Regulace synchronního motoru pro lehkou kolejovou trakci lace a znázorňuje i analogii se stejnosměrným strojem, u kterého je rovněž prou kotvy kolmý na buicí magnetický tok a vnitřní moment je úměrný prouu kotvy. Pro matematický popis stříavých elektrických strojů a při aplikaci jejich regulačních struktur je charakteristické použití transformovaných souřanicových soustav, ve kterých se znázorňují průběhy prouů, napětí a magnetických toků. U synchronního strooc. Ing. Jaroslav Novák, CSc., ČVUT Praha, Fakulta strojní, ústav přístrojové a říicí techniky, Ing. Onřej Černý a Ing. Jiří Šimánek, Univerzita Parubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, Katera elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky v opravě V první části článku jsou prezentovány principy zpětnovazební regulace momentu synchronního motoru s permanentními magnety, zejména s ohleem na aplikaci v trakčním pohonu kolejového vozila. V ruhé části je uveen popis speciálního experimentálního pracoviště s kolovým pohonem pro tramvaj se synchronním motorem s permanentními magnety, které je instalováno na Dopravní fakultě Univerzity Parubice. V článku jsou obsaženy výsleky zkoušek na tomto experimentálním pracovišti s vyvinutou a implementovanou strukturou regulace. 1. Úvo U 1 I R 1 Obr. 1. Náhraní schéma statoru synchronního stroje Synchronní motor s permanentními magnety (PMSM Permanent Magnet Synchronous Motor) je v trakční oblasti relativně novou hnací jenotkou. Použití tohoto typu motoru pro pohon opravních prostřeků bylo umožněno přeevším zokonalením vlastností permanentních magnetů ze speciálních slitin (SmCo, NFeB) s magnetickou inukcí kolem 1 T. Aplikace PMSM se začaly v trakci objevovat ve větší míře v průběhu posleních přibližně eseti let, nejprve převážně v elektrických a hybriních pohonech silničních voziel. V současné obě se použití PMSM stále rozšiřuje i v oblasti kolejových vozilech, a to jak ve vozilech městské opravy, tak i ve vozilech určených pro železniční provoz. Pro železniční vozila jsou k ispozici PMSM s výkony přibližně o 3 kw. Konstrukční řešení PMSM pro trakci lze rozělit o vou skupin: o motory s vnitřním rotorem (klasická koncepce), ke se rotor otáčí uvnitř statoru, o motory s vnějším rotorem, ke rotor s magnety obepíná stator. PMSM s vnitřním rotorem se uplatňují přeevším v pohonech náprav železničních voziel. Příklaem vozila s touto koncepcí motorů je japonský příměstský vlak e@train s PMSM s trvalým výkonem 16 kw. L 1 Ui Motory s vnějším rotorem se uplatňují v kolových pohonech silničních voziel nebo pohonech některých tramvají. Konstrukce motoru je v těchto přípaech integrována o konstrukce kola. Příklaem použití této koncepce motoru jsou např. plně nízkopolažní tramvaje Variobahn o firmy Bombarier, které jsou provozovány např. ve městech Chemnitz, Mannheim, Syney nebo Helsinky. Stejná koncepce motorů se uplatnila i v oávce vozů metra na pneumatikách o firmy Siemens pro francouzského zákazníka. Výhoy PMSM vycházejí z aplikace rotorových magnetů ze speciálních slitin s velkou remanencí. U PMSM se osahuje více než vojnásobného zmenšení rozměrů a hmotnosti oproti asynchronnímu motoru se stejným výkonem a otáčkami. Tato výhoa vynikne přeevším u nízkopolažních kolejových voziel. Zmenšení rozměrů a hmotnosti motoru přeurčuje PMSM pro bezpřevoovkové pohony. PMSM je potom konstruován jako stroj pomaluběžný, mnohapólový (až přes 4 pólů). Další výhoou bezpřevoovkového pohonu s PMSM oproti pohonu s rychloběžným asynchronním motorem je větší účinnost aná neexistencí jouleových ztrát v rotoru a ztrát v převoovce. Trakční pohony s PMSM však mají oproti pohonům s asynchronními motory některé