Egyre több helyen hódít teret az elektromos hajtás. Lássuk hogyan működnek a motorok! Elsőre az aszinkron motorokról lesz szó.

Villanyautó így, elektromos busz úgy, de mégis mi és hogyan mozgatja ezeket? Az akkumulátorokkal és a töltésükkel csak a gond van, és még egy jó ideig ez így is marad. Az elektromos motorok előnyei a belsőégésű elődjeik súlyos kompromisszumait messze túlszárnyalva és az előbb említett kötöttségeket elhomályosítva hozhatják el az elektromobilitás korszakát. Mik ezek az előnyök?

• A legnagyobb nyomaték elérhető nulla fordulatszámtól, nincs szükség alapjáratra se.
• Széles fordulatszám tartomány, nincs szükség nyomatékváltóra.
• Sokkal jobb hatásfok.
• Egyszerűbb és pontosabb szabályozhatóság.
• A mozgási energia egy részét képes visszanyerni.
• Rugalmasabban használható a járművekben.
• Csendes és nem okoz (valójában de, csak sokkal kisebbet) rezonanciát, vibrációt.
• Nincs helyi légszennyezés

Az alapokat vesszük át, ezért sem a Lorentz-erőt sem a mezőorientált szabályzás forgóvektorait nem tárgyaljuk. Csak annyira megyünk bele, amennyire egy átlag autós tudja a különbséget a kétütemű és a négyütemű motorok működése között.

Elektromos járműveket már jó ideje használunk, főleg felsővezetékhez kötötten, ezek utasként is ismerősek lehetnek. A korábbi trolibuszokban használt egyenáramú hajtásokról itt kiváló leírásokat találhatunk. Rövid összefoglalása a történetnek, hogy az egyenáramú motoroknak korábban több hátránya is volt: a visszatáplálás csak nehézkesen volt megvalósítható, amíg a teljesítményelektronika el nem ért egy bizonyos fejlettségi fokot, ugyanígy az indításuk is nagy veszteséggel történt. A következő, hogy ezek a motorok nehezek és nagyok voltak. A fő hátrányuk pedig, hogy kopó, rendszeres karbantartást igénylő alkatrészeket, a kommutátort és a szénkeféket tartalmazták. Ilyen motorokat használó járművek a mai napig forgalomban vannak, például az Ikarus-GVM trolibuszok, a Ganz és Tátra villamosok, a V43-as, V63-as mozdonyok, stb. Ezért a fejlesztések iránya az ennyire sok kopó alkatrészeket nem tartalmazó, ezért jóval kevesebb karbantartást igénylő kalickás- vagy rövidre zárt forgórészű, háromfázisú aszinkron gépek felé fordult. Itthon a BDVmot motorvonatokkal indult meg az elterjedésük, ilyen motorok vannak az Ikarus 435T trolibuszokban és az ettől újabbakban, a Combino villamosokban, az Alstom metrókban.

Az aszinkron motor

Egy átlagos ipari aszinkron motor (Kép: Siemens)

A járművekben használt kalickás forgórészű aszinkron gép igen egyszerű jószág, a működésének alapelve, hogy a térben eltolt tekercseléseire, időben váltakozó áramot kapcsolva forgó elektromágneses mezőt kapunk. Az állórész egy házból és az ebben lévő lemezelt vastestből épül fel. A tekercselés a vastestben van, úgynevezett fogakban elhelyezve. A változó (forgó-) mágneses mezőn belülre egy zárt vezetőt elhelyezve a vezetőben feszültség indukálódik és ez a feszültség áramot indít meg a vezetőben. A meginduló áram hatására erő hat a vezetőnkre, elkezd forogni. A valóságban ez a zárt vezető egy kalicka, ez a forgórész. A forgórész jó vezető anyagból, jellemzően alumíniumból készül. Ez olcsó és olcsón gyártható, de újabban az egyre jobb hatásfok iránti igények miatt már rézből is készülhet. Az állórész lemezelt vasteste dinamólemezből készül, ami vagy ötvözetlen vagy szilíciummal ötvözött acél lemez.

Így lesz a 3 fázisú váltakozó áramból forgás. (Forrás: http://people.ece.umn.edu/users/riaz/)

Az aszinkron motorban nem pont olyan gyorsan forog a forgórész, ahogy az elektromágneses mező forog, hanem egy kicsit lemarad, ezért nevezzük ezt a motort aszinkronnak.  Ha a gép terhelését növeljük, akkor a forgórész lemaradása növekszik, de a motor nyomatéka is. A lemaradás neve szlip, és a motornak csak akkor van nyomatéka, ha van szlipje. Az aszinkron gépekben a kopó alkatrészek a forgórész két végén lévő csapágyak, amik az állórészhez kapcsolják, és ennyi. Egy belsőégésű motorhoz képest a különbség jelentős.

