Academic literature on the topic 'Asynchronous traction drive'

The paper deals with the justification of the need to use an asynchronous traction electric drive on the metro rolling stock. The advantages of using an asynchronous traction electric drive in comparison with a DC commutator motor drive are formulated. The characteristics of modern innovative metro rolling stock with asynchronous traction electric drive of domestic and foreign production are analyzed. Aspects of the choice of a variable frequency asynchronous traction electric drive for innovative rolling stock are formulated and the existing typical algorithm of such choice is given. The main reasons for the irrational choice of traction asynchronous electric drive for the metro rolling stock are considered and the consequences of such a choice are analyzed. It is proposed to improve the methodology for selecting a variable frequency traction asynchronous electric drive for the metro rolling stock in terms of such an important operational factor as the specific cost of electrical energy for traction. The rational parameters of the variable frequency asynchronous traction electric drive according to the proposed procedure for the specified characteristics of the metro rolling stock are specified. The reserves of energy savings for the given conditions due to the introduction of an asynchronous traction electric drive with rational parameters on the innovative rolling stock are determined. It is established that the efficiency factor of the asynchronous traction motor significantly affects the specific electric energy consumption for the metro rolling stock traction and operating costs.

The article deals with investigation of electromechanical and energetic characteristics of traction electric drive with vector systems of direct torque control. As a controlled object the traction asynchronous motor ДТА-1У1, which is used to drive the trolley-bus is considered. At the present time the usage of traction asynchronous electric drives for town transport is relevant. Due to development of power electronic devices and microprocessor-based control systems it became possible to replace DC electric drives with electric drives with asynchronous motors. The article contains brief description of two different types of control systems: field-oriented control (FOC) and direct torque control (DTC). Principles of work for both systems are considered and the main advantages and disadvantages associated with the use of these systems are pointed out. The models of both systems for traction asynchronous electric drive, built in modeling environment MATLAB/Simulink, are given in this article for further comparative analysis. As the main quality factor of control total harmonic distortion (THD) is used.

One of the assumptions made during the modernization process of diesel shunting locomotives is the replacement of a diesel traction motor with a DC generator with an electric asynchronous traction motor. The article aimed to develop a method of selecting energy-efficient parameters of an asynchronous electric traction motor for diesel shunting locomotives, which will ensure that its operating energy efficiency will be as high as possible. The method was verified on the example of a locomotive series ChME3 (ЧMЭ3, ČME3, ČKD S200). It has been found that using a traction asynchronous electric drive on a ChME3 locomotive, its efficiency increases in comparison with DC electric motors by 3–5% under the long-term operation modes and by 7–10% during locomotive operation with traction at the adhesion limit. Using a new traction gearbox with a higher gear ratio expands the speed range in which the asynchronous traction drive operates with a high-efficiency factor. It is effective to use a traction asynchronous electric drive to modernize ChME3 diesel locomotives in case of their use under the modes requiring the implementation of maximum traction forces at low speeds. A further increase in the efficiency of the traction asynchronous electric drive is possible based on the optimal design of the wheel-motor unit and the asynchronous traction electric drive.

The article examines curves controlling asynchronous traction motors increasingly used in locomotive electric drives the main task of which is to create a tractive effort‐speed curve of an ideal locomotive Fk = f(v), including a hyperbolic area the curve of which will create conditions showing that energy created by the diesel engine of diesel locomotives (electric locomotives and in case of electric trains, electricity taken from the contact network) over the entire range of locomotive speed is turned into efficient work. Mechanical power on wheel sets is constant Pk = Fkv = const, the power of the diesel engine is fully used over the entire range of locomotive speed. Tractive effort‐speed curve Fk(v) shows the dependency of locomotive traction power Fk on movement speed v. The article presents theoretical and practical aspects relevant to creating the structure of locomotive electric drive and selecting optimal control that is especially relevant to creating the structure of locomotive electric drive using ATM (asynchronous traction motor) that gains special popularity in traction rolling stock replacing DC traction motors having low reliability. __e frequency modes of asynchronous motor speed regulation are examined. To control ATM, the authors suggest the method of vector control presenting the structural schemes of a locomotive with ATM and control algorithm.

Electric locomotives with asynchronous traction drive are operated on the Russian road network in passenger and freight traffic. The advantage of such a drive is a large specific power. At first glance, electricity consumption of an electric locomotive with asynchronous traction drive should be less than that of an electric locomotive with a collector traction drive. The same is declared by manufacturers of traction rolling stock [1, 2]. But the answer to the question which electric locomotive is more economical in freight traffic: with a collector or asynchronous traction drive? - is far from being unambiguous [3, 4, 5]. In order to determine which electric locomotives have the best energy efficiency regarding the traction drive, a comparison of electric energy costs for traction of freight trains by electric locomotives of the VL80S series with collector traction drive, operated in two- and three-section versions, and a promising two-section electric locomotive of the 2ES7 series with asynchronous traction drive was performed. The energy efficiency assessment was carried out using methods based on elements of mathematical statistics and probability theory, including estimation of the distribution parameters of the studied quantities, statistical hypothesis testing and variance analysis. This article presents the main results of the research carried out at the testing area of the Gorky Railway during the pilot operation of the 2ES7 series electric locomotive on the Druzhinino - Vekovka section.

