CC BY
20
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
УДК 629.43.016.2(1-21)
К. О. СОРОКА1*, Т. П. ПАВЛЕНКО2, Д. О. ЛИЧОВ3
1 Каф. «Електричний транспорт», Харкгвський нащональний унгверситет мюького господарства iM. О. М. Бекетова, вул. Маршала Бажанова, 17, Харкгв, Украша, 61002, тел. + 38 (097) 499 24 95, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-9091-6861
2Каф. «Електричний транспорт», Харкгвський нацiональний унгверситет мiського господарства iM. О. М. Бекетова, вул. Маршала Бажанова, 17, Харкгв, Украша, 61002, тел. + 38 (097) 573 44 25, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-2356-4066
3Каф. «Електричний транспорт», Харкгвський нащональний унгверситет мюького господарства iM. О. М. Бекетова, вул. Маршала Бажанова, 17, Харкгв, Украша, 61002, тел. + 38 (050) 996 27 86, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-3231-5985
СИСТЕМА АВТОМАТИЗОВАНОГО ВИБОРУ ШВИДК1СНОГО РЕЖИМУ РУХУ ЗАСОБ1В ЕЛЕКТРОТРАНСПОРТУ З МЕТОЮ ЗМЕНШЕННЯ ВИТРАТ ЕЛЕКТРОЕНЕРГП
Мета. Дослвдження передбачае розробку системи автоматизованого вибору оптимальных режи]шв руху та автоматичного контролю витрат електроенергп засобами електротранспорту з метою забезпечення мшмаль-но можливих витрат енерги. Методика. У якосп методики застосовуються: 1) математичне моделювання режимiв руху засобiв наземного електричного транспорту; 2) порiвняння результатiв моделювання з даними статистичних спостережень; 3) а також розробка системи автоматизованого вибору режимiв руху електротранспорту з мшмально можливими затратами електроенергп в умовах виконання графiка та дотримання обме-жень, регламентованих правилами руху. Результата. Авторами одержана математична залежнiсть витрат електроенергп щдприемствами електротранспорту ввд режимiв руху та середньомюячно! температури навко-лишнього середовища. Розроблено проект системи автоматизованого вибору швидшсного режиму руху та автоматизованого контролю витрат електроенергп транспортними засобами у виглад локально! комп'ютерно! мереж1, працюючо! сумiсно з дшчою системою супутниково! наигацп. Наукова новизна. Ро-зроблена математична модель розрахунку кривих руху та витрат електроенергп транспортним засобом, яка враховуе характеристики тягового двигуна та системи керування, змiну маси при посадцi та висадщ пасажи-рiв, уклони та радiуси кривих шляху руху, обмеження, що накладаються дорожнiми знаками, та iншi чинни-ки. Встановлена залежшсть витрат електроенергп щдприемствами електротранспорту ввд середньомюячно1 температури навколишнього середовища. Практична значимкть. Створена математична модель спрощуе розрахунки динамiки руху та витрат електроенергп транспортними засобами при !х експлуатаци. Вона може знайти використання щд час розробки технологiчних карт маршрупв, проектуваннi та модершзацп тягових мереж, розробщ засобiв енергозбереження. Автоматизована система вибору швидк1сного режиму руху поле-гшуе роботу водiя транспортного засобу, дозволяе зменшити затрати електроенергп, а також забезпечуе ав-томатизований облiк витрат електроенергп. Встановлена залежшсть витрат електроенергп ввд температури навколишнього середовища може бути використана для вдосконалення методiв нормування роботи шдпри-емств електротранспорту. В результатi виконаних дослщжень доведена можливiсть зменшення витрат електроенергп на 10-45 % при дотриманш рацюнальних режимiв руху. Одержано авторське свщоцтво на винахвд системи автоматизованого вибору швидк1сного режиму руху засобiв мiського електричного транспорту.
Ключовi слова: мюький електричний транспорт; енергозбереження; питомi витрати електроенергп; нор-мування; моделювання руху; режими руху; CAN мережа
Вступ
В умовах Украши, коли вартють електроенергп суттево збшьшуеться, енергозбереження стае одшею з основних проблем, яка визначае конкурентну здатшсть шдприемств, ix подальше функщонування. Це вщноситься i до мюь-кого електричного транспорту. Розрахунки по-
казують, що в 2015 рощ тдприемства електротранспорту за використану електроенерпю отримували 12-15 % прибутку, а в 2017 рощ iM доведеться витрачати на оплату електроенергп 75 % прибутку (з урахуванням юнуючих розщ-нок оплати за про].'зди, державних субвенцш та дотацiй з мiсцевиx бюдже^в). Основна частина витрат електроенергп припадае на електричну
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
тягу. Суттеве зменшення цих витрат можливе при виборi ращональних режимiв руху транспортних 3aco6iB. Залежно вiд умов конкретного маршруту економiя може складати вiд 10 % до 45 %.
Однак, цiею проблемою практично не за-ймаються. У трамваях i тролейбусах вщсутш лiчильники витрат електроенерги, що не спо-нукае водив обирати економш режими руху, тому водш не знае, в якому режимi йому вико-нувати рух, щоб витрати енерги були мшмаль-ш. Облiк електроенерги ведеться тiльки за по-казниками лiчильникiв на входах депо та на тягових шдстанщях, тому для тдприемства в цшому виконати аналiз напрямкiв витрат електроенерги в повнiй мiрi неможливо.
Методика
Вихщш данi одержанi в результат аналiзу офiцiйних статистичних даних роботи тдпри-емств електротранспорту Украши [5, 6] i дода-ткових даних про витрати електроенерги двома трамвайними i двома тролейбусними депо за 2013-2015 роки. Розрахунки витрат електроенерги проведет вщповщно до рекомендацш документа [1, 10, 13] у середшх величинах витрат електроенерги на 1км пробку транспортного засобу (кВтгод/км) [6] та у величиш пи-томих витрат електроенерги на одиницю тран-спортно! роботи (Вт год/т км брутто) [1]. Осю-льки наявш данi не дозволяють виконувати аналiз залежностi витрат вщ режиму руху, то використовували математичне моделювання режимiв руху транспортних засобiв на вулицях мiст. Результати виконаного аналiзу використа-ли при розробцi проекту автоматизовано1 сис-теми вибору швидкiсного режиму руху засобiв мiського електротранспорту. Розробка здшсне-на на основi отриманого патенту на винахщ [15], з урахуванням юнуючо! i впроваджено1 в рядi мiст Укра1ни системи диспетчерського ке-рування рухом транспортних засобiв з викорис-танням GPS трекерiв та системи зв'язку в ре-жимi GSM/GPRS. Також виконано аналiз шфо-рмацiйного забезпечення водiя та розроблена система автоматизованого вибору ним економ-них режимiв руху, в умовах виконання графша та дотримання обмежень, якi регламентованi правилами руху.