nevýhoy. Je přeevším o složitější a ražší konstrukci a o problematičtější řešení havarijních stavů, ané nemožností obuzení stroje. I přes tyto ílčí nevýhoy se použití PMSM, zejména v lehké trakci, stále rozšiřuje.. Princip zpětnovazební regulace momentu synchronního stroje Výkonová část elektronického napáječe pro PMSM je stejná jako u pohonu s asynchronním motorem: PMSM je stanarně napájen z třífázového můstkového stříače IGBT s napěťovým vstupem. Výstupní napětí stříače je formováno šířkově pulzní moulací. Z ůvoů, které vyplynou z alšího textu, je při regulaci momentu PMSM třeba snímat úhlové natočení jeho rotoru. Vlivem této skutečnosti je nutné iniviuální napájení kažého PMSM z vlastního stříače. Není tey možné skupinové napájení PMSM, které se něky používá u pohonů s asynchronními motory. V regulovaných pohonech v opravní. technice se nejčastěji využívá synchronní stroj s permanentními magnety s lineární regulační strukturou. V přípaě lineární regulace momentu PMSM se okamžitá honota prouu statoru reguluje ve vazbě na okamžitou polohu rotoru, aby se osáhlo lineární závislosti momentu na velikosti celkového prouu statoru. Na obr. 1 je náhraní schéma statoru, ze kterého vychází fázorový iagram (obr. ), který znázorňuje situaci v režimu provozu s plným Obr.. Fázorový iagram statorového obvou synchronního stroje při vektorové regulaci jωl 1I q U 1 jωl 1I q R 1I jωl 1I I I R 1I magnetickým tokem (U 1 je fázor svorkového statorového napětí, R 1 je opor fáze statorového vinutí, L 1 je inukčnost statorového vinutí, I je fázor prouu statoru, ω je úhlová frekvence statorového napětí a U i je napětí inukované magnetickým tokem rotoru ve statorovém vinutí). Situace, která je zřejmá z obr. 1 a obr., bylo osaženo strukturou tzv. vektorové regu- q i I q = I Obr. 3. Fázorový iagram synchronního motoru v režimu obuzování q I q F f F f ELEKTRO 6/8
Jsou-li při řízení synchronního stroje zachovány poměry ané přechozím fázorovým iagramem na obr., je složka prouu i nulová, celkový prou I statoru se Rovnice ztotožňuje 1 se složkou i q a pro moment platí Mvztah: = 1,5 pp( Fi q Fqi ) Rovnice M = 1,5 p F i () p f q Rovnice 3 ke M = F1 f,5je pmagnetický p ) tok iq permanentních Lqiqi = 1,5 ppimag- netů, který je v přípaě nulové složky i to- q( Ff Lqi Rovnice 4 tožný s tokem F. I i max [ ] ) stříač I max i U i I max SM i q* ~ M* U i u max i q u q u q abc u a u b u c PWM RES i i q i a i b abc určení úhlu rotoru C Obr. 4. Struktura regulace momentu v transformované souřanicové soustavě, q M Y CM M* MY CY CMY i* A výpočet i* A, i* B i* B i A reg. i A reg. i B U ia u A u B PWM 6 K i B U ib u C výpočet U i ω m t φ i A i B φ SM Obr. 5. Struktura regulace prouů ve fázích statoru je se používá pravoúhlá soustava souřanic, q. Poloha osy je ána osou zroje magnetického toku, tj. rotoru. Potom rychlost otáčení soustavy, q je rovna rychlosti rotoru, tj. rychlosti synchronní. Při přepočtech honot veličin stroje (prouů, napětí a magnetických toků) mezi reálnou třífázovou soustavou statoru a transformovanou soustavou, q, ve které probíhají algoritmy regulace, se používají opovíající transformační vztahy. Vzhleem k tomu, že soustava, q je svázána s polohou rotoru, závisí transformační přepočty i na okamžité honotě úhlu rotoru proti statoru. Tento úhel je nutné měřit snímačem úhlového natočení. Mnoho výzkumných prací je v současnosti věnováno i možnostem bezsenzorového vyhonocování úhlu rotoru. Matematický moel synchronního stroje, sestavený v souřanicové soustavě, q, poskytuje obecný vztah pro moment: Rovnice 1 M =,5 p ( F i F i ) (1) 1 p q q Rovnice ke M = 1,5 p F i p f q p p je počet pólpárů stroje, Rovnice 3 F a F q složky magnetického