Koncepcja modernizacji napędu elektrycznego wózka platformowego

ROSSA Robert 1 KRÓL Emil 2 Koncepcja modernizacji napędu elektrycznego wózka platformowego WSTĘP Wózki platformowe z napędem elektrycznym zasilanym z baterii trakcyjnej (rysunek 1) są produkowane w Polsce od wczesnych lat siedemdziesiątych. Wózki te wyposażone są w silniki szeregowe prądu stałego, tzn. silniki, w których uzwojenie wzbudzenia jest łączone szeregowo z uzwojeniem twornika. Podstawowe parametry eksploatacyjne dotychczas produkowanych wózków platformowych są następujące: masa własna wózka z baterią trakcyjną 1600 kg; dopuszczalna masa ładunku 2000 kg; prędkość maksymalna z ładunkiem 13 km/h (przy wersji napędu z dwoma silnikami, 2 x 2.5 kw) lub 15 km/h (napęd z jednym silnikiem 5.3 kw); prędkość maksymalna bez ładunku 17 km/h (napęd 2 x 2.5 kw) lub 20 km/h (napęd 1 x 5.3 kw), maksymalna siła uciągu bez ładunku 3.5 kn; znamionowa siła uciągu bez ładunku 0.9 kn. Rys. 1. Elektryczne wózki platformowe produkowane w Polsce od początku lat 70. ubiegłego wieku W starych konstrukcjach wózków platformowych stosowane są dwa warianty napędu elektrycznego. W pierwszym wariancie zastosowano dwa silniki szeregowe prądu stałego, każdy o mocy znamionowej 2.5 kw (cykl pracy S2-30), o prędkości znamionowej 1000 min -1, napięciu znamionowym 80 V, prądzie znamionowym 40.6 A i sprawności znamionowej 77 %. Silniki te wykonane są w obudowie zamkniętej, bez wentylatora. Masa każdego z silników wynosi 60 kg. Stosowana w tym rozwiązaniu przekładnia mechaniczna w tylnej osi napędowej ma współczynnik przełożenia 7.6. Napęd wózka platformowego z dwoma silnikami szeregowymi prądu stałego pokazano na rysunku 2. 1 Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL; 40-203 Katowice; al. Roździeńskiego 188. Tel.: +48 32 299-93-81, Fax: +48 32 299-93-89, r.rossa@komel.katowice.pl, www.komel.katowice.pl 2 Instytut Napędów i Maszyn Elektrycznych KOMEL; 40-203 Katowice; al. Roździeńskiego 188. Tel.: +48 32 299-93-81, Fax: +48 32 299-93-89, e.krol@komel.katowice.pl, www.komel.katowice.pl 5502

Rys. 2. Napęd wózka platformowego w wariancie z dwoma silnikami szeregowymi prądu stałego W drugim dotychczas spotykanym wariancie napędu wózków platformowych stosowany jest jeden silnik szeregowy prądu stałego o parametrach: moc znamionowa 5.3 kw (cykl pracy S2-60), prędkość znamionowa 2200 min -1, napięcie znamionowe 80 V, prąd znamionowy 80 A, sprawność znamionowa 83 %. Jest to silnik w obudowie zamkniętej, z chłodzeniem wentylatorowym. Masa silnika wynosi 56 kg. Współczynnik przełożenia przekładni mechanicznej dla tej wersji napędu wynosi 11.75. Stosowane od wielu lat w różnorakich napędach trakcyjnych silniki szeregowe prądu stałego mają bardzo dobrą charakterystykę trakcyjną (charakterystykę momentu na wale silnika w funkcji prędkości obrotowej wirnika), jednakże mają także kilka istotnych wad: konstrukcja silnika ze szczotkami i komutatorem mechanicznym wymaga stosunkowo częstych przeglądów i napraw, co skutkuje liczniejszymi przestojami i wyższymi kosztami obsługi technicznej (w stosunku do innych obecnie możliwych rozwiązań napędu); silniki te charakteryzują się słabymi współczynnikami mocy znamionowej do masy lub do objętości silnika; sprawność napędów trakcyjnych z silnikami szeregowymi prądu stałego jest bardzo niska w stosunku do innych obecnie dostępnych odmian elektrycznych napędów trakcyjnych, zwłaszcza w stosunku do napędów, w których zastosowano tzw. silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (ang. skrót PMSM), pomimo konieczności stosowania w tych napędach przekształtników energoelektronicznych zasilających silniki PMSM. Spośród wyżej wymienionych wad silników szeregowych prądu stałego, najistotniejszą wadą jest ich niska sprawność, typowo 77 85 %, co w przypadku napędu zasilanego z baterii trakcyjnej przekłada się m.in. na zmniejszenie zasięgu jazdy pojazdu na jednym ładowaniu baterii. 1. KONCEPCJA MODERNIZACJI NAPEDU WÓZKÓW PLATFORMOWYCH Podstawowym celem podjęcia prac nad modernizacją napędu elektrycznych wózków platformowych jest zwiększenie sprawności napędu i poprzez to zwiększenie zasięgu jazdy wózka na jednym ładowaniu baterii trakcyjnej. Równie istotnym celem jest poprawa niezawodności napędu wózków, a w konsekwencji zmniejszenie ilości przestojów technicznych koniecznych do przeprowadzenia remontów lub napraw podzespołów napędu i tym samym zmniejszenie kosztów obsługi technicznej. Dla potrzeb opracowania szczegółów technicznych modernizacji napędu wózków platformowych przyjęto dwa zasadnicze założenia. Pierwsze z tych założeń dotyczy baterii trakcyjnej. Źródłem zasilania napędu elektrycznego wózków platformowych są baterie trakcyjne kwasowo-ołowiowe (rysunek 3), o parametrach technicznych: 40 szeregowo łączonych ogniw typu 4A240, znamionowe napięcie ogniwa 2 V; 5503

znamionowe napięcie baterii trakcyjnej 80 V; pojemność znamionowa 240 Ah/5h; masa z elektrolitem ok. 700 kg. W celu zmniejszenia kosztów modernizacji wózków platformowych oraz w celu uniknięcia konieczności inwestowania w nową infrastrukturę ładowania baterii trakcyjnych w zakładach produkcyjnych i firmach wykorzystujących tego typu wózki, przy opracowywaniu założeń modernizacji przyjęto, że bateria trakcyjna wózka nie będzie zmieniana. W przypadku konieczności istotnego zwiększenia zasięgu jazdy wózków platformowych należałoby zastosować nowoczesną baterię trakcyjną z ogniwami np. litowo-jonowymi [1 3], charakteryzującą się zdecydowanie lepszym stosunkiem ilości gromadzonej energii do objętości. Jednakże z uwagi na specyficzne wymagania nowoczesnych ogniw bateryjnych, dotyczące m.in.: dopuszczalnych poziomów napięć przy maksymalnym rozładowaniu i naładowaniu, przebiegu procesu ładowania i rozładowania, dopuszczalnych temperatur pracy oraz kontroli zrównoważenia napięć na poszczególnych ogniwach bateryjnych, nowoczesne baterie trakcyjne litowo-jonowe wymagają stosowania skomplikowanych elektronicznych układów sterowania i nadzoru parametrów elektrycznych i termicznych baterii. Zastosowanie zatem litowo-jonowej baterii trakcyjnej jako źródło energii dla wózka platformowego będzie wiązać się ze znacznym zwiększeniem ceny wózka oraz z koniecznością poniesienia kosztów inwestycyjnych na wymianę wyposażenia niezbędnego do ładowania baterii trakcyjnych (konieczność stosowania zaawansowanych, mikroprocesorowo sterowanych ładowarek energoelektronicznych). Rys. 3. Baterie trakcyjne wózków platformowych zbudowane z 40-stu ogniw kwasowo-ołowiowych łączonych szeregowo; napięcie znamionowe baterii trakcyjnej 80 V Drugim z zasadniczych założeń dotyczących modernizacji wózków platformowych jest to, że w zmodernizowanych wózkach stosowane będą dotychczas produkowane tylne osie napędowe, dostosowane do współpracy z jednym silnikiem szeregowym prądu stałego o mocy 5.3 kw poprzez przekładnię mechaniczną o współczynniku przełożenia 11.75. Przyczyną jest tutaj ponownie chęć utrzymania kosztów modernizacji na jak najniższym poziomie. Najbardziej zawodnym elementem dotychczas stosowanego układu napędowego elektrycznych wózków platformowych jest sam silnik elektryczny prądu stałego, a ściślej jego komutator mechaniczny i węzeł szczotkowy. W latach 60-tych i 70-tych. ubiegłego wieku, gdy opracowywano dotychczasowe napędy wózków platformowych, najodpowiedniejszą maszyną elektryczną do zastosowania w napędach trakcyjnych były silniki szeregowe prądu stałego. Szybki rozwój energoelektroniki w ostatnich 20-30 latach, zwłaszcza tranzystorów MOSFET i IGBT oraz pojawienie się na rynku pod koniec lat 80-tych ubiegłego wieku [4] magnesów trwałych z domieszkami pierwiastków ziem rzadkich typu NdFeB, poskutkowało rozpowszechnieniem się w napędach trakcyjnych nowych typów silników elektrycznych: tzw. silników bezszczotkowych prądu stałego (ang. skrót BLDCM) oraz silników synchronicznych z magnesami trwałymi PMSM, określanych także jako silniki bezszczotkowe prądu przemiennego (skrót BLACM). W silnikach BLDCM komutator mechaniczny został zastąpiony komutatorem energoelektronicznym zasilającym 5504

nieruchomy twornik silnika prądem stałym odpowiednio przełączanym na poszczególne fazy uzwojenia twornika, stosownie do aktualnej pozycji wirnika identyfikowanej co 60 el. W wirniku silnika BLDCM zamocowane są magnesy trwałe wytwarzające strumień magnetyczny wzbudzenia [5, 7]. W silnikach PMSM strumień magnetyczny wzbudzenia pochodzi również od magnesów trwałych zamocowanych w wirniku, natomiast każda z faz uzwojenia twornika jest zasilana prądem sinusoidalnie zmiennym, przy czym optymalne sterowanie silnikiem wymaga precyzyjnego określenia pozycji wirnika względem twornika dla każdej chwili czasowej, w celu ciągłego utrzymywania odpowiedniego przesunięcia fazowego pomiędzy siłą magnetomotoryczną (smm) wzbudzenia a smm wytworzoną przez prądy w 3-fazowym uzwojeniu twornika [6, 7]. W napędach trakcyjnych wymagających wysokich wartości momentu przy bardzo niskich prędkościach obrotowych, np. przy starcie pojazdu mocno obciążonego ładunkiem, lepiej spisują się silniki PMSM, z uwagi na precyzyjne algorytmy sterowania silnikiem (co jest związane z precyzyjnym określaniem aktualnej pozycji wirnika względem twornika). Silniki PMSM gwarantują uzyskanie maksymalnej osiągalnej wartości momentu na wale już przy samym starcie silnika. Inne istotne zalety silników PMSM predysponujące te silniki do zastosowań w napędach trakcyjnych to: najwyższa sprawność spośród wszystkich aktualnie znanych typów maszyn elektrycznych wirujących; najwyższe osiągalne obecnie współczynniki momentu znamionowego i momentu maksymalnego do masy lub objętości silnika, wysoka chwilowa przeciążalność momentem; niski poziom tętnień momentu mechanicznego na wale; możliwość osiągnięcia wysokiej dynamiki i wysokiej precyzji regulacji prędkości napędu; wysoka niezawodność; chłodzenie silników PMSM jest efektywniejsze w porównaniu z silnikami prądu stałego i silnikami indukcyjnymi, jako że zdecydowana większość strat mocy w silniku PMSM jest zlokalizowana w tworniku (dotyczy silników z wirnikiem wewnętrznym). Z uwagi na wyżej wymienione zalety, w zmodernizowanym napędzie elektrycznych wózków platformowych postanowiono zastosować silnik typu PMSM. Kolejnym założeniem było to, że parametry użytkowe wózka platformowego ze zmodernizowanym napędem, takie jak maksymalna siła uciągu czy prędkość maksymalna, powinny pozostać co najmniej na tym samym poziomie lub ulec poprawie w stosunku do parametrów oferowanych przez napęd z silnikiem szeregowym prądu stałego, jednakże sprawność nowego napędu elektrycznego powinna być możliwie wysoka. 