Энергосбережение на городском электрическом транспорте

Режимы пуска и торможения приводят к необратимым потерям энергии. По этому время реализации этих режимов (в общем времени движения) должны быть сокращены до минимума.

В идеальном случае, в цикле движения от одной остановки до другой водитель должен реализовать один пуск и одно торможение. Между ними имеет место режим выбега (рис. 12). Для каждого маршрута выполняется тяговый расчет, учитывающий план, профиль маршрута и время движения по перегону. На основании этого расчета составляется режимная карта маршрута. Для конкретного типа ЭПС режимная карта представляет собой конкретные рекомендации водителю (вплоть до номера позиции контроллера хода) по стилю ведения транспортной единицы. Четкое соблюдение требований режимной карты позволяет существенно снизить расход электроэнергии на движение.

Однако, учитывая то, что наземный ГЭТ движется в общем транспортном потоке, соблюдение требований режимной карты не всегда возможно. Любой современный город терпит огромный ежегодный прирост автомобильного транспорта. Улицы города оказываются перегруженными.

Сложная дорожная обстановка и наличие большого количества помех движению диктует водителю свой - жесткий и, зачастую, далекий от оптимального стиль ведения транспортной единицы. Привязка ЭПС ГЭТ к рельсовому пути (и/или контактной сети) еще больше затрудняет его движение в общегородском транспортном потоке. Например, в соответствии с Правилами технической эксплуатации (ПТЭ) троллейбусов скорость движения троллейбуса не должна превышать 20 км/ч при прохождении воздушных пересечений троллейбусной контактной сети с трамвайной или собственной сетью (ПТЭ, § 370), 10 км/ч - при прохождении воздушных стрелок (ПТЭ, § 372) и 5 км/ч - при движении с предельным отклонением штанг токоприемников от оси подвески контактных проводов (ПТЭ, § 373). Трамвай так же вынужден снижать скорость при проезде специализированных частей рельсового пути (Путевые стрелки, пересечения и т.п.).

Проведенные автором исследования показали, что за время движения от одной остановки до другой ЭПС ГЭТ в среднем вынужден совершать 3,6 пуска с последующим торможением.

1.2.2 Анализ математических моделей подвижного состава

Если в области железнодорожного транспорта по прежнему сохраняется мощная научно-исследовательская поддержка со стороны ведомственных НИИ и ВУЗов, то в отрасли городского электрического транспорта, к сожалению, наблюдается явный кризис в части научной поддержки отрасли. НИИ ГЭТ РФ практически не функционирует, отраслевой журнал «Вестник ГЭТ» в последнее время не выпускается. Кафедры «Городского электрического транспорта» не многочисленны и находятся в основном в политехнических ВУЗах.

Поиск математических моделей подвижного состава для их анализа приводит в отрасль магистрального транспорта. Учитывая тот факт, что магистральный транспорт постоянного тока отчасти схож с городским, были проанализированы его математические модели. Так же, анализировались модели магистрального транспорта переменного тока. (После тягового трансформатора и выпрямителя, в большинстве случаев имеется классическая схема ЭПС постоянного тока.) [5, 10, 15, 41, 57, 65, 135]

Однако, как было показано в предыдущем разделе, режим работы городского электрического транспорта имеет ряд особенностей. Проанализированные математические модели не дают возможности установить нужные зависимости между параметрами ЭПС ГЭТ с РКСУ и режимом его работы с точки зрения влияния на электропотребление. Представленная в этой книге работа направлена на снижение электропотребления подвижным составом городского электрического транспорта с двигателями постоянного тока и релейной системой управления. Более узкий поиск и анализ математических моделей электрических транспортных средств и электромеханических систем с приводом постоянного тока не дал желаемых результатов [48, 49, 61-74]. В соответствии с целями и задачами, а так же на основании вышеизложенного, автором принято решение разрабатывать математическую модель электроподвижного состава городского электрического транспорта с двигателями последовательного возбуждения и реостатно-контакторной системой управления.

1.3 Выводы по первому разделу и постановка задач исследования

На основании проведенного в первом разделе анализа можно сделать следующие выводы:

ГЭТ нуждается в сокращении эксплуатационных затрат, в том числе и за счет снижения потребления электроэнергии на тягу. Это возможно за счет оптимального (по электропотреблению) управления ЭПС ГЭТ в процессе разгона и движения.

