1. ELEKTERVEO NÜÜDISTASE JA ARENGUD
24.02.2015 • Views
Share Embed Flag

1. ELEKTERVEO NÜÜDISTASE JA ARENGUD

1. ELEKTERVEO NÜÜDISTASE JA ARENGUD

1. ELEKTERVEO NÜÜDISTASE JA ARENGUD

SHOW MORE
SHOW LESS
ePAPER READ
DOWNLOAD ePAPER
egdk.ttu.ee

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

START NOW

<strong>1.</strong> <strong>ELEKTERVEO</strong> NÜÜDISTASE <strong>JA</strong> <strong>ARENGUD</strong><br />

<strong>1.</strong><strong>1.</strong> Elekterveoajamite ülevaade<br />

<strong>1.</strong><strong>1.</strong><strong>1.</strong> Veoajamite ehitus<br />

Veoajami ülesandeks on tagada sõiduki liikumiseks vajalik energiavahetus energiaallika (kontaktliini)<br />

ning sõiduki rataste vahel. Samuti on vaja tagada energiavoogude juhtimisega sõiduki nõutavad<br />

liikumisomadused - kiiruse juhtimine s.h. kiirendamine ja aeglustamine sh. pidurdamine. Ühe<br />

mootoriga veoajameid kasutatakse väiksematel rööbassõidukitel ning trollibussidel. Rongidel ja<br />

trammidel kasutatakse enamasti mitme veomootoriga veoajameid.<br />

Elektriajamid võivad olla erineva ehitusega. Komponentide hulk, tüübid sõltuvad pea-vooluahelast.<br />

Järgnevalt on joonisel <strong>1.</strong>1 toodud alalisvoolutoitega elekterveoajami struktuur, kus juhtimissignaalid ja<br />

energiavood on näidatud nooltega.<br />

600 või 750 V<br />

Puldid, pedaalid, kontrollerid jms.<br />

Veoajami juhtsiin<br />

JUHT-<br />

ARVUTI<br />

LÜLITUS-,<br />

KAITSE- <strong>JA</strong><br />

LAADIMIS-<br />

APARAADID<br />

SISEND-<br />

FILTRID<br />

TOITE-<br />

MUUNDURID MOOTORID REDUKTORID<br />

T, ω<br />

Joonis <strong>1.</strong>1 Elektersõiduki veoajami struktuur<br />

Elektersõiduki veoajam koosneb ühest või mitmest veomootorist, mehaanilisest jõuülekandest -<br />

veoülekandest, juhtimis-, reguleerimis- ja kaitsesüsteemidest, sh. toitemuundurist - veomuundurist<br />

(juhitav pidurduslüliti koos pidurdustakisti või energiasalvestiga, lülitustalitluses muundur koos<br />

andurite ja juhtahelatega) ja selle juhtimissüsteemist, abiahelatest (takistid, reostaadid, kontaktorid,<br />

väljundparameetrite andurid jms.), kaitsesüsteemidest (filtrid, kaitselülitid, sulavkaitsmed,<br />

liigpingekaitse varistorid jms.). Lisaks nimetatutele on veoajamiga seotud sõiduki sisendahelad (sh.<br />

lülitus-, kaitse- ja laadimisaparaadid), sisendfiltrid ning andurid sisendparameetrite (voolu ja pinge)<br />

mõõtmiseks. Sõiduki mitmesugused mehaanilised süsteemid, nt pidurisüsteemid pole otseselt<br />

veoajami osaks, kuid nende juhtimine on tihedalt seotud ajami juhtimisega.<br />

<strong>1.</strong><strong>1.</strong>2. Arengusuunad<br />

Nüüdisveoajamite loojate tähelepanu on keskendunud eelkõige veoajamite kasuteguri suurendamisele<br />

ja kadude vähendamisele. Selle tulemusena väheneb transpordi energiatarve, mis tervikuna aitab kaasa<br />

keskkonnatingimuste parandamisele ning jätkusuutlikule arengule. Teiselt poolt esitatakse üha<br />

rangemaid nõudeid veoajamite talitluse ja juhtimise kvaliteedile. See on seotud nii reisijateveol<br />

nõutava ohutuse ja vajalike mugavuste tagamisega kui ka keskkonnanõuetega nagu elektromagnetilise<br />

kiirguse emissioon või müra vähendamisega.<br />

Elekterveoajamite rohkem kui 100-aastases arengus võib eristada kolme peamist arenguetappi e.<br />

kolme põlvkonda.<br />

<strong>1.</strong> Esimese põlvkonna ajamites kasutati jadaergutusega alalisvoolumootorite reostaatjuhtimist,<br />

kusjuures juhtimiseks vajalikke lülitusoperatsioone teostati relee-kontaktoraparatuuriga.<br />

2. Teise põlvkonna veoajamid võeti kasutusele pärast võimsate pooljuhtlülitite, türistoride, leiutamist,<br />

mil ajamite kiirust ja momenti hakati juhtima pulsilaiusmodulatsiooniga toitepinge regulaatorite<br />

abil. Sellistes süsteemides sai võimalikuks regulaatorite ja tagasisideahelate rakendamine ajamite<br />

veomootorite voolu aktiivseks juhtimiseks.<br />

14

3. Kolmandat e veoajamite nüüdispõlvkonda iseloomustab mikroprotsessorite ja infotehnoloogia<br />

laialdane rakendamine. Tarkvaraline juhtimine on oluliselt avardanud juhtimisvõimalusi.<br />

Jõupooljuhttehnika edasine areng on (lisaks üheoperatsioonilistele türistoridele) võimaldanud<br />

kasutusele võtta paindlikult juhitavad jõupooljuhtlülitid - GTOd, IGCTd ja IGBTd. Tänu<br />

paindlikule juhtimisele saab veoajamite momendi-kiirus-võimsusruumis nõutavad tehnilisi<br />

näitajaid saavutada eri tüüpi mootorite, muundurite ja muude komponentide kasutamisega. Seega<br />

on veoajamite loojatel palju rohkem valikuvõimalusi kui varasematel aastatel. Laia kasutust leiavad<br />

nt. mudelipõhised juhtimismeetodid. Samal ajal on karmistunud aga ka veoajamitele esitatavad<br />

tehnilised nõuded nii sõitjate ja keskkonnaohutuse kui ka töökindluse tagamiseks.<br />

Viimastel aastatel on avaldatud hulgaliselt leiutisi energiahalduse ja -salvestuse alal. Paranenud on<br />

tarkvaralised ja arvutustehnilised võimalused veoajamite uurimiseks arvutimudelite abil. See<br />

võimaldab täpsemaid mudeleid rakendada veoajamite projekteerimisel ja diagnostikas. Uued<br />

ergonoomilised ja arukad juhtimisliidesed võimaldavad parandada liiklusohutust ja juhtimise<br />

kvaliteeti, mis omakorda parandab sõidu- ja kasutusmugavust. Laieneb elektroonilise kommutaatoriga<br />

mootorite valik. Elektersõidukite veoajamite arengus oluliste tehnoloogiate arenguetapid on näidatud<br />

joonisel <strong>1.</strong>2 [SEK05].<br />

AASTA<br />

TEHNOLOOGIA<br />

TÖÖPÕHIMÕTE<br />

1975 1980 1985 1990 1995 2000<br />

Reostaatjuhtimine,<br />

Türistorimpulssmuundur<br />

GTO Impulssmuundur<br />

Pingevaheldid ja transistorimpulssmuundurid<br />

JÕUPOOLJUHT<br />

SEADISED<br />

<strong>JA</strong>HUTUS<br />

SCR<br />

(Üheoperatsiooniline<br />

türistor )<br />

RCT<br />

(Vastudioodiga<br />

türistor)<br />

Sund-õhkjahutus<br />

GTO<br />

(Suletav türistor)<br />

Vedelikjahutus<br />

(Sukel-jahutuspinnaga<br />

aurutus)<br />

(Sukelpinnata jahuti)<br />

IGBT<br />

(Isoleeritud paisuga<br />

bipolaartransistor)<br />

(Soojustoru)<br />

HV-IGBT<br />

(6,5kV IGBT)<br />

(Õõnesribi)<br />

JUHTIMIS-<br />

KOMPONENDID<br />

Mehaaniline<br />

Analoog<br />

(operatsioonivõimendid)<br />

ja<br />

diskreetkomponendid<br />

(TTL)<br />

Mikroprotsessorsüsteemid<br />

eraldi<br />

välisseadmetega<br />

Joonis <strong>1.</strong>2 Elekterveoajamite areng<br />

Mikrokontrollerid<br />

ja signaaliprotsessorid<br />

(DSP’d)<br />

sisseehitatud<br />

modulaatoriga<br />

FPGA,<br />

rakenduslikud<br />

kiibid,<br />

Probleemiks on jätkusuutliku arengu tagamine, sest uute tehnoloogiatega kaasnevad<br />

ühilduvusprobleemid. Seadmeid tootvad firmad pole sageli majanduslikult huvitatud vanade sõidukite<br />

ümberehitamisest.<br />

<strong>1.</strong><strong>1.</strong>3. Liigitus<br />

Kergrööbassõidukite veoajameid saab liigitada nii väliste tunnussuuruste nagu: toitepinge liigi ja<br />

väärtuse, arendatava võimsuse, sõiduki liikumiskiiruse järgi, kui ka ajami struktuuri ja ehituse järgi<br />

[JOL01] nagu: mootorite arvu ja tüübi, toitemuunduri või juhtseadme tüübi, mootori<br />

juhtimismeetodite [JOL02], energiahaldusmeetodite, kasutajaliidese tüübi ja lisafunktsioonide järgi.<br />

Veoajamite tähtsamad omadused on toodud tabelis <strong>1.</strong><strong>1.</strong><br />

15

Tabel <strong>1.</strong>1 Veoajamite välised omadused ja sisemine ehitus<br />

Omadus<br />

Veomootorite arv ja tüüp<br />

Struktuur<br />

Toitevoolu nimipinge,<br />

sagedus<br />

Veomootori töörežiim<br />

Juhtimissüsteem<br />

Muunduri või käiviti tüüp<br />

Muunduri ja regulaatori<br />

elemendid<br />

Elektrisüsteem<br />

Indikatsioon<br />

Juhtimisliidesed<br />

Veoajami elektrienergia<br />

salvestusvõimalused<br />

Veoajami gruppide vaheline<br />

kommunikatsioon<br />

Reverseeritavus<br />

Reserveerimisvõimalused<br />

(redundacy)<br />

Elektriliste<br />

pidurdustalitluste<br />

juhtimisvõimalused<br />

Veojõu ja kiiruse<br />

reguleerimisvõimalused<br />

Tarbitava ja tagastatava<br />

võimsuse reguleerimis- ja<br />

energiahaldusvõimalused<br />

Kasutusel olevad variandid<br />

Rööbassõidukitel kasutatakse mitut veomootorit. Uutes<br />

ajamites kasutatakse väiksema hinna ja odavamate<br />

hoolduskulude tõttu valdavalt mehaanilise<br />

kommutaatorita mootoreid<br />

Individuaal-, ühis- või kombineeritud ajam<br />

Alalis- või vahelduvvoolutoitega või<br />

mitmesüsteemilised<br />

Ühe, kahe või nelja kvadrandiline juhtimine<br />

Mehaaniline-kontrollerjuhtimine (pneumokontrollerid),<br />

relee-kontaktorjuhtimine,<br />

servomootorigareostaatjuhtimine,<br />

analoog- või digitaalelektroonikaga<br />

ja mikroprotsessor-juhtimine<br />

Sildalaldi, alalispinge impulssmuundur, vaheldi,<br />

reostaatkiirendi, reostaat-käivituskontroller,<br />

mootorite rühmituskontroller jms.<br />

Jõupooljuhtlülitid: SCR, GTO, IGCT, IGBT<br />

ja kontaktor-lülitusaparatuur või kontaktkontrollerid<br />

(käivitus, talitlusviisid sh. pidurdus ja reverseerimine).<br />

Nüüdisaegsete trammiajamite impulssmuundurites on<br />

alalispingetel 600 V ja 750 V kasutusel IGBT moodulid<br />

ja poolsildlülitused<br />

Sõiduki kerest isoleeritud või sõiduki kerega ühendatud<br />

(maandatud)<br />

Signaallambid, valgusdioodid, kuvar, jms.<br />

Surunupud, klahvistik, puutetundlik ekraan, pedaalid,<br />

hoovad<br />

Sõitmiseks salvestatud energiaga,<br />

pidurdusenergia salvestusega energia paremaks<br />

kasutamiseks,<br />

energiasalvestusega depoos manööverdamiseks,<br />

energiasalvestusega abiseadmete toiteks või<br />

salvestusvõimaluseta<br />

Vagunite ja ajamigruppide seadesuuruste astmeline<br />

edastamine elektriliste signaalidega (releejuhtimine),<br />

signaalide edastamine pneumo-süsteemidega (rongidel),<br />

tööparameetrite nt. momendi ja kiiruse juhtimine ühtse<br />

arvutivõrgu kaudu<br />

Täielik või osaline reverseeritavus (piiratud juhtimisega<br />

tagurdamine).<br />

Võimalused ajami töövõime osaliseks säilitamiseks<br />

veomootori, juhtimis- või toitesüsteemi rikete korral<br />

Elektrilise pidurduse sõltumatu juhtimine või elektriline<br />

pidurduse juhtimine mehaaniliste piduritega<br />

kooskõlastatult<br />

Kiiruse-momendi tunnusjooned, maksimaalvõimsus<br />

erinevatel kiirustel, erinevates töörežiimides jms.<br />

Võrku tagastatava võimsuse reguleerimisega,<br />

kombineeritud rekuperatiivpidurduse juhtimisega, või<br />

ainult elektrodünaamilise pidurduse kasutamine kütteks<br />

vms.<br />

Lisaks tabelis <strong>1.</strong>1 toodud välistele omadustele sõltub jõuahela struktuur juhtimisobjektist e. sõidukist<br />

sh., veomootoritest (ühe või mitme mootori juhtimiseks), kasutatavatest jõu-elektriahela<br />

komponentidest, juhtimissüsteemi komponentidest ja tarkvarast.<br />

16

<strong>1.</strong><strong>1.</strong>4. Juhtimismeetodid ja dünaamika<br />

Kasutatavad juhtimismeetodid sõltuvad otseselt skeemi struktuurist ja komponentidest. Jõuahela<br />

ehitusest ja komponentide valikust sõltuvad ka kasutatavad töörežiimid ja veoajami funktsioonid<br />

(omadused), nt elektriline pidurdus, pidurdusenergia tagastamine, töökiiruste vahemik jms.<br />

Mitme alusvankriga mitmemootorilise rööbassõiduki veoajami dünaamiline talitlus on keerukas<br />

protsess, mille käigus rataste veomomendid pidevalt ümber jagunevad, kusjuures pidevalt on oht<br />

mitmesuguste võnkeliste protsesside ja veojõu ebastabiilsuse tekkeks. Veomootorite ja<br />

reguleerimisahelate tehniliste näitajate hajumine, rataste ebaühtlane kulumine ja libisemine rööbastel,<br />

erinev koormus sõiduki eri osades jt. mõjurid põhjustavad võimsuste ja momentide ebaühtlast<br />

jagunemist rataste vahel ning sellest tingituna rataste pöörlemiskiiruse erinevust. See omakorda<br />

soodustab rataste kulumist ning halvendab veoajami talitluse kvaliteeti.<br />

Ajami kindel talitlus (s.h. elektriline ja mehaaniline stabiilsus) on eriti oluline pidurdusprotsessis.<br />

Liiklusohutuse tagamiseks on minimaalne aeglustus ja maksimaalne pidurdustee pikkus standardite ja<br />

eeskirjadega [BOStrab] [RTL641] määratud. Nende nõuete täitmine on jäätumisest või langenud<br />

lehtedest põhjustatud libeda rööbastee puhul raske. Rataste libisemise vältimiseks on rööbassõidukil<br />

vajalik nii rataste libisemisvastane süsteem pidurdamisel kui ka rataste veojõu juhtimine kiirendamisel<br />

ja ühtlasel liikumisel. Rööbastee kurvide läbimisel tekivad sise- ja väliskurvi läbivate rataste kiiruste<br />

erinevuse ning alusvankrite pööramise probleemid.<br />

<strong>1.</strong><strong>1.</strong>5. Veomootorite toitepinge ja voolu reguleerimise viisid<br />

Pinge reguleerimise meetodid on seotud kasutatava toitesüsteemiga. Ainult ühefaasilisest vahelduvvoolu<br />

kontaktvõrgust toidetavaid kergrööbassõidukid sh. trammid on vähelevinud, seetõttu neid meetodeid<br />

selles töös pikemalt ei käsitleta. Üha enam levivad alalisvoolu vahelüliga ja mitmesüsteemilise toitega<br />

kergrööbassõidukid, mis on kasutatavad lisaks 600 V või 750 V alalisvoolutoitele ka ühefaasilise<br />

keskpingelise vahelduvvoolutoitega. Joonisel <strong>1.</strong>3 on toodud mitmesugused pinge reguleerimise viisid<br />

erinevate toitepingete ja mootoritüüpide korral.<br />

Nüüdisaegsed impulssreguleerimisega alalisvooluajamid või sagedusjuhtimisega vahelduvvooluajamid<br />

põhinevad valdavalt alalisvoolulüliga transistor-veomuunduritel.<br />

Veomootorite toite<br />

juhtimismeetodid<br />

Alalisvoolumootorite<br />

juhtimine<br />

Pidevjuhtimine<br />

Lülitusmooduses<br />

juhtimine<br />

Vahelduvvoolumootorite<br />

lülitusmooduses<br />

sagedusjuhtimine<br />

Muud meetodid<br />

Faasijuhtimise,<br />

trafoga reguleerimise<br />

või faasirootoriga<br />

mootorite,<br />

tsüklokonverterite,<br />

resonantsmuundurite<br />

jms kasutamine<br />

Elektromehaaniline<br />

juhtimine<br />

Kandevsagedusega<br />

juhtimine<br />

Kandevsageduseta<br />

juhtimine<br />

Skalaar<br />

juhtimine<br />

Vektor<br />

juhtimine<br />

Siinusmodulatsiooniga<br />

Nelinurkpingega<br />

Pinge<br />

vektormodulatsiooniga<br />

Pinge ja<br />

voolu<br />

juhtimine<br />

Magnetvoo<br />

juhtimine<br />

Momendi<br />

juhtimine<br />

(sh. DTC)<br />

Joonis <strong>1.</strong>3. Mootorite toitepinge ja voolu reguleerimise võimalused<br />

Nüüdisaegsetes ajamites kasutatakse alalisvoolu kontaktvõrgus alalis- või vahelduvvoolu veomootoreid.<br />

Alalisvoolu-veomootorite korral on vahelduvvoolu kontaktvõrgus rakendatavad trafoga reguleerimine<br />

või reguleeritavad alaldid (faasijuhtimine). Alalisvoolu-veomootorite toitepinge impulssideta<br />

pidevjuhtimine (elektromehaaniline reguleerimine) takistite astmelise lülitamisega või pidevatoimeline<br />

reguleerimine kiirendusreostaadi abil on siirderežiimides väikese kasuteguriga takistusastmetel eralduva<br />

võimsuse tõttu. Samuti pole see juhtimisviis rakendatav vahelduvvoolu-veomootorite puhul.<br />

17

Veoajamite esimesed impulssmuundurid valmistati üheoperatsiooniliste türistoride baasil [KAR95].<br />

Sarnaseid lülitusi on veel tänapäevalgi paljudes sõidukites kasutusel, s.h. 3 kV alalisvoolutoite ja<br />

alalisvoolumootoritega veoajamites.<br />

+<br />

Sisend<br />

+<br />

−<br />

Joonis <strong>1.</strong>4. Türistor-pingehakkuri skeem<br />

Joonisel <strong>1.</strong>4 toodud üheoperatsiooniliste türistoridega impulssmuunduril (trollibuss Škoda 14tr) on<br />

järgmised puudused:<br />

Väljund<br />

−<br />

<strong>1.</strong> Mitme aeglase toimega türistori paralleellülitus on keerukas ja nõuab energiakadusid põhjustavaid<br />

lisafiltreid (L2, L3, L5.2)<br />

2. Liigpingeid alandavad RC ahelad põhjustavad energiakadusid.<br />

3. Peaahela türistoride (V7, V8) sulgemiseks on vajalik türistori (V6), kondensaatori (C9),<br />

vabavooludioodi (V5) ja takistiga (R11) kommutatsiooniahel. Kommutatsiooniahela tõttu pole<br />

võimalik kasutada kõrgeid lülitussagedusi, mistõttu vajatakse suuremaid filtreid. Lisaprobleeme<br />

tekitab veomootori pinge pulsatsioon. Sulgemisahela juhtimiseks, kaitseks ja juhtimissignaalide<br />

eraldamiseks vajatakse keerukat juhtimislülitust ja juhtimissüsteemi.<br />

4. Vajadus kasutada eraldi vabavooludioode jõupooljuhtlüliti ahelas (V9) ja koormuse ahelas (V13).<br />

Nüüdisaegsetes pooljuhtlülitites on need moodulitesse sisseehitatud (nt. RCT jt.)<br />

Nüüdisaegsetes muundurites joonisel <strong>1.</strong>4 toodud skeemilahendust ei kasutata, sest on võimalik kasutada<br />

oluliselt kompaktsemaid, kiiremaid ja säästlikumaid transistormooduleid. Kiiretoimeliste<br />

jõupooljuhtlülitite olemasolu ja parema pingekvaliteedi tõttu eelistatakse ajamites ja juhitavates alaldites<br />

pulsilaiusjuhtimist.<br />

Vahelduvvoolu-veomootorite toiteks kasutatakse sildlülitustel põhinevaid vaheldeid. Veomuundurite<br />

jõuplokid koostatakse üldjuhul sarjaviisiliselt toodetavatest jõupooljuhtseadistest (joonis <strong>1.</strong>5) või<br />

arukatest moodulitest. Sama vaheldi jõuosaga võidakse sõltuvalt veomootoritest kasutatakse erinevaid<br />

vahelduv-väljundpingeid ja juhtimismeetodeid nt. pingevektori modulatsiooni.<br />

Uurimist vajavateks probleemideks on:<br />

<strong>1.</strong> Komponentide lülitussageduse suurendamisega kaasnevad probleemid sh. jõupooljuhtlülituste 3D<br />

disaini, elektromagnetilise ühilduvuse ja pikkade kaablite probleemid. Toodud riistvaralisi<br />

probleeme tuleb püüda lahendada ka tarkvaraliselt nt. modulatsioonisageduste ja juhtimismeetodite<br />

valikuga<br />

2. Muunduri transistoride ja veomootorite kaitsmine rikete ja väärtalitluste korral<br />

3. Tagasiside ja mõõteahelate häirekindluse tagamine<br />

4. Paindlikult juhitavad ja suure kasuteguriga muundurid, mida saab kasutada eri tüüpi mootorite<br />

toiteks<br />

5. Elektromagnetilise ühilduvusega seonduvad probleemid on tihedalt seotud muunduri<br />

juhtimismeetoditega nagu nt. modulatsiooniga, pooljuhtseadiste poolt võimaldatava lülitusviiside ja<br />

lülitussagedusega<br />

18

6. Uute jõupooljuhtseadiste rakendamine ajamite muundurites (6,5kV IGBT’d, ränikarbiidil põhinevad<br />

ülikiired vastudioodid jms.)<br />

<strong>1.</strong><strong>1.</strong>6. Levinumad jõupooljuhtseadiste moodulite lülitused<br />

Suurema võimsusega ajamites sh. trammiajamites kasutatakse (nii vaheldites kui ka<br />

alalisvoolumuundurites) mitmetest jõutransistoridest ja vabavooludioodidest koosnevaid mooduleid<br />

(joonis <strong>1.</strong>5). See võimaldab muuta jõuplokki kompaktsemaks ja alalisvoolu ühendussiinide (DC-bus)<br />

konstruktsiooni lihtsamaks. Vajaliku väljundvoolu võimaldamiseks sisaldavad need moodulid ka<br />

pooljuhtseadiste rööplülitusi [TUR01].<br />

a) M1C<br />

pooljuhtlüliti<br />

(moodul)<br />

b) M1F<br />

vabavooludioodiga<br />

pooljuhtlülitid<br />

c) M2C kahe<br />

pooljuhtlüliga<br />

poolsildlülitus<br />

Joonis <strong>1.</strong>5 Trammide veoajamite impulssmuundurites kasutatavaid ja<br />

saritootmises olevaid jõutransistormoodulite lülitusi<br />

Veomuundurite sildlülitustes (nii alalisvoolu- kui ka vahelduvvooluajamites) kasutatakse samuti<br />

valdavalt poolsildlülituses jõumooduleid. Eritasemeliste alalispingete puhul kasutatakse pinget<br />

alandavaid või suurendavaid alalispingemuundureid. Lisaks kasutatakse alalisvoolulüli pinge<br />

piiramiseks pidurdusmoodulit lülituses M1F. See on otstarbekas ühesuunalise energiavoo ja<br />

reverseerimist mittevajava koormuse korral. Kahesuunalise energiavoo puhul, nt. energiasalvestite<br />

juhtimiseks on otstarbekas kasutada poolsildlülitust M2C (joonis <strong>1.</strong>5,c) kahesuunalise<br />

impulssmuunduri lülituses. M2C lülitus sobib kasutamiseks ka ühesuunalise energiavooga, kuid<br />

reverseerimist vajava koormuse korral nt. alalisvoolu veomootorite ergutusmähiste toite juhtimisel.<br />

Kolm poolsildlülitust ehk M2C moodustavad ühe kolmefaasilise väljundiga ja kuue juhitava ventiiliga<br />

kolmefaasilise sildlülituse B6C. Muundurite sildlülitused sobivad seetõttu nii alalis- kui ka<br />

vahelduvvoolumootorite toiteks kuid eeldavad sobivat juhtimisplokki ja juhtimisahelat.<br />

Poolsildlülituste kasutamine alalispinge muundurites eeldab pooljuhtseadiste sõltumatut juhtimist<br />

võimaldavat juhtimisahelat sobivate blokeeringutega. Vaheldites kasutatakse poolsildlülitust<br />

peamiselt vastastaktlülituses, mistõttu juhtahela ülesandeks on tekitada lülitusviivitus.<br />

Firma Semikron SKiiP-sarja [TUR01] kuuluvates arukates jõumoodulites (joonis <strong>1.</strong>6) on nõutava<br />

voolutugevuse saavutamiseks mitu transistori ühendatud rööbiti. Rööplülituse juhtimiseks kasutatakse<br />

ühist tüürlülitust. Arukas juhtimislülitus tagab transistoride tüürahelate juhtimis- ja<br />

tagasisidesignaalide galvaanilise eraldatuse, sekundaarpoole ja vooluandurite isoleeritud toite ning<br />

kaitseb jõumooduleid lühiste ja ülekoormuse vastu. Rööplülituses jõumooduli kaitseks kasutatakse nii<br />

kollektor-emitterpinge jälgimist (päripinge jälgimist sisselülitatud olekus) kui ka mitme vooluanduri<br />

poolt mõõdetud voolude jälgimist rööpahelates. Väljundvoolu tagasisidesignaal mikroprotsessor<br />

juhtimissüsteemile moodustatakse mitme vooluanduri signaali summeerimisega. Liigvoolukaitse<br />

kasutamisel on transistormoodulite kaitse sõltumatu lülitite avanemiskarakteristikutest ja<br />

temperatuurist.<br />

19

Muunduri juhtimisplokk<br />

Optosisend<br />

TOP<br />

Optosisend<br />

BOT<br />

Blokaatori<br />

väljund<br />

Omatoite<br />

kontroll<br />

Analoog<br />

väljund<br />

Termiline kaitse<br />

ja temperatuuri<br />

analoogväljund<br />

Impulsside<br />

formeerimine<br />

Blokeeringud<br />

Liigvoolukaitse<br />

lühikeste<br />

impulsside<br />

allasurumine<br />

Kiiretoimeline<br />

väljalülitamine<br />

lühikeste<br />

impulsside<br />

allasurumine<br />

Eraldus<br />

(trafo/optron)<br />

Eraldus<br />

(trafo/optron)<br />

Toite eraldus<br />

primaarmähis<br />

Eraldus<br />

(trafo/optron)<br />

Eraldus<br />

(trafo/optron)<br />

Signaalide<br />

liitmine<br />

Uce<br />

jälgimine<br />

Triger<br />

TOP<br />

0<br />

jõumoodul<br />

sekundaarmähis<br />

sekundaarmähis<br />

Uce<br />

jälgimine<br />

Triger<br />

BOT<br />

Juhtimisahel<br />

υDCB<br />

VGE<br />

VGE<br />

Ud1<br />

TOP<br />

Ud2<br />

Id2<br />

BOT<br />

Joonis <strong>1.</strong>6. Poolsildlülituses aruka jõumooduli SKiiPPACK lihtsustatud struktuur<br />

Täiendavaks kaitseks on lisatud sisendimpulsside moodustamine koos blokeeringute lülitusviivitustega<br />

ja lühikeste impulsside (< 750 ns) allasurumine lülituskadude vähendamiseks. Samuti sisalduvad<br />

arukates jõumoodulites kaitse- ja jälgimisfunktsioonid, nagu näiteks:<br />

<strong>1.</strong> omatoite jälgimine ja kaitse toiteahela alapingete eest,<br />

2. liigtemperatuuri kaitse integreeritud temperatuuriandurite abil,<br />

3. lühisekaitse vooluandurite ja transistoride pinge mõõtmisega,<br />

4. liigvoolukaitse voolu mõõtmisega.<br />

Pooljuht-impulssmuundurites toimub veomootorite voolu reguleerimine ja piiramine pooljuhtlülitite ja<br />

kiiretoimelise tagasisidega regulaatoritega. Tänu nüüdisaegsetele komponentidele on<br />

impulssreguleerimine ka odavam ja töökindlam kui reostaat-kontaktorjuhtimisega süsteemid, milles<br />

lülituselementide hulk on suur ja voolu piiramine toimub passiivkomponentide aeglase lülitamisega.<br />

Impulssjuhtimine eeldab impulsspinget taluvaid veomootoreid, kuid võimaldab veomootorite voolu<br />

täpsemalt piirata ja seega ajamit kvaliteetsemalt juhtida võrreldes relee-kontaktorjuhtimisega.<br />

Poolsildlülitused võimaldavad koostada universaalseid muundureid mille skeem alalisvoolutoitega,<br />

vahelduvvoolutoitega, alalisvoolumootoritega või vahelduvvoolumootoritega jõuahelates<br />

põhimõtteliselt ei erine.<br />

<strong>1.</strong><strong>1.</strong>7. Kesk- ja kõrgepingelised ajamilülitused<br />

Transistoride ja kondensaatorite puhul on kriitiliseks tehniliseks näitajaks tööpinge. Kuigi IGBT<br />

transistoride lülitusomadused on paremad kasutatakse kõrgepingelistes muundurites sobivate<br />

transistoride puudumisel ka GTO türistore ja/või komponentide jadalülitusi. Jadalülituse puuduseks on<br />

omakorda komponentide suur arv, keerukas pingete ühtlustamine ja suurema komponentide arvuga<br />

kaasnev väiksem töökindlus. Kesk- ja kõrgepingelised süsteemid on kasutusel olnud juba ligi 100<br />

aastat. Esimesed 1,5 kV elekterveovõrgud ehitati 1900 algusaastatel ja esimesed 3 kV võrgud<br />

1930ndatel. Liinipinge oli sõiduki abimootoritele liiga kõrge, mistõttu abiseadmed olid suured ja<br />

rasked [HIL94] [KEM89]. Kõrgemapingelistes ajamilülitustes on seniajani palju tehnilisi probleeme.<br />

Kuni 1500 V toitepingega nüüdisveomuundurites ja -abitoitemuundurites kasutatakse IGBT<br />

transistoridel põhinevaid muundureid. Kõrgematel pingetel kasutatakse transistoride jadalülitusi koos<br />

pingeühtlustusahelatega [BOD99] ja spetsiaalseid veomootoreid. Jõutransistoride tootjate poolt on<br />

välja töötatud uued 6,5 kV IGBT moodulid, mis lähitulevikus muutuvad kasutatavaks raudtee<br />

veosüsteemides [BOD01]. Kõrgepingelistes muundurite jaoks vajatakse lisaks transistoridele ka<br />

kõrgepingeliste kondensaatorpatareide, kaitseaparaatide jt. komponente. Kuna jõuahela komponentide<br />

tehnilised näitajad on pidevalt täiustunud, võib peagi oodata ka kõrgepingeliste ajamite<br />

terviklahenduste ilmumist turule, sh ka 3 kV nimipingega alalisvoolu toitesüsteemile sobivaid<br />

muunduriplokke. Sildlülitustest moodustatud jadalülitusi kasutatakse kõrgematel pingetel (1,5 kV või<br />

20

kõrgemal alalis-toitepingel), et vähendada impulsspinge amplituudväätust ja fronti veomootorite<br />

mähistel (joonis <strong>1.</strong>7, a).<br />

3000 V<br />

1500 V<br />

M<br />

3~<br />

3000 V<br />

M<br />

3~<br />

a) Keskpunkti ja kolmetasemeliste<br />

väljundimpulssidega veomuundur Onix 3000,<br />

Alstom 1998<br />

b) Topelt-tähtühenduses mootori toitemuundurite<br />

jadalülitus rongil Škoda Electric Multiple Unit<br />

471<br />

Joonis <strong>1.</strong>7 Kõrgematel toitepingetel rakendatavaid transistorvaheldeid<br />

Mitmetasemelise väljund-pingega muundurid (joonis <strong>1.</strong>7, a) võimaldavad lülitamisega moodustada<br />

enam kui kahte väljundpinge taset ning seega paremat väljundpinge kvaliteeti (väiksem dU/dt). Topelt<br />

tähtühenduses mootoris on mitu isoleeritud staatorimähist (joonis <strong>1.</strong>7, b), see võimaldab vähendada<br />

mähistele antavate toitepingeimpulsside amplituudväärtust. Toodud lülituste juhtimine eeldab<br />

spetsiaalseid juhtimisahelaid ja ühtset juhtimissüsteemi (ühist modulaatorit) kõigile jadalülituses<br />

muunduritele koos alalispinge juhtimisega sõidul ja pidurdusel. Edasist uurimist vajavateks<br />

probleemideks (mida selles töös ei käsitleta) on mitmetasemeliste muundurite juhtimine, pingete<br />

aktiivne piiramine ja ühtlustamine muundurite alalisvoolulülides ja sujuva ning jäiga<br />

kommutatsiooniga muundurite optimaalse kasutusala määratlemine. Sujuva kommutatsiooniga<br />

muundurid võimaldavad kõrgeid lülitussagedusi. Nende puuduseks on keerukus ja võimalikud kaod<br />

lisaahelates.<br />

<strong>1.</strong>2. Veoajamite toitesüsteemid<br />

Eri tüüpi sõidukite toitesüsteemide kohta kehtivad erinevad standardid. Nüüdisaegsete rööbassõidukite<br />

elekterveoajamite toiteks kasutatakse kolme põhilist tüüpi toitesüsteemi: vahelduvvoolu-võrgutoide<br />

kontaktliini kaudu, alalisvoolu-võrgutoide kontaktliini kaudu või toide sõidukil paiknevast<br />

diiselgeneraatorist. Joonisel <strong>1.</strong>8 on toodud veoajami toiteahelad erinevate toitesüsteemide korral.<br />

Vahelduvvoolu<br />

toitesüsteem<br />

1 faasiline<br />

vahelduvpinge<br />

Kontaktliin<br />

Alalisvoolu<br />

toitesüsteem<br />

Alalispinge<br />

Kontaktliin<br />

Diisel-elektriline<br />

süsteem<br />

M 3~<br />

Topelttäht<br />

Diiselmootor<br />

Generaator<br />

Reguleeritav<br />

sisendalaldi<br />

Sisendlülitid,<br />

laadimistakisti<br />

Alaldi<br />

Juhtimissüsteem<br />

Etteandesignaalid<br />

Tagasisided<br />

Veomuundur<br />

Alalisvoolulüli<br />

Sõiduki<br />

andmesidesiin<br />

Veomuundur<br />

Salvesti<br />

Abisüsteemide<br />

juhtimisahelad<br />

Veomootor<br />

Veomootor<br />

Veomootor<br />

Veomootor<br />

Joonis <strong>1.</strong>8 Veomuunduritega veoajami toiteahelad erinevates toitesüsteemides<br />

Veomuunduri tüüp sõltub nii kasutatavast toitesüsteemist kui ka mootori tüübist. Nüüdisaegsed<br />

veomuundurid on valdavalt pingemuundurid (voltage source converters), milles kasutatakse<br />

alalisvoolulüli. Kõigil kolmel juhul on kasutusel alaldid, alalisvoolutoite korral paiknevad alaldid<br />

21

alajaamades vahelduvvoolutoite sh. diiselgeneraatorite puhul sõidukites. Alalisvoolulüli pinge<br />

valitakse vastavalt veomootoritele toitepingele. Alalisvoolu toitesüsteemides on tehniliselt lihtsam<br />

kasutada kontaktliini pinget stabiliseerivaid energiasalvestus-alajaamu. Alalisvoolusüsteemide<br />

ühendamiseks vahelduvvooluvõrguga saab kasutada mitmesuunalise energiavooga<br />

veoalajaamu [TSE98]. Mitmesuunalise energiavooga veoalajaamade kombineerimine<br />

salvestusalajaamadega võimaldab vähendada tarbitavat maksimumvõimsust kiirendamisel ja veelgi<br />

tõhusamalt kasutada rekuperatiivpidurdust.<br />

Järjest olulisemaks muutub erinevate toitesüsteemide sobitamine veoajamitega, et elektersõidukit<br />

saaks toita eri pingega kontaktliinidest. Universaalsuse ja paindlikkuse nõuded laienevad ka ajamites<br />

kasutatavate muundurite riistvarale, mida peaks võimalusel saama kasutada eri tüüpi mootorite toiteks.<br />

Sellest vajadusest lähtudes on ka käesolevas töös välja töötatud uudne veomuundur, mille riistvara<br />

saab kasutada trammidel nii alalisvoolu kui ka vahelduvvoolu veomootoritega. Leiutis on kaitstud<br />

kasuliku mudeliga [EE332U].<br />

Uurimist vajavateks probleemideks seoses toitesüsteemidega on muunduri väljundpinge ja ajami<br />

võimsuse optimaalne juhtimine rekuperatiivpidurdusel.<br />

<strong>1.</strong>2.<strong>1.</strong> Alalisvoolu toitesüsteemid<br />

Alalisvoolu kontaktliinitoitega sõidukites sisendmuundur puudub ja veomuunduri alalisvoolulüli<br />

lülitatakse kontaktvõrku läbi sisendfiltri. Veomuunduri alalisvoolulüli stabiilse pinge hoidmine on<br />

raskendatud liinipinge kõikumise tõttu. Veoajamite juhtimine on liinipinge muutumisest tingitud<br />

häiringute tõttu keerukas. Vanades alalisvoolu veosüsteemides kasutati veomootorite otsetoidet<br />

alalisvooluvõrgust. See süsteem on lihtne, kuid vajab suurema ristlõikega elektrijuhte ja toitealajaamade<br />

tihedat paigutust. Kõrgemapingelised süsteemid võimaldavad parandada kasutegurit, suurendada<br />

edastatavat võimsust, vähendada kadusid liinis ja suurendada alajaamade vahekaugusi. Sõidukis<br />

kasutatav kõrgemapingeline süsteem eeldab raskeid madalasagedustrafosid, kallimaid keskpinge<br />

impulss-alaldeid [BER00] või spetsiaalseid mitme isoleeritud staatorimähisega veomootoreid [STE99].<br />

Kõrgemate pingete kasutuselevõtuga kaasneb vajadus kõrgema toitepingega pardaseadmete ja<br />

sobivate abitoitemuundurite järele, sest lisaks kõrgepingeahelatele on vajalikud ka madal- ja<br />

väikepingeahelad. Kõrgepingelise veotoitesüsteemi puhul kasutatakse tänapäeval madalapingelise<br />

abitoitesüsteemi jaoks vastavaid DC/DC abitoitemuundureid. Rööbassõidukil paiknevate<br />

jõuelektroonikaseadmete ja muundurite kohta kehtib standard [EN 50207], mis kehtib trammidele,<br />

reisivagunitele, järelvagunitele ja laieneb niipalju kui võimalik ka kõigile teistele elektersõidukite sh.<br />

trollibussidele. Euroopa elekterveosüsteemides kasutatavad pingesüsteemid on määratud<br />

standardiga [EN 50163], mis käsitleb liinipinget elekterveovõrgus normaal tööolukorras ja pingete<br />

lühiajaliselt lubatavaid piirväärtusi. Linnatranspordis (trammid ja metrood) on peamiselt kasutusel<br />

alalisvoolu toitesüsteemid (vt tabel <strong>1.</strong>2).<br />

Tabel <strong>1.</strong>2 Rööbassõidukitel sh. trammidel kasutatavad alalisvoolusüsteemid<br />

Nimipinge<br />

sõidukitel<br />

Kasutus<br />

600 V Trammid ja<br />

metrood<br />

Kasutuspiirkonnad ja põhiomadused<br />

Kasutatakse laialdaselt trammide ja trollibusside<br />

toitesüsteemides. Alalisvooluajamite puhul kasutatakse<br />

impulssmuundureid ja vahelduvvooluajamite puhul<br />

vaheldeid. Vanades 600 V ajamites kasutatakse<br />

reostaatjuhtimist. Rekuperatiivpidurdusel, s.t. energia<br />

regenereerimisel lubatakse pinge kasvamist kontaktliinis<br />

kuni 720 V. Lühiajalised ülepinged võivad olla kuni<br />

pingega 800 V. Selle pingepiirkonna jaoks on sobivad<br />

1200 V lubatava pingega IGBT transistormoodulid ja<br />

paarikaupa jadamisi lülitatud 400 V<br />

elektrolüütkondensaatorid.<br />

22

Nimipinge<br />

sõidukitel<br />

Kasutus<br />

750 V Trammid ja<br />

metrood<br />

1200 V Kergrongid jt.<br />

kerged rööbassõidukid<br />

1500 V Kergrongid jt.<br />

kerged rööbassõidukid<br />

3000 V Rongid, kergrongid<br />

jt. kerged<br />

rööbassõidukid<br />

Kasutuspiirkonnad ja põhiomadused<br />

Kasutatakse laialdaselt trammide uutes toitesüsteemides.<br />

Valdavalt kasutatakse selle pinge puhul vaheldist<br />

toidetavaid vahelduvvoolumootoreid. Alalispinge lubatav<br />

maksimaalväärtus on 950 V. Selle pingepiirkonna jaoks<br />

sobivad samuti 1200 V lubatava pingega IGBT<br />

transistormoodulid ja 475 V või suuremale pingele<br />

ettenähtud elektrolüütkondensaatorite jadaühendused.<br />

Kuubas, Hispaanias (Sóller’i raudteel), Hamburgis<br />

(kontakt-rööpaga S-bahn), Praegu on 1200V süsteem<br />

vähelevinud, kasutati ka Eesti Elektriraudteel aastatel<br />

1924-1941 ja 1946-1958 [LÕH04].<br />

Kasutatakse Prantsuse, Hollandi, Hispaania, Šveitsi,<br />

Portugali ja Jaapani raudteedel. Kirjandusest võib leida<br />

võrdlevaid analüüse 750V [AÇI04] ja 1200V ning 3000V<br />

[PHA00] süsteemidega.<br />

Kasutatakse Belgias, Itaalias, Hispaanias, Poolas, Tšehhi<br />

vabariigis, Slovakkias, Serbias, Horvaatias, Sloveenias,<br />

Venemaal, Ukrainas ning ka Eestis ja Lätis. Peale<br />

Euroopa veel Lõuna aafrika vabariigis, Brasiilias, Tšiili<br />

Vabariigis ja Indias. Alalispinge lubatav<br />

maksimaalväärtus on 4200 V. Seniajani kasutati<br />

muundurites türistore, nüüd on tekkimas võimalus<br />

kasutusele võtta uued 6,5 kV pinget taluvad IGBT’d.<br />

Elektersõidukis võivad olla kasutusel erinevad pinged. Näiteks võidakse depoohoonete sees kasutada<br />

ohutuse tagamiseks madalamat pinget. Väiksema, ohutuma pingega alalisvoolu kontaktvõrk (110V) on<br />

seni kasutusel tööstuslike erirakenduste puhul ja nt. kaevandusrongide toiteks.<br />

Kui sõidukiga sõidetakse erineva toitepingega rööbastee lõikudel kasutatakse mitmesüsteemilisi<br />

elekterveoajameid, mida saab ümber lülitada erinevatele toitepingetele. Sellise süsteemi sisendahela<br />

elektroonikakomponendid peavad olema arvestatud tööks suurimal võimalikul toitepingel.<br />

<strong>1.</strong>2.2. Vahelduvvoolu toitesüsteemid<br />

Rööbassõidukitel kasutatakse lisaks alalisvoolusüsteemidele ka vahelduvvoolu toitesüsteeme.<br />

Ühilduvus vahelduvvoolusüsteemidega on oluline ka multisüsteemsetes trammides võimaldamaks<br />

trammil liikuda vahelduvvoolutoitega raudteelõigul. Madalsagedusliku trafoga süsteemid on üldjuhul<br />

lihtsa ehitusega ja võimaldavad veomuundurites kasutada odavaid jõupooljuhtseadiseid. Suure<br />

võimsuse ja kõrge pinge tõttu on vahelduvvoolusüsteemidel palju puudusi, nt suuremad häired<br />

keskkonda, kasutatavate trafode suur mass, ebaühtlaselt koormatud elektrivõrgu faasid, sobiva<br />

tööpingega jõupooljuhtmuundurite puudumine jms.<br />

Ülimadalsageduslik vahelduvvoolusüsteem võimaldab ilma alaldita toita vahelduvvoolu<br />

kommutaatormootoreid e. universaalmootoreid. Kommutaator-mootoreid s.h. jadaergutusega<br />

alalisvoolu-veomootoreid on võimalik toita vahelduvvooluvõrgust, sest voolusuuna üheaegsel<br />

muutumisel nii staatoris kui ka rootoris ei muutu masina momendi suund. Tavapärasest madalam<br />

toitevõrgu sagedus võeti kasutusele elektrimasina talitluse parandamiseks ja mehaaniliste pingete<br />

vähendamiseks. Paljud Euroopa maad rakendasid ühefaasilist 15 kV (varem 6 kV ja 7,5 kV)<br />

vahelduvvoolu toitesüsteemi, mille sageduseks oli 16⅔ Hz (USA’s vastavalt 20 Hz). Veomootoreid<br />

toideti ümberlülitatavate mähistega trafodest. Trafoga reguleerimine on suurema kasuteguriga<br />

võrreldes alalisvoolusüsteemides kasutatud takistusjuhtimisega. Pardaseadme abitoitevõrku toidetakse<br />

peatrafo eraldi mähisest, mistõttu abiseadmeid on võrreldes vanades 1,5 kV ja 3 kV<br />

alalisvoolusüsteemides kasutatud seadmetega kompaktsed ja kerged. Ülimadalsageduslik<br />

vahelduvvoolusüsteem on tänapäeval kasutusel Saksamaal, Austrias, Šveitsis, Taanis, Norras ja<br />

Rootsis.<br />

23

Esimesed katsed 50Hz standardsagedusega ühefaasilise vahelduvvoolu kontaktvõrgu<br />

kasutamiseks tehti Ungaris 1930’ndantel. Seoses sobivate alaldite väljatöötamisega 1950’ndatel<br />

hakkas see süsteem üha enam levima. Algul olid kasutusel elavhõbealaldid, hiljem pooljuhtalaldid.<br />

Vedurites võeti kasutusele trafo koos alaldiga, millega saadi mootoritele sobiv madalpingeline<br />

alalisvool (pulseeriv vool). Mootoreid juhiti trafomähiste ümberlülitamisega. Selle süsteemi olulisim<br />

puudus on ebaühtlaselt koormatud elektrivõrgu faasid ja suured elektromagnetilised häired. 25 kV<br />

50 Hz ühefaasilist vahelduvvoolusüsteemi kasutatakse tänapäeval Prantsusmaal, Suurbritannias,<br />

Soomes, Venemaal, Leedus, Ungaris, Sloveenias, Slovakkias, Tšehhi vabariigis ja Jaapanis.<br />

Kõrgepingeliste jõupooljuhtseadiste odavnedes ja muundustehnika arenedes on võimalik rakendada<br />

30 kV alalispinget olemasolevates 25 kV vahelduvvoolu kontaktvõrkudes [ÖST92]. Kõrge- ja<br />

keskpingeliste vahelduvvoolu veotoitesüsteemide üheks probleemiks on olnud toitetrafo suur mass.<br />

