Wpływ zmian parametrów zasilania na dynamikę układu napędowego akumulatorowej lokomotywy kopalnianej

ZESZYTY NAUKCV.'E POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: GÓRNICTWO z. 156

1987 Nr kol. 1025

Zygmunt SZYMAŃSKI

WPŁYW ZMIAN PARAMETRÓW ZASILANIA NA DYNAMIKI- UKŁADU NAPĘDOWEGO AKUMULATOROWED LOKOMOTYWY KOPALNIANE!)

St reszczenie. l. artykule przedstawiono model matematyczny układu napędowego akumulatorowej lokomotywy kopalnianej zasilanej z prze­

rywacza tyrystorowego prądu stałego. Do anslizy stanów dynamicznych lokomotywy przyjęto uproszczony model matematyczny silnika szerego­

wego prędu stałego. V: przyjętym modelu silnika napędowego pominię­

to: przepływ oddziaływania .twornika oraz wpływ prądów wirowych na strumień wzbudzenia, założono jednoznaczną charakterystykę magneso­

wania silnika, aproksymowaną funkcją: $ = A . arctg(B . i s:. Ponad­

to założono: sztywne połączenie wału silnika z zestawem kołowym oraz liniową zmienność napięcia baterii akumulatorów od prądu obcią­

żenia. Przyjęte założenia upraszczające w niewielkim stopniu wpływa­

ją na dokładność obliczeń numerycznych. Analizę wpływu zmian para­

metrów zasilania na dynamikę układu napędowego lokomotywy kopalnia­

nej przeprowadzono metodą symulacji numerycznej. Obliczenia wykona­

no dla dwóch typów lokomotyw akumulatorowych: Lea 8M5 i LEA DM12.

W obliczeniach uwzględniono różne stany pracy lokomotyw: rozruch lokomotywy Lea *'5 za pomocą nastawnika C.NLD, hamowanie ze zwrotem energii do baterii akumulatorów oraz odpowiedź układu napędowego na skokową zmianę momentu obciążenia.

Wyniki obliczeń przedstawiono na wykresach (3-6). Z przedstawio­

nych wykresów wynika, ze czas rozruchu silnika napędowego lokomoty­

wy nie zależy praktycznie od stopnia rozładowania baterii akumula­

torów.

1. WSTĘP

Rozwiązanie szeregu problemów wiążących się z eksploatacją szynowych pojazdów trakcyjnych wymaga stosowania symulacji cyfrowej pracy silników trakcyjnych pojazdu w stanach dynamicznych. Wynika to z faktu, że czas pracy ustalonej silników (czyli ruch pojazdu ze stałą prędkością) stano­

wi niewielką część całkowitego czasu Jazdy. Symulacja cyfrowa ruchu po­

jazdu umożliwia m.in.: badanie stanów przejściowych przy przełączaniu sekcji baterii akumulatorów lub silników, analizę stanów awaryjnych ukła­

du napędowego lokomotywy oraz badanie wpływu zmian parametrów baterii akumulatorów na rozruch i hamowanie lokomotywy.

Lokomotywy akumulatorowe stosowano początkowo do przewozu pomocnicze­

go w metanowych wyrobiskach przodkowych. Obecnie stosowane są również do przewozu głównego, szczególnie w wyrobiskach silnie gazowych. W ^ljpoda- no wykaz typów i parametrów technicznych akumulatorowych lokomotyw sto­

sowanych w polskim górnictwie. VI artykule ogrsniczono analizę do dwóch

82 Z. S z y m a ń s k i

typów lokomotyw produkowanych przez "Konstal” Chorzów: Lea BM5 oraz Lea 9M12.

W tabeli 1 podano niektóre parametry techniczne tych dwóch typów loko­

motyw [2, 3].

Tabela 1

Lea OM5 Lea BM12

Masa użyteczna (kg) 5.103 1 3 .103

Siła pocięgowa przy mocy godzinnej (kN) 7 16,8

Prędkość godzinowa (m/sekj 1,7 2.2

Prędkość max. (m/sek.) 3.4 4.4

Moc godzinowa (kw) 5,5 38

Liczba silników 2 1

Typ silnika LDS-05a LDS245

Napięcie baterii akumulatorów (V) 84 144

Pojemność baterii akumulatorów (A.h) 420 760

Szczegółowy opis wyposażenia elektrycznego oraz układu przenoszenia napędu akumulatorowych lokomotyw typu: Lea SM5 oraz Lea 3M12 przedstawio­

no w l2. 3]. Na rys. 1 pokazano schemat ideowy obwodu głównego lokomotywy Lea E3M12 zasilanej z przerywacza tyrystorowego prędu stałego.