toku ve stroji, i M = 1,5 pp ) iq Lqiqi = 1,5 ppiq Lqi a i q složky prouu statoru. Rovnice 4 I i [ ] ) ELEKTRO max 6/8 Moment je tey určen pouze velikostí (tj. efektivní honotou, popř. amplituou) statorového prouu. Pomínkou je zachování kolmosti prostorového vektoru statorového prouu na magnetický tok. Obobně jako asynchronní stroje je možné provozovat i PMSM v oblasti na jmenovitými otáčkami, ky se již nezvyšuje napětí zroje, ale řízení se v principu vykonává jen změnou frekvence. I u PMSM je o obuzování a cílem je omezovat při vysokých otáčkách inukované napětí převyšující napětí napájecího zroje. V tomto režimu již není možné uržovat kolmou polohu magnetického toku a statorového prouu. Stroj proto pra- 5
Obr. 6. Synchronní trakční motor na zkušebním pracovišti torovém vinutí reálného stroje v přípaě natočení rotoru o polohy, ky osa rotoru a osa sleovaného vinutí splývají. L q je inukčnost, která se naměří na statorovém vinutí reálného stroje v přípaě, že osa sleovaného vinutí a osa rotoru jsou vzájemně kolmé. Ze vztahu (3) je zřejmé, že bue-li mít stroj magneticky souměrný rotor (bueli tey platit L = L q = L 1 ), bue vztah pro moment stejný v režimu s plným magnetickým tokem i v režimu obuzování. Požaavek magnetické symetrie rotoru bývá u PMSM přibližně splněn, a proto je v obou režimech moment án magnetickým tokem permanentních magnetů a složkou prouu i q, tj. složkou momentotvornou pole vztahu (). Fázorový iagram statoru motoru pro režim obuzování je na obr. 3. 3. Struktura regulace momentu v souřanicové soustavě, q Nejjenoušší forma této regulační struktury je na obr. 4. V této struktuře jsou regulovanými veličinami složky prostorového vektoru prouu statoru i a i q v reprezentaci pole fázorových iagramů na obr. a obr. 3. Popsaná struktura je založena na použití lineárních Na obr. 4 je znázorněna struktura obuzování navazující na záklaní strukturu vektorové regulace v souřanicové soustavě, q. Navržená a použitá metoa obuzování je výhoná tím, že bez jakýchkoliv nespojitých přechoů plynule navazuje na regulaci při plném magnetickém toku a uržuje výstupní napětí stříače na zaané, v aném přípaě nejvhonější, tey mezní honotě. Použitá metoa obuzování pracuje na principu regulace amplituy poměrného napětí, které je zaáváno v jenotlivých fázích na vstup šířkově pulzního moulátoru. Cílem tey je uržet při obuzování stálou poměrnou honotu moulu prostorového vektoru napětí statoru, které je formováno stříačem. V přípaě konstantního vstupního napětí stříače je konstantní amplitua a efektivní honota svorkového napětí +DC brzový rezistor měnič Micromaster Obr. 8. Výkonová část pracoviště s trakčním PMSM 3 4 V R p AM Obr. 7. Zkušební pracoviště se synchronním trakčním motorem a asynchronním zatěžovacím strojem DC +DC měnič Semikron L F q i ) cuje s nenulovou magnetizační složkou prostorového vektoru prouu i. Tato složka má obobné účinky jako reakce kotvy u stejnosměrného stroje působí proti magnetickému toku permanentních magnetů a její magnetický tok zmenšuje výslený tok stroje. Efekt obuzování PMSM je stejný jako u stejnosměrného či asynchronního stroje s rostoucí rychlostí klesá maximální osažitelný moment. V přípaě trakčních pohonů s PMSM se obuzování uplatňuje nejen v oblasti rychlostí vyšších než jmenovitá rychlost, ale i při poklesu napětí trolejové sítě. Momentové vlastnosti synchronního motoru v režimu obuzování lze ovoit opět Rovnice 1 z M obecného = 1,5 pp( F vztahu iq Fqi pro ) moment pole (1), Rovnice který lze osazením z rovnic matematického moelu M = 1,5 pupravit F i o tvaru: p f q Rovnice 3 M = 1,5 pp[( ) iq Lqiqi ] = 1,5 ppiq Lqi Rovnice 4 i ) iq Lqiqi ] = 1,5 ppiq Lqi ) (3) Imax i [ ] ) ke L je poélná inukčnost statorového vinutí, L q příčná inukčnost statorového vinutí. L je inukčnost, která se naměří na sta- DC regulátorů pro obě složky prouu statoru. Zvlnění regulovaných veličin je v ustáleném stavu áno principiální činností akčního členu stříače, který pracuje se šířkově pulzní moulací. S rostoucí frekvencí první harmonické výstupního napětí při stálé frekvenci šířkově pulzní moulace bue růst i zvlnění regulovaných veličin v ustáleném stavu. V režimu s plným magnetickým tokem je žáaná honota složky i nulová a žáané honotě složky i q je úměrný moment stroje pole vztahu (). O žáaných honot složek prouů jsou oečteny skutečné honoty a regulační ochylky jsou zaveeny o regulátorů. Výstupy regulátorů složek prouů i a i q přestavují v této struktuře přímo složky napětí u a u q, principiálně však lze metou zokonalit korekcí honot u a u q pole velikosti inukovaného napětí. Pro výše popsanou strukturu je charakteristická nutnost použití vou transformačních bloků, a to transformačního bloku pro přepočet naměřených okamžitých honot fázových prouů stroje na skutečné honoty složek i a i q a transformačního bloku pro přepočet složek napětí u a u q na tři referenční honoty napětí ve fázích statoru, které jsou zaávány o šířkově pulzního moulátoru. Jak bylo uveeno výše, využívá se pro výpočet transformací honota okamžitého úhlového natočení rotoru υ, která je měřena snímačem. PMSM Obr. 9. Měnič Semikron a oporníky realizující rezistor R p s opojovači statoru. V přípaě kolísání vstupního napětí stříače kolísá opovíajícím způsobem amplitua a efektivní honota svorkového napětí statoru, avšak požaovaná poměrná napětí zaávaná pro jenotlivé fáze na vstupy šířkově pulzního moulátoru mají amplituy konstantní, rovné žáané honotě UMAX a na principu metoy se nic nemění. ELEKTRO 6/8
4. Regulace okamžitých honot prouů ve fázích statoru Pro prvotní ověření vlastností trakčního motoru na experimentálním pracovišti byla sestavena a implementována jenouchá regulační struktura, která zabezpečuje regulaci momentu pole fázorového iagramu na obr. regulací okamžitých honot prouů ve fázích statoru. Generování žáaných honot je synchronizováno s polohou rotoru tak, že amplitua prouu v ané fázi nastává tehy, je-li rotor v kolmém postavení na osu tohoto fázového vinutí. Je tey uržován stálý úhel 9, o který přebíhá prostorový vektor prouu statoru polohu rotoru. Struktura regulace prouů ve fázích statoru byla oplněna o korekci vlivu inukovaného napětí a je znázorněna na obr. 5. Popsaná struktura byla testována při frekvenci šířkově pulzní moulace 5 khz o maximální frekvence statorového napětí a prouu 13 Hz, tj. mírně přes polovinu jmenovité frekvence motoru. Do této frekvence měla regulační struktura poměrně obré vlastnosti, avšak při vyšších rychlostech již nestačily prouové regulátory ostatečně rychle reagovat na rychlé změny žáaných honot fázových prouů a ocházelo k přílišnému zvýšení regulačních ochylek. Vzhleem k omezenému otáčkovému rozsahu při použití této metoy a vzhleem k obtížnější vazbě této struktury na algoritmus obuzování není tato metoa pro sleovaný trakční pohon zcela vhoná. Experimenty s touto strukturou však poskytly ůležité výchozí poznatky, které byly využity při návrhu a implementaci struktury efinitivní. 