České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra elektrických pohonů a trakce. Ing. Petr Vrána

České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra elektrických pohonů a trakce ng. Sofistikované etody řízení ěničů pro trakci s ohlede na inializaci konduktivních proudů Doktorský studijní progra: Elektrotechnika a inforatika Studijní obor: Elektrické stroje, přístroje a pohony Teze disertace k získání akadeického titulu doktor ve zkratce Ph.D. Praha, únor 0

Disertační práce byla vypracována v prezenční forě doktorského studia na katedře elektrických pohonů a trakce Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. Uchazeč: Školitel: Školitel-specialista: ng. Katedra elektrických pohonů a trakce Technická, 66 7 Praha 6 ng. Jiří Zděnek, CSc. Katedra elektrických pohonů a trakce Technická, 66 7 Praha 6 Doc. ng. Jiří Javůrek, CSc. ŠKODA EECTC a.s. Pekařská 0, 55 00 Praha 5 Oponenti:......... Teze byly rozeslány dne:... Obhajoba disertace se koná dne... v hod. před koisí pro obhajobu disertační práce ve studijní oboru Elektrické stroje, přístroje a pohony v zasedací ístnosti č... Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze. S disertací je ožno se seznáit na děkanátu Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze, na oddělení pro vědu, výzku a zahraniční styky, Technická, Praha 6. Prof. ng. Jiří Pavelka, DrSc. předseda koise pro obhajobu disertační práce ve studijní oboru Elektrické stroje, přístroje a pohony Fakulta elektrotechnická ČVUT, Technická, Praha 6

ČVUT v Praze FE K 34. Úvod. Přehled o současné stavu probleatiky 3. Cíle práce 4. etody zpracování 3 5. Výsledky 6 6. Závěr Použité odkazy v disertační práci 5 Publikační činnost 8 Suary 9 Strana

ČVUT v Praze FE K 34. Úvod Nové trendy v oboru výkonové elektroniky a regulace pohonů jsou aplikovány v různých odvětví průyslu. Výjiečnost pohonů trakčních vozidel je v to, že jsou pro jejich realizaci zpravidla použity ty nejnovější poznatky a technologie z oblasti elektrických pohonů výkonu jednotek W. Ty pak slouží jako vzor pro realizaci pohonů jiných průyslových zařízení podobných výkonů a jsou ěřítke technických ožností, kterých lze oentálně dostupnou technologií dosáhnout. Vývoj v oblasti trakčních pohonů se snaží o splnění požadavků, které lze shrnout zhruba do tří bodů. Snaha o stále vyšší výkon hnacích vozidel při zachování axiálních zatížení náprav a stávajících rozěrů. Tento požadavek je dán jak stále zvyšujícíi se rychlosti vozidel, tak i reliéfe nově budovaných konvenčních kolejových tratí. Ty se z důvodu nákladů na stavební práce nestaví jako dříve s ohlede na co nejenší traťová převýšení. To á za následek, že nové tratě, na kterých budou trakční vozidla provozována, ají běžně převýšení 0-ky (vysokorychlostní tratě pro TGV do 35 ), se kterýi si usí hnací vozidlo poradit. Snaha o co nejenší náročnost a kvalifikaci potřebnou pro údržbářské práce a s tí související spolehlivost a životnost pohonu. V dnešní době jsou na našich tratích provozovány lokootivy, kde nejstarší s odporovou regulací jezdí 60 let (řada 40), lokootivy s diodový usěrňovače 45 let (řada 30) a s tyristorový ěniče 40 let (řada 560). Pohon trakčních vozidel je tedy zařízení u něhož životnost enší než 0 let nepřipadá v úvahu. Přes veškeré nevýhody pohonů starých lokootiv ji neůže upřít vysokou životnost, která je daná jejich jednoduchostí a robustností. Naplnit očekávání podobné životnosti u zařízeních nesrovnatelně schopnějších, ale zároveň složitějších, je nesnadné. Snaha o co nejčistější odběr trakčního proudu a obecně o co nejlepší EC trakčního vozidla. A právě tento požadavek je těžko splnitelný vzhlede k splnění předchozích dvou bodů. Protože jak stále větší výkony trakčních vozidel, tak i snaha o vyšší životnost ěničů částečně realizovanou snížení spínací frekvence výkonových prvků, vede ke zvýšení aplitud vyšších haronických odebíraného proudu ěniče. oderní trakční pohon skládající se ze statických ěničů elektrické energie a bezkoutátorových točivých strojů se vzhlede k napájecí síti chová jako zdroj vyšších haronických proudu. Haronické proudu, které jsou součástí celkového trakčního proudu, se uzavírají v elektrické obvodu napájecí stanice trolejové vedení trakční vozidlo koleje napájecí stanice. Naneštěstí část tohoto elektrického obvodu je sdílena s jiný elektrický systée zajišťující detekci polohy vlaku a opakování návěstí. Na základě zjištěné polohy vlaku pak zabezpečovací systé kolejových vozidel ovládá nastavení dopravní cesty, návěstí a závor. Asi není třeba zvláště zdůrazňovat, že správná funkce zabezpečovacího systéu je klíčová pro bezpečný provoz na tratích a vše je touto požadavku podřízeno. Náplní této práce je zkouání vzniku vyšších haronických proudu trakčních vozidel, které by ohly ohrozit správnou funkci kolejových obvodů. Následně navrhnout řešení potlačení rušivých proudů v podobě zásahů do SW pohonu.. Přehled o současné stavu probleatiky V roce 005 bylo zahájeno řešení dvouletého vývojového projektu F- /07 vypsaného inisterstve průyslu a obchodu s názve Konduktivní proudy v asynchronní trakční Strana

