Uplatnění synchronních strojů v dopravní technice (1. část)

Uplatnění synchronních strojů v dopravní technice (1. část)

doc. Ing. Jaroslav Novák, CSc.,
ČVUT v Praze, Fakulta strojní,
ústav přístrojové a řídicí techniky

V několika posledních letech se výrazně rozšiřují aplikace synchronních strojů, především s permanentními magnety. Stroje s permanentními magnety se staly standardní pohonnou jednotkou v průmyslových servopohonech a v současné době se jejich uplatnění rychle rozšiřuje v oblasti dopravní techniky. Tento článek se v první části věnuje obecnějšímu pohledu na problematiku regulovaných elektromechanických soustav se synchronními stroji a uvádí možnosti a příklady jejich využití v dopravní technice. Ve druhé části jsou prezentovány některé výsledky výzkumu a vývoje Odboru elektrotechniky ústavu přístrojové a řídicí techniky FS ČVUT v Praze v oblasti regulace pohonů se synchronními stroji.

1. Úvod

Ještě před asi dvaceti lety v dopravní technice jednoznačně dominoval stejnosměrný stroj. V automobilové technice se doposud ve velkém množství používají stejnosměrné motory s permanentními magnety pro mnoho pomocných pohonů.

U kolejových vozidel se stejnosměrné motory využívaly v trakčních i pomocných pohonech a připravovalo se zařazení asynchronních strojů. Synchronní stroje se v té době začaly ve větší míře používat jen jako alternátory v elektrických přenosech výkonu, nejčastěji u dieselelektrických lokomotiv.

Obrat ve využití synchronních strojů středních a malých výkonů přinesla aplikace permanentních magnetů ze speciálních slitin tzv. vzácných zemin. Synchronní motory s těmito magnety (PMSM) se již více než deset let ve velké míře využívají v servopohonech o výkonech od stovek wattů do desítek kilowattů. V této oblasti šlo zejména o náhradu stejnosměrných a krokových motorů. Pro své příznivé vlastnosti se synchronní stroje s permanentními magnety v poslední době začínají intenzivně využívat i v dopravních prostředcích, a to ve třech oblastech:

1. Aplikace synchronních strojů s výkony do stovek kilowattů v systémech, ve kterých se jako primární zdroj uplatňuje spalovací motor – v těchto systémech se dosud využívají i synchronní stroje s budicím vinutím.

2. Trakční motory kolejových i nekolejových vozidel, využívaných především jako náhrada asynchronních nebo stejnosměrných trakčních motorů ve vybraných aplikacích.

3. Motory v pomocných pohonech, zejména jako náhrada stejnosměrných motorů s permanentními magnety s výkony od desítek wattů do jednotek kilowattů, především v automobilové technice.

Při srovnání konstrukce a vlastností stejnosměrných pohonů a pohonů s PMSM je situace obdobná jako při prezentaci výhod asynchronního stroje oproti stejnosměrnému. Zde je srovnání PMSM s asynchronními stroji, zejména s ohledem na využití v dopravních prostředcích.

Výhody PMSM:

• menší objem, hmotnost a moment setrvačnosti,
• vlivem menšího objemu možnost přímého pohonu bez převodovky – výhoda zejména v trakčních pohonech,
• velká momentová přetížitelnost,
• vyšší účinnost.

Nevýhody PMSM:

• vyšší cena,
• složitější konstrukce a technologie výroby a oprav, menší robustnost,
• nemožnost stroj odbudit – při zkratu stroj pracuje jako generátor do tohoto zkratu, což znamená proudové a momentové rázy,
• vznik ztrát vířivými proudy při výběhu vlivem nemožnosti odbuzení.

2. Konstrukce synchronního stroje

Tradiční konstrukce synchronního stroje předpokládá rotor s budicím vinutím, které je napájeno stejnosměrným proudem. Takto koncipované synchronní stroje se uplatňují v automobilové technice jako alternátory a ve velké míře se osvědčily v elektrických přenosech výkonu spalovacího motoru, zejména v lokomotivách. Jako trakční motory byly tyto stroje s budicím vinutím v rotoru použity jen ojediněle. Příklady dvou aplikací jsou uvedeny v dalším textu.

