Maciej CZA K A Ń SK I B arbara K U LESZ
Zakład Inżynierii Elektrycznej w Transporcie
WPŁYW WPROWADZENIA TRAMWAJÓW NAPĘDZANYCH SILNIKAMI INDUKCYJNYMI NA WYRÓWNYWANIE SZCZYTOWYCH OBCIĄŻEŃ W PODSTACJACH TRAKCYJNYCH
S treszczen ie. C elem badań było porównanie w pływ u typu napędu tram waju na obciążenie podstacji trakcyjnych. Analizow ano obciążenie szczytow e i obciążenie średnie na danym odcinku zasilania. Przeprowadzono kom puterow ą sym ulację pracy tram w ajów na linii tram wajowej w centrum aglom eracji górnośląskiej. Analizę przeprow adzono dla dw óch przypadków:
- napędu klasycznego z silnikam i prądu stałego z rozruchem rezystorowym , - napędu z silnikam i klatkow ym i indukcyjnym i prądu przem iennego.
HOW THE INTRODUCTION OF INDUCTION MOTOR -DRIVEN- TRAM CARS INFLUENCES THE PEAK LOADS OF TRACTION SUBSTATIONS
S u m m a ry . The aim o f the research was to com pare the influence o f the tram drive type on the traction substation loads. The peak pow er o f the substation and the average pow er consum ption in a given supply section were analyzed. The com puter simulation o f the tram s riding on an existing tram line in the very centre o f Silesian agglom eration w as m ade in two different cases:
- the tram s equipped w ith the classical, d.c. traction m otors w ith resistor starting, - the tram s equipped w ith a.c. induction squirrel-cage motors.
1. W PR O W A D ZEN IE
N apęd pojazdów trakcyjnych oparty na silnikach indukcyjnych charakteryzuje się niezaw odnością i m niejszym i gabarytam i, ale przede w szystkim energooszczędnością.
W łaśnie energooszczędność je s t je d n ą z głów nych przyczyn stosow ania takich napędów zam iast napędów opartych na silnikach prądu stałego.
28 M. Czakański, B. Kulesz
O pisane poniżej badania przeprow adzono w celu porów nania w pływ u zastosow ania silników indukcyjnych w napędach tram w ajów na obciążenia podstacji trakcyjnych. A utorów interesow ał zarów no szczytow y pobór m ocy, ja k i średnie zużycie energii na określonym odcinku zasilania. W ram ach badań dokonano sym ulacji kom puterowej przejazdu tram w ajów na trasie w centrum aglom eracji śląskiej dla dw óch przypadków:
- tram w aju z k lasycznym i silnikam i prądu stałego z rozruchem rezystorow ym , - tram w aju z silnikam i indukcyjnym i.
U zyskane w yniki pozw alają na porów nanie średnich i m aksym alnych prądów pobieranych przez kilka ja d ąc y ch jednocześnie po danym odcinku zasilania tram w ajów obu typów .
2. O PIS S Y M U LA C JI PR Z E B IEG Ó W O B C IĄ ŻEN IA O D CINK A Z A SIL A N IA
Aby porów nać w pływ w prow adzenia silników indukcyjnych na w yrów nyw anie szczytow ych obciążeń w podstacjach trakcyjnych, przeprow adzono przejazdy teoretyczne tram w ajów w yposażonych w oba typy napędu przy jednoczesnym założeniu identycznych w arunków ruchow ych. D la celów sym ulacji kom puterowej założono, że napięcie sieci trakcyjnej je s t stałe n a całej trasie i w ynosi 600 V.
Do badań ze w zględu na d u żą popularność przyjęto w óz tram w ajow y typu 105N.
Z asym ulow ano ja zd ę pojedynczego w ozu, o m asie własnej m w = 18,3t, przew ożącego 90 pasażerów o m asie m,, = 6,75 t, napędzie na w szystkie 4 osie oraz spraw ności przekładni zębatej r\z = 0,97. Tram w aj z silnikam i prądu stałego w yposażony je st w silniki LTa220 [3]
połączone szeregow o-rów nolegle (2 gałęzie rów noległe po 2 silniki połączone szeregowo).
R ozruch je s t przeprow adzany rezystorow o, bez przełączania do pracy szeregowej. W ramach założeń upraszczających zrezygnow ano z zastosow ania odw zbudzenia. W obliczeniach uw zględniono ham ow anie dynam iczne (bez zw rotu energii do sieci).