2. SILNIK IPMSM DEDYKOWANY DO NAPĘDU WÓZKA PLATFORMOWEGO Silniki PMSM występują w wielu odmianach konstrukcyjnych. Pod względem konstrukcji obwodu magnetycznego wirnika, silniki PMSM można podzielić na trzy główne odmiany: silniki z magnesami trwałymi mocowanymi na powierzchni jarzma wirnika, z przestrzeniami między magnesami (między różnoimiennymi biegunami magnetycznymi) wypełnionymi materiałem niemagnetycznym (o przenikalności magnetycznej względnej 1, ang. Surface Mounted PMSM, SMPMSM); silniki z magnesami trwałymi mocowanymi na powierzchni wirnika, z przestrzeniami między magnesami wypełnionymi materiałem ferromagnetycznym (ang. Inset PMSM); silniki z magnesami trwałymi mocowanymi wewnątrz rdzenia magnetycznego wirnika, w odpowiednio rozmieszczonych gniazdach (ang. Interior PMSM, IPMSM). Konstrukcja typu IPMSM pozwala zwykle na osiągnięcie większej wartości momentu znamionowego i maksymalnego w stosunku do pozostałych dwóch konstrukcji. Jest to możliwe dzięki dwóm czynnikom. Pierwszym z nich jest występowanie w konstrukcji IPMSM dwóch składowych momentu synchronicznego: momentu od magnesów trwałych oraz momentu reluktancyjnego związanego z asymetrią magnetyczną wirnika [7], obie te składowe współdziałają razem w wytwarzaniu momentu użytecznego na wale silnika. Drugim czynnikiem umożliwiającym zwiększenie momentu wytwarzanego przez silnik IPMSM jest możliwość takiego zaprojektowania 5505

obwodu magnetycznego wirnika, poprzez odpowiedni dobór rozmieszczenia magnesów trwałych w wirniku, by uzyskać efekt tzw. koncentracji strumienia magnetycznego wzbudzenia [7]. Pod względem konstrukcji obwodu elektromagnetycznego twornika, silniki PMSM można ogólnie podzielić na silniki z uzwojeniami rozłożonymi quasi-sinusoidalnie oraz na silniki z uzwojeniami o cewkach skupionych. W zastosowaniach wymagających osiągnięcia możliwie dużego momentu lub mocy z jednostki objętości czy masy stosowane powinny być silniki z uzwojeniami o cewkach skupionych [8], jednakże wykonanie takich uzwojeń wymaga znaczących nakładów inwestycyjnych w produkcję nowych rozkrojów blach twornika oraz w zakup nowego oprzyrządowania do nawijania uzwojeń. Z uwagi na konieczność dopasowania nowego silnika do istniejącej osi napędowej i przekładni mechanicznej (rysunek 4), o zadanych wymiarach montażowych i znanym współczynniku przełożenia, nowy silnik musi być konstrukcją o wirniku wewnętrznym, podobnie jak wcześniej stosowany silnik prądu stałego. Rys. 4. Prototypowy silnik IPMSM zamontowany w wózku platformowym; silnik prototypowy wyposażony był w możliwość chłodzenia wodnego (do celów badań laboratoryjnych, chłodzenie wodne nie jest przewidziane do stosowania w rozwiązaniu docelowym napędu) Biorąc pod uwagę powyższe uwagi, w zmodernizowanym napędzie wózka platformowego postanowiono zastosować silnik IPMSM, z cewkami rozłożonymi quasi-sinusoidalnie, o wirniku wewnętrznym. Prędkość obrotowa maksymalna silnika powinna być taka sama, lub może być nieco większa, jak we wcześniej stosowanym napędzie z pojedynczym silnikiem prądu stałego, czyli ok. 2200 2500 min -1. Ograniczenie to wynika m.in. ze stosowania tej samej przekładni mechanicznej. Dla takiej prędkości obrotowej maksymalnej dobrano liczbę biegunów magnetycznych w silniku IPMSM 2p = 6. Rdzeń magnetyczny stojana wykonano na blachach elektrotechnicznych prądnicowych o wykroju identycznym jak w produkowanym seryjnie w kraju silniku indukcyjnym wielkości mechanicznej 132 mm, o liczbie biegunów 2p = 6 (silnik typu Sg132-6). Zastosowano taki sam typ uzwojenia stojana (twornika), tzn. uzwojenie rozłożone quasi-sinusoidalnie, a liczbę zwojów szeregowych uzwojenia dostosowano do wymagań wynikających z zasilania napędu elektrycznego ze