5. Zkušební pracoviště Pro potřeby výzkumu je na Dopravní fakultu Jana Pernera Univerzity Parubice louhoobě zapůjčen speciální zkušební stav s trakčním čtyřicetičtyřpólovým synchronním motorem (obr. 6) s permanentními magnety 58 kw, 38 Hz, 65 min 1. Motor je chlazený voou. Na tomto zkušebním stavu je realizována pohonná kolová jenotka, jejíž konstrukce vychází z koncepce možného pohonu nízkopolažní tramvaje. Je zvoleno uspořáání s částečně opruženým motorem pohánějícím kolo přes souběžný kuličkový kloub. Při jmenovitých otáčkách motoru je obvoová rychlost kola 86 km h 1. Motor je uložen v silentblocích, umožňujících jeho výkyv v horizontálním směru. Kolo je uloženo na kyvném ramenu přitlačovaném pneumatickým válcem k protiběžnému kolu, které je spojeno se zatěžovacím asynchronním strojem simulujícím kolejnici. Válcem se vyvoí tlak v rozmezí 4 až 5 kn. Aby bylo možné uskutečnit výzkum, bylo nutné tento tramvajový stav oplnit potřebnou výkonovou a říicí elektronikou a zátěžným strojem pro testování pohonu a navrženého řízení minimálně o jmenovitého zatížení. Jako zátěžný stroj byl použit asynchronní Obr. 1. Měnič Micromaster s brzným oporníkem a nabíjecími CY rezistory motor, který byl přes pružnou spojku spojen s hříelí protiběžného kola zkušebního stavu. V současnosti se o tohoto spojení instaluje snímač momentu. Jako zátěžný stroj se používá esetipólový asynchronní elektromotor 55 kw, 589 min 1. Celkový pohle na pracoviště je na obr. 7. Schéma výkonové elektrické části pracoviště je na obr. 8. Zatěžovací asynchronní stroj je napájen z nepřímého měniče frek- K vence Micromaster 44 ze sítě 3 4 V. Ze stejnosměrného meziobvou tohoto měniče je přes opor R p napájen stříač Semikron pro PMSM. Opor R p je připraven z ůvou eventuálního změkčení zroje napětí pro stříač PMSM pro možnost testů trakčního pohonu s proměnným vstupním napětím. Společný stejnosměrný meziobvo je oplněn o brznou jenotku s brzným rezistorem. Vzhleem k tomu, že v ustálených stavech ochází mezi oběma stroji ke vzájemné rekuperaci přes stejnosměrný meziobvo, uplatní se brzný obvo jen při některých přechoných nebo havarijních stavech. Konfigurace výkonového obvou a jeho klíčové komponenty jsou na obr. 8, obr. 9 a obr. 1. Pro snímání úhlového natočení rotoru PMSM byl použit čtyřpólový rezolver s vyvinutou vyhonocovací elektronickou jenotkou. Umístění rezolveru u motoru je zřejmé z obr. 7. Obě verze regulačního programu regulace v souřanicích, q i regulace okamžitých honot prouů ve fázích statoru byly implementovány v DSP regulátoru TPP1 firmy Unicontrols a. s. Regulační struktura momentu v souřanicích, q generuje šířkově pulzní moulaci s frekvencí 4 khz. U struktury s regulací prouů ve fázích statoru je použita frekvence 5 khz. C M Y CM MY CMY ELEKTRO 6/8
6. Výsleky experimentů s vyvinutými a implementovanými strukturami regulace V násleujících ostavcích je prezentováno několik výsleků měření na sleovaném trakčním pohonu se strukturou regulace v souřanicové soustavě, q (kromě obr. 11), kterou považujeme za perspektivní. Vlastnosti obou struktur byly pře jejich implementací v DSP stuovány na počítačových moelech. Na obr. 11 jsou znázorněny průběhy požaované honoty prouu ve fázi (tmavě moře), skutečné honoty prouu ve fázi (fialově), napětí zaávaného o šířkově pulzního moulátoru (zeleně) a vypočítaného inukovaného napětí (světle moře) při skoku požaované honoty prouu (tj. i momentu) z 5 % na 4 % při 76,5 min 1. Z průběhů jsou zřejmé poměry vycházející z fázorového iagramu na obr.. Prou je ve fázi s inukovaným napětím, moul napětí zaávaného o moulátoru ( U 1 ) přebíhá inukované napětí a jejich rozíl je úbytkem na statorové impeanci R 1 a L 1. Na obr. 1 je analogický přechoný jev naměřený při regulaci v souřanicové soustavě, q. Požaovaná honota momentotvorné složky prouu i q je znázorněna tmavě moře, skutečná honota této složky fialově, skutečná honota složky prouu i je zeleně (požaovaná honota je nulová), průběh okamžité honoty prouu ve fázi je znázorněn světle moře. Přechoný jev vyvolaný skokovou změnou požaované honoty momentu