Elektryczny napęd trakcyjny. Zasady działania. Sterowanie. Modelowanie - ebook

1 WPROWADZENIE

Do napisania tej książki skłoniła autora chęć podsumowania własnych doświadczeń zawodowych zebranych w trakcie wieloletniej pracy w charakterze nauczyciela akademickiego w Instytucie Automatyki Politechniki Łódzkiej (IA PŁ). Tematyka prac badawczych i wdrożeniowych prowadzonych w tym Instytucie, powstałym ponad 60 lat temu z inicjatywy prof. Władysława Pełczewskiego, od początku jego istnienia obejmowała badania nad zastosowaniem w zautomatyzowanych napędach elektrycznych najnowszych koncepcji z dziedziny teorii sterowania. Ten dział elektrotechniki w końcu XX wieku rozwijał się szczególnie intensywnie, ponieważ nieustannie pojawiały się nowe wynalazki i technologie pozwalające na coraz bardziej sprawne przekształcanie energii elektrycznej (za pomocą przekształtników energoelektronicznych) oraz urządzenia elektroniczne służące do ich sterowania, coraz mniejsze i coraz wydajniej przetwarzające informacje, oparte na specjalnie w tym celu skonstruowanych, wbudowanych sterownikach mikroprocesorowych (ang. embeddedsystems).

Jednym z ważnych aspektów uwzględnianych przy poszukiwaniu rozwiązań technicznych nowych napędów było dążenie do ich optymalizacji, dotyczącej nie tylko samych konstrukcji stosowanych w nich przekształtników energoelektronicznych i sprzętowych struktur sterujących nimi mikroprocesorowch sterowników, ale i proponowanych nowych algorytmów sterowania implementowanych w tych sterownikach. Wieloletnia aktywność grupy badawczej z IA PŁ rozpoczęła się od nawiązania w początkach lat osiemdziesiątych XX stulecia szerszej współpracy międzyuczelnianej, początkowo pomiędzy Politechnikami Warszawską, Wrocławską i Łódzką oraz Instytutem Elektrotechniki w Międzylesiu k/Warszawy, związanej z ówczesnym problemem resortowym RI-17 (dotyczącym optymalizacji układów napędowych), których koordynatorem był prof. Mirosław Krynke, bliski współpracownik prof. Władysława Pełczewskiego. Do współpracy przyłączały się potem kolejne zespoły badawcze z innych krajowych ośrodków akademickich, kontynuując systematyczne coroczne spotkania, na których dzielono się własnymi najnowszymi osiągnięciami w dziedzinie napędu elektrycznego i energoelektroniki. Seminaria naukowe odbywające się początkowo corocznie w Sulejowie k/Piotrkowa Trybunalskiego przerodziły się z biegiem lat w konferencje naukowe odbywające się w różnych miastach Polski. Ostatecznie przyjęły one oficjalną nazwę Krajowej Konferencji Naukowej „Sterowanie w energoelektronice i napędzie elektrycznym – SENE”. Za porozumieniem ośrodków akademickich, zainteresowanych tą formą współpracy, spotkania odbywają się nadal co dwa lata w Łodzi i formalnie są organizowane przez Instytut Automatyki PŁ. Jesienią 2017 roku odbyła się XII edycja tej konferencji.

W przypadku autora tej książki zwieńczeniem jego udziału we wspomnianej wyżej działalności badawczej był kierowany przez niego rozwojowy projekt badawczy MNiSW nr R01 014 01 pt. „Nowa generacja falownikowych napędów trakcyjnych”, realizowany w Instytucie Automatyki PŁ w latach 2006–2009. W wyniku potrzeby odniesienia się autora do aktualnych trendów rozwojowych dotyczących trakcyjnego napędu elektrycznego, obserwowanych przez niego z perspektywy owego grantu, powstała ta książka. W publicznie dostępnych źródłach literaturowych omawia się bowiem na ogół bardzo wyrywkowo właściwości nowych rozwiązań, co nie pozwala przeciętnemu inżynierowi na obiektywną ocenę ich rzeczywistej przydatności, to jest dokonywanej tak, aby na tle zalet wyraźnie widzieć także ich wady – bo przecież także nowe rozwiązania nigdy nie są do końca ich pozbawione. Dzięki konkretnym danym technicznym zebranym przez autora w ramach tamtego projektu w przypadku napędów asynchronicznych i synchronicznych jest możliwe rzetelne porównanie właściwości takich napędów w typowych zastosowaniach trakcyjnych, czyli użytych do napędu tego samego przykładowego pojazdu, mającego do wykonania to samo zadanie polegające na przejechaniu ściśle określonego odcinka drogi (na krótkim dystansie – w ruchu miejskim lub podmiejskim, a na długim dystansie – w ruchu dalekobieżnym).