Результати
1. Анал1з витрат електроенерги транспор-тними тдприемствами зг1дно до статистичних даних
В електротранспорт основна доля витрат електроенерги припадае на рух транспортних засобiв. Проте, однозначно! вщповщ на те, сю-льки електроенерги витрачаеться на рух, немае. В трамваях та тролейбусах вщсутш засоби ви-мiрювання витрат електроенерги. Дотацшний характер мюького електротранспорту не спону-кае керiвництво пiдприемств до деталiзащl на-прямкiв витрат i енергозбереження, адже розрахунки за електроенергiю здшснюеться не iз коштiв пiдприемств.
На сайт «Кшвський трамвайний форум» [5] е орiентовнi данi витрат електроенерги для тролейбуса - 3,3 кВтгод, а для трамвая -3,2 кВтгод на кшометр шляху. Бшьш точнi данi мiстяться в «Методических указаниях по планированию, учету расхода электрической энергии трамвайным и троллейбусным транспортом и рекомендации по экономии электроэнергии» [6]. Так, наприклад, для тролейбуса ЗiУ 682, питомi витрати складають 150 Втгод/ткм брутто, тобто при мас тари тролейбуса рiвнiй 10,05 т i розмщенш в його салош 91 пасажира витрати електроенерги на 1 км шляху складають 2,46 кВтгод/км. Крiм цього, зпдно до методики розрахунку, потрiбно врахувати витрати на власнi потреби у транспортному засобi разом з витратами на нагрiвання салону, як залежать вiд середньорiчноl температури, та витрати, зу-мовленi товщиною сшгового покриву та нахи-лом дшянок шляху. До витрат належать також витрати електроенерги на самих шдприемствах електротранспорту, а саме: у депо, тягових шдстанщях, на тяговш мереж [5].
Як вихщш даш для розрахунку використо-вувалися результати облшу роботи електротранспорту [6] та додатковi данi офiцiйного зв^у щодо щомiсячних сумарних витрат електроенерги чотирьох пiдприемств електротранспорту одного мюта за 2013-2015 роки, а саме: двох трамвайних i двох тролейбусних депо. Як ощн-ку ефективност роботи пiдприемств розраху-вали питомi витрати електроенерги. Причому, використано два показники, а саме: середш витрати електроенерги на 1 км пробшу транспортного засобу (кВтгод/км) та питомi витрати.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
Початковий анатз виконано за показниками середшх витрат електроенерги на 1 км пробку, оскшьки в джерел1 [6] об'ем роботи транспортних тдприемств Украши подаеться як сумар-
ний проб1г. Результати обробки статистичних даних витрат електроенерги на 1 км пробйу представлен! на рис. 1.
засоб1в на протяз1 3-х роюв експлуатаци, та величиною коефщента детермшаци.
Рис. 1. Середньомюячш витрати електроенерги на 1 км пробку транспортного засобу Fig. 1. Average monthly power consumption for 1 km of vehicle run
Анатз показуе збшьшення середшх витрат електроенерги в зимов1 мюящ, коли вмикаеться об1гр1в салону. Для встановлення залежност величини витрат електроенерги, обумовлено! змшами температури, використали даш метео-ролопчних спостережень, а саме значення се-редньомюячно! температури навколишнього середовища по мюту [12, 14]. Графк залежнос-т витрат електроенергИ вщ температури представлено на рис. 2. Розрахунок коефщентв ре-гресшно! модел1 показав, що м1ж величиною витрат енерги i температурою юнуе залежнють, яка описуеться таким рiвнянням регреси:
,Cepei S > S Hi витр -SiO- \ чИ гги елек гроснср Ii ТЗ, \\ , кВт*го д/км
1 У = 1,0019s- 0,lll3si 4,2947
N R' 0,982
—г^— > X . --
W(t) = 0,001912 -0,1111 + 4,295, (1)
де t - середньомюячна температура пов1тря.
Коефщент детермшаци регресшно! модел1 R2, який дор1внюе R2 = 0,982, вказуе на и адек-ватнють. Вш означае, що 98,2 % вар1ацИ витрат електроенергИ пояснюються змшою температури, i лише 1,8 % викликано шшими, неврахо-ваними чинниками. Така залежшсть отримана вперше. Нацiйнiсть результатiв розрахунку пiдтверджуеться об'емом вибiрки, а саме: облiком щоденно! роботи 400 транспортних
-15,0 -10,0
-5,0
5,0 10,0 15,0 Температура повкря, С
30,0 t, с
phc. 2. Tpa^iK 3ane®Hocri nHTOMHx BHTpaT eneKTpoe-Heprii' Big TeMnepaTypn HaBKonHmHboro cepegoBH^a
Fig. 2. A dependency graph of the unit cost of electricity on the ambient temperature
flna 3MeHmeHHa BTpaT eneKTpoeHeprii' Ha nigi-rpiB canoHy Heo6xigHO noKpa^HTH Moro Tennoi-3ona^ro Ta 3a6e3nenHTH aKicHy Bemuna^ro. npoBegeHi gocnig^eHHa i npHHHaiTi 3axogn, aK noKa3aHo b po6oTi [18], go3Bonnnn oTpnMaTH ce-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
редньор1чну економ1ю витрат енергп на опа-лення та вентилящю трамваю до 64 %.
Залежшсть витрат електроенерги вщ темпе-ратури використовуеться шд час розрахунюв норматив1в витрат електроенерги шдприемст-вами електричного транспорту. Зпдно до методики розрахунюв використовуеться коефщент впливу температури Kt = 0,005 при лшшнш за-лежност [10]. Одержана залежшсть (1) е квадратичною, i змша температури бшьш суттево впливае на витрати електроенерги. Цю залежшсть стд використовувати пiд час виконання розрахункiв норм витрат електроенерги.
Для розрахунку розподшу питомих витрат електроенерги, що припадають на одиницю транспортно! роботи (у Втгод/ткм брутто) ви-значили середне рiчне значення питомих витрат, яке дорiвнюе 179,78 Втгод/ткм.
Витрати електроенергiï (див. рис. 3) най-меншi в перюд вiд травня по вересень мюяць. У цей час на^в салону вiдiмкнутий, тобто електроенергiя використовуеться тшьки на рух транспортного засобу. Середш значення питомих витрат за цей перюд складають 144,96 Вт год/т км. Виходячи з припущення, що витрати на рух протягом року практично не змшюються, визначено, що на на^в салону витрачаеться 19,37 % всiеï спожитоï електроенерги.
Додатковi результати облiку витрат електроенерги на власш потреби, яю виконанi тiльки за 2015 рш, показали, що депо та iншi шдрозд> ли електротранспорту на власш потреби витра-чають 4,6 % вщ всiеï електроенергiï.