Tram w aj z silnikam i indukcyjnym i je st oparty na konstrukcji m echanicznej tram w aju typu 105N, przy czym zastosow ano w nim indukcyjne silniki trakcyjne typu STD 200LA o mocy analogicznej ja k LT a220, zasilane z dw u falow ników napięcia, których spraw ność przyjęto na poziom ie Tifal = 0,96. R ozruch i ham ow anie przeprow adzane są w oparciu o odpow iednie zadaw anie częstotliw ości i am plitudy napięcia zasilającego. Z analogicznych w zględów jak dla tram w aju z silnikam i prądu stałego, pom inięto uw zględnianie prądu ham owania.
Z ałożono, że tram w aje z silnikam i prądu stałego i silnikam i indukcyjnym i pokonują je d n ak o w ą trasę z jednakow ym i prędkościam i w g identycznego rozkładu jazdy. Przejazdem tram w aju z napędem w ykorzystującym silniki indukcyjne pokierow ano tak, aby odw zorow yw ał on w iernie zachow anie się tram w aju z napędem klasycznym opartym na silnikach prądu stałego.
Przejazdu teoretycznego dokonano w oparciu o param etry istniejącego w rzeczyw istości odcinka zasilania. W ybrano odcinek zasilania K atow ice R ynek - K atow ice Bogucice.
O dcinek ten o całkow itej długości 3040 m przebiega przez centrum aglom eracji, częściow o na torow isku w ydzielonym , a je g o profil je st w przeważającej części płaski. Z w ybranej trasy korzysta jednocześnie pięć linii tram w ajow ych. N akładanie się na siebie rozkładów jazdy tram w ajów tych linii pow oduje nierów nom ierny pobór m ocy przez badany odcinek zasilania.
O dstępy czasow e m iędzy przejazdem kolejnych tram w ajów w ahają się od 1 do 7 minut.
P aram etry odcinka trakcyjnego przedstaw iono w tabeli 1.
W oparciu o rzeczyw isty rozkład jazdy wyznaczono liczbę tram w ajów poruszających się po przyjętej trasie oraz dzielące je odległości. Jednocześnie po w ybranej trasie w obu kierunkach porusza się 8 tram w ajów . D la potrzeb obliczeń przyjęto identyczne w arunki jazdy w danym punkcie trasy dla każdego z tram w ajów , co prowadzi do identycznych parametrów rozruchu, w ybiegu i ham ow ania każdego z pojazdów w tym sam ym punkcie trasy.
N a drodze sym ulacji kom puterowej w yznaczono przebiegi prądów pobieranych przez pojedynczy tram waj (dla obu rodzajów napędów ) w funkcji czasu i drogi podczas przejazdu po przyjętym odcinku. N astępnie obliczono sum aryczny pobór prądu z sieci przez wszystkie tram waje na danym odcinku zasilania. N a tej podstaw ie oszacowano średnie oraz m aksym alne w artości prądu obciążenia podstacji przez badany odcinek zasilania.
P rzebieg prądu pobieranego przez pojedynczy tram waj z napędem opartym na silnikach indukcyjnych uzyskany na drodze sym ulacji kom puterowej zw eryfikow ano poprzez porów nanie go z rzeczyw istym przebiegiem zarejestrowanym na tram w aju niskopodłogowym N G d99 w yprodukow anym dla G dańska w A LSTO M C horzów S.A. i w yposażonym w system napędowy ON IX . Przebieg ten przedstaw iono na rys. 4. Prędkość pod koniec zarejestrow anego i przedstaw ionego na rys. 4 rozruchu w ynosiła 26 km/h. M im o że tramwaj niskopodłogow y charakteryzuje się innym i param etram i trakcyjnym i niż 105N (m asa własna - 30 t, długość 26,6 m, 4 silniki indukcyjne po 120 kW każdy) i rejestracji prądu dokonano dla jednego w ózka (2 silniki) podczas jazdy na torze próbnym , w idoczne je st podobieństwo przebiegu prądu dla rozruchu rzeczyw istego tram w aju (rys. 4) z przebiegiem prądu uzyskanym na drodze sym ulacji kom puterowej (rys. 3).