Jak wiadomo, współczesny zautomatyzowany napęd elektryczny, dzięki wykorzystaniu odpowiednio skonstruowanego urządzenia elektromechanicznego, ogólnie nazywanego maszyną elektryczną, umożliwia dwukierunkowe przekształcanie energii elektrycznej i mechanicznej z bardzo dużą sprawnością. Maszyny elektryczne mogą mieć różną budowę, ale zawsze zawierają pewną swoją część ruchomą – wirującą lub przemieszczającą się liniowo, oraz uzwojenia nawinięte na rdzeniach wykonanych z materiałów ferromagnetycznych tworzących obwód magnetyczny obejmujący część nieruchomą i część ruchomą oddzieloną od niej szczeliną powietrzną. Odpowiednio wykonana maszyna elektryczna przekształca energię elektryczną w energię mechaniczną wtedy, gdy pracuje jako silnik, a przekształcenie energii w przeciwną stronę następuje wówczas, gdy ta sama maszyna pracuje w charakterze prądnicy. O kierunku, w którym następuje przekształcanie energii, decydują nie tylko zewnętrzne warunki towarzyszące pracy tej maszyny, ale także sposób sterowania współpracującym z nią energoelektronicznym przekształtnikiem – po stronie elektrycznej, bądź sposób sterowania przekładnią bezstopniową lub o stałych przełożeniach (np. skrzynią biegów) – po stronie mechanicznej. Poprzez odpowiednie sterowanie przekształtnikiem energoelektronicznym albo przekładnią mechaniczną można szybko i wygodnie zmieniać charakter pracy maszyny elektrycznej (silnik/prądnica) nie tylko w ustalonych warunkach eksploatacji napędu, ale także w warunkach jego pracy podlegających dynamicznym zmianom. Należy jednak pamiętać, że nie dla każdej konstrukcji samej maszyny elektrycznej, ale także przekształtnika energoelektronicznego czy przekładni mechanicznej (traktowanej jako całość wraz ze sprzęgłem) możliwa jest ich praca pozwalająca na przekazywanie energii w obu kierunkach.

Jednym z ważniejszych wniosków wynikających z prowadzonych współcześnie badań naukowo-technicznych związanych z napędem elektrycznym jest spostrzeżenie, że obiektem zainteresowania inżynierów zajmujących się praktycznym wdrażaniem nowoczesnych napędów nie może już być wyłącznie sama maszyna elektryczna. Uwaga ta jest szczególnie ważna, jeśli mówi się o potrzebie dokonywania optymalizacji nowych rozwiązań konstrukcyjnych, zwłaszcza jeśli dotyczy to ilości zużywanej energii, efektywności jej przetwarzania (czyli sprawności), czy też wielkości strat energii towarzyszących realizacji przyjętego celu przez napędzaną takim napędem maszynę roboczą. Bez uwzględnia konkretnych cech zewnętrznych urządzeń technicznych towarzyszących pracy samej maszyny elektrycznej, czy to po stronie elektrycznej, czy też po stronie mechanicznej, nie można bowiem mówić o układzie napędowym. Dlatego coraz częściej projektowanie współczesnego napędu elektrycznego, zoptymalizowanego do pracy w konkretnych warunkach, polega już nie na doborze poszczególnych elementów tego napędu wybieranych spośród komercyjnych typoszeregów oferowanych przez ich producentów, ale na wspólnym dopasowaniu projektów tych elementów tak, by zapewnić jak najlepsze spełnienie przyjętych kryteriów oceny jakości docelowego rozwiązania. Rzadko się zdarza, by rozwiązanie wykorzystujące powszechnie dostępny na rynku silnik elektryczny wyposażony w seryjnie produkowaną przekładnię, zasilany z uniwersalnego przekształtnika energoelektronicznego, wyposażonego w sterownik z algorytmem sterowania podlegającym prostej parametryzacji, spełniał bardziej wyrafinowane oczekiwania użytkowników maszyny roboczej z tak dobranym napędem.