Tulevikku vaadates võidakse vahelduvvooluga elektersõidukite toitesüsteemides rakendada ka sujuva<br />

kommutatsiooniga (soft-switched) kõrgsageduslikke alalisvoolumuundureid, milles kasutatakse väga<br />

kompaktseid ja kergeid kõrgsageduslikke keskpingetrafosid [BER00][GLI03]. Kirjanduses on välja<br />

pakutud ka ilma trafota kõrgepingelise vahelduvvoolutoitega jõuahelate lülitusi spetsiaalsete mitme<br />

isoleeritud staatormähisega veomootorite juhtimiseks [STE99].<br />

<strong>1.</strong>2.3. Mitme toitesüsteemi kasutamine<br />

Sageli (tihedalt asustatud piirkondades) vajatakse rööbassõidukeid, mis suudavad läbida erineva<br />

toitesüsteemiga raudteelõikusid. Mitmesüsteemilised sõidukid suudavad vahepeal peatumata töötada<br />

erinevates toitesüsteemides ja eri nivooga toitepingel. Mitmesüsteemilised raudteevedurid on eriti<br />

olulised rahvusvahelistel kaubavedudel kui vedurite vahetamine ühest raudteelõigust teise üleminekul<br />

pole otstarbekas [GEL95]. Euroopas kasutatakse nelja-süsteemilisi raudteevedureid<br />

(alalisvooluga 1,5 kV ja 3 kV või vahelduvvooluga 15 kV 16⅔ Hz ja 25 kV 50 Hz). Lisaks<br />

mitmesüsteemilistele veduritele kasutatakse Euroopas ka mitmesüsteemilisi kergrööbassõidukeid, sh.<br />

kergeid madalapõrandalisi tramme, mis on mõeldud sõitmiseks ka raudteedel. Mitmesüsteemilised<br />

trammid ja trammirongid võimaldavad siduda linnatranspordi äärelinnapiirkondi tihedalt asustatud<br />

kesklinnaaladega, kasutades selleks olemasolevaid raudtee- ja trammiliine. Multisüsteemsete<br />

trammirongidega saab kesklinnatänavatel kasutada madalamat toitepinget (600 V või 750 V) ning<br />

äärelinnapiirkonnas kasutada koos linnalähirongidega vastavaid keskpingesüsteemiga raudteelõike.<br />

Mitmesüsteemsetest trammidest ja nende elektrisüsteemidest annab ülevaate tabel <strong>1.</strong>3.<br />

Tabel <strong>1.</strong>3 Mitmesüsteemsed trammid ja nende elektrisüsteemid (2005)<br />

Firma, toode, projekt Toitevõrgu pinge Kirjeldus<br />

Siemens Avanto 600/750/<br />

1500/3000 VDC<br />

Mitmesüsteemse toitega<br />

madalapõrandaline kerge<br />

rööbassõiduk [BRI03].<br />

Projekt Kraków 600/3000 VDC Kahesüsteemse alalisvoolutoitega<br />

trammi pilootprojekt-uuring<br />

[KOW01].<br />

ALSTOM<br />

Regio CITADIS<br />

Projekt Kiepe<br />

Projekt<br />

Saar-Lor-Lux<br />

15 kV AC/<br />

750 VDC<br />

15 kV AC/<br />

750 VDC<br />

25 kV AC<br />

15kV AC 750 VDC<br />

Mitmesüsteemse alalis- /<br />

vahelduvpingetoitega trammirong<br />

Kahesüsteemse alalis- ja<br />

vahelduvpingetoitega trammi<br />

elektrisüsteem<br />

Trammirong [MEY03]<br />

Ajami jõuahelad peavad olema arvestatud tööks nimipingega ja standardis lubatud lühiajaliste<br />

ülepingetega. Seega peab ka mootorite isolatsioon taluma esinevaid ülepingeid. Madalama nimipingega<br />

ajamite ja olemasolevate mootorite toitmiseks kõrgema liinipingega võrgust on välja pakutud pinget<br />

alandavaid impulssmuundureid koos filtritega. Mitmes artiklis [KOW01] on kirjeldatud seadmeid, mida<br />

kavatsetakse kasutada 600 V nimipingega alalisvoolutrammi toitmiseks 3 kV alalisvoolu kontaktvõrgust.<br />

Uurimist vajavateks teoreetilisteks probleemideks on kaitse ja ümberlülitusalgoritmide ohutuse ja<br />

lülitusaparaatide töökindluse tagamine, liigpingete vähendamine keskpingeliste sõidukite veomootorite<br />

mähistes nii riistvaraliste kui ka tarkvaraliste vahenditega ja mitmesüsteemsete sõidukite toitemuundurite<br />

24

juhtimine. Käesolevas töös käsitletakse lähemalt madalpingelise alalisvoolutoitega trammide<br />

veoajameid.<br />

<strong>1.</strong>3. Veomootorid ja jõuülekanded<br />

Elekterveoajamites kasutatavaks põhiliseks mootoritüübiks on seni olnud jadaergutusega<br />

alalisvoolumootor, eelkõige oma sobiva kiiruse-momendi tunnusjoone tõttu. Traditsiooniliste<br />

jadaergutusega alalisvoolumootorite peamiseks puuduseks on mehaanilise kommutaatori olemasolu, mis<br />

vajab regulaarset hooldamist. Samuti on mootori ehitus võrreldes vahelduvvoolumootoritega keerukam<br />

ning hind seetõttu kallim. Viimase aja tehnoloogilised arengud ajamite juhtimissüsteemide alal on<br />

põhjustanud mehaanilise kommutaatorita e. pooljuhtkommutaatoriga mootorite (peamiselt nelinurk<br />

toitepingega mootorite) edasiarendamist ja laialdast kasutuselevõttu elekterveonduses. Koos sellega on<br />

paranenud ajamisüsteemi üldine kasutegur, suurenenud võimsus massiühiku kohta, vähenenud käidu- ja<br />

hoolduskulud ning suurenenud töökindlus. Samuti on oluliselt vähenenud pooljuhtkommutaatoriga<br />

mootoritega veoajami algmaksumus. Pooljuhtmuundurite leviku tõttu on uutes veoajamites hakatud<br />

jadaergutusega alalisvoolumootorite asemel üha enam rakendama ka muid mootoritüüpe, näiteks<br />

vahelduvvoolu lühisrootoriga asünkroonmootoreid. Elektrimootorite liigitus [CHA97] on toodud<br />

joonisel <strong>1.</strong>9, elektersõidukite veoajamites enamkasutatavad veomootorid on tähistatud jämedama<br />

joonega.<br />

Eletrimootorid<br />

Kommutaatoriga<br />

Kommutaatorita<br />

Sõltuva<br />

ergutusega<br />

Sõltumatu<br />

ergutusega<br />

Nelinurk<br />

toitepingega<br />

Siinus<br />

toitepingega<br />

Ergutus<br />

mähisega<br />

Jadaergutus<br />

Rööpergutus<br />

Püsimagnet<br />

ergutusega<br />

Harjadeta,<br />

püsimagnetergutusega<br />

Kommuteeritav<br />

reluktantsmootor<br />

Asünkroon<br />

Sünkroon<br />

Rootori<br />

mähisega<br />

Lühisrootoriga<br />

Faasirootoriga<br />

Püsimanget<br />

ergutus<br />

Reluktants<br />

Joonis <strong>1.</strong>9. Elekterveonduses kasutatavad mootorid<br />

Kõige enam kasutatakse kergrööbassõidukites mehaanilise kommutaatoriga alalisvoolumootoreid ja<br />

vahelduvvoolu asünkroonmootoreid, viimastest peamiselt lühisrootoriga mootoreid. Alalisvoolu<br />

veomootorid on pika elueaga, kuid vajavad perioodilist hooldamist. Sellised süsteeme<br />

rekonstrueeritakse 8-10 aastase perioodi järel, sest need vajavad kvaliteetsemat ja tehniliselt paremat<br />

juhtimissüsteemi.<br />

Uute sõidukite veoajamites rakendatakse reeglina mehaanilise kommutaatorita (kollektorita)<br />

hooldusvabu mootoritüüpe nagu asünkroonmootorid ja pooljuhtkommutaatoriga alalisvoolumootorid.<br />

Erijuhtudel on kasutusel ka teised mootoritüübid nt. sünkroonmootoreid kasutatakse suurema<br />

kasuteguri tõttu suurema võimsusega raskerongide veduritel. Prantsuse TGV kiirrongi vedurite uuele<br />

põlvkonnale valiti sünkroonmasinad, mis rakendati töösse 1993 [<strong>JA</strong>H01]. Pärast neid on<br />

veduriajamitesse projekteeritud peamiselt asünkroonmasinaid. Ümberlülitatava magnetilise<br />

takistusega ehk reluktantsmootorite (reaktiivsete sünkroonmootorite) eeliseks on lihtne<br />

konstruktsioon, väikesed hoolduskulud ja sobiv momendi-kiiruse tunnusjoon [RAH98]. Oma<br />

tööpõhimõttelt on reluktants-veomootorid samm-mootorite edasiarendus [CHA97] ning nende<br />

juhtimine toimub vektorjuhtimismeetoditega sarnaselt teiste vahelduvvoolumootorite (sünkroon- ja<br />

asünkroonmootorite) juhtimisele. Püsimagnetergutusega mootorite (PM) eelisteks on kõrgem<br />

kasutegur ja suurem võimsustihedus [JOC04]. Kergematel elektersõidukitel on laialdast kasutust<br />

leidnud nn harjadeta ehk pooljuhtkommutaatoriga alalisvoolumootorid [CHU01].<br />

Kokkuvõtteks võib veomootorite kohta väita järgmist. Asünkroonmootoreid ja mehaanilise<br />

kommutaatorita alalisvoolumootoreid eelistatakse madalama algmaksumuse ja väiksemate<br />

hoolduskulude tõttu. Uued madalapõrandalised sõidukid vajavad väikeste mõõtmetega mootoreid, mis<br />

25

suudavad tõhusalt talitleda ka piduritalitluses. Elektersõidukites eelistatakse veotelgede ja rataste<br />

eraldi juhtimist, mis võimaldab paremat veojõu juhtimist libisemise korral. Madalapõrandalistel<br />

sõidukitel on sageli kasutusel eraldi mootoritega veetavad rattad [CHE02].<br />

Jõuülekanne<br />

Elektriajami üheks komponendiks on ülekanne. Sõltuvalt rööbassõiduki liigist, kiirusest, põranda<br />

kõrgusest, rööbaste vahest ja paljudest muudest alusvankritega seotud tehnilistest iseärasustest, nagu<br />

liigendid jt. kasutatakse erinevaid jõuülekandeid [OKA98]. Kasutatakse rattarummu sisese<br />

veoülekandega ajameid ja kardaanülekandega ajameid. Täis-madalapõrandalistel alusvankritel ei saa<br />

kasutada läbivaid veotelgi, mistõttu sõiduki parem- ja vasakpoolseid rattaid veetakse eraldi<br />

mootoritega. Muudetava ülekandearvuga reduktorit rööbassõidukitel üldjuhul ei kasutata. Tabelis <strong>1.</strong>4<br />

on kujutatud alusvankrite ja mootori ratta erinevad konfiguratsioonid [TCR95].<br />

Tabel <strong>1.</strong>4 Kergrööbassõidukite veovankrite veoülekanded<br />

Tähis,<br />

joonis<br />

M1<br />

Selgitus<br />

Tavaline ühemootoriline pikimootoriga vanker (wheelset ”B”) kus<br />

mõlemad veoteljed on omavahel seotud ühe veomootori külge<br />

M2<br />

M3<br />

Tavaline kahemootoriline piki- või põikmootoritega vanker (wheelset<br />

”Bo”). Harilikult kasutatakse sõidukil kahte alusvankrit nelja sõltumatu<br />

veomootoriga (wheelset Bo'+Bo'). Tatra T3, T4 ja KT4 trammidel<br />

(Tallinnas, Riias ja mujal) on mootorite võllid on risti veoteljega ja piki<br />

sõidusuunda. Sellest erinev kahemootoriline alusvanker on kasutusel<br />

Riia vagunitehases (RVR) toodetud elektrirongidel ER2, kus kasutatakse<br />

rööpvõllidega reduktoreid, kus veomootorite võllid on rööbiti<br />

veotelgedega. Läbivate veotelgede ja mootorite paigutuse tõttu ei sobi<br />

nimetatud mootori ratta konfiguratsioonid üleni madalapõrandalistele<br />

vagunitele.<br />

Sõltumatu vedava ja veetava rattapaariga vanker<br />

M4<br />

M5<br />

M6<br />

M7<br />

M8<br />

M9<br />

Põikasetusega rühmmootoriga vanker, mille mõlemad veoteljed on<br />

seotud paralleelsete reduktorite ja kardaanivõlliga<br />

Mootoritega ja elektriliselt juhitav isepöörav rattapaar. Patenteeritud<br />

lahendus [BIS98]<br />

Kahe suure veoratta ja kahe väikese juhtrattaga (st. juhtrataste abil<br />

pööratav) liigendvanker<br />

Nelja sõltumatu ratasmootoriga vanker. See variant on kasutusel<br />

Duewag/Siemens R3.1 (Frankfurt), ABB (Henschell) Variotram<br />

(Chemnitz, Helsinki) ja BN tram 2000’l Brüsselis. Vesijahutusega<br />

vahelduvvoolumootorid on paigutatud eraldi pöörlevate rataste<br />

rummudesse. Rattaid veetakse planetaarreduktoriga, mis paikneb<br />

mootoriga samas kestas.<br />

Külgedel paiknevate veomootorite ja kardaanülekandega vanker. Seda<br />

kasutati Schindler COBRA (VBZ Zürich, Šveits) prototüüptrammil. Üks<br />

vahelduvvoolu asünkroonmootor, mis paikneb vaguni kere küljes<br />

põranda all. Mootor veab kardaani kaudu sõltumatult pöörlevate rataste<br />

paari ühel küljel. Iga ratta küljes on ristuvate võllidega koonusreduktor.<br />

Vaguni liigendlülis paiknevate vertikaalsete veomootoritega vanker. Seda<br />

lahendust kasutati SGP ULF 197 trammil Viinis. Igal eraldipöörleval<br />

rattaajamil on ristuvate võllidega koonusreduktor ja vesijahutusega<br />

asünkroonmootor.<br />

26

Tähis,<br />

joonis<br />

M10<br />

Selgitus<br />

Sõltumatute veorataste ja silinderreduktoritega vanker. Seda kasutatakse<br />

ABB Eurotram (Strasbourg) vedavatel vankritel. Igat nelja sõltumatult<br />

teljekasti küljes pöörlevat ratast veetakse reduktori kaudu eraldi<br />

paiknevate 3 faasilise vesijahutusega asünkroonmootoriga.<br />

Üha enam paigutatakse veovankritesse elektroonikaseadmeid sh. mitmesuguseid andureid.<br />

Välistingimustes töötavate andurite töökindlus on sageli probleemiks. Kompaktsed ja suure<br />

võimsustihedusega madalapõrandalised veovankrid vajavad head jahutussüsteemi ühtlase<br />

töötemperatuuri ja pika eluea tagamiseks. Edasist uurimist vajavateks probleemideks on mitme eraldi<br />

veomootoriga veovanker ja veomomentide ühtlustamine veotelgede vahel, veomootorite optimaalne<br />

juhtimine laias kiiruste vahemikus ja veomootorite pinge reguleerimine ning mootori kaitse ajami<br />

rikete korral<br />

Nimetatud probleeme on arvutimudelite ja eksperimentide abil uuritud käesoleva töö teises,<br />

modelleerimist käsitlevas peatükis eesmärgiga välja töötada heade dünaamiliste omadustega veoajam.<br />

Veoajami juhtimissüsteemi riistvarast ja tarkvarast antakse ülevaade käesoleva töö kolmandas<br />

peatükis.<br />

<strong>1.</strong>4. Juhtimissüsteemid<br />

<strong>1.</strong>4.<strong>1.</strong> Veoajami juhtimissüsteemide tarkvara funktsioonid<br />

Veomootorid ja muundur koos mitmesuguste andurite ja lisaseadmetega moodustavad veoajami, mille<br />

juhtimiseks kasutatakse mitmeid meetodeid, sh. veomootorite magnetvälja nõrgendamist, muunduri<br />

alalisvoolulüli pinge reguleerimist, sh. kondensaatorpatarei laadimise juhtimist, pinge piiramist jms.<br />

Elekterveoajami juhtimissüsteemist ja selle alamsüsteemidest annab ülevaate joonis <strong>1.</strong>10. Kõigi<br />

kirjeldatud süsteemide juhtimiseks rakendatakse nüüdisaegseid infotehnoloogilisi ja mudelipõhiseid<br />

meetodeid.<br />

Energiahaldus- ja<br />

säästusüsteemid<br />

Libisemisevastased<br />

süsteemid<br />

Mudelipõhised<br />

juhtimissüsteemid<br />

Mudelipõhine<br />

kaitsetesüsteem<br />

Veoajami<br />

juhtimissüsteem<br />

Diagnostikasüsteemid<br />

Andmesidesüsteemid<br />

Pidurite<br />

juhtimissüsteem<br />

Intelligentsed<br />

kasutajaliidesed<br />

Joonis <strong>1.</strong>10 Veoajamites kasutatavad juhtimissüsteemid<br />

Lisaks põhifunktsioonidele, milleks on kiiruse, veojõu ja pidurdusjõu reguleerimine, on nüüdisaegsete<br />

kolmanda põlvkonna veoajamite juhtimissüsteemidesse integreeritud mitmeid lisasüsteeme ja -<br />

funktsioone.<br />

27

Ajami mudelipõhistest juhtimissüsteemidest kasutatakse käesolevas töös ergutuse mudelipõhist<br />

juhtimist ja vahelduvvoolumootorite korral on võimalik kasutada magnetvoo väljavektori juhtimist.<br />

