Metoda identyfikacji on-line harmonicznych prądu i wyznaczania impedancji wejściowej pojazdu trakcyjnego

STECZEK Marcin 1 SZELĄG Adam 2 Metoda identyfikacji on-line harmonicznych prądu i wyznaczania impedancji wejściowej pojazdu trakcyjnego WSTĘP Prace prowadzone w zakresie zagadnień wyznaczania impedancji wejściowej pojazdów elektrycznych wyposażonych w przekształtniki [12, 19, 2, 21, 25, 33] wykazały, że istnieją warunki w których impedancja wejściowa trakcyjnego układu napędowego z energoelektronicznymi przekształtnikami nie jest wartością stała zależną tylko od parametrów filtru wejściowego, lecz może ulec zmianie wraz ze zmianą punktu pracy przekształtnika. Z tego powodu zagadnienie pomiaru impedancji wejściowej pojazdu trakcyjnego jest problemem aktualnym, który powinien być poddany szczegółowej analizie. Istotę problemu podkreśla norma [3], w której określono minimalną dopuszczalną wartość impedancji wejściowej pojazdu, dla częstotliwości 5 Hz, na poziomie,3 przy założeniu, że częstotliwość rezonansowa filtru dla: pojazdu wyposażonego w silniki asynchroniczne zasilone falownikami, powinna mieścić się w przedziale 1-3 Hz, pojazdu wyposażonego w silniki prądu stałego zasilone czopperem powinna mieścić się w przedziale 2-4 Hz, pojazdu wyposażonego w silniki asynchroniczne zasilone falownikami ze wstępnym obniżeniem napięcia przy pomocy czoppera, powinna mieścić się w przedziale 2-3 Hz. Ponadto, aby ograniczyć występowanie w prądzie pojazdu harmonicznych o częstotliwościach z przedziałów obszarów pracy obwodów torowych poszczególne zarządy kolejowe wprowadzają odpowiednie limity tych harmonicznych. W artykule przedstawiono zagadnienie wykorzystania pomiaru impedancji wejściowej pojazdu do wykonania układu kontrolującego możliwość wystąpienia zaburzeń- wyższych harmonicznych prądu pobieranego z sieci trakcyjnej DC przez pojazd trakcyjny wyposażony w napęd z silnikiem klatkowym zasilanym z falownika napięcia. Zaproponowano wyznaczanie impedancji wejściowej układów napędowych pojazdów trakcyjnych zasilanych z sieci DC na drodze pomiarów przy użyciu opracowanej przez autorów techniki pomiarowej wykorzystującej analizę rejestrowanych przebiegów prądu i napięcia na wejściu badanego układu. Do tego celu opracowano i zweryfikowano aplikację pomiarową w programie LabView współpracującą z kartą pomiarową. Aplikacja pozwala na wyznaczenie zarówno modułu jak i argumentu impedancji układów napędowych wyposażonych w silniki asynchroniczne zasilone falownikami oraz silniki prądu stałego wyposażone w przerywacze impulsowe. Aplikację zweryfikowano na podstawie porównania wyników pomiarów laboratoryjnych z wynikami symulacji komputerowych. Następnie zaproponowano koncepcję układu do kontroli online wartości impedancji wejściowej pojazdu trakcyjnej z układem dalszego przetwarzania mierzonych sygnałów oraz algorytmem zmiany sterowania falownikiem zasilającym silnik klatkowy w celu zapewnienia utrzymania punktu pracy napędu pojazdu (moc, moment, prędkość) z utrzymaniem poziomu zaburzeń (wyższych harmonicznych prądu) na dopuszczalnym poziomie. 1 POMIAR IMPEDANCJI WEJŚCIOWEJ ELEKTRYCZNYCH POJAZDÓW TRAKCYJNYCH Typowe rozwiązania układów napędowych stosowanych w pojazdach trakcyjnych wykorzystujących przetwornice statyczne dużych mocy przedstawiono na rysunkach 1 i 2. W wa- 1 Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Automatyki i Informatyk, 9-924 Łódź, ul. Stefanowskiego 18/22, msteczek@p.lodz.pl 2 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny; -661 Warszawa, Pl. Politechniki; adam.szelag@ee.pw.edu.pl 9972

