Politechnika Łódzka

Wydział Elektrotechniki, Elektroniki,

Informatyki i Automatyki

Instytut Elektroenergetyki

Zespół Trakcji Elektrycznej

ĆWICZENIE T4

BADANIE WPŁYWU ROZRUCHU BEZOPOROWEGO

I HAMOWANIA REKUPERACYJNEGO NA ZUŻYCIE ENERGII

Cel ćwiczenia: Wykonanie ćwiczenia powinno zaznajomić studentów z metodami symulacyjnymi w trakcji elektrycznej oraz unaocznić skutki energetyczne wprowadzenia w taborze kolejowym rozruchu bezoporowego i hamowania z odzyskiem energii.

1. Wprowadzenie

W chwili obecnej polskie koleje wprowadzają do ruchu tabor z silnikami asynchronicznymi oraz przekształtnikami energoelektronicznymi do regulacji ich prędkości obrotowej, co umożliwia rozruch bez strat energii i hamowanie z odzyskiem energii. Również zastosowanie przekształtników impulsowych (czoperów) do płynnej regulacji napięcia zasilającego silniki trakcyjne prądu stałego umożliwia bezstratny rozruch i hamowanie odzyskowe. Zdecydowana większość taboru na PKP to pojazdy z silnikami prądu stałego i rozruchem oporowym. Stosowanie przestarzałego taboru generuje koszty wynikające ze strat energii w oporach rozruchowych oraz z bezpowrotnego niszczenia energii hamowania, która częściowo mogłaby być odzyskana.

Globalne straty energii wynikające ze stosowania rozruchu oporowego zależą w zasadzie od dwóch czynników:

1. Częstości rozruchów. Czynnik ten zależy od średniej odległości między zatrzymaniami. Im mniejsza jest odległość międzyprzystankowa tym większy będzie procentowy udział strat w opornikach rozruchowych w całkowitym zużyciu energii. Dlatego zyski energetyczne płynące z wprowadzenia rozruchu bezoporowego inne będą w ruchu podmiejskim, inne w ruchu pasażerskim dalekobieżnym i jeszcze inne w ruchu tramwajowym.

2. Przełączeń układu silników podczas rozruchu. W lokomotywach i wagonach motorowych stosowane jest przełączanie silników podczas rozruchu, w celu zmniejszenia strat w oporach rozruchowych. W ciągnikach czterosilnikowych (lokomotywy pasażerskie i  wagony motorowe) stosowane są dwa połączenia - w pierwszej fazie rozruchu szeregowe a w następnej równoległe. W lokomotywach 6-silnikowych (lokomotywy towarowe) stosowane są trzy połączenia silników: szeregowe, szeregowo-równoległe i równoległe, dzięki czemu procentowe straty energii na rozruch są w nich mniejsze niż w lokomotywach pasażerskich.

Rys. 1. Straty energii w zależności od stosowanego przełączania silników:

a) bez przełączania b) lokomotywy 4-silnikowe

c) lokomotywy 6-silnikowe d) rozruch bezoporowy

Na rys. 1 polami zaciemnionymi przedstawiono straty energii w oporach rozruchowych w zależności od stosowanego sposobu przełączania silników podczas rozruchu.

Oszczędności energii płynące ze stosowania hamowania rekuperacyjnego są już trudniejsze do wyznaczenia. Przede wszystkim hamujący odzyskowo pociąg musi znaleźć odbiorcę energii. Prawdopodobieństwo, że odbiorca się znajdzie zależy przede wszystkim od natężenia ruchu na linii - ze wzrostem natężenia rośnie, ale nigdy nie jest 100-procentowe. Częściowym, ale kosztownym rozwiązaniem tego problemu może być umieszczanie na podstacjach trakcyjnych urządzeń mogących magazynować nadmiarową energię rekuperacji (wirujące zasobniki lub superkondensatory) lub przesyłać ją do sieci pierwotnej prądu przemiennego (falowniki).

