Bartosz Woszczyna

Currently, manufacturers of power-electronic components are trying to introduce the silicon carbide (SiC) technology in their products and MOSFET transistors made with this technology are available on the market. They are characterised by a significantly higher operating frequency, reaching even 100 kHz and low switching losses. The application of this type of devices causes high voltage gradients at the inverter output, which can lead to increased inverter electromagnetic disturbances. This article presents test results and a high-frequency analysis, allowing for a preliminary evaluation of the use of SiC transistors in inverters in the context of electromagnetic compatibility.

Kompatybilność elektromagnetyczna przekształtnika energoelektronicznego wykonanego w technologii sic.

Producenci komponentów energoelektronicznych wprowadzają obecnie do swoich produktów węglik krzemu (SiC) a tranzystory MOSFET wykonane w tej technologii, pracujące w szerokim zakresie napięciowym i prądowym są dostępne na rynku. Charakteryzują się one wysoką częstotliwością pracy sięgającą 100 kHz i niskimi stratami przełączania. Technologia węglika krzemu umożliwia budowę przekształtników energoelektronicznych, które charakteryzują się w porównaniu z tradycyjną technologią (Si), wysoką sprawnością, mniejszymi gabarytami, mniejszymi elementami pasywnymi oraz większą tolerancją termiczną. W artykule przeanalizowano aspekt kompatybilności elektromagnetycznej przekształtnika wykonanego w technologii SiC. Zaprezentowano wyznaczone poziomy zakłóceń generowanych przez przekształtnik do sieci zasilającej w zakresie harmonicznych i interharmonicznych. Przedstawiono wyniki zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych generowanych do sieci zasilającej, których zwiększone poziomy mogą utrudniać spełnienie przez przekształtnik odpowiednich wymogów normatywnych oraz mogą wpływać niekorzystnie na pracę urządzeń przyłączonych do tej samej sieci zasilającej. Dodatkowo przeanalizowano poziomy zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych również na wyjściu układu przekształtnikowego, których zwiększone poziomy mogą doprowadzić do problemów w zapewnieniu tzw. kompatybilności wewnętrznej badanego układu lub być źródłem emisji elektromagnetycznej promieniowanej. Przedstawione w artykule wyniki badań i analiz przeprowadzone w szerokim paśmie częstotliwości umożliwiają ocenę zastosowania technologii węglika krzemu (SiC) w układzie przekształtnika w zakresie EMC.

Wymagania dotyczące emisji portów pomocniczego zasilania AC w pojazdach trakcyjnych zostały w normie PN-EN 50121-3-2 z 2015 roku rozszerzone o pomiar w zakresie harmonicznych napięcia. Dotyczy to publicznej sieci zasilania pokładowego ogólnie dostępnej dla pasażerów. Związane jest to z zapewnieniem jakości zasilania, która jest wymagana dla urządzeń komputerowych oraz zasilaczy telefonów komórkowych. W artykule przedstawiono wymagania oraz metody badań wynikające z rozszerzonego zakresu normy. Omówiono normatywne współczynniki, dla których określone są poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych w napięciu publicznej sieci zasilania w pojeździe trakcyjnym. Przedstawiono również przykładowe wyniki porównawcze uzyskane na podstawie pomiarów i analiz harmonicznych w napięciu pokładowej sieci zasilania. Prezentowane wyniki obejmują rozszerzone obliczenia współczynników odkształceń dla grup i podgrup harmonicznych napięcia zasilania. W celu poprawy jakości napięcia w sieci pokładowej, która nie spełniała wymagań normatywnych wykonano obliczenia symulacyjne i zaproponowano dodatkowy wyjściowy filtr sinusoidalny. 

The requirements relating to the emission of auxiliary AC supply sockets in traction vehicles have been extended in standard PN-EN 50121-3-2:2015 by voltage harmonics measurement. This applies to the public on-board AC supply grid which is accessible to all passengers. It is concerned with providing the quality of power supply which is required by computer devices and mobile phone rechargers. This article presents the requirements and test methods resulting from extended standard scope. Normative factors, for which levels of permissible voltage harmonics in the public supply grid of traction vehicle have been defined are discussed. Examples of comparative results obtained from measurements and analyses of voltage harmonics within on-board supply grids are also presented. The presented results include extended calculations of distortion factors for groups and subgroups of supply voltage harmonics. In order to improve the quality of voltage within the on-board grid, which did not meet the requirements, simulation calculations were performed and an additional output sinusoidal filter was proposed.

The paper presents the load currents of two tram traction substations. These substations power lines with different characteristics of tram traffic. Loads were analysed for one working day and one public holiday. Attention was paid to the differences and similarities in the current waveforms. The demand level was assessed, with respect to the rectifier units in the substations. The time series method was used, inter alia, and chiefly an analysis of the characteristics of autoregression and partial autoregression was carried out, to act as a diversity index with respect to the nature of variability in the analysed traction load currents.

W pierwszej części artykułu dokonano porównania wyników pomiarowych i symulacyjnych dotyczących zakresu zmienności obciążania zespołów prostownikowych tramwajowej podstacji trakcyjnej. Obiektem badań była rzeczywista podstacja zasilająca sieć trakcyjną na linii o znanym profilu i występującym na niej ruchem tramwajów. Po pozytywnej ocenie zastosowanej metody symulacyjnej – przeprowadzono ocenę zakresu zmienności obciążeń zespołów prostownikowych dla hipotetycznej sytuacji, polegającej na zagęszczeniu lokalizacji podstacji trakcyjnych (tzw. mikropodstacji). Uzyskane dla tych okoliczności wyniki znajdują się w drugiej części artykułu. 

The first part of this paper presents a comparison of the measured and simulated results of the load variability of rectifier units of a tram traction substation. The subject of the tests was a power supply substation for the contact line of a tramway, the profile and traffic of which was known. After a positive appraisal of the applied simulation method, an assessment of the range of load variability for the rectifier units took place for a hypothetical situation involving the concentrated disposition (layout) of the traction substations (socalled micro-substations). The results acquired under the described circumstances are presented in the second part of this paper.