ALGORYTMY ENERGOOSZCZĘDNEJ LIKWIDACJI DUśYCH OPÓŹNIEŃ W RUCHU POJAZDÓW TRAMWAJOWYCH Z SILNIKAMI INDUKCYJNYMI

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr /22 (94 49 tansław Rawc, Daman Brodnc, Karol Chyła, Marcn Nowa, Adam Plucńs Poltechna Poznańsa, Poznań ALGORYTMY ENERGOOZCZĘDNEJ LIKIDACJI DUśYCH OPÓŹNIEŃ RUCHU POJAZDÓ TRAMAJOYCH Z ILNIKAMI INDUKCYJNYMI ALGORITHM OF ENERGY-AVING LIQUIDATION OF LARGE DELAY IN TRAFFIC OF TRAM VEHICLE ITH INDUCTION MOTOR Abstract: The paper deals wth the orgnal methodcs of the computaton of the energy-savng traffc of tram vehcles wth the modern feld-orented control of tracton three-phase nducton squrrel-cage motors. Possblty of occurrence of varous traffc perturbatons s here taen nto account. After endng dsturbances of the cty traffc, algorthms of tram rdes tae nto account the procedure of traffc-delay lqudaton n accordance wth the crteron of the mnmum energy use. Durng the vehcle runnng wth the constant speed, the load of tracton nducton motors s relatvely small; n ths case the proper choce of the lower supply voltage enables to ncrease the motor effcency. At large tme lags n traffc of tram vehcles, rde delays must be lqudated durng the run between some succeedng stops wthn the framewor of the optmzaton procedure.. stęp Dla osób zajmujących sę problematyą energooszczędnych jazd tramwajów fascynujące jest to, Ŝe poprzez odpowedno dobrane sterowane slnam napędowym pojazdów moŝna uzysać znaczne oszczędnośc w zuŝycu energ eletrycznej poberanej z sec tracyjnej [ 4, 7]. sal globalnej, przy welej lczbe pojazdów tramwajowych na śwece, poszuwane oszczędnośc energ jest w obecnych czasach bardzo stotne. Interesujące jest to, Ŝe przy zadanej długośc trasy dla oreślonego czasu jazdy jest wele warantów przejazdu pojazdu tramwajowego. Przy najlepszym zaplanowanu parametrów rozruchu, etapu jazdy ze stałą prędoścą, wybegu oraz hamowana moŝna zapewnć mnmum zu- Ŝyca energ. lteraturze, np. [, 3, 4, 7], przyjmowano dotąd w duŝym uproszczenu, Ŝe pojazd porusza sę po pozomej, prostolnowej trase oraz bez zewnętrznych załóceń ruchu. Ruch mejs tramwajów z reguły odbywa sę jedna przy róŝnych załócenach, mających często charater losowy. Profl trasy moŝe posadać odcn jazdy w dół lub w górę, a ponadto zdarza sę jazda po łuu. nnejszym artyule opsano metodę oblczana energooszczędnych przejazdów pojazdów tramwajowych z polowo zorentowanym sterowanem trójfazowych slnów nducyjnych. Rozpatrzono moŝlwość występowana duŝych załóceń ruchu, przy tórych algorytmy prze- jazdów tramwajów uwzględnają tae zaplanowane dalszej jazdy pojazdów, aby po zaończenu procesów załócenowych w ruchu doprowadzć do lwdacj powstałego opóźnena przy mnmalnym zuŝycu energ eletrycznej. Proces całowtej lwdacj opóźnena wymagał przyspeszonej jazdy na lu olejnych odcnach. Dla fazy jazdy ze stałą prędoścą obcąŝene slnów tracyjnych ne jest duŝe, a wtedy najlepszy dobór obnŝonej wartośc napęca oraz częstotlwośc zaslana umoŝlwa zwęszene sprawnośc slnów. 