A hőskorszakot (Kandó-féle forgógépek) leszámítva az aszinkron gépek két ok miatt nem terjedtek el korábban. Az első, hogy a fordulatszám változtatásuk a megfelelő teljesítményelektronika nélkül nem volt gazdaságosan és alacsony tömeggel egyszerűen megvalósítható. A másik, hogy egy fázisú váltakozó- vagy a kétsarkú egyenfeszültségből nem volt kicsi és könnyű eszköz háromfázisú váltakozó feszültséget előállítani. A megoldást a teljesítményelektronika fejlődése hozta el.

Ha egy aszinkron gép betápláló kábelét bedugjuk egy háromfázisú konnektorba, akkor egy kezdeti nagy áramlökéssel felgyorsul a hálózati frekvencia közelébe, és a pólusszámának megfelelő fordulatszámmal fog forogni. Ez az áramlökés a motor névleges áramának 6-8-szorosa is lehet. Ez nem szerencsés, ahogy a hajtótengely oldalán megjelenő hirtelen nyomaték sem, ezeket szeretnénk elkerülni. Az aszinkron motorok kisebb árammal történő indítására voltak különféle megoldások, de járművekbe egyik sem volt igazán alkalmas, főleg az egyszerű és finom szabályozhatóság hiánya miatt.

via Gfycat

A jó megoldáshoz a váltakozó feszültségünk frekvenciáját is kellene változtatni. De az országos hálózatban a frekvencia mindig 50 Hz körül van, tehát ilyen irányból is problémás, és olyan irányból is, hogy a városi járművek villamos felsővezetékei több szempontból is egyenfeszültségűre épült ki. Ez utóbbi az elektromos járművek szempontjából előnyös, mivel az akkumulátorok is egyenfeszültséget tudnak tárolni. Ebből az egyenfeszültségből kell előállítani a 3 fázisú váltakozó feszültséget.

A frekvencia mellett a másik változtatandó mennyiségünk, az elterjedt és ma használatos átalakítókban, a feszültség. Ha a feszültséget és a frekvenciát egymással arányosan növeljük, akkor az aszinkron motorunk fel fog pörögni a maximális fordulatszámára mindenféle áramlökés nélkül. A motor árama ebben az esetben a terhelés függvényében kialakul, az átalakító a feszültség és a frekvencia változtatásával csak korlátozza ezt az áramot.

Elég sokféle 3 fázisú váltakozó áramú motor fordulatszáma változtatható a feszültség és a frekvencia egyidejű változtatásával.

Az ilyen átalakítókat feszültséginverternek nevezzük, ha egyenfeszültségből állítják elő a kimeneti váltakozó feszültséget, és frekvenciaváltónak, ha az 50Hz-es hálózati feszültségből. Kezdetben másféle elven működő áraminvertereket is használtak (Ik 435T, Ganz-Ansaldo motorvonatok), ezek még nem tudták olyan jól kezelni az aszinkron motorokat. Manapság IGBT-félvezetőkből felépített feszültséginvertereket használnak. Nagyobb járművekben 1,5 - 5 kHz-es kapcsolási frekvenciával, autókban 8 - 25kHz-cel szaggatott, váltakozó feszültséget állítanak elő. Csak a szaggatás frekvenciája ilyen magas. A motor tekercselése egy nagy időállandójú induktív terhelés, a szaggatott feszültség időátlaga lesz a motorra jutó feszültség, és ennek az átlagfrekvenciája is jóval alacsonyabb, jellemzően 50 Hz, de 150, 300 Hz-es hajtások is előfordulnak, illetve a repülésben a 400 Hz a használatos.

