ZESZY TY N A U K O W E PO LITE C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: ELEK TR Y K A z. 139
1994 N r kol. 1247
Barbara K U LESZ
W ojciech K O C H A N O W SK I
O BC IĄ ŻEN IA C H W IL O W E SIL N IK A T R A K C Y JN E G O PR Ą D U STA Ł E G O L T a-220 T R A M W A JU 105Na
Streszczenie. W artykule przedstaw iono m etodykę pom iarów obciążeń chw ilow ych silnika trakcyjnego szeregow ego prądu stałego. Zaprezentow ano m etodę obliczeniow ą pozw alającą wyznaczyć obciążenie silnika na podstaw ie zm ierzonych w ielkości. Z am ieszczono rów nież przykładow e przebiegi m om entu silnika, prędkości i przyspieszenia tram w aju w w ybranym cyklu pracy.
W O R K IN G LO A D O F LTa-220 D .C .SE R IES T R A C TIO N M O T O R O F 105Na T R A M W A Y D RIVE
Sum m ary. A m ethod o f m easurem ent and calculation o f w orking load o f series d.c.
traction m otor has been presented in this paper. T he courses o f m otor torque, velocity and acceleration o f tram w ay car during one duty cycle have been shown.
KPATKOBPEMEHHblE HArPY3KM TfirOBOrO ABHrATEAH TWIA LTa-220 TPAMBAH I05N a
Pe3iOMe. B crraTbe npeACrasAeH a MeTOAHKa M3MepeHMü n pacMéTa KpaTKOBpeMeHHbix H arpy30K TnroBoro ABnraieA B c nocAeAOBaieAbHbiM B036y>KAeHneM. npuseAeHbi npwMepHbie xapaKTepucrrnKn MOMema, CKopocru u ycKopeHM B Tp aM aan b paSoMUM L tm A e ABnraTeA R .
64 B-Kulesz. W .K ochanow ski
1. W STĘP
N ow oczesne pojazdy trakcyjne w coraz w iększym stopniu w ykorzystują do napędu silniki indukcyjne zasilane przez układy um ożliw iające płynną regulację prędkości jazdy bez strat energii w rozrusznikach oporow ych, ja k w ystępuje to w klasycznym napędzie trakcyjnym prądu stałego. W Polsce tego typu układy jeszcze nie są produkow ane.
O becnie w Z akładzie Trakcji Elektrycznej Politechniki Śląskiej jest opracow yw any napęd tram w aju złożony z silnika indukcyjnego zasilanego z falow nika sterow anego przy użyciu sterow nika m ikroprocesorow ego.
Prow adzone prace m ają na celu zaprojektow anie i w ykonanie w raz ze zm ontow aniem w w ozie tram w ajow ym typu 105Na kom pletnego układu napędow ego spełniającego rolę układu stosow anego dotychczas, tzn. silnika szeregow ego prądu stałego typu LTa220 zasilanego poprzez rozrusznik z oporam i rozruchow ym i.
Z e w zględu na brak innych krajow ych rozw iązań układu napędow ego tego typu, w ażną spraw ą stało się określenie w arunków staw ianych układow i silnik - falownik podczas eksploatacji. N a potrzeby sym ulacji kom puterow ej takiego układu określono przyspieszenie i siłę pociągow ą tram w aju w ystępujące w czasie jazdy. Pom iary w ykonano na linii nr 11, łączącej Rudę Chebzie z centrum Katowic, obsługiw anej przez w ozy tram w ajow e typu 105Na. Trasa tram w aju przebiega w gęsto zabudow anym terenie, a zatem w arunki jazdy m ożna uznać za typow e dla dużej aglom eracji m iejskiej, z częstym i postojam i i rozruchami.
C elem pom iarów było określenie chw ilow ych obciążeń (m om ent silnika w funkcji czasu) silnika trakcyjnego w w arunkach eksploatacyjnych. W yniki przeprow adzonych pom iarów i obliczeń przedstaw ionych w artykule w ykorzystano do sym ulacji kom puterow ej w arunków zasilania silnika indukcyjnego klatkow ego typu STD 200 L4, który m a zastąpić obecnie stosow any silnik LT200. W yniki sym ulacji zostały zam ieszczone w pracy [1].
