مدلسازی و شبیه سازی قطار الکتریکی هیبرید

 قطار الكتريكي هيبريد و مدلسازي و شبيه سازي آن

اطلاعات حاصل از شركت بهره برداري مترو تهران در حال حاضر نشان مي دهد كه حداكثر 30 قطار برقي در خط 2 متروي تهران مشغول به كار ميباشند، به طور ميانگين هر قطار حدود 8 ساعت در حال كار مي باشد. ماكزيمم جريان كشيده شده توسط هر قطار برابر 6300آمپر مي باشد و ولتاژ خط نيز حدود 750ولت DCاست. بنابر اين مي توان گفت در طول 8 ساعت حدود 24مگاوات را مصرف مي كند. با در نظر گرفتن تعداد زياد قطارهاي مترو و انگيزه اي براي كاهش اين مقدار انرژي در مي يابيم كه حداقل 20تا 30درصد از اين مقدار انرژي برابر با 2160مگاوات براي يك قطار در طول سال خواهد بود كه اين رقم انگيزه كافي را براي برآورد و بررسي صرفه اقتصادي انجام اين تحقيق ايجاد مينمايد.

• معرفي نرم افزار Advisorو مدلسازي قطار هيبريد

Advisor 2003آخرين نسخه توزيع شده از نرم افزار شبيه ساز وسايل نقليه پيشرفته متغلق به سازمان انرژي هاي تجديد پذير ملي آمريكا NREL است كه نسخه اول آن در سال 1994با هدف دست يافتن به دقت و سرعت بالا ، انعطاف پذيري قابل قبول ، قابليت اشتراك گذاري و كاربري آسان براي دپارتمان انرژي در برنامه سيستمهاي كششي هيبريد طراحي شده است. اين نرم افزار رايگان بوده و دست يابي به آن تحت هر شرايطي براي محققين از طريق NREL امكان پذير ميباشد.

به منظور دستيابي به اهداف نرم افزار به بهترين صورت محاسبات در آن به شكل های زیر در محيط نرم افزار متلب پياده سازي مي شود.

• قطارهاي مترو تهران

قطارهاي برقي مترو تهران داداي 7واگن مي باشند. در بعضي از آنها 5 واگن از اين تعداد مجهز به موتور تراكشن بوده و در برخي ديگر براي پيمودن مسير با شيب 5درصد در نظر گرفته شده اند هر 7واگن مجهز به  موتور تراكشن هستند. موتورهاي تراكشن مورد اشاره 132KWاز نوع DC مي­باشند.

بلوک دیاگرام کلی در سیستم Advisor

سيكل حركت قطار بين ايستگاههاي K2تا O2در نظر گرفته شده است.

سیکل حرکت قطار مترو

بلوک دیاگرام کلی مدل دینامیک قطار مترو ( شکل پایین)

مدلهاي مكانيكي چرخ، شيب و قوس خط، چسبندگي و مدل جعبه دنده نيز مي بايست

در تحليل مهندسي براي افزايش بهره سيستم مورد ارزيابي قرارگيرد. در طول مسير داخل

تونل،در مسير شيب و فراز و قوس ريل وجود دارد كه مي بايست در شبيه سازي مورد

استفاده قرار گيرد. مدل­هاي مكانيكي چرخ و شيب و قوس خط، چسبندگي مدل جعبه

و دنده نيز مي بايست در تحليل مهندسي براي افزايش بهره سيستم مورد ارزيابي قرار گيرد.

مدل موتور الكتريكي

در بيشتر كاربرد هاي صنعتي محركهاي موتور در يك يا چند نقطه كار از پيش تعين شده كار مي كنند. بنابراين مي توان براي بهترين راندمان، موتور را بهينه سازي و راندمان سيستم را به خوبي تعريف كرد. با اين حال در كاربردهاي كششي موتور در تمام رنج گشتاور / سرعت كار مي كند. موتور بايد براي توقف و حركت متوالي و شتاب گيري و كاهش شتاب بالايي طراحي شود.