źródła bateryjnego o napięciu 80 V. W wirniku silnika IPMSM do napędu wózka platformowego rozmieszczono 6 biegunów magnetycznych, przy czym każdy z tych biegunów składa się z dwóch magnesów trwałych NdFeB ułożonych w kształt litery V. Jest to jeden z możliwych układów magnesów skutkujących koncentracją strumienia magnetycznego wzbudzenia. Wysoka wartość strumienia wzbudzenia przekłada się korzystnie na moment znamionowy, przeciążalność chwilową momentem oraz sprawność silnika IPMSM. Pierwotnie stosowany w napędzie wózka platformowego silnik prądu stałego o mocy 5.3 kw jest chłodzony wymuszonym przez wentylator przepływem powietrza. Znacznie wyższa sprawność silnika 5506

IPMSM pozwala na zastosowanie silnika bez wentylatora, czyli chłodzonego jedynie przez konwekcję naturalną. Dla poprawy tego typu chłodzenia kadłub silnika powinien być użebrowany. Pokazany na rysunku 4 wykonany prototyp silnika IPMSM jest chłodzony wodą, gdyż jest to egzemplarz przeznaczony do badań laboratoryjnych oraz do zastosowania również w innych prototypowych napędach trakcyjnych, o większych wymaganiach względem momentu znamionowego silnika i chwilowej przeciążalności momentem, gdzie zastosowanie chodzenia wodnego jest konieczne. Zakłada się, że docelowo wykonywany do napędu wózków platformowych silnik IPMSM będzie w kadłubie aluminiowym, użebrowanym. Silnik IPMSM jest w omawianym, prototypowym, zmodernizowanym napędzie zasilany z falownika energoelektronicznego typu SKAI 4201MD20. Falownik ten ma stopień mocy wykonany na tranzystorach MOSFET 200 V. Maksymalne dopuszczalne napięcie szyny stałoprądowej falownika to 160 V. Maksymalna dopuszczalna chwilowo (t < 20 s) wartość skuteczna prądu przemiennego zasilania silnika to 420 A, a znamionowa wartość skuteczna prądu zasilania silnika przy pracy ciągłej to 370 A. W czasie badań laboratoryjnych prąd maksymalny falownika ograniczono do 350 A. Rys. 5. Falownik energoelektroniczny Semikron SKAI na tranzystorach MOSFET 200 V; falownik może być chłodzony wodą lub przy pomocy radiatora Maksymalna siła uciągu wózka platformowego z silnikiem prądu stałego o mocy 5.3 kw wynosi 3.5 kn. Uwzględniając średnicę kół wózka 640 mm i współczynnik przełożenia skrzyni mechanicznej 11.75, sile uciągu 3.5 kn odpowiada wymagany moment na wale silnika 95 N. m. Przy założonej maksymalnej wartości skutecznej prądu zasilania prototypowego silnika IPMSM, wynoszącej 350 A, obliczony maksymalny moment na wale tego silnika wynosi 105 N. m. Jest to przy chłodzeniu konwekcyjnym moment obrotowy dopuszczalny chwilowo. Momentowi obrotowemu 105 N. m odpowiada maksymalna siła uciągu zmodernizowanego wózka 3.85 kn. Wartość momentu maksymalnego na wale silnika jest ograniczona dopuszczalnym prądem falownika oraz jest związana ze sposobem chłodzenia silnika. W przypadku chodzenia cieczą i przy odpowiedniej wydajności prądowej falownika, prototypowy silnik IPMSM może wytworzyć moment na wale ok. 170 N. m. Znamionowej sile uciągu wózka platformowego z silnikiem prądu stałego, wynoszącej 0.9 kn, odpowiada moment na wale silnika 24.5 N. m. Prototypowy silnik IPMSM może przy chłodzeniu konwekcyjnym pracować długotrwale przy momencie obciążenia 35 N. m. Znamionowa siła uciągu w przypadku napędu zmodernizowanego wyniesie więc ok. 1.3 kn. Maksymalna prędkość jazdy wózka platformowego z napędem wykorzystującym jeden silnik prądu stałego 5.3 kw to 20 km/h (bez ładunku). Prędkości tej, przy narzuconej przekładni mechanicznej, odpowiada prędkość obrotowa wału silnika ok. 2000 min -1. Uzwojenie w silniku prototypowym IPMSM dobrano tak, iż przy napięciu baterii trakcyjnej obniżonym do 74 V oraz przy obciążeniu silnika prądem 350 A (maksymalny moment na wale silnika, 105 N. m), silnik ten jest w stanie osiągnąć prędkość obrotową ok. 2400 min -1. Odpowiada to prędkości maksymalnej wózka zmodernizowanego ok. 24.6 km/h oraz mocy chwilowej napędu z silnikiem IPMSM 26.3 kw. Zwykle trudno jest spełnić wymagania napędu trakcyjnego odnośnie osiąganego momentu maksymalnego i prędkości maksymalnej bez wykorzystania w algorytmie sterowania napędem tzw. osłabiania strumienia magnetycznego głównego w silniku PMSM [9 11]. W przypadku zmodernizowanego napędu wózka platformowego udało się to jednak uzyskać, ze względu na niskie 5507

prędkości jazdy tego typu wózków na terenach zakładów przemysłowych (i przez to stosunkowo niskie prędkości obrotowe silnika). 3. WYNIKI BADAŃ LABORATORYJNYCH PROTOTYPOWEGO NAPĘDU WÓZKA Prototypowy napęd wózka z silnikiem IPMSM poddano badaniom laboratoryjnym. Silnik był w czasie badań chłodzony konwekcyjnie. W celu odtworzenia warunków pracy silnika w poruszającym się wózku platformowym, kadłub silnika był delikatnie owiewany powietrzem (w rozwiązaniu docelowym silnika kadłub będzie użebrowany i warunki chłodzenia konwekcyjnego ulegną poprawie). Na rysunku 7 przedstawiono zdjęcia termowizyjne wykonane po próbie nagrzewania silnika IPMSM przy momencie obciążenia 35 N. m, prędkości 2000 min -1 i mocy na wale 7.3 kw. Próba nagrzewania trwała 4 godziny, gdyż jednym z jej celów było sprawdzenie jakości magnesów trwałych. Zmierzona najwyższa temperatura na kadłubie silnika na koniec próby nagrzewania wyniosła 76.5 C, a temperatura czół uzwojenia twornika wynosiła 110.6 C. Uzwojenie prototypowego silnika IPMSM jest wykonane w klasie temperaturowej F, więc maksymalna dopuszczalna temperatura uzwojenia to 155 C. Rys. 6. Prototypowy silnik IPMSM do zmodernizowanego napędu wózka platformowego zamontowany na stanowisku laboratoryjnym (po lewej stronie stanowiska). Niebieskie taśmy na kadłubie badanego silnika wykorzystywano do badań termowizyjnych. W czasie badań silnika IPMSM jako elementu napędu wózka platformowego silnik ten nie był chłodzony wodą, a jedynie przez konwekcję (docelowo silnik napędu wózka ma mieć kadłub aluminiowy użebrowany, chłodzony konwekcyjnie) Rys. 7. Zdjęcia termowizyjne wykonane na koniec próby nagrzewania silnika IPMSM do zmodernizowanego napędu wózka platformowego - próba nagrzewania przy obciążeniu silnika momentem 35 N. m i przy chłodzeniu konwekcyjnym. Maksymalna temperatura na kadłubie silnika wyniosła 76.5 C. W czasie badań laboratoryjnych kadłub silnika IPMSM był lekko owiewany powietrzem, tak by w przybliżeniu odtworzyć rzeczywiste warunki pracy silnika w poruszającym się wózku platformowym 5508

Na rysunku 8 pokazano mapy sprawności samego silnika IPMSM oraz silnika i falownika razem, otrzymane w wyniku badań laboratoryjnych prototypu zmodernizowanego napędu wózka platformowego. Z uwagi na ograniczenia stanowiska badawczego, zakres momentu na wale silnika jest na charakterystykach sprawności ograniczony do wartości 90 N. m. Jak można zauważyć, sprawność prototypowego silnika IPMSM w szerokim zakresie punktów pracy znacząco przekracza 90 % i osiąga 94 % dla prędkości obrotowych silnika powyżej 2000 min -1 i wartości momentów z zakresu od ok. 39 N. m do ok. 73 N. m. Sprawność napędu z silnikiem IPMSM i z uwzględnieniem falownika w szerokim zakresie pracy napędu przekracza 85 %, a dla prędkości obrotowych silnika powyżej 1500 min -1 i momentów na wale z zakresu od ok. 27 N. m do ok. 59 N. m osiąga 88 %. Dla