Obr. 1. Klasická konstrukce PMSM

Velmi perspektivní jsou PMSM. Konstrukce těchto strojů nabývá rozdílných podob v závislosti na výkonu a použití. Při klasické koncepci PMSM je statorové třífázové vinutí uloženo v drážkách magnetického obvodu, podobně jako u asynchronního motoru. Uvnitř statoru je umístěn rotor, který nese permanentní magnety. Rotor je často odlehčen dutinami, neboť magnetický tok se v těchto případech uzavírá v povrchové vrstvě. Póly permanentních magnetů jsou tvořeny dílčími segmenty. Rozměry těchto segmentů jsou i u výkonných motorů omezeny na desetiny, maximálně jednotky centimetrů. Permanentní magnety jsou ze speciálních slitin, nejčastěji SmCo (samarium-kobalt) nebo NdFeB (neodym-železo-bor). Magnetická indukce těcho magnetů je od 0,8 do 1,2 T (běžný ferit má indukci 0,3 až 0,4 T). Jsou tedy zdrojem velkého magnetického toku, a tím umožňují zmenšení objemu stroje. Jejich nevýhodou je vyšší cena a komplikovanější technologie při výrobě a opravách PMSM. Charakteristickým znakem permanentních magnetů je změna magnetických vlastností s měnící se teplotou. Přechod do oblasti s výrazným poklesem magnetismu je dán tzv. Curieovým bodem^*). Hodnota teploty Curieova bodu se pohybuje v rozsahu od 200 do 1 000 °C. Těmto vlastnostem musí být přizpůsobeny pracovní podmínky stroje.

Magnety se na rotor upevňují lepením. Existují dva technologické postupy při výrobě rotorů. V malosériové výrobě se magnety zpravidla magnetují před nalepením na rotor. To však komplikuje usazování na rotor v důsledku působících magnetických sil. Druhou možností je lepení nezmagnetovaných magnetů na rotor a jejich následné zmagnetování. To však lze dělat jen s využitím speciálních přípravků, což se vyplatí až při výrobě větších sérií. Počet pólů statoru a rotoru je většinou shodný, ale v některých případech, zejména u větších vícepólových motorů, se může poněkud lišit. PMSM se charakterem blíží stroji s válcovým rotorem, hodnoty podélné a příčné indukčnosti si tedy jsou blízké. Konstrukce PMSM klasické koncepce je zřejmá z obr. 1.

Obr. 2. Motor s vnějším rotorem

Velká pozornost je věnována optimalizaci konstrukce PMSM, zejména poměru délky a průměru. Limitující je často počet segmentů permanentních magnetů. V tomto případě je výhodné volit kratší motor s větším průměrem. To je mnohdy potřebné i z konstrukčních důvodů, např. u motorů určených pro přímý individuální pohon kol. Konstrukční řešení (krátký/dlouhý motor) ovlivňuje mj. účinnost motoru. Podle literatury může být např. účinnost dlouhého trakčního motoru o výkonu 40 kW přibližně o 2 % vyšší než krátkého, účinnost krátkého je o 2 až 3 % vyšší oproti trakčnímu asynchronnímu motoru stejného výkonu. V absolutních číslech se účinnosti těchto motorů pohybují okolo 90 %.

Zejména u trakčních PMSM pro individuální pohon kol kolejových vozidel se minimalizují rozměry. To vede k velké koncentraci výkonu s nutností účinného odvodu ztrátového tepla. Proto se u těchto PMSM používá vodní chlazení.

Kromě popsané klasické konstrukce PMSM se v trakčních aplikacích někdy používají tzv. nábojové motory. Jde o motory pro individuální pohony kol, kdy PMSM je nedílnou konstrukční součástí kola. Proto je rotor s permanentními magnety pevně spojen s kolem a obepíná stator s třífázovým vinutím, který prochází osou kola a je s ní pevně spojen (obr. 2). Tyto motory se používají pro výkony od stovek wattů pro pohon lehkých jednostopých vozidel až po 60 kW pro individuální pohon kol plně nízkopodlažních tramvají.

