Artikkel: Nyvinning innen elektrisk togfremføring

Nyvinning innen
elektrisk togfremføring
En kraftelektronisk togtransformator (PETT)
Max Claessens, Drazen Dujic, Francisco Canales, Juer­gen K. Steinke, Philippe Stefanutti, Christian Vetterli
– Det sies ofte at smått er vakkert. Men når det gjelder
teknologi, er det mange andre grunner til at mindre er bedre.
På mange områder har vekt og størrelse en direkte innvirkning på produktiviteten, og det legges mye forskningsarbeid i å gjøre ting mindre. Denne utviklingen har imidlertid
ikke funnet sted for alle produkter. Størrelsen til en krafttransformator bestemmes av fysikkens lover, ettersom kjernen må
ha visse mål for å skape et magnetfelt. Et ekstra utfordrende
bruksområde for transformatorer er i elektriske togfremføringssystemer. Jo mer plass transformatoren krever, desto
mindre plass er tilgjengelig for passasjerer på toget. Vekten
spiller også en rolle med hensyn til togets tillatte aksellast og den ekstra energien som kreves for å akselerere. Med
henblikk på å gjøre denne komponenten mindre og lettere gir
fysikkens lover i forhold til frekvens heldigvis rom for forbedring. Jo høyere denne er, desto mindre kan kjernen være.
Dette prinsippet brukes også i laveffektsprodukter, for
eksempel ladere til bærbare datamaskiner. Men bruken av
dette prinsippet på så store og tunge komponenter som
togtransformatorer dreier seg om mer enn bare størrelse.
ABB har tatt utfordringen og utviklet en prototype av en
kraftelektronisk transformator som nå testes i praksis på et
lokomotiv.
Nyvinning innen elektrisk togfremføring
01
1Elektriske jernbanesystemer i Europa
store og tunge transformatorene som
måtte monteres på toget.
D
a de første elektriske jernbanene ble bygd, var likestrøm
den vanligste strømtilførselen.
Ettersom det på den tiden ikke
var mulig å senke likespenningen om
bord i toget, måtte strømmen fra transformatorstasjonen til toget ha lav spenning (mellom 750 og 3000 V), slik at den
Av historiske grunner brukes det i dag
mange forskjellige elektriske jernbanesystemer, ofte basert på teknikken som
var den mest moderne da elektrifiseringen av jernbanen begynte i et bestemt
land eller område ➔ 1.
kunne overføres rett til banemotorene.
Ulempen med den lave spenningen var
at den førte til høyt overføringstap i
kjøreledningen.
På tradisjonelle tog som trekkes av lokomotiver, er den tunge transformatoren ikke nødvendigvis en ulempe ettersom den bidrar til adhesjon: Den
maksimale kraften et lokomotiv kan
bruke til å trekke et tog
uten å miste friksjonen
mot skinnene, begrenses
av
lokomotivets
vekt. På moderne passasjertog går utviklingen imidlertid mot tog
med distribuert framdriftssystem. Drivsystemet er i dette tilfelle
ikke bare å finne i lokomotivet, men er fordelt
over hele toget, også i
vognene som passasjerene sitter i. Med et
økt antall motoriserte
aksler er adhesjon ikke
lenger en begrensende faktor for togets
akselerasjon, men vekten og størrelsen
til transformatoren er fortsatt en stor
begrensning for togkonstruktører.
Senere ble enfaset vekselstrøm med
høyere spenning innført (15 kV / 16,7 Hz
og 25 kV / 50 Hz), som reduserte overføringstapet. Ulempen med dette var de
Den ideelle løsningen ville altså vært en
kombinasjon av den lave vekten og
størrelsen til likestrømsutstyret og de
lave overføringstapene ved bruk av vek-
Siden de fleste andre typer
store transformatorer som
regel er stasjonære, er elektriske drivsystem for
tog formodentlig det bruksområdet som vil dra størst
nytte av transformatorer
med lavere vekt
02
selstrøm med høy spenning. Den store
utfordringen er å gjøre transformatoren
lettere. Dessverre begrenses størrelsen
og vekten til en tranformator av fysikkens lover. Faktorer som bestemmer
størrelsen til en transformator, er blant
annet frekvensen og den nominelle effekten – lavere frekvenser krever større
transformatorer. En omformer med
høyere frekvens vil kunne spare både
vekt og plass. Dette er bakgrunnen for
ABBs nye kraftelektroniske togtransformator (PETT).