Drugi czynnik wpływający na efekty energetyczne rekuperacji to częstość hamowania wynikająca z odległości międzyprzystankowej.

Trzeci czynnik ograniczający możliwości odzysku energii hamowania to moc jednostkowa taboru. W przypadku pociągów lokomotywowych moc silników trakcyjnych oraz siła przyczepności lokomotywy jest zbyt mała by zapewnić odpowiednie opóźnienie hamowania ciężkiego pociągu i wówczas hamowanie odzyskowe musi być wspomagane hamowaniem pneumatycznym, a zatem część energii jest bezproduktywnie tracona.

Zyski energetyczne wynikające ze stosowania rozruchu bezoporowego i hamowania rekuperacyjnego można wyliczać na drodze teoretycznej, korzystając np. ze wzoru na jednostkowe zużycie energii, dokładniejsze wyniki osiąga się jednak wykonując przejazdy teoretyczne w różnych, interesujących nas wariantach, których wykonanie, przy wykorzystaniu wyspecjalizowanego oprogramowania jest szybkie i mało pracochłonne. Niniejsze ćwiczenie polega właśnie na wykonaniu szeregu przejazdów taborem z rozruchem oporowym i bezoporowym oraz z taborem hamującym rekuperacyjnie i pneumatycznie a następnie wyznaczeniu różnic w zużyciu energii płynących z zastosowania nowoczesnych rozwiązań w taborze.

2. Opis programu symulacyjnego

Używany w ćwiczeniu program służy do wykonywania przejazdów teoretycznych w trakcji kolejowej. Sposób jazdy narzuca operator, sterując za pomocą klawiszy funkcyjnych pracą lokomotywy.

Po uruchomieniu programu na ekranie wyświetlana jest informacja o działaniu klawiszy funkcyjnych. Po wciśnięciu klawisza „s”(start) program pyta o nazwę pliku w którym mają być zapisywane wyniki a następnie przechodzi do etapu wczytywania danych. Dane mogą być wczytane z pliku dyskowego lub z klawiatury. Program wymaga podania następujących danych wejściowych:

• dt [s] - krok czasowy z jakim w pliku wynikowym mają być zapisywane czas, droga przebyta przez pociąg i wartość prądu czerpanego z sieci;

• ciężar pociągu wraz z lokomotywą;

• ciężar lokomotywy;

• współczynnik „k” występujący we wzorze na opory ruchu
  , zależny od rodzaju pociągu;

• współczynnik mas wirujących, zależny od rodzaju pociągu;

• krok drogi „s” z jakim prowadzone będą obliczenia symulacyjne;

• prędkość maksymalna pociągu, w zależności od tej wartości dobrana zostanie odpowiednia skala osi pionowej („v”) wykresu ruchu pociągu obrazującego proces symulacji;

• opóźnienia służbowe hamowania pociągu w
  
  ;

• minimalna prędkość rekuperacji, w nowoczesnym taborze wynosi ona około 10 km/h;

• maksymalna moc rekuperacji, można zakładać że wynosi ona około 150% mocy ciągłej lokomotywy;

• sprawność układu przy hamowaniu;

• napięcie znamionowe;

• długość trasy na której wykonywany będzie przejazd;

• liczba zmian profilu pionowego na trasie - minimalna wartość wynosi 1, przy niezmiennym profilu na całej trasie;

• punkty zmiany profilu (liczone w m od początku trasy) i profil występujący za miejscem zmiany;

• liczba stopni prędkości na trasie (opisujących ograniczenia prędkości na linii), filozofia opisu jest identyczna jak przy opisie profilu, podaje się punkt zmiany prędkości i prędkość dopuszczalną obowiązującą za tym punktem;

• liczba przystanków, a następnie usytuowania przystanków i czasy postoju na nich.

Po wczytaniu powyższych danych (z dysku bądź klawiatury) można je dowolnie zmieniać oraz zapisywać na dysku.

