Measurement and simulation testing of harmonics in the on-board power grid of traction vehicles

Wojciech Czuchra,

Bartosz Woszczyna

Abstrakt

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

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

Słowa kluczowe: Kompatybilność elektromagnetyczna, jakość energii, harmoniczne w napięciu , electromagnetic compatibility, power quality, voltage harmonics, total harmonic distortion
References

[1]           PN-EN 50121-3-2: Railway applications. Electromagnetic compatibility. Part 3-2: Rolling stock. Apparatus.

[2]           PN-EN 61000-4-30: Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4-30: Testing and measurement techniques. Power quality measurements methods.

[3]           PN-EN 61000-4-7: Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4-7. Testing and measurement techniques. General guide on harmonics and interharmonics measurements and instrumentation, for power supply systems and equipment connected thereto.

[4]           Skarpetowski G., Zając W., Czuchra W., Analytical Calculation of Supply Current Harmonics Generated by Train Unit, 12th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2006, Portoroź 2006.

[5]           Białoń A., Czuchra W., Zając W., Research of the interference effects caused by locomotives with asynchronous motors on rail traffic control equipment, International Symposium on Electromagnetic Compatibility EMC EUROPE 2002, September 9–13, Sorrento, Italy, Conference Materials, Vol. 2, 1027–1030.

[6]           Zając W., Czuchra W., Computer modelling of a system: supply circuit – locomotive with AC motors in order to determine current harmonics, 10thInternatinal Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2002 Cavtat & Dubrovnik 9–11 September 2002, Croatia, Conference Materials, Vol. 1, pp. 285 (summary), Full text – CD-ROM.

[7]           Czuchra W., Zając W., Time-frequency analysis of traction vehicles' supply current, [in:] Electrical engineering in traction applications, Cracow University of Technology 2014, 73–83.

[8]           Jiao J., Wen Y., Li M., Rao J., Research on Vehicle Onboard Measurement System of Traction Harmonic Current for Analyzing Interference on Track Circuit, 2015 IEEE 6th International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies (MAPE), 475–478.