PETT-prinsippet
Den vanligste strømomformingsveien i
moderne vekselstrømstog vises nedenfor ➔ 2. Strøm fra vekselstrømsbærelinjen (kjørelinjen) strømmer gjennom
primærviklingene i en lavfrekvensomformer (LFT) til skinnene (som er returveien). Den senkede spenningen i
sekundærviklingene til omformeren
føres inn i en firekvadrantomformer som
gjør den om til mellomkretsspenning.
En vekselretter omdanner dette til vekselstrøm med variabel frekvens og
spenning for banemotorene. Hjelpestrøm kan også tilføres fra mellomkretsen.
For å kunne bruke en mellomfrekvensomformer (MFT) må det plasseres en
frekvensomformer foran transformatoren
som vist nedenfor ➔ 3. På sekundærsiden av transformatoren omdanner en
likeretter dette til mellomkretsspenning.
Forsidebilde
Ee 933-rangerlokomotivet til den sveitsiske
jernbanen (SBB), som er utstyrt med ABBs
PETT-prototype.
2Omformingsvei i et moderne vekselstrømstog
3Omformingsvei ved bruk av mellomfrekvensomformer
AC catenary 15 KV, 16.7 Hz / 25 KV, 50 Hz
AC catenary 15 KV, 16.7 Hz / 25 KV, 50 Hz
Main converter
Low-frequency
main transformer
(LFT)
Traction motor
DC link
HV DC link
1
Mediumfrequency
transformer
(MFT)
Traction motor
LV DC link
1
M
3
M
3
3
Rail (ground)
En stor utfordring ved bruk av denne topologien er at det må plasseres en omformer på høyspenningssiden. Siden dagens generasjon av halvlederkomponenter
ikke kan blokkere spenningene som
brukes i elektriske jernbanenett med vekselstrøm, er seriekobling nødvendig. I
stedet for en rekke seriekoblinger av
halvledere til enkeltventiler har løsningen
som er utviklet av ABB, kaskadekoblede
omformermoduler på høyspenningssiden
og
parallellkoblede
utganger
på
likestrømssiden ➔ 4. Denne topologien
gjør løsningen skalerbar og gir rom for
redundans (“M ut av N”-systemet).
Av historiske grunner brukes det i
dag mange forskjellige elektriske
jernbanesystemer,
ofte basert på
teknikken som var
den mest moderne
da elektrifiseringen
av jernbanen begynte i et bestemt
land eller område.
3
Rail (ground)
Den innkommende vekselstrømmen fra
bærelinjen passerer gjennom en filterinduktor før den strømmer inn i den første
omformermodulen. Hver omformermodul
består av en aktiv blokk mot nettet (Active Front End, AFE) og en DC/DC-omform ➔ 5. AFE-blokken er en H-bru som
regulerer ladingen av mellomkretskondensatorer. Denne topologien muliggjør
også aktiv effektfaktorkontroll.
Kaskadekoblede omformere
En annen fordel med kaskadetopologien er muligheten til å svitsje hver
modul separat. Dette gjør det mulig å
flette svitsjemønstrene til H-bruene.
Hvis de flettes jevnt (dvs. forskyves
med 360 grader/N, der N er antall
nivåer), ser nettsiden av omformeren en
tilsynelatende
(tilsvarende)
svitsjefrekvens som er 2 N ganger høyere enn
de faktiske svitsjefrekvensene til de enkelte H-bruene. Denne tilsynelatende
høye svitsjefrekvensen (sammen med
det store antallet mellomspenningsnivåer) fører til lavere harmonisk forvrengning enn den som er mulig med konvensjonelle
traksjonsomformere,
og
reduserer dermed behovet for inngangsfiltrering. Eksempler på pulsformer vises nedenfor ➔ 6.