Następny etap wczytywania danych to wybór lokomotywy. Jeżeli poda się nazwę lokomotywy występującej w dostępnej bibliotece lokomotyw, jej charakterystyki zostaną wczytane z pliku. Jeżeli poda się nazwę lokomotywy która nie występuje w bibliotece, program zażąda wczytania z klawiatury charakterystyk siły pociągowej i prądu pobieranego z sieci trakcyjnej w funkcji prędkości a następnie doda ją do biblioteki lokomotyw.

W następnym etapie wprowadzania danych program pyta, czy wprowadzić rozruch bezoporowy - w przypadku odpowiedzi twierdzącej automatycznie koryguje charakterystyki lokomotywy. Podobnie postępuje po kolejnym pytaniu, czy chcemy obniżyć wartość siły pociągowej. Ostatnia dana o którą pyta program to wartość prędkości początkowej pociągu podczas startu symulacji - wjechać na trasę można z dowolną prędkością.

Po wczytaniu powyższych danych na ekranie pojawia się układ współrzędnych v=f(s) w którym podczas symulacji kreślony będzie wykres jazdy pociągu. Na wykresie zaznaczone są miejsca usytuowania przystanków oraz ograniczenia prędkości. Jazdą pociągu sterujemy za pomocą następujących klawiszy:

R - jazda z maksymalną siłą pociągową;

U - jazda ze stałą prędkością;

W - jazda wybiegiem;

H - hamowanie.

Podczas jazdy w okienkach informacyjnych wyświetlany jest czas jazdy, bieżąca droga, bieżąca prędkość i aktualna długość drogi hamowania.

Program wspomaga operatora przeprowadzającego symulację:

• niezależnie od tego który klawisz sterujący będzie wciśnięty, pociąg samoczynnie rozpocznie hamowanie tak, aby zatrzymać się dokładnie na najbliższym przystanku;

• program samoczynnie dba o to, aby pociąg nie przekroczył dopuszczalnej prędkości na odcinku na którym się znajduje, niezależnie od wciśniętego klawisz sterującego;

• jeżeli hamowanie rekuperacyjne nie wystarcza dla osiągnięcia służbowego opóźnienia hamowania, automatycznie jest ono wspomagane hamowaniem pneumatycznym;

• jeżeli jedziemy ze stałą prędkością (wciśnięty klawisz „u”) a moc lokomotywy jest niewystarczająca do jej utrzymania (np. na stromym podjeździe) program samoczynnie przejdzie na jazdę z maksymalną siłą pociągową (pociąg mimo to będzie zwalniał).

Przejazd zakończy się automatycznie gdy osiągniemy koniec trasy. Można również zakończyć go w dowolnym momencie wciskając klawisz „k”. W tym drugim przypadku przejazd można powtórzyć bez ponownego wczytywania danych, jest to wygodny sposób postępowania, gdy popełniliśmy błąd przy sterowaniu pociągiem i chcemy szybko przejazd powtórzyć.

Po zakończeniu przejazdu wyświetlane są następujące wyniki:

• czas przejazdu;

• prędkość techniczna;

• zużycie energii w wariancie bez stosowania rekuperacji;

• zużycie energii w wariancie ze stosowaniem hamowania z odzyskiem energii.

Uwaga: w programie symulacyjnym założono, że hamujący odzyskowo pociąg zawsze znajduje odbiorcę oddawanej do sieci trakcyjnej energii.

3. Wykonanie ćwiczenia

1. Badania dla jednostki podmiejskiej

Podstawowe dane dla jednostki podmiejskiej znajdują się w pliku „podm”. Z biblioteki lokomotyw wczytujemy jednostkę „EW60”. Badania należy przeprowadzić dla trzech odległości międzyprzystankowych: 1000 m, 2000 m i 3000 m. Przyjąć należy płaski profil pionowy linii.