ČVUT v Praze FE K 34 pohonu a jejich vliv na bezpečnost kolejových obvodů. Účastníky projektu byly firy ŠKODA EECTC a.s., AŽD Praha s.r.o. a Západočeská univerzita v Plzni, Fakulta elektrotechnická. Vzniklé výzkuné zprávy se opíraly předevší o dlouholetý výzku Doc. ng. Jiřího Danzera. Ten se však ve svých zprávách zabýval předevší ovlivnění konduktivních proudů poocí zapojení vstupních obvodů a trakčního transforátoru vozidla [], [3], [8], [9], [34]. Více ne zajíaly zprávy týkající se ovlivnění konduktivních proudů poocí odulací a řízení pohonu. Kopilací výzkuných zpráv [4], [3], [36], [37] vznikla disertační práce pana ng. Jandy Ph.D., takže se dá říci, že dosavadní stav zkouané probleatiky je uveden v této disertační práci [] publikované v roce 007. Proto jí bude věnována celá jedna kapitola. Všechny výzkuné práce stojí na siulacích vybraných jevů, ezi kterýi je největší důležitost přiřknuta vlivu rtvých časů spínacích prvků ěniče [4], [6], [30], [3], [35], [36]. Několik záznaů zěřených průběhů na reálné čtyřkilowattové pohonu je obsaženo v jedné z posledních zpráv [37]. Vzhlede ke specifický vlastnoste kolejových obvodů používaných Českýi a Slovenskýi drahai, není v zahraničí výzku vzniku nízkofrekvenčních haronických v trakčních pohonech tak atraktivní téate, jako je tou u nás. Podobný výzku jistě proběhl například i ve firě Sieens, která se dlouhodobě snaží proniknout na české koleje svojí lokootivou Sieens Taurus ES64U4-C. Po několika letech řešení probléu právě s vysokýi hodnotai rušivých proudů dosáhly 9..007 povolení zkušebního provozu. Snažení bylo korunováno 6..008 typový schválení český Drážní úřade, které platí pro tratě Brno - Břeclav a České Budějovice - Horní Dvořiště. Završení schvalovacího procesu bylo dosaženo schválení typu i polského Husara lokootivy ES64U4-D dne.6.00. Z pochopitelných důvodů však nelze od fy. Sieens získat žádné inforace ohledně zkouané probleatiky. Atraktivitu této probleatice přinesly předevší probléy, které se vyskytly s uvádění do provozu jednotek 680 Pendolino na úzeí České republiky. Zde byl problé vyřešen aplikací aktivního filtru, který však neřeší příčiny rušení, ale pouze potlačuje jeho následky. Bohužel až v průběhu roku 00 se i povedlo nalézt velice zajíavou disertační práci Dipl. ng. Würflingera Ph.D. [40], která se io jiné zabývá aktivní potlačení nízkofrekvenčních rušivých proudů poocí odifikace řízení výkonového ěniče s příý řízení oentu. Příé řízení oentu jse na základě vlastního výzkuu vyloučil jako nevhodné vzhlede k rušivý proudů již počátke roku 008, avšak k výsledků Würflingerovi práce se budu vracet v průběhu jednotlivých kapitol. Würflingerův sezna použité literatury potvrdil é přesvědčení o nezajíavosti této probleatiky v zahraničí. Z více než stovky uvedených titulů bylo pouze šestnáct ladších deseti let a z nich se téatu rušení trakčních vozidel věnovaly pouze čtyři [4], [4], [43], [44]. 3. Cíle práce Objasnit vznik vyšších haronických proudu odebíraného napěťový střídače trakčního pohonu, které ohou rušit železniční zabezpečovací zařízení. Na základě znalostí o vzniku vyšších haronických v nízkofrekvenční oblasti navrhnout etody jejich odstranění, nebo jejich vytlačení do jiné frekvenčních oblastí tak, aby trakční vozidlo vyhovělo z hlediska liitů rušivých proudů daných norou. Prakticky realizovat a odzkoušet navržené etody. ěření na pohonu trakčního vozidla, či v laboratoři dokázat jejich účinnost. Strana

ČVUT v Praze FE K 34 4. etody zpracování Výzku haronických ideální ho napěťového střídače Pro co nejdokonalejší popis haronických proudu v eziobvodu střídače a následné hledání ožností jejich korekce je užitečné si haronické rozdělit podle způsobu jejich vzniku. První takto vzniklou skupinou jsou haronické vznikající běhe funkce ideálního střídače. Dá se předpokládat, že iniálně tyto haronické budou obsaženy při provozu všech reálných střídačů. Přičtení dalších haronických vzniklých v důsledku odchylek vlastností reálného střídače od ideálního se pak získá skutečná skladba haronických. Experientálně poocí siulací střídače realizovaného progray v abvew a analytickýi výpočty jse určil všechny haronické proudu eziobvodu pro případ ideálního střídače, konstantního napětí eziobvodu a proudových sinusových zdrojů na straně zátěže. Tento výzku se rozpadl do tří částí. Výzku přenosu jednotlivých haronických napětí eziobvodu na statorová napětí stroje A = U U (siulace ), přenos jednotlivých haronických statorového U S / U d S / Har / d / Har napětí stroje na statorový proud stroje Y U S Har U S / S / / S / Har = (analytický výpočet, zobrazení upad) a konečně přenos haronických statorového proudu stroje na proud eziobvodu střídače A = (siulace a analytický výpočet v upad). d / S d / Har / S / Har odulací střídače byla suboscilační PW spočívající v koincidenci pily odulátoru se zadanou sinusovkou. Nejprve bylo potřeba u jednotlivých přenosů určit haronickou skladbu, abych ohl následně jednotlivý haronický přiřadit jejich přenosy aplitud. Klíčové bylo určení přesnosti siulace, tedy zvolení vhodného počtu diskrétních kroků výpočtu, který je přesnost určena. 4.: deální střídač se zátěží Aditance reálného asynchronního stroje Y s/us = s /U s Výpočet aditance stroje vychází ze základních rovnic popisujících asynchronní stroj k vztažné soustavě k [4.]. Pro vyjádření vztahu ezi U, a n je zapotřebí z rovnic odstranit toky, číž vzniknou rovnice U-n odelu asynchronního stroje. Při volbě vztažného systéu svázaného s toke, vzniknou rovnice [4.]. Pro následné zjednodušení rovnic budu uvažovat konstantní rotorový tok. Stejné zjednodušení jse použil i ve své diploové práci, kde je odvozeno, že je-li konstantní rotorový tok, usí být zároveň konstantní a statorový tok. To saé platí pro rotorové a statorové proudy. Tí vznikne soustava dvou rovnic [4.3], ze kterých lze již vyjádřit rovnici [4.4], tedy funkci prostorových vektorů U = f(,n). y však hledáe funkci odulů prostorových vektorů statorového napětí a proudu, pro jejíž získání je nutné rozepsat rovnici [4.4] do složek x, y. Při vyjádření hledané funkce U = f(,n) jse si poohl uístění prostorového vektoru statorového napětí do osy x, z čehož plyne, že U x Strana 3

ČVUT v Praze FE K 34 Strana 4 = U a U y = 0. Po několika ateatických operacích vznikl výsledný vztah [4.5]. Pro grafické zobrazení různých závislostí jse použil progra upad. Všechny níže uvedené průběhy byly vygenerovány v souboru Aditance AS.n, který je opět na doprovodné DVD. Po přenesení rovnic do upad jse si zkontroloval jejich věrohodnost vykreslení závislosti statorového proudu na rotorové kitočtu při konstantní napětí a otáčkách viz. obrázek 4.. ) ( k k k k k k k k k j dt d j dt d U 0 Ψ Ψ = Ψ Ψ = ω ω ω ( ) ( ) = = Ψ = Ψ Ψ = = Ψ = Ψ Ψ σ σ [4.] ( ) ( ) 0 j dt d dt d j dt d dt d U = = ω ω [4.] ( ) ( ) 0 j j U = = ω ω [4.3] = J j U ω ω ω ω ω ω [4.4] = C C C C C C U ω ω ω ω ω ω ω C ω ω ω ω = C ω ω ω = [4.5] Znáý průběh proudu a skutečnost, že při jenovité skluzu bylo dosaženo jenovitého statorového proudu byly postačující důkaze správnosti odvození.