Szczególnie ważnym obszarem zastosowań napędu elektrycznego stają się współcześnie pojazdy kołowe, poruszające się po utwardzonych drogach (jezdniach), do tej pory powszechnie wykorzystujące w charakterze napędu silniki spalinowe. Energia potrzebna do poruszania się pojazdu czerpana jest wtedy ze zbiornika okresowo napełnianego paliwem płynnym. Ten rodzaj magazynu energii nadal zapewnia największą mobilność pojazdu, na którym został umieszczony. Energia czerpana zeń jest zużywana na rozpędzanie pojazdu (czyli ta jej część jest przekształcana na energię kinetyczną, proporcjonalną do masy pojazdu i kwadratu jego prędkości) oraz na pokonywanie oporów ruchu (czyli na pokrycie strat energii związanych z siłami tarcia różnych części układu napędowego pojazdu o siebie nawzajem, odkształceniami miejsc zetknięcia się obracających się kół pojazdu z jezdnią oraz oporów powietrza spiętrzanego przez poruszający się pojazd, zwykle nieliniowo wzrastających wraz ze wzrostem jego prędkości). Hamowanie pojazdu, czyli wytracanie uzyskanej wcześniej prędkości, odbywa się dwojako: łagodnie – poprzez wykorzystanie istniejących naturalnych oporów ruchu, uzyskane w wyniku zmniejszenia momentu napędowego silnika (nadal o wartości nieujemnej) poniżej aktualnej wartości momentu oporowego, ewentualnie w skrajnym przypadku całkowite odłączenie tego silnika od przekładni połączonej z napędzanymi kołami (wysprzęglenie tego silnika), lub gwałtownie, w razie potrzeby – poprzez uruchomienie dodatkowych specjalnie skonstruowanych hamulców ciernych, wydatnie zwiększających opory ruchu tego pojazdu.

O ile energia kinetyczna poruszającego się pojazdu może być odzyskana, o tyle energia zużyta na pokonywanie oporów ruchu jest zawsze bezpowrotnie tracona. W takim przypadku mówimy o zjawisku rozpraszania – dyssypacji – energii. Od dawna wiadomo, że zastosowanie do napędzania pojazdów silników elektrycznych zamiast spalinowych z punktu widzenia przemian energetycznych jest zawsze bardzo korzystne, gdyż m.in. pozwalają one na odzyskanie z bardzo wysoką sprawnością tej części energii, która została przy rozpędzaniu pojazdu zamieniona na energię kinetyczną (dzięki możliwości uzyskania w nich stanu pracy nazywanego „hamowaniem elektrodynamicznym”). W pojazdach z tradycyjnymi silnikami spalinowymi taka możliwość w ogóle nie jest dostępna. Czy przyniesie ona jednak oczekiwane korzyści, to już – jak wyżej zauważono – bardzo zależy od samego przebiegu procesu hamowania. Bowiem w razie potrzeby zatrzymania pojazdu z dowolnym napędem nadwyżka energii kinetycznej może być wytracana stosunkowo powoli. Jeśli przy takim hamowaniu zostaną wykorzystane do tego celu naturalne opory ruchu pojazdu, to już nie muszą być wtedy uruchamiane hamulce cierne, w których zwykle w pojazdach z silnikami spalinowymi ta energia jest zamieniana na ciepło (czyli także wytracana). Proces hamowania będzie trwał wtedy odpowiednio dłużej i „odzysku” energii nawet w pojazdach z napędem elektrycznym nie będzie. Tak czy inaczej, wprowadzenie nowoczesnych napędów elektrycznych jako uzupełnienie tradycyjnych silników spalinowych (czyli budowa pojazdów hybrydowych) pozwala na znaczne zmniejszenie zużycia tradycyjnego paliwa – czyli pokonanie większych odległości przy tej samej pojemności baku lub zmniejszenie objętości baku przy zachowaniu tego samego zasięgu jazdy. Postęp w konstruowaniu nowych magazynów energii elektrycznej o odpowiednio dużej pojemności, a przy tym tanich i nadających się do wielokrotnego użytku, oraz upowszechnienie się tzw. ogniw paliwowych – pozwalających na lokalne wytwarzanie energii elektrycznej bezpośrednio z odpowiedniego paliwa płynnego, czerpanego z autonomicznego zbiornika znajdującego się na pojeździe, pozwoli zapewne w niedalekiej przyszłości na całkowite wyeliminowanie silników spalinowych. Obserwowane przez nas obecnie zmiany zachodzące w konstrukcjach pojazdów masowo produkowanych przez przemysł motoryzacyjny to dopiero początek tej drogi.

Warto także na wstępie zasygnalizować, że wszelkie pojazdy poruszające się po powierzchni ziemi na ogół rzadko poruszają się po trasach całkowicie poziomych. Pionowe nachylenie jezdni, lub torowiska, zwane profilem (niweletą) drogi powoduje pojawienie się dodatkowego składnika w bilansie momentów obrotowych mających wpływ na ruch pojazdu. Składnik ten pochodzi od składowej siły ciążenia występującej w polu grawitacyjnym Ziemi i związany jest z istnieniem energii potencjalnej, zależnej od aktualnej odległości od środka Ziemi każdego ciała materialnego. Pojawiające się w czasie przejazdu określonego odcinka drogi zmiany tej energii (przyrost – w wyniku podjazdu pojazdu pod górę, lub ubytek – następujący w wyniku zjazdu pojazdu w dół), z punktu widzenia napędu elektrycznego takiego pojazdu, mogą być przecież potraktowane jako efekt pojawienia się dodatkowego magazynu energii (sic!), pośrednio związanego z każdym pojazdem i w dodatku całkowicie darmowego – bo oferowanego przez naturę. Przy tradycyjnych napędach spalinowych często zapomina się o tej możliwości, zapewne dlatego, że długotrwały zjazd z góry sprawia konstruktorom pojazdów z tradycyjnym napędem spalinowym jedynie poważny problem – polegający na skutecznym pozbyciu się dużej nadwyżki energii potencjalnej, nie niszcząc przy tym hamulców ciernych, zwykle zbyt delikatnej budowy jak na taką sytuację. Najskuteczniejszą metodą jest wówczas całkowite odcięcie dopływu paliwa i zamiana silnika spalinowego w tłokową sprężarkę powietrza. Takie rozwiązanie jest stosunkowo proste do uzyskania we współczesnych silnikach spalinowych z elektronicznym sterowaniem wtrysku paliwa, a czasem także i zaworów rozrządu. Dawniej ta metoda (pod nazwą „hamulca górskiego”) była stosowana jedynie w wysokoprężnych silnikach dużych pojazdów (autobusów lub ciężarówek). W pojazdach z napędem elektrycznym długotrwała jazda z góry nie jest już problemem, dzięki bowiem obecności silnika elektrycznego napędzanego przez koła pojazdu i „wysterowanego” do pracy prądnicowej nadwyżka energii potencjalnej z dużą sprawnością zostaje zamieniona na energię elektryczną ładującą baterię akumulatorów, a więc na „paliwo wlewane z powrotem do zbiornika”. Warto więc pamiętać przy projektowaniu pojazdów z napędami elektrycznymi, że na ich końcową sprawność ma wpływ nie tylko wielkość mobilnego magazyn energii elektrycznej, ale także znajomość pionowego profilu trasy, po której takie pojazdy będą się poruszać.

Niniejsza książka jest poświęcona przede wszystkim elektrycznym napędom trakcyjnym (z łacińskiego tractio – oznacza ciągnięcie, stąd np. słowo traktor jest popularnym w języku polskim określeniem ciągnika rolniczego), czyli mówiąc w pewnym uproszczeniu napędom z maszynami elektrycznymi, instalowanym na lądowych pojazdach kołowych i powodującym ich przemieszczanie się po powierzchni ziemi. Nie będą w niej poruszane problemy związane z napędami elektrycznymi stosowanymi w pojazdach latających (np. ostatnio stosowanymi chętnie w popularnych w dronach) czy pływających (np. od dawna znajdującymi się w użyciu w łodziach podwodnych, a ostatnio także w statkach, od których wymaga się łatwości i dużej precyzji manewrowania – np. przy obsłudze morskich wież wiertniczych). Chociaż wiele zagadnień w niej omawianych można wykorzystać także i w takich zastosowaniach.

Historycznie określenie „trakcja” wiązano najczęściej z pojazdami szynowymi, w których rodzaj napędu określano na podstawie rodzaju głównego silnika napędzającego dany pojazd. A więc w tym sensie do tej pory mieliśmy do czynienia z trakcją parową, spalinową i elektryczną. Określenie „trakcja elektryczna” w popularnym znaczeniu (upowszechnionym przez dziennikarzy o wykształceniu humanistycznym) kojarzona jest niesłusznie wyłącznie z elektryczna siecią trakcyjną, co spotykane jest nagminnie w sformułowaniu „zerwały się przewody trakcji elektrycznej” lub wręcz „zerwaniu uległa trakcja elektryczna”, zamiast poprawnie „uszkodzeniu uległy przewody sieci trakcyjnej”.

W tej książce termin „trakcja elektryczna” zgodnie z dotychczasową tradycją posłuży do określania „pojazdów elektrycznych” (czyli kołowych pojazdów napędzanych silnikiem elektrycznym), obejmując swym znaczeniem nie tylko sam pojazd i ten silnik, ale sposób jego zasilania w energię elektryczną oraz zastosowane rozwiązania techniczne służące do sterowania jego ruchem. Zatem głównym przeznaczeniem elektrycznych napędów trakcyjnych jest „ciągnięcie” pewnego pojazdu, czyli pokonywanie oporów związanych z jego ruchem, a więc maszyna elektryczna zastosowana w takich pojazdach najczęściej pracuje w charakterze silnika. Stan pracy prądnicowej wystąpi jedynie przy wykorzystaniu tej maszyny do hamowania elektrodynamicznego, czyli gdy poruszający się pojazd trzeba szybko i skutecznie zatrzymać, bądź gdy ten pojazd zjeżdża z wzniesienia. Jednak aby przy danej prędkości obrotowej kół pojazdu osiągnąć zmianę kierunku przepływania mocy przez tę maszynę elektryczną, niezbędne jest stworzenie jej odpowiednich warunków pracy. Chodzi bowiem o to, by siła elektromotoryczna SEM indukowana w uzwojeniu roboczym takiego silnika przez cały czas trwania hamowania elektrodynamicznego przewyższała wartość napięcia na jego zaciskach. Napięcie to jest narzucane przez źródło energii elektrycznej przyłączone do tego uzwojenia za pośrednictwem odpowiednio skonfigurowanego i właściwie wysterowanego przekształtnika energoelektronicznego (falownika). Jak wiadomo z teorii maszyn elektrycznych, osiągnąć można to na przykład przez zwiększenie wartości strumienia magnetycznego wzbudzenia tej maszyny albo przez redukcję przełożenia przekładni sprzęgającej wał maszyny z kołami jezdnymi, albo przez odpowiednie wykorzystanie przekształtnika pośredniczącego w przekazywaniu energii elektrycznej ze źródła do zacisków uzwojenia roboczego, lub przez wszystkie te sposoby zastosowane łącznie.

