Politechnika Łódzka

Wydział Elektrotechniki, Elektroniki,

Informatyki i Automatyki

Instytut Elektroenergetyki

Zespół Trakcji Elektrycznej

ĆWICZENIE T5

BADANIE WPŁYWU SPOSOBU JAZDY

NA ZUŻYCIE ENERGII TRAKCYJNEJ

1. Wiadomości wstępne.

Wyniki eksploatacji trakcji elektrycznej zależą od wielu czynników. Poprawna eksploatacja taboru elektrycznego powinna zapewnić wysoką efektywność wykonywania przewozów jak również maksymalne obniżenie kosztów eksploatacyjnych szczególnie w zakresie kosztów energii trakcyjnej.

1.1. Jednostkowe zużycie energii.

Aby porównać kilka podobnych przejazdów pociągów z punktu widzenia energetycznego można posłużyć się jednostkowym zużyciem energii obliczonym na drodze analitycznej będącym energią odniesioną do jednostki masy pociągu i jednostki trasy (Wh/tkm). Jednostkowe zużycie energii mierzy się na pantografie (na zaciskach silników) i oznacza się, j₀. Aby wyznaczyć ten współczynnik należałoby zrobić bilans energetyczny zużycia energii. Czynność ta polega na analizie poszczególnych faz transformacji energii z elektrycznej na mechaniczną z uwzględnieniem wszystkich występujących w tym procesie strat. Obliczenia takie okazują się być trudne ze względu na konieczność szczegółowej znajomości nie tylko trasy i szybkości pociągu, ale również charakterystyk lokomotywy. Prostszym rozwiązaniem jest sporządzenie bilansu energii według jej ostatecznego przeznaczenia. Zestawienie poszczególnych rodzajów energii trakcyjnej dla trakcji prądu stałego z rozruchem oporowym wygląda następująco:

1. praca użyteczna silników idąca na pokonanie:

1. zasadniczych oporów ruchu

2. oporów krzywizn

3. oporów wzniesień

2. straty przy przyhamowywaniu pociągu na większych spadkach,

3. straty w oporach rozruchowych

4. starty dodatkowe w silnikach spowodowane ich pracą przy obniżonym napięciu (połączenie szeregowe)

5. straty przy hamowaniu na stacjach

6. straty normalne silników w połączeniu zasadniczym (równoległym).

Wzór na wyznaczenie jednostkowego zużycia energii ma następującą postać:

gdzie:

- sprawność silników,

- sprawność przekładni,

- stały współczynnik zależny od ciężaru taboru, ilości wagonów, ilości osi, powierzchni przekroju poprzecznego, kształty taboru itp.

- średni opór krzywizn dla rozpatrywanego odcinka trasy,

- średnie dodatkowe opory wywołane przyhamowywaniem,

- stosunek różnicy poziomów między stacją końcową a początkową [m] do odległości między stacjami [km],

- stały współczynnik zależny od typu taboru (10 - 40),

- prędkość maksymalna,

- prędkość techniczna,

L - średnie odległość międzyprzystankowa,

- współczynnik mas wirujących,

,
- jednostkowa siła rozruchowa, hamująca,

,
- średnie jednostkowe opory ruchu na drodze rozruchu, hamowania,

- prędkość końcowa rozruchu,

- prędkość początkowa hamowania,

- stosunek strat w oporach rozruchowych do energii pobranej z sieci w czasie rozruchu.

1.2. Wpływ siły hamowania na zużycie energii elektrycznej.

Jednym z parametrów mających wpływ na zużycie energii elektrycznej przez tabor jest siła hamowania. Na rysunku 1. 1 przedstawiono przebiegi prędkości (V) w funkcji czasu (t) dla dwóch przejazdów (a i b). Powierzchnia objęta tymi wykresami jest odpowiednikiem drogi (S) przebytej przez pociągi. Jeżeli drogi, pokonane przez obydwa pociągi, są równe i pokonane w tym samym czasie oznacza to, że prędkość techniczna w obu przypadkach jest identyczna. Zakładamy, że wykresy a i b spełniają tę zależność.

Rys. 1.1. Dwa przejazdy analityczne z tą samą prędkością techniczną przy różnej sile hamowania.

Można zauważyć, że przy przejeździe b prąd silników trakcyjnych został odłączony wcześniej niż przy przejeździe a. Zużycie energii w tym przypadku jest niższe, mimo, że pociąg przejechał ten sam odcinek drogi w tym samym czasie, co oznacza, że przy tej samej prędkości technicznej. Przejazd według krzywej b jest bardziej ekonomiczny, co uzyskano dzięki zwiększeniu siły hamowania w ostatniej fazie ruchu pojazdu. Umożliwiło to skrócenie czasu hamowania a zarazem wydłużenie czasu jazdy wybiegiem, co pozwoliło na wykorzystanie części energii kinetycznej pojazdu, która w przypadku a została rozproszona przy hamowaniu.