The article discusses the improvement of traction and energy performance main-line locomotives due to more complete use of possibilities of flexible microprocessor control and efficient algorithm that provides reduction of electrical losses in the traction asynchronous drive over the entire range working capacity. In the best way for a promising loco is tract with using a traction asynchronous drive. Such kind of tract drives allow completely use of the coupling mass of loco compares with collector track drive, due to the absence of a collector it is possible to increase the active length of the rotor and high reliability which makes it possible to realize increased axial power.

The article discusses the improvement of traction and energy performance main-line locomotives due to more complete use of possibilities of flexible microprocessor control and efficient algorithm that provides reduction of electrical losses in the traction asynchronous drive over the entire range working capacity. In the best way for a promising loco is tract with using a traction asynchronous drive. Such kind of tract drives allow completely use of the coupling mass of loco compares with collector track drive, due to the absence of a collector it is possible to increase the active length of the rotor and high reliability which makes it possible to realize increased axial power

The issues of development of traction drives of locomotives are considered. It was found that with the existing limitations of the traction force and the speed of continuous operation, asynchronous traction motors do not have clear advantages over collector motors. The possibility of creating collector motors for electric locomotives with a power equal to the used asynchronous ones has been proved, new technical solutions have been proposed for units that ensure the reliability of the latter when using high-torque motors (elastic gearwheel with chevron teeth, two-layer rubber-metal hinge, rubber-cord clutch options), as an optimal solution for the drive with collector motors, it is proposed to use a drive with a support frame motor and an axial gearbox. The directions of research necessary for the practical implementation of drives with a high-torque traction motor are determined, it is proposed to conduct research on the feasibility of creating diesel locomotives with bogies, unified with electric locomotives. The proposed solutions received two patents for inventions, eight patents for utility models, two patent applications were filed.

The analysis of operating conditions of traction drives of electric locomotives with asynchronous traction motors has been carried out. It was found that during operation in the output converter of an asynchronous motor, defects may occur, which leads to asymmetric modes of its operation. Models of a traction drive of an electric locomotive with asynchronous motors with scalar and vector control of the output converter are proposed, taking into account asymmetric operating modes. As a result of the simulation, the starting characteristics of the traction drive were obtained for various control methods both in normal and emergency modes of the drive. For the drive-in emergency mode, the following cases were investigated: the balance of the converter output voltages and the turn-to-turn circuit of 10% of phase A winding of the motor stator; imbalance of the output voltages of the inverter and an intact motor; imbalance of the output voltages of the converter and interturn short circuit of 10% of phase A winding of the motor stator. Comparison of the simulation results have shown that in emergency modes in the traction drive, the torque ripple on the motor shaft in the drive with vector control is 13% less, and in scalar control, the phase current unbalance coefficient is 22% less. The results of this work can be used to study the influence of the output converter control methods on the energy efficiency indicators of the traction drive of an AC electric locomotive.

This paper deals with the analysis of the operating conditions of traction drives of the electric locomotives with asynchronous traction motors. The process of change of the catenary system voltage was found to have a stochastic character. The method of current controller synthesis based on the Wiener–Hopf equation was proposed to enable efficient performance of the traction drive control system under the condition of the stochastic nature of the catenary system voltage and the presence of interferences, when measuring the stator current values of the tractor motor. Performance simulation of the proposed current controller and the current controller used in the existing vector control systems of the traction drives used in the electric locomotives was implemented. The results of the performance simulation of the proposed current controller were compared with the performance of the current controller in existing vector control systems of the traction drives. The results are applicable to the design of vector control systems of traction drives in electric locomotives and to the study of the influence of performance of electric traction drives in electric locomotives on the quality indicators of the power supplied by the traction power supply system under the actual operating conditions of the locomotive.

L’objectif de ce travail est l'étude de la commande découplée du flux et du couple pour des machines asynchrones de forte puissance. Celle-ci concerne l'ensemble alimentation-machine-charge. Des problèmes spécifiques apparaissent dus à la forte puissance et à la configuration de l'alimentation: découplage flux-couple, instabilité de la chaîne complète. Notre travail porte tout d'abord sur l'étude théorique de la commande découplée du flux et du couple: un découplage prenant en compte les constantes de temps naturelles du moteur a été obtenu. Puis, après avoir mis en évidence de manière théorique les problèmes d'instabilité constatés expérimentalement, nous montrons que l'on ne peut à la fois assurer le découplage couple/flux et la stabilisation. Une solution de compromis a été trouvée par une technique de stabilisation prenant en compte le filtre d'entrée. Diverses commandes lui ont été associées dont une commande de type H2, assurant des résultats satisfaisants sur toute la plage de vitesse ou cette commande peut être mise en œuvre. L’ensemble de la commande a été implanté sur une carte industrielle et testé expérimentalement sur un banc de 300 kW. Cette étude a été réalisée en collaboration avec la société GEC ALSTHOM TRANSPORT dans le cadre général de la conception de chaines de traction asynchrone pour le TGV de nouvelle génération