2. MODEL MATEMATYCZNY UKŁADU NAPęDOWEGO LOKOMOTYWY AKUMULATOROWE3 ULA PRACY BEZPOŚLIZGOWEJ

Układ napędowy lokomotywy Jest odpowiednię, uzależnionę od typu oraz konstrukcji pojazdu, konfigurację połęczeń silników trakcyjnych, przyłę- czonych w odpowiedni sposób do baterii akumulatorów. Model matematyczny silnika szeregowego zasilanego z przerywacza tyrystorowego prądu stałego podano w [4 , 5]. W artykule przyjęto uproszczony model matematyczny sil­

nika, przy czym przyjęte uproszczenia wpływaję w niewielkim stopniu na dokładność obliczeń numerycznych.

Założenia upraszczajęce:

- pominięto wpływ przepływu oddziaływania twornika na strumień wzbudze­

nia ,

- pominięto wpływ prędów wirowych na strumień wzbudzenia, - założono sztywne połęczenie wału silnika z zestawem kołowym,

- założono jednoznacznę charakterystykę magnesowania silnika, sproksymo- wanę funkcję: $ « A arctgia . ig).

Wpływ zalań parametrów, 83

Rys. 1. Schemat ideowy obwodu głównego lokomotywy akumulatorowej Lea 8M12 Fig. 2. Schematic diagram of main system, of storage - battery mining lo-

- przyjęto stałą wartość spraw­

ności silnika oraz przekładni, - pominięto w analizie lnduk-

cyjność uzwojenia twornika silnika,

- założono liniową zmienność napięcia baterii akumulato­

rów od prądu obciążenia, - przyjęto liniową zależność

oporów ruchu pojazdu od pręd­

kości jazdy,

- symetrię rozkładu ciężaru lo­

komotywy na poszczególne koła.

Rys. 2. Schemat zastępczy silnika trak­

cyjnego

Fig. 2. Equivalent circuit of traction motors

84 Z. Sz y m a ń s k i

Schemat zastępczy silnika trakcyjnego przedstawiono na rys. 2.

Układ równań różniczkowych opisujących elektromagnetyczny i elektromecha­

niczny stan nieustalony lokomotywy ma postać:

di d$

us * R twis + Ltw • ar~ ♦ ce$wu s + Rw As * •

ar

K -

(1)

^S ~ CM^WZS * ^ 8 * d u

M s - M u obc = 3 z . - 3 # ,O t ’

gdzie:

R t w ’ Rw ” rezystancje uzwojeń twornika, wzbudzenia silnika, Ltw' Lw “ indukcyJności własne uzwojeń twornika, wzbudzenia, zw - całkowita liczba zwojów uzwojenia wzbudzenia, ijs - sprawność silnika,

A E gzcz - spadek napięcia na szczotkach,

3Z - zastępczy moment bezwładności, sprowadzony na wał silnika.

Po uwzględnieniu założeń upraszczających, przyjmując. Ze opory ruchu lokomotywy są sumą oporów ruchu zależnych od prędkości Jazdy oraz oporów ruchu zależnych od profilu trasy, czyli:

Fop - Fr + Fl>

przy czym :

350 p Fr ‘ "l9(roł8ov ) ' F1 * "l9(io/oo + ’

gdzie:

m-, - masa lokomotywy,

x 2

g = 9,81 m/s - przyspieszenie ziemskie,

rQ - Jednostkowy opór ruchu przy prędkości v 0,

Rr - promień łuku,

Ps - prześwit toru.

iQy00 - upad trasy w promilach

otrzymujemy układ równań (2):

W p ł y w z mian p a ra met rów. 85

m lkpz 3 T ł F r + F l ' ’2S - ' ? z - er$mia' (2)

przy warunkach początkowych:

i (t«t ) » i j v(t=t„) ■ v .

3 0 so o o

gdzie:

R t = R tw + Rw ;

kp2 - współczynnik wzrostu masy zastępczej lokomotywy, uwzględniający wpływ części wirujących,

cp - stała konstrukcyjna, - sprawność przekładni.

Wymagania związane z przyczepnością lokomotywy oraz ograniczoną wytrzy­

małością sprzęgów, powodują uzupełnienie układu równań (2) ograniczeniami na siłę pociągową oraz przyspieszenie

F < Fmax = 9 ma * 9-

I dv I

I 37 I ^ max ’

(3)

gdzie :

ę - współczynnik przyczepności.

Układ równań (2) z ograniczeniami (3) rozwiązano metodą numeryczną, otrzymując przebiegi czasowe prądu silnika i (t ), prędkości jazdy v(t) oraz siły pociągowej F(t) dla różnych stanów pracy lokomotywy. Do roz­

wiązania nieliniowego układu równań (2) zastosowano metodę Rungego-Kutty czwartego rzędu [6, 7, 8],

3. WPŁYW ZMIAN PARAMETRÓW ZASILANIA NA DYNAMIKĘ UKŁADU NAPĘDOWEGO AKUMULAT0R0WE3 LOKOMOTYWY KOPALNIANED

Analizę wpływu zmian parametrów zasilania na dynamikę układu napędo­

wego lokomotywy kopalnianej, przeprowadzono metodą symulacji numerycznej.

Obliczenia wykonano dla lokomotyw: Lea BM5 i Lea BM12.

W obliczeniach uwzględniono różne.stany pracy lokomotywy: rozruch za po­

mocą nastawnika ONLD lokomotywy Lea B M 5 ; rozruch lokomotywy Lea 8M12 przy zasilaniu z przerywacza tyrystorowego, samowzbudzenie silnika trak­

cyjnego, hamowanie ze zwrotem energii do baterii akumulatorów, oraz od­

powiedź układu napędowego lokomotywy na skokową zmianę momentu obciąże­

nia .

86 Z. S zy m a ń s k i

ys.3.PrzebiegprędusilnikaprzyrozruchulokomotywyLeaBM5 Timaruningofcurrentmotorforstartingupofa locomotiveLeaBM5

Wpływ zalań parametrów.. 87

4.PrzebiegprędkościliniowejlokomotywyLeaBM5podczasrozruchu Timerunlngoflinearepeedforstartlngupofa locoaotlveLea0M1

88 Z. S z y m a ń s k i

m i a 9 a>

-C u U

9 ®

U >

N ■H

O W

U O

E

<0 O (0 O

N o

U H

-O

o «

a «*-

£ o

S a

3

« o CJ>

_J c

•H

> *-«

5 i.

> O

O tn

E O i.

_* o O **- H

4-*

■n k.

0) O

i »♦-

o »*- o> ©

•H«O' V U >

o I-i

a w

O

> (0 i.

■H 4-1 (0

14- cn o a)

■H cn -O c

© •H

N C

Ł. 3 CL t- , 0) in E

•H ł—

0)

> • CL m

cn

•H u.

W p ł y w z m i a n par am e t r ó w . 89

9 0 Z. S z y m a ń s k i

W obliczeniach przyjęto również różny stopień naładowania baterii akumu­

latorów. Przykładowo, dla lokomotywy Lea 9M5 przyjęto:

Wyniki obliczeń przedstawiono na rys. (3-6). Na rys. 3 przedstawiono przebieg prędu ig , przy rozruchu silnika dla różnych stopni naładowania baterii akumulatorów, na rys. 4 przebieg prędkości Jazdy v(t), a na rys. 5 przebieg siły pocięgowej F(t), przy rozruchu silnika, dla różnych stopni naładowania baterii akumulatorów.

Z wykresów tych wynika, że ze wzrostem napięcia zasilania silnika wzrasta wartość szczytowa prędu na każdym stopniu rozruchowym oraz stro- mość narastania prędu silnika. Elektromagnetyczna stała czasowa maleje, ponieważ ze wzrostem strumienia wzbudzenia maleje indukcyjność wzbudzenia silnika. Czas rozruchu silnika nie zależy praktycznie od stopnia rozłado­

wania baterii akumulatorów. Wyniki przedstawione na rys. (3-5) sę słuszne przy założeniu sztywnego połęczenia wału silnika z zestawem kołowym loko­

motywy. W rzeczywistości połęczenie przez sprzęgła i przekładnie Jest ela­

styczne, powoduje to zmniejszenie szczytowych wartości siły pocięgowej lokomotywy oraz prędu silnika.

Na rys. 6 przedstawiono przebiegi: prędu silnika is , prędkości linio­

wej v i siły pocięgowej lokomotywy, przy skokowej zmianie statycznej siły oporów ruchu dla: Eb » 84 V; R bw « 0 , 0 1 2 ; . 3.

4. UWAGI KOŃCOWE

Przedstawiony sposób modelowania lokomotywy przy wykorzystaniu maszy­

ny cyfrowej umożliwia przeprowadzenie analizy dynamiki układu elektrome­

chanicznego oraz dostarcza informacji o wpływie sposobu zasilania na wła­

sności ruchowe lokomotywy. Założenia upraszczajęce przyjęte w modelu mate­

matycznym powoduję pewne rozbieżności między wynikami obliczeń a przebie­

gami rzeczywistymi. Pominięcie założeń upraszczajęcych prowadzi Jednak do znacznej komplikacji modelu silnika, utrudnia opracowanie programów i wy­

konanie obliczeń. Prowadzi to do ograniczenia zakresu zastosowań przed­

stawionej metodyki i jej uniwersalności. Wyniki obliczeń przedstawione na rys. (3-6) odpowiadaję w sposób jakościowy przebiegom podawanym w litera­

turze [6, 7].

1) E fa - 42 >. 2,0 = 84 V;

2) E b » 42 . 1,9 « 79,8 V;

3) Eb - 79,8 V

V - °-0 1û Rbw ' °'0 2 Û R h w * ° . ° 6 S

W p ływ z mian paramet rów . 91

LITERATURA

[ll Antoniak 3.: Transport kopalniany. Kopalniana kolej podziemna. Skrypt Nr 517, Gliwice 1974.

[2] Dokumentacja techniczno-ruchowa lokomotywy akumulatorowej Lea BM5.

Chorzowska Wytwórnia konstrukcji Stalowych "Konstal”.

[3] Dokumentacja techniczno-ruchowa lokomotywy akumulatorowej Lea BM12 idem.

[4 ] Szklarski L . : Teoretyczne zagadnienia trakcji elektrycznej. Trakcja elektryczna w górnictwie. PWN, Warszawa 1972.

[5] Szymański Z.: Wpływ zmian częstotliwości impulsowania tyrystorowego przerywacza prędu stałego na parametry elektromagnetyczne i elektro­

mechaniczne silnika napędowego kopalnianej lokomotywy akumulatorowej.

Zeszyty Nauk. Polit. SI., "Elektryka" (w druku).

[ó] Petryna 0., Szewczyk A.: Wybrane modele symulacyjne szynowego pojazdu trakcyjnego w fazie rozruchu. Zeszyty Nauk. AGH. Elektrotechnika z. 3, Kraków 1984 r.

[^7] Zdebski 3.: Model matematyczny układu elektromechanicznego do analizy stanów dynamicznych pojazdu szynowego. Zeszyty Nauk. AGH. Elektro­

technika z. 4, Kraków 1984.

[8] Zajęć 3. : Analiza dynamiki układu elektromechanicznego akumulatorowych lokomotyw kopalnianych. Praca magisterska IEiAG Gliwice 1986 (niepu­

blikowana ).

Pecenzerft : Doc. dr inż. Franciszek SZCZUCKI

Wpłynęło do Redakcji w styczniu 1987 r.

BJIłiHHHE CMEH ÜAPAMETPOB IMTAHHfl HA ¿HHAMMKy T flrO B O H CHCTEML1 Py,L,HHHH02 AKKyM yjiH TO PH O ii iiOKOMOTHBłł

P e 3 10 u e

B c i a i Ł H npeiciaBjieHa M a i e M a T H ^ e c K a a MOAejih sjieKzpoiaroBoS pyAHHYHotł aKKyityjwTopHotł a o k o m o t h b u n H T a H H o B H 3 T H p H C T o p H o r o npepuBaiejia n o c T o a H H o r o loica, n p a aHaJiH3e A H H a M H u e c K H x p e x H M O B p a S o T u a o k o m o t h b u npHHflia y n p o m e a - Ha n u a T e M a T H a e c K a a M O A e A b A B n r a T e A s n o c T O H H H o r o t o k s n o c x e A O B a i e A b H o r o B0 3- OyjuseHHH.

