Giriş

PAK sistemlerinde pantografın katener hattına ne kadarlık bir kuvvetle temas ettiği sistemin güvenilir çalışması açısından son derece önemlidir. Birçok sistemde pantografın yüksekliği dolayısıyla da katener hattına olan temas kuvveti bir defaya mahsus ayarlanarak çalışma anında sürekli sabit kalmaktadır. Ancak hem çevresel şartlardan hem de çalışma koşullarından dolayı katener hattı ile pantograf arasındaki temas artabilmekte veya azalabilmektedir. Bu temas kuvvetinin gereğinden yüksek olması pantograf yüzeyinin kısa sürede aşınmasına ve ömrünün azalmasına sebep olurken, düşük olması ise pantograf ile katener arasında arkların oluşmasına sebep olur. Bunun için pantograf çalışma anında sürekli kontrol edilerek, yüksekliğinin dolayısıyla temas kuvvetinin ayarlanması sağlanır. Bu tür sistemlere aktif pantograf sistemleri denir. Bu bölüm kapsamında aktif pantograf sistemlerinin kontrolü için, ayrıntıları aşağıda verilecek olan üç temel çalışma yapılmıştır.

 Pasif ve aktif pantograf sisteminin karşılaştırılması:

Öncelikle PAK sisteminin mekanik modelinden yola çıkarak matematiksel modeli oluşturulmuştur. Pantograf ve katener arasındaki temas kuvveti kontrolü için pasif ve aktif kontrol yöntemleri geliştirilmesi amaçlanmıştır. Aktif kontrol için PI denetleyici sistemi belirlenerek, tüm sistem modeli Matlab’da oluşturulup çözüme gidilmiştir. Pasif ve aktif kontrol algoritmaları için elde edilen simülasyonlar sonuçları analiz edilerek, karşılaştırılmalı bir şekilde verilmiştir.

 Adaptif bulanık mantık tabanlı aktif pantograf kontrolü:

Pantograf ve katener arasında oluşan temas kuvvetinin aktif kontrolü için yeni ve etkin bir yöntem olarak adaptif bulanık kontrol sistemi önerilmiştir. Aktif PI kontrolör ve adaptif bulanık kontrolör için sonuçlar elde edilmiş ve karşılaştırılmıştır. Adaptif bulanık kontrol sisteminin geleneksel yöntemlere göre üstünlüklerinden bahsedilmiştir.

 Görüntü işleme tabanlı aktif pantograf kontrolü:

PAK sistem davranışı yeni bir yaklaşım olarak görüntü işleme yöntemleri ile izlenmiştir. Deneysel olarak elde edilen görüntülerde kenar çıkarım yöntemleri kullanılarak temas bölgesi ve pantograf yüksekliği belirlenmiştir. Pantograf yüksekliği kontrol edilerek, aslında temas kuvveti kontrolü de gerçekleştirilmiştir. Böylelikle, PAK sistemleri için literatüre önemli katkılar sağlanmıştır.

63

Geliştirilen aktif kontrol teknikleriyle pantografın katenere en uygun kuvvetle temas etmesi sağlanmaktadır. Pasif kontrol durumunda pantografın temas kuvveti sürekli sabit kalarak ark veya aşınma arızalarına sebep olabilmektedir. Ayrıca teknik özellikleri nedeniyle yenileme veya düzenleme işlemleri yapılamamaktadır ve sistem hızının artmasıyla modellenmesi daha zor bir hale gelmektedir. Pasif pantograf sistemlerinde, katenerin dalgalanması yüzünden yüksek hızlarda hasar meydana gelmekte ve sonuç olarak temas kaybı ve arklar oluşmaktadır. Temas kuvveti değişimini azaltmak için pasif yerine aktif pantograf kullanılması daha uygun olacaktır.

Farklı katener yapılarına ve çalışma koşullarına uygunluk aktif kontrollü pantograflar ile sağlanabilir ve aynı zamanda temas kuvvetindeki değişiklikler de kontrol edilebilir. Böylece, temas kuvveti değişimleri azaltılabilir, teknik ve mekanik problemlerin önüne geçilebilir ve pahalı ölçüm ve bakımlara olan gereksinim azaltılabilir. Meydana gelen arızaları ve sistem maliyetlerini azaltmak için, pantograf ve katener arasındaki etkileşim en uygun şekilde olmalıdır. Model geliştirilirken, sabit temas durumunun hedeflenmesi gerekmektedir [17, 20, 39, 54].