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.09 "Електротранспорт" - Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" МОН України, Харків, 2018. Дисертація присвячена створенню наукових основ щодо вибору оптимальних параметрів та режимів роботи систем охолодження асинхронних тягових двигунів електротранспорту. Розроблений алгоритм рішення рівняння Гамільтона-Якобі-Беллмана для задачі руху електрорухомого складу на ділянці шляху із заданим профілем і графіком руху, що дозволяє створити експертну систему управління рухом. Особливостями цього алгоритму є застосування штрафних функцій для опису обмежень, що накладаються графіком руху: досягнення потягом кінцевого пункту за заданий час руху, обмеження швидкості на ділянках шляху, а також відсутність простоїв потягу в процесі руху. Єдиний підхід штрафних функцій застосований також для введення обмежень по зчепленню. Такий підхід дозволяє значно понизити витрати розрахункового часу і спростити процедури розрахунку витрат енергії. Створена математична модель для визначення ефективності тягового приводу. Модель включає в себе визначення основних втрат у асинхронного тягового двигуна з урахуванням насичення магнітної системи, що визначається за результатами вирішення рекурентного нелінійного рівняння. Також у моделі враховані втрати від вищих гармонік напруги в міді та сталі, а також механічні та додаткові втрати. В розробленій моделі враховуються статичні та динамічні втрати у IGBT транзисторах та діодах напівпровідникового перетворювача. Розроблено метод оптимізації параметрів та режимів роботи систем охолодження асинхронних тягових двигунів електрорухомого складу, якій складається з наступних основних етапів: визначення оптимальних режимів роботи тягового приводу на основі запропонованого виразу ефективності тягового приводу; визначення оптимальних режимів руху електрорухомого складу за критерієм мінімуму витрат; вирішення тягової задачі руху на ділянці колії с заданим графіком руху та профілем колії, а також визначенням залежності зміни втрат в елементах тягового двигуна за часом; вибору параметрів та режимів роботи систем охолодження тягових двигунів, які обумовлюють ефективність системи охолодження та вентиляції електрорухомого складу; вирішення задачі умовної мінімізації системи охолодження тягового двигуна за модернізованим критерієм економічної ефективності на основі методу Вейля за узагальненим золотим перетином та задачі аналізу системи вентиляції і охолодження тягових двигунів, яка створена на базі математичної моделі теплових режимів двигуна за узагальненою еквівалентною тепловою схемою.
Thesis for the degree of Doctor of Engineering in specialty 05.22.09 "Electric transport " - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" MES of Ukraine, Kharkov, 2018. The thesis is devoted to the creation of scientific foundations for the selection of optimal parameters and operating modes for cooling systems for asynchronous traction motors of electric transport. An algorithm for solving the Hamilton-Jacobi-Bellman equation for the problem of the motion of an electric stock on a section of a track with a given profile and a traffic schedule is developed. That makes it possible to create an expert control system for motion. Features of this algorithm is the use of penalty functions to describe the restrictions imposed by the traffic schedule: the train reaches the destination point for a given driving time, the speed limit on the sections of the track, and the absence of train idle time during the movement. A single approach to penalty functions is also applied to introduce constraints on the adhesion. This approach allows to reduce significantly the costs of the estimated time and to simplify the procedures for calculating energy costs. A mathematical model is created to determine the efficiency of the traction drive. The model includes the determination of the main losses in an asynchronous traction motor, taking into account the saturation of the magnetic system, which is determined by the results of solving a recurrent nonlinear equation. Also, the model takes into account losses from higher harmonic stresses in copper and steel, mechanical and additional losses. The developed model takes into account static and dynamic losses in IGBT transistors and diodes of a semiconductor converter. A method for optimizing the parameters and operating modes of cooling systems for asynchronous traction motors of the electric stock is developed. It consists of the following main stages: determination of the optimum mode of the traction drive operation on the basis of the proposed expression of its efficiency; determination of optimum modes of movement of the electric stock by the criterion of minimum costs; solution of the traction problem of motion on a section of the track with a specified traffic schedule and the track profile, as well as the determination of the dependence of the change in losses in the elements of asynchronous traction engines in time; choice of parameters and operation modes of cooling systems for asynchronous traction motors, which determine the efficiency of the cooling and ventilation system of the electric stock; solution of the problem of relative minimization of the cooling system for asynchronous traction motors with a modernized criterion of economic efficiency based on the Weil method on the generalized golden section and the problem of analyzing the ventilation and cooling system of traction motors, which is based on the mathematical model of thermal motor conditions by the generalized equivalent thermal scheme.