Libisemisevastased süsteemides rakendatakse veojõukontrolli ja veojõu piiramismeetodeid sõidul<br />

ning pidurdusjõu piiramist rataste libisemisevastase süsteemiga (ABS) pidurdusel. Arukad<br />

elektromehaanilised pidurisüsteemid võimaldavad pidurdusjõu juhtimist koos täiendavate<br />

mehaaniliste pidurisüsteemide rakendamisega. Elektromehaanilise pidurisüsteemide juhtimine on<br />

tihedalt seotud elektriajami pidurduse juhtimise ja energiahaldusega s.h elektrodünaamilise ja<br />

rekuperatiivpidurduse automaatjuhtimisega. Elektriliste seisupidurite juhtimine toimub kooskõlas<br />

ajami talitlusega. Kasutatakse ka mehaaniliste libisemiskaitse süsteemide näiteks elektriliselt<br />

juhitavate liivatite juhtimine pidurdusel. Mudelipõhises kaitsesüsteemis kasutatakse lisaks<br />

tavapärastele kaitseaparaatidele ka mikroprotsessorsüsteemis toimivatel mudelitel põhinevaid<br />

keerukaid kaitsealgoritme. Kaitsesüsteem võimaldab ka pidurdusega seotud ahelate reserveerimist.<br />

Kaitsesüsteemi, kasutaja- ja andmesideliidestega tihedalt seotud diagnostikasüsteemides kasutatakse<br />

vigade määramiseks samuti mudeleid. Arukad kasutajaliidesed s.h. sõiduki arukad juhtimisorganid<br />

võimaldavad rakendada meetodeid sõiduohutuse ja kasuteguri parandamiseks. Jõu tagasiside<br />

juhtimisorganitele, nt pedaalidele võimaldab parandada teeolude tunnetamist sõidukijuhi poolt ja<br />

seega ka sõiduki juhitavust. Sõiduabisüsteemid (erinevad sõidutalitlused erinevate teetingimuste jaoks,<br />

teeolude indikatsioon jms.) võimaldavad valida sobivaima sõidukiiruse. Sõiduki liikumisega seotud<br />

abiahelate ja blokeeringute juhtimine (veoajami juhtimissüsteemi signaale kasutatakse nt. sõiduki uste,<br />

pöörangute jms. juhtimisel) parandab sõiduki abisüsteemide ohutust. Juhtimissüsteemi ehitusest ja<br />

hajutatusest tulenevalt kasutatakse juhtimisplokkide vahel andmesidesüsteemi (CAN, Ethernet,<br />

vms.), mille kaudu on võimalik rongiks ühendatud sõidukite veomuundurite omavaheline<br />

sünkroniseerimine ja tagasisidega signalisatsiooni- ja indikatsioonisüsteemi s.h. piduritulede,<br />

hoiatuskellade jms. sidumine veoajami juhtimisega. Arukad tagasisidega pooljuhtreleed võimaldavad<br />

kontrollida abiseadmete tööd, nt. lampide läbipõlemise diagnostikat sõidu ajal.<br />

Energiahaldus- ja säästusüsteemides rakendatakse mitmesuguseid juhtimismeetodeid nagu nt.<br />

kombineeritud takistus- ja rekuperatiivpidurdus, pidurdustalitluse paindlik juhtimine energia<br />

efektiivseks regenereerimiseks kontaktvõrku. Pilooteksemplaridel on realiseeritud energiasalvestitega<br />

sõidukeid. See võimaldab uurida energiahaldussüsteemidega sõiduki energiavaru juhtimist s.h.<br />

keemiliselt akudes, elektriliselt ülikondensaatorites, või mehaaniliselt sõiduki liikumises s.h.<br />

hooratastes salvestatud energia ja kütte soojusenergia juhtimist. Liikluse juhtimissüsteemi abil on<br />

tulevikus võimalik veoajamite võimsuspiirangu pidev juhtimine ja sõidukite liikumise<br />

kooskõlastamine kadude vähendamiseks toiteliinides.<br />

<strong>1.</strong>4.2. Alalisvoolumootoritega veoajamite juhtimismeetodid<br />

Vanemate alalisvoolu veoajamite puhul on levinuim jadaergutus. Sellisel ajamil on juba ilma<br />

juhtimissüsteemi abita veoajamile sobiv kiiruse-momendi tunnusjoon. Reostaat-juhtimisega ajamites<br />

toimivad reostaadi astmed veomootorite voolu piiravate elementidena ka avatud ahelaga<br />

juhtimissüsteemis st. ilma tagasisideahelaid kasutamata. Nüüdisaegsetes süsteemides kasutatakse<br />

valdavalt pinge pulsilaiusjuhtimist koos suletud juhtimisahelaga. Impulssjuhtimisega kombineeritud<br />

süsteemides rakendatakse relee-kontaktorjuhtimist pinge ja voolu reguleerimisulatuse laiendamiseks,<br />

voolu piiramiseks, koormuste ümber-rühmitamiseks jadalülitusest paralleellülituseks ja vastupidi,<br />

mootorite mähiste ümberlülitamiseks, eri ahelate voolude ühtlustamiseks ahelate jadalülitusega ja eri<br />

ahelate pingete ühtlustamist ahelate rööplülitusega. Relee-kontaktorjuhtimise puuduseks on täiendavad<br />

lülituselemendid - releed ja kontaktorid, mis suurendavad juhtimise keerukust ning vähendavad<br />

töökindlust. Mehaaniliste ja elektromehaaniliste lülitite (kontaktorite) puuduseks on aeglane toimekiirus<br />

ja elektrikaare tekkimine voolu väljalülitamisel.<br />

Pulsilaiusjuhtimist kasutatakse muundurite pinge ja voolu ning mootori kiiruse juhtimiseks. Voolu<br />

piiravate passiivkomponentide puudumisel pole avatud ahelaga juhtimine kasutatav, mistõttu<br />

rakendatakse tagasisidega juhtimismeetodeid. Voolu reguleerimist kasutatakse jadaergutusega<br />

alalisvoolumasinate korral. Voolu reguleerimine on heade dünaamiliste omadustega, kuid on<br />

põhjustab jäiga tunnusjoone tõttu libisemisprobleeme. Libisemisevastane süsteem on vajalik<br />

(möödapääsmatu). Kiiruse ja voolu (või momendi) reguleerimine annab paremad dünaamilised<br />

28

omadused ja võimaldab sujuvaid kiirendusrampide kõveraid, kuid mõnedes töörežiimides põhjustab<br />

libisemist võnkumiste tõttu sõiduki erinevate veotelgede vahel. Seetõttu on vajalik kõigi ajami<br />

veotelgede ühtne juhtimine ja kiiruseandurite kasutamine kõigil veotelgedel. Lisaks loetletutele saab<br />

rakendada ka kombineeritud juhtimist erinevates tööpiirkondades ja töörežiimides. Paljudes vanemates<br />

lahendustes kasutatakse keerukama juhtimissüsteemi asemel ühte võimsat muundurit kogu süsteemi<br />

toiteks. Sellise lahenduse puudusteks on jõupooljuhtkomponentide kõrgem hind, libisemisevastase<br />

süsteemi ja reserveerimisvõimaluste puudumine.<br />

<strong>1.</strong>4.3. Magnetvälja või ergutusvoolu juhtimine<br />

Nüüdisaegsetes veoajamites on veomootorite magnetvälja nõrgenduse kasutamise peamiseks põhjuseks<br />

veomuundurite väljundpinge piiratus [CHA03]. Kergrööbassõidukite elekterveoajamites ei kasutata<br />

muudetava ülekandeteguriga veoülekandeid. Seega peavad mootorid talitlema laias kiiruste vahemikus<br />

piiratud võimsusega. Selleks on vaja nii alalisvoolu kui ka vahelduvvoolu induktsioon veomootorite<br />

puhul reguleerida magnetvälja tugevust. Nimikiirustest suurematel kiirustel tuleb piirata mootori<br />

võimsust. Üheks võimsuse piiramise võimaluseks on magnetvälja nõrgendamine. Magnetvälja<br />

nõrgendamine võimaldab suurendada veomootorite kiirust suurendamata mähiste voolusid ja võimsust.<br />

Alalisvoolumootorite korral saab kasutada veomootorite ergutuse mudelipõhist juhtimist ja<br />

vahelduvvoolumootorite korral magnetvoo vektorjuhtimist või pinge-sagedussõltuvuse funktsiooni.<br />

Pingevaheldites ja pinget alandavates alalispinge muundurites puudub pinget kõrgendav lüli ja<br />

veomuunduri väljundpinge maksimaalväärtus on seotud toitepingega. Ajamisüsteemide lihtsustamise<br />

huvides välditakse magnetvälja nõrgendamist kui veomuunduri väljundpinge on piisav veomootorite<br />

kiiruse suurendamiseks üle nimikiiruse. Lühiajalist ülekoormatavust suurtel kiirustel tuleb sel juhul<br />

veomootorite valikul arvestada.<br />

Magnetvälja nõrgendamiseks kasutatakse alalisvoolu veoajamites ergutusmähiste šuntimist kontaktide ja<br />

takistitega, ergutusmähiste šuntimist pooljuhtlülititega, ahelate ümber-rühmitamist nt. rööplülitusest<br />

jadalülituseks ja vastupidi, ergutuse juhtimine impulssmuunduriga, väljanõrgendust magnetite<br />

mehaanilise pööramisega püsimagnetergutusega veomootorites. Keerukuse tõttu on nimetatud meetod<br />

vähelevinud. Ajami ülesergutamise võimalused pingetust olekust veeremisel ja rekuperatiivpidurdus<br />

sõltuvad juhtimissüsteemist ja ajami elektriskeemist.<br />

<strong>1.</strong>4.4. Vahelduvvoolu veomootorite juhtimismeetodid<br />

Vahelduvvoolu veoajamites kasutatakse paindlikku juhtimist võimaldavaid transistorvaheldeid,<br />

mistõttu veojõu ja töörežiimide muutmiseks väljundahelates täiendavaid kontaktoreid üldjuhul ei<br />

kasutata.<br />

Skalaarjuhtimisel (näiteks U f = const ) on siirdeprotsesside ajal mootorites suured kaod. Seega<br />

tuleb vajaliku momendi saavutamiseks sõiduki kiirendamisel ja pidurdamisel valida mootorid<br />

tunduvalt suurema võimsusega võrreldes samade veoomadustega alalisvoolumootoritega.<br />

Skalaarjuhtimine on suhteliselt lihtsalt kasutatav paralleellülituses veomootorite puhul.<br />

Magnetvoo vektorjuhtimine koos mootori momendijuhtimisega võimaldab saavutada väga heade<br />

staatiliste ja dünaamiliste omadustega ning suure kasuteguriga ajami. Samuti saab kasutada skalaar- ja<br />

vektorjuhtimist eri tööpiirkondades kombineeritult. Magnetvoo vektorjuhtimise meetodid on<br />

tänapäeval laialdaselt kasutusel. Peamiselt kasutatakse momendi otsejuhtimist (DTC)<br />

asünkroonmootorite juhtimiseks, kuid vastavad anduriteta momendi otsejuhtimise meetodid on<br />

väljatöötatud ka mõnede teiste mootoritüüpide (nt. reluktantsmootorite) jaoks. Vektorjuhtimise<br />

rakendamine mitmemootorilise ajamiga elektersõidukil osutub väga komplitseeritud probleemiks.<br />

Rataste veomomentide ja kiiruste ühtlustamine mitmemootorilises vektorjuhtimisega ajamis on<br />

keerukas ülesanne, mille lahendamine praktikas pole alati õnnestunud. Tulemuseks on rataste<br />

suurenenud ja ebaühtlane kulumine ning probleemid trammi juhtimisel. Paralleellülituses<br />

veomootorite mudelipõhist juhtimist käsitletakse kirjandusallikates [BOI04]. Mitme vahelduvvoolu<br />

veomootori paindlikuks juhtimiseks on vaja kasutada eraldi toitemuundureid [HEI95].<br />

29

Aastal 1995 valmis Helsingis ABB katse-trammivagun nr. 11, milles kasutatakse kiiruseanduriteta<br />

momendi otsejuhtimist [HEI95]. Tramm on läbivate veotelgedega ja heade dünaamiliste omadustega.<br />

Madalapõrandaline ja seega läbivate veotelgedeta ja rataste sõltumatu juhtimisega (Adtrans<br />

Variotram) vagunid saadeti juhtimissüsteemi probleemide tõttu pärast katsekäitu tehasesse<br />

täiustamiseks tagasi. Veoratastega sõltumatu juhtimisega seonduvate probleemide analüüsi võib leida<br />

kirjandusest [CHE02].<br />

Mõnedes mitmesüsteemilise toitega vahelduvvoolu veoajamis [KET97] kasutatakse veomuunduri<br />

väljundis kontaktoreid veomootorite täht-kolmnurk ümberlülituseks [FUC99]. Sõltumatult toimivaid<br />

kaitseahelaid vajatakse juhul kui ühest veomuundurist toidetakse mitut vahelduvvoolumootorit ja<br />

veomootorite sõltumatu reserveeritava juhtimise tagamiseks rikete korral. Lüliteid ja kontaktoreid<br />

väljundahelates vajatakse ka mitmesuguste hooldusfunktsioonide täitmiseks nagu näiteks veorataste<br />

lihvimine. Paindlik veomuundur peaks olema kasutatav erinevate väljundahelate ja mootoritüüpidega.<br />

<strong>1.</strong>5. Energiasäästumeetodid<br />

Elekterveoajam on elektersõidukis suurima võimsuse ja energiatarbega süsteemiks ja võib olla ka<br />

elektrienergia allikaks pidurdusel. Elekterveoajami töörežiimid määravad energia suuna ajami ja võrgu<br />

vahel. Sõidukeid ja nende ajamisüsteeme võib energia juhtimise järgi liigitada<br />

Elektersõiduki veoajam<br />

Juhitamatu<br />

ühesuunalise<br />

energiavooga<br />

T arbitava võimsuse<br />

ja püsi-sõidukiiruse<br />

piiranguga<br />

Regenereeritava<br />

võimsuse<br />

juhtimisega<br />

Energiahaldus<br />

elektrienergia<br />

salvestamiseta<br />

Energiahaldus<br />

energiasalvestite<br />

juhtimisega<br />

Joonis <strong>1.</strong>11 Veoajamite energia juhtimisvõimaluste liigitus<br />

Vanemad trammide ja trollibusside veoajamid on valdavalt ilma püsikiiruseta ja juhitamatu<br />

ühesuunalise energiavooga. Piiratud on vaid sõidukite maksimaalne tarbitav võimsus. Sõidukite<br />

poolt tarbitava võimsuse kooskõlastatud piiramine on vajalik kui alajaama väljundvõimsusest ei piisa<br />

kõigi sõidukite üheaegseks kiirendamiseks. See on vajalik näiteks liiklusseisakute puhul paljude<br />

sõidukite sõidu alustamiseks ühe veoalajaama toitepiirkonnast. Automaatses energiahaldussüsteemis<br />

on võimalik rakendada nii ajalist kui ka prioriteedipõhist juhtimist. Ühtlast sõidukiirust võimaldavate<br />

veoajamitega süsteemis saab prioriteedi- ja ajapõhist võimsuse ja sõidukiiruse piiramist kasutada<br />

elektrienergia kokkuhoiuks ja pingekvaliteedi parandamiseks. Pidurdusenergiat on võimalik tagastada<br />

kontaktvõrku. Vajadus tagastatavat võimsust juhtida tuleneb pingekvaliteedi nõuetest.<br />

Rekuperatiivpidurdus pole tehnilistel põhjustel rakendatav ka kõigil sõidukiirustel, mistõttu<br />

rakendatakse erinevaid kombineeritud pidurisüsteeme.<br />

Elektrienergia salvestamiseta energiahaldus kasutab sõiduki erinevate süsteemide salvestusvõimalusi,<br />

nt. võrku tagastatava võimsuse ja abiseadmete nt. kütteahelate poolt tarbitava võimsuse juhtimist<br />

rekuperatiivpidurduse ajal. Elektrienergia salvestite olemasolul on võimalik energiavoogude paindlik<br />

juhtimine vähendamaks energiakadusid kontaktvõrgus. Energiavoo juhtimine ja sõiduki energiahaldus<br />

sõidukis või transpordiettevõttes on energiatehnikas oluliseks arengusuunaks.<br />

