بخشی از مقاله
عنوان مقاله :کاهش مصرف سوخت و افزایش بازده لکوموتیو با استفاده از باطري
-1 مقدمه لکوموتیوهایی که هم اکنون در راه آهن کشور استفاده می شوند از نوع دیزل-الکتریک یا از نوع برقی
میباشند. لکوموتیوهاي برقی فقط در خطوط برقی قابل استفاده هستند که مسافت آن ها در کشور بسیار کم می-
باشد بنابراین اکثر لکوموتیوهاي موجود از نوع دیزل الکتریک می باشند که ورود آن ها به ایران از سال 1335
هجري شمسی آغاز شد.[1] ساختار توان محرکه در یک لکوموتیو دیزل الکتریک معمول در شکل یک نشان داده شده است.
شکل یک : ساختار توان محرکه در یک لکوموتیو دیزل الکتریک[2]
لکوموتیو دیزل-الکتریک توسط یک موتور دیزل متصل به ژنراتور که به صورت بهینه کار نمیکند تغذیه میشود. توان توسط سیستم انتقال الکتریکی به تراکشن موتورها رسیده تا لکوموتیو را به حرکت درآورند. در یک دیزل الکتریک معمول بازده سوخت دیزل به شدت وابسته به نقطه کار میباشد که این نقطه کار با توجه به موقعیت حرکت تغییرات زیادي دارد، یک دیزل حجیم و سنگین نیاز میباشد چرا که دیزل باید بتواند حداکثر توان مورد نیاز هنگام شتابگیري را تامین کند و انرژي جنبشی لکوموتیو در هنگام ترمز به صورت گرما تلف میشود.[2]
با توجه به موارد بالا مشخص است که بازده دیزل-الکتریک به شدت پایین است. ولی یک لکوموتیو داراي سیسم هیبرید می تواند مشکلات فوق را حل نماید چراکه موتور الکتریکی و باطريها توان مورد نیاز شتاب-
گیري را تامین نموده بدین ترتیب یک موتور دیزل کوچک مورد نیاز خواهد بود تا توان ماندگار مورد نیاز را فراهم کند، نقطه کار دیزل ( سرعت، توان ) از نقطه کار حرکتی کل وسیله مجزا خواهد بود، که این امکان را فراهم میکند تا دیزل در نقطه بهینه کار کند و در نهایت موتور الکتریکی در زمانهاي ترمز به صورت ژنراتور عمل نموده و انرژي جنبشی تا حد ممکن در باطريها برگشت داده خواهد شد.[2]
معماري وسیله نقلیه هیبرید به صورت اتصال بین اجزا تعریف میشود که مسیرهاي گذر توان را مشخص میکنند. HEV1ها در حالت کلی به دو نوع اساسی سري و موازي تقسیم بندي میشوند. در هیبرید سري، اتصال مکانیکی بین ICE2 و چرخها وجود ندارد. تنها موتور الکتریکی است که چرخها را به حرکت در می-
آورد و موتور درون سوز براي تولید توان الکتریکی (با اتصال به ژنراتور) براي شارژ کردن باطريها استفاده میشود. توان الکتریکی تولیدي توسط ژنراتور هم براي شارژ کردن باطريها و هم براي تامین توان یا قسمتی از توان موتور الکتریکی استفاده میشود. به خاطر جدایی بین ICE و چرخها، ICE میتواند در محدود عملکرد بهینه خود کار کند.[3]
در لکوموتیو به علت ملاحظات مکانیکی، همیشه سعی برآن است که موتور دیزل و بوژي ( قسمتی که چرخ هاي قطار بر روي آن نصب می گردند) از نظر مکانیکی کاملا از هم جدا بوده و براي همین براي لکوموتیو هیبرید، ساختار سري تنها انتخاب می باشد. شکل 2 نحوه ارتباط اجزا در یک وسیله نقلیه هیبرید سري را نشان می دهد.
شکل :2 نحوه ارتباط اجزا در یک هیبرید سري
-2 تعیین اجزاي هیبرید
منبع توان پیک مورد استفاده براي لکوموتیو هیبرید باطري می باشد. جریان توان روي باس DC در شکل 2
می تواند (1 فقط از دیزل ژنراتور به سمت تراکشن، (2 از دیزل ژنراتور و منبع توان پیک به سمت تراکشن، (3
فقط از منبع توان پیک به سمت تراکشن، (4 فقط از دیزل ژنراتور به سمت فقط منبع توان پیک، (5 از دیزل
ژنراتور و تراکشن به سمت منبع توان پیک (هنگام ترمزگیري و روشن بودن متور دیزل)، (6 از دیزل ژنراتور به سمت منبع توان پیک و تراکش ویا (7 فقط از تراکشن به سمت منبع توان پیک(هنگام ترمزگیري) باشد.