2. M E TO D Y K A PO M IA R Ó W
M om ent użyteczny silnika trakcyjnego oraz przyspieszenie tram w aju m ożna oszacow ać m ając dane tylko dw ie w ielkości wejściowe: prąd w obw odzie głów nym silnika oraz pręd
kość liniow ą tram w aju. Do pom iaru prądu w ykorzystano: bocznik prądow y 600 A /60 mV
Obciążenia c h w ilo w e . 65
włączony szeregow o w obw ód jednego z silników trakcyjnych. N apięcie z bocznika było podawane na rejestrator RCU f-4, który um ożliw ia odczyt napięcia w ejściow ego co 1 sekundę i zapis zm ierzonej w artości do pamięci. W czasie wstępnej synchronizacji rejestratora z kom puterem typu IB M PC został ustaw iony jeg o zegar w ew nętrzny. Po dokonaniu pom iarów zawartość rejestrów pam ięci rejestratora została przekazana poprzez złącze R S232C do komputera IBM PC.
Do pom iaru prędkości tram w aju w ykorzystano m iernik M ETEX w yposażony w interfejs szeregowy, podłączony na stałe do kom putera typu notebook C om paq C ontura 3/20.
Oprogram owanie m iernika um ożliw ia bezpośrednie przesyłanie do kom putera zm ierzonej wartości, przy czym pom iary dokonyw ane były rów nież co 1 s. W ejście m iernika zostało podłączone do w yjścia analogow ego przetw ornika prędkości tram w aju, stała przetw arzania była rów na 10 k m /h /l V. Poza m ierzonym i przez oba przyrządy napięciam i (proporcjo
nalnymi odpow iednio do prądu i prędkości) był rów nież rejestrow any w kom puterze czas pomiaru. Pozw oliło to na synchronizację przebiegów prądu i prędkości. Fragm ent pom ierzonych przebiegów pokazano na ry s .l. C ałkow ity czas pom iarów w yniósł ok. jed n ą godzinę.
czas [s]
R y s.l. Przebieg prądu w obw odzie głów nym silnika i prędkości liniow ej tram w aju dla w ybranego cyklu pracy tram w aju. Prąd odniesiono do w artości znam ionow ej, prędkość w (km /h) *10
F ig .l. T he courses o f m otor current and linear speed o f the tram w ay during one duty cycle.
T he current is given in relation to its rated value, the velocity in (km /h) *10
B.Kulesz. W .K ochanow ski
3. O B L IC Z E N IA
Ze w zględu na pow tarzalność cyklu pracy tram w aju do dalszej analizy w ybrano część pom iarów obejm ującą 1300 s. W ybrany fragm ent pom iarów podzielono na 25 cykli obejm ujących: postój i m ogącą się kilkakrotnie pow tórzyć sekw encję jazd a - w ybieg - ham ow anie aż do kolejnego postoju. Prędkość obrotow ą silnika obliczono z zależności:
n ~ V 0.1885 D* ^
gdzie
i - przełożenie przeklądni zębatej, i=7,375, D - średnica koła napędnego, D =0,654 m.
Analizując przebieg prędkości i prądu silnika trakcyjnego, określono rodzaj pracy silnika w każdej chwili czasowej (praca silnikow a, praca ham ulcowa, w ybieg, postój). M ając dane prędkość obrotow ą i prąd silnika w funkcji czasu, ja k rów nież znając charakter pracy silnika w każdej chwili, obliczono przebieg m om entu użytecznego silnika. Przyjęto przy tym następujące założenia upraszczające:
1) M ając dane charakterystyki M ,n= F(I) silnika Lta-220 (patrz [2] i tabela 1) m ożna na podstaw ie pom ierzonych prędkości obrotow ej i prądu silnika w czasie pracy silnikowej określić m om ent silnika (przy danych I i n m ożna prosto w yznaczyć stopień osłabienia wzbudzenia).
Tabela 1 Dane znam ionow e silnika
L Ta220 u „ 660/2 V
p„ 40 kW
In 150 A
n„ 1890 obr/m in
Bn 88,8%
M„ 201 N-m Hnuuc 4200 obr/m in Pn 100; 78; 63%
Pn 2,5
2) Przy w ybiegu przyjęto M=0.
3) W czasie pracy ham ulcowej przyjęto, że ham ow anie odbyw a się cały czas przy pełnym wzbudzeniu. M om ent w czasie ham ow ania obliczono jak o
M H — M . (2)
gdzie:
M , - m om ent na w ale silnika,
r|s - spraw ność silnika w funkcji prądu, przyjęto za pozycją [2].
4) Pom inięto (za pracą [3]) w pływ oporów ruchu.
Przebieg prądu, prędkości obrotow ej i m om entu użytecznego silnika pokazano na rys.2.