Na największą uwagę pod względem ograniczenia zużycia energii elektrycznej zasługuje ruch podmiejski charakteryzujący się częstymi przystankami i niewielkimi odległościami miedzy postojami. W takich warunkach procentowa oszczędność energii elektrycznej jest najefektywniejsza.

1.3. Wpływ przyspieszenia przy rozruchu na zużycie energii.

Drugim sposobem obniżenia zużycia energii trakcyjnej jest zastosowanie większych wartości przyspieszenia podczas rozruchu oporowego i bezoporowego. Należy pamiętać, że wartość największego przyspieszenia przy rozruchu uwarunkowana jest stosunkiem siły elektrowozu do ciężaru pociągu. Siła pociągowa ograniczona jest przyczepnością kół oraz wielkością prądu rozruchowego (nagrzewanie silnika).

Na rysunku 1.2 przedstawiono przejazd pociągu w układzie V=f(t) w dwóch wariantach: a - przyspieszenie przy rozruchu a=0,4 m/s², b - przyspieszenie przy rozruchu a=0,6 m/s². W obu przypadkach przejazdy zostały wykonane przy tej samej odległości międzyprzystankowej L = 2,5 km i w tym samym czasie 164 s a więc z tą samą prędkością techniczną (V_t = 55 km/h).

Rys. 1.2. Dwa przejazdy analityczne z tą samą prędkością techniczną przy różnych wartościach przyspieszenia w czasie rozruchu.

Jak widać z wykresu w przypadku b prąd silników wyłączono wcześniej niż w przypadku a osiągając mniejszą prędkość maksymalną 75,7 km/h. W pierwszym przypadku, aby prędkość techniczna była identyczna należało przedłużyć rozruch do prędkości maksymalnej 80 km/h, czego następstwem jest rozpoczęcie hamowania przy większej prędkości niż w przypadku b, przy założeniu takich samych opóźnień hamowania. Analizując oba przejazdy jednostkowe zużycie energii wynosi w przypadku a-j₁=42,2 Wh/tkm w przypadku b-j₂=35,3 Wh/tkm, tzn. oszczędność energii jest rzędu 16,5%.

Rys 1.3. Dwa przejazdy analityczne z tą samą prędkością techniczną przy różnych wartościach przyspieszenia w czasie rozruchu.

W celu zmniejszenia zużycia energii stosuje się również zmianę wartości przyspieszenia po zakończeniu fazy rozruchu. Na rysunku 1.3 przedstawiono dwa przejazdy pociągów na odcinku międzyprzystankowym ponad 5,5 km. Jak widać przy przejeździe b zastosowano bocznikowanie pozwalające na zwiększenie przyspieszenia po okresie rozruchu. Pociąg b osiągnął szybciej prędkość maksymalną, więc mógł wcześniej zacząć jazdę wybiegiem i zacząć hamowanie z mniejszej prędkości, co świadczy o bardziej ekonomicznym wykorzystaniu energii kinetycznej taboru. Oszczędność energii w tym przypadku wynosi około 10%. Przy mniejszej odległości międzyprzystankowej oszczędność ta była by bardziej znacząca.

1.4. Wytyczne prowadzenia pociągu.

W celu uzyskania oszczędności energii przejazd pociągu można wykonać różnymi sposobami, które przedstawiono w poprzednich punktach. Podsumowując można sformułować ogólne wytyczne, którymi powinien kierować się maszynista w celu zapewnienia maksymalnie ekonomicznej jazdy. Powinno się jak najszybciej uzyskać maksymalną prędkość, aby mieć możliwość jak najdłuższej jazdy wybiegiem a następnie zacząć hamowanie z jak najmniejszej prędkości wykorzystując jak największą siłę hamowania. Taki sposób prowadzenia pociągu pozwoli na efektywne wykorzystanie energii kinetycznej taboru. W tym celu maszynista ma do dyspozycji następujące środki:

• zastosowanie maksymalnej dopuszczalnej siły rozruchu oporowego i bocznikowego,

• zastosowanie jak najdłuższej jazdy wybiegiem,

• rozpoczęcie hamowania przy możliwie niskiej prędkość wykorzystując jak największą siłę hamowania.

Należy pamiętać, że oszczędności energii są tym większe im krótsze są odległości międzyprzystankowe, więc należy zwrócić szczególną uwagę na prace maszynisty w ruchu podmiejskim i lokalnym.

2. Przebieg ćwiczenia.

2. 1. Obsługa programu.