Nézzük meg a trolibuszokon használt egy-két léghűtéses hajtáskonténer tömegét. Ezek a szimpla motort hajtó invertertől a beépített védelmekkel, fojtókkal és a segédüzemi (táp a 24 voltos világításnak, fűtésnek, hűtésnek, légsűrítőnek, szervónak, stb.) inverterekkel többek:

Ahogy látjuk a szilícium-karbid félvezetős újdonság jóval könnyebb és kisebb is a korábbi szilícium alapú IGBT-vel felépített megoldásoknál. Ha az inverterben megváltoztatjuk tetszőleges két fázis kapcsolási sorrendjét, akkor a motor az ellenkező irányba fog forogni, tehát a rükverchez nincs szükség fordítóműre, áttételekre, hanem ,,szoftverből" megoldható. Ha a motorba bekötött U,V,W fázisokat ebben a sorrendben kapcsoljuk be akkor előre haladunk, ha U,W,V sorrendben, akkor pedig hátra. Ebből az is következik, hogy a hátramenethez szoftveres korlátozás szükséges a maximális sebességhez.

Medcom FT-160-600 inverter. A buszok, trolibuszok tetejére kerül. (Kép: Medcom)

A feszültség és a frekvencia változtatása más szempontok szerint is előnyös. Az aszinkron gépünk hajt, amíg az állórészre kapcsolt forgómezőnek nagyobb a frekvenciája, mint a forgórésznek. Ha a forgómező frekvenciáját a forgórészé alá csökkentjük, akkor fékezést kapunk, méghozzá visszatápláló fékezést. Mivel a gépünk forgórészében csak fémek vannak, nincs semmiféle gerjesztés, ezért az aszinkron gép táplálását nem célszerű menet közben megszüntetni. A járműhajtások úgy vannak kialakítva, hogy nem is lehet. A motor gyorsan lemágneseződik, ezért hiába forog, nem lesz árama. Ha ez mégis bekövetkezne, akkor úgynevezett repülőrajt funkcióval az inverterek ma már elég gyorsan meg tudják találni, hogy milyen gyorsan forog a motor. Többféle megoldás is van, de jó eséllyel egy kis feszültségű keresőimpulzus által gerjesztett áram hatását érzékelik a különböző fázisokban.

Járművekbe kerülő, osztrák TSA gyártmányú motor. (Kép: TSA)

Az alapelv tehát már megvan, a valóság azért ennél bonyolultabb. A járműhajtások alacsony fordulatszámon igénylik a legnagyobb nyomatékot, illetve hirtelen terhelésváltozások is vannak, ezekhez pedig a feszültség-frekvencia egymással arányos változtatása kevés. Ipari szivattyúkhoz és ventilátorokhoz a fenti módszer általában jó, de néha oda is fejlettebb szabályzásra van szükség. A megoldás vagy a mezőorientált szabályozás, vagy a DTC nevű közvetlen nyomatékszabályzás. Ezek kb. egyenértékűek, illetve az idők során a két különféle megoldást ötvözték is, főleg a vegytiszta DTC szűnt már meg.

Ezekkel már megvalósítható a tapadáshatáron történő vontatás, ami vasutas körökből ismerős lehet. A lényege, hogy a kerék (a felhasználó számára) érzékelhető megcsúszása nélkül képes a hajtásvezérlés az éppen elérhető tapadási súrlódást a végletekig kihasználni. A lényeg, hogy a másodperc ezredrésze alatt képesek vagyunk beavatkozni, ez belsőégésű motorokkal nem volt lehetséges. Ez kisebb járműveknél elsősorban korábban nem látott gyorsulási lehetőséget jelent, ami a fékeket használó kipörgésgátlást feleslegessé teheti. A másik lehetőség, ha több motorral hajtunk több tengelyt, vagy akár több kereket, akkor a jármű stabilitásába a vontatással is precízen be tudunk avatkozni. Ez csuklós buszoknál a hidraulikus becsuklásgátlót küldheti nyugdíjba.

A ma használt feszültséginverterek már nem feltétlenül igényelnek visszacsatolást a motor tengelyének tényleges forgásáról, belső számításokkal a motor által felvett áramból nagyon jól lehet következtetni a forgórész tényleges lemaradására. Járműveknél a különféle menetstabilitást felügyelő eszközök miatt mégis vannak fordulatszám jeladók, ezért a motorról sem hagyják el, a továbbiakban sem hátrány a meglétük. Mivel aszinkron gépeknél az indítónyomaték is kérdéses volt a korábbi invertereknél, ezért fontos tisztázni, hogy a korszerű hajtások képesek nem csak névleges nyomatékkal indítani egy aszinkron motort, hanem nulla fordulatszámmal is megtartani, mindezt forgómezővel. Mit jelent ez a gyakorlatban? A korszerű hajtásokkal nem érzékelhetünk semmiféle rángatást vagy egyéb anomáliát egy teljes terheléssel, emelkedőn induláskor sem. Mindezt úgy, hogy a motor névleges áramát nem léptük túl. Ha lassú haladáskor vagy óvatos induláskor finom rángatást érzünk, akkor az a hajtásvezérlő még az előző évtized hardverén és tudásán alapul.