vyvolá pole obr. 11 a obr. 1 rozkmitání soustavy. U reálného trakčního pohonu se však toto rozkmitání nevyskytuje, neboť změny požaovaných honot regulovaných veličin jsou zaávány vžy po rampách. Poměry při takovémto přechoném jevu jsou znázorněny na obr. 13. Při tomto měření ošlo ke změně požaovaného momentu z +5 % na 5 %, tj. ošlo k přechou z motorického režimu o generátorického režimu. Požaovaná honota momentotvorné složky prouu i q je znázorněna tmavě moře, skutečná honota této složky fialově, skutečná honota složky prouu i je žlutá (požaovaná honota je nulová), světle moře je znázorněna v procentech honota moulu napětí zaávaného o šířkově pulzního moulátoru. Je zřejmé, že při změně požaované honoty po rampě ke kmitání regulačního obvou neochází. Na obr. 14 je znázorněn etail rozběhu motoru naprázno se zaaným momentem 1 %. Tato honota se opět zvyšuje po rampě. Na obr. 14 je fialově znázorněn průběh skutečné honoty složky prouu i q, zeleně otáčky, světle moře moul napětí zaávaného o moulátoru a tmavě moře okamžitá honota prouu ve fázi motoru, jehož frekvence roste s rostoucími otáčkami. Z obr. 15 jsou zřejmé vlastnosti pohonu v režimu obuzování. Je o rozběh motoru naprázno z nulových otáček na otáčky jmenovité. Fialově jsou znázorněny otáčky, tma- 1 I B poža (A) I B skut (A) 1 U B PWM (%) 8 U i vypočt (%) 6 4 4 6 8 1 1 1 3 4 5 6 7 8 9 1 1 1 8 6 4 4 6 8 1 1 1 I q poža (A) 5 8 I skut (A) 6 4 15 1 5 4 6 8 1 1 14 16 18 4 6 8 1 5 1 15 5 15 1 5 5 1 15 vzestupný skok momentu z 5 % na 4 % při 76,5 min 1 vzestupný skok momentu z 5 % na 4 % při 76,5 min 1 změna momentu z 5 % na 5 % při 76,5 min 1 rozběh naprázno po rampě s 1% momentem I b (A) otáčky (%) I q poža (A) I skut (A) I B (A) 1 8 6 4 4 6 8 1 1 1 8 6 4 4 6 8 1 1 v (%) v (%) v (%), otáčky (%) Obr. 11. Časové průběhy veličin pohonu při regulaci okamžitých honot prouů ve fázích Obr. 1. Časové průběhy veličin pohonu při regulaci v soustavě, q Obr. 13. Změna žáané honoty momentu po rampě přecho z motorického o generátorického režimu Obr. 14. Detail rozběhu motoru ELEKTRO 6/8
1 8 6 4 rozběh soustrojí naprázno se změnou momentu ze 3 % na % I skut (A) otáčky (%) 1 3 4 5 4 6 8 1 1 8 6 4 4 6 8 1 v (%), otáčky (%) Obr. 15. Rozběh PMSM z otáček nulových na otáčky jmenovité 16 14 1 1 8 změna momentu z 5 % na 9 % s prokluzem I q poža (A) I skut (A) otáčky (%) 8 7 6 5 4 v (%), otáčky (%) Obr. 16. Překročení meze aheze 6 3 4 1 C elta N (min 1 ) 1, 1,8,6 velikost mechanického skluzu v závislosti na I q Obr. 17. Prokluz M kola v závislosti Y na momentotvorné složce při přenosu CM tažné síly MY CY,4 CMY, K 1 3 4 5 6 7 8 9 I q (%) vě moře skutečná honota momentotvorné složky prouu i q, zeleně skutečná honota složky prouu i a světle moře moul napětí zaávaný o moulátoru. Při měření byla nastavena honota omezení moulu napětí zaávaného o moulátoru na 57 % maximální honoty. Přibližně o 5 % otáček pracuje pohon s plným magnetickým tokem bez obuzování s nulovou složkou prouu i. Do této honoty roste spolu s otáčkami i napětí. V režimu obuzování zůstává napětí na konstantní honotě ané omezením a s rostoucími otáčkami roste velikost složky i statorového prouu v záporné polaritě, což opovíá fázorovému iagramu na obr. 3. Na obr. 16 je znázorněn změřený etail situace, ky byl po rampě zvyšován moment a momentotvorná složka i q (v obrázku tmavě morá). Při prouu i q přibližně 1 A však již byla překročena mez aheze a ošlo k prokluzu kola otáčky motoru a napětí začínaly rychle narůstat. Skutečná honota prouu i q je znázorněna fialově, mo- F M A Obr. 18. Trakční charakteristiky B V max V n ul napětí na vstupu moulátoru světle moře a otáčky zeleně. Na obr. 17 je vynesena závislost prokluzu kola spojeného s trakčním PMSM po protiběžném kole spojeném se zatěžovacím asynchronním strojem na velikosti momentotvorné ELEKTRO 6/8