Крiм цих величин необхiдно врахувати витрати в тяговш мережi. За наявними даними це зробити неможливо, оскшьки розрахунок проводиться за загальними показниками для всього шдприемства. Тому для оцшки цих витрат ско-ристалися нормами стандарту [3], зпдно до якого номшальна напруга на струмоприймачi трамваю (тролейбуса) дорiвнюе 550 В, при ве-личинi напруги на шинах тягово1' пiдстанцiï 600 В. Отже, спад напруги в тяговш мережi становить 8,33 %. Спад напруги в процентному вщношенш сшвпадае з величиною втрат електроенерги. У результат аналiзу одержано роз-подiл витрат електроенергiï за напрямками, який приведено на дiаграмi рис. 4.
phc. 3. 3MiHa nHTOMHx BHTpaTH e^eKTpoeHeprii Ha pyx TpaHcnopTHHx 3aco6iB 3a 2013-2015 y bttoa/t km
Fig. 3. Change of the specific power consumption for vehicular traffic for 2013-2015 in Wh/tkm
б - b
Рис. 4. Розподш витрати електроенерги шдприемствами електротранспорту:
а - розподш витрат в процентах, б - витрати у Вт год/т км
Fig. 4. Distribution of electric power consumption of electric transport enterprises:
a - cost distribution percentage, b - costs in W h/t km
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
Як видно з дiаграми рис. 4, основна доля витрат - 68,14 % припадае на роботу електроп-риводу (див. рис. 4, а). nrn^i витрати електроенерги на рух транспортних засобiв (див. рис. 4, б) складають 122,50 Вт/ткм. Су-марш значення витрат електроенерги на вводах транспортного засобу складають 157,33 Втгод/ткм.
Для порiвняння в табл. 1 вказаш величини питомих витрат електроенерги на електричну тягу рiзними типами рухомого складу. Ц вели-чини прийнят як основна нормативна характеристика, що використовуеться шд час розробки шдивщуальних норм витрат електроенерги [10] з врахуванням експлуатацшно1' швидкосп трамваю Уе = 15 км/год i тролейбуса Ve = 16 км/год.
Таблиця 1
1ндиввдуальш норми питомих витрат електроенерги засобами електротранспорту
Table 1
Individual rules of specific electric power consumption by electric vehicles
Питом витрати електроенерги на одиницю транспорт-rnï роботи, Втгод/т км брутто
Трамвайний вагон Тролейбус
Тип Витрати Тип Витрати
71-605 86 З1У-682 150
ЛМ-68 86 З1У-682
РВЗ-6М 97 дв.150 кВт 168
Т-3 108 З1У-683 142
Т-4СУ 112 14-TP 140
Т-ЗМ 88
71-608K 100
Одержанi даш знаходяться в межах приве-дених значень. Вони вiдображають тiльки сере-днi витрати електроенергiï, незалежно вщ виду транспортного засобу (трамвай чи тролейбус) та його типу. 1снуюча система облiку, при вщ-сутност лiчильникiв електроенергiï на транспортних засобах, не дозволяе розподшити витрати за типом транспортного засобу. Бшьше того, вона не дозволяе також роздшити i витрати рiзних тдприемств, якi здiйснюють переве-зення пасажирiв в одному мють У такiй ситуа-
цiï практично неможливо розробляти ефективнi мiри, що спрямованi на енергозбереження.
2. Результати досл1джень витрат електроенерги eid режим1в руху
Оскшьки основна доля електроенерги ви-трачаеться на рух транспортних засобiв, то в робот дослщжували залежнiсть витрат вщ режиму руху. Дослщження впливу шдивщуаль-ного стилю водшня на споживання енергiï тяги на затзничних лiнiях виконано за допомогою математично1' моделi [19]. Для виконання дос-лiджень впливу режимiв ведення засобiв мiсь-кого електричного транспорту на витрати елек-троенергiï розроблена математична модель. Основою моделi е рiвняння руху [11, 16, 17]. Математична модель дозволяе враховувати щ-лий ряд чинниюв, що впливають на рух транспортного засобу, а саме: робота двигуна i його тяговi характеристики, втрати електроенерги в колах живлення та керування, втрати енерги на подолання сил опору, характер маршруту руху та ш. У математичнш моделi iнтегрування рiвняння руху здшснюеться за методом Рунге-Кутта 4 порядку [8]. Модель розроблена в програмному середовищi електронно1' таблицi Excel i представлена на рис. 5.
Зпдно до математично1' моделi задаеться ма-са транспортного засобу (m, кг) з урахуванням наповнення салону. Вщповщно до кроку iнтег-рування h вводяться характеристики маршруту: шлях руху (Sm, м); величина ухилу дшянки шляху (а) та приведет коефщенти радiусiв кривих (ая). Вiдмiчaються точки на шляху (Sm), де ддать обмеження швидкостi, розмiщенi св№ лофори та дорожнi знаки. У моделi формули розрахунку коефiцiентiв штегрування k1, k2, k3, k4 включають рiвняння руху [8], в яю входять значення або формули розрахунку сил опору, формули апроксимаци мехашчних i електроме-хaнiчних характеристик двигуна, передаточне число трансмюи транспортного засобу. Характеристики тягового двигуна для кожного режиму регулювання при 100, 53 %-ному i т.д. ослаблены магштного поля (див. рис. 5) введет в рiзнi рядки електронно1' тaблицi за порядком ix змiни. Величина струму I, А розраховуеться вiдповiдно до електромеxaнiчноï характеристики двигуна.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
Пуск Sm, м т, кг а+а„ V, м/с k1 k2 k3 | к4 V, км/год i.c /, А Р, Вт'год
1,20 4,32 1,0 270
Пуск 5,0 18450 0 1,20 0,8824 0,6452 0,6955 0,5586 4,32 1,8 270 34
Пуск 6,0 18450 0 1,89 0,8824 0,6452 0,6955 0,5586 6,79 2,5 270 61
Пуск 7,0 18450 0 2,57 0,5607 0,4885 0,4967 0,4441 9,27 2,9 270 80
Пуск 8,0 18450 0 3,07 0,4105 0,3808 0,3829 0,3579 11,05 3,3 270 94
Пуск 9,0 18450 0 3,45 0,3438 0,3264 0,3273 0,3115 12,43 3,6 270 107
Пуск 10,0 18450 0 3,78 0,3054 0,2935 0,2940 0,2824 13,61 3,9 270 118
Пуск 11,0 18450 0 4,07 0,2787 0,2699 0,2702 0,2612 14,66 4,1 270 129
100% 12,0 18450 0 4,34 0,6316 0,4783 0,4868 0,4604 15,64 4,4 359 140
100% 13,0 18450 0 4,85 0,4966 0,4004 0,4046 0,3872 17,45 4,6 356 152
100% 14,0 18450 0 5,26 0,3187 0,2789 0,2800 0,2723 18,95 4,8 323 162
100% 15,0 18450 0 5,55 0,2214 0,2027 0,2031 0,1993 19,97 5,0 288 171
100% 16,0 18450 0 5,75 0,1723 0,1616 0,1618 0,1595 20,71 5,1 259 178
100% 17,0 18450 0 5,92 0,1436 0,1367 0,1368 0,1352 21,30 5,3 235 185
53% 18,0 18450 0 6,05 0,2598 0,2353 0,2377 0,2130 21,79 5,5 315 192
53% 19,0 18450 0 6,29 0,2317 0,2126 0,2143 0,1936 22,64 5,6 334 200
Рис. 5. Математична модель розрахунку кривих руху транспортних засобiв Fig. 5. Mathematical model of calculation for traffic curves of vehicles
Моделювання руху транспортного засобу здшснюеться шляхом покрокового штегруван-ня рiвнянь руху. Для цього розрахунковi фор-мули електронно! таблицi кошюють впродовж шляху. При змiн режиму регулювання (для ре-остатних систем регулювання змши позици контролера), послщовно переходять до вщпов> дного рядка електронно! таблищ.