Další zajímavou konstrukcí stroje s permanentními magnety je uspořádání s otočným statorem i rotorem (obr. 3). Na statoru je třífázové vinutí. Ten je otočně uložen v ložiskách a proud je do statorového vinutí přiváděn buď přes kroužky a kartáče, nebo bezkontaktně speciálně řešeným transformátorem. Rotor má klasickou konstrukci s permanentními magnety. Tento stroj lze použít jako elektrický dělič výkonu v hybridních pohonech. O této problematice bude pojednáno v dalším textu.

Obr. 3. Synchronní stroj s otočným statorem o výkonu 5 kW

Přednosti synchronního stroje s permanentními magnety ve srovnání se strojem s budicím vinutím na rotoru:

• nepotřebuje zdroj budicího proudu,
• nevznikají ztráty v buzení,
• odpadá problematický přívod budicího proudu do rotoru.

Nedostatky:

• nemožnost stroj odbudit – možné problémy při zkratu,
• nezanedbatelná cena magnetů,
• náročnější technologie při výrobě a opravách (magnetování),
• při poruše nebo zvýšené teplotě (stovky stupňů Celsia) nebezpečí odmagnetování.

3. Problematika trakčních pohonů se synchronními motory

Synchronní motor s budicím vinutím na rotoru se v trakčních pohonech používá málo. Prvním příkladem použití tohoto trakčního pohonu je vysokorychlostní vlak TGV Atlantique, který byl v celkovém počtu 105 souprav dodáván pro francouzské železnice firmou Alstom v letech 1989 až 1992 . Synchronní motory jsou individuálně napájeny z tyristorových střídačů s napěťovým vstupem. Moment motoru je přenášen na nápravu přes třístupňový převod. Výkon trakčního motoru je 1,1 MW při otáčkách 4 000 min^–1. Použití synchronního motoru bylo v tomto případě dáno specifickými požadavky pohonu vysokorychlostního vlaku a vycházelo z tehdejšího stavu rozvoje elektrických pohonů.

Jiným příkladem použití synchronních trakčních motorů s budicím vinutím jsou ruské dieselelektrické osminápravové lokomotivy EP 200 o výkonu 4 413 kW z roku 1996. V Rusku lze sledovat snahy o obecně širší využití synchronních strojů již desítky let a v dané lokomotivě byly synchronní stroje instalovány zejména pro nedostupnost vhodného stejnosměrného motoru. Synchronní motory jsou v lokomotivě použity v soustavě tzv. ventilového pohonu s individuálním napájením každého motoru z klasického tyristorového usměrňovače pracujícího v invertorovém režimu. Princip tohoto pohonu je uveden v dalším textu.

Obr. 4. Různá řešení trakčních pohonů s PMSM u kolejových vozidel

V současné době se pro trakční pohony používají synchronní stroje s permanentními magnety v širokém spektru aplikací od jednostopých silničních vozidel se speciálními nábojovými motory po pohony železničních vozidel s výkony motoru do 200 kW.

Příkladem použití trakčního PMSM v silničním vozidle je autobus Bayern BusII firmy Neoplan, jehož pohon je alternativně hybridní, nebo s palivovými články. Autobus je poháněn čtyřmi nábojovými PMSM v každém kole. Výkon jednoho motoru je 70 kW.

Další aplikace trakčního PMSM je uplatněna v jednom z nerozšířenějších automobilů s hybridním pohonem – Toyotě Prius. Je zde použit PMSM o výkonu 50 kW, který rovněž umožňuje elektrické brzdění a vracení brzdné energie do akumulátoru.

Na kolejových vozidlech se trakční PMSM využívá převážně ve dvou skupinách konfigurací, jejichž společným znakem je přímý bezpřevodovkový pomaluběžný pohon. Pomaluběžný PMSM má oproti pomaluběžnému asynchronnímu motoru menší objem i hmotnost, což příznivě ovlivňuje bilanci neodpružených hmot vozidla.

Možné konfigurace bezpřevodovkových pohonů kolejových vozidel s PMSM jsou uvedeny na obr. 4. Tato řešení lze rozdělit do dvou skupin: pohony náprav a individuální pohony kol. V obou skupinách se vyskytují motory klasické koncepce i motory s rotorem, který obepíná stator.