runkach polskich są to pojazdy przystosowane do współpracy z systemem zasilania 3 kv prądu stałego. Na rysunku 1 silnik DC zasilony przy pomocy przerywacza impulsowego. Sterowanie w tego typu rozwiązaniu jest realizowane przez zmianę współczynnika wypełniania impulsowania i zmianę częstotliwości. Aktualnie najczęściej stosowane rozwiązanie (rys. 2) to zasileniu silników asynchronicznych przy pomocy falownika. 3 kv DC 3 kv DC (+) (+) (-) M (-) M Rys. 1. Schemat grupy napędowej pojazdu napędzanego silnikami prądu stałego zasilonymi przerywaczem impulsowym Rys. 2. Schemat grupy napędowej pojazdu napędzanego silnikami asynchronicznymi zasilonymi falownikami napięcia Rozwój technologii tranzystorowej pozwolił na uproszczenie budowy zasilaczy impulsowych stosowanych w trakcji elektrycznej, zwanych czoperami, do obwodu którego schemat przedstawiono na rysunku 3 a. Elementem przerywającym jest tranzystor (lub para tranzystorów) natomiast elementem zapewniającym ciągłość prądu w obwodzie silnika przy przejściu tranzystora w stan nieprzewodzenia jest dioda zwrotna. Starsze rozwiązania z wykorzystaniem tyrystorów wymagały zawodnych układów gaszeniowych i pozwalały na prace w wąskim zakresie częstotliwości. Obecnie to rozwiązanie jest brane pod uwagę przy modernizacji pojazdów wyposażonych w silniki prądu stałego gdy modernizacja nie przewiduje wymiany silników na silniki asynchroniczne, dlatego zakres prezentowanej pracy obejmuje badania układów napędowych tego typu. Najnowsza generacja pojazdów trakcyjnych eksploatowanych w warunkach krajowych wyposażona jest w falowniki napięcia zasilające silniki asynchroniczne. Przekształtnik tego typu składa się z sześciu kluczy (rys.3 b). Przez odpowiednie sterowanie kluczami, na uzwojeniach silnika generowana jest fala napięciowa o odpowiednim kształcie, wymuszająca przepływ sinusoidalnego prądu o odpowiednich parametrach (amplituda, częstotliwość, faza)(rys. 4 b). Układy napędowe tego typu charakteryzują się szerokim zakresem pracy, co powoduje wysoką emisję harmonicznych prądu do sieci trakcyjnej a co za tym idzie stanowią poważne źródło zakłóceń dla wspomnianych obwodów SRK. a) b) Uwe(DC) Uwe(DC) Uwy(DC) Uwy(AC) Rys. 3. Schematy przekształtników trakcyjnych zasilanych napięciem stałym, a) przerywacz impulsowy (czoper) b) falownik napięcia 9973

a) b) 3.K 2.K 2.K 1.K 2.7495s 2.752s 2.756s 2.76s 2.764s V(Rl:2) -I(Rl) Time 2.82s 2.84s 2.86s 2.88s 2.899s V(R1:2,L1:1) I(L1) Time Rys. 4. Przebiegi napięć (V) i prądów (I) wyjściowych przekształtników trakcyjnych, a) przerywacza impulsowego (czopera) b) falownika napięcia Przedstawione rozwiązania charakteryzuje dynamiczna zmiana konfiguracji obwodu w zależności od sekwencji przełączeń kluczy (tranzystorów), a co za tym idzie, wraz ze zmianą sekwencji przełączeń, zmianie ulega również impedancja układu widziana z zacisków wejściowych układu napędowego. W większości przypadków elementem decydującym o wartości impedancji wejściowej pojazdu jest filtr wejściowy, którego wysoka tłumienność pozwala na skuteczne odseparowanie elektryczne układu napędowego od systemu zasilania. We wcześniejszych pracach [19, 2, 21, 25] wykazano, że istnieją jednak warunki, w których impedancja wejściowa pojazdu nie jest parametrem stałym i zależy nie tylko od parametrów filtru wejściowego, ale również od punktu pracy przekształtnika trakcyjnego. Z tego powodu istotnym jest opracowanie efektywnej metody pomiaru tej impedancji jak również opracowanie modeli pozwalających na jej wyznaczanie na etapie projektowania pojazdu. W celu przeprowadzenia analizy impedancji wejściowej pojazdu trakcyjnego opracowano i zweryfikowano [19] metodę pomiarową pozwalającą na wyznaczenie impedancji zarówno laboratoryjnych układów napędowych jak również rzeczywistych pojazdów trakcyjnych. Wyniki pomiarów posłużyły do weryfikacji modeli symulacyjnych przeznaczonych identyfikacji impedancji wejściowej dowolnego pojazdy trakcyjnego w dowolnie wybranym punkcie pracy układu napędowego i w dowolnej konfiguracji układów napędowych, co jest praktycznie niemożliwe w warunkach rzeczywistych. Proponowana metoda pomiarowa opiera się na rejestracji (z odpowiednim krokiem próbkowania) i obróbce przebiegów napięcia (U we (t)) na zaciskach wejściowych układu napędowego lub na pantografie pojazdu oraz prądu (I we (t)) pobieranego z systemu