znamionowych warunków pracy wózka ze starą wersją napędu elektrycznego, tzn. przy prędkości jazdy 15 km/h (prędkość obrotowa silnika 1500 min -1 ) i przy sile uciągu 0.9 kn (moment na wale silnika 24.5 N. m), sprawność prototypowego silnika IPMSM wynosi ok. 91 %, sprawność falownika SKAI wynosi 96 %, a sprawność całego zmodernizowanego napędu (silnik + falownik) wynosi ponad 87 %. Rys. 8. Mapy sprawności silnika IPMSM oraz silnika wraz z falownikiem w proponowanym rozwiązaniu zmodernizowanego napędu wózka platformowego Znamionowa sprawność stosowanego dotychczas silnika szeregowego prądu stałego o mocy 5.3 kw wynosi 83 %, a sprawność sterownika ZAPI H2 400A 80V zasilającego ten silnik oszacowano na ok. 95 %. Zatem znamionowa sprawność starego rozwiązania napędu elektrycznego wózków platformowych wynosi poniżej 79 %. Sprawność prototypowego napędu z silnikiem IPMSM w punkcie pracy odpowiadającym znamionowym warunkom obciążeniu silnika prądu stałego jest o prawie 10 % wyższa, a w innych punktach pracy napędu różnica w sprawności jest nawet znacznie większa na korzyść napędu z silnikiem IPMSM. WNIOSKI Zaproponowany, zmodernizowany napęd elektryczny wózka platformowego zasilanego z baterii trakcyjnej charakteryzuje się znacząco wyższą sprawnością w całym zakresie prędkości jazdy w stosunku do starego typu napędu, opartego na silniku szeregowym prądu stałego. W warunkach znamionowych pracy wózka sprawność nowoczesnego napędu z silnikiem IPMSM jest o prawie 10 % wyższa. W zmodernizowanym napędzie silnik IPMSM jest zasilany z nowoczesnego falownika energoelektronicznego, falami napięcia o modulowanej szerokości impulsów metodą wektora 5509

przestrzennego. (ang. Space Vector Pulse Width Modulation). Przebiegi czasowe prądów fazowych zasilania silnika są bliskie sinusoidalnym. Wymagania napędu wózka platformowego dotyczące maksymalnego momentu podczas ruszania i maksymalnej prędkości jazdy zostały spełnione bez konieczności wykorzystywania techniki osłabiania strumienia magnetycznego głównego w silniku IPMSM. Streszczenie W artykule opisano koncepcję modernizacji napędu elektrycznego wózka platformowego (rysunek 1) zasilanego z baterii trakcyjnej. W starym rozwiązaniu napędu, znanym od kilkudziesięciu lat, stosowano jeden lub dwa silniki szeregowe prądu stałego. Rozwiązanie to charakteryzuje się bardzo niską sprawnością, zwykle poniżej 80 % oraz wysokimi kosztami obsługi technicznej, wynikającymi z konieczności remontów i napraw komutatora mechanicznego i szczotek w silniku. W celu podniesienia sprawności napędu oraz zmniejszenia czasu i kosztów obsługi technicznej wózków, zaproponowano nowe rozwiązanie napędu elektrycznego, w którym zastosowano wysokosprawny silnik synchroniczny z magnesami trwałymi zagłębionymi (ang. skrót IPMSM od Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) z wirnikiem wewnętrznym i uzwojeniem twornika rozłożonym quasi-sinusoidalnie. W silnikach IPMSM nie występuje komutator mechaniczny i szczotki. Silnik IPMSM jest zasilany z nowoczesnego falownika energoelektronicznego, dedykowanego do zastosowań w pojazdach elektrycznych lub hybrydowych. W artykule opisano w skrócie konstrukcję prototypowego silnika IPMSM oraz zamieszczono podstawowe dane techniczne, wyniki badań laboratoryjnych oraz mapy sprawności zmodernizowanego napędu elektrycznego wózków platformowych. Słowa kluczowe: wózek platformowy, napęd elektryczny, silnik synchroniczny z magnesami trwałymi The concept of the modernization of electric drive in platform tractor Abstract The paper deals with a prototype of modern electric