Pantograf gövdesi eklemli bir yapıdan oluşan mekanik bir sistemdir. Bu eklemli çerçeve üzerinde farklı bölgelere yerleştirilen eyleyici ile aktif pantograf sistemi oluşturulabilmektedir. Pantografın aktif kontrolü ile daha kaliteli bir akım toplama sistemi ve temas sağlanarak hız artışı için de imkan sağlanmış olmaktadır. Ama bu eyleyicilerin yerleştirildiği bölge çok önemlidir. Çünkü bulundukları yere göre bazı durumlar gelişebilmektedir. Ayrıca eyleyiciyi hareket ettiren sistemin yapısı, kontrolü, gerekli enerjinin büyüklüğü ve nasıl sağlanacağı çok önemlidir. Eyleyicinin farklı bölgelerde kullanıldığı çalışmalar mevcuttur. Bu çalışmalarda, eyleyicinin bulunduğu bölgeye göre avantajları ve dezavantajlarından, verimliliklerinden bahsedilmiştir. Ayrıca eyleyicinin bulunduğu bölgeye göre boyut, kütle veya çeşidinin uygun seçilmesi de önemlidir. Çünkü her bölge için çalışabileceği frekans ve hız değerleri değişebilir. Bunun dışında, eyleyiciler hidrolik, pnomatik veya elektronik gibi farklı yapılarda da olabilirler [36, 81]. Aktif pantograflar farklı şekillerde tasarlanabilirler. Pantografın yukarı doğru hareketini sağlayan eyleyiciler tarafından uygulanan kuvvet pantografın alt çerçevesine, üst çerçevesine ya da her iki çerçeveye de uygulanabilir.

64

Trenin çatısından direkt pantograf tepesine kaldırma kuvvetinin uygulanmasıyla gerçekleştirilen aktif pantograflar da mevcuttur. Ayrıca basit bir kontrolörle bile bu eyleyiciler kontrol edilerek temas kuvvetinin belirlenen bir değerde tutulması sağlanmaktadır [70, 73, 77].

Elektrikli demiryolu sistemlerinde her ne şartta olursa olsun temasın kesilmemesi, kaliteli akım toplama işlemi için çok önemlidir. Ayrıca sistemin verimli bir şekilde çalışması, performansının arttırılması ve tehlikeli durumların oluşmaması için de önemlidir. Eski sistemlerde temasın kesilmemesi için temas teline pantograf tarafından uygulanan temas kuvvetinin arttırılması uygulanan yöntemlerden en yaygınıydı. Ancak bu çok etkili ve güvenilir bir yöntem değildir. Bu şekilde temas telinde gereğinden fazla bir yükselme oluşabilir ve pantograf ile katenerde fazla aşınma oluşabilir. Pantografın tepe kütlesinin arttırılmasına yönelik çalışmalarda mevcuttur. Fakat bunlar çok verimli olmayan ve maliyet, aşınma gibi etkenler açısından dezavantajları olan yöntemlerdir. Bu nedenle temas kalitesini arttırmak için en uygun ve ucuz yöntem aktif pantografların kullanılmasıdır. Böylece yeni bir hat ve sistem kurmaya gerek kalmadan, var olan sistem etkinleştirilmektedir. Aktif pantograflar normal çalışma standardını yakalamak için sistemin iç yapısından kaynaklanan ya da harici hava şartları gibi olumsuz şartlara uyum sağlarlar. Böylece oluşabilecek kötü durumlar ve telde oluşan salınımlar azaltılmaktadır [4, 86].

Aktif kontrollü pantograflar kullanılarak:

 Sistemin dinamik cevabı iyileştirilmekte, etkileşimler ve değişimler azaltılmaktadır.

 Daha yüksek hızlara çıkmaya imkan sağlanmaktadır.

 Mevcut sistem verimliliği arttırılmaktadır.

 Yeni bir sistem kurmaya gerek kalmadığı ve verimlilik arttırıldığı için maliyet açısından büyük avantaj sağlamaktadır.

 Temas kuvveti değişimi azaltıldığı için sistemin mekanik yapısı daha az etkilenmekte, oluşan hasar ve aşınmalar azalmaktadır. Dolayısıyla bakım ve onarım masrafları düşmektedir.

65