Do badania wpływu zmiany parametrów przejazdu na jednostkowe zużycie energii wykorzystany zostanie program dydaktyczny. Po uruchomieniu programu pojawi się okno informacyjne z opisem dostępnych klawiszy: s - start, r - rozruch, w - wybieg, h - hamowanie, u - jazda ze stałą prędkością, k - koniec, g - przełącznik okien informacyjnych. Aby rozpocząć należy nacisnąć s - start. Następnie należy wprowadzić nazwę zbioru, w którym umieszczone zostaną wyniki. W kolejnym punkcie należy wprowadzić dane z dysku ze zbioru o nazwie ew60. W celu zmiany parametrów należy poprawić dane. Po wprowadzeniu parametrów należy wybrać lokomotywę typu EW60. Po udzieleniu negatywnej odpowiedzi na kolejne pytania i wprowadzeniu zerowej prędkości początkowej można przejść do prowadzenia przejazdu przy pomocy wcześniej opisanych klawiszy.

2.2. Badanie wpływu prędkości technicznej na jednostkowe zużycie energii.

W tej części ćwiczenia należy zbadać wpływ szybkości technicznej na zużycie energii dla odległości między przystankowej: 1000 m, 1500 m, 2000 m. Dla każdej z tych odległości należy wykonać osiem przejazdów z różną prędkością techniczną. Pierwszy przejazd należy wykonać dla ciągłej jazdy pod prądem aż pociąg automatycznie wyhamuje przed przystankiem. Kolejne przejazdy należy wykonać dla odpowiednio krótszej jazdy pod prądem a resztę przejazdu wykonać jazdą wybiegiem. W sprawozdaniu należy zamieścić na wspólnym rysunku wykresy A = f(V_t) dla każdej z odległości międzyprzystankowych. Wyniki obliczeń należy zestawić w tabeli 1.

Tab. 1. Tabela do zestawienia wyników pomiarów dla różnych odległości międzyprzystankowych

odległość międzyprzystankowa
1000 m			1500 m			2000 m
s	Vt	A	s	Vt	A	s	Vt	A
m	km/h	kWh	m	km/h	kWh	m	km/h	kWh

2.3. Badanie wpływu opóźnienia hamowania na jednostkowe zużycie energii.

Aby zbadać wpływ opóźnienia hamowania na zużycie energii należy wykonać przejazdy dla trzech wartości opóźnienia: 0,8; 1; 1,2 m/s². Dla każdej z podanych wartości opóźnienia należy wykonać po 3 przejazdy z różnymi drogami jazdy pod prądem (przejazd dokończyć jazdą wybiegiem) dla odległości międzyprzystankowej 1000 m. W sprawozdaniu należy zamieścić na wspólnym rysunku wykresy A = f(V_t) dla każdego opóźnienia hamowania. Wyniki obliczeń należy zestawić w tabeli 2.

Tab. 2. Tabela do zestawienia wyników pomiarów dla różnych wartości opóźnienia

opóźnienie
ah = 0,8			ah = 1			ah = 1,2
s	Vt	A	s	Vt	A	s	Vt	A
[m]	[km/h]	[kWh]	[m]	[km/h]	[kWh]	[m]	[km/h]	[kWh]

2.4. Badanie wpływu przyspieszenia na jednostkowe zużycie energii.

Należy wykonać po 5 przejazdów na odległości 1000 m dla 100% i 80% siły rozruchowej, przy różnych drogach jazdy pod prądem (przejazd należy dokończyć jazdą wybiegiem). Należy porównać zużycie energii dla takich samych prędkości średnich. W sprawozdaniu należy zamieścić na wspólnym rysunku wykresy A = f(V_t) dla każdej siły rozruchowej. Wyniki obliczeń należy zestawić w tabeli 3.

Tab. 3. Tabela do zestawienia wyników pomiarów dla różnych wartości siły rozruchowej

siła rozruchowa
F = 80 %			F = 100 %
s	Vt	A	s	Vt	A
[m]	[km/h]	[kWh]	[m]	[km/h]	[kWh]

2.5. Badanie wpływu pochylenia trasy na jednostkowe zużycie energii.

Należy wykonać po 5 przejazdów dla każdego z trzech pochyleń trasy(-6 ‰, 0 ‰ oraz 6 ‰). W sprawozdaniu należy zamieścić na wspólnym rysunku wykresy A = f(V_t) dla każdej wartości pochylenia. Wyniki obliczeń należy zestawić w tabeli 4.

Tab. 4. Tabela do zestawienia wyników pomiarów dla różnych wartości pochylenia trasy

pochylenie
- 6 ‰			0 ‰			6 ‰
s	Vt	A	s	Vt	A	s	Vt	A
[m]	[km/h]	[kWh]	[m]	[km/h]	[kWh]	[m]	[km/h]	[kWh]

3. Wykonanie sprawozdania.

W sprawozdaniu należy zamieścić: opis ćwiczenia laboratoryjnego, wypełnione tabele z wynikami oraz wykresy wymienione w poszczególnych punktach ćwiczenia. We wnioskach należy dokonać porównania, na podstawie wyników, badanych metod ograniczenia zużycia energii w trakcji elektrycznej.

2

---