کنترل توان روي باس بایستی توسط یک سیستم کنترل صورت پـذیرد. قبـل از بررسـی و معرفـی سیسـتم کنتـرل
لازم است تا ظرفیت اجزاي سیستم هیبرید جهت طراحی و شبیه سازي مشخص گردند. بهترین روش براي تعیـین
اجزاي یک وسیله نقلیه هیبرید، دانستن سیکل توان مورد نیاز آن و طراحی از روي آن سیکل می باشد. براي ایـن
منظور توان مورد نیازي که بایستی توسط موتورهاي تراکشن یک لکوموتیو دیزل-الکتریک نمونه اي که اکنـون
در ایستگاه تهران مورد استفاده قرار می گیرد تامین گردد با نمونه برداري از عملکـرد آن بـه دسـت آمـده اسـت.
فعالیت لکوموتیوهاي ایستگاهی تقریبا شبیه فعالیت خودروها در سطح شهر میباشد. توان مورد نیاز براي فعالیـت
لکوموتیو مانور بسیار پایین میباشد زیرا که سرعت در عملیات مانور بسیار پایین میباشد. تعداد زیـاد ترمزگیـري
و شتاب گیري نیز ویژگی دیگر فعالیت لکوموتیو ایستگاهی است.[4]
در یک سیستم نیرو محرکه هیبرید سري دیزل ژنراتور باید توان حالت پایدار را براي جلوگیري از دشـارژ کامـل
منبع توان پیک تامین کند.[3]
اگر SOC (سطح شارژ) منبع توان پیک اجازه داشته باشد بین دو مقدار SOCtop و SOCbott تغییر کند، ظرفیت انرژي منبع توان پیک از رابطه یک به دست میآید.[5]
Emax Ecap
رابطه (1 soctop socbott
ΔE حداکثر تغییرات انرژي در تمام سیکل حرکت میباشد.
به منظور جلوگیري از روشن خاموش شدن هاي پی در پی موتور دیزل (که استهلاك بالایی براي موتور در بر دارد) فرض شده که در بدترین شرایط پیش رو موتور دیزل بتواند در هنگام خاموش بودن، حداقل 20 دقیقه خاموش بماند. در این بازه این باطري ها هستند که به عنوان منبع توان پیک بایستی توان و انرژي مورد نیاز جهت حرکت را به تنهایی فراهم کنند. با این فرض سیکل توانی انرژي براي بازه هاي 20 دقیقه اي مورد بررسی قرار گرفته است. جدول 1 اطلاعات مورد نیاز استخراج شده از سیکل توان در این بازها را نشان می دهد.
جدل یک : اطلاعات سیکل توان
با توجه به اطلاعات به دست آمده از سیکل و آن چه که در بالا بیان گردید، جدول 2 نتیجه به دست آمده براي اجزاي تولید کننده و ذخیره کننده توان لکوموتیو هیبرید را نشان می دهد.
جدول : 2 ظرفیت اجزاي سیستم
در مواقع ترمزگیري نیز فرض بر این است که موتور الکتریکی به صورت ژنراتوري تبدیل شده و حداکثر گشتاور و توانی را که در حالت موتوري می تواند تولید کند، در حالت ژنراتوري نیز دارا می باشد. توان تولیدي توسط موتور الکتریکی در این حالت در باطري ها ذخیره می گردند.
-3 استراتژي کنترل
با توجه به شکل 2، اگر که Pout توانی خروجی روي چرخ هاي لکوموتیو، P1 تلفات مکانیکی و الکتریکی توان در محورها، موتور و مبدل دو طرفه تغذیه کننده موتور و Pload توان الکتریکی خروجی از باس DC به
طرف مبدل دوطرفه باشد آن گاه :
رابطه Pload Pout P1 (2
اگر که VRec ولتاژ خروجی یکسوساز، Id/g جریان خروجی یکسوساز و VBatt و IBatt ولتاژ و جریان خروجی باطري باشد آن گاه شکل 3، مدار معادل ساده شده باس DC را نشان می دهد.
شکل :3 مدار معادل باس DC
در شکل فوق r1,r2 و r3 نشان دهنده مقاومت هاي اتصال یکسوساز، مبدل دو طرفه و باطري به باس می باشد. در این شکل مبدل دو طرفه باطري در نظر گرفته نشده است چون بدون آن نیز می توان کنترل دقیقی روي جریان باطري (با کنترل جریان، توان خروجی باطري کنترل می گردد) انجام داد. با توجه به روابط زیر:
