Politechnika Łódzka

Wydział Elektrotechniki, Elektroniki,

Informatyki i Automatyki

Instytut Elektroenergetyki

Zespół Trakcji Elektrycznej

ĆWICZENIE Z8

WYZNACZANIE PRĄDU OBCIĄŻENIA TRAMWAJOWEJ PODSTACJI TRAKCYJNEJ ORAZ SPADKÓW NAPIĘĆ W UKŁADZIE ZASILANIA

Cel ćwiczenia: Zapoznanie się z programem symulującym pracę układu zasilania trakcji tramwajowej oraz zbadanie wpływu różnych czynników związanych zarówno z rozkładem jazdy jak i z parametrami taboru na obciążenie podstacji i spadki napięć w sieci trakcyjnej.

1. Wprowadzenie

W trakcji tramwajowej sieć trakcyjna podzielona jest za pomocą izolacji wzdłużnej (izolatorów sekcyjnych) na niezależne elektrycznie odcinki, zwane sekcjami. Każda z sekcji zasilana jest jednostronnie z podstacji trakcyjnej osobnym kablem, zwanym zasilaczem. Sieć szynowa, będąca częścią sieci powrotnej, stanowi jeden obwód, który połączony jest z podstacją za pomocą kabli powrotnych. Punkty przyłączenia zasilaczy i kabli powrotnych zlokalizowane są w różnych miejscach i ich liczby nie pokrywają się (zasilaczy jest zwykle więcej).

Rys. 1. Schemat rejonu zasilania podstacji tramwajowej

Zbiór wszystkich sekcji sieci zasilanych z jednej podstacji nazywa się rejonem zasilania tej podstacji. Rejon taki pod względem elektrycznym stanowi odrębną całość i w przeciwieństwie do trakcji kolejowej nie jest połączony elektrycznie z rejonami zasilania podstacji sąsiednich. Badając zatem prądy obciążenia wybranej podstacji należy uwzględniać jedynie tramwaje poruszające się w jej rejonie zasilania.

Prąd obciążenia podstacji jest mocno zmienny w czasie. Przyczyną tego są dwa czynniki. Pierwszym jest zmiana liczby tramwajów znajdujących się jednocześnie w rejonie zasilania - tramwaje wjeżdżają w rejon zasilania i opuszczają go. Drugim czynnikiem jest ciągła zmiana wartości prądu pobieranego przez poszczególne tramwaje - od zera podczas postoju i jazdy wybiegiem do maksimum przy końcu rozruchu. Jeszcze większa zmienność występuje w przypadku taboru przystosowanego do hamowania z odzyskiem energii, gdy hamujący pojazd oddaje energię do sieci trakcyjnej. Duża ilość czynników wpływających na wartość chwilową prądu obciążenia podstacji powoduje, że w miarę dokładne wyznaczenie przebiegu tego prądu metodami teoretycznymi (w tym stochastycznymi) obarczone jest znacznymi błędami. Najdokładniejsze wyniki uzyskuje się na drodze symulacji komputerowej. Niniejsze ćwiczenie polegać będzie na przeprowadzeniu symulacji w różnych warunkach ruchu i dla różnych parametrów taboru wybranego rejonu zasilania.

2. Zasada działania programu symulacyjnego

Schemat blokowy programu zamieszczono na rys.2. Symulacja przeprowadzana jest dla obszaru będącego rejonem zasilania jednej podstacji trakcyjnej. Program działa ze stałym, wczytywanym w danych wejściowych, krokiem czasu. Dla każdego kroku wykonywany jest następujący cykl obliczeń:

• Blok rozkładu jazdy sprawdza, czy w badany rejon nie wjechał nowy tramwaj oraz czy któryś z tramwajów rejonu tego nie opuścił, a następnie przekazuje te informacje do bloku przejazdów teoretycznych;

• Blok przejazdów teoretycznych wykonuje przejazdy wszystkimi tramwajami znajdującymi się w rejonie zasilania. Ponieważ przejazdy wykonywane są przy uwzględnieniu chwilowych wartości napięć na odbierakach, blok ten współpracuje ściśle z blokiem obliczeń układu zasilania, przekazując mu informacje o usytuowaniu wszystkich tramwajów i prądach pobieranych przez nie z sieci a następnie pobierając z niego informacje o aktualnych napięciach na odbierakach. W związku z tym, że wyniki przejazdów (nowe usytuowania tramwajów i wartości prądów pobieranych przez nie

Rys. 2. Schemat blokowy programu

z sieci) zależą od napięć na odbierakach a napięcia te zależą z kolei od wyników przejazdów, cykl obliczeń przejazdy - spadki napięć wykonywany jest w pętli aż do osiągnięcia przyjętej dokładności obliczeń;

• Następnym etapem działania programu jest sprawdzenie, czy napięcie na odbieraku któregoś z tramwajów nie zostało przekroczone dopuszczalne napięci sieci, co może mieć miejsce jedynie w przypadku rekuperacji. Jeżeli taka sytuacja zaistnieje, tramwaj ten zostaje przełączony na hamowanie oporowe i cały cykl obliczeń opisany w poprzednim punkcie zostaje powtórzony. Taki cykl postępowania powtarzany jest w pętli tak długo, dopóki napięcie na odbieraku żadnego tramwaju nie będzie przekraczać wartości dopuszczalnej.

Po zakończeniu obliczeń dla danej chwili czasowej, wyniki obliczeń elektrycznych (prądy zasilaczy i wartości napięć na odbierakach) zostają zapisane w plikach wynikowych a na ekranie monitora w postaci graficznej przedstawione zostaje usytuowanie wszystkich tramwajów w badanym rejonie. Następnie, o ile łączny czas symulacji nie został osiągnięty, program powtarza obliczenia dla następnego kroku czasowego.

Opis podstawowych bloków programu

Blok rozkładu jazdy spełnia następujące funkcje:

• rozmieszcza wstępnie tramwaje w momencie startu symulacji;

• generuje tramwaje wjeżdżające w badany rejon podczas trwania symulacji;

• przemieszcza tramwaje opuszczające aktualną sekcję, na sekcję kolejną, zgodnie z numerem trasy poszczególnych tramwajów;

• eliminuje tramwaje opuszczające badany rejon.

Wstępne rozmieszczenie tramwajów oraz wjazdy kolejnych, w trakcie symulacji, odbywają się zgodnie z wczytanym w danych wyjściowych rozkładem jazdy, przy czym możliwe jest prowadzenie ruchu dokładnie wg rozkładu lub z generowanymi losowo spóźnieniami we wjazdach tramwajów. Dla każdej trasy podaje się procentowy udział wjazdów punktualnych oraz wartość średnią opóźnienia tramwajów niepunktualnych. Wartości opóźnień są następnie losowane przy użyciu generatora liczb pseudolosowych o wykładniczym rozkładzie prawdopodobieństwa (najlepiej oddającego warunki rzeczywiste).W podobny sposób można losowo przedłużać czas oczekiwania na przystankach. Dla każdego przystanku również, analogicznie jak przy wjazdach, wczytywany jest w danych znamionowy czas postoju, procent odjazdów punktualnych i średnia wartość czasu przedłużenia postoju.

Przy konstruowaniu bloku przejazdów teoretycznych przyjęto, że tramwaj może się znajdować w jednym z sześciu stanów:

• „rozruch” - jazda z maksymalną (zgodnie z wczytywaną w danych charakterystyką trakcyjną) siłą pociągową;

• „ustalona” - jazda ze stałą prędkością;

• „wybieg” - jazda z wyłączonymi silnikami;

• „hamowanie” - hamowanie tramwaju do zatrzymania na przystanku lub powodowane stałym ograniczeniem prędkości na linii;

• „hamowanie kolizyjne” - hamowanie i postój przed światłami oraz hamowanie (wraz z ewentualnym postojem) wywołane zbyt bliską odległością do tramwaju poprzedzającego;

• „postój” - oczekiwanie na przystanku.