Mellomfrekvensomformere
Mellomfrekvensomformere spiller tre viktige roller. For det første gir de galvanisk
isolasjon mellom høyspenningen som
kommer fra vekselstrømsnettet, og
lavspenningen som kobler til lasten. For
det andre sørger de for egnet spenningstilpasning for lastspenningen på 1,5 kV DC
Nyvinning innen elektrisk togfremføring
03
4 PETT med kaskadekoblede omformermoduler på primærsiden og parallellkoblede utganger på sekundærsiden
Catenary
Cell 1
Cell 2
Cell N
Rail
5Hver modul består av en aktiv blokk mot nettet (AFE) og en DC/DC-omformerblokk.
AC / DC
S1
DC / DC
S3
S5
S7
C1
C3
TR
Lr
SC
Cr
Lm
C2
S2
S4
C4
S6
6.5 kV 400 A IGBT
ABBs kontrollsystem AC 800PEC,
muliggjør integrering av hurtige og
langsomme kontrollfunksjoner.
S8
3.3 kV 800 A IGBT
til mellomkretsspenningsnivået på 3,6 kV.
For det tredje hjelper de IGBT-modulene
(IGBT = insulated-gate bipolar transistor,
bipolar transistor med isolert inngang) i
LLC-resonanskretsene å arbeide i en modus for myk svitsjing (beskrives senere). En
størrelsesreduksjon er en stor utfordring
fra et dielektrisk synspunkt. Dette aspektet
må undersøkes nøye.
I den aktuelle PETT-prototypen bruker alle
de ni omformerne den samme oljefylte tanken sammen med linjeinduktoren og startladeren ➔ 7.
LLC-svitsjemodus
Hver av de ni mellomfrekvensomformerne er en del av den tilknyttede DC/DComformeren ➔ 4. Ved hjelp av omformerens
lekkasje
og
magnetiserende
induktanser og den eksterne kretsens
­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­0 4
Den kompakte
størrelsen gjør at
den enkelt kan installeres under
toggulvet eller på
taket av toget og
dermed gi størst
mulig plass til passasjerer og samtidig redusere togets
energiforbruk
6Målte PETT-pulsformer
kondensatorer dannes en LLC-resonanskrets (Lr, Lm og Cr som vist ovenfor ➔ 5). Fordelene med en LLC-krets er
blant annet:
– bredt utgangsreguleringsområde
– reduksjon av svitsjetap på primærsiden gjennom nullspenningssvitsjing
(ZVS) i hele lastområdet
– lav utkoblingsstrøm styrt av utformingen (ikke ekte nullstrømsvitsjing, ZCS)
– lav spenningsbelastning og ZCS på
likeretterdioden på sekundærsiden
– lastuavhengig drift ved resonansfrekvens
Siden en LLC-krets er basert på resonansprinsippet, kan variasjoner i svitsjefrekvensen brukes til å kontrollere utgangsspenningen. Denne funksjonen
brukes imidlertid ikke i den aktuelle
PETT-prototypen, og den LLC-resonante
DC/DC-omformeren er plassert i en åpen
sløyfe med en fast svitsjefrekvens på
1,75 kHz, som er under resonansfrekvensen.
Kontrollsystemet
Hovedmålsettingen til kontrollsystemet
kan oppsummeres som følger:
– opprettholde sinusinngangsstrøm
– nær ensartet effektfaktor
– konstant gjennomsnittlig mellomkretsspenning
– harmonisk undertrykkelse
Maskinvaren er ABBs kontrollsystem AC
800PEC, en plattform som muliggjør integrering av hurtige og langsomme kontrollfunksjoner.
Nyvinning innen elektrisk togfremføring
­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­0 5
7Omformertanken og dens mellomfrekvensomformer
PETT-prototypen på Ee 933lokomotivet til SBB
Takket være et langvarig samarbeid
mellom SBB (den sveitsiske jernbanen)
og ABB testes nå en PETT-prototype på
et rangerlokomotiv av typen Ee 933
( ➔ forsidebilde). Tidlig i 2008 påbegynte
ABB et omfattende forsknings- og ingeniørarbeid på alle undersystemer. Utviklingen av PETT-prototypen ble fullført
våren 2011, og det ble utført omfattende elektriske tester av prototypen på
laboratoriet før den ble satt i drift.
Takket være et
langvarig samarbeid mellom SBB
(den sveitsiske
jernbanen) og ABB
testes nå en PETTprototype på et
rangerlokomotiv av
typen Ee 933.
Den eksisterende Ee 933-togtransformatoren og GTO-likeretteren ble fjernet
for å gi plass til den nye PETT-boksen.
Enkelte mekaniske tilpasninger og endringer i det elektroniske grensesnittet
var nødvendig for å kunne ta i bruk
PETT-prototypen.
Lokomotivet kjører i et jernbanenett med
15 kV / 16,7 Hz. Pilotinstallasjonen ble
fullført i midten av 2011, og typegodkjenning fra sveitsiske transportmyndigheter
ble oppnådd innen slutten av året. Lokomotivet ble satt i drift i februar 2012 på
stasjonen Cornavin i Genève.
PETT-prototypen ➔ 8 har ni kaskadekoblede moduler. Av disse er bare åtte
nødvendige for driften (den niende er en
reservemodul). Prototypen har en nominell effekt på 1,2 MW og kan levere en
korttidsspisstrøm på 1,8 MW. DC-utgangsspenningen er 1,5 kV. Den totale
vekten er 4500 kg, inkludert kjøling. Ved
sammenligning av prototypen og andre
togtransformatorer med samme nominelle effekt er det viktig å merke seg at
PETT-prototypen ikke bare erstatter
transformatoren, men også lavspenningslikeretteren (sammenlign ➔ 2 og ➔ 3 ).
Hovedmålsettingen for dette pilotprosjektet er å undersøke hvor anvendelig
teknologien er i praksis. Vektoptimering
er også et viktig aspekt. Effekttettheten
(uttrykt i kVA/kg) til dagens omformer- og
likeretterkombinasjoner ligger mellom
­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­0 6
Pilotinstallasjonen
ble fullført i midten
av 2011, og typegodkjenning fra
sveitsiske transportmyndigheter
ble oppnådd innen
slutten av året.
8 Den komplette PETT
0,2 og 0,35. Fremtidige PETT-generasjoner som er under utvikling, vil overgå
dette med god margin med verdier på
0,5 til 0,75.
Andre fordeler er blant annet:
– forbedring av energivirkningsgraden
fra vekselstrømsinngangen til
likestrømsutgangen fra 88-90 prosent
til over 95 prosent (dagens gjennomsnittlige virkningsgrad for frittstående
togtransformatorer i jernbanenett med
15 kV / 16,7 Hz er 90 til 92 prosent)
– lavere EMC-utslipp og harmoniske
oversvingninger
– lavere støyutslipp
Selv om PETT-en i denne artikkelen er
installert på et rangerlokomotiv, vil den
ha størst betydning for tog med distribuert framdriftssystem for passasjertransport, for eksempel lokaltog og hurtigtog. Den kompakte størrelsen gjør at
den enkelt kan installeres under toggulvet eller på taket av toget og dermed gi
størst mulig plass til passasjerer og
samtidig redusere togets energiforbruk.
Max Claessens
ABB Power Products, Transformers
Zurich, Switzerland
[email protected]
Dražen Dujic
Francisco Canales
Alle disse faktorene gjør at PETT-en oppfyller det fastsatte målet om å utvikle en
liten og lett omformer med høy ytelse
som er egnet for fremtidens tog og for
bruk i nærheten av passasjerer.
ABB Corporate Research
Baden-Daettwil, Switzerland
[email protected]
[email protected]
Juergen K. Steinke
Fremtidens transformator?
Siden de fleste andre typer store transformatorer som regel er stasjonære, er
elektriske drivsystem for tog formodentlig det bruksområdet som vil dra
størst nytte av transformatorer med lavere vekt , og følgelig det området der
nyskapingen må skje først.
ABB Power Electronics
Turgi, Switzerland
[email protected]
Philippe Stefanutti
Christian Vetterli
ABB Sécheron SA
Geneva, Switzerland
[email protected]
[email protected]
Nyvinning innen elektrisk togfremføring
­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­0 7