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.22.09 "Електротранспорт" - Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" МОН України, Харків, 2018. Дисертація присвячена створенню наукових основ щодо вибору оптимальних параметрів та режимів роботи систем охолодження асинхронних тягових двигунів електротранспорту. Розроблений алгоритм рішення рівняння Гамільтона-Якобі-Беллмана для задачі руху електрорухомого складу на ділянці шляху із заданим профілем і графіком руху, що дозволяє створити експертну систему управління рухом. Особливостями цього алгоритму є застосування штрафних функцій для опису обмежень, що накладаються графіком руху: досягнення потягом кінцевого пункту за заданий час руху, обмеження швидкості на ділянках шляху, а також відсутність простоїв потягу в процесі руху. Єдиний підхід штрафних функцій застосований також для введення обмежень по зчепленню. Такий підхід дозволяє значно понизити витрати розрахункового часу і спростити процедури розрахунку витрат енергії. Створена математична модель для визначення ефективності тягового приводу. Модель включає в себе визначення основних втрат у асинхронного тягового двигуна з урахуванням насичення магнітної системи, що визначається за результатами вирішення рекурентного нелінійного рівняння. Також у моделі враховані втрати від вищих гармонік напруги в міді та сталі, а також механічні та додаткові втрати. В розробленій моделі враховуються статичні та динамічні втрати у IGBT транзисторах та діодах напівпровідникового перетворювача. Розроблено метод оптимізації параметрів та режимів роботи систем охолодження асинхронних тягових двигунів електрорухомого складу, якій складається з наступних основних етапів: визначення оптимальних режимів роботи тягового приводу на основі запропонованого виразу ефективності тягового приводу; визначення оптимальних режимів руху електрорухомого складу за критерієм мінімуму витрат; вирішення тягової задачі руху на ділянці колії с заданим графіком руху та профілем колії, а також визначенням залежності зміни втрат в елементах тягового двигуна за часом; вибору параметрів та режимів роботи систем охолодження тягових двигунів, які обумовлюють ефективність системи охолодження та вентиляції електрорухомого складу; вирішення задачі умовної мінімізації системи охолодження тягового двигуна за модернізованим критерієм економічної ефективності на основі методу Вейля за узагальненим золотим перетином та задачі аналізу системи вентиляції і охолодження тягових двигунів, яка створена на базі математичної моделі теплових режимів двигуна за узагальненою еквівалентною тепловою схемою.
Thesis for the degree of Doctor of Engineering in specialty 05.22.09 "Electric transport " - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" MES of Ukraine, Kharkov, 2018. The thesis is devoted to the creation of scientific foundations for the selection of optimal parameters and operating modes for cooling systems for asynchronous traction motors of electric transport. An algorithm for solving the Hamilton-Jacobi-Bellman equation for the problem of the motion of an electric stock on a section of a track with a given profile and a traffic schedule is developed. That makes it possible to create an expert control system for motion. Features of this algorithm is the use of penalty functions to describe the restrictions imposed by the traffic schedule: the train reaches the destination point for a given driving time, the speed limit on the sections of the track, and the absence of train idle time during the movement. A single approach to penalty functions is also applied to introduce constraints on the adhesion. This approach allows to reduce significantly the costs of the estimated time and to simplify the procedures for calculating energy costs. A mathematical model is created to determine the efficiency of the traction drive. The model includes the determination of the main losses in an asynchronous traction motor, taking into account the saturation of the magnetic system, which is determined by the results of solving a recurrent nonlinear equation. Also, the model takes into account losses from higher harmonic stresses in copper and steel, mechanical and additional losses. The developed model takes into account static and dynamic losses in IGBT transistors and diodes of a semiconductor converter. A method for optimizing the parameters and operating modes of cooling systems for asynchronous traction motors of the electric stock is developed. It consists of the following main stages: determination of the optimum mode of the traction drive operation on the basis of the proposed expression of its efficiency; determination of optimum modes of movement of the electric stock by the criterion of minimum costs; solution of the traction problem of motion on a section of the track with a specified traffic schedule and the track profile, as well as the determination of the dependence of the change in losses in the elements of asynchronous traction engines in time; choice of parameters and operation modes of cooling systems for asynchronous traction motors, which determine the efficiency of the cooling and ventilation system of the electric stock; solution of the problem of relative minimization of the cooling system for asynchronous traction motors with a modernized criterion of economic efficiency based on the Weil method on the generalized golden section and the problem of analyzing the ventilation and cooling system of traction motors, which is based on the mathematical model of thermal motor conditions by the generalized equivalent thermal scheme.

