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8. Forum Bahntechnik 2019Herausforderungen an elektrische Bahnsysteme im Rahmen der Energie- und VerkehrswendeInnovativer e-ÖPNV

Nürnberg, 11. 12.3.2019IHK Akademie Mittelfranken

Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer

Traktionssysteme Austria GmbH TSA / Wiener Neudorf

01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 1

Schallreduktion bei elektrischen

Traktionsantrieben

Agenda

• Ursache von Geräusche

• Entwicklungsabschnitte

• Berechnung der Radialkraftzugwellen

• Messtechnische Analyse mit einer akustischen Kamera

• Berechnung und Messung der Eigenfrequenzen einer Rippe

• Optimierte Anordnung der Gummielemente

• Messungen der Reduzierung der Schallemission bei Volllast

• Maßnahmen zur Minimierung der Geräusche

Schallreduktion bei elektrischen Traktionsantrieben


Parasitäre Effekte durch WR-Speisung

Parasitäre Effekte→ hohe Ausnutzung → Wechselrichterspeisung

Drehmoment-Pulsationen

•Resonanz-erscheinungen•Rotorstab-brüche•Beschädigungen der PM

Totalschaden

Zusatzverluste

•Temperatur-erhöhung

Reduzierung der Betriebsdauerdurch Alterung

Lagerströme

• Lagerschäden

Totalschaden

Weitere Effekte

•elektro-magnetischeVerträglichkeit •Fertigungs-toleranzen•Beanspruchung durch Spannungs-flanken

Geräusche

•Erhöhter Schalldruck-bzw. Schall-Leistungspegel•Unangenehme Sinustöne (Sirenentöne)


Wechselrichterspeisung

Spannungsversorgung Wechselrichter Traktionsmaschine

IGBT-WRTransistor-WR

Asynchronmaschine ASMPM-Synchronmaschine PSM

Switched Reluctance Masch. SRMGleichstrommaschine GSM

Transversalflussmaschine TFM

Spannungszwischenkreis

DC: 48 700 V UZK = 48 700 V

ftakt = 2000 16000 Hz

P = 15 150 kW

Uverk = 100 - 400 V

I = 100 400 A

UZK

Uverk

M

3~

Werte für Traktionsmaschinen:


Gemessener Spannungs- und Stromverlauf, Abtastrate 125 kHz

Daten der gemessenen Traktionsmaschine:

Pn = 100 kW Un = 445 VIn = 162 A2p = 4nn = 2286 min-1

C = 4,4 kVAmin/m³

AnspeisungIGBT - WR :

fTakt = 2,5 kHz

t

Uph

fgs = 100,64 Hz

t

Iph

UZK = 750 V, fgs= 100,64 Hz,

ftaktWR = 2,5 kHz, fAbtast = 125 kHz


Synthese des Spannungssignals

100

1

)sin(n

nn tnUU Berücksichtigung der Oberschwingungen bis zur 100. Harmonischen

UZK = 750 V, fgs= 100,64 Hz,

ftaktWR = 2,5 kHz, fAbtast = 125 kHz

gemessenes Signal

aus den Summe der Grund-und den Oberschwingungen

berechnetes Signal

t

Uph


Anteil der Spannungsgrund- und Oberschwingungen

fgs . n = ftakt = 2,5 kHz

fgs . 2n = 2ftakt = 5 kHz

Phasenspannung bei der WR-Anspeisung

U = f (fgs)

synchrone Taktung

asynchrone Taktung


Ursache von Geräuschen

Schallquelle: Elektrisches Antriebssystem

Körperschall Luftschall

Magnetische Geräusche Aerodynamische Geräusche Mechanische Geräusche

Ventilator/Lüfter

Rotorverwirbelungen

Wicklung

Nutung

Sättigung

Exzentrizitäten

Frequenzumrichter

Lager

Unwuchten

Resonanzerscheinungen bei Übereinstimmung zwischenAnregefrequenz und Eigenschwingungsfrequenz

für bestimmte Moden


Entwicklungsabschnitte

Elektromagnetische Feldberechnung

Mechanische Verformungsberechnung

Akustische Berechnung

Konstruktion, Aufbau der Maschine

Akustische Messungen

Maßnahmen, Modifikationen

Ermittlung der Größe und Form der radialen Kraftwellen

Abhängig von der Steifigkeit des Stators

bzw. Anzahl der mech. Knotenpunkte

Berechnungsformeln nach Jordan, FE- Berechnungen Programm (z.B. RWTH Aachen)