Основною проблемою реалiзащ! математич-но! моделi було вдосконалення методiв розрахунку кривих руху. Справа в тому, що iснуючi методи тягових розрахункiв [11, 17] дозволя-ють проводити розрахунки ильки по усередне-них «питомих» величинах, що вщнесеш до «ваги» транспортного засобу i не дозволяють вра-ховувати змiну характеру руху при змш маси транспортного засобу. Крiм цього iснуючi рiв-няння руху розрахованi на графоаналiтичне ш-тегрування рiвнянь i не дозволяють, використа-ти комп'ютерне iнтегрування [11].
Для встановлення залежносп витрат елект-роенерги вiд режиму руху виконано моделювання руху тролейбуса ЗiУ-682 при наявносн в його салош 91 пасажира i русi на горизонтально дiлянцi довжиною 600 м.
Результат моделювання в режимах руху «економному» i «швидкому» приведено на рис. 6.
В «економному» режимi руху (див. рис. 6, а) тролейбус розганяеться до швидкосп достат-
ньо! для продовження руху в режимi вибiгу, таким чином, щоб гальмування його здшсню-валося при швидкосп приблизно рiвнiй 15 км/год. У режимi тяги тролейбус рухаеться на вщсташ 150 м i з часом досягае швидкосп 50 км/год. Подальший його рух вiдбуваеться в режимi вибiгу без споживання електрично! енерги. При такому режимi руху тролейбус споживае струм з електрично! мережi тшьки на протязi часу розгону (див. рис. 6, в).
Аналопчно виконано моделювання руху на цш же дшянщ шляху при режимi максимально! швидкостi i прибутп тролейбуса на зупиночний пункт за мшмальний перiод часу (див. рис. 6, б).
При цьому споживання струму (див. рис. 6, г) здшснюеться протягом всього часу руху, тобто до моменту, коли починаеться га-льмування, а саме за 120 м до зупинки. При цьому, величина струму, переважну бшьшють часу, знаходиться в межах вщ 160 до 200 А.
Оскшьки тд час руху тролейбуса трапля-ються випадки, коли водш повинен зменшити швидюсть для виконання безпечних умов руху, або при появi непередбачених перешкод на маршрут^ було виконано моделювання таких си-туацiй. На рис. 7, б приведений графш змши швидкосп руху в результат вимушеного гальмування, а на рис. 7, д графш змши величини струму.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету зaлiзничного транспорту, 2017, N° 3 (69)
в - с г - d
Рис. 6. Результати моделювання руху транспортного засобу:
а та в - в режим «економний»; б та д - в режим «швидкий»; а та б - змша швидкосп впродовж шляху руху; в та г - змша величини струму
Fig. 6. Results of simulation of vehicle movement:
a and c - in the «economical» mode; b and d - in the «fast» mode; a and b - speed change during travel; c and d - change in the current value
г - d
Рис. 7. Результати моделювання руху в рiзномaнiтниx режимах:
а, в - промiжному; б, д - з перешкодою; а, б - змша швидкосп впродовж шляху руху; в, г - змгна величини струму
Fig. 7. Results of movement simulation in different modes:
a, c - «intermediate»; b, e - «obstacle»; a, b - speed change during travel; c, d - change in the current value
в - c
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету зaлiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
Результати моделювання, а саме: час руху та витрати електроенерги транспортним засобом у розглянутих режимах руху приведет в табл. 2.
Приведет в табл. 2 дат показують, що експлуатацшна швидюсть в ушх режимах руху перевищуе встановлену графшом величину 16 км/год [10, 11], при максимально можливо-му часу стоянки на зупиночному пункт (вщ 10 до 45 с).
Таблиця 2
Результати aнaлiзу режимiв руху зaсобiв електротранспорту (дшянка горизонтальна, довжина 600 м)
Table 2
Results of the analysis of electric vehicles motion modes (horizontal section, length 600 m)
Показник Режим руху
економний пром1жний швидкий з перешкодою
Затрати електроенерги, кВтгод 0,77 (100 %) 0,96 (125 %) 1,41 (191 %) 1,72 (223 %)
Час про1зду, с 78 (142 %) 60 (111 %) 54 (100 %) 64 (118 %)
Середня швидшсть на д1лянщ, км/год 28,1 36 40 33,7
Час стоянки на зупинщ, с 45 45 45 45
Експлуатац1йна швидк1сть, км/год 17,56 20,57 21,81 19,81
Середш витрати електроенерги, кВтгод/км 1,28 (100 %) 1,60 (125 %) 2,35 (183 %) 2,87 224 %
Питом1 витрати електроенерги, Втгод/ткм 78,73 98,16 144,17 175,87
Також розглянуто третш промiжний вaрiaнт, коли рух тд струмом продовжуеться до 220 м, i гальмування розпочинаеться зi швидкосп 30 км/год. Вiдповiднi грaфiки руху та змши струму приведенi на рис. 7. Промiжний режим забезпечуе скорочення часу руху мiж зупиноч-ними пунктами при помiрному споживанш електрично!' енерги.
Питомi витрати електроенерги в розглянутих режимах руху суттево вiдрiзняються. Най-меншi витрати при економному режимi скла-дають 78,73 Втгод/ткм, що менше вщ приве-дених в табл. 1 значень для цього ж типу транспортного засобу. Витрати електроенерги при «швидкому» режимi руху в порiвняннi до «еко-номного» збшьшеш майже в 2 рази (на 191 %). Якщо за основу взяти режим руху «швидкий», то при виборi економного режиму руху питомi втрати електроенерги зменшуються на величину :
Рш - ре
AP = Ре 100 % = 45 % , Рш
де Рш, Ре - питомi витрати в режимах «швидкий» та «економний» вщповщно.
Ця величина е максимально можливою еко-номiею енергоресуршв. Але в реальнш практи-цi дiе ряд чинниюв, якi впливають на транспор-тт засоби i досягнути тако1' економи неможли-во. Тому, з урахуванням чинникiв, взята реальна величина економи, яка дорiвнюе 10 %. Для впровадження зaxодiв енергозбереження на ш-дприемствах електротранспорту слiд розробля-ти теxнологiчнi карти мaршрутiв, в яких вказу-еться режими руху на окремих дшянках [7]. Для розробки таких технолопчних карт можна використовувати запропоновану математичну модель.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, N° 3 (69)
Але слщ зауважити, що математична модель дещо спрощена. В нш замiсть 18 позицiй регулювання, як в тролейбус ЗiУ-682, розгля-даеться тiльки 6 позицiй.
