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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
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 2
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)
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 3
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:
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 4
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
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 5
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
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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
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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
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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
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 9
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
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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
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 11
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
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für konstanten Querschnitt
ein Ende eingespannt, das
andere frei
Optimierte Anordnung der Gummielemente
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 13
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
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 14
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
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Vergleich der Thermik Dauererwärmungslauf P = 35 kW
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 16
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
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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
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 18
• 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: harald.neudorfer@traktionssysteme.at
hneudorfer@ew.tu-darmstadt.de
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
01.04.2019 Univ.-Prof. Dr. phil. Dr.-Ing. habil. Harald Neudorfer 19
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