Tabela 1 W ybrane param etry odcinka trakcyjnego Katowice R ynek - Bogucice
P rzystanek początkow y D ługość odcinka [m] Czas postoju [s] Rodzaj torowiska
Rynek 680 40 W ydzielone
D am rota 300 90 W ydzielone
G raniczna 320 60 W ydzielone
Akad. Ekonom . 480 30 W ydzielone
M onte Cassino 560 60 Jezdnia
Bogucice 700 30 Jezdnia
3. OPIS PR O G R A M U K O M PU TERO W EG O
W celu w yznaczenia przebiegów prądów pobieranych przez pojedynczy tramwaj dla napędów z silnikam i prądu stałego i z silnikam i indukcyjnym i opracow ano program O B C _SZC 5.EX E. Program ten pozw ala w ykonać przejazd analityczny tram wajem 105N napędzanym silnikam i prądu stałego po trasie o zadanych param etrach. W yznacza on w funkcji czasu prąd pobierany przez tram w aj, jego prędkość, przejechaną drogę oraz m oc na w ale silnika potrzebną do utrzym ania aktualnego przyspieszenia. R ów nolegle, w oparciu o w yliczoną m oc na w ale silnika wyznaczany je st prąd pobierany przez taki sam tramwaj z napędem opartym na silnikach indukcyjnych.
R ozpoczynając obliczenia program pobiera następujące dane:
- przyspieszenie rozruchu,
30 M. Czakański, B. Kulesz
- opóźnienie ham ow ania, - param etry trasy przejazdu.
N a param etry trasy przejazdu składają się: liczba odcinków m iędzyprzystankow ych, długości poszczególnych odcinków , długości odcinków przed rozpoczęciem ham owania, m aksym alne prędkości rozruchu, m inim alne prędkości przy jeździe z w ybiegu, czasy postojów na przystankach kończących poszczególne odcinki.
P rogram w ykonuje rozruch rezystorow y tram w aju przy zadanym przyspieszeniu rozruchu.
Ze w zoru L ebiediew a [1] w yznaczane są zasadnicze opory ruchu dla tram w aju przy założeniu zerow ych oporów ruchu na w zniesieniach i na łukach. Jednocześnie na podstaw ie zadanego przyspieszenia w yznaczana je s t niezbędna dla je g o uzyskania siła dynam iczna [2], Siła na obw odzie kół napędnych (obliczona poprzez zsum ow anie całkow itych oporów ruchu i siły dynam icznej) oraz aktualna prędkość tram w aju pozw alają na w yznaczenie mocy na wale silnika [5],[6], Jednocześnie n a podstaw ie zadanego przyspieszenia rozruchu i przyjętego interw ału czasu w yznaczane s ą przyrosty: prędkości i drogi. W oparciu o m oc na w ale silnika w yznacza się m oc p obieraną przez silnik. Z niej z kolei w yznacza się aktualnie stosowany opornik rozruchow y i prąd rozruchu.
Po zakończeniu rozruchu rezystorow ego, przy prędkości 26 km /h, rozpoczyna się faza jazd y po charakterystyce naturalnej silnika [6]. W tej fazie prąd je st odczytyw any bezpośrednio z charakterystyki I=f(v) dla aktualnych prędkości tram w aju. W oparciu o prąd i prędkość w yznaczane są: siła na obw odzie kół napędnych oraz m oc n a w ale silnika i aktualnie uzyskiw ane przyspieszenie.
Jeżeli zostanie osiągnięta m aksym alna dopuszczalna prędkość, rozpoczyna się bezprądow a faza w ybiegu. P oniew aż siła dynam iczna je st rów na oporom ruchu, na jej podstaw ie w yznaczane je s t przyspieszenie, zm iana prędkości oraz przyrost drogi. Jeśli prędkość spada do zadanej m inim alnej prędkości przy jeździe z w ybiegu, ponow nie zostaje załączona procedura rozruchu.
Jeżeli została przekroczona zadana granica rozpoczęcia ham ow ania, przeprow adzane jest ham ow anie dynam iczne z zadanym opóźnieniem ham owania.
W yliczenia prądu dla tram w aju z silnikam i indukcyjnym i prowadzone są rów nolegle do obliczeń dla tram w aju z napędem z silnikam i prądu stałego. W ykorzystują one konieczność uzyskiw ania w obu napędach rów nocześnie takiej samej m ocy na w ale silnika. Prąd jest w yznaczany z następującej zależności :
t _ P o k n X s iln
* ind ( 1 )
gdzie:
Pokn - m oc na obw odzie kół napędnych, xsitn - liczba silników ,
U s - napięcie znam ionow e sieci trakcyjnej, r |M - spraw ność silnika,
r |fa| - spraw ność falow nika.