zasilającego. Obróbka tych przebiegów polega na przeprowadzeniu dyskretnej analizy DFT, wyznaczeniu wartości skutecznej dla wybranej częstotliwości U we (f) oraz I we (f) a następnie wyznaczeniu, na ich podstawie, modułu impedancji tej częstotliwości. W celu weryfikacji poprawności analizy FFT, równolegle wykonywane jest wyznaczanie harmonicznej (prądu i napięcia), o założonej częstotliwości, na drodze filtrowania filtrami pasmowymi. Pozwala to na uniknięcie błędów przy wyznaczaniu wartości skutecznych badanych przebiegów metodą FFT mogących wynikać z pojawienia się stanów przejściowych. Schemat blokowy przetwarzania sygnałów I we (t) i U we (t) przedstawiono na rysunku 6. Podstawową zaletą proponowanej metody są stosunkowo niewielkie wymagania sprzętowe. Opracowany układ pomiarowy składa się z przetwornika prądowego i napięciowego o odpowiednim stopniu izolacji i paśmie przenoszenia, komputera współpracującego z kartą pomiarową o odpowiedniej częstotliwości próbkowania i programu pozwalającego na opisaną obróbkę zarejestrowanych sygnałów. Schemat układu laboratoryjnego wykorzystanego do pomiarowej weryfikacji opracowanej metody wyznaczania impedancji wejściowej, na zaciskach A-B, przedstawiono na rysunku 5. Analogicznie skonfigurowano układ silnika prądu stałego zasilonego impulsowo. System pomiarowy został opracowany w ten sposób, aby mógł współpracować zarówno z układami napędowymi wyposażonymi w silniki prądu przemiennego jak i silniki prądu stałego. Powtarzanie opisanej procedury pomiarowej z odpowiednią częstotliwością umożliwia monitorowanie wartości impedancji wejściowej układu napędowego on-line. -2.K 9974

Zwe [] Zwe [] Źródło napięcia DC A CT I (t) we U (t) we System pomiarowy DC VT AC B AC Rys. 5. Uproszczony schemat laboratoryjnego układu napędowego wyposażonego w układ pomiarowy do wyznaczania impedancji wejściowej na zaciskach A-B U (t) we Analiza FFT 1 Filtr pasmowy 1 RMS U RMS Pomiar φ u φ u Wyznaczanie Z we I (t) we Analiza FFT 2 Filtr pasmowy 2 RMS I RMS Pomiar φ i φ i Wyznaczanie φ Z Rys. 6. Schemat blokowy przetwarzania pomierzonych sygnałów w celu wyznaczenia modułu impedancji wejściowej Z we i argumentu impedancji z Na rysunku 7 przedstawiono przykładowe wyniki wyznaczania impedancji wejściowej laboratoryjnego układu napędowego na drodze pomiarów wykonanych za pomocą opisanego systemu pomiarowego. Układ napędowy składał się z filtru wejściowego typu gamma i przerywacza impulsowego zasilającego szeregowy silnik prądu stałego. W celu weryfikacji metody wyniki porównano z wynikami symulacji komputerowych. Na wykresach umieszczono zależność modułu impedancji Z we (częstotliwości 1 Hz) w funkcji współczynnika wypełnienia przerywacza przy stałej częstotliwości impulsowania f cz =3 Hz. Zwe(k) Cf = 1 F OBCIAZENIE1 a) b) 25 2 8 7 6 15 1 5.1.2.3.4.5.6.7.8 k POMIAR SYM Rys. 7. Wyniki wyznaczania impedancji wejściowej laboratoryjnego układu napędowego uzyskane na drodze pomiarów (POMIAR) i symulacji komputerowych (SYM). a) pojemność filtru wejściowego C f = 1 F b) pojemność filtru wejściowego C f = 5 F Pomiary weryfikacyjne prowadzone w warunkach laboratoryjnych pozwalały na rejestrację sygnałów okresowych w stanach ustalonych, co dawało podstawy do stosowanie analizy FFT. W warunkach rzeczywistych (pomiarów w pojeździe) przebiegi prądów i napięć mają zasadniczo charakter zmiennych sygnałów niestacjonarnyh. Do analiz tak uzyskanych sygnałów powszechnie wykorzystywana jest analiza FFT [3,4,1,12,19,21,28,33](w wersji cyfrowej DFT gdzie liczba próbek sygnału musi być potęgą 2), po przyjęciu założenia o stacjonarności analizowanego sygnału, w rozpatrywanym oknie czasowym (okno powinno być na tyle długie, aby można przyjąć, że 5 4 3 2 1.1.2.3.4.5.6.7.8.9 k POMIAR SYM 9975