A mikroszámítógépek teljesítményének növekedésével a motor felvett áramát pedig egyre több mindenre lehet használni a korszerű hajtásokban. A villamos jel analízis [1] segítségével, úgynevezett megelőző és előrejelző karbantartási funkciókat is kaphatnak az inverterek, ami egy autóbuszflotta üzemeltetésénél igen hasznos lehet. Az első sorozatgyártásban is ezt használó ipari hajtások például a motorok tekercselésének öregedését tudják előrejelezni. Korábban csak a már bekövetkezett menetzárlatot tudták jelezni az inverterek, most már akár előre, TMK-t is lehet szervezni. A jel analízissel elméletileg még egy sor elektromos és mechanikus probléma is kiszűrhető lenne, például: forgórész excentritás, kiegyensúlyozatlanság, forgórész gyűrű törés/repedés, csapágyhibák, stb. Az egyik kihívás a félvezetők által keltett kapcsolási minta és zaj helyes szűrése úgy, hogy a hibáról árulkodó jelalakot helyesen értékeljük ki. Járművekben a menet közbeni rezgések, visszahatások kiszűrése is egy szép feladat.

Az aszinkron gépek alkonya?

Ebben a cikkben azt néztük meg, hogy a manapság használt trolibuszok hajtása nagy vonalakban hogyan épül fel.

Mondhatnánk, hogy ugyan már, ennek még nem jött el az ideje, hiszen az újabb elektromos autók közül a Tesla Model S és a Model X is aszinkron motorokat használ, ahogy az Audi e-Tron és a ZF haszonjárművekbe szánt megoldásai is ilyenek. Ezek mellett főleg az szól, hogy gyorsan gyártásba kerülhettek és a hosszú utakon, nagy sebességű haladáskor viszonylag jó a hatásfokuk. Ami mégis ellenük szól, hogy a fokozódó energiahatékonysági elvárásoknak egyre kevésbé tudnak megfelelni. Ahogy a mosógépek, hűtőgépek hatékonyságát szabályozza az EU, úgy az ipari motorokét is. A háztartási gépekből ismerős A+++, A++, A, B, C, stb. osztályok helyett IE5, IE4, IE3, stb. osztályokat használnak. Ezek a szabványok a vontatómotorokra nem érvényesek, helyettük a nehéz akkumulátorok tömegének legalább részbeni kompenzálására lenne szükség a minél jobb hatásfokú és a lehető legkisebb tömegű motorokra. Lássuk mennyit nyomnak a mérlegen a korszerű trolibuszokban használt léghűtéses aszinkron motorok:

Egy csuklós autóbuszt hajtó, átlagos hathengeres dízelmotor száraz tömege mindenféle kipufogógáz utánkezelő csodarendszer nélkül 900-1200 kg körül alakul. A korszerűbbekben már 700-860 kg környékén megállnak. Hasonlóan, egy átlagosan elterjedt, a szegedi és egyéb csuklós trolikat is mozgató 6 pólusú aszinkron motor tömege 740 kilogramm. Itt ugyan nincs kipufogógáz utánkezelés, de van inverter ami szintén további tömeg, ahogy fentebb láttuk. A szóló trolibusz esetén már jobb a helyzet, mivel a kisebb dízelmotorok 7-800 kg környékén tanyáznak, a centrális villanymotorunk pedig csak 400 akárhány kiló. A továbbra is nehéz akkumulátorok miatt mégis égető lenne az igény, hogy könnyebbek legyenek az elektromos motorok is. E mellett a hatékonyság fokozása is célunk. A cikksorozat következő részében megnézzük, ezeket milyen műszaki megoldásokkal lehet elérni.

Felhasznált és ajánlott irodalom:
[1] Gyökér Gyula - Dr. Dineva Adrienn - Prof. Dr. Vajda István: A villamos jel analízis eljárás alkalmazása és perspektívái a villamos hajtásrendszerek állapotfigyelésében és diagnosztikájában. Elekrotechnika 2018/12
- Farkas András - Gemeter Jenő - Dr. Nagy Lóránt: Villamos gépek
- Gábor Péter: Villamos vasutak I-II-III.
- Malcolm D McCulloch and Justin D K Bishop and Reed T Doucette - Using electric vehicles for road transport