drive system dedicated to all-electric battery-powered platform tractors manufactured in Poland (Fig.1). In the old solutions of electric drive for this application the DC series motors were used. The main disadvantages of old drive solutions are very low efficiency, usually below 80 % and high DC motor maintenance costs due to the existence of brushes and mechanical commutator. To increase the efficiency of the electric drive in platform tractors and to decrease the time and the costs of drive maintenance the new, modern solution of this drive has been proposed. The modernized platform tractor will be equipped with the Interior Permanent Magnet Synchronous Motor (IPMSM) with inner rotor and sinusoidally distributed stator winding. IPMSM is a kind of brushless electric motor, i.e. without mechanical commutator and brushes. IPMSM is powered by a modern inverter dedicated for use in all-electric or hybrid vehicles. The paper describes shortly the construction of newly designed prototype of IPMSM. The main technical parameters, laboratory test results and efficiency maps of modernized electric drive for platform tractors are shown. Keywords: platform tractor, electric drive, permanent magnet synchronous motor BIBLIOGRAFIA 1. Mróz J., Skupień K., Drwięga A., Budzyński Z., Polnik B., Czerniak D., Dukalski P., Brymora L.: "Gentle accumulator drive (GAD) new directions of development for the mining industry" - Przegląd Elektrotechniczny, nr 06/2013. 2. Bernatt J., Pistelok P., Krol E., "Investigations on efficiency improvements of electrical propulsion system for a light airplane", Electrical Machines and Power Electronics and 2011 Electromotion Joint Conference (ACEMP), 2011 International Aegean Conference on, pp. 421,424, 8-10 Sept. 2011. 3. Bernatt J., Krol E., Pistelok P., Electrical propulsion system for aviation - Experimental validation of efficiency improvements, Conference: Electric Vehicle Symposium, EVS 26, Los Angeles, California, May 6-9, 2012. 4. Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002. 5510

5. Pillay P., Krishnan R., "Modeling, simulation, and analysis of permanent-magnet motor drives. II. The brushless DC motor drive", Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 25, no. 2, pp. 274,279, Mar/Apr 1989. 6. Pillay P., Krishnan R., "Modeling, simulation, and analysis of permanent-magnet motor drives. I. The permanent-magnet synchronous motor drive", Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 25, no. 2, pp. 265,273, Mar/Apr 1989. 7. Gieras J.F., Permanent Magnet Motor Technology: Design and Applications, Second Edition, CRC Press, 2002, ISBN 0824743946, 9780824743949. 8. Finken T., Hafner M., Felden M., Hameyer K., Design rules for energy efficient IPM motors in HEV applications, International Conf. and Exhibition on Ecological Vehicles and Renewable Energies, EVER, Conf. Proc., Monaco, France, March 2010. 9. Jahns T.M., Kliman G.B., Neumann T.W., Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors for Adjustable-Speed Drives, IEEE Trans. on Ind. Appl., vol. 22, no. 4, pp. 738-747, July/Aug. 1986. 10. Morimoto S., Sanada M., Takeda Y., Taniguchi K., Optimum Machine Parameters and Design of Inverter-Driven Synchronous Motors for Wide Constant Power Operation, Ind. Appl. Society Annual Meeting, 1994, Conference Record of the 1994 IEEE, pp. 177-182. 11. Schiferl R.F., Lipo T.A., Power Capability of Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Motors in Variable Speed Drive Applications, IEEE Trans. on Ind. Appl., vol. 26, no. 1, pp. 115-123, Jan./Feb. 1990. 5511