Obciążenia chw ilow e ...______________________________________________________________ 67
Rys.2. Prąd w obw odzie głów nym silnika, m om ent użyteczny silnika, prędkość obrotow a silnika w funkcji czasu dla w ybranego cyklu pracy silnika. Prąd, m om ent i prędkość w jednostkach w zględnych (odniesiono do w artości znam ionow ych) Fig.2. T he courses o f m otor current, m otor torque and m otor rotational speed vs. time
during one duty cycle. T he current, torque and speed are given in relation to their respective rated values
D la w szystkich kolejnych cykli pracy tram w aju (od 1-25) obliczono:
a) długość cyklu (czas trw ania) w s, b) prąd zastępczy silnika zdefiniow any jako:
68___________________________________________________________ B.Kulesz. W .K ochanowski
gdzie: Ati = 1 s, Ij - zm ierzona w artość prądu.
W yznaczono rów nież prąd zastępczy dla całego odcinka jazdy (ok. 1300 s), w yniósł on 121 A.
Czasy jazdy i prądy zastępcze poszczególnych cykli pokazano na rys.3.
Obliczono rów nież przebieg przyspieszenia (opóźnienia) tram w aju w funkcji czasu.
Przebieg ten je st pokazany na rys.4.
M aksym alne przyspieszenie rozruchu w yniosło ok. 1 m /s2, m aksym alne opóźnienie ham ow ania w yniosło ok. 1,5 m/s2.
□ czas
■ Iz
Rys.3. Czasy jazdy i prądy zastępcze silnika w poszczególnych cyklach jazdy tram w aju Fig.3. Running times and equivalent m otor currents in several duty cycles o f the tramway
O bciążenia chw ilow e 69
Rys.4. Przebieg prędkości obrotow ej silnika i przyspieszenia tram w aju w w ybranym cyklu pracy. Przyspieszenie w m /s , prędkość w jednostkach w zględnych (odniesiona do w artości znam ionow ych)
Fig.4. T he courses o f m otor rotational speed and tram w ay acceleration vs. tim e during one duty cycle. A cceleration given in m /s2, speed given in relation to its rated value
4. W N IO SK I
a) Przy w ykorzystaniu opisanej m etody m ożna określić z w ystarczającą dla praktyki dokładnością m om ent i prędkość trakcyjnego silnika szeregow ego prądu stałego.
b) M om ent użyteczny silnika w ynikający z w arunków ruchow ych tram w aju je st znacznie w iększy w trakcie ham ow ania niż w czasie pracy silnikow ej. C hw ilow e m aksym alne przeciążenie m om entem w trakcie ham ow ania w yniosło 3,4 M„.
c) W yznaczono rów nież przebieg obciążenia silnika w trakcie typow ego cyklu pracy.
C ykl pracy silnika trakcyjnego obejm uje:
jazd a silnikow a - 30% całkow itego czasu pracy, w ybieg - 25% całkow itego czasu pracy, praca ham ulcow a - 24% całkow itego czasu pracy, postój - 21 % całkow itego czasu pracy,
70 B.Kulesz. W .K ochanow ski
d) Przedstaw iony w artykule algorytm postępow ania i zaprezentow ane w yniki zostały w ykorzystane do sym ulacji chw ilow ych obciążeń silnika indukcyjnego klatkow ego ty p u S T D 200 L 4 [ l] ,
L ITER ATU RA
1. Kochanowski W ., K ulesz B.: Badania sym ulacyjne obciążeń silnika asynchronicznego przeznaczonego do napędu tram w aju. Referat w ygłoszony na M iędzynarodow ej K onferencji N aukowej “ B adania m odelow e i sym ulacyjne w trakcji elektrycznej” . W arszawa, 18-20 XI 1993.
2. K atalog 41-M . M aszyny prądu stałego do trakcji elektrycznej. W PM W EM A, W arszaw a 1970.
3. Podoski J., K acprzak J., M yslek J.: Zasady trakcji elektrycznej. W K iŁ, W arszawa 1980.
Recenzent: Prof.dr hab.inż. Zbigniew Stein W płynęło do Redakcji 15 czerw ca 1993 r.
A bstract
T he scientists em ployed at the D epartm ent o f Electric Traction o f Silesian Technical U niversity have been w orking on the design o f new tram w ay drive system. T he new drive w ill consist o f an inverter-fed asynchronous cage m otor w ith m icroprocessor controller. It has becom e im portant to determ ine the technical requirem ents o f the inverter - m otor unit under th e typical operating conditions. T he m easurem ents o f m otor current and tram w ay car velocity have been executed. T hese tests have been run on the tram w ay car w ith existing drive system, i.e. type Lta220 d.c. series m otor. The m ethod o f taking m easurem ents and estim ation o f required m otor torque has been presented. T he courses o f m otor current and linear speed o f the tram w ay car during one duty cycle have been shown in Fig. 1. T he courses o f m otor torque and m otor rotational speed have been presented in Fig.2. Figure 3 shows running tim es and equivalent m otor currents in several duty cycles.