Математична модель розроблена для дискретно! системи керування. У разi використан-ня електронних систем регулювання непере-рвно! ди, до моделi потрiбно ввести параметри регулювання, при яких змшюються мехашчш та електромеханiчнi характеристики двигуна.
3. Розробка системи автоматизованого ви-бору швидюсного режиму руху засоб1в елект-ротранспорту з метою зменшення витрат електроенергп
Робота водiя наземного мюького електрот-ранспорту на маршрут досить напружена i ви-магае вщ нього надзвичайно! уваги. Водш зо-бов'язаний виконувати графiк руху при дотри-маннi усiх правил дорожнього руху в досить складнш дорожнш ситуаци. Йому часто доводиться виконувати невластивi йому функцп, такi, наприклад, як збiр оплати за про!зд. Тому, в умовах складно! дорожньо! ситуацi! здiйснити вибiр режиму руху з мiнiмальними витратами електроенергп йому досить важко, адже практики вибору економних режимiв руху вiн не мае.
Для реалiзацi! економних режимiв руху пот-рiбна система, яка б прораховувала варiанти можливого продовження руху i забезпечувала по^бною iнформацiею водiя. Цей вибiр потр> бно здiйснювати в умовах дотримування граф> ка руху, правил руху i всiх обмежень на дшянщ шляху.
Системи автоматизованого ведення транспортних засобiв широко впроваджуються в метрополией, на залiзницi. Проте, у мiському електротранспортi розробка таких систем пов'язана з рядом труднощiв, а саме:
- визначенням мюця розмiщення транспортного засобу на маршрут в кожен поточний момент руху;
- постшною змшою кшькост пасажирiв вiд зупинки до зупинки, що призводить до змши маси транспортного засобу (майже в 2 рази) та характеру його руху;
- складнютю маршруту руху (дшянки з рiз-ним ухилом, з поворотами, перехрестями, з ро-змiщенням свiтлофорiв уздовж маршруту, об-межувальнi дорожш знаки);
- виникненням непередбачуваних подш, що впливають на рух транспортного засобу, яю потрiбно враховувати в складнш дорожнш об-становцi.
З урахуванням цих особливостей руху наземного електротранспорту була розроблена «Система автоматизованого вибору швидкюно-го режиму руху мюького електротранспорту з метою економи електроенергп». На розробле-ну систему одержано патент на винахщ. Основою функцюнування системи е бортовий комп'ютер транспортного засобу, який розра-ховуе можливi режими руху, обирае оптималь-ний i пiдказуе водiю, якого режиму руху потр> бно дотримуватись. Блок-схема автоматизова-но! системи приведена на рис. 8.
Рис. 8. Система автоматизованого вибору швидшс-ного режиму руху наземного електричного транспортного засобу з метою економи електроенергп
Fig. 8. Computer-aided selection of speed mode of traffic of the ground electric vehicles in order to save the electricity
Система автоматизованого вибору швидкю-ного режиму руху (див. рис. 8, п. 1), мютить встановлений на кожному транспортному засо-бi 1 бортовий комп'ютер 2, до якого шдключе-но блок пам'ят 3. У блок пам'ят 3 занесено: 3.1 - графш руху; 3.2 - технолопчна карта маршруту; 3.3 - цифрована карта мюта (маршруту); 3.4 - програма розрахунку оптимального режиму руху. Система працюе наступним чином: трекер 8 супутниково! навиаци (GPS, ГЛОНАСС) визначае координату та швидкють транспортного засобу. Блок вимiрювання шви-дкост та шляху вщ зупинки 4 уточняе покази трекера. Ц даш поступають в комп'ютер 2,
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
який пор1внюе !х з графшом руху (технолопч-ною картою маршруту). У раз1 виявлення вщ-хилення комп'ютер прораховуе режим руху до наступно! зупинки, а в раз1 необхщност - i до кшця маршруту, i подае повщомлення про роз-рахований режим руху водда в звуковiй або вiзуальнiй формi. Водiй мае можливiсть дотри-муватися рекомендованого режиму руху або самостшно його обирати. Крiм цього, система мютить блок 5 вимiрювальних приладiв струму i напруги; а також блок 6 реестраци кшькосп пасажирiв; блок 7 - датчик закриття дверей; блок 9 - формування сигналiв, якi передаються на диспетчерський пункт; блок - 10 прийомо-передатчик GSM/GPRS; блок 11 -гарштура во-дiя; блок 12 - дисплей.
Запропонована автоматизована система встановлюеться на борту транспортного засобу, Вона контролюе режим руху вщповщно до тех-нолопчно! карти маршруту. У разi виявлення вiдхилення режиму руху вщ рекомендованого система дае повщомлення водiю i автоматично
Термi натор
¡нформацш Моштор
не табло вод!Я
Датчики струму, напруги, швидкоста, кiлькостi пасажирiв
I
прораховуе можливi варiанти продовження руху до наступно! зупинки. З можливих варiантiв вибираеться режим, який вiдповiдае графшу, при мiнiмально можливих затратАХ електрич-но! енергi!. Якщо до першо! зупинки скорегува-ти вiдставання вщ графiка руху неможливо, система продовжуе розрахунки до декiлькох наступних зупинок таким чином, щоб до кшце-во! зупинки прибути точно у визначений граф> ком момент часу.
Система також забезпечуе передачу на дис-петчерський пункт даних про виконаний рух i витрати електрично! енерги та iншi данi, якi потрiбнi для контролю роботи транспортного засобу на маршруп.
Для реалiзацi! системи автоматизованого вибору швидюсного режиму руху запропоно-вано проект локально! CAN мереж транспортного засобу. CAN мережа може бути побудова-на за iерархiею як «загальна шина», що показано на рис. 9.
Енергонеза лежна пам'ять
Касовий апарат
Бортовий комп'ютер
I
CAN шина
GPS нав^атор
I
GSM/ GPRS зв'язок
Термi натор
Рис. 9. Схема системи автоматизованого вибору швидшсного режиму руху, побудована на основ1 локально! мереж! транспортного засобу
Fig. 9. Scheme of the automated selection system of speed mode of motion based on local network
of electric vehicle
Система створюеться самостшно, або як до-повнення до юнуючо! мережi транспортного засобу. Таю комп'ютерш мереж1 встановлюють на транспортних засобах як автомобшьну елек-трошку, i вони е основою системи дiагностики, керування обладнанням транспортного засобу та диспетчерського керування рухом [4, 20]. Комп'ютер чи безпосередньо трекер GPS пере-дае шформацшш пакети, як правило, з перю-дом 10 с (або при проезд 50 м). У щ пакети
включають данi про параметри спожито! елект-роенергi!. З метою зменшення о6сяг!в iнформа-ци данi про використану електроенергiю можна передавати через 6шьш! iнтервали часу, напри-клад на зупиночних пунктах, або по закшченню про!зду маршрутом. З метою забезпечення прийняття заходiв енергозбереження, покази датчикiв струму та напруги на вводах транспортного засобу можна записувати в енергонеза-лежну пам'ять бортового комп'ютера поряд
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
з шформащею про режим руху, яка використо-вуеться пiд час анатзу транспортних подiй на маршрутi руху. Запис може проводитися цикт-чно (при загальнш довжинi одного запису порядку 1 год). Для впровадження запропонова-но! системи потрiбно виконати доробку про-грамного забезпечення комп'ютера транспортного засобу та диспетчерського центру. Одержана таким чином шформащя про енерго-споживання повинна бути використана при ф> нансових розрахунках, коли в одному мющ пе-ревiзниками е декiлька шдприемств електрот-ранспорту. Крiм цього, вона може бути використана тд час розробки заходiв енерго-збереження.