Rozróżnienie między stanem „hamowanie” a stanem „hamowanie kolizyjne” wprowadzono z dwóch powodów. Po pierwsze, procedury opisujące te dwa stany z różnych przyczyn nieco się różnią. Po drugie, stosunek czasu pozostawania tramwajów w stanie „hamowanie kolizyjne” do całkowitego czasu przebywania tramwajów w badanym rejonie, wyznaczany zawsze jako jeden z najistotniejszych wyników symulacji, przyjęto traktować jako podstawowy wskaźnik określający płynność ruchu.

Najtrudniejszym do rozwiązania problemem przy konstruowaniu modelu było takie zaprogramowanie jazdy tramwajów (wyboru jednej z powyższych opcji w zależności od sytuacji ruchowej), aby nie tylko zapewnić poprawną i bezpieczną jazdę, ale również w miarę wiernie odtworzyć sposób prowadzenia tramwajów przez motorniczych. Dlatego w trakcie symulacji zdarzają się przypadki, że w pewnych sytuacjach, gdy podjęcie decyzji przez motorniczego nie jest oczywiste, podejmuje on działanie przesadnie ostrożne, np. przedwcześnie rozpoczynając hamowanie przed skrzyżowaniem z sygnalizacją świetlną, czyli nie jedzie optymalnie z punktu widzenia wykorzystania przepustowości linii i minimalizacji zużycia energii. Podejmowanie decyzji w warunkach niepewności, w programie realizowane jest za pomocą losowań, przy czym prawdopodobieństwo wylosowania decyzji zbyt ostrożnej rośnie wraz ze wzrostem stopnia trudności prawidłowej oceny sytuacji ruchowej przez motorniczego. Oczywiście program nie dopuszcza do podejmowania decyzji niebezpiecznych, prowadzących np. do wjazdu tramwaju na skrzyżowanie przy zmianie świateł na czerwone lub niezachowania bezpiecznego odstępu do tramwaju poprzedzającego.

Blok obliczeń układu zasilania przystosowany został do powszechnie obecnie stosowanego w sieciach tramwajowych jednostronnego zasilania. Przyjęto, że na liniach dwutorowych sieci obydwu torów są łączone między sobą, a zasilacze zasilające wszystkie sekcje podłączone są do szyn zbiorczych jednej podstacji trakcyjnej - z punktu widzenia obliczeń elektrycznych obszarem, którego pracę można poprawnie symulować, jest zatem rejon zasilania jednej podstacji. Symulację większych obszarów można przeprowadzać jedynie pod kątem badania płynności ruchu i przepustowości linii.

Przyjęto, że wyłączniki zasilaczy nie są spolaryzowane, a zatem możliwy jest przepływ prądu z jednej sekcji do drugiej poprzez zasilacze i szyny podstacji, co ma miejsce w przypadku stosowania taboru przystosowanego do hamowania z odzyskiem energii. Oczywiście hamowanie takie będzie miało miejsce jedynie wówczas, jeżeli napięcie na odbieraku hamującego tramwaju nie przekroczy wartości dopuszczalnej.

Symulowana może być praca układu elektroenergetycznego wyposażonego zarówno w podstację prostownikową jak i w podstację prostownikowo - falownikową, przystosowaną do odbioru nadmiarowej energii rekuperacji.

Pewne uproszczenie stanowi brak obliczeń rozpływu prądów w sieci powrotnej. Zmniejszenie błędów wywołanych tym uproszczeniem można uzyskać zwiększając oporność jednostkową sieci jezdnej o oporność sieci szynowej oraz oporność zasilaczy tak, aby uwzględnić chociaż w przybliżeniu spadek napięcia na kablach powrotnych.

Wyniki symulacji, w postaci przemieszczających się tramwajów można śledzić na ekranie. Prędkość symulacji można regulować w trakcie działania programu. Ponadto program zlicza łączny czas przebywania w badanym rejonie wszystkich tramwajów oraz czas pozostawania ich w stanie „hamowania kolizyjnego”. Chwilowe wartości prądów zasilaczy, podstacji i napięć na odbierakach (w kolejnych krokach obliczeniowych) zapisywane są w plikach wynikowych. Do opracowywania wyników zapisanych w tych plikach napisane zostały osobne programy „prądy” i „napięcia”.

3. Obsługa programu symulacyjnego

Po uruchomieniu program żąda podania danych wejściowych - można wczytać je z pliku lub wprowadzać z klawiatury. Wprowadzone dane można korygować. Wczytuje się następujące dane wejściowe:

dt w [s] - krok czasu z jakim przeprowadzana będzie symulacja;

ciężar tramwaju w [kN] ;

ciężar wagonu motorowego w [kN] ;

współczynnik K w [-] - współczynnik występujący we wzorze na opory ruchu;

współczynnik mas wirujących w [-] ;

opóźnienie hamowania ah w [m/s^2] ;

długość tramwaju w [m] ;

maksymalna moc rekuperacji w [kW] - jeżeli tramwaj nie jest przystosowany do hamowania z odzyskiem energii, wczytuje się ją równą zeru;

maksymalne dopuszczalne napięcie w sieci w [V] ;

napięcie stanu jałowego podst. przy pracy prostownikowej w [V] ;

napięcie stanu jałowego podst. przy pracy falownikowej w [V] - jeżeli podstacja nie jest wyposażona w falowniki, wczytuje się wartość maksymalnego dopuszczalnego napięcia w sieci;

oporność podst. przy pracy prostownik. w [Om] ;

oporność podst. przy falownik. w [Om] ;

liczba sekcji [-];

Dla każdej z sekcji wczytuje się następujące dane:

typ sekcji - „n” lub „s”, typ „s” wczytuje się, gdy na trasie sekcji występuje sygnalizacja swietlna;

czas cyklu świateł w [s];

start zielonego światła w [s] - mierzony od początku symulacji;

odleg. swiatel w [m] - wszystkie odległości mierzy się od przyjętego początku sekcji;

długość sekcji w [m];

usytuowanie zasilacza w [m] ;

oporność jednostkowa sieci w [Om/km] ;

oporność zasilacza w [Om] ;

liczba zmian Vd - liczba zmian prędkości dopuszczalnej na sekcji, następnie podaje się miejsca zmian prędkości dopuszczalnej i wartości prędkości dopuszczalnej;

liczba przystanków - następnie podaje się miejsca usytuowania przystanków, minimalny czas postoju i przeciętną wartość przedłużenia postoju;

liczba tras [-] - liczba linii tramwajowych przebiegających przez rejon zasilania podstacji, dla każdej trasy podaje się następnie numery sekcji w kolei przejeżdżania ich przez tramwaj danej linii;

wjazdy - dla każdej linii podaje się: czas wjazdu pierwszego tramwaju, licząc od początku symulacji, odstęp czasowy między wjazdami kolejnych pojazdów, procentowy udział wjazdów punktualnych i średnie spóźnienie wjazdów niepunktualnych oraz prędkość tramwajów w momencie wjazdu w rejon zasilania.

Po wczytaniu wszystkich danych i ewentualnej ich poprawieniu, można je zapisać do pliku.

W następnym etapie program żąda podania nazwy tramwaju, którym prowadzony jest ruch, krotności trakcji oraz podania nazw plików, w których zapisane zostaną wyniki symulacji - pliku, w którym zostaną zapisane wartości chwilowe prądów poszczególnych zasilaczy i pliku, w którym zostaną zapisane chwilowe wartości napięć na odbierakach tramwajów. Następnie program żąda podania okresu czasu w [s], dla jakiego ma zostać przeprowadzona symulacja.