U zyskane charakterystyki prądów dla obu rodzajów napędu są program ow o przesuwane względem siebie w zależności od odległości dzielących tram waje znajdujące się na badanym odcinku zasilania i sum ow ane, co pozw ala uzyskać przebiegi poborów prądu w skali całego odcinka zasilania.
4. P O D SU M O W A N IE W Y N IKÓ W SYM ULACJI PRZEBIEG Ó W O BCIĄ ŻENIA O D C IN K A ZA SILA N IA
Do badań przyjęto odcinek zasilania K atow ice R ynek - K atow ice Bogucice om ów iony w punkcie 2. Założono, że napięcie na całym odcinku zasilania je st stałe i w ynosi 600 V.
Założono stałe przyspieszenie podczas rozruchu rezystorowego w ynoszące 0,75 m /s2.
W yznaczono przebiegi prędkości, drogi i prądów pobieranych przez pojedynczy tramwaj (dla obu rodzajów napędu) w funkcji czasu przejazdu tram w aju przez badany odcinek zasilania. Przebieg prędkości i drogi w funkcji czasu przedstaw iono na rys. 1. Przebiegi prądów dla obu rodzajów zasilania przedstaw iono na rys. 2.
D la obu rodzajów napędu w yznaczono prądy m aksym alne i średnie. Prądy zestawiono w tabeli 2. Średnia prędkość tram w aju w yniosła v śr= 15,6 km/h, a prędkość m aksym alna
v m a x = 4 3 k r n / h .
czas [s]
Rys. 1. Prędkość i p rzeb y ta droga pojedynczego tram w aju na odcinku K atow ice Rynek - Bogucice F ig .l. V elocity and distance o f a single tram vs. tim e in the supply section K atow ice Rynek - Bogucice
32
M. Czakański, B. KuleszR ys.2. P rzebieg prądów pob ieran y ch z sieci przez pojedynczy tram w aj n a odcinku K atow ice R ynek - Bogucice Fig.2. The tim e courses o f the supply current o f a single tram in the supply section K atow ice Rynek - Bogucice
czas [s]
R ys.3. P obór prądu z sieci przez p ojedynczy tram w aj w jed n y m cyklu jazd y tram w aju F ig.3. T he current load o f a single tram during one duty cycle from starting to braking
Rys.4. Pobór prądu z sieci przez jed en w ózek tram w aju niskopodłogow ego z silnikam i indukcyjnym i Fig.4. T he current load o f one bogie o f low -floor tram car with induction m otor drive
Tabela 2 Prądy m aksym alne i średnie pobierane przez pojedynczy tram waj na badanym odcinku zasilania
lir [A] U [A]
Silnik prądu stałego 66 424
Silnik indukcyjny 45 427
34 M. Czakański, B. Kulesz
czas [s]
Rys.5. P rzebieg o bciążeń prąd o w y ch na odcinku zasilania K atow ice R ynek - Bogucice Fig.5. T he tim e courses o f th e cu rre n t loads in the supply section K atow ice Rynek - Bogucice
W yznaczono pobór prądu z sieci jezdnej dla pojedynczego tram w aju w pojedynczym cyklu ja zd y przy zastosow aniu napędu z silnikam i prądu stałego i przem iennego. Porównanie poboru prądu przedstaw iono na rys. 3. Jak z niego w idać, przebiegi poboru prądu zasadniczo ró żn ią się je d y n ie w fazie rozruchu. Prąd pobierany przez napęd z silnikam i prądu stałego jest w czasie tegoż rozruchu stały. Jest to spow odow ane zastosow aniem oporów rozruchow ych.
Prąd pobierany przez napęd z silnikam i indukcyjnym i narasta liniowo. Prąd pobierany podczas ja zd y po charakterystyce naturalnej silnika je st dla obu rodzajów napędu zbliżony.
D la całego odcinka zasilania porów nano w ystępujące na nim przebiegi obciążeń podstacji trakcyjnej. P rzebiegi dla całego czasu sym ulacji oraz dla je g o fragm entu przedstaw iono odpow iednio n a rys. 5 i 6. D la obu rodzajów napędu w yznaczono m aksym alne i średnie prądy obciążenia podstacji przez badany odcinek zasilania. Prądy zestaw iono w tabeli 3.