2. Modelowane jazdy tramwaju PonŜej opsano matematyczne modelowane pojazdu tramwajowego wyposaŝonego w trójfazowe sln nducyjne zaslane z falownów. Do sterowana nducyjnych slnów tracyjnych wyorzystano metodę orentacj wetora pola wrna, np. [5]. Przy sterowanu wetorowym doonuje sę odpowednch transformacj, dzę tórym następuje wydzelene z wetora prądu stojana sładowej magnesującej oraz sładowej tworzącej moment eletromagnetyczny. Przy tych uwarunowanach sterowane strumenem wrna momentem staje sę odsprzęŝone. Uład współrzędnych x, y (x oś podłuŝna, y oś poprzeczna jest zwązany z zastępczą dwufazową maszyną nducyjną, przy czym bardzo stotnym załoŝenem jest przyjęce współbeŝnośc wrowana

2 5 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr /22 (94 os x ze strumenem sojarzonym wrna Ψ. Równana modelu matematycznego slna nducyjnego w ramach równowaŝnego, zastępczego uładu dwufazowego x, y są: Dψ = u + ω ψ R ( x y Dψ = u ω ψ R (2 x ( ω ω x Dψ = ψ R (3 ( ω ω x Dψ = ψ R (4 x p Dω = ( T T h (5 J (6 x (7 (8 x (9 2 ( L L M λ = ( 3 M T = p ( Ψ x Ψ ( 2 L gdze D oznacza operator róŝnczowana d/dt; u x, u y - napęca zaslające w zastępczym uładze dwufazowym x, y ; ω prędość ątowa uładu współrzędnych względem neruchomego stojana; Ψ, Ψ oraz Ψ x, Ψ strumene sojarzone uzwojena stojana oraz uzwojena wrna w uładze x, y ;, oraz x, prądy uzwojena fazowego stojana oraz wrna w uładze x, y ; ω eletryczna prędość ątowa wrna; p lczba par begunów slna nducyjnego; J moment bezwładnośc uładu wrującego; T moment eletromagnetyczny slna; T h moment obcąŝena; R, R rezystancje uzwojeń fazowych stojana oraz wrna; L, L, M nducyjnośc zastępczej dwufazowej maszyny nducyjnej. Dla przyjętej metody sterowana oś rzeczywsta x uładu współrzędnych orentuje sę zgodne z erunem wetora Ψ, co powoduje, Ŝe sładowa strumena Ψ jest równa zeru. Pełną dynamę ruchu pojazdu tramwajowego opsuje następujące równane róŝnczowe: m dv m = Fp ( v (2 dt przy czym m oznacza tutaj masę pojazdu, m to współczynn mas wrujących, v prędość pojazdu, F p sła pocągowa, (v opory tracyjne. Zwąze mędzy słą pocągową F p uŝytecznym momentem slna T U ma następującą postać: F p ntu zη = (3 r gdze n lczba slnów napędowych, z welość przełoŝena przeładn mechancznej, η - sprawność przeładn, r promeń oła napędowego. Opory ruchu (v oreślono za pomocą trójmanu wadratowego na podstawe wzoru Coopera. Energę eletryczną En poberaną przez sln tracyjne oblcza sę przez następujące całowane: t2 3 En = n ( u x + u y dt (4 2 t Procedurę jazdy tramwaju opartą o ryterum mnmalnego zuŝyca energ eletrycznej wą- Ŝe sę z planem lwdacj opóźnena w ruchu, powodowanego przez załócena omunacyjne. 