Nyvinning innen elektrisk togfremføring

Transkript

1 Nyvinning innen elektrisk togfremføring En kraftelektronisk togtransformator (PETT) Max Claessens, Drazen Dujic, Francisco Canales, Juer gen 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. 01

2 1 Elektriske jernbanesystemer i Europa Da 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 000 V), slik at den 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 kunne overføres rett til banemotorene. Ulempen med den lave spenningen var at den førte til høyt overføringstap i kjøreledningen. 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 store og tunge transformatorene som måtte monteres på toget. 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. 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. Den ideelle løsningen ville altså vært en kombinasjon av den lave vekten og størrelsen til likestrømsutstyret og de lave overføringstapene ved bruk av vek- 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. På sekundærsiden av transformatoren omdanner en likeretter dette til mellomkretsspenning. Forsidebilde Ee 9-rangerlokomotivet til den sveitsiske jernbanen (SBB), som er utstyrt med ABBs PETT-prototype. 02

3 2 Omformingsvei i et moderne vekselstrømstog Omformingsvei 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 Low-frequency main transformer (LFT) Main converter DC link Traction motor HV DC link Mediumfrequency transformer (MFT) LV DC link Traction motor 1 M 1 M Rail (ground) 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. 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 60 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 0

4 4 PETT med kaskadekoblede omformermoduler på primærsiden og parallellkoblede utganger på sekundærsiden Catenary Cell 1 Cell 2 Rail Cell N 5 Hver modul består av en aktiv blokk mot nettet (AFE) og en DC/DC-omformerblokk. AC / DC DC / DC S1 S S5 S7 C1 C TR SC Cr Lr Lm C2 C4 S2 S4 S6 S8 6.5 kv 400 A IGBT. kv 800 A IGBT ABBs kontrollsystem AC 800PEC, muliggjør integrering av hurtige og langsomme kontrollfunksjoner. til mellomkretsspenningsnivået på,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 04

5 6 Målte PETT-pulsformer 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 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. 05

6 7 Omformertanken og dens mellomfrekvensomformer PETT-prototypen på Ee 9- lokomotivet 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 9 ( 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 9. Den eksisterende Ee 9-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 ). 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 06

7 8 Den komplette PETT Pilotinstallasjonen ble fullført i midten av 2011, og typegodkjenning fra sveitsiske transportmyndigheter ble oppnådd innen slutten av året. 0,2 og 0,5. 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 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 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. 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. 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 max.claessens@ch.abb.com Dražen Dujic Francisco Canales ABB Corporate Research Baden-Daettwil, Switzerland drazen.dujic@ch.abb.com francisco.canales@ch.abb.com Juergen K. Steinke ABB Power Electronics Turgi, Switzerland juergen.steinke@ch.abb.com Philippe Stefanutti Christian Vetterli ABB Sécheron SA Geneva, Switzerland philippe.stefanutti@ch.abb.com christian.vetterli@ch.abb.com 07