Příkladem použití pomaluběžného PMSM pro přímý pohon nápravy kolejového vozidla je japonský příměstský vlak e@train. Jde o pětivozovou soupravu se čtyřmi hnacími nápravami. Použité trakční motory představují v současné době PMSM s maximálními výkony. Trvalý výkon motoru je 160 kW, hodinový 200 kW, otáčky 360 min^–1, jmenovité napětí 730 V a jmenovitý proud 140 A. Danému výkonu a otáčkám odpovídá úctyhodná hodnota jmenovitého momentu velikosti 4 244 N·m. Při rozjezdu je možné motor přetěžovat až na 1 1800 N·m. Motor má vlastní chlazení a dosahuje jmenovité účinnosti až 95 %. Každý motor je napájen z individuálního tříhladinového střídače.

Obr. 5. Trakční PMSM na zkušebním stanovišti DF JP UP

V nejvyšší míře se u kolejových vozidel využijí výhody trakčních PMSM, tedy malý objem a hmotnost na jednotku výkonu v plně nízkopodlažních tramvajích. Zde je pro dosažení maximální plochy nízké podlahy omezen prostor pro pohon, zpravidla je to prostor pod sedačkou. Vždy zde jde o individuální bezpřevodovkové pohony kol. V několika evropských městech jsou již takto koncipované tramvaje provozovány, přičemž ve většině případů jsou použity nábojové motory. U těchto tramvají nejsou zpravidla poháněna všechna kola, některá kola vozidla jsou běžná. Jmenovité výkony PMSM pro individuální pohony kol nízkopodlažních tramvají se pohybují v rozsahu od 40 do 60 kW s vodním chlazením, jmenovité otáčky jsou od 500 do 800 min^–1. Tyto motory mají velký počet pólů, zpravidla 20 až 40. Z toho vychází rozsah jmenovitých frekvencí od 100 do 250 Hz. Na obr. 5 je znázorněn trakční PMSM, který je umístěn na zkušebním stanovišti Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice. PMSM má klasickou konstrukci, není nábojový. Na zkušebním stanovišti je PMSM bezpřevodovkově spojen s tramvajovým kolem, které zabírá o kruhovou nekonečnou kolejnici; to umožňuje i výzkum adhezních vlastností.

Přestože jsou malé rozměry a hmotnost zejména pro bezpřevodovkové individuální pohony kol velkým přínosem PMSM, mají tyto pohony i určité nevýhody.

Výhody individuálních pohonů kol se synchronními motory s permanentními magnety (PMSM):

• absence převodovky (+ oleje), zjednodušení mechanické části,
• menší objem a hmotnost pohonu,
• řízené dělení tažné síly na jednotlivá kola,
• možnost řešení diferenciálu elektrickou cestou,
• možnost simulace tuhé nápravy (prostřednictvím regulace), která má lepší vlastnosti při vedení kol v koleji oproti volným kolům,
• efektivní činnost protiskluzové ochrany,
• jednodušší a robustnější řešení elektrodynamické brzdy,
• vyšší účinnost pohonu.

Nevýhody:

• zvýšení neodpružených hmot – částečně se řeší vkládáním pryžové mezivrstvy do konstrukce kola,

• složitější a dražší synchronní motor než asynchronní motor,

• problematické řešení poruchových stavů – zkratů, kdy je motor s permanentními magnety zdrojem elektrické energie.

4. Synchronní stroje v systémech se spalovacím motorem

Klasické je v současné době využití synchronního stroje s budicím vinutím na rotoru, jako alternátoru. Do této oblasti spadá problematika automobilových alternátorů, ale i trakčních alternátorů v elektrických přenosech výkonu na lokomotivách a výkonných silničních vozidlech. V obou případech se využívají výhodné možnosti změny výstupního napětí alternátoru prostřednictvím změny budicího proudu. V poslední době se v automobilech začínají objevovat i alternátory s permanentními magnety. Regulace proudu pro dobíjení akumulátoru je v tomto případě zabezpečena tyristorovým usměrňovačem, nejčastěji polořízeným.