3. Analza wynów oblczeń Autorzy nnejszego artyułu wyonal wele oblczeń dla zmodernzowanej wersj tramwaju 5N, tóry ma cztery dentyczne, tracyjne (zaslane z uładów falownowych trójfazowe sln nducyjne latowe o łącznej mocy równej 6. eć tracyjna ma napęce znamonowe 6V (DC. Dane tramwaju to: całowta długość: 3,5m, masa własna: 65g, obcąŝene znamonowe: 875g. Trójfazowy sln nducyjny latowy ma następujące dane znamonowe: moc 4, napęce 38V (połączene w gwazdę, częstotlwość 6Hz, prąd: 7,7A, prędość: 724obr/mn, sprawność 9%, współczynn mocy cosφ:,93. PonŜej podano tylo część wynów przeprowadzonych oblczeń dla masy pojazdu równej 22 g, co odpowada lczbe 8 pasaŝerów (64% znamonowego obcąŝena tramwaju. czase jazdy tramwaju ze stałą prędoścą sln napędowe pracują w stane ustalonym; opory tracyjne ne są duŝe dla taej fazy

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr /22 (94 5 przejazdu sln są obcąŝone małą mocą, przy tórej współczynn mocy cosφ moŝe być newel. ObnŜene wartośc napęca zaslającego powoduje, Ŝe moŝlwa jest praca przy taej samej prędośc mocy obcąŝena, ale dla węszej wartośc współczynna mocy cosφ oraz przy węszej sprawnośc η slnów. Zachowując zasady polowo zorentowanego sterowana slna nducyjnego (orentacja pola wrna, opracowano algorytm doboru taej częstotlwośc wartośc napęca zaslającego, aby uzysać masymalną sprawność η. Dla etapu jazdy ze stałą prędoścą, na rys. -4 podano zaleŝnośc współczynna mocy cosφ oraz sprawnośc slna w funcj napęca zaslającego wyraŝonego w jednostach względnych (przy odnesenu do napęca znamonowego. Rysun 2 dotyczą małej prędośc tramwaju równej 5m/s, natomast rysun 3, 4 lustrują wyn dla duŝej prędośc wynoszącej 7m/s. Przy prędośc 5m/s (rys., 2 masymalną sprawność,92 uzysano przy względnym napęcu równym,3 oraz częstotlwośc zaslana 35,9Hz; dla taego puntu pracy cosφ wynosł 8. Na rys. 3, 4 zwązanych z duŝą prędoścą 7m/s, najwęsza sprawność wynosła,927 przy względnej wartośc napęca zaslającego,965 oraz częstotlwośc 2,Hz (współczynn mocy cosφ był tutaj równy,98. wsp. mocy cosf [ - ],6,4 Rys.. Jazda ze stałą prędoścą 5m/s; zaleŝność współczynna mocy cosφ slna tracyjnego od względnej wartośc napęca zaslającego równej: a,7; b,24; c,238; d,272; e,3; f,34; g,373; h,47;,44 sprawność [ - ],6 Rys.2. Jazda ze stałą prędoścą 5m/s; zaleŝność sprawnośc slna tracyjnego od względnej wartośc napęca zaslającego równej: a,7; b,24; c,238; d,272; e,3; f,34; g,373; h,47;,44 wsp. mocy cosf [ - ],6,4 Rys. 3. Jazda ze stałą prędoścą 7m/s; zaleŝność współczynna mocy cosφ slna tracyjnego od względnej wartośc napęca zaslającego równej: a,543; b,6; c,657; d,73; e,77; f 29; g 86; h,965; sprawność [ - ],9,7 Rys.4. Jazda ze stałą prędoścą 7m/s; zaleŝność sprawnośc slna tracyjnego od względnej wartośc napęca zaslającego równej: a,543; b,6; c,657; d,73; e,77; f 29; g 86; h,965;

4 52 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr /22 (94 Rysun 5-7 przedstawają wyn oblczeń taego przejazdu tramwaju, gdy wystąpły duŝe załócena płynnośc ruchu powstało znaczne opóźnene jazdy. ewnątrz odcna I o długośc 95m (perwotne planowany czas jazdy: 95s był neplanowy postój trwający 2s, a ponadto po wymuszonym zatrzymanu pojazdu tramwajowego, wsute dalszych omunacyjnych utrudneń obowązywało ogranczene prędośc do 4m/h. Oblczena wyonywano ne tylo dla