku 1.

Zgodny z wynalazkiem sposób kompensacji momentu oscylacyjnego może być wykorzystany w szczególności przy pojazdach trakcyjnych przedstawionych na fig. 1. Jednak nie jest konieczne zastosowanie silników trakcyjnych z podwójną gwiazdą. Można sobie wyobrazić także więcej niż dwie gwiazdy przypadające na każdy silnik trakcyjny M1 do M4.

Sposób ten może być zastosowany także przy podwoziach jednoosiowych lub przy niezależnych zawieszeniach kół.

Claims (9)

1. Sposób kompensacji momentów oscylacyjnych w silnikach elektrycznego pojazdu trakcyjnego posiadającego pewną ilość silników trakcyjnych (M1-M4) służących do napędu zestawów kołowych albo poszczególnych kół (2) na odpowiednich podwoziach lub zawieszeniach, w szczególności na wózkach jezdnych (1), znamienny tym, że stosuje się silniki trakcyjne (M1-M4) o uzwojeniu wieloprzewodowym, przy czym uzwojenie każdego silnika trakcyjnego (M1-M4) jest rozdzielone na co najmniej dwa układy uzwojeń (M1T1-M4T2) i przy czym każdy rozdzielony układ uzwojeń (M1T1-M4T2) składa się z poszczególnych grup zezwojów (SG1-SG4), oraz że każdy rozdzielony układ uzwojeń (M1T1-M4T2) silnika trakcyjnego (M1-M4) zasila się poprzez jeden przekształtnik prądowy (PWR1,

PL 200 634 B1

PWR2) i przy czym za pomocą tych przekształtników wysterowuje się silniki trakcyjne (M1-M4) z co najmniej jednego modułu sterowania napędem (5) dla wyeliminowania określonych momentów oscylacyjnych, korzystnie, w zakresie częstotliwości drgań własnych danego wózka jezdnego (1) w taki sposób, że na podstawie pomiarów wyznacza się każdorazowo częstotliwości drgań własnych wózka jezdnego (1) i wprowadza się do modułu sterowania napędem (5) odpowiednie zestawy wzorców impulsowania (rozmieszczenia impulsów sterujących).

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że częstotliwości drgań własnych wózków jezdnych (1), podwozi jednoosiowych albo niezależnych zawieszeń kół wyznacza się już przy włączaniu do ruchu pojazdu trakcyjnego.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przekształtniki prądowe (PWR1, PWR2) steruje się impulsowo asynchronicznie albo synchronicznie do częstotliwości podstawowej.

4. Elektryczny pojazd trakcyjny posiadający pewną ilość silników trakcyjnych (M1-M4) służących do napędu zestawów kołowych albo poszczególnych kół (2) na odpowiednich podwoziach lub zawieszeniach, w szczególności w wózkach jezdnych (1), znamienny tym, że każdy silnik trakcyjny (M1-M4) ma uzwojenie wieloprzewodowe, przy czym uzwojenie każdego silnika trakcyjnego (M1-M4) jest rozdzielone na co najmniej dwa układy (M1T1-M4T2), przy czym każdy układ uzwojeń (M1T1M4T2) składa się z poszczególnych grup zezwojów (SG1-SG4) i każdy rozdzielony układ uzwojeń (M1T1-M4T2) silnika trakcyjnego (M1-M4) jest zasilany poprzez jeden przekształtnik prądowy (PWR1, PWR2), i przy czym przekształtniki silników trakcyjnych (M1-M4) są połączone z co najmniej jednym modułem sterowania napędem (5).

5. Elektryczny pojazd trakcyjny według zastrz. 4, znamienny tym, że pierwszy rozdzielony układ uzwojeń tworzą nieparzyste grupy zezwojów (SG1, SG3) przewodu fazowego, a drugi rozdzielony układ uzwojeń tworzą parzyste grupy zezwojów (SG2, SG4).

6. Elektryczny pojazd trakcyjny według zastrz. 4, znamienny tym, że pierwszy rozdzielony układ uzwojeń tworzy pierwsza połowa grup zezwojów (SG1, SG2), a drugi rozdzielony układ uzwojeń tworzy druga połowa grup zezwojów (SG3, SG4).

7. Elektryczny pojazd trakcyjny według zastrz. 4, znamienny tym, że osie rozdzielonych układów uzwojeń są przemieszczone o 180°/p, przy czym p jest ilością par biegunów silnika trakcyjnego (M1-M4).

8. Elektryczny pojazd trakcyjny według zastrz. 4, znamienny tym, że odpowiednie grupy zezwojów (SG) rozdzielonego układu uzwojeń są połączone elektrycznie szeregowo i/albo równolegle.

9. Elektryczny pojazd trakcyjny według zastrz. 4, znamienny tym, że silniki trakcyjne (M1-M4) są zabudowane wzdłużnie albo poprzecznie względem kierunku jazdy elektrycznego pojazdu trakcyjnego.