Наиболее приемлемой тяговой машиной является двигатель постоянного тока последовательного возбуждения, вследствие мягкости характеристик, большой перегрузочной способности, высокой надежности, простоте в управлении и не критичности к понижениям напряжения в контактной сети. Однако существующие системы управления этим двигателем не достаточно эффективны с энергетических позиций, а так же имеют низкую надежность и сложность схемной реализации. Привод в целом имеет низкий к. п. д. Следовательно, в изменениях нуждаются системы управления двигателями постоянного тока последовательного возбуждения.

Существующий ныне ЭПС ГЭТ с РКСУ эксплуатируется во всем мире. В России состав такого типа выпускается по сей день, а срок эксплуатации единицы подвижного состава составляет 12-15 лет. Следовательно, необходима скорейшая разработка и внедрение на эксплуатируемый ныне подвижной состав технического устройства, которое позволит в автоматическом режиме, при любых действиях водителя и не зависимо от уровня напряжения в контактной сети минимизировать расход электроэнергии на тягу за счет реализации закона оптимального (по электропотреблению) управления.

Задачу оптимизации ЭПС ГЭТ по электропотреблению следует решать как задачу синтеза закона управления током тягового двигателя в зависимости от значений заданной скорости, фактической скорости, фактического тока двигателя и напряжения в контактной сети, при котором ЭПС потребляет минимум электроэнергии на увеличение скорости от фактической до заданной.

Постановка задач исследования:

С целью снижения эксплуатационных затрат в отрасли ГЭТ, снижения себестоимости предоставляемых услуг и выхода из создавшегося системного кризиса необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать концепцию построения системы оптимального управления ТЭП ЭПС ГЭТ с РКСУ.

2. Разработать математическую модель процесса разгона и движения ЭПС ГЭТ с ТД постоянного тока последовательного возбуждения и РКСУ.

3. Сформулировать и решить задачу минимизации по электропотреблению ЭПС ГЭТ с РКСУ.

4. Синтезировать и реализовать закон оптимального (по электропотреблению) управления ТЭП ЭПС ГЭТ с РКСУ.

5. Разработать систему датчиков мгновенных значений скорости ТД, тока ТД, напряжения контактной сети и положения контроллера водителя.

6. Разработать специализированную микропроцессорную систему, в функции которой входит сбор информации с датчиков, математические вычисления и синтез сигнала управления подмагничивающей катушкой реле ускорения.

7. Разработать программное обеспечение микропроцессорной системы, реализующее полученный закон оптимального управления тяговым двигателем.

2. КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ РАЗГОНА И ДВИЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

2.1 Концепция построения системы оптимального управления тяговым электроприводом

Существующие системы управления ТЭП ГЭТ не отвечают требованиям к системам управления, а именно - не имеют возможности реализовывать функции энергосбережения. Однако, подвижной состав с двигателями постоянного тока и РКСУ занимает на сегодняшний день в России и в мире лидирующее место (рис. 1).

Кроме того, в отрасли ГЭТ (а особенно в России) наблюдается системный кризис, связанный в том числе и с высокой себестоимостью предоставляемых услуг. В то же время, городские пассажирские перевозки выполняют социальный заказ.

Из этих данных видно, что при росте протяженности линий городского электрического транспорта (что свидетельствует о растущей потребности населения в транспортных услугах) происходит снижение численности парка подвижного состава (что указывает на наличие в отрасли системного кризиса, выход из которого возможен за счет снижения эксплуатационных затрат предприятий).

Как было доказано автором в предыдущих разделах, а также показано в [70] РКСУ не поддается какому-либо плавному регулированию. Анализ РКСУ позволил изыскать новый, оптимальный способ пуска ГЭТ [68].

В результате решения задачи оптимизации ГЭТ по энергопотреблению будет получена оптимальная кривая тягового тока. Концепция, предлагаемая автором, позволяет формировать любую (в том числе и оптимальную) форму тока ТД, даже при использовании РКСУ.