analizowane sygnały, które mogą stanowić zakłócenie są ustalone) [5]. Zarejestrowane przebiegi zwykle nie są okresowe, w efekcie wystąpi tzw. zjawisko przecieku tj. wystąpią dodatkowe prążki poboczne w widmie harmonicznych.. Aby ograniczyć to zjawisko stosuje się funkcje okna (np. Hanninga). W szeregu publikacjach proponowane jest wykorzystanie innych metod analizy harmonicznych jak metod transformacji falkowej [6] lub ESPRIT [7, 8]. Ta ostatnia metoda stanowi przykład metody wysokiej rozdzielczości, nie mającej wad metod tradycyjnych i pozwala na dosyć dokładne oszacowanie interharmonicznych i ich zmian. W artykule [8] zostało przedstawione porównanie zastosowania metody FFT i ESPRIT. Wykazano efektywność tej drugiej metody do wyznaczania harmonicznych odkształconych niestacjonarnych sygnałów, uzyskując większą dokładność niż przy stosowaniu metody Fouriera. Jest to o tyle istotne w analizie sygnałów takich jak prąd pojazdu trakcyjnego, że metoda ta pozwala na określenie zmian w czasie parametrów składowych mierzonego sygnału nawet gdy częstotliwości składowych różnią się nieznacznie. 2 PROPONOWANA TECHNIKA MINIMALIZACJI HARMONICZNYCH PRADU GENEROWANYM PRZEZ POJAZD TRAKCYJNY Harmoniczne prądu pobieranego przez pojazd wyposażony w układy przekształtnikowe zależą przede wszystkim od: widma harmonicznych napięcia w sieci trakcyjnej (na odbieraku prądu) i impedancji wejściowej pojazdu dla każdej z częstotliwości, widma harmonicznych prądu pobieranych przez przekształtniki napędu z sieci zasilającej, uzależnionych od sposobu sterowania, które ma zapewnić określony moment (moc) rozwijaną przez silnik przy danej prędkości, przy jednoczesnym wyeliminowaniu pasożytniczych momentów od wyższych harmonicznych. Jedną z wielu stosowanych metod zmniejszania wyższych harmonicznych momentów silnika jest metoda eliminacji z widma napięcia wyjściowego falownika wybranych harmonicznych odpowiedzialnych za wartość odpowiednich harmonicznych w prądzie trakcyjnym. Eliminacja wybranych harmonicznych napięcia oparta na doborze katów przełączeń kluczy falownika w ten sposób, aby zachować częstotliwość i wartość skuteczną składowej podstawowej napięcia i wyeliminować lub zminimalizować wybrane harmoniczne [9, 22]. Przykładowo na rys. przedstawiono wpływ eliminacji wybranych harmonicznych z napięcia wyjściowego falownika V out (rys. 8) na harmoniczne prądu I in (rys. 8) pobieranego z systemu zasilania DC. Metoda ta może mieć np. zastosowanie w momencie wykrycia na drodze pomiarowej przekroczenia ograniczeń dla harmonicznych prądu (lub impedancji wejściowej). Należy wtedy znaleźć taką kombinację kątów przełączeń aby przy wyeliminowaniu (ograniczeniu poniżej dopuszczalnego poziomu) wybranych harmonicznych prądu utrzymać wymagany (zadany) punktu pracy przekształtnika trakcyjnego (moc, częstotliwość) i w efekcie zadany moment i prędkość silnika. U DC U DC STEROWANIE Rys. 8. Schemat modelu symulacyjnego do analizy wpływu eliminacji harmonicznych napięcia wyjściowego falownika V out na widmo prądu trakcyjnego I in 9976

Wybrana jako przykład metoda eliminacji harmonicznych opiera się na rozwiązaniu układu równań nieliniowych, wyprowadzonego na podstawie szeregu Fouriera [9,22]. Zakładając (w ćwierćokresie) N kątów przełączeń kluczy przekształtnika można wyprowadzić N równań co pozwala na sterowanie N-1 harmonicznymi napięcia wyjściowego falownika. Rozwiązaniem układu równań jest zestaw kątów przełączeń, który pozwala na wygenerowanie, przez falownik fali napięciowej o zadanej głębokości modulacji składowej podstawowej M oraz z wyeliminowanymi wybranymi harmonicznymi. Na rysunku 9 przedstawiono przykładową mapę kątów przełączeń wyznaczoną dla zakresu głębokości modulacji składowej podstawowej napięcia M=,1 do 1,1 i eliminacji pięciu wybranych harmonicznych. Opisany układ równań rozwiązano metodą Newtona - Raphsona, która okazała się wystarczająco efektywna. Równania wyprowadzono z trygonometrycznego szeregu Fouriera postaci: F( t) 1 bn gdzie: an- współczynniki widma parzystego, bn- współczynniki widma nieparzystego, a n 1 2 2 n1 a cos( nt) b sin( nt) n x( t)cos( nt) dt x( t)sin( nt) dt n (1) Rys. 9. Przykładowa mapa