The work deals with creating a DC electric motor drive. The model is composed of electrical power from the engine model and transistor pulse converter load, which are joined together and completed the anchor and regulate the flow control engine speed. Great attention was paid to the determination of losses in the load drive electric vehicles and create a model of electric power load. The real work was verified by an experimental model of an electric vehicle Car4 the available parameters.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.09 – електротранспорт. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2016 р. Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної задачі по удосконаленню технології діагностування стану тягового асинхронного електроприводу рухомого складу на основі застосування діагностичних ознак, що свідчили б про настання аварійних режимів, а також розробці технологій, методів та алгоритмів, що дозволили б виявляти та упереджувати подальший розвиток таких режимів. Для виконання досліджень розроблені комп'ютерні математичні імітаційні моделі тягового асинхронного електроприводу, в яких враховуються особливості аварійних режимів в залежності від системи управління, насичення магнітного кола асинхронного двигуна та ін. Виконано експериментальне підтвердження адекватності розроблених імітаційних моделей з реальним тяговим приводом для рухомого складу. На основі розроблених моделей досліджено електромагнітні процеси, що відбуваються в аварійних режимах, що дозволило якісно та кількісно їх оцінити, а також визначити придатні для діагностування характерні ознаки. Розроблено технології діагностування на основі гармонічного аналізу сигналу та на основі математичної моделі об'єкту, проведено комп'ютерну перевірку та підтверджено ефективність роботи таких методів. Для здійснення автоматизації прийняття рішення використано моделювання математичного алгоритму штучних нейромереж.
Thesis for a candidate degree by speciality 05.22.09 – Electric transport. – National Technical University "Kharkiv Polytechnical Institute", Kharkiv, 2016. Dissertation is devoted to solving scientific and technical targets improving technology of diagnosing state for traction asynchronous drive electric rolling stock by detecting abnormally dangerous and emergency modes operation and their identification, which allowed to develop methods for early detection and prevention of drive elements failure when it malfunctions occur, as well as minimizing operational costs. The analysis of existing technologies, techniques and methods for diagnosis and protection traction asynchronous drive showed that the most promising in comparison with the existing protection systems of rolling stock, which operate on the principle of control deviations of parameters and prevent the development of emergency modes, there are diagnostics technology provides detection and localization of failures in the early stages. Improved diagnosis technology based on the object model of traction induction motor by using the extended Kalman filter that can detect damage to the stator and rotor windings of traction induction motor, for which proposed to use statistical criteria in real time for assessing its effectiveness To automate the decision approach applied mathematical algorithm simulation based on artificial neural networks for diagnostic feature variable speed oscillation induction motor rotor frequency, with which is possible to exercise effective intellectual automatic fault detection when using simple logical principles is not enough. Developed diagnosis methods are expand existing protection technologies including real technical state of asynchronous traction electric drive and allowing to perform timely malfunctions detection and automatic decision-making to prevent further development of emergency operation, thereby increasing efficiency and reliability traction drive operation.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.09 – електротранспорт. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2016 р. Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної задачі по удосконаленню технології діагностування стану тягового асинхронного електроприводу рухомого складу на основі застосування діагностичних ознак, що свідчили б про настання аварійних режимів, а також розробці технологій, методів та алгоритмів, що дозволили б виявляти та упереджувати подальший розвиток таких режимів. Для виконання досліджень розроблені комп'ютерні математичні імітаційні моделі тягового асинхронного електроприводу, в яких враховуються особливості аварійних режимів в залежності від системи управління, насичення магнітного кола асинхронного двигуна та ін. Виконано експериментальне підтвердження адекватності розроблених імітаційних моделей з реальним тяговим приводом для рухомого складу. На основі розроблених моделей досліджено електромагнітні процеси, що відбуваються в аварійних режимах, що дозволило якісно та кількісно їх оцінити, а також визначити придатні для діагностування характерні ознаки. Розроблено технології діагностування на основі гармонічного аналізу сигналу та на основі математичної моделі об'єкту, проведено комп'ютерну перевірку та підтверджено ефективність роботи таких методів. Для здійснення автоматизації прийняття рішення використано моделювання математичного алгоритму штучних нейромереж.
Thesis for a candidate degree by speciality 05.22.09 – Electric transport. – National Technical University "Kharkiv Polytechnical Institute", Kharkiv, 2016. Dissertation is devoted to solving scientific and technical targets improving technology of diagnosing state for traction asynchronous drive electric rolling stock by detecting abnormally dangerous and emergency modes operation and their identification, which allowed to develop methods for early detection and prevention of drive elements failure when it malfunctions occur, as well as minimizing operational costs. The analysis of existing technologies, techniques and methods for diagnosis and protection traction asynchronous drive showed that the most promising in comparison with the existing protection systems of rolling stock, which operate on the principle of control deviations of parameters and prevent the development of emergency modes, there are diagnostics technology provides detection and localization of failures in the early stages. Improved diagnosis technology based on the object model of traction induction motor by using the extended Kalman filter that can detect damage to the stator and rotor windings of traction induction motor, for which proposed to use statistical criteria in real time for assessing its effectiveness To automate the decision approach applied mathematical algorithm simulation based on artificial neural networks for diagnostic feature variable speed oscillation induction motor rotor frequency, with which is possible to exercise effective intellectual automatic fault detection when using simple logical principles is not enough. Developed diagnosis methods are expand existing protection technologies including real technical state of asynchronous traction electric drive and allowing to perform timely malfunctions detection and automatic decision-making to prevent further development of emergency operation, thereby increasing efficiency and reliability traction drive operation.