Если на подмагничивающую катушку реле ускорения (РУ) подавать аналоговое напряжение разной полярности, то можно плавно менять значения порогов срабатывания и отпускания этого реле. А, следовательно, задавать желаемую форму тока ТД (рис. 13). Для вычисления мгновенного значения тока ТД необходимо располагать информацией о напряжении контактной сети, фактической скорости ЭПС, фактического тока его тягового двигателя и желаемой скорости ЭПС (положении контроллера водителя). Значение тока ТД в каждый момент времени, вычисляется в соответствии с заложенным в оптимизирующую систему законом оптимального управления в зависимости от мгновенных значений указанных величин.

Входной информацией для оптимизирующей системы являются мгновенные значения скорости ТД, тока ТД, напряжения контактной сети и положение контроллера водителя. Ускорение вычисляется из сигнала скорости, выраженного в цифровом виде, простым дифференцированием.

Выходной информацией оптимизирующей системы является величина и полярность напряжения, подаваемого на подмагничивающую катушку РУ. Это напряжение соответствует тому или иному порогу срабатывания (отпускания) РУ, который в данный момент времени необходим для поддержания рабочей точки тока ТД на оптимальной кривой.

Обработку сигналов с датчиков, их первичное преобразование, необходимые математические операции и формирование выходного сигнала имеет смысл «поручить» специализированной микропроцессорной системе.

Для синтеза оптимизирующей системы в рамках предложенной концепции необходимо пройти этапы, описанные в виде задач исследования.

2.2 Разработка математической модели подвижного состава с реостатно-контакторной системой управления

Уравнения движения подвижного состава. При рассмотрении движения подвижного состава и выводе основного уравнения движения принимаются следующие допущения [41, 57, 98]:

? подвижной состав принимается за материальную точку, которая расположена условно в центре тяжести состава;

? эта материальная точка движется поступательно под воздействием равнодействующей от всех сил F_д направленной по движению подвижного состава и может быть как положительной, так и отрицательной.

Для вывода уравнения движения подвижного состава следует исходить из баланса всей кинетической энергии системы [12, 41, 57, 86, 98]. Кинетическая энергия подвижного состава, движущегося со скоростью u--,

, (8)

где J_д , w_д - соответственно момент инерции и угловая скорость движущих колесных пар и движущихся частей ведущих мостов троллейбуса, т.е. колесных пар и мостов, соединенных с якорями тяговых двигателей передаточными механизмами; J_в , w_в - соответственно момент инерции и угловая скорость колесных пар прицепных вагонов и ведомых мостов троллейбуса; J_я , w_я - соответственно момент инерции и угловая скорость вращения якорей тяговых двигателей, включая части передачи, жестко связанные с валом двигателя.

Выражая угловые скорости вращающихся частей через скорость поступательного движения подвижного состава и радиусы колес, запишем:

; ;

где R_д - радиус движущих колес; R_в - радиус колес прицепного вагона и ведомых мостов троллейбуса; m - передаточное число редуктора.

Подставляя значения угловых скоростей в выражения (8) и вынеся за скобку u²/2--,--получим:

, (9)

или , (10)

здесь , (11)

имеет размерность массы и называется эквивалентной массой вращающихся частей. Обозначая отношения эквивалентной массы к физической массе m_э/m через g и подставив g--в выражение (10), получим:

. (12)

Величина (1+g) называется коэффициентом инерции вращающихся частей, а произведение физической массы m на этот коэффициент - приведенной массой подвижного состава m_э [12, 41, 57, 86, 98].

Если равнодействующую всех сил сопротивления движению, тяги и торможения обозначить через F_д , то для бесконечно малого перемещения dl подвижного состава получим приращение кинетической энергии

, (13)

Используя выражение (12), получим:

, (14)

Продифференцировав выражение (14) и разделив обе части равенства на dl , получим в дифференциальной форме зависимость между скоростью движения ??пройденным путем l:

или , (15)

Уравнение (15) называется второй формулой уравнения движения [12, 57, 86, 98].

Для получения зависимости между скоростью u и временем t нужно подставить в выражение (15) значение и сократить величину dl , тогда

или , (16)

Выражение (16) - первая формула уравнения движения [12, 57, 86, 98].