kątów przełączeń wyznaczona dla pięciu kątów przełączeń w ćwierć okresie z eliminacją czterech wybranych harmonicznych Na rysunku 1 przedstawiono widmo harmonicznych napięcia wyjściowego falownika (a) i prądu trakcyjnego (b). Założono trzy poziomy dopuszczalne, dla harmonicznych prądu w wybranym zakresie częstotliwości 15-3 Hz, oznaczone F1, F2, F3. Wybrana strategia sterowania nie zapewnia spełnienia założonych ograniczeń. Na rysunku 11 przedstawiono wyniki przy prawidłowym doborze eliminowanych harmonicznych zapewniający prawidłowy kształt widma prądu trakcyjnego bez konieczności zmiany punktu pracy przekształtnika. Rozpatrując w ten sam sposób szereg punktów pracy układu napędowego można opracować zestaw strategii przełączeń implementowanych przez układ napędowy w przypadku wykrycia przekroczeń limitów dla harmonicznych prądu trakcyjnego. 9977

Vph [V] Ifal[A];Ifalmax/4[A] Vph[V] Ifal[A];Ifalmax/4[A] a) 16 14 b) 35 3 12 25 1 8 2 F1 F2 15 F3 6 4 1 2 5 13 65 91 143 169 221 247 299 325 f[hz] Rys. 1. Widmo harmonicznych, przy zastosowaniu eliminacji trzech wybranych harmonicznych z napięcia wyjściowego falownika a) widmo napięcia V out, b) widmo prądu pobieranego przez układ napędowy I in 5 1 15 2 25 3 35 f[hz] a) 16 14 b) 35 3 12 25 1 2 F1 8 F2 15 F3 6 1 4 2 5 13 65 91 143 169 221 247 299 325 f[hz] Rys. 11. Widmo harmonicznych, przy zastosowaniu eliminacji czterech wybranych harmonicznych z napięcia wyjściowego falownika a) widmo napięcia V out, b) widmo prądu pobieranego przez układ napędowy I in Odpowiednio dobierając harmoniczne eliminowane z widma napięcia wyjściowego falownika, dla kolejno następujących po sobie punktów pracy przekształtnika, można dobrać strategię sterowania układem napędowym pozwalającą na ograniczenie emisji harmonicznych prądu w wybranym zakresie częstotliwości. Jako podstawowe kryterium, przyjmuje się tu ograniczenie emisji zakłóceń do obwodu powrotnego a nie zachowanie optymalnej dynamiki napędu jak to ma miejsce przy strategiach sterowania wektorowego. Oznacza to, że proponowana technika może znaleźć zastosowanie w fazach pracy pojazdu charakteryzujących się niewielkimi zmianami prędkości w czasie (np. jazda z prędkością bliską ustalonej) i pozwala na uniknięcie konieczności obniżenia mocy pojazdu ze względu na przekroczenie poziomu dopuszczalnej emisji zaburzeń przewodzonych. Na rysunku 12 przedstawiono wyznaczania harmonicznych prądu trakcyjnego na drodze symulacji komputerowych przy zastosowaniu opisanej techniki i bez niej, z naniesionymi trzema wybranymi poziomami ograniczeń. Symulacje wykonano na modelu układu napędowego mocy 5 kw. Jak widać na rysunku 12 b) zastosowanie zaproponowanej techniki eliminacji harmonicznych pozwala na spełnienie nawet najbardziej restrykcyjnego ograniczenia z wybranych, bez ingerencji w parametry filtru wejściowego pojazdu. 5 1 15 2 25 3 35 f[hz] 9978

THDI[%] Ip [A] a) 35 b) 3 25 2 15 1 5 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 freq [Hz] Rys. 12. Widmo harmonicznych prądu pobieranego przez układ napędowy z naniesionymi trzema poziomami ograniczeń a) bez eliminacji harmonicznych napięcia, b) przy zastosowaniu eliminacji harmonicznych napięcia Jako przykładowe kryterium skuteczności zastosowanej eliminacji można przyjąć współczynnik THD (Total Harmonic Distortion) prądu pobieranego przez układ napędowy. Na rysunku 13 przedstawiono zależność wartości tego współczynnika w funkcji częstotliwości pracy falownika. Współczynnik THD osiąga niższą wartość, w każdym z rozpatrywanych punktów pracy, przy zastosowaniu eliminacji, niż w przypadku sterowania bez eliminacji. Współczynnik THD I wyznaczono ze wzoru: THDI I1 gdzie: n - liczba harmonicznych prądu w wybranym zakresie częstotliwości, I n - wartość skuteczna n-tej harmonicznej, I 1 - wartość skuteczna harmonicznej podstawowej, n 2 In k 2 (2).1 THDI.9.8.7.6.5 NOSHE SHE.4.3.2.1 Rys. 13. Współczynnik THDI prądu pobieranego przez układ napędowy, dla zakresu częstotliwości 15-3 Hz, w funkcji częstotliwości pracy falownika (f fal ) PODSUMOWANIE 2 4 6 8 1 12 14 ffal[hz] W artykule przedstawiono zagadnienie pomiaru impedancji wejściowej pojazdu trakcyjnego i harmonicznych prądu pobieranego przez pojazd z sieci trakcyjnej. Znajomość wartości modułu impedancji wejściowej pojazdu trakcyjnego istotna z punktu widzenia oceny stopnia propagacji zaburzeń z sieci jezdnej do obwodu powrotnego, a co za tym idzie oddziaływania na urządzenia 9979