odcnów prostych pozomych, ale równeŝ przy złoŝonych proflach trasy, polegających na jazdach w górę lub w dół; w tach przypadach opory ruchu przedstawano w [ ] na podstawe metody podanej w lteraturze [6]. Początowo tramwaj jechał na odcnu I (rys.5 w oparcu o perwotny algorytm jazdy energooszczędnej dla ruchu bez załóceń. Po czase,7s przejechanu 74,8m motornczy dostrzegł nebezpeczną sytuację wprowadzł tramwaj w fazę wybegu przez 28,47s na odcnu 296,m, a potem zatrzymał pojazd w mejscu odległym o 4m od początu trasy, tóra do tego puntu (segment prowadzła w górę (5. Pojazd tramwajowy ruszył po postoju 2s, ale na całym segmence 2 długość 55m oraz jazda w dół (-5,5 - obowązywało jedna neplanowe ogranczene prędośc do 4m/h. Na poonane całej trasy tramwaj potrzebował 24,s, a węc nastąpło opóźnene równe 29,s w stosunu do obowązującego rozładu jazdy. Opracowany został algorytm dalszej jazdy, przy czym optymalzacja uwzględnała zarówno zlwdowane opóźnena 29,s, ja równeŝ ryterum mnmalnego zuŝyca energ. Lwdacja opóźnena została zaplanowana na dwa następne odcn o numerach II III. Odcne II (prosty, pozomy, w perwotnym rozładze jazdy czas przejazdu: 87s mał długość 87m, natomast odcne III (jazda z góry: - 4, początowo zaplanowany czas: 93s to długość równa 93m. Przy brau załóceń suma odcnów II III mała być przejechana w cągu 8s; w celu lwdacj opóźnena przejazdy muszą być zrealzowane w łącznym czase 5,9s, co wymaga jazdy z węszą prędoścą, a węc zwęszonym zuŝycem energ eletrycznej. procese optymalzacyjnym były stotne dwa elementy: ustalene najorzystnejszego rozładu sumarycznego czasu 5,9s na czasy jazdy, odpowadające olejnym odcnom II III, prędość v [ m / s ] Rys.5. Neplanowy postój 2s wewnątrz trasy (odcne I, a następne jazda z ogranczenem prędośc do 4m/h; opóźnene w ruchu 29,s lwdowane będze na 2 następnych odcnach: II III; zuŝyce energ En =,568 h prędość v [ m / s ] Rys.6. Przyspeszona jazda na odcnu II przy lwdacj opóźnena powstałego na odcnu I; czas jazdy srócony z 87s do 73,5s; algorytm przejazdu z mnmalnym zuŝycem energ Enmn =,43h prędość v [ m / s ] Rys.7. Przyspeszona jazda na odcnu III przy lwdacj opóźnena na odcnu I; srócona jazda (z 93s do 77,4s; przejazd z mnmalnym zuŝycem energ Enmn=,28h

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Eletryczne Nr /22 ( ustalene najorzystnejszych czasów jazdy dla rozruchu, jazdy ze stałą prędoścą, wybegu hamowana, tóre mają obowązywać na odcnu II oraz III. Dla jazdy bez odzysu energ algorytmy przejazdu z mnmalnym poborem energ (suma dla odcna II III: En = 2,694h przedstawają rys. 6, 7; w tym najlepszym warance sumaryczny, stały czas 5,9s rozdzelono na olejne odcn w następujący sposób: 73,5s (odcne II, 77,4s (odcne III. Na odcnu II (rys. 6 zoptymalzowany rozład czasu 73,5s na poszczególne fazy jazdy to: rozruch: 6,85s, jazda ze stałą prędoścą: 7,26s, wybeg: 4,s, hamowane: 9,39s; zuŝyce energ eletrycznej wynosło tutaj,43h. Dla następnego odcna III (rys. 7 najorzystnejszy, łączny