Kasutatavate meetodite valik ning tasuvus sõltub kiirendus- ja pidurdusprotsesside kestusest<br />

liiklusoludes ja neile esitatud nõuetest. Veoajami rekonstrueerimise tasuvus-uuringul tuleb arvestada<br />

valitava töörežiimiga, sest töörežiimist sõltub süsteemi maksumus. Näiteks tihedama liikluse korral on<br />

ka võimaliku rekuperatiivpidurduse osakaal suurem. Selleks tehakse sõidutsüklite mõõtmisi reaalsetes<br />

liiklusoludes ja vastaval koormusel. Saadud tulemusi kasutatakse tasuvus-uuringus ja tehniliste<br />

lahenduste valikul.<br />

<strong>1.</strong>5.<strong>1.</strong> Pidurdusenergia kasutamise ja edastamise juhtimine<br />

Elektrilise pidurduse kasutamisel tuleb pidurdusenergia suunata kas pidurdustakistisse<br />

(elektrodünaamiline pidurdus), tagasi kontaktvõrku või energiasalvestisse (rekuperatiivpidurdus).<br />

Enamik nüüdisaegseid veoajameid on kombineeritud elektrilise pidurdusega, mis võimaldab<br />

samaaegselt paindlikult juhtida nii elektrodünaamilist kui ka rekuperatiivpidurdust. Elektrist pidurdust<br />

pole võimalik füüsiliselt eraldada kui kiirenduse ja eri pidurdusrežiimide jaoks kasutatakse samu<br />

30

veomootoreid ja elektriahelad. See kehtib enamiku nüüdisaegsete juhitavate vahelduvvooluveomootoritega<br />

ajamite kohta.<br />

Trammide pidurdusmeetodid võib liigitada järgmiselt: Pidurdus mehaaniliste piduritega,<br />

elektrodünaamiline takistuspidurdus energiat kontaktvõrku tagastamata, osaline rekuperatiivpidurdus<br />

pinget kõrgendava muundurita, rekuperatiivpidurdus pinget kõrgendava muunduriga,<br />

rekuperatiivpidurdus voolu reguleerimisega ning energia regenereerimine võrku kasutades toiteahela<br />

sisendis kiiretoimelisi pooljuhtlüliteid, rekuperatiivpidurdus voolu reguleerimisega ja energia<br />

regenereerimine võrku või salvestamine. Tööstuses laialt kasutatavat vahelduvvooluajamite<br />

alalisvoolupidurdust sõidukitel üldjuhul ei kasutata.<br />

Elekterveoajamid on projekteeritud tööks nimipingealas. Kontaktliini pinge rekuperatiivpidurduse<br />

režiimis on oluliselt kõrgem kui kiirendusel ja vabajooksul. Pinge ülemise piiri määrab<br />

pidurdusmuunduri (brake-chopper) pingesätted (näiteks pinge ülemine piir 600 V nimipingel võib olla<br />

720 V). Pingestandard [EN 50163] lubab 600 V nimipinge korral lühiajalisi ülepingeid kuni 800V.<br />

Veomuundurite tööpingenivood tuleb seada vastavalt kontaktvõrgu toitepingenivoole (nimipingele).<br />

Samas peavad olema ühildatud ka eri sõidukite pingenivoode sätted. Töörežiimi vahetamiseks ja<br />

paindlikuks kaitseks kasutatakse jõuahelas täiendavat kiiretoimelist sisendlülitit, mis sisaldavad nii<br />

elektromehaanilist lülitit kui ka elektrikaare vältimise pooljuhtahelaid [MEY00]. Pidurdusenergia<br />

paremaks ärakasutamiseks suunatakse see energiasalvestitesse [TAK03][JOL0422] või juhitavatesse<br />

küttekehadesse. Sõiduki kiiretoimelise sisendmuunduriga saab piirata võrku antavat<br />

rekuperatiivpidurdusvoolu.<br />

<strong>1.</strong>5.2. Autonoomsed energiahaldussüsteemid<br />

Energiahaldussüsteemid võimaldavad liinist tarbitava ja ajamis regenereeritava võimsuse paremat<br />

edastamist ja ärakasutamist sõidukis. Ajami pea-vooluahela eri lülituste puhul kasutatakse erinevaid<br />

juhtimismeetodeid ja seega ka erinevaid energiahalduse meetodeid. Keerukamad<br />

energiahaldusesüsteemid on kasutusel piiratud energiasalvestusvõimalustega autonoomsetes<br />

elektersõidukites. Energiakasutuse efektiivsuse suurendamine ja salvesti energiahulga jälgimine on<br />

autonoomse elektersõiduki rahuldava jõudluse saavutamisel [CHA97] üks põhiülesandeid.<br />

Kontaktliiniga seotud rööbassõidukile kohandatud energiahaldussüsteemi struktuur on näidatud<br />

joonisel <strong>1.</strong>12.<br />

S uure võimsuse süsteemid<br />

Veoajamite<br />

süsteem<br />

Küttesüsteem<br />

Aku ko os<br />

laadija ja<br />

energiavaru<br />

hald us ega<br />

V äikese võimsusega madalapingelised seadmed<br />

Ab iahelate<br />

to itemuundur<br />

Välisvalgustus<br />

Sisevalgustus<br />

A biajamid<br />

Pidurid,<br />

Juhtahelad<br />

Andurid<br />

Kiiruse<br />

andurid<br />

Kiirenduse<br />

mõõtja<br />

Siseõhu<br />

temp.<br />

Välisõhu<br />

temp.<br />

Sõidu k isisene energiahaldu ssü steem (EM S)<br />

Kooskõlastab veoajami, küttesüsteemi, valgustuse,<br />

energiasalvestite jt. süsteemide tööd.<br />

Kustumatu<br />

operatiivmälu<br />

(N VRA M )<br />

Sõiduprofiilide<br />

ja olekuinfoga<br />

M ikrokontroller<br />

koos<br />

andmesideliidestega<br />

Püsimälu<br />

(RO M )<br />

Sõiduki<br />

komponentide<br />

mudelitega<br />

Kasutaja<br />

liides<br />

Energia<br />

arvesti<br />

Salvesti<br />

näidik<br />

Võimsus<br />

näidik<br />

Läbisõidu<br />

näidik<br />

M uunduri<br />

temp.<br />

M ootori<br />

temp.<br />

Juhtimis<br />

lülitid<br />

Kasutajaliides (HM I)<br />

Juhtimis<br />

nupud<br />

Kiirenduspedaal<br />

Piduripedaal<br />

Spidomeeter<br />

T eksti<br />

kuvar<br />

Joonis <strong>1.</strong>12 Toiteliinist toidetava sõiduki energiahaldussüsteemi struktuur<br />

Joonisel <strong>1.</strong>12 kujutatud energiahaldussüsteem kasutab sõiduki alamsüsteemides paiknevate andurite<br />

infot, mille järgi: näitab energiavarusid ja standard-sõiduprofiili järgi autonoomselt läbitavat<br />

vahemaad; juhib sõiduki alamsüsteemide energiakasutust; soovitab väiksema energiakuluga<br />

sõidustiili; suunab rekuperatiivpidurduse energia energiasalvestisse (akud või ülikondensaatorid);<br />

valib aku laadimisalgoritmi vastavalt aku laadimisolekule ja eelnevatele laadimistsüklitele; muudab<br />

31

kliimaseadmete juhtimist vastavalt jooksvatele sõidutingimustele;<br />

vastavalt välisvalguse intensiivsusele.<br />

reguleerib valgustuse heledust<br />

Sõiduki alamsüsteemide ja pardaseadmete talitluste juhtimine toimub sõiduki juhtsiini kaudu. Juhtsiini<br />

kaudu kogutakse infot alamsüsteemides paiknevatest anduritest ja edastatakse alamsüsteemidel<br />

juhttoimed. Levinuimaks siinisüsteemiks sõidukites on mitme ülemseadmega CAN siin.<br />

Autonoomsetes sõidukites on energiahaldussüsteemi võimalik siduda navigatsioonisüsteemiga, see<br />

võimaldab valida väiksema energiakuluga marsruute, paigutada laadimisseadmeid pikematele<br />

marsruutidele. Samuti võimaldab see muuta soovitavaid marsruute (route predictions) ja hinnata<br />

võimalikku sõiduulatust (range prediction) reaalajas vastavalt liiklusoludele. Sõidukiiruse ja tarbitava<br />

võimsuse piiramist saab kasutada energiakulu vähendamiseks.<br />

<strong>1.</strong>5.3. Energiahaldus kontaktliiniga seotud sõidukitel<br />

Energiahalduse meetodid on rakendatavad ka kergetel rööbassõidukitel ja trammidel. Kirjandusest<br />

võib leida uurimistööde ülevaateid energiaefektiivsete tehnoloogiate rakendamise kohta raudteedel<br />

[NOL03]. Energiahaldussüsteem koos energiasalvestite [GAY02] nagu näiteks hoorataste (nt. firma<br />

Beacon Power salvestusalajaam) ja ülikondensaatorite nt. firma Siemens salvestusalajaama<br />

SITRAS SES [SIE05] kasutamisega on võimalik süsteemi kasutegurit tervikuna suurendada [RUF03].<br />

Energiasalvesteid koos teenindavate muunduritega saab paigutada nii alajaamadesse kui ka<br />

sõidukitesse nt. firma Bombardier trammiajamilahendus [STE04] ja firma Vossloh Kiepe GmbH<br />

trammi ja bussi hübriidajamilahendus [LOH04]. Hooratas salvestit saab paigutada ka rööbassõiduki<br />

alusvankrile [PAR03]. Samuti võib kirjandusest leida energiasalvestiga alalisvoolu rööbassõidukite<br />

võimalikke põhimõttelisi tehnilisi lahendusi [TAK03]. Kontaktvõrgust toidetavate elektersõidukite<br />

(trammide, rongide või trollibusside) energiavahetuse juhtimissüsteemi kohta on TTÜ esitanud<br />

patenditaotluse [PET0424]. Mitme, kontaktliini samas sektsioonis paikneva sõiduki vahel on vajalik<br />

energiavoogude reaalajas juhtimist võimaldavate (traadita-) andesidekanalite olemasolu.<br />

<strong>1.</strong>6. Hõõrde juhtimine kergrööbassõidukitel<br />

Veojõud ja pidurdusjõud sõltuvad ratta ja rööpa vahelisest hõõrdest. Veojõu või pidurdusjõu<br />

rakendamisel tekib alati mõningane libistus ratta ja rööpa vahel. Väga suurte jõudude tõttu ratta ja<br />

rööpa kokkupuutepunktis on võimalik saavutada suurt hõõrdejõudu. Samas, isegi molekulaarses<br />

koguses lisandid vähendavad hõõrdumist märkimisväärselt. Need mõjurid on väga juhuslikud ning<br />

neid pole võimalik täpselt modelleerida. Iga süsteem peab aga suutma töötada neist mõjuritest<br />

sõltumata. Põhilisteks lisanditeks, mis hõõrdetegurit mõjutavad on vesi, jää, õli, rauapuru, liiv jms.<br />

Nüüdisaegsete veoajamite juhtimissüsteemid korrigeerivad sõidukijuhi poolt etteantavat signaali ja<br />

võimaldavad reaalajas leida parima hõõrdumise ja seega ka parima kiirenduse või pidurduse.<br />

<strong>1.</strong>6.<strong>1.</strong> Libisemise tuvastamine<br />

Enamikus ajamisüsteemides kasutatakse täpsema tulemuse saamiseks kiiruseandureid. Eraldi<br />

juhitavate mootoritega vahelduvvooluajamites on võimalik pöörlemiskiirust määrata ka mootori<br />

vektormudelite abil. Kiiruse erinevuse meetod [YAS97] kasutab tagasisideks libisemisekiirust v s :<br />

vs<br />

= ωr<br />

⋅ r − vref<br />

,<br />

(<strong>1.</strong>1)<br />

kus: ω r – veotelje või veoratta nurkkiirus, r – veoratta raadius, v ref – sõiduki etteandekiirus, mis<br />

leitakse rataste nurkkiiruste minimaalväärtuste järgi. Mida rohkem rattaid on kasutusel<br />

miinimumkiiruse määramisel, seda parema täpsusega on leitav etteandekiirus. Üldjuhul on sõidukitel<br />

kasutusel ka teisi meetodeid [GUS95], milleks on kiiruste erinevused vedavate ja mittevedavate rataste<br />

vahel, sõiduki dünaamika analüsaator, teepinna peegelduste jälgimine sõiduki ees paiknevate optiliste<br />

anduritega, ratta heli analüüs akustiliste anduritega ja rattasiseste mehaaniliste pingete mõõtmine<br />

anduritega. Eraldi toitemuunduritest juhitavate vahelduvvooluajamite puhul saab rakendada<br />

veorataste kiiruste määramist mootorite voolude järgi [WAT02]. Sõltumatu ergutusega ja eraldi<br />

juhitavate mootorirühmadega alalisvooluajamis saab rakendada libisemise tuvastamist mootorite<br />

elektromotoorjõudude abil.<br />

32

<strong>1.</strong>6.2. Veojõu juhtimine veorataste libisemisel<br />

Hõõrdumise juhtimisel eristatakse järgnevaid tööpiirkondi: stabiilset vedu ilma olulise libisemiseta,<br />

libisemist, libisemist hõõrdejõu ja väljundmomendi tasakaaluolekus, veomomendi vähendamist<br />

libisemise vähendamiseks, veomomendi taastamist arvutuslikule hõõrdejõule vastavaks, veomomendi<br />

taastamist seadesignaalile vastavaks. Kirjandusest võib leida vektorjuhtimisega vahelduvvoolu<br />

veoajamites kasutatavaid haardetaastamise meetodeid [HOR99] ja rööbassõiduki ABB Variotram<br />

(Helsinki, Chemniz) lahendust [SCH97]. eojõu juhtimiseks libisemise korral kasutatakse järgmisi<br />

meetodeid [FRY03]: otseselt, vahetult mittemõõdetavate parameetrite määramine tehisnärvivõrkude<br />

abil [GAD97], diagnostilised algoritmid [GUS98], näiteks kujunditega juhtimine [PAR01], libisemise<br />

kindlakstegemine vooluerinevuste abil vahelduvvooluajamites [WAT02], mudelipõhised regulaatorid<br />

[OHI00], hõõrdejuhtimise hübriidmeetod [PAR01], suurima gradiendi meetod [OHI98] ja<br />

hägusloogiline hõõrdejuhtimine [PAL94][HIL97]. Mõned sõiduautodel kasutatavad rataste<br />

blokeerimisvastased algoritmid [DAY02] on rakendatavad ka kergetel rööbassõidukitel. Ülevaade<br />

libisemise-, blokeerumise- ja haardejuhtimismeetoditest on toodud joonisel <strong>1.</strong>13.<br />

Libisemise<br />

juhtimismeetodid<br />

Kiiruste<br />

erinevusel<br />

põhinevad<br />

Diagnostilistel<br />

algoritmidel<br />

põhinevad<br />

Mootorite<br />

voolude<br />

erinevusel<br />

põhinevad<br />

Mudelipõhised<br />

Hägusloogilised<br />

Tehisnärvivõrkudel<br />

põhinevad<br />

Suurima<br />

gradiendi<br />

meetod<br />

Hübriidmeetod<br />

Joonis <strong>1.</strong>13 Libisemise juhtimismeetodid<br />

Rööbassõidukitel kasutatakse ka mitmesuguseid mehaanilisi hõõrdumisevastaseid süsteeme ja<br />

mitteblokeerivaid pidurisüsteeme, mida saab kasutada hõõrdumise suurendamiseks. Libisemise<br />

vältimiseks on kasutusel järgnevad süsteemid:<br />

<strong>1.</strong> Ratastest eraldi toimivate mehaaniliste pidurite (elektromagnetiliste rööpapidurite) rakendamine ja<br />

sellega hõõrdepinna suurendamine ning hõõrdetegurite ühtlustamine rataste vahel.<br />

2. Pidurdusjõu ühtlustamine rataste ja veotelgede vahel alusvankrite eraldi juhtimisega, mis<br />

võimaldab paindlikku blokeerimisvastast juhtimist<br />

3. Elektriliselt juhitavate liivatamisseadmete kasutamine hõõrdumise parandamiseks pidurdusel ja<br />

kiirendusel.<br />

<strong>1.</strong>6.3. Libisemiskontroll mitmemootorilises veoajamisüsteemis<br />

Libisemise tuvastamiseks mitmemootorilises süsteemis kasutatakse peamiselt kiiruse erinevuse<br />

kindlakstegemist. Kiirusesignaal saadakse kas otse kiirusandurilt või mootori mudelitest voolude ja<br />

pingete kaudu. Kiiruste erinevuse määramiseks saab kasutada kiiruste otsest ja kaudset võrdlemist või<br />

kiirusega seotud parameetrite võrdlemist.<br />

Eri veotelgede või veorataste kiiruste otsesel võrdlemisel kasutatakse kiiruseandureid. Tulemus ei<br />

sõltu seejuures veomootorite seisukorrast ja veoajami ülejäänud komponentidest. Kiiruste kaudsel<br />

võrdlemisel kasutatakse eraldi juhitavate ja toidetavate veomootorite mudelitest arvutatud kiirusi. Seda<br />

kasutatakse näiteks eralditoidetavate veovankrite puhul.<br />

Libisemist saab tuvastada ka kiirusega kaudselt seotud parameetrite otsese võrdlemisega. Nt<br />

alalisvoolumootorite korral kasutatakse mootorite elektromotoorjõudude võrdlemist. Vastuelektromotoorjõudude<br />

ja ankrupingete võrdlemiseks kasutatakse sildlülitust. Jadalülituses alalisvoolu<br />

veomootorite puhul (trammid ČKD Tatra KT4 ja T3/T4, rong RVR ER1, ER2, jt.) kasutatakse<br />

veorataste libisemise kindlakstegemiseks joonisel <strong>1.</strong>14 näidatud sildlülitust. See sildlülitus ei tuvasta<br />

libisemist juhul kui mõlema veomootori teljed libisevad võrdselt.<br />

33

R 2<br />

Us Rv R 1<br />

M 2 M 1<br />

Joonis <strong>1.</strong>14. Alalisvoolu veomootorite libisemisrelee lülitus<br />

Toodud sildlülituses saab andurina kasutada isoleeritud pingeandurit, kõrge mähisepingega<br />

pingereleed U s või optroniga pooljuhtreleed. Andur või relee annab signaali kui veomootorite<br />

vastuelektromotoorjõud pole võrdsed. Paralleellülituses metall-oksiid varistor R v suurendab viivitust ja<br />

vähendab impulssmuunduri ja veomootorite kommutaatorite poolt põhjustatavate kõrgsagedushäirete<br />

mõju. Kirjandusest võib leida jadalülituses alalisvoolu veomootoritega ajamisüsteemi koormuste<br />

jagunemise uuringuid [BOU03].<br />

<strong>1.</strong>6.4. ABS pidurite juhtimine<br />

Rööbassõidukite veojõukontrolli ja libisemisevastaste süsteemide ülesandeks on parandada pidurduse<br />

stabiilsust ja seega vähendada pidurdusteekonna pikkust. Libisemisvastased süsteemid aitavad<br />

vähendada veorataste kulumist ning ühtlustada eri alusvankrite ja erinevate pidurisüsteemide<br />

koormust. Ajamist mõõdetud libisemissignaali kasutatakse lisaks ka kasutajaliideses, et teavitada<br />

sõidukijuhti hõõrdetingimustest ning mitmemootorilise ajamisüsteemi talitluse diagnostikaks.<br />

Libisemissignaali saab kasutada lisaks mootorite elektrilise pidurduse juhtimisele ka<br />

elektromagnetiliste rööpapidurite ja liivaseadmete automaatjuhtimiseks. Rööbassõidukite<br />

libisemisevastased süsteemid erinevad maanteesõidukitel vastavatest süsteemidest, mille peamiseks<br />

ülesandeks on juhitavuse tagamine.<br />

Kirjanduses on toodud ülevaated blokeerimatu pidurisüsteemi juhtimismeetodite ning parameetrite<br />

kohta [DAY02], mis on kohandatavad ka rööbassõidukitele. TTÜ-s käesoleva töö autori poolt<br />

väljatöötatud lahenduse parameetrid on toodud tabelis <strong>1.</strong>5. Eri alusvankrite libisemisevastased<br />

süsteemid peavad ajamisüsteemi stabiilsuse hoidmiseks toimima kooskõlastatult.<br />

Tabel <strong>1.</strong>5 Elektriajamiga blokeerimatu pidurisüsteemi parameetrid<br />

ABS parameeter<br />

Kirjeldus<br />

Tsükli aeg Maksimaalne võimalik aeg stabiilse pidurdusjõu<br />

saavutamiseks<br />

ABS lävikiirus Libisemisevastase pidurdussüsteemi aktiveerimiseks vajalik<br />

sõiduki minimaalne kiirus<br />

Alalisvoolulüli ABS Ajamisüsteemi ja muunduri tööpiirkond milles<br />

lävipinge<br />

libisemisevastase pidurdussüsteemi kasutamine on võimalik<br />

Rakendusviivitus Veomootorite voolu suurendamise aeg<br />

Tagastusviivitus Veomootorite voolu vähendamise aeg<br />

Sisendsignaali<br />

läviväärtus<br />

Veorataste kiiruste erinevuse nivoo, millega aktiveeritakse<br />

libisemisevastane süsteem. On teostatud mitmemootorilise<br />

alalisvooluajami ankrupingete ja elektromotoorjõudude<br />

võrdlemisega<br />

Pidurdusjõu<br />

Ramp pidurdusjõu sujuvaks suurendamiseks<br />

(momendi) ramp<br />

Väljundvoolu<br />

suhteline läviväärtus<br />

Minimaalne veomootorite suhteline vool protsentides<br />

etteandevoolust libisemisevastasel pidurdusel<br />

34

<strong>1.</strong>7. Sõiduki juhtimisorganite ja kasutajaliideste areng<br />

<strong>1.</strong>7.<strong>1.</strong> Veoajamisüsteemi veo- ja pidurdusjõu seadurid<br />

Veoajamite veo- ja pidurdusjõu etteandmiseks kasutatavaid juhtseadiseid võib liigitada vastavalt<br />

manuaal- või pedaaljuhtimise liidesteks. Vastavalt juhtseadiste tüübile (käsikontroller või pedaalid)<br />

projekteeritakse kogu sõidukijuhi töökoht st. nuppude hoobade, pedaalide, lülitite, mikrofonide jms.<br />

asukohad. Pedaaljuhtimine on levinud bussidel ja trollibussidel võimaldamaks ka sõiduki roolimist.<br />

Vanematel trammidel, s.h. ČKD Tatra kiirendiga trammivagunitel on valdavalt kasutusel<br />

pedaaljuhtimine. Manuaaljuhtimise puhul piisab ühest, tavaliselt vasaku käega juhitavast juhthoovast<br />

nii kiirendamiseks kui ka pidurdamiseks. Uutel trammide puhul eelistatakse süsteemi väiksema<br />

maksumuse tõttu pedaaljuhtimisele manuaaljuhtimist. Kirjandusest võib leida kombineeritud piduri ja<br />

kiirenduspedaale [NIL00] kus kiirendus ja pidurdus on teostatav ühe pedaaliga (ja jalga pedaalilt<br />

tõstmata). Kombineeritud kiirendus-pidurduspedaalid on mitme anduri ja keerukama<br />

konstruktsiooniga kui ühefunktsioonilised pedaalid. Lisaks veo- ja pidurdusjõu reguleerimiseks<br />

kasutatavatele pedaalidele kasutatakse rööbassõidukites ka lülitit sisaldavat ohutuspedaali (dead man<br />

control) või sama funktsiooniga nupplülitit. Uutes sõidukites on raskusega allavajutatavate<br />

ohutuspedaalide asemel võetud kasutusele perioodiliselt või osalist vajutamist nõudvad<br />

ohutuspedaalid ja nupud koos hoiatava helisignaaliga. Vaguni kiirendamise ja pidurdamisega otseselt<br />

seotud süsteemidest võib nimetada veel avariipidurdussüsteemi, liivaseadmeid (liivateid),<br />

seisupidureid ning indikatsioonisüsteeme nagu stopptulesid, tagurdamis-indikatsiooni ja hoiatuskella.<br />

Sõidukitel kasutatakse depoos manööverdamiseks ka täiendavaid juhtpulte, nt trammi tagaosas<br />

paiknevat tagasisõidupulti.<br />

<strong>1.</strong>7.2. Juhtseadiste ehitus<br />

Tänapäeval kasutatakse sõiduki veo- ja pidurdusjõu etteandmiseks kontaktkontrollerite ja<br />

potentsiomeetrite asemel kontaktivabu asendiandureid. See võimaldab suurendada süsteemi<br />

töökindlust. Et tagada pidurisüsteemide sõltumatut tööd ja reserveeritavust on kasutusel ka kontaktid<br />

avarii- ja ohupidurite juhtimiseks. Ajami- ja pidurisüsteemi juhtimisorganitega on vahetult seotud ka<br />

signalisatsioonisüsteemid, nt. pidurituled, tagurdamistuled, koos ohupiduriga rakendatav hoiatuskell.<br />

Pedaalide kontaktkontrolleri kasutamisel on juhtimine astmeline, nt. erinevate veojõu<br />

etteandeväärtustega sõidurežiimid. Potentsiomeetrite ja pedaali asendiandurite kasutamisel on andurite<br />

analoogsignaali mõõtmisel AD muunduriga eristatavate asendite arv sadu kordi suurem, mistõttu<br />

sõidukijuht seaduri astmeid ei märka. Seadesuurust võib saada ka seaduri digitaalselt impulssandurilt.<br />

<strong>1.</strong>7.3. Sõidukijuhi töökoha ümberkujundamise probleemid<br />

Veoajamite rekonstrueerimisel ja üleminekul manuaaljuhtimisele (pedaaljuhtimise asemel) vajab<br />

juhtide ümberõpet. Manuaaljuhtimisele üleminek on seotud ka juhtpuldi ümbertegemisega, sest kõiki<br />

sõidul vajalikke toimingud (tulede lülitamine, helisignaal, pööranguseadmete juhtimine jms.) peab<br />

olema võimalik teostada ühe käega. Sellega kaasnevad muudatused paljude veoajami abisüsteemide ja<br />

sõiduindikatsiooniga seotud süsteemide juhtimises. Sõidukijuhi töökoha disain on otseselt seotud<br />

liiklusohutusega ja seetõttu teostatakse muudatuste puhul mitmesuguseid uuringuid, nt Austrias Viini<br />

trammipargis teostatud juhi töökoha moderniseerimine [KAI05] ja juhipultide ühtlustamine Euroopa<br />

rahvusvahelises raudteeliikluses kasutatavatel veduritel [SOR01].<br />

Ajamitüübi juhtimismeetodi muutmine on möödapääsmatu näiteks impulssjuhtimise<br />

kasutuselevõtul. Reostaatjuhtimise ja impulssjuhtimise korral erinevad ka sõiduki energiasäästlikud<br />

juhtimisvõtted. Üleminekuga kaasnevad muudatused kiirendus ja pidurdusprotsesside juhtimises.<br />

Kiirendustakistitega (reostaatjuhtimisega) trammi korral saavutatakse väiksem energiakulu juhul kui<br />

kiirendustakisti kasutamise aeg on minimaalne. Pooljuht-impulssmuunduri korral on kaod muunduris<br />

väikesed ja energiatarve sõltub sõidu sujuvusest ja rekuperatiivpidurduse kasutamisest.<br />

Erinevused juhtimises on olulised ka ajami juhtimise (nt. mootori ergutusviisi, vooluregulaatorite jms.)<br />

muutumisel. Seejuures on oluline, kas ajam on jadaergutusega või sõltumatu ergutusega. Jadaergutuse<br />

korral on nimiergutusvoolust väiksematel ja suurematel vooludel veomootori kasutegur madalam.<br />

Sama kehtib ka nimiergutusvoolust mõnevõrra suuremate voolude korral, mil veomootorite<br />

35

magnetahel on küllastuses. Sõltumatu ergutuse korral hoitakse ergutusvoolu nimiväärtusel, mis<br />

võimaldab suuremat kasutegurit väiksematel sõidukiirustel. Sõiduki sujuv kiirendamine ja<br />

pidurdamine saavutatakse impulssjuhtimisel pedaalide sujuva vajutamisega.<br />

<strong>1.</strong>7.4. Juhtpuldi indikatsioon ja signalisatsioon<br />

Ajami ja juhtimissüsteemi erinevustest tingituna on juhtpaneelidel erinevad signaallambid.<br />

Signalisatsiooniks ja indikatsiooniks kasutatakse uutes lahendustes valgusdioodlampe, numbrilisi<br />

näidikuid ja graafilisi kuvareid. Vanemates süsteemides on lisaks kasutusel ka elektromehaanilised<br />

näidikud, nt kiiruse ja läbisõidunäidik. Paljudel juhtudel on olekuindikaatoriks lüliti asend ja<br />

täiendavat signaallampi ei vajata. Ohusignalisatsiooniks kasutatakse peale hoiatuslampide mõnikord<br />

ka helisignaali.<br />

Otseselt sõiduga seotud näidikud liigitatakse põhi- e primaarseteks näidikuteks ja abisüsteemide (küte,<br />

raadioside, mitmesugused arvestid jms.) abi- e sekundaarseteks näidikuteks (vt. tabel <strong>1.</strong>7).<br />

Kontaktvõrgust toidetava veoajamiga sõiduki juhtimisega otseselt seotud nn. põhinäidikute sobiv<br />

paigutus ja omadused vastavalt nõuetele ja soovitustele [GUI04] [BEA98] on toodud tabelis <strong>1.</strong>6.<br />

Tabel <strong>1.</strong>6 Sõiduki põhinäidikud<br />

Näidik<br />

Kiirusenäidik<br />

Hoiatuslambid<br />

Elektrisüsteemi<br />

näidikud<br />

Suunatulede<br />

indikaatorid<br />

Kaugtulede<br />

indikaator<br />

Seisupidurite<br />

indikaator<br />

Liinipinge<br />

indikaator<br />

Ajami võimsuse<br />

näidik<br />

Veorataste<br />

libisemise<br />

indikaator<br />

Selgitus<br />

Kergesti jälgitav näidik kiiruse hõlpsaks piiramiseks vastavalt<br />

liiklusoludele. Sõidukiiruse näidik paigutatakse otse juhi ette<br />

Olulisemad signaallambid paiknevad otse juhi ees. Nendeks on ka<br />

veoajami ja pidurisüsteemi rikkeindikaatorid ja mõned veoajami<br />

olekuindikaatorid (sisendlüliti, veasignaalid, veomootorite ergutus<br />

vms.). Seisupidurite oleku ja süsteemide rikkeindikaatorite jaoks<br />

kasutatakse punaseid signaallampe. Koos lampidega või<br />

hoiatuslampide asemel kasutatakse ka hoiatussignaale<br />

Näidikud võimaldavad jälgida elektrisüsteemi, sh akupatarei,<br />

seisundit, et rikke tekkimisel saaks seda operatiivselt kõrvaldada.<br />

Näitavad suunatulede olekut<br />

Indikaator näitab sõidutulede olekut. Kaugtule indikaatorina<br />

kasutatakse sinist signaallampi<br />

Indikaator näitab seisupidurite ja teiste pidurisüsteemide olekut ja<br />

töövalmidust<br />

Indikaator näitab kontaktliinipinge olemasolu. Täiendavalt<br />

kasutatakse ajami valmisolekut näitavaid signaallampe. Need<br />

annavad infot toitepinge olemasolust, ajami ja muunduri olekutest<br />

ning sõidutalitluse ja elektrodünaamiline pidurdustalitluse<br />

võimalikkusest<br />

Mõõteriist, mis näitab võimsust ja selle suunda, sh. võimsuse<br />

tarbimist või regenereerimist pidurdustakistisse ja kontaktvõrku.<br />

Kui võimsuse täpset näitu ei vajata, võidakse vähe muutuva pinge<br />

korral kasutada võimsuse ja selle suuna näidikuna ampermeetrit.<br />

Muutuva liinipinge korral ei anna ampermeeter täpset infot<br />

võimsuse kohta<br />

Libisemise kaitsesüsteemi signaallamp annab lisainfot alusvankri<br />

rattapaaride libisemise kohta ja ABS süsteemi töö kohta<br />

36

Tabel <strong>1.</strong>7 Veoajamiga seotud abinäidikud<br />

Näidik<br />

Elektrienergia<br />

arvestid<br />

Läbisõidu<br />

arvesti<br />

Rekuperatiivpidurduse<br />

indikaator<br />

Termomeetrid<br />

Selgitus<br />

Ajami sisendis paiknevate voolu ja pingeandurite abil arvestatakse<br />

nii tarbitud kui ka kontaktvõrku tagastatud elektrienergiat<br />

Läbisõidu arvestus toimub veoajami tagasiside jaoks kasutatavate<br />

impulssandurite abil<br />

Täiendavad signaallambid võimaldavad juhil sõita väiksema<br />

energiakuluga andes infot rekuperatiivpidurduse võimalikkuse või<br />

sobivuse kohta, veorataste libisemise ja teeolude, liinipinge<br />

seisundi ja erinevate mehaaniliste pidurisüsteemide oleku kohta<br />

Mõõteriistad näitavad sõiduki sise- ja välistemperatuuri ning<br />

hoiatavad muundurite jt. oluliste seadmete kriitilisest temperatuurist<br />

<strong>1.</strong>7.5. Taktiilse jõutagasisidega juhtimisseadmed<br />

Taktiilne jõutagasiside (Haptic Feedback) võimaldab juhil paremini tunnetada sõiduki reaktsiooni<br />

tema poolt antud juhtsignaalidele. Vastujõudu arendav seade võimaldab operaatoril (sõidukijuhil)<br />

tunda andurite poolt ajamis mõõdetavaid jõudusid [HUS99]. Tagasiside võib kajastada erinevaid<br />

mõjusid nagu – rataste libisemine, ohuolukord vms. Taktiilse jõutagasisidega veoajami struktuur on<br />

toodud joonisel <strong>1.</strong>15.<br />

E lektersõiduki juhtimisssüsteem<br />

S õid uki<br />

ju ht<br />

Taktiilse tagasisidega elektrom ehaan ilin e pedaal<br />

P ed aal,<br />

(rool),<br />

vms.<br />

Taktiiltäitu<br />

r<br />

A send i ja jõ u<br />

and u rid<br />

Täituri<br />

ju htimine<br />

Juh tim iselektroon<br />

ika<br />

Juhtimissiin<br />

M ikrokontroller<br />

Hald u s ja<br />

talitlu s-<br />

järelvalve<br />

S õid u,<br />

pidu rd use ja<br />

roolimise<br />

ju htimine<br />

E lektromehaan<br />

ilised<br />

and urid<br />

M eh aan iline<br />

ü lekann e<br />

vm s.<br />

Sõ idu ki<br />

liikum in e<br />

(koormus)<br />

V aru<br />

juh tim isseadm<br />

ed<br />

Täiturite<br />

ju htimine<br />

Jõu -pooljuh t<br />

lü litid<br />

E lektrilised<br />

täitu rid<br />

E lectriline<br />

Toide 1<br />

M adalapingeline ja väikese võimsuseline toide<br />

E lektriline<br />

Toide 2<br />

Suure võimsusega toide<br />

Joonis <strong>1.</strong>15 Peamised signaalivood taktiilse tagasisidega ja<br />

juhtmete kaudu juhitavas juhtimissüsteemis<br />

Autodel ja rööbassõidukitel on kasutusele võetud sõiduabisüsteemid. Firma Continental Temic ACDIS<br />

süsteem kasutab juhi hoiatamiseks vibraatoriga pedaali. Vibraator rakendatakse tööle ohuolukorra<br />

tuvastamisel andurite poolt. Pikivahe hoidmise süsteeme on sõidukitel rakendatud ka firma BMW<br />

poolt [SCH00]. Toodud süsteemide eesmärgiks on kokkupõrgete vältimine. Jõu tagasisidet pedaalile<br />

saab kasutada ka rataste libisemise jälgimiseks pidurdusel. Blokeerumatud pidurisüsteemid väljastavad<br />

töölerakendumisel jõu tagasiside abil signaali sõidukijuhile. Pidurdusabisüsteemi kasutamine<br />

võimaldab sõidukijuhil paremini tunnetada rataste poolt tegelikkuses arendatavat pidurdusjõudu.<br />

Üldnõudeid rööbassõidukite juhtimisseadistele ja pidurite juhtimisliidestele on kirjeldatud standardites<br />

[IEEE1475]. Sõidukite juhipaneeli näidikuid käsitleb standard [SAEJ1138] (SAE 1998f). Probleemiks<br />

on see, et uute süsteemide väljatöötamisel on vaja tagada uute põhimõtete ühilduvus olemasolevate<br />

kasutajaliidestega.<br />

<strong>1.</strong>8. Sõiduki pardatoite- ja andmesidevõrk<br />

<strong>1.</strong>8.<strong>1.</strong> Veoajami süsteemide ja abiseadmete elektritoide<br />

Pardatoitevõrgu ülesanne on pardasüsteemidele varustamine madalapingelise toitevooluga. Sealhulgas<br />

tagatakse ohutuskriitiliste süsteemide, nagu veoajam ja pidurisüsteemid katkematu toide. Et<br />

ohutuskriitilised süsteemid toimiks rikete korral sõltumatult, peab nende toide olema reserveeritud.<br />

Seetõttu on ohutuskriitilistel süsteemidel ka eraldi täiturid, kaitsmed ja ühendusjuhtmed. Elektromehaanilistel<br />

piduritel on reserveerimiseks eraldi toitejuhtmed ja kaitseahelad. Pidurite ja nende<br />

37

juhtimissüsteemide, sh veoajami juhtimissüsteemi, katkematu toide tagatakse akuga. Sõiduki sees on<br />

tarvitite toiteks kasutusel ohutu alalispinge (nt. 24V, 48V, 72V või 110V). Akut laetakse kontaktliinist<br />

abitoitemuunduri kaudu.<br />

Üldjuhul kasutatakse abisüsteemide toiteks nt. aku laadimiseks kontaktliinist ja pinge muundamiseks,<br />

eraldi pardatoitemuundurit, kuid mõnedes süsteemides on pardatoitemuundur integreeritud veoajamiga<br />

üheks tervikuks [MES01].<br />

Veoajami<br />

toide<br />

veomootorid<br />

Madalapingeline katkematu toite süsteem<br />

U n ±30%<br />

≈<br />

3 faasiline<br />

reguleeritav<br />

koormus<br />

(ventilaatorid)<br />

Alalisvoolu veomootorite<br />

pidurdusergutuse toide<br />

Muud koormused<br />

(küttekehad jms.)<br />

Stabiliseeritud<br />

alalispinge 24V<br />

Jõupooljuhtmoodulite<br />

omatoide,<br />

CAN-andmesidesiini<br />

toide jms.<br />

≈<br />

Stabiliseeritud<br />

vahelduvpinge 230V<br />

Väikese võimsuselised<br />

ühefaasilised<br />

koormused (jahutusventilaatoid<br />

vms.)<br />

Muud<br />

madalapingelised<br />

koormused (pidurid,<br />

tuled, signalisatsioon<br />

jms.)<br />

Stabiliseeritud pinge<br />

+5V, +15V<br />

Mikroprotsessor<br />

juhtimisplokk<br />

(sisaldab +3V<br />

toiteallikat)<br />

Joonis <strong>1.</strong>16. Veoajami, omatarbe ja abiahelate toitesüsteemi struktuur<br />

Süsteemi kaitseahelad on paigutatud selliselt, et olulisi ahelaid saaks reserveerida. Seetõttu kasutatakse<br />

vaguni pidurite, uste, avariivalgustuse ja juhtahelatel eraldi kaitseaparaate ning toitejuhtmeid.<br />

<strong>1.</strong>8.2. Veoajamite ja abiseadmete vaheline andmeside<br />

Andmesidevõrkudele esitatavate nõuete kohaselt vajatakse erinevate omadustega võrke. Sõidukites<br />

kasutatakse erinevate funktsioonide ja protokollidega, erineva leviulatuse, andmeedastuskiiruse,<br />

andmehulga jt. parameetritega andmesidevõrke.<br />

Sõidukite pardasüsteemide vahelisi andmesidevõrke võib jagada vastavalt neile esitatavatele nõuetele<br />

alljärgnevalt [HAD00]:<br />

<strong>1.</strong> Ajamite haldusvõrk – ajamite, pidurite, ABS süsteemide, abitoitemuundurite jt.<br />

juhtimissüsteemide haldusvõrk.<br />

2. Parda juhtimisvõrk – uste, kliimaseadmete, valgustuse jt. juhtimisssüsteemide haldusvõrk.<br />

3. Multimeediavõrk – navigatsioonisüsteemide, kaamerate, audio ja videosüsteemide, audio<br />

vastuvõtjate, võimendite, sõiduinfopaneelide, mobiiltelefonide jt. multimeediasüsteemide võrk.<br />

Multimeediavõrk täiendab ka juhtimis-, telekontrolli- ja diagnostikasüsteeme.<br />

4. Juhtmete kaudu juhitavad süsteemide jaoks (X-by wire) kasutatakse ohutusnõuete tõttu<br />

eraldiseisvat arvutivõrku. Sellega ühendatakse sõiduki juhtimisorganid nt. pedaalide ja pidurite<br />

juhtimisplokid.<br />

Kõigil nendel võrkudel võib olla alamvõrke, mis toimivad vaid mingi ühe süsteemi siseselt.<br />

Alamvõrkudes kasutatakse tavaliselt lihtsat ülem- ja alamseadmete vahelist infovahetust. Juhtme<br />

kaudu juhitavate süsteemide võrgud, mis on seotud sõiduki juhtimisorganitega (pedaalide ja<br />

käsikontrolleritega), vajavad kiiret reaalajanõuetele vastavat andmesidet. Sõidukite jaoks on seetõttu<br />

kasutusel eriotstarbelised võrgud nagu Time-Triggered Protocol (TTP) ja Train Communication<br />

Network (TCN). Kasutatakse ka eraldi toimivat kiiretoimelist CAN võrku. TCN võrgu eesmärk on<br />

siduda erinevaid vaguneid rongis ühte võrku kui sama vaguni siseselt kasutatakse CAN võrku.<br />

Võrkude põhiomadused [HAD00] on andmeedastuskiirus, protokolli toimemehhanism, töökindlus,<br />

veakindlus ja süsteemi maksumus. Sõidukites kasutatavatele võrkude puhul esitatakse täiendavaid<br />

nõudmisi võrgu ehitusele ja protokollidele [LEE02]. Nendeks nõueteks on:<br />

<strong>1.</strong> Süsteemi täiuslikkus, mis tähendab et tuvastamata vea esinemise tõenäosus peab olema tühine<br />

võrreldes sõiduki elueaga.<br />

38

2. Infosüsteemi määratletus tähendab, et juhtimiseks kasutatava teate edastamise aja ülemine piir<br />

peab olema määratud (CAN puhul saab seda määrata vaid kõrgeima prioriteediga teate puhul).<br />

3. Elektromagnetilise ühilduvuse nõue kehtestab juhtivus- ja kiirgusemissiooni ning häiretundlikkuse<br />

piirangud.<br />

4. Ühenduste kompaktsuse, töökindluse ja ühilduvuse nõuded on veeremil paiknevate<br />

elektroonikaseadmete puhul karmimate talitlusolude tõttu rangemad kui tavaliste<br />

elektroonikaseadmete puhul.<br />

5. Võrgu moodulehituse ja uuendatavuse nõue peab võimaldama võrguseadmete vahetamist võrgu<br />

tervikkonfiguratsiooni rikkumata.<br />

Veomuundurite juhtimissüsteemidelt nõutakse suurt arvutusjõudlust, ühilduvust, vastupidavust<br />

keskkonnatingimustele jms. Veomuunduri juhtimissüsteemis kasutatakse üldjuhul eriotstarbelist<br />

kontrollerit, mille programmeerimiseks, sh. andmesideprotokolli (nt. CAN) realiseerimiseks,<br />

kasutatakse standardiseeritud programmeerimiskeeli, nt. C. CAN-i puhul on tegemist riistvaraliselt<br />

teostatud protokolliga, mis lihtsustab tarkvara ülesehitust.<br />

Tööstuses ja transpordis kasutatavad tuntumad võrgud on Profibus, Ethernet, CAN, CANopen,<br />

Interbus. CAN võrgu kasutamise eelised [HAD00] elektertranspordis võib kokku võtta järgnevas.<br />

CAN on väljakujunenud standard. CAN protokoll on olnud kasutusel alates 1986.a. Seetõttu on turul<br />

palju CAN põhiseid tooteid. CAN protokolli riistvaraline teostus võimaldab veatöötlust ja<br />

veaparandusvahendite kasutamist suure edastuskiiruse juures. Füüsilise andmeedastuskeskkonnana<br />

kasutatakse tavaliselt juhtmete keerupaari, kuid CAN võib üldise massiga seotult töötada ka üheainsa<br />

juhtme kaudu. CAN võrgus on suurepärane veatöötlus. Praktiliste eelisena võib lisada veel elektrilise<br />

isoleerimise võimalust optronite ja kiudoptika abil ning toitepinge olemasolu võrgus. CAN võrgu<br />

puudusteks võib lugeda asjaolu, et teate edastamiseks kuluv aeg pole täpselt määratud, edastusaeg<br />

halvima juhtumi korral ja edastuskiiruse värelus pole teada, prioriteedi- ja sündmustepõhise süsteemi<br />

projekteerimine on keerukas. Veakindlate elemente kordamise plaani (algoritmi, järjekorda) pole<br />

võimalik määrata ja saatmise käigus muuta, sest veakontroll on teostatud riistvaraliselt ja teadete<br />

saatmise järjekord on prioriteedipõhine. Kriitilisemate funktsioonide jaoks kasutatakse kõrgema<br />

prioriteediga teateid.<br />

Pedaalid ja<br />

juhtpaneel<br />

Pedaalid ja<br />

juhtpaneel<br />

Pedaalid ja<br />

juhtpaneel<br />

tagurpidisõidu<br />

paneel<br />

tagurpidisõidu<br />

paneel<br />

tagurpidisõidu<br />

paneel<br />

…<br />

…<br />

Viimase haagisvaguni<br />

ajami<br />

pooljuhtm uundur<br />

(alluvseade)<br />

I Haagisvaguni<br />

ajami<br />

pooljuhtm uundur<br />

(alluvseade)<br />

Juhtvaguni<br />

ajami<br />

pooljuhtmuundur<br />

(ülemseade)<br />

CAN<br />

CAN<br />

CAN<br />

Vagunite vahelised liidesed<br />

Elektriline CAN diferentsiaalsiin kuni 125 Kbit/s<br />

Joonis <strong>1.</strong>17 Veoajami pooljuhtmuundurite sidumine rongiks<br />

ühendatud trammivagunite korral<br />

Mõned trammide elektroonikaseadmeid tootvad firmad on välja töötanud oma multifunktsionaalse<br />

andmesidesüsteemi. Üheks selliseks on Kiepe BISS (Bordinformations- und Steuer-System)<br />

[8NGTW], mis ühendab sõiduki alamsüsteemide juhtimise, alamsüsteemide integreeritud diagnostika<br />

ja veaindikatsiooni. Teise põlvkonna Kiepe BISS põhineb rahvusvaheliselt standardiseeritud<br />

39

CANopen protokollil [RUE02] ja võimaldab juhtida kuni neljast sõidukist koosnevaid ronge (joonis<br />

<strong>1.</strong>17).<br />

Toodud struktuuri kasutatakse veoajamite töö kooskõlastamiseks, st. veomomentide ja kiiruste<br />

ühtlustamiseks erinevate vagunite ning erinevate veotelgede vahel. Samuti võimaldab antud süsteem<br />

tagasisidet ajamite ja muundurite olekutest ja vigadest sõidukijuhi puldile. Rongiks ühendatud<br />

vagunite veoajamite vahelised füüsilised ühendused sõltuvad andmesideliidese tüübist ja ehitusest.<br />

Kasutatakse kas elektrilisel juhtmete keerupaaril või kiudoptilisel valgusjuhil põhinevat võrku koos<br />

vahevõimendite ja vajalike eraldustega. Paralleelselt on kasutuses elektriline siin pidurite ja muude<br />

kriitilisemate funktsioonide dubleerimiseks relee-kontaktorjuhtimisega. Vagunitevahelisteks<br />

ühendusteks kasutatakse elektrilise siini korral pistikühendustega juhtmesildasid, või automaatsete<br />

kontaktpuhvrite klemme. Võimalik on kasutada ka infrapunasignaaliga optilist liidest, raadiosidet või<br />

elektromagnetilist sidestust trafodega. Kahesuunaliste vahevõimendite toiteks saab kasutada<br />

vagunisiseses CAN võrgus olemasolevat toitepinget.<br />

40

logo

products

Resources

Company

Terms of service
Privacy policy
Cookie policy
Cookie settings
Imprint
Change language
Made with love in Switzerland
© 2024 Yumpu.com all rights reserved

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!