Коэффициент инерции вращающихся частей. Входящий в уравнение движения коэффициент инерции вращающихся частей (1+g) можно определить как расчетным так и экспериментальным путем. При расчетах достаточную точность дают следующие значения параметра (1+g) = 1.15?1.20 [12, 41, 57, 86, 98]. Величину (1+?) для подвижного состава, состоящего из прицепных вагонов, определяют как средневзвешенное значение по выражению:

, (17)

Реализация силы тяги. Рассмотрим возникновение силы сцепления отдельного колеса. К колесу будет приложен момент М_д , развиваемый тяговым двигателем, увеличенный за счет редуктора в m раз за вычетом момента сил трения М_тр в подшипниках и передаче и момента вращения М_J , определяемого инерциями колеса и связанных с ним вращающихся частей. Тогда момент приложенный к колесу:

, (18)

где ,

здесь R - радиус колеса; W_об - сопротивление движению от трения в подшипниках

,

здесь J - момент инерции вращающихся частей; - угловое ускорение.

Представим момент М_к в виде пары сил F_к с плечом равным радиусу колеса R. Одна из этих сил приложена к точке опоры от колеса к дороге и направлена против движения. Однако как реакция на эту силу под действием нормального нажатия колеса G_к в опорной точке возникает благодаря наличию сцепления (трения) с дорожным покрытием сила сцепления Т_к. Эта сила равна и противоположна силе F_к т.е. Т_к = F_к.

Если сила сцепления Т_к не превысит предельной величины Т_{к пр}, то точка колеса соприкасающаяся с дорогой, окажется как бы неподвижной, т.е. мгновенным центром вращения. Сила сцепления Т_к будет непрерывно перемещать мгновенный центр вращения, а вместе с ним и колесо вдоль пути.

При равномерном движении подвижного состава, чему соответствует равномерное вращение колеса (угловая скорость--w----= const), при отсутствии трения в подшипниках и передаче можно принять F_к = Т_к.

При ускоренном или замедленном вращении колеса с учетом трения в подшипниках силы F_к и Т_к не будут равны, так как действующий на колесо результирующий момент М_к согласно выражению (18) равен алгебраической сумме моментов, действующих на колесную пару. Следовательно, соотношение между силами F_к и Т_к будет иметь вид:

, (19)

Это соотношение справедливо для одного колеса. Для подвижного состава соотношение между силой тяги и силой сцепления будет иметь вид:

, (20)

Ограничение силы тяги. Сила тяги ограничивается предельно допустимой силой сцепления, имеющей природу сил трения. Если этот предел будет превышен, произойдет срыв сцепления. Движущие колеса начнут скользить относительно пути в точке касания. При этом их угловая скорость ?' будет больше угловой скорости w, соответствующей поступательной скорости скольжения w_ск колес по пути w' = w+w_ск. Начнется боксование колес, при котором происходит повышенный износ бандажей (или шин) и пути.

Следовательно, для предельной силы сцепления всего подвижного состава по выражению (20) получим следующее ограничение:

, (21)

, (22)

Приближенно можно принять для подвижного состава:

, (23)

Силу сцепления определяют, как произведение силы нажатия G_к колеса на дорогу и коэффициента сцепления y_к колеса с покрытием, т.е.

, (24)

Тогда для всего подвижного состава выражение (23) примет вид:

или , (25)

где F_max - наибольшая допустимая по условиям сцепления сила тяги подвижного состава, G_сц = m_сцg - сцепной вес, --y--- коэффициент сцепления, m_сц - сцепная масса подвижного состава, g - ускорение свободного падения.

Природа сил сопротивления. При движении подвижного состава возникают силы трения в его элементах, между колесами и путем, между наружными поверхностями и окружающим воздухом. При движении на подъеме или уклоне особое значение приобретает составляющая сила тяжести.

Полное сопротивление движению. Полное сопротивление движению делят на следующие составляющие [12, 41, 57, 86, 98]:

Основное сопротивление движению W_о, которое обусловлено внутренним трением в подвижном составе, сопротивлением от взаимодействия подвижного состава и пути и сопротивлением от взаимодействия состава и воздуха.