WO2004018275A1 - Pendelmoment kompensation eines elektrischen triebfahrzeuges - Google Patents

Pendelmoment kompensation eines elektrischen triebfahrzeuges Download PDF

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Definitions

  • Electric traction vehicles are usually driven by traction motors located on bogies or a carrier, which in turn are fed via converters. Because of the non-sinusoidal supply voltage of their converters, these traction motors generate high pendulum torques in addition to additional losses and radial force waves. The reaction forces of these pendulum torques often lead to deformations of the bogie or the support of the traction motors with sometimes considerable airborne noise emissions.
  • the object is achieved by a method according to claim 1 and an electric traction vehicle according to claim 3 or 4.
  • the partial winding systems are preferably formed from the odd-numbered 1,3, 5, .. and even-numbered coil groups 2,4,6, .. or from the coil groups 1 to n and n + 1 to 2n, where n are integers. Further combinations of subsystems are also conceivable.
  • Optimizing and adapting the pulse pattern is possible at any time, in particular through software exchange.
  • other parasitic effects of the converter supply such as radial force waves and additional losses in the rotor, are sometimes considerably reduced depending on the operating mode.
  • the disturbing pendulum moment component is usually the one that is close to a mechanical natural frequency, e.g. of the bogie and without compensation would lead to noise emission and thus noise emissions from the locomotive. So it is e.g. It is conceivable to take stock of the frequency spectra when powered by the same pulse pattern when commissioning a locomotive, and to specify new pulse patterns optimized for eliminating the interfering frequencies in those areas where pendulum torque compensation is necessary or desirable.
  • FIG. 2 shows a winding arrangement of a traction motor in a four-pole electrical machine.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of an electric locomotive, not shown in detail, with two bogies 1 and each with their traction motors Ml, M2 or M3, M4, which drive the associated wheel sets or individual wheels 2.
  • Each traction motor M1-M4 has two partial winding systems. This
  • Part winding systems M1T1-M4T2 form a double star in the stator connection in each traction motor Ml-M4.
  • the partial winding systems M1T1-M4T2 of a traction motor M1-M4 are fed by different converters, in particular pulse-controlled inverters PWR1 and PWR2. It therefore feeds PWR1
  • Part winding system M1T2, M2T2, M3T1 and M4T1 and the pulse inverter PWR2 feeds the part winding systems M1T1, M2T1, M3T2 and M4T2.
  • FIG. 2 shows an embodiment for the winding arrangement of the stator of a four-pole drive motor with 24 slots.
  • the 2xP 4 coil groups of one strand are shown.
  • the coil groups SGI and SG3 form a partial winding.
  • SG2 and SG4 the other partial winding of the strand.
  • the series connection of the coil groups SG1, SG3 and SG2, SG4 is shown.
  • a parallel connection of these coil groups SG1, SG2 and SG2, SG4 is also possible.
  • the natural frequencies are recorded on the locomotives listed, for example, with their bogies 1. This advantageously already takes place during the commissioning phase, so that at this point in time the the required pulse pattern set is stored in the drive control unit. Instead of exchanging or reworking the bogies 1, it is only necessary to adapt the pulse pattern set in the control device 5. Vibration sensors or microphones on the bogie 1 can be used to detect the disturbing natural frequencies and to prove the improvements made.
  • the method according to the invention for pendulum torque compensation can be used in particular in the locomotives described in FIG. 1. However, it is not absolutely necessary to use traction motors with double stars. More than two stars per drive motor Ml to M4 are also conceivable.

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Abstract

Um die Pendelmomente an einem Drehgestell (1) eines elektrischen Triebfahrzeugs zu kompensieren wird ein Verfahren vorgestellt welches zur Kompensation der Pendelmomente in Fahrmotoren eines elektrischen Triebfahrzeug mit einer Anzahl von Fahrmotoren (M1-M4) zum Antrieb von Radsätzen oder Einzelrädern (2) an dementsprechenden Fahrwerken oder Aufhängungen, insbesondere in Drehgestellen (1), wobei jeder Fahrmotor (M1-M4) mehrsträngig ist und jeweils in zumindest zwei Teilsysteme (M1T1-M4T2) aufgeteilt ist, wobei jedes Teilsystem (M1T1-M4T2) aus einzelnen Spulengruppen (SG1-SG4) besteht und jedes Teilsystem (M1T1-M4T2) eines Fahrmotors (M1-M4) über jeweils einen Stromrichter (PWR1,PWR2) gespeist wird, die über zumindest ein Antriebssteuergerät (5) die Fahrmotoren (M1-M4) derart ansteuern, dass bestimmte Pendelmomente, z.B. im Bereich der Eigenfrequenzen des jeweiligen Drehgestells vermieden werden, indem durch Messungen die jeweiligen Eigenfrequenzen des Drehgestells (1) ermittelt und die dementsprechenden Pulsmustersätze im Antriebssteuergerät (5) hinterlegt werden.

Description

Beschreibung
PENDELMOMENT KOMPENSATION EINES ELEKTRISCHEN TRIEBFAHRZEUGES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Pendelmomente an einem elektrischen Triebfahrzeug.
Elektrische Triebfahrzeuge werden meist durch an Drehgestellen oder einem Träger befindlichen Fahrmotoren angetrieben, die wiederum über Umrichter gespeist werden. Diese Fahrmotoren erzeugen wegen der nicht sinusförmigen Speisespannung ihrer Umrichter neben Zusatzverlusten und Radialkraftwellen insbesondere hohe Pendelmomente. Die Reaktionskräfte dieser Pendelmomente führen oft zu Verformungen des Drehgestells oder des Trägers der Fahrmotoren mit teilweise erheblichen Luftschallemissionen.
In der DE 35 25 421 AI ist ein Verfahren zur Herabsetzung der Drehmomentwelligkeit eines Stromrichtermotors mit zwei galva- nisch getrennten um 30° gegeneinander versetzten dreiphasigen Ständerwicklungssystemen beschrieben, mit dem versucht wird diese Pendelmomente zu unterdrücken. Bei diesen Ständerwicklungssystemen, die von zwei aus jeweils einem Netzstromrichter einer Zwischenkreisdrossel und einem Maschinenstromrich- ter bestehenden Umrichtern durch Ansteuerung der Ventile des Netzstromrichters und ihrer Amplitude beeinflussbaren Zwi- schenkreisströme gespeist werden, werden die Ventile der Netzstromrichter derart angesteuert, dass die beiden Zwischenkreisströme gegeneinander um 90° versetzt als kontinu- ierlich zeitlich aufeinanderfolgende Sinushalbperioden fließen. Außerdem werden die Ventile der Maschinenstromrichter derart angesteuert, dass jeder der beiden Zwischenkreisströme in positiver und negativer Richtung abwechselnd je Sinushalbperiode über ausschließlich zwei der drei Phasenanschlüsse durch Wicklungen der beiden Ständerwicklungssysteme weitergeschaltet wird, die in ihrer elektrischen Wirkung orthogonal zueinander liegen. Um die Feld- und Stromkurven der Sinusform anzunähern wurde u.a. in einem Fachartikel der EPEλ99 Lausanne mit dem Titel „ASM double star System instability in de lineλ vorgeschlagen, die an sich bekannten Doppelsternmotoren zum Zwecke ei- ner verringerten Netzrückwirkung einzusetzen.
Ausgehend davon, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren für elektrische Triebfahrzeuge und eine dementspre- chendes Triebfahrzeug zu schaffen, mit dem die zum Teil er- heblichen Luftschaltemissionen im Betrieb vermieden werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein elektrisches Triebfahrzeug nach Anspruch 3 oder 4.
Durch die Ausführung der Fahrmotoren mit zwei getrennten TeilwicklungsSystemen und durch die erfindungsgemäße Ansteue- rungen der beiden Teilwicklungssysteme eines Fahrmotors, durch vorzugsweise unterschiedliche Pulsmuster, kann jeweils eine Komponente des resultierenden Pendelmoments auf Null reduziert werden.
Die Teilwicklungssysteme werden dabei vorzugsweise aus den ungeradzahligen 1,3, 5,..und geradzahligen Spulengruppen 2,4,6,.. oder aus den Spulengruppen 1 bis n und n+1 bis 2n gebildet, wobei n ganze natürliche Zahlen sind. Weitere Zusammenstellungen von Teilsystemen sind ebenso denkbar.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, dass die Kompensation der störenden Pendelmomente bereits im Luftspalt des jeweiligen Fahrmotors erfolgt. Dieses Verfahren kann bei allen Antriebsformen, d.h. bei quer oder längs bzgl. der Fahrtrichtung positionierten Fahrmotoren eingesetzt werden.
Ein Optimieren und Anpassen der Pulsmuster ist jederzeit insbesondere durch Softwaretausch möglich. Zusätzlich werden auch andere Parasitäreffekte der Umrichterspeisung, wie z.B. Radialkraftwellen und Zusatzverluste im Läufer je nach Betriebsart zum Teil erheblich verringert.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Achsen der Teilsysteme räumlich um 180°/p versetzt und erzeugen bei gleichphasiger Speisung das an sich normale Luftspaltfeld im jeweiligen Fahrmotor. Dies gilt unabhängig von der Wicklungsausführung, d.h. beispielsweise von Sehnung, Nutzahl je Pol und Strang.