The topic of this diploma thesis is a traction drive of electrocar with fuel cell. The drive is supplied with hydrogen fuel cell with power of 2 kW. The traction drive consists of the three-phase DC/AC converter and the asynchronous machine. The main part of this work is a creation of the mathematical model of the traction drive in program Matlab–Simulink.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – "Електротехнічні комплекси та системи" – Харківський Національний Університет Міського Господарства імені О. М. Бекетова, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" МОН України, Харків, 2020. Дисертація присвячена вирішенню науково-практичної задачі підвищення ефективності тягового асинхронного електропривода (ТАЕП) з автономним джерелом живлення за критерієм максимізації співвідношення момент-струм (МТРА) за рахунок оптимізації системи керування тяговим асинхронним двигуном (ТАД) з урахуванням зміни підведеної потужності. Розглянуто існуючі підходи до оптимізації з та без урахування впливу характеристики намагнічування ТАД. Серед недоліків підходу до оптимізації за критерієм максимізації ККД наведено, що вона потребують значних стендових випробувань тягового електроприводу. Для подальших досліджень був обраний критерій оптимізації MTPA. Встановлено, що існуючі підходи до оптимізації за критерієм МТРА створювались за умови повного використання автономного інвертора за напругою і не враховують режимів роботи в умовах обмеження потужності ТАД. Розглянуто особливості проведення дослідження роботи ТАЕП (на базі моделювання), що дозволило визначити структуру імітаційної моделі та її необхідні складові. Встановлено, що для більш поглибленого аналізу (на базі моделювання) процесів, що відбуваються у ТАЕП, у тому числі і під час нештатних режимів, необхідні: імітаційна модель електричної та керуючої частини ТАЕП; імітаційна модель механічної частини рухомого складу, включаючи контакт "колесо − рейка"; імітаційна модель профілю колії. Для проведення досліджень, в якості базового зразка було обрано рухомий склад з автономним джерелом живлення – дизель-поїзд ДЕЛ-02. Створення імітаційних моделей ТАЕП, узгоджених з результатами випробувань ТАЕП базового зразка дозволили оцінити адекватність результатів дослідження оптимізованого ТАЕП. Послідовність виконання дослідження реалізовано за наступним алгоритмом: для отримання адекватної моделі ТАЕП досліджена система керування ТАЕП базового зразка; після верифікації імітаційної моделі в системі керування здійснена заміна структури та алгоритму керування ТАЕП, а саме заміна скалярної системи керування на векторну систему, що оптимізована за критерієм МТРА; оцінені результати імітаційного моделювання поїзних режимів оптимізованого ТАЕП. Розроблено імітаційні моделі складових та загальну модель ТАЕП, що адаптована для проведення досліджень за обраними задачами. Імітаційну модель джерела живлення подано спрощеною, оскільки перехідні процеси дизель-генераторної установки мають значно більшу інерційність, ніж процеси розвитку аварійних та нештатних режимів у електричній та механічній частинах ТАЕП. При імітаційному моделюванні системи автономний інвертор напруги – тяговий асинхронний двигуи (АІН – ТАД) проведено перевірку реалізації нелінійності магнітного кола імітаційної моделі ТАД шляхом моделювання досліду холостого ходу для восьми значень лінійної напруги ТАД. Для оцінювання, отримана характеристика холостого ходу порівнювалася з результатами стендових випробувань восьми серійних ТАД типу АД906 (виробництва ДП "ЗАВОД "ЕЛЕКТРОВАЖМАШ"), що дало змогу відобразити статистичне відхилення параметрів діючих зразків ТАД від розрахункових, що не перевищують 5 %. Для підтвердження адекватності загальної моделі ТАЕП було проведено порівняльний аналіз результатів імітаційного моделювання та результатів поїзних випробувань базового зразка при русі зі швидкістю 5 км/год та при розгоні до швидкості 50 км/год по рівній ділянці колії. Встановлено, що відхилення результатів імітаційного моделювання від результатів експерименту за F-критерієм Фішера не перевищують 5 %. При вирішенні задачі синтезу системи керування ТАД, оптимізованої за критерієм МТРА, запропоновані аналітичні вирази обчислення кута положення вектора струму ТАД, значення модуля вектора потокозчеплення ротора ТАД, що враховує зміну величини підведеної потужності. Обґрунтовано вибір способу апроксимації характеристики потокозчеплення ротора ТАД у режимі послаблення поля, отриманий у ході проведення дослідження перехідних процесів у системі АІН – ТАД у режимі послаблення поля. Встановлено, що апроксимація характеристики потокозчеплення тягового двигуна типу АД906 за допомогою лінійної функції призводить до значних відхилень величини потужності двигуна, а саме до рівня 82.6 % від номінальної, що в свою чергу призводить до зниження величини електромагнітного моменту на 20%. Встановлено, що при апроксимації характеристики потокозчеплення складеною функцією з двох лінійних дозволяє зменшити такий ефект, проте на ділянці зламу характеристики мають місце збурення величини споживаної потужності та перевантаження асинхронного двигуна за потужністю на 4 %. Апроксимація характеристики намагнічування за допомогою полінома 4-го порядку не мають таких ефектів, чим і обумовлений вибір способу апроксимації. Встановлено, що без вживанні спеціальних заходів щодо виявлення та припинення надлишкового проковзування у контакті колесо – рейка відбувається розвиток фрикційних коливань, що супроводжуються знакозмінними значеннями електромагнітного моменту ТАД, які перевищують допустимі (1.2 – 1.5 рази). Тому, для ТАЕП запропоновано математичний опис блока корекції та розподілу задання струму ТАД залежно від поточних частот обертання роторів ТАД, що дозволило обмежити прискорення частот обертання, для контролю динаміки руху або створення ефективного захисту від надмірного проковзування колісних пар (боксування, юза). Ефективність роботи такої системи була досліджена при імітаціному моделюванні поїзних режимів роботи при русі по ділянці колії з незадовільними умовами зчеплення колеса з рейкою. Встановлено, що застосування блоку корекції та розподілу струму ТАД виключають надмірне проковзування колісних пар при реалізації граничного за умовами зчеплення тягового зусилля. Розроблено імітаційну модель оптимізованого ТАЕП і встановлено, що використання оптимізації за критерієм МТРА з урахуванням величини підведеної до ТАД потужності дає змогу збільшити електромагнітний момент ТАД в залежності від величини обмеження потужності від 2 % до 53 % у режимі пуску, а коефіцієнт потужності на 17.6 %. Таким чином в ході проведеного дослідження показано, що застосування оптимізації за критерієм МТРА з урахуванням величини підведеної до ТАД потужності підвищує ефективність автономного тягового електроприводу.