Przejazdy dla każdej odległości międzyprzystankowej wykonujemy w wariancie z rozruchem oporowym i bezoporowym. Dopuszczalna prędkość maksymalna na linii wynosi 100 km/h, nie występują odcinki z obniżoną prędkością dopuszczalną. Miejsce rozpoczęcia jazdy wybiegiem musi być identyczne w obu wariantach i tak dobrane, aby prędkość rozpoczęcia początku hamowania wynosiła około 70 % uzyskanej na odcinku prędkości maksymalnej.

W sprawozdaniu zamieścić należy dane pociągu oraz wyniki przejazdów we wszystkich wariantach (6 kompletów wyników). Wyliczyć ponadto należy procentowe oszczędności energii wynikające ze stosowania rozruchu bezoporowego i hamowania z odzyskiem energii. We wnioskach podać jaki wpływ na oszczędności energii ma wartość odległości międzyprzystankowej.

3.2. Badania dla pociągu pasażerskiego lokomotywowego

Przyjąć następujące dane pociągu:

• masa pociągu 250 - 400 t;

• masa lokomotywy 90 t;

• współczynnik oporów ruchu k = 30 - 40, zależnie od długości pociagu;

• współczynnik mas wirujących α = 1,04;

• maksymalną moc lokomotywy podczas rekuperacji 2500 kW;

• opóźnienie hamowania 0,7 m/s²;

Badania przeprowadzić dla trzech odległości między stacjami: 10 km, 20 km i 30 km. Przyjąć krok obliczeniowy drogi s = 10 m. Przyjąć dopuszczalną prędkość na linii 120 km/h, bez zwolnień szlakowych. Do prowadzenia pociągu wybrać należy lokomotywę EU07. Jazdą pociągu należy sterować w taki sposób, aby prędkość początku hamowania wynosiła około 80 km/h.

W sprawozdaniu należy zamieścić wyniki identycznie jak w badaniach dla jednostki podmiejskiej.

1. Badania dla pociągu towarowego

Dane wczytuje się z pliku „towarowy”. Przejazdy należy wykonać dla odległości 15 km i 30 km. Prędkość maksymalną pociągu przyjmuje się równą 70 km/h. Między punktami trasy 8000 m a 8400 m występuje ograniczenie prędkości do 20 km/h. Na linii występuje następujący profil pionowy dla I-go kierunku jazdy:

Punkty zmiany profilu	m	0	5000	9000	16000	21000
Profil pionowy	‰	0	+6	0	-4	0

Profil dla II-go kierunku musi odpowiadać profilowi dla kierunku I-go.

Przejazdy we wszystkich wariantach należy wykonać dla obu kierunków ruchu, w sumie daje to 8 przejazdów. Jazdą należy sterować w taki sposób, aby prędkość początku hamowania wynosiła około 50 km/h.

Sprawozdanie powinno zawierać dane wejściowe, wyniki zamieszczone w poniższej tabeli oraz wnioski płynące z wyników symulacji.

I kierunek jazdy

II kierunek jazdy

L = 15 km

L = 30 km

L = 15 km

L = 30 km

v

E

Eb

Ebr

osz

v

E

Eb

Ebr

osz

V

E

Eb

Ebr

osz

v

E

Eb

Ebr

osz

km/h

kWh

kWh

kWh

%

km/h

kWh

kWh

kWh

%

Km/h

kWh

kWh

kWh

%

km/h

kWh

kWh

kWh

%

gdzie:

E - zużycie energii w wariancie z rozruchem oporowym i bez stosowania rekuperacji

E_b - zużycie energii w wariancie z rozruchem bezoporowym i bez stosowania rekuperacji

E_br- zużycie energii w wariancie z rozruchem bezoporowym i ze stosowaniem rekuperacji

osz - procentowe oszczędności energii płynące łącznie ze stosowania rozruchu bezoporowego i rekuperacji

4

E

E

t

E

t

t

t

E

a)

b)

c)

d)

---