Dalším novým řešením v oblasti zdrojových soustav automobilů je tzv. startéralternátor. Je to synchronní stroj s permanentními magnety speciální konstrukce, umožňující dosáhnout rozdílných poměrů ve funkci startéru (řádově stovky otáček za minutu a velký moment) a alternátoru (řádově tisíce otáček za minutu).

Příklad využití řiditelnosti výstupního napětí alternátoru budicím proudem je moderní trakční pohon se střídavými – asynchronními či synchronními – trakčními motory. Takovéto přenosy výkonu se uplatňují u vozidel s výkony od stovek kilowattů do jednotek megawattů.

Obr. 6. Elektrický přenos výkonu spalovacího motoru

Jak je zřejmé z obr. 6, spalovací motor pohání synchronní alternátor, který přes diodový usměrňovač napájí vstupní napěťový obvod trakčního střídače, jehož výstup napájí střídavý trakční motor, popř. jejich skupinu. Odpor R_B v režimu elektrodynamického brzdění je určen k maření brzdné energie. Charakteristickým znakem je nemožnost dosáhnout libovolné tažné síly trakčního pohonu v libovolném okamžiku. Okamžitý dosažitelný výkon je svázán s okamžitými otáčkami spalovacího motoru, zvýšení tohoto výkonu je spojeno s určitým zpožděním, které je dáno dobou potřebnou k urychlení spalovacího motoru. I z hlediska statické trakční charakteristiky je výkon trakčního pohonu limitován výkonem spalovacího motoru. Charakteristika pohonu je určena trakční hyperbolou a význam elektrického přenosu tkví zejména v možnosti sladění podmínek chodu spalovacího motoru s požadavky trakčního pohonu. V důsledku možnosti řízení magnetického toku synchronního alternátoru je možné udržovat vstupní napětí trakčního střídače na konstantní hodnotě, nebo jej vhodně regulovat v závislosti na režimu trakčního pohonu. V praxi je výhodné snižovat napětí alternátoru, a tím i vstupní napětí střídače při pomalých rychlostech vozidla. Při těchto rychlostech je nízká i efektivní hodnota napětí trakčního motoru. Trakční střídač pracuje s pulsně šířkovou modulací výstupního napětí. Při jmenovitém napětí na vstupu střídače a požadavku nízkého výstupního napětí je toto napětí tvořeno velmi úzkými pulsy s vysokou amplitudou. Takovéto napětí má nepříznivé harmonické spektrum, v jeho průběhu se výrazně projevuje vliv ochranných dob tranzistorů střídače a rostou spínací ztráty. Mnohem kvalitnějšího promodulování výstupního napětí střídače se dosahuje při snížení vstupního napětí střídače zmenšením budicího proudu alternátoru. Z toho vyplývá, že řízení budicího proudu alternátoru zohledňuje rychlost vozidla a okamžité otáčky spalovacího motoru.

Široké uplatnění začínají v současné době nacházet synchronní stroje s permanentními magnety v alternativních pohonech vozidel. Do této kategorie lze řadit např. tzv. duobusy. Jsou to trolejbusy, jejichž pohon je doplněn spalovacím motorem; to umožňuje jízdu v úsecích bez napájecího vedení (trolejí). Zajímavým příkladem z této oblasti je kloubový duobus řady DMA, který je provozován v Bostonu v USA na lince, která zčásti vede podzemními tunely. Napájené úseky jsou pouze podzemní a pozemní, delší část trasy je bez napájecího vedení. Finálním dodavatelem duobusu je firma Neoplan, dodavatelem elektrovýzbroje je Škoda Electric z Plzně. V úsecích bez napájecího vedení je primárním zdrojem energie spalovací motor s maximálním výkonem 373 kW, který pohání výkonný alternátor s permanentními magnety. Asynchronní trakční motory pohánějící nápravy jsou dva, každý o jmenovitém výkonu 120 kW. Ve vozidlech byly využity jedny z nejvýkonnějších strojů s permanentními magnety.