systemu sterowania ruchem kolejowym. Zaproponowana w pracy metoda pomiarowa stwarza możliwość identyfikacji impedancji pojazdu on-line, co pozwoliłoby na wyznaczenie punktów pracy układu napędowego pojazdu, w których impedancja wejściowa pojazdu ulega obniżeniu poniżej zadanej wartości. Przeprowadzone badania symulacyjne wykazały, że wartość impedancji wejściowej pojazdu może zmieniać się wraz ze zmianą punktu pracy przekształtnika i powinna być szczegółowo przeanalizowana już na etapie projektowania pojazdu. Oczywiście praktycznie niemożliwym jest przewidzenie i przeanalizowanie wszystkich warunków pracy pojazdu jaki wystąpią w warunkach eksploatacyjnych, dlatego zasadnym jest opracowywanie metod pozwalających na monitorowanie on-line wybranych parametrów elektrycznych pojazdu, w szczególności mających wpływ na kompatybilność funkcjonowania systemu zelektryfikowanego transportu szynowego. Dodatkowo w artykule przedstawiono metody wyznaczania harmonicznych prądu trakcyjnego pobieranego przez pojazd trakcyjny i zaproponowano algorytm sterowania przekształtnikiem, umożliwiający minimalizację harmonicznych prądu trakcyjnego w wybranym zakresie częstotliwości przez eliminację wybranych harmonicznych napięcia wyjściowego z falownika trakcyjnego. Zastosowanie przedstawionych metod pomiarowych i algorytmów sterowania, może mieć pozytywny wpływ na konstrukcję i funkcjonowanie elektrycznych pojazdów trakcyjnych wyposażonych w energoelektroniczne przekształtniki energii ze względu na: możliwość zmniejszenia gabarytów filtru wejściowego (głównie dławika) pojazdu, zmniejszenie prawdopodobieństwa wystąpienia zakłóceń w pracy obwodów sygnalizacji i sterowania ruchu pojazdów, szczególnie gdy wprowadzone są nowoczesne pojazdy na linię o starej infrastrukturze, ograniczenie sytuacji konieczności redukcji mocy (momentu) rozwijanego przez napęd pojazdu w przypadku przekroczenia dopuszczalnego poziomu zaburzeń zagrażających prawidłowej pracy układów sterowania i sygnalizacji (układ automatycznie zmieni sposób sterowania napędem z utrzymaniem punktu pracy-moc, moment, prędkość, ale wyeliminuje harmoniczne przekraczające dopuszczalne limity). Streszczenie Zastosowanie energoelektroniki we współczesnych układach napędowych stosowanych do celów trakcyjnych stwarza konieczność prowadzenia badań EMC dotyczących wprowadzanych przez pojazdy zaburzeń w pracy innych urządzeń infrastruktury kolejowej, w szczególności obwody sterowania ruchu i sygnalizacji. Jednym z badanych parametrów jest tu wartość impedancji wejściowej pojazdu. W artykule przedstawiono wyniki prac dotyczących analiz impedancji wejściowej pojazdów trakcyjnych oraz pomiarów impedancji w warunkach laboratoryjnych. Omówiono możliwość prowadzenia pomiarów impedancji on-line w warunkach eksploatacji pojazdu oraz wykorzystania wyników tych pomiarów w układzie diagnostyki poziomu zaburzeń od wyższych harmonicznych wprowadzonych przez pojazd do sieci szynowej. W tym celu zaproponowano zastosowanie algorytmu umożliwiającego wprowadzenie zmian sposobu sterowania układem napędowym pojazdu przy utrzymaniu wymaganego momentu rozwijanego przez silniki pojazdu, ale przy niższym poziomie wprowadzanych zaburzeń. Method for on-line identification of current harmonics and determination of input impedance of a traction vehicle Abstract The use of power electronics in contemporary drive systems used for traction purposes makes it necessary to conduct further EMC research on disturbances of operation