• بنابراين موتور به ظرفيت و راندمان بالا در تمام سرعت ها نياز دارد. همچنين محرك موتور قابليت كنترل بالا، ماندگاري دقيق و عملكرد گذراي خوبي داشته باشد. موتور بايد در تمام تركيب هاي گشتاور سرعت با در نظر گرفتن محدوديت هاي آن مورد بررسي قرار گيرد. استفاده از نقشه راندمان، يك راهكار مناسب براي نمايش سيستم موتور و محرك براي سيستم هاي بزرگ و پيچيده مانند وسايل نقليه است.با استفاده از نقشه، راندمان موتور مانند يك جعبه سياه نمايش داده مي شود كه با در نظر گرفتن ورودي هاي معين خروجي معلومي را ارائه ميكند.

منحنی گشتاور _ سرعت موتور

مدل­هاي مشهور مترو در جهان اغلب در ولتاژ نامي 600 ولت DC استفاده مي كنند اما در سيستم هاي جديدتر ولتاژهاي بالاتري دارند. در مترو تهران ولتاژ 750ولت DCمورد استفاده قرار مي گيرد. هر ولتاژ جديدي طراحي جديدي نياز دارد. موتورهاي با ولتاژ بالاتر سنگين تر هستند و قابليت ترمز ديناميكي محدودتري دارند. با استفاده از توان اسب بخار رابطه زير براي موتور تراكشن DC صادق است

Vولتاژترمينال بين سيم پيچ تحريك و آرميچر، Iجريان و Torqueگشتاور در واحد (پوند- باشد. فوت) مي باشد

Eنيروي ضد محركه آرميچر بوده، R مقاومت كل سيستم شامل مقاومت آرميچر، مقاومت ميدان تحريك و… مي باشد Vbd . افت ولتاژ يا تماس جاروبك ها است( كه به مقدار ثابت 2ولت در نظر گرفته مي شود).

با داشتن

كه نسبت)  (E/RPMنشانگر شار بوده و از منحني اشباع بار بدست مي­آيد شكل زير كه هيچ كدام از مقادير Eيا RPMرا در بر نمي­گيرد)  (E/RPMتابعي از جريان ميدان تحريك و جريان آرميچر (بار) مي باشد

منحنی اشباع بار ترکشن موتورdc

منحنی گشتاور _ سرعت موتور ترکشن به همراه نقشه راندمان آن

بدين طريق با تعريف گشتاور و سرعت موتور با استفاده از رابطه ي زير توان خروجي آن محاسبه مي گردد

p= T.w

با توجه به شكل فوق و داشتن نقشه راندمان، تلفات موتور در هر نقطه ي منحني گشتاور –سرعت

محاسبه مي گردد و توان مورد نياز ورودي موتور برابر با جمع اين دو مقدار خواهد بود

كه اين توان بايد توسط ريل سوم ياسيستم ذخيره انرژي تأمين شود.

بلوک دیاگرام مدل موتور ترکشن

• جمع بندي و نتيجه گيري

با استفاده از روابط حاكم بر سيستم و در نظر گرفتن ساختار مورد نظر مدلي ساده براي قطار هيبريد

ارائه شد.  اين مدل با توجه به هدف اين مطالعه به دست آمده است و در مواردي

جهت ساده كردن مسائل از در نظر گرفتن برخي تجهيزاتي كه در عمل در قطار به كار مي روند مانند

مبدل ها صرف نظر گرديده است. همچنين تكنولوژي هاي ذخيره سازي انرژي به صورت خاصه معرفي

و مقايسه گرديد و با مروري بر تحقيقات و منابع در رابطه با بهينه سازي انرژي در قطارهاي الكتريكي

و هيبريدي پيش زمينه اي براي گسترش بحث ايجاد شده است.از سوي ديگر تجهيز قطار هاي مترو به يك منبع انرژي كمكي باعث مي شود نياز به انرژي در ساعت هاي پيك كاهش يافته و ولتاژ پايدار تري در زمان هاي شلوغ خط موجود باشد و همين باعث كاهش خاموشي ها و كاهش سرمايه گذاري ها ميگردد