Thesis for a candidate degree by speciality 05.09.03 – Electrical complexes and systems. – National Technical University "Kharkov Politechnical Institute", Kharkiv, 2020. The dissertation is devoted to solving the scientific and practical problem of increasing the efficiency of traction asynchronous electric drive (TAED) rolling stock with autonomous power supply by the criterion of maximizing the ratio of moment to current (MTPA) by optimizing the control system of asynchronous motor (AM). The existing approaches to optimization with and without taking into account the influence of the magnetization characteristics of AM are considered. Among the disadvantages of the approach to optimization by the criterion of efficiency maximization is that it requires significant bench tests of the traction electric drive. The MTPA optimization criterion was chosen for further research. It is established that the existing approaches to optimization according to the MTPA criterion were created under the condition of full use of the autonomous voltage inverter and do not take into account the operating modes in the conditions of AM power limitation. The peculiarities of the study of TAED (based on modeling) are considered, which allowed to determine the structure of the simulation model and its necessary components. It is established that for a more in-depth analysis (based on modeling) of the processes occurring in TAED, including during non-standard modes, it is necessary: simulation model of the electrical and control part of TAED; simulation model of the mechanical part of the rolling stock, including the contact "wheel – rail"; simulation model of track profile. For research, a rolling stock with an autonomous power supply – a diesel train DEL-02 was chosen as a basic sample. The creation of simulation models of TAED, consistent with the results of TAED tests of the basic sample allowed to assess the adequacy of the results of the study of optimized TAED. The sequence of the study was implemented according to the following algorithm: to obtain an adequate model of TAED, the control system of TAED of the basic sample was investigated; after verification of the simulation model in the control system, the structure and control algorithm of TAED were replaced, namely the replacement of the scalar control system with a vector system optimized by the MTPA criterion; the results of simulation modeling of train modes of optimized TAED are estimated. Simulation models of components and the general model of TAED which is adapted for carrying out researches on the chosen tasks are developed. The simulation model of the power supply is presented in a simplified way, because the transients of the diesel generator set have a much greater inertia than the processes of development of emergency and non-standard modes in the electrical and mechanical parts of TAED. In the simulation of the system autonomous voltage inverter – traction asynchronous motor (AIN – AM), the implementation of the nonlinearity of the magnetic circuit of the simulation model AM was checked by simulating the no-load experiment for eight values of the linear voltage AM. For evaluation, the obtained idling characteristic was compared with the results of bench tests of eight serial AM type AD906 (manufactured by SE "ZAVOD" ELEKTROVAZHMASH"), which allowed to display the statistical deviation of the parameters of existing samples of AM from the estimated not exceeding 5%. To confirm the adequacy of the general model of TAED, a comparative analysis of the simulation results and the results of train tests of the base sample when driving at a speed of 5 km / h and when accelerating to a speed of 50 km / h on a flat section of track. It is established that the deviation of the simulation results from the results of the experiment according to Fisher's F-test does not exceed 5%. When solving the problem of synthesis of AM control system optimized by MTPA criterion, analytical expressions for calculating the angle of position of AM current vector, value of modulus of flux coupling vector of AM rotor, taking into account change of supplied power value are offered. The choice of the method of approximation of the flux coupling characteristic of the AM rotor in the field weakening mode, obtained during the study of transients in the AIN – AM system in the field weakening mode, is substantiated. It is established that the approximation of the flux coupling characteristic of the traction motor type AD906 using a linear function leads to significant deviations of the engine power, namely to the level of 82.6% of the nominal, which in turn reduces the electromagnetic torque by 20%. It is established that when approximating the flux coupling characteristics by a composite function of two linear ones allows to reduce this effect, however, at the fracture site the characteristics disturb the power consumption and overload the induction motor by 4%. Approximation of the magnetization characteristic using a 4th order polynomial does not have such effects as the choice of the approximation method. It is established that without taking special measures to detect and stop excessive slippage in the wheel – rail contact, the development of frictional oscillations is accompanied by alternating values of the electromagnetic moment of AM, which exceed the allowable (1.2 – 1.5 times). Therefore, for TAED the mathematical description of the block of correction and distribution of the AM current depending on current rotational speeds of AM rotors is offered that allowed to limit acceleration of rotational frequencies, for control of dynamics of movement or creation of effective protection against excessive slipping of wheel pairs (boxing, yuz). The efficiency of such a system was studied in the simulation of train modes of operation when moving along the track with unsatisfactory conditions of traction of the wheel with the rail. It is established that the use of the correction and current distribution unit AM excludes excessive slippage of the wheelsets in the implementation of the ultimate in terms of traction. A simulated model of optimized TAED was developed and it was found that the use of optimization according to the MTPA criterion taking into account the amount of power supplied to AM allows to increase the electromagnetic torque of AM depending on the power limit from 2% to 53% in start-up mode and power factor by 17.6%. Thus, in the course of the study it was shown that the use of optimization according to the criterion of MTPA taking into account the amount of power supplied to the AM increases the efficiency of the autonomous traction drive.