Po podaniu tej danej rozpoczyna się symulacja, w jej trakcie można obserwować na ekranie ruch wszystkich tramwajów przebywających aktualnie w rejonie zasilania.

Pliki wynikowe, w których zapisane są wartości prądów i napięć wyznaczone podczas symulacji są plikami tekstowymi, które można przeglądać dowolnymi edytorami tekstu. Do obróbki danych zapisanych w tych plikach służą programy pomocnicze - „prądy” i „napięcia”.

Program „prądy” wyznacza wartości średnie prądów wszystkich zasilaczy oraz prądu obciążenia całej podstacji za okres trwania symulacji. Wyszukuje również szczytowe prądy podstacji za podany okres trwania szczytu.

Program „napięcia” wyznacza średnie wartości napięć na odbierakach tramwajów osobno za czas pracy pociągowej taboru i za czas hamowania odzyskowego.

4. Wykonanie ćwiczenia

Wykonanie ćwiczenia polega na przeprowadzeniu symulacji dla rejonu podstacji „Zgierska”, w wariantach różniących się parametrami taboru i stopniem natężenia ruchu.

Rys. 3. Schemat rejonu zasilania podstacji „Zgierska”

Rejon „Zgierska” składa się z czterech sekcji. Schemat rejonu zamieszczono na rys. 3. Uwidoczniono na nim rozmieszczenie i długości zasilaczy i kabli powrotnych. Wszystkie zasilacze i kable powrotne wykonane są przewodem aluminiowym 625 mm². Zasilana linia jest linią dwutorową. Sieć trakcyjna, o zawieszeniu łańcuchowym, składa się z liny nośnej 70 mm² Cu i jednego przewodu jezdnego Djp100. Dla każdego kierunku ruchu występuje pięć przystanków. Tramwaje poruszają się po wydzielonym torowisku. W rejonie znajdują się dwa skrzyżowania regulowane światłami i nie ma innych przeszkód ograniczających prędkość jazdy. Nie występują skrzyżowania z innymi liniami tramwajowymi.

Komplet danych wejściowych do symulacji, opisujący aktualne parametry układu elektroenergetycznego i odpowiadający obecnemu natężeniu ruchu w szczycie zapisany jest w pliku „zgierska”. Dane zakładają prowadzenie ruchu taborem typu 805N, w skład tramwaju wchodzą dwa wagony tego typu.

W Łodzi eksploatowane są obecnie tramwaje 805N nie zmodernizowane, z rozruchem oporowym oraz tramwaje unowocześnione tego typu, z rozruchem bezoporowym i możliwością hamowania z odzyskiem energii. Dla oceny skutków energetycznych unowocześniania taboru, w ćwiczeniu przeprowadzone zostaną symulacje w trzech wersjach: 1) zakładające prowadzenie ruchu taborem nie zmodernizowanym;

2) taborem wyposażonym tylko w rozruch bezoporowy;

3) tramwajami z rozruchem bezoporowym i hamującymi z odzyskiem energii.

4.1. Symulacje w wersji z taborem nie zmodernizowanym.

Symulacje należy przeprowadzić w sześciu wariantach, dla natężenia ruchu odpowiadającego 40%, 60%, 80%, 100%, 120% i 140% obecnego szczytowego natężenia. W pliku z danymi „zgierska”, odstępy czasowe między wjazdami kolejnych pojazdów w rejon zasilania odpowiadają obecnemu szczytowemu natężeniu (100%). Dla pozostałych stopni natężenia ruchu należy te odstępy odpowiednio zmieniać. Po dokonaniu zmian, najwygodniej jest zapisywać nowe dane w osobnych plikach, z których będzie można korzystać w następnych wersjach symulacji.

Jako tabor w tej wersji należy wybrać z pliku z charakterystykami taboru tramwaj 805b (bez rozruchu bezstratnego). Symulacje należy przeprowadzać dla okresu czasu 20 min = 1200 s. Krotność trakcji należy wczytywać równą jedności, gdyż charakterystyki wczytane z pliku odpowiadają już dwóm wagonom w składzie tramwaju.