Наукова новизна та практична значимкть
Встановлено стохастичну залежнiсть мiж величиною витрат енерги пiдприемствами еле-ктротранспорту i температурою навколишнього середовища, яка описуеться квадратичним рiв-нянням регреси (1), у противагу прийнято! в нормативних документах [1, 10] лшшно! зале-жностi. Адекватнiсть регресшно! моделi шдт-верджена значним об'емом вибiрки та значен-ням коефiцiента детермшаци R2 = 0,982. Реко-мендуеться використовувати цю залежнiсть при вдосконаленш методiв нормування витрат електроенерги на мiському електротранспортi.
Розроблена математична модель динамши засобiв електротранспорту, яка, на вщмшу вiд вiдомих методiв тягових розрахункiв, мае б> льшу точнiсть, дозволяе виконувати розрахун-ки з урахуванням характеристик тягового дви-гуна та системи керування, змши маси при по-садцi та висадщ пасажирiв, уклонiв та радiусiв кривих коли руху, обмежень, що накладаються дорожнiми знаками, та iнших чинниюв.
На основi використання CAN мережi транспортного засобу розроблений проект системи автоматизованого вибору швидкiсного режиму, який дозволяе обрати оптимальний за затратами електроенерги режим руху, з урахуванням мюцезнаходження та швидкостi транспортного засобу в кожен момент часу, при умовi дотри-мання встановленого графша руху.
Практична значимiсть створено! математич-но! моделi полягае у спрощенш i збiльшеннi
точностi розрахункiв режимiв руху i витрат електроенергi!' транспортними засобами. Реко-мендуеться !! використання пiд час розробки технолопчних карт маршрутiв, проектуванш i модернiзацi! тягових мереж та у розробщ за-собiв енергозбереження.
Запропонована автоматизована система вибору швидкiсного режиму руху полегшуе роботу водiя транспортного засобу, дозволяе зменшити затрати електроенерги, а також за-безпечуе автоматизований обш витрат електроенерги.
У результат виконаних дослщжень доведена можливiсть зменшення витрат електроенер-гi! на 10 % - 45 % при дотриманш рацюнальних режимiв руху.
Одержано авторське свщоцтво на винахiд системи автоматизованого вибору швидюсного режиму руху засобiв мiського електричного транспорту.
Висновки
1. Отримано регресшну залежнiсть витрат електроенерги шдприемствами електротранспорту вщ середньомiсячно! температури навко-лишнього середовища, яка суттево вiдрiзняеть-ся вщ рекомендовано! в нормативнiй докумен-таци.
2. Показано, що iснуюча система облшу еле-ктроенергi! на мюькому електротранспортi мае суттевi недолiки i не дозволяе ефективно роз-робляти та впроваджувати заходи енергозбере-ження.
3. Розроблена математична модель динамши засобiв електротранспорту, яка враховуе вплив ряду чинниюв та забезпечуе бшьшу точнiсть, нiж вiдомi методи тягових розрахунюв.
4. Показано, що вибiр оптимальних режимiв може привести до зниження енергозатрат на 10-45 % .
5. Розроблена система автоматизованого ви-бору швидюсного режиму трамваю та тролей-буса дозволяе зменшити затрати електроенерги та автоматизувати облш витрат електроенерги засобами наземного електричного транспорту, що е основою перспективних розробок i прийн-яття додаткових практичних ршень, спрямова-них на енергозбереження.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету з&шзничного транспорту, 2017, N° 3 (69)
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Галузев1 комунальш норми ГКН 02.07.005-2001. Витрати електроенергп трамвайними вагонами та тролейбусами. Нормативи. Методи розрахунку / Г. П. Щербина, Л. В. Збарський, Е. I. Карпушин, В. Б. Будниченко, В. Х. Далека, В. В. Кривуля. - Чинний ввд 2001-01-01. - Ки!в : Держбуд Укра!ни, 2001. - 23 с.
2. Гетьман, Г. К. Визначення витрат електроенерги на тягу по!здв при розв'язанш задач тягового забез-печення / Г. К. Гетьман, С. М. Голик // Проблемы и перспективы развития ж.-д. трансп. : тез. LXYI Междунар. науч.-практ. конф. (11.05-12.05.2006) / Днепропетр. нац. ун-т ж.-д. трансп. им. акад. В. Ла-заряна. - Днепропетровск, 2006. - С. 115.
3. ГОСТ 6962-75. Транспорт электрифицированный с питанием от контактной сети. Ряд напряжений (с изменением N 1). - Введ. 1996-03-01. - Москва : Изд-во стандартов, 1996. - 3 с.
4. Карпенко, Е. Возможности CAN протокола [Електронний ресурс] / Е. Карпенко. - Промышленные сети. - 1998. - N 4. - С. 16-20. - Режим доступу: http://www.cta.rU/cms/f/326789.pdf. - Назва з екрана. -Перев1рено : 16.05.2017.
5. Киевский трамвайный форум. Расход электроэнергии в трамваях [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://forums.mashke.org/cgi-bin/forum.cgi. - Назва з екрана. - Перев1рено : 16.05.2017.
6. Корпоращя тдприемств мюького електротранспорту Укра!ни «Укрелектротранс» [Електронний ресурс]. - Режим доступу: http://korpmet.org.ua. - Назва з екрана. - Перев1рено : 16.05.2017.
7. Кульбашна, Н. I. Нов1 шдходи щодо складання рацюнальних режим1в водшня рухомого складу по маршрутах / Н. I. Кульбашна, А. Г. Тарновецька, О. И. Балас // Проблеми та перспективи розвитку техн. засоб1в трансп. та систем автоматизаци : матер1али м1жнар. наук.-практ. конф. (1.10-3.10.2014) / Харк. нац. ун-т мюьк. госп-ва 1м. О. М. Бекетова. - Харшв, 2014. - С. 84-85.
8. Кутшв, М. В. Чисельш методи : навч. поаб. / М. В. Кутшв. - Льв1в : Растр-7, 2010. - 288 с.
9. Логвшова, Н. О. Зменшення експлуатацшних витрат за допомогою енергооптимального руху по!здв / Н. О. Логвшова, Д. О. Босий, М. О. Полях // Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Ла-заряна. - Дншропетровськ, 2012. - Вип. 42. - С. 110-113.