czas 77,4s został rozdzelony w następujący sposób: rozruch: 5,54s, jazda ze stałą prędoścą: 7,74s, wybeg: 43,77s, hamowane:,35s; pobrana energa jest równa,28h. 4. Podsumowane Autorzy artyułu opracowal nową metodyę oblczana energooszczędnych przejazdów pojazdów tramwajowych z polowo zorentowanym sterowanem tracyjnych, trójfazowych slnów nducyjnych z uwzględnenem wpływu tach załóceń płynnośc ruchu, tóre wywołują znaczne opóźnena w stosunu do rozładu jazdy. Przy lwdacj duŝych opóźneń nowa metoda pozwala na doładnejsze wyznaczene algorytmu jazdy pojazdu tramwajowego z mnmalnym zuŝycem energ eletrycznej, a oszczędnośc energ mogą wynosć nawet ooło 3%. nnejszej pracy została uwzględnona ne tylo moŝlwość występowana róŝnorodnych załóceń ruchu, ale równeŝ somplowanego proflu trasy, obejmującego przypad jazdy w górę w dół. Przy duŝych opóźnenach procedura lwdacj opóźnena mus być rozszerzona na następne odcn jazdy tramwaju. Podczas fazy jazdy ze stałą prędoścą obcąŝene tracyjnych, trójfazowych slnów nducyjnych ne jest duŝe moŝe występować praca maszyny eletrycznej przy małej wartośc współczynna mocy cosφ; w tach przypadach właścwy dobór obnŝonej wartośc napęca odpowednej częstotlwośc uładu zaslającego pozwala na zwęszene sprawnośc uładu napędowego. Energooszczędne prowadzene tramwaju moŝe być w pełn zrealzowane tylo poprzez półautomatyczne sterowane pojazdem. Motornczy mus zawsze zapewnć bezpeczeństwo ruchu. Jeśl uznaje on, Ŝe spełnone są warun bezpeczeństwa, moŝe włączyć system automatycznego prowadzena pojazdu tramwajowego z mnmalnym zuŝycem energ oraz w marę moŝlwośc z przestrzeganem rozładu jazdy. Autorzy prowadzą prace nad omplesowym rozwązanem taej oncepcj. 5. Lteratura []. Frącowa J.: Optymalzacja zuŝyca energ eletrycznej przez pojazd tracyjny napędzany slnam szeregowym zaslanym przez czopery. Materały V Konf. Mędzynarodowej: Nowoczesna Tracja Eletryczna MET, 2, Gdańs. [2]. Gla R., Patalas., Rawc., Rzeźn K.: Calculatons of Energy avng Traffc of Tram Vehcle Tang Power Losses of Tracton Motors nto Account. Medterranean Conf. on Modellng and mulaton MCM, 23, Italy. [3]. Kacprza J.: Automatya sterowane eletrycznych pojazdów tracyjnych. ydawnctwa Komunacj Łącznośc, 98, arszawa. [4]. Nawrows R., Zelńsa M.: Control of tracton vehcles of mnmum energy use. Analyss, Control and Desgn, Vol., 994, AME Press. [5]. Orłowsa-Kowalsa T.: Bezczujnowe ułady napędowe z slnam nducyjnym, ydawnctwo Poltechn rocławsej, 23, rocław. [6]. Podos J., Kacprza J., Mysłe J.: Zasady tracj eletrycznej, ydawnctwa Komunacj Łącznośc, 98, arszawa. [7]. Zelńsa M.: Modellng of tracton vehcle traffc. Modellng, Measurement and Control, Part B, Vol. 49, No. 2, 993, AME Press. Autorzy Dr hab. nŝ. tansław Rawc, prof. PP mgr nŝ. Daman Brodnc mgr nŝ. Karol Chyła mgr nŝ. Marcn Nowa mgr nŝ. Adam Plucńs Poltechna Poznańsa, ydzał Eletryczny ul. Potrowo 3A, Poznań E-Mal: stanslaw.rawc@put.poznan.pl daman.brodnc@o2.pl arol.chyla@gmal.com mnowa_pp@wp.pl adam.plucns@onet.pl