of other railway infrastructure equipment that are generated by vehicles, special emphasis should be placed upon traffic and signalling control circuits. One of the examined parameters is, in this case, the value of vehicle input impedance. The article presents the results of works on the analysis of traction vehicle input impedance as well as measurements of impedance under laboratory conditions. The issue of on-line impedance measurements under vehicle operating conditions was raised along with the problem of the use of the results of these measurements in a diagnostic system of disturbances level from higher harmonics introduced by a vehicle into the rail network. To this end, it was suggested to use an algorithm enabling the changes in a manner of control of a vehicle drive system, while 998

maintaining the required torque developed by vehicle motors, but with a lower level of the introduced disturbances. BIBLIOGRAFIA 1. Białoń A., Kaźmierczak A., Zając W., Opracowanie dopuszczalnych parametrów zakłóceń dla urządzeń srk, łączności i pojazdów trakcyjnych. Temat CNTK 6915/23 1999. 2. Białoń A., Szeląg A., Zając W.,Disturbing Influence of Electric Traction Vehicles on Signalling and Control Circuit on Silesian Regional Railway.(p. 222-224). International Symposium on Electromagnetic Combatibility and Electromagnetic Ecology EMC. Vol. 95., EMC 95 EME, 1995, Saint-Petersburg. 3. Bongiorno J., Mariscotti A., Variability of pantograph impedance curves in DC traction systems and comparison with experimental results. Przegląd Elektrotechniczny, 6/214 4. Coles P. C., Fracchia M., Hill R.J., Pozzobon P., Szeląg A., Identification of catenary resonance conditions on 3 kv DC traction systems. 7 th Mediterranean Electrotechnical Conference MELCON'94, s. 825-8. Antalya, Turkey, 12-14 April 1994. 5. Jaroszuk E., Opracowanie stanowiska laboratoryjnego do pomiaru wyższych harmonicznych prądu pobieranego z sieci trakcyjnej. Praca dyplomowa, Zakład Trakcji Elektrycznej, Politechnika Warszawska, 21. 6. Kozłowski M., An analysis of energy increments of a transition coil magnetic field with the application of a circuit model and a wavelet transformation of measuring current. Archives of Transport 18 (26), s. 39-55. 7. Leonowicz Z., Lobos T., Rezmer J., Advanced spectrum estimation methods for signal analysis in power electronics. IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 5, no. 3, June 23, pp. 514-519. 8. Leonowicz Z., Analysis of traction system time-varying signals. Międzynarodowa Konferencja Naukowo-Techniczna Problemy projektowania i budowy systemu zasilania kolei dużych prędkości Krzyżowa 19-21 listopada 29,s.. 115-122. 9. Lewandowski M., Szeląg A., Minimizing of the output voltage of the chopper inverter. Archiv. fur Elektrotechnik, 69,1986, pp.223-226. 1. Lewandowski M., Method of calculations of current harmonics in a current taken from 3kV DC network by a traction vehicle with asynchronous drive. Przegląd Elektrotechniczny, s. 27-275, 6/21. 11. Magzan A., Rajkovic B., Peric N., Possibilities to increase input impedance or power factor of line side converters supplied by DC or AC railway network. Conf. Power Electronics and Variable Speed Drives, 18-19 September 2, IEE 2. 12. Mellitt B., Taufiq J. A., Xiaoping J., Input impedance of chopper equipment and its significance in low-frequency track circuits. IEE PROC., Vol.136, Pt. B, No. 1, Jan. 1989. 13. Michna S., Kłopotliwe zakłócenia obwodów kontroli niezajętości czyli kompatybilność taboru z urządzeniami przytorowymi. Infrastruktura transportu, 5-211. 14. Ogawa T., Wakao S., Kondo K., Terauchi N., Theoretical analysis of return current harmonics in the inverter-controlled DC electric car. 35 th Annual IEEE Power Electronic Specialist Conference, Aachen, Germany, 24. 15. Ogunsola A., Mariscotti A., Electromagnetic Compatibility in Railways-Analysis and Management. ISBN: 978-3-642-328-, Lecture Notes in Electrical Engineering, Volume 168, 213, SPRINGER. 16. Le Roux W., Steyn B. M., Simulation studies of 5Hz locomotive impedance and DC substation interference sources. Computers in Railways IX., WIT Press, 24. 17. Praca Instytutu Kolejnictwa, Określenie dopuszczalnych poziomów i parametrów zakłóceń dla urządzeń sterowania ruchem kolejowym". IK 443/1, Warszawa 211 18. Skarpetowski G., Harmoniczne trójfazowego przekształtnika trakcyjnego i ich wpływ na sieć oraz na punkt pracy silnika. Czasopismo Techniczne z. 1-E/27,str. 171-178, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej. 9981