Široce jsou synchronní stroje s permanentními magnety použity v tzv. hybridních pohonech. Jsou to pohony, kde se zcela či zčásti využívá elektrický přenos výkonu spalovacího motoru a je doplněn člen pro akumulaci elektrické energie – nejčastěji akumulátor. Hybridní pohon, podobně jako elektrický přenos výkonu, umožňuje sladit požadavky optimalizovaného chodu spalovacího motoru s požadavky trakčního pohonu. Akumulátor elektrické energie pokrývá špičkové odběry energie, což umožňuje nižší dimenzování spalovacího motoru a navíc je někdy umožněn čistě elektrický provoz. Dalším efektem je rekuperace brzdné energie. Příkladem konkrétní aplikace může být již zmíněný vůz Toyota Prius. Točivý moment spalovacího motoru tohoto vozu je přenášen na planetovou převodovku, která pracuje jako mechanický dělič výkonu. Část výkonu se mechanicky přenáší na hnací nápravu, část pohání synchronní stroj s permanentními magnety. Ten převážně pracuje jako alternátor a přes měnič dobíjí akumulátorovou baterii. Při startování spalovacího motoru tento stroj odebírá elektrickou energii z akumulátoru a pracuje jako startér. Z akumulátorové baterie je napájen střídač trakčního motoru PMSM, jehož moment se mechanicky přičítá k momentu, který je od spalovacího motoru přenášen mechanickou cestou. Zajímavostí elektrovýzbroje je i používaná úroveň napětí 500 V, pro osobní automobil vysoká.

Obr. 7. Hybridní pohon s elektrickým děličem výkonu

Zajímavou koncepcí hybridního pohonu se zabývají pracovníci katedry elektrických pohonů a trakce Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze v rámci činnosti ve Výzkumném centru spalovacích motorů a automobilů Josefa Božka. V laboratoři katedry je pro výzkumné účely postaven model hybridního pohonu, jehož koncepce vychází ze struktury vozu Toyota Prius. Odlišnost však spočívá v řešení děliče výkonu na straně spalovacího motoru. Tento dělič je řešen na elektrickém principu jako synchronní stroj s permanentními magnety s otočným statorem (obr. 3). Na statoru je umístěno třífázové vinutí, na rotoru jsou permanentní magnety. Jmenovitý výkon instalovaného stroje je 5 kW. Blokové schéma pohonu je na obr. 7. Spalovací motor roztáčí rotor generátoru, náprava vozu je spojena s otočným statorem generátoru. Při předpokladu nulových otáček statoru generátoru, tj. při nulové rychlosti vozidla, se veškerá energie spalovacího motoru přenáší na nápravu elektrickou cestou. Při zvyšování rychlosti nápravy spojené se statorem klesá relativní rychlost rotoru proti statoru generátoru a snižuje se výkon přenášený elektrickou cestou, zvyšuje se výkon přenášený mechanicky. Ve stavu, kdy jsou otáčky rotoru generátoru rovny otáčkám statoru, je přenášený elektrický výkon nulový, generátor pracuje jako elektromagnetická spojka a veškerá energie se přenáší mechanickou cestou.

Statorové vinutí generátoru napájí pulsní usměrňovač, jehož výstupem je stejnosměrný meziobvod, ze kterého je napájen střídač asynchronního trakčního motoru. V trakčním motoru se sčítají výkony přenášené elektrickou a mechanickou cestou, neboť hřídel tohoto motoru je poháněna jak mechanickou cestou, tak momentem vytvořeným asynchronním strojem.

Hybridní pohon je doplněn superkondenzátorem, připojeným přes měnič DC/DC na stejnosměrný meziobvod. Superkondenzátor umožňuje efektivní akumulaci brzdné energie a poskytuje energii pro krytí energetických špiček např. při předjíždění a v případech, kdy není k dispozici dostatečný výkon od spalovacího motoru. Předpokládá se, že synchronní generátor bude fungovat i jako startér.

(pokračování)

^*) Pozn. red.: Curieův bod (bod magnetické přeměny) – teplota, nad kterou ferromagnetické materiály ztrácí spontánní magnetizaci a stávají se paramagnetickými; teplota Curieova bodu je např. u železa 769 °C, niklu 358 °C, kobaltu 1 115 °C atd.