složky prouu i q při otáčkách 76,4 min 1. Prokluz byl určován z rozílu otáček kola spojeného s PMSM a kola spojeného se zatěžovacím strojem. Pole teorie roste tento prokluz s rostoucím momentem a složkou i q. 7. Specifika návrhu trakční charakteristiky vozila s PMSM The first part of this paper analyses control algorithm for permanent magnet synchronous traction motor (traction PMSM) usable for light rail vehicle. The algorithm is base on linear fiel oriente control in, q coorinates. The fiel oriente control an carrier base pulse with moulation allow simply microprocessor implementation of flux weakening control algorithm with the continuous transients. The flux weakening provies wier spee operation of traction rive with PMSM. Experimental results are given. For experiments we have use a special experimental stan with a prototype of tram traction PMSM on the University of Parubice, Jan Perner Transport Faculty. Power of the PMSM is 58 kw, spee 65 min 1. The mechanical connection of the traction motor an tram wheel is irect, without gear-box. The loa for tram rive is frequency controlle asynchronous machine on the experimental stan. Detaile escription of the stan is given in the paper too. Doc. Ing. Jaroslav Novák, CSc., ukončil stuium na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze v oboru silnoprouá elektrotechnika v roce 1989. V roce 199 ukončil stuium ve věecké výchově na téže fakultě na kateře elektrických pohonů a trakce. O roku 199 pracoval jako oborný asistent, o roku 3 jako ocent v ústavu přístrojové a říicí techniky Fakulty strojní ČVUT v Praze. V letech 1995 až 1 úzce spolupracoval s firmou Elektrosystém Praha, s. r. o., v oblasti vývoje a využití elektrických pohonů a říicích systémů v průmyslových aplikacích. O roku 1998 úzce spolupracuje s Dopravní fakultou Jana Pernera Univerzity Parubice v oblasti elektrických pohonů a mikroprocesorového řízení v opravní technice. Svou obornou činnost zaměřuje zejména o oblastí elektrických pohonů, výkonové elektroniky, testování elektromechanických soustav a mikroprocesorového řízení. Ing. Onřej Černý stuoval v letech 1999 až 4 obor elektrická zařízení v opravě na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Parubice. O roku 4 je stuentem oktoranského stuia v oboru opravní infrastruktura elektrotechnika. O roku 6 je asistentem na kateře elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky Dopravní fakulty Jana Pernera. V současnosti se věnuje výzkumu v oblasti regulace pohonů se synchronními motory s permanentními magnety. Ing. Jiří Šimánek stuoval v letech 1998 až 3 obor elektrická zařízení v opravě na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Parubice. O roku 3 je stuentem oktoranského stuia v oboru opravní infrastruktura elektrotechnika. O roku 6 je asistentem na kateře elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky Dopravní fakulty Jana Pernera. V současnosti se věnuje výzkumu v oblasti regulace pohonů se synchronními motory s permanentními magnety. Trakční charakteristika vozila je závislost tažné síly na rychlosti vozila. Průběhu trakční charakteristiky stanovené projektantem a vycházející z technických pomínek vozila opovíá i imenzování a způsob řízení pohonu. Typický požaovaný průběh této charakteristiky opovíá křivce A na obr. 18. V převážné části rychlostního rozsahu by mělo být vozilo provozováno přibližně po tzv. trakční hyperbole, tj. s konstantním výkonem. Tento průběh je pro trakci obecně výhoný, neboť i při nízkých rychlostech se obře využije výkon