Forma tej książki jest podporządkowana współczesnemu spojrzeniu na głębsze zrozumienie zasad działania współczesnych pojazdów napędzanych silnikami elektrycznymi, używanych w transporcie lądowym. Poruszane są więc w niej zagadnienia związane z aktualnymi trendami rozwoju napędów elektrycznych chętnie instalowanych w nowych konstrukcjach pojazdów kołowych, ze szczególnym uwzględnieniem potrzeb dotyczących możliwości wykorzystania ich w komunikacji masowej. Napędy te oparte są na trójfazowych silnikach prądu przemiennego (asynchronicznych lub synchronicznych) na ogół podłączonych do własnych, indywidualnych falowników napięcia, zasilanych bądź jak dotąd z sieci trakcyjnej, bądź z mobilnego magazynu energii – działającego w charakterze autonomicznego bufora energii, z dodatkową możliwością okresowego doładowywania z zewnątrz.

Nie zostaną natomiast w tej książce poruszone liczne zagadnienia omawiane zwykle w podręcznikach lub na wykładach dotyczących trakcji elektrycznej w jej tradycyjnym wydaniu, czyli pojazdów szynowych dotychczas napędzanych szeregowymi silnikami prądu stałego, zasilanymi z klasycznej sieci trakcyjnej. W szczególności nie zostaną tu wspomniane anachroniczne już zasady doboru oporowych układów regulacyjnych dla trakcyjnych silników prądu stałego. Nie będzie także opisów związanych ze szczegółami budowy sieci trakcyjnych, czy też konstrukcji samych pojazdów szynowych, oraz ogólnie obowiązujących systemów sterowania ruchem pociągów. Oczywiście nadal użytkowane są pojazdy z napędem elektrycznym, których te zagadnienia dotyczą, lecz zainteresowany nimi czytelnik z łatwością znajdzie je w dostępnej literaturze.

Będą natomiast przedstawione szczegółowo algorytmy sterowania napędami trakcyjnymi z silnikami z trójfazowymi uzwojeniami stojanów, użytymi do napędzania modelu pewnego przykładowego pojazdu, zilustrowane wynikami komputerowych badań symulacyjnych przeprowadzonych dla różnych warunków przejazdu takiego pojazdu. Na tej podstawie zostaną omówione od strony użytkowej zalety i wady stosowania napędu trakcyjnego określonego rodzaju. Rozważany pojazd przykładowy został wyposażony w napęd falownikowy z wybranym rodzajem silnika: asynchronicznym (czyli klatkowym silnikiem indukcyjnym) bądź synchronicznym (czyli silnikiem z magnesami trwałymi), i testowany w różnych warunkach pracy takiego napędu. Ze względu na szczególną wagę omawianych zagadnień dla podejmowania decyzji związanych z bieżącą eksploatacją oraz dalszym rozwojem pojazdów użytkowanych w masowej komunikacji miejskiej przyjęto, że na drodze symulacji komputerowych będzie badane zachowanie się pojazdu przykładowego w warunkach typowych dla ruchu miejskiego, czyli przejeżdżającego założony odcinek drogi od postoju do zatrzymania się na kolejnych przystankach, według znanego z góry harmonogramu zmian prędkości, w różnych warunkach towarzyszących takiemu przejazdowi. Warunki te obejmują różne profile (tj. nachylenia) toru jazdy, różne harmonogramy czasowe dotyczące sposobu przejazdu założonego odcinka drogi oraz zakłócenia w postaci raptownych zmian napięcia sieci trakcyjnej.