19. Steczek M., Metody wyznaczania impedancji wejściowej elektrycznych pojazdów trakcyjnych z przekształtnikowymi układami napędowymi. Rozprawa doktorska, Politechnika Warszawska, 212. 2. Steczek M., Szeląg A., Determination of parameters significant for selection of an input filter for a DC catenary supplied electric traction vehicle filter for a DC catenary supplied electric traction vehicle. Electromotion,1-2/214, s.48-54. 21. Steczek M., Szeląg A., On-line measurements of input impedance of an electric traction vehicle supplied by DC catenary for identification and reduction of disturbances in signalling and control track circuits. 13th IMEKO TC1 Workshop on Technical Diagnostics, Advanced measurement tools, June 26-27, 214, Warsaw, Poland, s. 14-145. 22. Sun J., and Grotstollen H., Solving nonlinear equations for selective harmonic eliminated PWM using predicted initial values. Proc. IEEE IECON',92, pp.259-264 1992 23. Szeląg A., Mierzejewski L., Ground transportation systems. The Encyclopedia of Electrical and Electronic Eng., Supplement 1, John Wiley & Sons Inc., NY, USA,1999, pp. 169-194. 24. Szeląg A.; Steczek M., 3 kv DC system: converter-driven vehicle-signalling circuits compatibility. Criteria and analysis. Electromotion, 1/21, pp. 7-78. 25. Szeląg A., Steczek M., Analysis of input impedance frequency characteristic of electric vehicles with a.c. motors supplied by 3 kv DC system for reducing disturbances in signalling track circuits caused by the harmonics in the vehicle s current. Przegląd Elektrotechniczny, s. 29-33, R.89, Nr 3a/213. 26. Szeląg A., Zając W., Martinez P. M., Harmonic distortion caused by electric traction vehicles with a.c. motors fed by DC supply system -CAD analysis. European Power Electronic Conference, Sevilla, Spain, 18-22 IX 1995, pp. 1.513-1.518. 27. Szelag A., Mierzejewski L., Modelling and verification of simulation results in computer aided analysis of electric traction systems. International conference on computers I n railways., COMPRAIL 2, Bologna2. 28. Szeląg A., Patoka M., Issues of low frequency electromagnetic disturbances measurements in traction vehicles equipped with power electronics drive systems. Przegląd Elektrotechniczny 89 (213): s. 29-296. 29. Szelag A., Patoka M., Some aspects of impact analysis of a planned new 25kV AC railway lines system on the existing 3 kv DC railway system in a traction supply transition zone." Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), 214 International Symposium IEEE, 214. 3. Standard EN 5388, Railway applications - Power supply and rolling stock - Technical criteria for the coordination between power supply (substation) and rolling stock to achieve interoperability (211). 31. Zając W., Szeląg A., Harmonic distortion caused by suburban and underground rolling stock with DC motors. International Power Electronics Congress CIEP 96, Mexico, October 14-17, 1996. 32. Zając W., Szeląg A., Analysis and CAD of electric vehicle power electronic converters as a source of electromagnetic disturbances. Fourth International Conference COMPRAIL'94. Madrid 7-9 IX, 1994. Computational Mechanics Publications ISBN: 1 85312 359 5, pp.395-42 33. Zając. W., Czuchra W., Analiza impedancji wejściowej pojazdu trakcyjnego w aspekcie zakłóceń w sieci trakcyjnej, MET 213, 11th International Conference Modern Electric Traction, Warszawa, 1-12 X 213 9982