Po wykonaniu symulacji, za pomocą programu pomocniczego „prądy”, należy wyznaczyć wartości średnie prądu obciążenia podstacji za końcowy kwadrans symulacji, w pierwszym kwadransie rejon zasilania dopiero się zapełnia tramwajami, więc prądy obciążenia w tym okresie byłyby niemiarodajne. Oprócz prądu średniego obciążenia podstacji należy wyznaczyć również prądy szczytowe: 1 minutowe i 15 sekundowe.

Za pomocą programu pomocniczego „napięcia”, należy wyznaczyć wartości średnie napięć na odbierakach tramwajów (również dla końcowego kwadransa symulacji).

Otrzymane wyniki sześciu symulacji należy zestawić w następującej tabeli:

Tabela 1. Rozruch oporowy, bez rekuperacji.

	Nat. ruch.	Iśr	I1 min	I15 sek	Uśr
Lp	%	A	A	A	V
1	40
2	60
3	80
4	100
5	120
6	140

4.2. Symulacje z taborem z rozruchem bezoporowym.

Symulacje należy przeprowadzić w tych samych wariantach co w punkcie poprzednim, wykorzystując uprzednio zapisane pliki z danymi wejściowymi. Jedyna zmiana polega na wczytaniu charakterystyk tramwaju zapisanymi pod nazwą 805r (tramwaj 805N z rozruchem bezoporowym). Wyniki zestawiamy w identycznej jak poprzednio tabeli.

Tabela 2. Rozruch bezoporowy, bez rekuperacji.

	Nat. ruch.	Iśr	I1 min	I15 sek	Uśr
Lp	%	A	A	A	V
1	40
2	60
3	80
4	100
5	120
6	140

4.3. Symulacje z taborem z rozruchem bezoporowym i stosowaniem rekuperacji.

Przeprowadzić należy te same symulacje co w punktach poprzednich, korzystając z tych samych plików z danymi. W danych należy zmienić jedną wielkość, wczytując maksymalną moc rekuperacji trawmaju równą 600 kW. Korzystamy z charakterystyk tramwaju zapisanych pod nazwą 805r.

W tabeli z wynikami należy zamieścić osobno średnią wartość napięć na odbierakach za czas poboru prądu i osobno za czas hamowania odzyskowego (oddawania prądu do sieci trakcyjnej).

Tabela 3. Rozruch bezoporowy, hamowanie z odzyskiem energii.

	Nat. Ruch.	Iśr	I1 min	I15 sek	Uśr tr	Uśr rek
Lp	%	A	A	A	V	V
1	40
2	60
3	80
4	100
5	120
6	140

5. Wykonanie sprawozdania

Sprawozdanie powinno zawierać:

• tabele z wynikami;

• przedstawione w postaci graficznej charakterystyki trakcyjne taboru 805n i 805r;

• sporządzone za pomocą Excela wykresy prądu obciążenia podstacji, dla wszystkich trzech wersji symulacji przy obecnym szczytowym natężeniu ruchu (100%);

• wnioski dotyczące wpływu rozwiązań taboru i natężenia ruchu na zużycie energii, którego miernikiem jest prąd średni obciążenia podstacji.

4

1050 m 653 m 505 m

1250 m 280 m 175 m 971 m

540 245 45 420 290 200 55 350 115 380

czy

upłynął

czas

symulacji

czy

osiągnięto

założoną

dokładność

nie

nie

tak

czy

rekuperacja

przebiega

prawidłowo

koniec

symulacji

blok

rozkładu jazdy

wyprowadzanie wyników

przejazdy

teoretyczne

wczytywanie

danych

obliczenia

ukł. zasilania

wyłączenie

rekuperacji

nie

tak

tak

zasilacz

kabel powrotny

---