Jedną z ważniejszych cech falownikowych napędów trakcyjnych jest możliwość odzyskiwania energii kinetycznej pojazdu poprzez zamianę jej na energię elektryczną zwracaną do źródła zasilania napędu (tzw. rekuperacja energii). Jak łatwo się domyślić, możliwość sterowania dwukierunkową zamianą energii mechanicznej i elektrycznej, w połączeniu ze świadomym wykorzystywaniem zmian energii potencjalnej, towarzyszących na trasie przejazdu podjazdom i zjazdom pojazdu ze wzniesień, pozwala w odpowiednich warunkach terenowych na uzyskanie dodatkowych korzyści energetycznych. W modelu przykładowego pojazdu, wykorzystanego w tej książce do zilustrowania takich rozważań, rozpatruje się użycie dwóch rodzajów silnika elektrycznego: asynchronicznego albo synchronicznego, o tych samych wymiarach zewnętrznych i parametrach mechanicznych, takich samych wartościach mocy znamionowych i niemal identycznej budowie stojanów. Te same wielkości mechaniczne obu silników pozwoliły na przyjęcie dla obu rodzajów napędu elektrycznego jednakowych granicznych charakterystyk mechanicznych, rozumianych jako zależność maksymalnego momentu wewnętrznego (elektromagnetycznego) danego silnika od chwilowej prędkości jego wału napędowego, czyli przy sztywnej przekładni – od chwilowej wartości prędkości samego pojazdu. Ze względu na konieczność wprowadzenia niezbędnych ograniczeń w chwilowych wartościach napięć i prądów stojanów przy dużych wartościach prędkości niezbędne było wprowadzenie osłabienia strumienia magnetycznego w tych silnikach, co spowodowało nieco inny kształt granicznej charakterystyki mechanicznej stosowanej przy rozpędzeniu (rozruchu) pojazdu, a innej – przy jego hamowaniu. Dla pojazdów z obydwoma rodzajami napędu elektrycznego przyjęto tę samą trasę do przejechania, nie tylko co do długości i pionowego profilu, ale także co do takiego samego harmonogramu zmian zadawanej prędkości w funkcji przebywanej przez pojazd drogi, dzięki czemu powstała możliwość łatwego i poglądowego porównania efektywności energetycznej obu tych rodzajów napędu.

Ta efektywność energetyczna może być wyrażana rozmaicie. Przede wszystkim jako różnica pomiędzy ilością energii elektrycznej pobranej przez silnik ze źródła i tej części energii mechanicznej oddanej na jego wale, która została zużyta na pokonanie oporów ruchu. W przypadku napędu elektrycznego może być także wyrażana jako stosunek energii odzyskanej do energii całkowitej pobranej ze źródła w trakcie przejazdu danego odcinka drogi o założonym profilu przy różnych harmonogramach zmian prędkości pojazdu. Łatwo jednak zauważyć, że tak definiowana efektywność energetyczna zależy bardzo silnie nie tylko od rodzaju użytego silnika elektrycznego, ale przede wszystkim od warunków, jakie na trasie przejazdu napotyka napędzany nim pojazd.

Przeprowadzone badania porównawcze tego samego pojazdu z napędem elektrycznym wykorzystującym silniki obu typów, dotyczące jego przejazdu odbywającego się dokładnie w takich samych warunkach, pozwalają ocenić wielkość możliwych do uzyskania oszczędności w łącznym zużyciu energii elektrycznej przy przejeździe przez ten pojazd tego samego odcinka trasy. Jak się okazuje, rodzaj zastosowanego napędu elektrycznego i jego sterowanie mają na nie wpływ stosunkowo niewielki, jeśli w każdym z nich istnieje możliwość hamowania elektrodynamicznego (czyli tzw. pracy prądnicowej). Znacznie większy wpływ na efektywność energetyczną przejazdu zadanego odcinka trasy ma obecność odpowiednio dobranego magazynu energii (mobilnego dla pojazdów autonomicznych czy też stacjonarnego dla pojazdów korzystających z sieci trakcyjnej), którego wielkość silnie zależy od pionowego profilu trasy oraz założonego harmonogramu zmian prędkości.

Ta wiedza może być przydatna nie tylko dla projektantów nowych pojazdów z napędem elektrycznym, ale także dla ich użytkowników, którzy dotychczas mieli możliwość zbierania swoich praktycznych doświadczeń jedynie na podstawie obserwacji zachowania się pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi.

Ciechanów, wrzesień 2018

Andrzej Dębowski