ČVUT v Praze FE K 34 4.: Závislost odulu statorového proudu na rotorové frekvenci Výzku vlastností reálného střídače Po popisu haronických v proudu eziobvodu ideálního střídače, tedy těch, které se vyskytují v eziovodu vždy již z principu funkce střídače, jse se soustředil na popis jevů způsobujících generování nových dodatečných haronických. V první kroku jse se snažil popsat příčiny výskytu první haronické fázového proudu v proudu eziobvodu střídače. Tato haronická vyvolávala největší obavy předevší v počátcích výzkuu. Zvláštní kapitolou je též výskyt šesté haronické statorového proudu v eziobvodu střídače. Dále jse se ještě jednou zaěřil na skutečný vliv rtvých dob střídače a jejich kopenzace, které pan Janda považoval ve své práci za zásadní. Ve frekvenční spektru zěřeného proudu eziobvodu pan Janda narazil na výraznou čáru odpovídající polovině frekvence první haronické statorového proudu. V závěru kapitoly uvádí, že si výskyt této subharonické nedovede vysvětlit, což bylo pro ne podněte pro další výzku. Většina následujících zěřených spekter proudu eziobvodu byla sejuta na laboratorní střídači zapojené podle schéatu na obrázku 4.3. ogowského sondu ěřící proud eziobvodu jse se snažil uístit tak, aby ěřený proud obsahoval co nejvíce haronických. Dá se očekávat, že snubberové kondenzátory,5µf budou ít pro haronické řádu stovek Hz dost velikou ipedanci, aby příliš neovlivnily přesnost ěření. Ostatní publikovaná spektra byla sejuta již na různých vozidlech, jejichž typ záěrně neuvedu. U takovýchto průběhů uvedu pouze data určující pracovní bod pohonu, přičež regulační SW je totožný se SW použitý v laboratoři. Volba regulace a odulací z hlediska ohrožujících konduktivních proudů V době vývoje pohonu lokootivy 09E byla eliinace rušivých trakčních proudů jední z nejdůležitějších faktorů pro volbu vhodného typu regulace. Ze znáých typů regulací se do užšího výběru dostalo příé řízení oentu a vektorové regulace, a to předevší proto, že bylo s nii nejvíce zkušeností a osvědčily se již v inulosti. Pokusná ěření rušivých proudů nakonec rozhodla, která regulace bude použita. Co se týče odulací, celý svůj výzku jse se věnoval pouze asynchronní odulaci, která je realizována koincidencí zadávacích sinusovek a pily odulátoru. V kapitole 7.3 se pokusí vysvětlit tento svůj skoro až diskriinační přístup vůči odulací synchronní. Veškerou teorii týkající se volby a přechodů ezi odulacei jse si přivezl ze studijního pobytu na uhr-universität Bochu. Nejzajíavější, co se týče haronických proudů různých synchronních odulací, byla cvičení a přednášky Prof. Steiela v předětu eistungselektronik. Strana 5

ČVUT v Praze FE K 34 4.3: Schéa pokusného pracoviště 5. Výsledky Výzku ideálního střídače Jandova práce nabídla postup analytického výpočtu haronických ideálního střídače, avšak zveřejňuje iniu použitelných výsledků. Těi jsou výpisy vyskytujících se haronických v proudu eziobvodu střídače, (, 3, 5, 7...)f P (3, 9, 5,...)f S, (0,, 4,...)f P (0, 6,, 8...)f S. To je však nedostatečné hlavně z důvodu neožnosti odhadu velikosti jednotlivých haronických u pohonů různých výkonů a pracovních stavů, což je pro splnění liitů OKP klíčové. Proto jse se pokusil io hlavní experientální část výzkuu spočívající v on-line ěřeních konduktivních proudů i o podrobnější popis ideálního střídače. Strana 6

ČVUT v Praze FE K 34 Proudový přenos střídače H d/s = d / s 5.: Siulace proudového přenosu střídače Schéa obvodu, který byl realizován prograe (Siulaceenice_prenosProudu.vi) je na obrázku 5.. Při jednotkové haronické proudu zátěže jse odečítal velikosti aplitud haronických obsažených v proudu eziobvodu. Nejprve jse zkoual nejjednodušší případ, kdy frekvence proudových zdrojů je totožná se zadávací frekvencí odulátoru. Snažil jse se nalézt co nejvíce závislostí velikosti frekvence a aplitud haronických proudu eziobvodu. Výsledky siulací potvrdily, že velikost ani frekvence haronických proudů eziobvodu vůbec nezávisí na fázi pily odulátoru vůči zadávacíu sinusovéu průběhu, či sinusový proudů eziobvodu. Jediný fázový posuv ovlivňující velikost, nikoliv však frekvenci haronických, je ezi sinusový proude zátěže a sinusový zadání odulátoru. Další ne saozřejý zjištění je, že aplitudy haronických proudů eziobvodu nejsou nikterak závislé na velikosti frekvence pily odulátoru, tedy spínací frekvenci střídače. Pouze dojde podle velikosti spínací frekvence k posunu celého spektra, ale velikost jednotlivých haronických zůstává stejná. Po vyjasnění si závislostí frekvence haronických proudu eziobvodu sěřovaly pokusy k získání zobecňujících vzorců popisujících frekvence haronických v proudu eziobvodu, které by zahrnovaly i případy, kdy frekvence sinusových proudových zdrojů zátěže jsou H násobke frekvence zadávající sinusovky odulátoru. To odpovídá situaci, kdy stroje napájený střídače teče z jakéhokoliv příčiny haronický proud, jehož frekvence je násobke frekvence zadávající sinusovky odulátoru. Díky principu superpozice je poto ožné poskládat výsledné spektru proudu eziobvodu z haronických vzniklých od první haronické statorového proudu stroje a od vyšších haronických proudu stroje. Tyto zobecněné vztahy jsou od lichých násobků spínací frekvence [5.], od sudých [5.]. f = υ u f P ± H 6 k f kde υ u =,3,5,... k = 0,,,3,... [5.] f = υ g f P ± H 6 k 5 f kde υ g =,4,6,... k = 0,,,3,... [5.] Následující výzku se týkal určení závislostí aplitud haronických proudu eziobvodu. Ze siulací vyplynulo, že velikosti aplitud haronických jsou ovlivněny pouze fázový Strana 7

ČVUT v Praze FE K 34 posuve zadávací sinusovky odulátoru, haronický proude zátěže a otevření ěniče. Otevření ěniče je definováno jako poěr aplitud pily a zadávací sinusovky odulátoru. Pro různá otevření odulátoru jse s kroke 0, odečítal aplitudu haronických proudů do frekvencí odpovídající desetinásobku spínací frekvence. Délka generovaného průběhu proudu eziobvodu vstupujícího do FFT je dána zvolenou velikostí okna FFT a vzorkovací frekvencí. Práce probíhala tak, že po provedení všech nastavení jse zpustil výpočet, jehož výsledke byla haronická analýza zobrazená v D grafu, ze kterého se postupný odčítání určily frekvence a aplitudy všech haronických. Výsledky pro případ, kdy se frekvence haronických proudů zátěže rovná frekvenci zadávací sinusovky odulátoru jsou na obrázku 5.. 0 5 S/Har / [%] 00 80 60 40 0 0 fp 4fp 6fp 8fp 0fp S/Har / [%] 0 5 0 5 fp±3fs 3fp±3fs 5fp±3fs 7fp±3fs 9fp±3fs 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 otevření ěniče 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 otevření ěniče 8 4 7 3,5 S/Har / [%] 6 5 4 3 fp±6fs 4fp±6fs 6fp±6fs 8fp±6fs 0fp±6fs S/Har / [%] 3,5,5 5fp±9fs 7fp±9fs 9fp±9fs 0,5 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 otevření ěniče 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 otevření ěniče 5.: Závislost přenosu H d/s na otevření ěniče Ve snaze ověřit si správnost dosažených výsledků jse se snažil nalézt podobné průběhy v odborné literatuře, což se i však nepovedlo. Zároveň jse nebyl spokojen s kroke otevření střídače a = 0,, se který jse z časových důvodů odečty prováděl. ozhodl jse se proto potvrdit platnost dosažených výsledků analytický výpočte, jehož výsledke by byly spojité funkce popisující A(k) = f(a,k), kde k je řád haronické, a je otevření střídače. Výpočty jsou provedeny v prorau atlab 7..0 obsahujícího Toolbox upad verze 5.5.0. Celý postup odvození a výsledky výpočtů jsou k dispozici na přiložené DVD v souboru Fourier.n. Po otevření souboru lze příkaze Evaluate to End, který se nachází pod položkou Notebook v roletové enu, spustit celý výpočet. Výsledné analytické vztahy se i bohužel nepovedlo v prograu upad upravit tak, aby se daly rozuný způsobe prezentovat v toto textu. Kvůli jejich rozlehlosti jsou proto k dispozici pouze v souboru Fourier.n. Celý analytický výpočet byl proveden pro konkrétní poěr velikosti frekvence pily a zadávací sinusovky a zároveň konkrétní fázový posun ezi nii. To však nijak nesnižuje výsledky výpočtu, protože již víe, že tyto dva paraetry neají na velikost haronických vliv. Strana 8

ČVUT v Praze FE K 34 5.3: ekonstrukce jedné periody proudu eziobvodu poocí 50-ti členů Fourierovy řady 0 fp 4fp 6fp 8fp 0fp 5.4: Příklad výsledků analytického výpočtu závislosti přenosu H d/s na otevření ěniče Závěr výzkuu přenosu H d/s ideálního střídače je takový, že výčet frekvenčních čar obsažených v napájecí proudu střídače je 0f, f p ±3f s, f p, f p ±f s, f p ±6f s, 3f p ±3f s, 4f p, 4f p ±f s, 4f p ±6f s, 5f p ±3f s, 5f p ±9f s, atd. Velikost těchto haronických je přío úěrná velikosti fázového proudu f S a závisí na otevření ěniče podle průběhů na obrázcích 5. a 5.4. Ostatní haronické vycházející z obecných vzorců [5.] a [5.] pro případ H = ají zanedbatelnou velikost, pod rozlišovací schopnost siulace. Vše platí za předpokladu, že výstupe ideálního střídače jsou fázové proudy neobsahující žádnou jinou haronickou něž f S = f. Ve fázové proudu reálného střídače se však io f S vyskytují výrazné haronické 5f S, 7f S, které se v proudu eziobvodu projevují čarai na frekvencích 6f S, f p ±5f s, f p ±9f s, f p ±f s, f p ±5f s, f p ±7f s, f p ±f s, f p ±3f s, f p ±f s, f p ±f s, f p ±36f s, jak opět vyplývá ze vzorců [5.] a [5.] při H = 5 a H = 7. Výsledky přenosu H d/s uvedených haronických na otevření střídače jsou uvedeny na obrázku 5.5. Skoro všechny haronické ěly v siulaci zanedbatelnou velikost až na f p ±9f s. Velikost těchto haronických obsažených v proudu Strana 9

ČVUT v Praze FE K 34 eziobvodu střídače je přío úěrná velikosti haronických 5f S, 7f S obsažených ve fázových proudech. ze tedy tvrdit, že velikost haronických f p ±9f s, f p ±5f s, f p ±f s je svázána s velikostí haronické 6fs, což je důležitý závěr použitý v následujících kapitolách. 5 0 S/Har /7 [%] 5 0 5 fp±9fs 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 otevření ěniče 5.5 Závislost přenosu H d/s na otevření ěniče u haronické fázového proudu 7f S Napěťový přenos střídače H Us/Ud = U S /U d 5.6 Siulace napěťového přenosu střídače Schéa obvodu, který byl realizován prograe (Siulaceenice_prenosNapeti.vi) je na obrázku 5.6. Napětí eziobvodu bylo tvořeno ideální zdroje stejnosěrného napětí se zdroje napětí vyšších haronických, jejichž frekvence byla volitelný násobke frekvence zadávací sinusovky odulátoru. Výstupní sdružené napětí střídače bylo podrobeno frekvenční analýze. Výsledke jsou opět zobecňující vzorce pro výpočet frekvencí všech vyskytujících se haronických [5.3], [5.4] a průběhy jejich aplitud v závislosti na otevření střídače 5.7. f = υ f ± f ± Hf u P f = υ f ± 4 f ± Hf u u P P f = υ f ± 8 f ± Hf kde υ =,3,5,... u [5.3] f = υ f ± 0 f ± Hf u P Strana 0

ČVUT v Praze FE K 34 f = υ f ± 4 f ± Hf u P f = υ f ± f ± Hf g P f = υ f ± 5 f ± Hf g P f = υ f ± 7 f ± Hf g P kde υ =,4,6,... u [5.4] f = υ f ± f ± Hf g P f = υ f ± 3 f ± Hf g P 5 70 US/Har /Ud/0 [%] 0 5 0 5 3fp±f 5fp±f 7fp±f 9fp±f fp±f US/Har /Ud/0 [%] 60 50 40 30 0 0 f fp±f 4fp±f 6fp±f 8fp±f 0fp±f 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 otevření ěniče 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 otevření ěniče 0 US/Har /Ud/0 [%] 8 6 4 fp±4f 3fp±4f 5fp±4f 7fp±4f 9fp±4f 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 otevření ěniče 5.7: Závislost přenosu H Us/Ud na otevření ěniče Cíle výpočtů bylo získat u konkrétního stroje závislosti odulů statorového proudu jednotlivých haronických v závislosti na sycení, či rychlosti otáčení stroje. Výpočet je paraetrizovatelný, takže případný zájece si ůže zvolit stroj podle svého přání a po spuštění výpočtu čekat na výsledky. Prezentované průběhy popisují chování stroje používaného v laboratoři ŠKODA EECTC a.s. Strana

ČVUT v Praze FE K 34 5.8 odul haronické proudu (% N ) v závislosti na sycení a řádu haronické 5.9: odul haronické proudu (% N ) v závislosti na otáčkách a řádu haronické Na obrázku 5.8 je příklad závislosti odulu statorového proudu v % ke jenovité hodnotě fázového proudu stroje při jenovité napětí, skluzu a otáčkách na sycení stroje a řádu haronické k. ze z něj vysledovat, že chování stroje ve vztahu k vyšší haronický není nikterak ovlivněno nabuzení stroje. Na obrázku 5.9 je příklad závislosti odulu statorového proudu v % ke jenovité hodnotě fázového proudu stroje při jenovité napětí, skluzu a sycení na echanických otáčkách a řádu haronické. Z těchto a i dalších závislostí plyne, že neá sysl z důvodu potlačení vyšších haronických fázového proudu udržovat stroj v nějaké speciální pracovní stavu. Překvapilo ne, že stroj tluí až haronické řádu vyššího než 5. Haronické,3,4 naopak zesiluje. Zvolený stroj je trochu atypický. Za povšinutí stojí, že jeho proud naprázdno je 60% n. Strana

ČVUT v Praze FE K 34 Výzku reálného střídače Vznik první haronické v eziobvodu střídače a její kopenzace Běhe každého ěření spekter proudů poocí ogowského sond je potřeba brát v potaz elektroagnetické pozadí. V případě výzkuu výskytu první haronické fázového proudu v proudu eziobvodu je analýza spektra elektroagnetického pozadí nezbytností. První haronická v eziobvodu střídače podle všeho nevzniká z principu funkce střídače, protože není ve spektru proudu eziobvodu ideálního střídače, ale vzniká v důsledku nesyetrií střídače. Ať už je příčinou nesyetrie cokoliv, á za následek vyosení obrazce, který opisuje koncový bod prostorového vektoru výstupního proudu střídače, viz. průběh. na obrázku 5.0. Toto vyosení však není důsledke ničeho jiného něž přítonosti stejnosěrné složky ve fázových proudech střídače. 5.0: Prostorový vektor výstupního proudu střídače Stejnosěrná složka ve fázových proudech střídače ůže vzniknout z různých důvodů. Poinee-li chyby v odulátoru střídače, ůže být příčinou nevhodná konstrukce střídače, jejíž důsledke jsou nestejné odpory přívodů od kladných a záporných svorek jednotlivých fází. Nestejné odpory přívodů ohou nastat i v důsledku povolení šroubových spojů. Další příčinou ohou být nestejné zapínací a vypínací doby výkonových prvků v jednotlivých fázích střídače. U oderních ěničů využívajících GBT tranzistory, či GCT tyristory, jejichž spínací časy se pohybují v jednotkách µs, není s rozdílnýi dobai v řádu stovek nanosekund problé. Hůře jsou na to ěniče postavené na GTO tyristorech, jejichž spínací doby dosahují sta ikrosekund s chybou jednotek ikrosekund. Strosti proudu předevší při vypínání GTO tyristorů jsou značně ovlivněny paraetry snubberového obvodu, které se ohou s čase ěnit, předevší stárnutí kondenzátorů snubberu. Nestejné spínací doby výkonových prvků ohou být zapříčiněny saozřejě i poruchou driverů. Kopenzace první haronické fázového proudu v eziobvodu střídače Jestliže je teorie o příčině vzniku první haronické v proudu eziobvodu střídače správná, usí jít první haronická odstranit poocí kopenzace stejnosěrné složky fázových proudů. Nejprve je tedy nutné určit velikost stejnosěrné složky ve fázových proudech střídače a kopenzovat je úpravou zadání odulátoru. V laboratorních podínkách se i podařilo tuto kopenzaci provést. Vhodný zadání odulátoru se i povedlo snížit velikost první haronické prakticky na úroveň po opravě poškozeného driveru GBT. K získání velikosti stejnosěrné složky lze použít integrace zěřených fázových proudů po dobu jedné periody. Výsledek integrace vstupuje do běžného regulačního schéatu, které vygeneruje korigovaná zadání pro odulátor. K realizaci takovéto sofistikovanější struktury jse však nepřistoupil. Předevší jse nevěřil v praktické využití této kopenzace v provozu. Všechny yslitelné příčiny nesyetrií způsobující první haronickou se vyskytují v poruchových stavech ěniče. Ty se detekují jinýi způsoby a vedou k okažitéu Strana 3

ČVUT v Praze FE K 34 odstavení ěniče. ealizace by asi také narazila na oezenou přesnost ěření fázových proudů a vytížení procesoru. Vznik šesté haronické v eziobvodu střídače, vliv rtvých dob Siulace ideálního střídače neukázaly vznik šesté haronické v proudu eziobvodu. Zdá se tedy, že šestá haronická nevzniká v důsledku vlastností ideálního střídače generujícího haronický proud, jak by se dalo soudit z disertace pana Würflingera. V této kapitole se na základě laboratorních ěření pokusí dokázat, že složka 6f S je způsobena prací střídače, který se poocí oezeného počtu šesti vektorů napětí snaží ve stroji vytvořit rotující agnetické pole. Zároveň ukáži skutečný vliv rtvých dob. 5.: Vektor výstupního proudu střídače pohonu 3,5kW při f S = 0, 30, 40 Hz spínací frekvenci 768Hz a jenovité oentu Na obrázcích 5. jsou zobrazeny průběhy koncového bodu prostorového vektoru statorového proudu stroje při asynchronní odulaci a výstupních frekvencí 0, 30, 40Hz. zběžný pohled odhalí stále výraznější šestiúhelník v těchto průbězích. Tou odpovídá velikost šesté haronické ve spektru proudu eziobvodu střídače. Šestiúhelníkový nádech dostávají v okažicích, kdy začíná znatelně klesat počet sepnutí na jednu periodu první haronické výstupního proudu střídače. Začíná se projevovat oezený počet šesti vektorů napětí, v jejichž sěru se koncový bod vektoru (jeu odpovídající Ψ ) pohybuje. Nachází-li se koncový bod vektoru v některé z částí kružnice, kde á tečna kružnice shodný sěr s některý z vektorů napětí, je požadovaná rychlost a sěr pohybu vektoru docílena spínání těchto vhodných vektorů napětí, číž je dosaženo alého rozkitu odulu S. S S 5.: Vektor výstupního proudu střídače pohonu 350kW při f S = 0, 30, 40 Hz spínací frekvenci 768Hz a jenovité oentu Strana 4

Takto optializované řízení pohybu ČVUT v Praze FE K 34 S však není ožné v částech kružnice, kde ani jeden ze šesti vektorů napětí neodpovídá sěru tečny kružnice a tudíž je trajektorie S realizována kobinací několika vektorů napětí. Tí se však opakovaně šestkrát za periodu zění velikost rozkitu odulu S, číž vzniká z kruhového šestiúhelníkový průběh. Z toho vyplývá, že šestá haronická bude tí větší, čí bude enší časová τ = / konstanta stroje a čí větší je napájecí napětí stroje. Velikost τ je u asynchronního stroje dána odpory vinutí, rozptylovýi reaktancei a velikostí skluzu. Velikost šesté haronické se dá tedy redukovat zvýšení spínací frekvence, zěnou konstrukce stroje nebo použití střídače disponující větší počte vektorů napětí (víceúrovňové střídače). Z hlediska řízení či odulace lze šestou haronickou potlačit přechode do synchronních odulací při nižší výstupní frekvenci. Z výsledků prací univerzity v Bochu [45] však přechod do synchronních odulací při poěru výstupní a spínací frekvence střídače nižší než 0, z hlediska obsahu haronických v proudu eziobvodu nedoporučují. A nakonec i pokusy na lokootivě uvedené v následující kapitole ukázaly, že éně synchronních odulací znaená více ve snaze potlačit OKP. Průběhy z obrázků 5. jsou z ěření v laboratoři. Otázkou bylo, jak se projeví 6f S ve spektru proudu eziobvodu lokootivy. Protože střídač pokusného pracoviště byl řízen regulátore z lokootivy, usí velikost 6fs na lokootivě odpovídat průběhu z laboratoře v poěru paraetrů strojů. Při použití stejných odulací a spínací frekvence střídače z výše uvedeného vyplývá, že poěr velikostí 6fs zěřených v laboratoři a na lokootivě je dána vztahe [5.5]. Bez uvažování útluu filtru eziobvodu lokootivy by ěla být velikost 6fs řádově stejná jako při ěřeních v laboratoři. Předevší však není velikost 6fs úěrná velikosti S, jako je tou u haronických z obrázku 5. V reálu však bude 6fs v trakční proudu díky značnéu útluu filtru eziobvodu lokootivy nohe enší. To saé platí i pro velikost haronických, které kvůli haronické 6f S v proudu eziobvodu vznikají. Jak bylo vysvětleno v kapitole popisující ideální střídač jedná se io jiné o V-křivky f p ±38f s, f p ±9f s, f p ±5f s, f p ±f s. elativní pokles poěru 6fs / fs u pohonu lokootivy ilustrují průběhy na obrázku 5.. U U oko ab τ τ ab oko 30 0,663 0 = 380 0,47 0 3 3 4 [5.5] τ τ σ 3 ab = oko 3 σ (8,4,3)0 = = 0,663 0 0,9 f n, 50 f,5 n 6 ( 7 5)0 3 = 3,6 (3,85 9) 0 0,657 3 = 0,47 0 s s [5.6] Pan Janda ve své práci přičítá zásadní vliv na velikost šesté haronické a potažo všech V- křivek rtvý dobá střídače. ěření, která jse v laboratoři provedl tento závěr Jandovy práce potvrzují jen částečně. Zěřené průběhy ilustrují závislost velikosti šesté haronické na poěru f S /f P při zanedbatelně velkých rtvých dobách střídače. Dokazují tvrzení, že velikost šesté haronické a všech V-křivek, které díky její přítonosti vznikají, je při vyšších f S dána nedostačenou velikostí spínací frekvence a nikoliv velikostí rtvých dob. rtvé doby způsobují nesyetrii napětí opakující se šestkrát za periodu první haronické fázového proudu. Velikost této nesyetrie bude tí větší, čí větší je délka rtvých dob, napětí eziobvodu, ale též počet sepnutí, tedy i vložených rtvých dob za periodu. Sloučíe-li vliv Strana 5