Es sind außerdem auch keinerlei Einschränkungen gegenüber konventionell ausgeführten Fahrmotoren bezüglich der Bemessung des Fahrmotors notwendig, da auch die Zahl der Spulen nicht erhöht wird. Lediglich die Spulenverschaltung und der Klemmenkasten werden geringfügig aufwändiger.
Beide Teilwicklungssysteme eines Fahrmotors werden jeweils aus einem eigenen Stromrichter gespeist. Vorzugsweise speist jeder Stromrichter die Teilwicklungssysteme mehrerer parallelgeschalteter Motoren. Die Ansteuerung der zumindest zwei Stromrichter erfolgt über Ein - Ausschaltsignale mit gleicher Grundfrequenz und identischen oder unterschiedlichen Pulsmustern, wobei identische Pulsmuster in denjenigen Bereichen einzusetzen sind in denen keine Pendelmomentkompensation erforderlich ist und unterschiedliche, speziell dafür optimierte Pulsmuster in denjenigen Bereichen, in denen eine Pendelmomentkompensation erfolgen soll. Wichtig ist dabei, dass bei elektrischer Speisung der Teilwicklungssysteme keine Phasen- Verschiebung der Grundschwingung zueinander auftritt. Es sind idealerweise nur diejenigen Oberschwingungen, die zu einem Pendelmoment führen in Phasenoppositionen.
Bei asynchroner Taktung werden die Schaltzeitpunkte aus den Schnittpunkten einer vorgegebenen Abtastkurve, z.B. einer Dreieck-Sägezahnkurve, mit einer Referenzkurve, z.B. einer Sinuskurve, ermittelt. Die Elimination der dominantesten 0- berschwingung erreicht man hierbei durch eine Phasenverschiebung der Abtastkurve um 90° bei gleichbleibender Referenzkurve.
Bei synchroner Taktung müssen spezielle auf die Phasenopposition der störenden Oberschwingung optimierter Pulsmuster eingesetzt werden. Beispielsweise erzeugen bei Dreifachtaktung und großer Aussteuerung die Schaltwinkel = 87,48° in einem und α = 15,48° im anderen System eine nahezu gleiche Grund- Schwingung und sowohl die fünfte als auch die siebte Oberschwingung sind in nahezu perfekter Phasenopposition. Damit wird das sechsfache Pendelmoment nahezu hundertprozentig kompensiert. Je größer die Pulszahl desto mehr Freiheitsgrade ergeben sich für die Optimierung der Pendelmomente.
Die störende Pendelmomentkomponente ist dabei in der Regel diejenige, die in der Nähe einer mechanischen Eigenfrequenz z.B. des Drehgestells liegt und ohne Kompensation zur Ge- räuschabstrahlung und damit Lärmemissionen am Triebfahrzeug führen würde. So ist es z.B. vorstellbar, bei Inbetriebnahme eines Triebfahrzeugs eine Bestandsaufnahme der Frequenzspektren bei Speisung mit gleichen Pulsmustern durchzuführen, und in den Bereichen, in denen eine Pendelmomentkompensation notwendig bzw. wünschenswert ist, neue, auf Elimination der stö- renden Frequenzen optimierte Pulsmuster vorzugeben.
Falls man sich nicht in der Nähe einer mechanischen Eigenfrequenz z.B. des Drehgestells befindet, wenn also keine Pen- delmomentenkompensation erforderlich ist, können u.U. die zwei Wicklungssysteme des jeweiligen Fahrmotors für weitere Optimierungen genutzt werden, z.B. zur Reduzierung einer Radialkraftkomponente oder zur Verringerung der Zusatzverluste in den Läuferwicklungen.
Die an sich bekannten Rad-Schiene-Schlupfregelungen sind dabei wie bei einer normalen Regelung für parallelgeschaltete Fahrmotoren möglich. Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden in folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
FIG 1 Zuordnung zweier Pulswechselrichter und vier Fahrmotoren eines Triebfahrzeugs,
FIG 2 eine Wicklungsanordnung eines Fahrmotors bei einer vierpoligen elektrischen Maschine.
FIG 1 zeigt in prinzipieller Darstellung ein nicht näher dargestelltes elektrisches Triebfahrzeug mit zwei Drehgestellen 1 und jeweils ihren Fahrmotoren Ml, M2 bzw. M3, M4, die die dazugehörigen Radsätze bzw. Einzelräder 2 antreiben. Jeder Fahrmotor M1-M4 weist zwei Teilwicklungssysteme auf. Diese
Teilwicklungssysteme M1T1-M4T2 bilden in jedem Fahrmotor Ml- M4 einen Doppelstern in der Ständerverschaltung aus. Die Teilwicklungssysteme M1T1-M4T2 eines Fahrmotors M1-M4 werden von unterschiedlichen Stromrichtern insbesondere Pulswechsel- richtern PWR1 und PWR2 gespeist. Es speist somit PWR1 das