Abhängig von der Form der Kraftwellen bzw. Knotenpunkte

Schalldruck,- und SchallleistungspegelmessungMessung mit akustischer Kamera

Veränderung der Taktfrequenz des WR, Dämpfung von Bauteilen, Vermeidung von Resonanzen


Berechnung der Radialkraftzugwellen

,...2,1,0,21,2cosˆ),( 11

1

ggmtf

xBtxB

p

,...2,1,0,1,2cosˆ),( 222

g

p

Ngµtfs

xBtxB

p

µµ

22

2

0

2

2~~2

),(),( µµµ

µ

µ BBBBBBµ

txBtx

tf

p

xr

µ

BBtx Ton

p

µ

µ

22

2cos2

ˆˆ),( 1

0

1

µpr 22

2)1()1( sµffTon 0)1()1( sµffTon

Ständerfeldwelle

Läuferfeldwelle

MAXWELL scher Radialzug

Radialkraftzugwellen

Anzahl der Kraftwellen-Knotenam Maschinenumfang

Anregende Tonfrequenz

r = 0 r = 1 r = 2 r = 3 r = 4 r = 5

relevant für WR:

r = 0 undr = 2p


Messtechnische Analyse mit einer akustischen Kamera

Daten der gemessenen Traktionsmaschine

Pn = 35 kW

Un = 400 VIn = 88 A2p = 4nn = 1607 min-1

C = 3,3 kVAmin/m³

geschlossene Maschine mit natürlicher Konvektionskühlung

AnspeisungIGBT-WR

ftakt = 2290 Hz

Aluminium-gussgehäusemit Rippen

A = ca. 4 m²


Berechnung und Messung der Eigenfrequenzen einer Rippe

Biegeschwingungen einer Rippe (gerader Stab)

02

2

4

42

txc

A

JEc

2

c

2

xDxCxBxAxf coshsinhcossin)(

0coshcos1 ll

A

JE

2

85,7

694,4

875,1

3

2

1

l

l

l

Quelle: Parkus, H.: Mechanik der festen Körper

Frequency Response H1(Beschleunigung,Anregung) - Current (Magnitude)

Working : mit Stahlspitze Mittelung Lin1 : Multibuffer1 : FFT Analyzer

0 500 1k 1,5k 2k 2,5k 3k 3,5k 4k 4,5k 5k 5,5k 6k

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

[Hz]

[(m/s²)/N] Frequency Response H1(Beschleunigung,Anregung) - Current (Magnitude)

Working : mit Stahlspitze Mittelung Lin1 : Multibuffer1 : FFT Analyzer

0 500 1k 1,5k 2k 2,5k 3k 3,5k 4k 4,5k 5k 5,5k 6k

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

[Hz]

[(m/s²)/N]

Frequenz in Hz

Schw

ing

besc

hle

unig

ung

in m

/s²/

N

feigen = 2200/2500/2800 Hz

l = 80 mm f1 = 2388 Hz

b = 6 mm f2 = 17535 Hz

E = 70000 N/mm² f3 = 48968 Hz

= 2700 kg/m³


für konstanten Querschnitt

ein Ende eingespannt, das

andere frei

Optimierte Anordnung der Gummielemente


Materialeigenschaften

HNBR Hydrierter Nitril-Kautschuk

Handelsname Therban, Zetbol

Kälteflexibel bis - 45 C

max. Dauereinsatztemperatur 150 C

Beständigkeit gegen

Witterung und Ozon sehr gut

Wasser (bei 100 C) sehr gut

Laugen (50%ige Natronlauge) befriedigend

Säuren (25%ige Schwefelsäure)

sehr gut

Mineralöl (bei 100 C) sehr gut

Mindesteinsatzdauer 8 Jahre

Härte DIN 53505 60 - 65 Shore A

Dichte DIN 53479 1,1 g/cm³

Messungen der Reduzierung der Schallemission bei Leerlauf


max. 103 dB (A) max. 89 dB (A)

ftakt = 2290 Hz ftakt = 2290 Hz

ohne Gummielemente mit Gummielemente

Motordrehzahl in min-1 Motordrehzahl in min-1

Mo

tord

rehza

hl i

n m

in-1

Mo

tord

rehza

hl i

n m

in-1

Schalld

ruckp

eg

el i

n d

B(A

)