10. Методические указания по планированию, учету расхода электрической энергии трамвайным и троллейбусным транспортом и рекомендации по экономии электроэнергии : Р-29-284702-0365-96 / М-во трансп. Рос. Федерации, 1996. - 22 с.
11. Основи електрично! тяги : навч. поаб. / В. Х. Далека, П. М. Пушков, В. П. Андршченко [та ш.] ; Харк. нац. акад. мюьк. госп-ва 1м. О. М. Бекетова. - Харшв : ХНАМГ, 2012. - 312 с.
12. Пат. 110877 Укра!на, МПК B 60 W 50/08; B 60 W 50/00. Система автоматизованого вибору швидшсно-го режиму руху наземного електричного транспортного засобу / Сорока Костянтин Олексшович, Личов Дмитро Олександрович ; заявник та патентовласник Харк. нац. ун-т мюьк. госп-ва 1м. О. М. Бекетова. - u201603772 ; заявл. 25.10.2016 ; опубл. 25.10.2016, Бюл. N 20.
13. Погода и климат. Климатический монитор. Харьков [Електронний ресурс]. - Режим доступу: www.pogodaiklimat.ru/monitor.php?id=34300. - Назва з екрана. - Перев1рено : 16.05.2017.
14. Правила експлуатацп мюького електричного транспорту : навч. поаб. / В. Х. Далека, В. Б. Будниченко, В. I. Коваленко [та ш] ; Харк. нац. ун-т м1ськ. госп-ва 1м. О. М. Бекетова. - Харшв, 2014. - 447 с.
15. СНиП 23-01-99. Строительная климатология : утв. 11.06.99 г. N 45 с изм. N 1. - Москва : Госстрой России, 2002.
16. Сорока, К. О. Змютовна модель та р1вняння руху електричного транспорту / К. О. Сорока, Д. О. Личов // Наука та прогрес транспорту. - 2015. - N 3 (57). - С. 97-106. doi: 10.15802/stp2015/46056.
17. Теория электрической тяги / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров, М. И. Озеров ; под ред. И. П. Исаева. - Москва : Транспорт, 1995. - 294 с.
18. Beusen, B. Energy savings in light rail through the optimization of heating and ventilation / B. Beusen, B. Degraeuwe, P. Debeuf // Transportation Research Part D: Transport and Environment. - 2013. - Vol. 23. -P. 50-54. doi: 10.1016/j.trd.2013.03.005.
19. Individual driving style impact on traction energy consumption in railway lines: A simulation model / A. Ca-passo, R. Lamedica, F. M. Gatta [et al.] // Intern. Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM) (22.06-24.06.2016) : Conf. Paper. - Anacapri, Italy, 2016. - P. 665670. doi: 10.1109/SPEEDAM.2016.7525929.
20. Heinzelman, W. B. Application-Specific Protocol Architectures for Wireless Networks : Ph.D Thesis / W. B. Heinzelmaaan / Massachusetts Institute of Technology. - Boston, 2000. - 154 р.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
К. А. СОРОКА1*, Т. П. ПАВЛЕНКО2, Д. А. ЛЫЧОВ3
'*Каф. «Электрический транспорт», Харьковский национальный университет городского хозяйства им. А. Н. Бекетова, ул. Маршала Бажанова, 17, Харьков, Украина, 61002, тел. + 38 (097) 499 24 95, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-9091-6861
2Каф. «Электрический транспорт», Харьковский национальный университет городского хозяйства им. А. Н. Бекетова, ул. Маршала Бажанова, 17, Харьков, Украина, 61002, тел. +38 (097) 573 44 25, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-2356-4066
3Каф. «Электрический транспорт», Харьковский национальный университет городского хозяйства им. А. Н. Бекетова, ул. Маршала Бажанова, 17, Харьков, Украина, 61002, тел. +38 (050) 996 27 86, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-3231-5985
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВЫБОРА СКОРОСТНОГО РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА С ЦЕЛЬЮ УМЕНЬШЕНИЯ РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Цель. Исследование предполагает разработку системы автоматизированного выбора оптимальных режимов движения и автоматического контроля расхода электроэнергии средствами электротранспорта с целью обеспечения минимально возможных затрат энергии. Методика. В качестве методики используются:
1) математическое моделирование режимов движения средств наземного электрического транспорта;
2) сравнение результатов моделирования с данными статистических наблюдений; 3) разработка системы автоматизированного выбора режимов движения электротранспорта с минимально возможными затратами электроэнергии в условиях выполнения графика и соблюдения ограничений, регламентированных правилами движения. Результаты. Авторами получена математическая зависимость расхода электроэнергии предприятиями электротранспорта от режимов движения и среднемесячной температуры окружающей среды. Разработан проект системы автоматизированного выбора скоростного режима движения и автоматизированного контроля расхода электроэнергии транспортными средствами в виде локальной компьютерной сети, работающей совместно с действующей системой спутниковой навигации. Научная новизна. Разработана математическая модель расчета кривых движения и расхода электроэнергии транспортным средством, учитывающая характеристики тягового двигателя и системы управления, изменение массы при посадке и высадке пассажиров, уклоны и радиусы кривых пути движения, ограничения, накладываемые дорожными знаками, и другие факторы. Установлена зависимость расхода электроэнергии предприятиями электротранспорта от среднемесячной температуры окружающей среды. Практическая значимость. Созданная математическая модель упрощает расчеты динамики движения и расхода электроэнергии транспортными средствами при их эксплуатации. Она может найти применение при разработке технологических карт маршрутов, проектировании и модернизации тяговых сетей, разработке средств энергосбережения. Автоматизированная система выбора скоростного режима движения облегчает работу водителя транспортного средства, позволяет уменьшить затраты электроэнергии, а также обеспечивает автоматизированный учет расходов электроэнергии. Установленная зависимость расхода электроэнергии от температуры окружающей среды может быть использована для совершенствования методов нормирования работы предприятий электротранспорта. В результате выполненных исследований доказана возможность уменьшения затрат электроэнергии на 10-45 % при соблюдении рациональных режимов движения. Получено авторское свидетельство на изобретение системы автоматизированного выбора скоростного режима движения средств городского электрического транспорта.