pohonu pro osažení velké tažné síly. U pohonů se stejnosměrnými motory s cizím buzením a s asynchronními motory opovíá provozu na přibližné trakční hyperbole režim obuzování. Pohony s PMSM lze takto rovněž v principu provozovat, avšak režim obuzování je pro PMSM nevýhoný. Hlavní ůvoy jsou va. Prvním ůvoem je skutečnost, že při obuzování PMSM se potlačuje složkou prouu i, tj. reakcí kotvy, vliv s otáčkami rostoucího inukovaného napětí. Díky této reakci kotvy je možné prostřenictvím regulačních smyček protlačovat motorem momentotvorný prou i q s přeepsanou polaritou. Nebýt této reakce kotvy, inukované napětí by v oblasti na jmenovitými otáčkami převýšilo maximální honotu napětí, kterou může generovat stříač, a nebylo by možné říit prou ani moment. V bezporuchovém provozu by z pohleu růstu inukovaného napětí nebylo obuzování problematické. V přípaě možného a v provozu reálného zablokování činnosti stříače (např. z ůvou činnosti naprouové ochrany) by přestalo být inukované napětí potlačováno složkou prouu i reakcí kotvy a toto inukované napětí by se objevilo v plné velikosti na svorkách stříače. Uvážíme-li, že na vozilech se stejnosměrnými a asynchronními trakčními motory osahují maximální rychlosti voj- až trojnásobku rychlosti přechou o obuzování, znamenalo by to, že u vozila s PMSM by se při maximální rychlosti a zablokování stříače objevil až trojnásobek jmenovité honoty napětí na těchto svorkách. Tato skutečnost vyžauje proto u voziel s PMSM a trakční charakteristikou pole křivky A velké napěťové přeimenzování stříače. Druhá nevýhoa vozila s PMSM a trakční charakteristikou pole křivky A spočívá v nutnosti zvýšení maximálního osažitelného momentu zpravila při snaze o zachování malých rozměrů motoru. Znamená to tey nutnost zvýšení počtu závitů statorových vinutí. S tím je spojen nárůst honoty oporu statorového vinutí a ztrát v tomto oporu. Přecho o režimu obuzování navíc přináší nárůst celkového prouu vlivem vzrůstu složky i, a tím i alší nárůst ztrát. Může tey vzniknout paraoxní situace, ky je pořízen rahý PMSM (vyšší cena je ána zejména cenou permanentních magnetů ze speciálních slitin) a v převážné části otáčkového rozsahu bue účinek rahých magnetů potlačován reakcí kotvy při zvýšených ztrátách a snížené účinnosti. Pokles účinnosti se může pohybovat až v jenotkách procent v závislosti na proveení pohonu a pracovním bou. Z hleiska PMSM by proto bylo velmi výhoné provozovat jej pole charakteristiky B z obr. 18. Z výše uveeného vyplývá, že při návrhu trakčního pohonu s PMSM je nutné vžy volit určitý kompromis mezi charakteristikou A a B z obr. 18, a to v závislosti na požaavcích na konkrétní vozilo. 8. Závěr Článek měl za cíl seznámit čtenáře se záklaními principy a problémy regulace momentu trakčních PMSM, jejichž použití se v současné obě velmi rychle rozšiřuje. Popsané principy byly uplatněny ve výzkumných pracích, které se uskutečnily na unikátním pracovišti parubické univerzity. Popsaná, v postatě obecná struktura je v průběhu výzkumu oplňována o alší algoritmy řešící specifické problémy trakčního pohonu kolejového vozila, např. rychlé kolísání vstupního napětí stříače v širokých mezích, řešení regulačního systému ve vazbě na ahezní vlastnosti pohonu, spouštění a zastavování pohonu ve specifických situacích at. Rozsáhlé práce přestavuje rovněž řešení bezsenzorového vyhonocování úhlového natočení rotoru. V přípaě iniviuálního tramvajového pohonu kola přistupují alší problémy, zejména řešení elektronického iferenciálu a řešení elektronické tuhé nápravy. Vzhleem k rostoucímu počtu aplikací s trakčními PMSM ve světě lze očekávat rostoucí aktuálnost řešení naznačených problémů. S 1 ELEKTRO 6/8