ČVUT v Praze FE K 34 nedostatečné spínací frekvence s vlive rtvých dob na velikost šesté haronické proudu, dostanee rovnici [5.7]. První člen reprezentuje vliv rtvých dob, druhý člen vliv oezeného počtu šesti vektorů napětí použitých pro vytvoření kruhového agnetického toku ve stroji. 6 fs = k U d Y / U S S t DB k f P f S k 3 U τ f f S P [5.7] Z rovnice vyplývá, že rtvé doby budou ít zásadní vliv na velikost šesté haronické a V- křivky s ní svázané v okolí nulových otáček stroje. Zároveň jejich vliv bude nohe větší u velkých strojů vyznačujících se nízkou vstupní ipedancí. S rostoucí frekvencí první haronické vliv rtvých dob klesá a čí dál více se začne projevovat vliv šesti vektorů napětí. Kopenzace rtvých dob á tedy význa pouze při nižších f S, rtvé doby způsobí v okolí nulových otáček šestou haronickou nejen v proudu eziobvodu, což není z pohledu OKP problé, tak i v oentu stroje. Předevší u velikých otorů tí vzniká nepřijatelné cukání při rozjezdu pohonu. Kopenzace rtvých dob, ale i úbytků na polovodičových prvcích a dalších napěťových nesyetrií á svůj význa tedy předevší kvůli vyhlazení oentu v okolí nulových otáček. Kopenzace rtvých dob, jako i dalších napěťových nesyetrií střídače, je koplikovaná. To co nedokáže odstranit kopenzace, do frekvence f S = 6Hz dokáže dotáhnout regulace složek napětí. Vyhlazení oentu, které u velkých pohonů regulace složek napětí způsobuje, je však zásadní. Z pohledu OKP je důležitější velikost šesté haronické při frekvencích f S = 45Hz 95Hz. V toto intervalu statorové frekvence při f P = 768Hz začnou do pása pracovních frekvencí KO 75Hz vnikat V-křivky f p ±9f s, f p ±5f s. Jejich velikost je úěrná velikosti 6S na jejíž velikost však ají rtvé doby již alý vliv. Platí-li alespoň tendenčně rovnice [5.7], lze velikost šesté haronické a tedy i V- křivek při vyšších statorových frekvencích u pohonu lokootivy odvodit z velikosti šesté haronické laboratorního pohonu podle vztahu [5.5]. Kopenzace rtvých dob střídače 5.3: Průběhy zadávacích napětí odulátoru pohonu 350 kw při f S = Hz (horní dvojice), f S = 5Hz (dolní dvojice), bez kopenzace (vlevo) a s kopenzací rtvých dob Strana 6

ČVUT v Praze FE K 34 Na obrázku 5.3 jsou průběhy zadávacích napětí odulátoru pro dvě výstupní frekvence první haronické fázového proudu střídače s veliký otore. lustrují vliv kopenzace rtvých dob na napětí a tedy i proud střídače. Při f S = Hz je deforace zadávacích napětí vzhlede k aplitudě napětí značná. Zatíco při f S = 5Hz je znatelně nižší a se vzrůstající výstupní frekvencí a tedy i otevření ěniče nadále prudce klesá. Z těchto důvodů je kopenzace v praxi prováděna pouze do f S = 30Hz s její pozvolný zánike. To však platí u pohonu s prvky 6kV, které vyžadují nastavení rtvých dob nad 0µs. rtvé doby u ěničů s 3kV GBT jsou přibližně 3µs, což hranici ukončení kopenzace rtvých dob posune na f S = 0Hz. Výzku subharonických v proudu eziobvodu Pan Janda ve své disertační práci narazil na výraznou, jí nevysvětlenou frekvenční složku, projevující se v ěřené spektru čarou na kitočtu 0,5 f S. Jední z ých vytyčených cílů bylo objasnění této záhadné frekvenční složky. První pokusná ěření se stroji s různý počte pólů potvrdila podezření, že frekvence této subharonické je dána vztahe f S / pp. V další kroku výzkuu šlo o popsání závislostí určujících velikost této subharonické. Přistoupil jse k sérii systeatických úprav zvoleného čtyřpólového stroje, na které jse opět provedl pokusná ěření. První úpravou bylo izolování obou ložisek v čele stroje, aby se tí zneožnil případný vznik ložiskových proudů. Ty by podle jedné z doněnek ohli indukovat napětí, jež by bylo zdroje subharonických v proudu eziobvodu. Další pokuse bylo vyosení rotoru stroje o 5µ, přičež vzduchová ezera stroje byla před jeho úpravou 40 µ. Vyosení bylo docíleno vložení excentrických vložek do čel stroje, ve kterých byla usazena ložisek s enší vnější průěre, než ěla původní ložiska. Tak vznikly tři série ěření, kde v každé se io haronické analýzy proudu eziobvodu střídače provedla i haronická analýza napětí skluzové cívky připevněné na ložiskové štítu stroje. V ráci příprav stroje jse oděřil indukčnost na svorkách dvou fází v závislosti na natočení rotoru stroje. A právě závislost indukčnosti stroje na natočení rotoru po jeho vyosení o 5µ dávala naději na zajíavé výsledky. Bohužel očekávání vložená do časově i finančně náročných úprav stroje se nenaplnila. Pouze odbuzování stroje se podařilo sledovanou subharonickou snížit. Přibližně rok po ukončení výše popsaných pokusů se v ráci spolupráce s Dopravní fakultou Jana Pernera Univerzity Pardubice provedla ěření na pohonu 58kW čtyřiceti pólové synchronní stroji. Podle očekávání obsahovalo spektru napájecího proudu střídače celou škálu subharonických. ozsáhlá výzkuná zpráva [0], která se zěřenýi výsledky zabývá, těž nepřinesla do tohoto probléu větší světlo. Vše co o velikosti subharonických doposavad víe je, že závisí na nabuzení stroje, u každého stroje se liší, nezávisí na vyosení rotoru či izolaci ložisek. Subharonické se neobjevují ve spektrech elektroagnetického pozadí. ze tedy alespoň konstatovat, že se nepotvrdily obavy ze vzniku subharonických vlive echanického opotřebení ložisek otorů, či jiných echanisů způsobujících postupný vznik elektroagnetické nesyetrie stroje. Zvolená vektorová regulace Na základě pokusů s DS a zkušeností pana Javůrka s vektorovou regulací, kterou v té době již s úspěche použil na etrech pro ěsta Kyjev, Kazaň a příěstských jednotkách 47, se rozhodlo o použití stejné regulace i pro pohon lokootivy 09E. Pane Javůrke používaná vektorová regulace je postavena na proudově otáčkové odelu asynchronního stroje, bloku optiu, regulátoru odulu statorového proudu a úhlu, odulátoru se vstupy a, f. Tato regulační struktura s úspěche fungovala na pohonech s výkone do 0,5W. Pan Bednář však při vývoji pohonu s jenovitý výkone,6w narazil na probléy zíněné regulace v oblasti nulových otáček. Proto se rozhodl doplnit regulátor odulu a úhlu statorového proudu o regulátor složek statorového napětí. Schéa takto vzniklé regulační struktury je na obrázku 5.4. Jaký vliv á toto regulace na rušivé Strana 7

ČVUT v Praze FE K 34 proudy bylo popsáno v kapitole o vzniku šesté haronické proudu eziobvodu střídače. Detailnější inforace k regulaci nelze publikovat, protože se jedná o know-how firy ŠKODA EECTC a.s. 5.4: Schéa zvolené vektorové regulace Kopenzace V-křivek Výzku ideálního střídače odhalil frekvence a aplitudy haronických, které se objeví v proudu eziobvodu vždy, již z principu. Při rozjezdu vozidla, tedy při pozvolné zvyšování frekvence první haronické fázového proudu stroje f S tyto haronické vytvářejí takzvané V- křivky, což již konstatoval pan Janda. Nové je však zjištění, že velikost těchto V-křivek je přío úěrná velikosti první haronické proudu a závisí pouze na poěrné otevření ěniče podle křivek na obrázku 5.. Přidají-li se k tou zjištění o chování reálného střídače lze vytipovat nejpravděpodobnější příčiny případných probléů při schvalování vozidla podle nory ČSN 34 63 ed.. Probléy se nedají čekat s první haronickou, která jakožto důsledek nesyetrií konstrukčního rázu by neěla vzniknout. Vznikne-li, ělo by se její odstranění řešit odstranění nesyetrií, jejichž příklad byl uveden. Až jako krajní řešení lze použít kopenzaci popsanou v kapitole 0. Ani šestá haronická by podle předpokladů neěla činit potíže, protože její velikost předvídatelná podle vztahu [5.5] by ěla odpovídat ěření v laboratoři. K tou se usí připočíst útlu filtru eziobvodu vozidla s řezovou frekvencí okolo 8Hz a strostí 0dB na dekádu. Ani prvotní strach z rtvých dob není oprávněný, jejich kopenzace do 5Hz statorové frekvence je při použití GBT 3kV dostačující. Obavy vzbuzuje subharonická o frekvenci f S /pp, jejíž vznik se i nepovedlo objasnit a u kolejových obvodů 5Hz a 50Hz by ohla způsobit těžko řešitelné potíže. Takže nakonec nejvíce probléů u pohonu s vektorovou regulací a vyjádřený odulátore s pevnou spínací frekvencí lze očekávat od vzniknuvších V-křivek. Tato kapitola je věnována odstranění nepříznivého vlivu V-křivek na spektru proudu eziobvodu střídače. Strana 8

ČVUT v Praze FE K 34 Kopenzace V-křivek na vozidle Na obrázku 5.5 je zěřené spektru trakčního proudu lokootivy při rozjezdu na zkušební okruhu na DC systéu. 5.5: Spektru bez kopenzace, 00% tahu, jeden podvozek, průběh f S Na obrázku jsou popsány jednotlivé nekopenzované V-křivky. Zakroužkovaná oblast ukazuje nástup V-křivky f P - 9f S do pása 68 80Hz, která způsobovala překročení liitu OKP. V-křivka běžně pokračuje dál a projde až k 0Hz. Zde však díky prokluzu nápravy došlo k rychlé snížení trakčního výkonu a zdánlivéu odstranění inkriinované V-křivky. Přechodný děj prokluzu se ve spektru projeví čarai napříč všei frekvencei. Na obrázku 5.6 je spektru trakčního proudu lokootivy s kopenzací V-křivek. Bohužel záznay nebyly pořízeny ve stejné pracovní režiu lokootivy. Zatíco spektru na obrázku 5.5 bylo pořízeno při připojené zátěži a ohlo se tedy jet se 00% tahe a přiěřený zrychlení, spektru na obrázku 5.6 bylo pořízeno bez připojené zátěže, rozjezdu do zabrzděné lokootivy vzduche a ač s třetinový tahe, tak s větší zrychlení a většíi prokluzy, které způsobují přechodné děje. Tlak na co nejrychlejší schválení vozidel a obsazenost zkušebního okruhu ná nedovolily pořídit více vypovídajících sad průběhů. Průběhy spekter, které lépe postihují vliv kopenzace V-křivek obsahují ěřící protokoly VUŽ. Nejse však oprávněn je použít. Strana 9

ČVUT v Praze FE K 34 5.6: Spektru s kopenzací, 30% tahu, jeden podvozek, průběh f S Skutečná volba odulací na základě zěřeného spekter trakčního proudu V případě provozu lokootivy na DC trakční systéu neěla volba synchronních odulací vliv na spektru trakčního proudu, protože vzniknuvší haronické ající frekvence stovek Hz plně potlačil filtr eziobvodu. Probléy vznikly na střídavé trakční systéu 50Hz. Přeskočíe-li ladění saotného usěrňovače, vliv střídače na trakční proud ukazuje spektru na obrázku 5.7. Při přechodu do 5F následované 3F se ve spektru objevily výrazné čáry, které lze popsat 50Hz ± fs a 50Hz ± fs. Znak delta vyjadřuje diferenci ezi frekvencí aktuální a frekvencí v okažiku přechodu do synchronních odulací. Po této špatné zkušenosti se synchronníi odulacei se přistoupilo k řešení, kdy se využije do co nejvyšší rychlosti odulace asynchronní a pro přechod do obdélníku se použije synchronní odulace 3, ve které se pohon zdrží jen nejkratší ožnou dobu. Výsledek takovéto strategie ilustruje spektru na obrázku 5.8. Strana 0

ČVUT v Praze FE K 34 5.7: Spektru trakčního proudu na systéu 5kV,50Hz s odulacei pohonu SS,5F,3F,GFT a časový průběh synchronní frekvence Strana

ČVUT v Praze FE K 34 5.8: Spektru trakčního proudu na systéu 5kV,50Hz s odulacei pohonu SS,3,GFT a časový průběh synchronní frekvence 6. Závěr První dílčí výsledke práce je volba etodiky ěření konduktivních proudů a její realizace na produktech firy N. Představená etodika je vhodná pro výzku haronických a ladění pohonu, avšak selektivní vykreslení jednotlivých haronických je sao o sobě neužitečné v případě, chcee-li se dobrat k hodnotá, na jejichž základě pověřená právnická osoba vozidlo schvaluje. Schvalovateli totiž nejde priárně o echanisy vzniku haronických, ale o co nejdokonalejší napodobení vlastností kolejového obvodu a to předevší použití totožné frekvenční charakteristiky filtru. Schvalovatel nechá Strana

ČVUT v Praze FE K 34 projít naěřená data digitální filtre s frekvenční charakteristikou kolejového obvodu a tí určí velikost energie schopné kolejový obvod vybudit. Vyskytuje-li se ve sledované frekvenční pásu jen jedna haronická, ají obě etody shodný výsledek. Naopak například v přechodných dějích, které se ve spektru vyznačují čarai přes všechny frekvence, etodika o velikosti ohrožujícího proudu nevypovídá nic. K tou však nebyla určena. Výsledky výzkuu ideálního střídače prostřednictví výpočtů a siulací jsou shrnuty v rovnicích a obrázcích. Pro haronické, jejichž velikost je odvozena od první haronické fázového proudu a otevření střídače, se i podařilo dospět ke shodný výsledů jak poocí siulací, tak i analytického výpočtu. Následná konfrontace s naěřenýi daty na laboratorní střídači dopadla nad očekávání dobře. Špatně dopadlo porovnání výsledků siulací s naěřenou realitou u haronických, jejichž původ vysvětluji od přítonosti šesté haronické v proudu eziobvodu. Naěřené průběhy spektra proudu eziobvodu lokootivního střídače i však daly zapravdu, že jak šestá haronická, tak V-křivky f p ±9f s, f p ±5f s, f p ±f s, f p ±36f s s ní spjaté jsou řádově stejně veliké, jako ve spektru laboratorního pohonu. Výzku asynchronního stroje spočívající ve výpočtu jeho aditance v závislosti na otáčkách a zatížení stroje ukázal, že z pohledu rušivých proudů není potřeba udržovat stroj v nějaké speciální pracovní bodě. V ráci popisu spektra eziobvodu reálného střídače jse oddéonizoval výskyt první haronické fázového proudu v eziobvodu a poukázal na její přítonost v elektroagnetické pozadí, což způsobuje výskyt první haronické v každé naěřené průběhu. Pro případ nutnosti jse navrhl etodiku kopenzace první haronické, která se i však zdá být v běžné provozu zbytečnou. Výsledky výzku vlivu rtvých dob střídače na obsah a velikost haronických ve spektru proudu eziobvodu částečně potvrdily zjištění pana Jandy. Ten přičítal rtvý dobá jak nárůst šuu spektra a 6f S, tak i zvýšení velikosti V-křivek f p ±9f s, f p ±5f s, f p ±f s. Podle ých zjištění rtvé doby zásadně ovlivňují velikost šesté haronické pouze v počátku rozjezdu pohonu a postupně jejich vliv na velikost šesté haronické klesá. Způsobují tak při rozjezdu předevší probléy s průběhe oentu pohonu, pro jehož vyhlazení je kopenzace rtvých dob přínosná. Na vyhlazení oentu v intervalu f s = 0Hz 6Hz á v případě uvedené vektorové regulace zásadní vliv regulace složek napětí. Pří další zrychlování běhe f s = 6Hz 40Hz je doinantní ve snižování velikosti šesté haronické a V-křivek f p ±f s, f p ±36f s kopenzace rtvých dob střídače. Tyto V-křivky však nejsou díky svéu vysokéu řádu a tedy alé aplitudě nebezpečné i v případě nekopenzování rtvých dob. Ve vyšších rychlostech f s = 40Hz 00Hz, kde je stále použita asynchronní odulace, je kopenzace rtvých dob ve snaze snížení velikosti V-křivek f p ±9f s, f p ±5f s neúčinná. Podle vzorce [5.7] by se usela výrazně zvýšit spínací frekvence, což není ožné. Nebezpečí z hlediska OKP představuje předevší V-křivka f p ±9f s, která zasahuje do frekvenčního pása kolejových obvodů 75Hz při f s = 76Hz 94Hz. Zabránění jejího vniku do frekvenčního pása KO 75Hz bylo dosaženo kopenzací V- křivek. Veliké zklaání přinesl výzku vzniku subharonických v proudu eziobvodu laboratorního střídače, který napájel čtyřpólový asynchronní stroj. Časově náročné pokusy na několikrát upravované stroji přinesly slabé výsledky popisující vlivy na velikost subharonické frekvence f S /pp. Experienty ukázaly, že velikost subharonické neovlivnila ani izolace ložisek, ani vyosení rotoru stroje. Sledoval jse pouze nejasný vliv odbuzení stroje, kdy snížení toku stroje vedlo k írnéu zenšení subharonické. ěření však nebyla natolik průkazná, abych z nich ohl vyvozovat podrobné závěry. Z porovnání zěřených hodnot na všech čtyřech otorech vyskytujících se v laboratoři vyplynulo, že u každého stroje je velikost subharonické jiná, ale řádově se shodují. Větší rozptyl velikostí subharonických jse vysledoval u velkých otorů, kde však výzku nebyl z důvodu oezeného počtu ěření systeatický. Strana 3

ČVUT v Praze FE K 34 Volba vhodné regulace z pohledu rušivých proudů spočívá předevší ve schopnosti regulovat oent s co nejenší zvlnění při dané spínací frekvenci. Zároveň je výhodnější ít pevnou spínací frekvenci, která v kobinaci s hladký oente zaručí spojité spektru proudu eziobvodu s relativně alý počte haronických. Při použití jakéhokoliv řízení s proěnou spínací frekvencí riskujee v ochranných frekvenčních pásech výskyt jen těžko odstranitelných haronických nebo šuu. Zároveň se vzdáváe ožnosti řízenou zěnou spínací frekvence ovlivnit průběh vyjádřených haronických, jak je nakonec použito u všech nových vozidel plzeňské Škodovky počínaje lokootivou 09E. Z toho důvodu se zavrhlo příé řízení oentu, ačkoliv pan Würflinger ve své práci dokázal za použití aktivní filtrace haronických oentu do vteřiny eliinovat haronické ve zvolené frekvenční pásu. Bez praktické realizace této etody lze jen těžko posoudit její ožnosti, v každé případě je to zajíavé řešení. Nakonec pan Bednář použil pro lokootivu 09E vektorovou regulaci, kde pro oblast vyšších otáček převzal regulaci z jednotky 47, kterou v oblasti nízkých otáček doplnil regulací složek statorového napětí. Kapitola věnována odulací je typický příklade ladění pohonu v praxi. Na základě dostupných teorií se zvolí strategie odulátoru, ale až s lokootivou na zkušební okruhu se zjistí její nevhodnost. V to okažiku se již většinou etodou pokus-oyl zkouší různé varianty, dokud se nedostaví úspěch. Bez podpůrných prostředků online ěření je to však neožné. Tento způsob vývoje je naprosto legitiní a zdaleka není cizí ani například naši kolegů v něecky luvících zeí. Závěry pro další rozvoj vědy Nedostatek své práce vidí předevší v nedokonalé popisu vztahu velikosti šesté haronické a velikostí V-křivek fp±9fs, fp±5fs, fp±fs, fp±36fs. F akt, že jse schopen tyto V-křivky vykopenzovat bez ohledu na jejich velikost, i uožnil věnovat drahocenný čas na výzku praktičtějších věcí. Zůstává zde tedy prostor pro další výzku. Otevřený téate je stále výskyt subharonických ve spektru proudu eziobvodu. é jediné průkazné zjištění, že frekvence těchto subharonických je určena statorovou frekvencí a počte pólpárů, je vzhlede k vynaloženéu úsilí velice skroné. Po neúspěšných pokusech s echanickýi úpravai stroje, či jeho provozování v různých pracovních režiech, padá stín podezření na technologii výroby stroje. Pokusy získat nějaké podnětné nápady či návrhy dalšího výzkuu od technologů z ŠKODA EECTC a.s. divize Trakční otory či ČKD Nové Energo nedopadly úspěšně. Veliký potenciál vidí v technické realizaci a ověření skutečných ožností příého řízení oentu s filtrací zvolených haronických, jak ji ve své práci popsal pan Würflinger. V souvislosti s tí je velice zajíavý téate výskyt echanických rezonancí stroje, které značně ovlivní průběh regulovaného oentu, zdá se však bez vlivu na obsah vyšších haronických v proudu eziobvodu. Do plánu vývojových úkolů ŠKODA EECTC a.s. se oddělení SW pokusí prosadit detailní výzku synchronních odulací a jejich vlivu io jiné na spektru napájecího proudu střídače. Jak jse poodhalil v poslední kapitole práce, jejich vlastnosti neáe přesně popsané. Nový trende, který neinul ani firu ŠKODA EECTC a.s., je bezsenzorová regulace pohonu s asynchronní stroje. V laboratorních podínkách ji úspěšně zrealizovali pánové Bednář, Javůrek a v nejbližší době se uvažuje o její nasazení do zkušebního provozu na poocných pohonech. V případě nasazení této regulace na hlavních pohonech vozidla bude výzku vlivu této regulace na obsah vyšších haronických v eziobvodu střídače nutností. Strana 4