Schalld

ruckp

eg

el i

n d

B(A

)

Frequenz in kHz Frequenz in kHz2 . ftakt = 4580 Hz

Messungen der Reduzierung der Schallemission bei Volllast

max. 107 dB (A) max. 92 dB (A)

ftakt = 2290 Hz ftakt = 2290 Hz

ohne Gummielemente mit Gummielemente

Motordrehzahl in min-1 Motordrehzahl in min-1

Schalld

ruckp

eg

el i

n d

B(A

)

Schalld

ruckp

eg

el i

n d

B(A

)

Mo

tord

rehza

hl i

n m

in-1

Mo

tord

rehza

hl i

n m

in-1

Frequenz in kHz Frequenz in kHz2 . ftakt = 4580 Hz


Vergleich der Thermik Dauererwärmungslauf P = 35 kW


ohne Gummielemente

mit Gummielemente

Wirkleistung kW 38,5 39,1

Strom A 87,9 88,2

Spannung V 397,1 397,7

Drehzahl min-1 1607 1609

Drehmoment (Welle) Nm 205,7 209,7

Mech. abge. Leistung kW 34,6 35,3

Gemessene Temperaturen

Gehäuse AS C 85,7 88,6

Gehäuse Mitte C 103,5 106,2

Wickelkopf AS C 137,8 141,4

Lagerschild BS C 83,4 87,3

Maßnahmen zur Minimierung der Geräusche


Primärmaßnahmen Konsequenzen

Vergrößerung der LuftspaltesVergrößerung d. Magnetisierungsstromes bzw. Magnetisierungsbedarfes

Vermeidung kritischer Nutenzahlenkombinationen (auch schon bei Sinusspannung)

Vergrößerung der Statorjochhöhe(Steigerung der Statorsteifigkeit)

Vergrößerung des Motordurchmessers

Veränderung der Taktfrequenz mehr/weniger Verluste im Motor/WR

Sehnung der Wicklung nur für tiefe Frequenzen wirksam

Verminderung des Statorflusses bei konst. Moment Steigerung d. Stromes

Sekundärmaßnahmen

Vermeidung von Resonanzerscheinungen z. B. von Gehäuseteilen

Entkopplung und Dämpfung schwingungsfähiger Bauteile

Zusammenfassung


• Parasitäre Geräusche- und Vibrationseffekte treten vor allem bei hoch ausgenutzten Traktionsmaschinen bei Wechselrichterspeisung auf.

• Durch die Pulsung der Zwischenkreisspannung treten neben der Grundschwingung auch Oberschwingungen auf. Der Motor inkl. Anschlussleitung fungiert als Lautsprecher.

• Die Berechnung der anregenden Frequenzen und Amplituden erfolgt durch die Radialkraftzugwellen.

• Die akustische Berechnung dieser Geräusche ist prinzipiell nur durch multiphysikalische FE-Berechnungen (schwer) möglich.

• Maßnahmen zur Vermeidung von Geräusch- und Vibrationseffekten sind z.B.:• Variation der Wechselrichter-Taktfrequenz (Vermeidung von

Resonanzerscheinungen)• Absenkung des magnetischen Flusses bei niedrigen Drehzahlanforderungen

• Diese Maßnahmen in der Wechselrichter Software ziehen eventuell eine Wiederholung der Abnahme mit sich.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Traktionssysteme Austria GmbH

Tel: 0043-2236-8118-250

Handy: 0043-699-18118250

E-mail: [email protected]

[email protected]

Leitung Engineering Traktionssysteme Austria GmbH

Allgemein beeideter und gerichtlich zertifizierter Sachverständiger

Staatlich befugter und beeideter Ziviltechniker(mit ruhender Befugnis)

Professor an der TU - Darmstadt und Lehrbeauftragter an der TU - Wien


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