Ключевые слова: городской электрический транспорт; энергосбережение; удельный расход электроэнергии; нормирование; моделирование движения; режимы движения, CAN сеть
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
K. O. SOROKA1*, T. P. PAVLENKO2, D. A. LYCHOV3
1 Dep. «Electric Transport», Kharkiv National University of Municipal Economy named after A. N. Beketov, Marshal Bazhanov, St. 17, Kharkiv, Ukraine, 61002, tel. +38 (097) 499 24 95, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-9091-6861 2Dep. «Electric Transport», Kharkiv National University of Municipal Economy named after A. N. Beketov, Marshal Bazhanov, St. 17, Kharkiv, Ukraine, 61002, tel. +38 (097) 573 44 25, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-2356-4066 3Dep. «Electric Transport», Kharkiv National University of Municipal Economy named after A. N. Beketov, Marshal Bazhanov, St. 17, Kharkiv, Ukraine, 61002, tel. +38 (050) 996 27 86, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-3231-5985
SYSTEM FOR AUTOMATIC SELECTION OF THE SPEED RATE OF ELECTRIC VEHICLES FOR REDUCING THE POWER CONSUMPTION
Purpose. The work is aimed to design a system for automatic selection of the optimal traffic modes and automatic monitoring of the electric energy consumption by electric transport. This automatic system should provide for the minimum energy expenses. Methodology. Current methodologies: 1) mathematical modeling of traffic modes of ground electric vehicles; 2) comparison of modelling results with the statistical monitoring; 3) system development for automatic choice of traffic modes of electric transport with minimal electrical energy consumptions taking into account the given route schedules and the limitations imposed by the general traffic rules. Findings. The authors obtained a mathematical dependency of the energy consumption by electric transport enterprises on the monthly averaged environment temperature was obtained. A system which allows for an automatic selection of the speed limit and provides automatic monitoring of the electrical energy consumption by electric vehicles was proposed in the form of local network, which works together with existing GPS system. Originality. A mathematical model for calculating the motion curves and energy consumption of electric vehicles has been developed. This model takes into account the characteristic values of the motor engine and the steering system, the change of the mass when loading or unloading passengers, the slopes and radii of the roads, the limitations given by the general traffic rules, and other factors. The dependency of the energy consumption on the averaged monthly environment temperature for public electric transport companies has been calculated. Practical value. The developed mathematical model simplifies the calculations of the traffic dynamics and energy consumption. It can be used for calculating the routing maps, for design and upgrade of the power networks, for development of the electricity saving measures. The system simplifies the work of the vehicle driver and allows reducing the energy consumption, also provides for an automatic energy cost monitoring. The calculated dependency of the energy consumption on the environment temperature may be used for an improvement of methods which regulate the work of the public electric transport companies. It has been proved that there is a possibility for reducing electrical energy consumption by 10% to 45% using the efficient motion regimes. Author's certificate was obtained for the invention of the system for an automatic selection of the velocity regime for a public electric transport vehicle.
Keywords: public electric transport; energy saving; specific energy consumption; standardization; motion modeling; traffic modeling; traffic regimes; CAN network
REFERENCES
1. Vytraty elektroenerhii tramvainymy vahonamy ta troleibusamy. Normatyvy. Metod rozrakhunku, HKN-
02.07.005-2001 (2001).
2. Hetman, H. K., & Golik, S. M. (2006). Vyznachennia vytrat elektroenerhii na tiahu poizdiv pry rozviazanni zadach tiahovoho zabezpechennia. Proceedings of the 66 International Conference «The Issues and Prospects of Railway Transport Development», May, 11-12, 2006, Dnipropetrovsk. 115. Dnipropetrovsk: Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan.
3. Transport elektrifitsirovannyy s pitaniyem ot kontaktnoy seti. Ryad napryazheniy, GOST 6962-75 (1996).
4. Karpenko, Y. (1998). Features of the CAN-Protocol. Contemporary Technologies in Automation, 4, 16-20. Retrieved from http://www.cta.ru/cms/f7326789.pdf
5. Kievskiy tramvaynyy forum. Raskhod elektroenergii v tramvayakh. (n.d.) Retrieved from http://forums.mashke.org/cgi-bin/forum.cgi
6. Sait korporatsii « Ukrelektotrans». (n.d.) Retrieved from http://korpmet.org.ua
7. Kulbashna, N. I., Tarnovetska, A. H., & Balas, O. Y. (2014). Novi pidkhody shchodo skladannia ratsionalnykh rezhymiv vodinnia rukhomoho skladu po marshrutakh. Proceedings of the International Conference Problemy
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, N° 3 (69)
ta perspektyvy rozvytku tekhnichnykh zasobiv transportu ta system avtomatyzatsii, October, 01-03, 2014, Kharkiv. 84-85. Kharkiv: O.M. Beketov National University of Urban Economy in Kharkiv.
8. Kutniv, M. V. (2010). Chyselni metody. Lviv: Rastr-7 Publ.
9. Logvinova, N. A., Bosiy, D. O., & Polyah, O. M. (2012). Reduced operating costs by train traffic optimization.
Bulletin of DnipropetrovskNational University of Railway Transport, 42, 110-113.
10. Ministry of Transport of the Russian Federation. (1996). Metodicheskiye ukazaniya po planirovaniyu, uchetu raskhoda elektricheskoy energii tramvaynym i trolleybusnym transportom i rekomendatsii po ekonomii el-ektroenergii, R-29-284702-0365-96.
11. Daleka, V. K., Pushkov, P. M., Andriichenko, V. P., & Minieieva, Y. V. (2012). Osnovy elektrychnoi tiahy. Kharkiv: O.M. Beketov National University of Urban Economy in Kharkiv.
12. Soroka, K. O., & Lychov, D. A. (2016). UA Patent No. 110877. Ukrainian Intellectual Property Institute (UKRPATENT).
13. Pogoda i klimat. Pogoda v Kharkove. (n.d.) Retrieved from www.pogodaiklimat.ru/monitor.php?id=34300
14. Daleka, V. K., Budnychenko, V. B., Kovalenko, V. I., Khvorost, M. V., & Isaiev, L. O. (2014). Pravyla ek-spluatatsii miskoho elektrychnoho transportu. Kharkiv: O.M. Beketov National University of Urban Economy in Kharkiv.
15. Building Climatology, SNiP 23-01-99 (2002).
16. Soroka, K. O., & Lychov, D. A. (2015). The content model and the equations of motion of electric vehicle. Science and Transport Progress, 3 (57), 97-106. doi: 10.15802/stp2015/46056
17. Rozenfeld, V. Y., Isaev, I. P., Sidorov, N. N., & Ozerov, M. I. (1995). Teoriya elektricheskoy tyagi. Moscow: Transport.
18. Beusen, B., Degraeuwe, B., & Debeuf, P. (2013). Energy savings in light rail through the optimization of heating and ventilation. Transportation Research. Part D: Transport and Environment, 23, 50-54. doi: 10.1016/j.trd.2013.03.005
19. Capasso, A., Lamedica, R., Gatta, F.M., Geri, A., Maccioni, M., Ruvio, A., Guidi Buffarini, G., & Carones, N. (2016). Individual driving style impact on traction energy consumption in railway lines: A simulation model. Proceedings of the Intern. Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM), June, 22-24, 2016, Anacapri, Italy. 665-670. doi: 10.1109/SPEEDAM.2016.7525929
20. Heinzelman, W. B. (2000). Application-Specific Protocol Architectures for Wireless Networks. (PhD Thesis). Massachusetts Institute of Technology.
Стаття рекомендована до друку д.т.н., проф. Г. К. Гетьманом (Украгна); д.т.н., проф. Я. В. Щербаком (Украгна)
Надшшла до редколеги: 20.01.2017 Прийнята до друку: 27.04.2017