czas [s]
Rys.6. Przebieg o bciążeń prądow ych na odcinku zasilania K atow ice R ynek - B ogucice - fragm ent
Fig.6. T he tim e courses o f the current loads in the supply section K atow ice Rynek - B ogucice - a chosen part o f the course
czas [s]
Rys.7. U p o rządkow ane w artości prądów pobieranych z sieci na odcinku zasilania K atow ice Rynek - Bogucice;
dla tram w ajów z silnikam i prądu stałego i przem iennego. Z aznaczono średnie w artości prądów Fig.7. The values o f the load current o f the traction substation in the supply section K atow ice Rynek - Bogucice;
the values have been classified in the descending order. The courses for the d.c. and a.c. drive-type trams have been given and average current values m arked
36 M. Czakański, B. Kulesz
Tabela 3
Prądy m aksym alne i średnie pobierane przez badany odcinek zasilania podczas jazd y po nim 8 tram w ajów
ISr [A] U [A]
Silnik prądu stałego 527 1845
Silnik indukcyjny 363 1468
Jak w idać, na skutek kum ulacji rozruchów kilku tram w ajów w ystępują okresy czasu, dla których prąd pobierany przez napędy z silnikam i prądu stałego przekracza o praw ie 100%
prąd pobierany przez napędy z silnikam i indukcyjnym i. Średni prąd pobierany z podstacji przy napędach prądu przem iennego je st o około 33% m niejszy od obciążenia przy tram wajach z napędem klasycznym .
Prądy pobierane przez odcinek zasilania uporządkowano rów nież w g je g o wartości.
P orów nanie uporządkow anych prądów dla obu typów napędu przedstaw iono na rys. 7. Jak z niego w idać, czas poboru prądu w iększego od w artości średniej je st porów nyw alny dla obu typów napędu i w yn o si ok. 50% całkow itego czasu jazdy tram w ajów (z uw zględnieniem postojów na przystankach).
LITER A TU R A
1. H abarda D.: M estska hrom adna doprava SNTL N akladatelstvi Technicke Literatury, Praha 1984.
2. K ałuża E.: Z biór zadań i ćw iczeń projektow ych z trakcji elektrycznej, Skrypty Uczelniane P olitechniki Śląskiej W yd. III, G liw ice 1994.
3. K ochanow ski W ., K ulesz B.: O bciążenia chw ilowe silnika trakcyjnego prądu stałego LTa- 220 T ram w aju 105Na. Z eszyty N aukow e ELEK TR Y K A nr 139, G liw ice 1994.
4. P odoski J.: Tram w aj szybki - projektow anie i eksploatacja, W KiŁ, W arszaw a 1983.
5. Podoski J.: T ransport w m iastach, W KiŁ, W arszawa 1977.
6. O pis techniczny części elektrycznej tram w aju typu 105N, 105N/2NW , 105N-0123-2 K O N STA L, C horzów 1975.
Recenzent: D r hab. inż. Jerzy M ikulik
W płynęło do R edakcji dnia 4 kw ietnia 2000 r.
A b s tra c t
The aim o f the research was to com pare the influence o f the tram drive type on the traction substation loads. The authors were interested in tw o issues: the peak pow er o f the substation and the average pow er consum ption in a given supply section. The com puter sim ulation o f the tram s riding on an existing tram line in the very centre o f Silesian agglom eration was made in two different cases:
- the tram s equipped w ith the classical, d.c. traction motors w ith resistor starting - the tram s equipped w ith a.c. induction squirrel-cage motors.
T aking into account a real tram tim etable, it has been calculated how many tram s ride on the given supply section at the same tim e. It has been assum ed that at a given point o f the tram -line every tram behaves in an identical m anner, i.e. its driving param eters such as speed, acceleration etc. are the same. N ext, the total current supplied to all the tram s from the line has been calculated. This has been the basis for estim ating the average substation load current and its m axim um values. The tim e periods, during w hich the m axim um loads occur, have been com pared. All the sim ulations have been run with the sim plifying assum ption that the line voltage is constant. The com parison o f the load courses o f the traction substation have been show n in Figs. ( bogryn...). The ride o f the single tram, equipped w ith the d.c. and a.c.
drive, alternately, has been show n in Fig. (br-pr_l). The change in the current (power) consum ption, arising from the drive m odification, is in particular well observed in Fig.
(br pr rh), w here the differences in the starting phase o f the tram are seen. In the given supply section the tim e period, w hen the pow er required from the substation is greater than the average, is c. 50 per cent o f the total tim e for both drive types (the tim es o f the tram stops has been taken into account) , while the average current, in the case o f induction drives, is about 1/3 less than w hen the d.c. m otors are used.