Teilwicklungssystem M1T2, M2T2, M3T1 und M4T1 und der Pulswechselrichter PWR2 speist die Teilwicklungssysteme M1T1, M2T1, M3T2 und M4T2.
FIG 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Wicklungsanordnung des Ständers eines vierpoligen Fahrmotors mit 24 Nuten. Dargestellt sind dabei die 2xP = 4 Spulengruppen eines Stranges. Die Spulengruppen SGI und SG3 bilden eine Teilwicklung. SG2 und SG4 die andere Teilwicklung des Stranges. Es ist da- bei die Reihenschaltung der Spulengruppen SG1,SG3 und SG2,SG4 dargestellt. Eine Parallelschaltung dieser Spulengruppen SG1,SG2 und SG2,SG4 ist ebenso möglich.
An den beispielsweise aufgeführten Triebfahrzeugen mit ihren Drehgestellen 1 werden die Eigenfrequenzen aufgenommen. Dies geschieht vorteilhafterweise bereits während der Inbetriebnahmephase sodass zu diesem Zeitpunkt der für die Pendelmo- mentkompensation erforderliche Pulsmustersatz im Antriebsteuergerät hinterlegt wird. Statt eines Tausches oder einer Nachbesserung der Drehgestelle 1 ist lediglich eine Anpassung des Pulsmustersatzes im Ansteuergerät 5 erforderlich. Zum Aufspüren der störenden Eigenfrequenzen und dem Nachweis der vorgenommenen Verbesserungen sind Schwingungssensoren oder Mikrofone am Drehgestell 1 einsetzbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Pendelmomentkompensation ist insbesondere bei den in FIG 1 beschriebenen Triebfahrzeugen einsetzbar. Es ist aber nicht unbedingt erforderlich Fahrmotoren mit Doppelstern einzusetzen. Denkbar sind auch mehr als zwei Sterne pro Fahrmotor Ml bis M4.
Dieses Verfahren ist auch bei Einzelachsfahrwerken oder Einzelradaufhängungen einsetzbar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Kompensation der Pendelmomente in Fahrmotoren eines elektrischen Triebfahrzeug mit einer Anzahl von Fahrmotoren (M1-M4) zum Antrieb von Radsätzen oder Einzelrädern (2) an dementsprechenden Fahrwerken oder Aufhängungen, insbesondere in Drehgestellen (1), wobei jeder Fahrmotor (Ml- M4) mehrstrangig ist und jeweils in zumindest zwei Teilsysteme (M1T1-M4T2) aufgeteilt ist, wobei jedes Teilsystem (M1T1- M4T2) aus einzelnen Spulengruppen (SG1-SG4) besteht und jedes Teilsystem (M1T1-M4T2) eines Fahrmotors (M1-M4) über jeweils einen Stromrichter (PWR1,PWR2) gespeist wird, die über zumindest ein Antriebssteuergerät (5) die Fahrmotoren (M1-M4) derart ansteuern, dass bestimmte Pendelmomente, z.B. im Bereich der Eigenfrequenzen des jeweiligen Drehgestells vermieden werden, indem durch Messungen die jeweiligen Eigenfrequenzen des Drehgestells (1) ermittelt und die dementsprechenden Pulsmustersätze im Antriebssteuergerät (5) hinterlegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Eigenfrequenzen der Drehgestelle (1) , Einzelachsfahrwerken oder Einzelradaufhängungen vorab bei Inbetriebsetzung des Triebfahrzeugs ermittelt werden.
3. Elektrisches Triebfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die ungeradzahligen Spulengruppen (SG1,SG3) eines Stranges ein erstes Teilsystem, die geradzahligen Spulengruppen (SG2,SG4) ein zweites Teilsystem bilden.
4. Elektrisches Triebfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Hälfte der Spulengruppen (SG1,SG2) ein erstes Teilsystem, die andere Hälfte der Spulengruppen (SG3,SG4)ein zweites Teilsystem bilden.
5. Elektrisches Triebfahrzeug nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Achsen der Teilsysteme räumlich um 180°/p versetzt sind, wobei p die Polpaarzahl eines Fahrmotors (M1-M4) ist.
6. Elektrisches Triebfahrzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die jeweiligen Spulengruppen (SG) eines Teilsystems elektrisch in Reihe und/oder parallel schaltbar sind.
7. Elektrisches Triebfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fahrmotoren (M1-M4) längs oder quer bezüglich der Fahrtrichtung des elektrischen Triebfahrzeugs einge- baut sind.
8. Elektrisches Triebfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stromrichter (PWR1,PWR2) asynchron zur Grundfrequenz oder synchron taktbar sind.
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