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – "Електротехнічні комплекси та системи" – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут" МОН України, Харків, 2020. Дисертація присвячена вирішенню науково-практичної задачі по підвищенню ефективності тягового асинхронного електроприводу (ТАЕП) з автономним джерелом живлення за критерієм максимізації співвідношення момент-струм (МТРА) за рахунок оптимізації системи керування тяговим асинхронним двигуном (ТАД) з урахуванням зміни підведеної потужності. Розглянуто існуючі підходи до оптимізації з та без урахування впливу характеристики намагнічування ТАД. Встановлено, що існуючі підходи до оптимізації за критерієм МТРА створювались за умови повного використання автономного інвертора за напругою та не враховують режимів роботи в умовах обмеження потужності ТАД. Розглянуто особливості проведення дослідження роботи ТАЕП (на базі моделювання), що дозволило визначити структуру імітаційної моделі та її необхідні складові. Для проведення досліджень був обраний рухомий склад з автономним джерелом живлення – дизель-поїзд ДЕЛ-02, як базовий зразок. Розроблені імітаційні моделі складових та загальна модель ТАЕП, що адаптована для проведення досліджень за обраними задачами. Імітаційна модель джерела живлення представлена спрощеною, оскільки перехідні процеси дизель-генераторної установки мають значно більшу інерційність, ніж процеси розвитку аварійних та нештатних режимів у електричній та механічній частинах ТАЕП. При імітаційному моделюванні системи автономний інвертор – ТАД проведена перевірка реалізації нелінійності магнітного кола імітаційної моделі ТАД шляхом моделювання досліду холостого ходу для восьми значень лінійної напруги ТАД. В якості оцінки, отримана характеристика холостого ходу порівнювалася з результатами стендових випробувань восьми серійних ТАД типу АД906 (виробництва ДП "ЗАВОД "ЕЛЕКТРОВАЖМАШ"), що дозволило відобразити статистичне відхилення параметрів діючих зразків ТАД від розрахункових, що не перевищують 5%. Для підтвердження адекватності загальної моделі ТАЕП був проведений порівняльний аналіз результатів імітаційного моделювання та результатів поїзних випробувань базового зразка при русі зі швидкістю 5 км/г та при розгоні до швидкості 50 км/г по рівній ділянці шляху. Встановлено, що відхилення результатів імітаційного моделювання від результатів експерименту за F-критерієм Фішера не перевищують 5%. При вирішенні задачі синтезу системи керування ТАД, оптимізованої за критерієм МТРА, запропоновані аналітичні вирази обчислення кута положення вектора струму ТАД, значення модуля вектора потокозчеплення ротора ТАД, що враховує зміну величини підведеної потужності. Обґрунтований вибір способу апроксимації характеристики потокозчеплення ротора ТАД в режимі послаблення поля, отриманий в ході проведення дослідження перехідних процесів у системі автономний інвертор напруги – ТАД в режимі послаблення поля. Для ТАЕП запропонований математичний опис блоку корекції та розподілу завдань струму ТАД в залежності від поточних частот обертання роторів ТАД, що дозволило обмежити прискорення частот обертання, для контролю динаміки руху або створення ефективного захисту від надмірного проковзування колісних пар (боксування, юзу). Розроблено імітаційну модель оптимізованого ТАЕП та встановлено, що використання оптимізації за критерієм МТРА з урахуванням величини підведеної до ТАД потужності дозволяють збільшити електромагнітний момент ТАД на 53% в режимі пуску, а коефіцієнт потужності на 17.6%, що підтверджує ефективність запропонованих рішень.
Thesis for a candidate degree by speciality 05.09.03 – Electrical complexes and systems. - National Technical University "Kharkov Politechnical Institute", Kharkiv, 2020. The dissertation is devoted to solving the scientific and practical problem of increasing the efficiency of traction asynchronous electric drive (TAED) with autonomous power supply by the criterion of maximizing the ratio of moment to current (MTPA) by optimizing the control system of asynchronous motor (AM). Existing approaches to optimization with and without the influence of AM magnetization characteristics are considered. It is established that the existing approaches to optimization by the criterion of MTPA were created under the condition of full use of the standalone inverter by voltage and do not take into account the modes of operation under conditions of power limitation of AM. Component simulation models and a general TAED model have been developed, adapted for conducting research on selected tasks. The simulation model of the power source is simplified, since the transients of the diesel generator set have much greater inertia than the processes of the growth of emergency and abnormal modes in the electrical and mechanical parts of the TAED. In the simulation of the system, the standalone inverter-AM is tested for the implementation of the nonlinearity of the magnetization curve of the AM simulation model by simulating the idling test for eight values of the linear AM voltage. As an estimate, the obtained idling characteristic was compared with the results of bench tests of eight serial AMs of AD906 type (manufactured by SE "ELEKTROVAZhMASH"), which allowed to reflect the statistical deviation of the parameters of the existing AM samples from the calculated, not exceeding 5%. In order to confirm the adequacy of the general model of TAED, a comparative analysis of the simulation results and the results of train tests of the basic sample was carried out when driving at a speed of 5 km / h and at acceleration to a speed of 50 km / h in a flat section of the road. It is established that the deviations of the simulation results from the results of the Fisher F-test do not exceed 5%. In solving the problem of synthesis of the control system AM, optimized by the criterion of MTPA, analytical expressions of calculating the angle of position of the vector of AM current are proposed, the value of the module of the vector of coupling of the rotor AM, taking into account the change of the magnitude of the input power. The rational for choosing of the method for constructing a characteristic flux linkage of the AM rotor in the field attenuation mode, obtained during the study of transients in the system autonomous voltage inverter-AM in the field attenuation mode. For TAED, a mathematical description of the block of correction and distribution of tasks current AM was proposed, depending on the current rotational speed of the AM rotors, which allowed to limit the acceleration of rotation frequencies, to control the dynamics of movement or to create effective protection against excessive slippage of wheel pairs (boxing, yuz). An optimized TAED simulation model was developed and it was found that using the MTPA criterion optimization, taking into account the magnitude of the AM power, allows to increase the AM electromagnetic moment by 53% in the start mode, and the power factor by 17.6%, which confirms the efficiency of the proposed solutions.

Revue des propriétés des thyristors interrupteurs. Aptitude à l'utilisation en grande traction. Etude du rétablissement de la tension aux bornes. Soufflage et mise en série des thyristors interrupteurs. Caractérisation des GTO de grande puissance.