B npHHaiott MOflejieft laroBoro ABHraiejiH HecoÓAbioAeHo: leneHHe co3AeitCTBna axopa a Taxxe sm arn ie BmcpeBiix tokob Ha hotok BoaOyscAeHHH, npHHATa oaho- 3HatHaH xapaKiepacTHKa HaMarHa>tHBaHMfl ABnraTeAA npHÓAH3HTeAbHaH cfyHKHHeft

$ = A.arctgCa.i ). Kpoiie xoro npHHHioi HenoABHXHoe coeAHHeHHe Basa ABnra- TeJLa c KOAecHotł napoft a TaKxe mne&wyx> nepeMeHHHBOCTb HanpaxeHHH aKKyvyAH- tophoB OaiepeB ot zoxa HarfcysKH. npHHHTue ynponteHHH HMejoT HeSoAbmoe bahhhhe Ha TOHHocib HyuepHHecKHX BtntHCAeHHft• AnajiH3 bahhhhh cueH napaueipoB HHTaHHA Ha AHHaiiHKy tatoboB OHOieMH pyAHHHHoro 3AeKipoBo3a npoBeAeH ueioAoB Hynepa- H e C K H X C H U y A H H H H . B h W H C A e H H H n p O B e A B H H A A H aKKyuyjlüTOpHLLX 3A e K T p 0 B 0 3 0 B TH n a

92 2. S z y ma ń s k i

Lea 3M5 a Lęa BM12. B BŁWHCJieHHHJC 6 łuih yHHTHBaHH pa3Hue peacHMH pafiOTu 3JiekTpoB030B: nyoK sjieKipososa Lea BM5 npk noMomn 5apa6aHHoro rpynno3oro nepeKAKwaTea-a O N D L , jopMoateHHe-npa oiAaHK 3Heprnn k aKKyMyxaiopHoa 6aie- peił a iaKxe oiBei TaroBoft cucieMu Ha maroByio CMeHy MOMeHia Harpy3KH, O m e m BbimicjieHHii npeAciaB^enhi. Ha SHarpaMMax (3-6). ii3 npeACiaBxeHHUx AaarpaMM HyacHo CAeAOBaTB| hto BpeMH nycKa xaroBoro ABHraTexa 3jieicTpo803a npaKTiweeKH He 3aBHCKT ot CTeneHH pa3rpy3KH akkyityxHxopHott Oaxepett.

THE INFLUENCE OF SUPPLY PARAMETERS OF CHANGES ON DYNAMICS OF A DRIVING SYSTEM OF A STORAGE - BATTERY MINING LOCOMOTIVE

S u m m a r y

The article presents mathematical model of a driving system of a sto­

rage - battery mining locomo.tive supplied from DC thyristor chopper.

For the analysis of dynamic properties of a locomotive was accepted a simple mathematical model of .DC'series motor. In the model of a dri­

ving motor have been ommit ted :• arma tore influence flux and influence of eddy - current for exciting flux, assumed also univocal magnetizing cha­

racteristic of the motor, which was approximated by function: $ =

= AarctgCB.i ). Moreover it was assumed: rigid coup of motor shaft with the bogie, and linear voltage variability of storage - battery with loa­

ding current. Above simplification-in a litle degree influence the accu­

racy of numerical calculations. The influence of supply parameter of chan­

ges on dynamics of a driving system of a storage - battery mining loco­

motive were analysed by the numerical simulation method. The calculation have been performed for two type storage - baterry locomotive: Lea BM12 i Lea BM5. In calculations different run conditions of locomotive have been considered: starting up.of -a locomotive Lea BM5 using the controller O N L D , electric regenerative, bracing, and response of a driving system for step change of loading torque. The results of calculations are presented in fig. (3-6). From presented diagrams it can be concluded, that starting time of the driving m:otor locomotive is practically independent on dis­

charging degree of storage - bsterry.