Traction drive control system for railway electric rolling stock based on the application of power factor as anoptimization criterion

Abstract

The objective of this work is to provide theoretical substantiation for the possibility of using power factor as a criterion in the development of optimized automatic control systems for AC electric rolling stock traction drives. The stated objective has been achieved through the solution of the following tasks: development of an algorithm for applying traction drive power factor as an optimization criterion, taking into account stochastic disturbance effects acting on the traction drive from the traction powersupply system and mechanical load; development of a structural scheme for an optimized automatic control system of electric rolling stock traction drives, in which the proposed algorithm is implemented. The most important results are: the obtained analytical time dependency of the traction drive power factor, representing a convolution of two-time functions—efficiency and active power utilization coefficient of the traction drive—and the developed algorithm for eliminating stochastic disturbance effects acting on the traction drive from the traction power supply system and mechanical load. The significance of the obtained results lies in improving the quality of AC traction drive control. An electric locomotive traction drive with field-oriented control (FOC) of asynchronous traction motors was selected as the research object. This will enable improved regulation quality in the construction of an optimal automatic control system for traction drives.

Scopul lucrării este fundamentarea teoretică a posibilității de utilizare a factorului de putere ca și criteriu în dezvoltarea sistemelor optimizate de control automat pentru acționarea tracțiunii materialului rulant electric de curent alternativ. Scopul stabilit este atins prin rezolvarea următoarelor probleme: dezvoltarea unui algoritm pentru aplicarea factorului de putere al acționării tracțiunii ca și criteriu de optimizare, luând în considerare efectele stocastice ale perturbațiilor care acționează asupra acționării tracțiunii din sistemul de alimentare cu energie electrică a tracțiunii și sarcina mecanică; dezvoltarea unei diagrame structurale a sistemului optimizat de control automat pentru acționarea tracțiunii materialului rulant electric, în care este implementat algoritmul propus. Cele mai importante rezultate sunt: dependența analitică de timp obținută a factorului de putere al acționării tracțiunii, care este o convoluție a două funcții de timp -eficiența și factorul de utilizare a puterii active a acționării tracțiunii; algoritmul dezvoltat pentru eliminarea efectelor stocastice ale perturbațiilor care acționează asupra acționării tracțiunii din sistemul de alimentare cu energie electrică a tracțiunii și sarcina mecanică.Semnificația rezultatelor obținute constă în îmbunătățirea calității controlului acționărilor tracțiunii de curent alternativ. Obiectul studiului a fost acționarea tracțiunii unei locomotive electrice cu control orientat pe câmp (СOC) al motoarelor de tracțiune asincrone. Acest lucru va îmbunătăți calitatea reglării la construirea unui sistem optim de control automat pentru sistemul de tracțiune.

Целью работы является теоретическое обоснование возможности использования коэффициента мощности в качестве критерия при разработке оптимизированныхсистем автоматического управления тяговыми приводами электроподвижного состава переменного тока. Поставленная цель достигнута за счет решения следующих задач: разработки алгоритма применения коэффициента мощности тягового привода в качестве критерия оптимизации с учетом стохастических воздействий возмущений, действующие на тяговый привод со стороны системы тягового электроснабжения и механической нагрузки; разработки структурной схемы оптимизированной автоматической системы управлениятягового привода электроподвижного состава, в которой реализуется предложенный алгоритм. Наиболее важными результатами являются:полученная аналитическая временная зависимость коэффициента мощности тягового привода, представляющая собой свертку двух временных функций –КПД и коэффициента использования активной мощности тягового привода; разработанный алгоритм устранения стохастических воздействий возмущений, действующие на тяговый привод со стороны системы тягового электроснабжения и механической нагрузки.Значимость полученных результатов заключается в повышении качества управления тяговыми приводами переменного тока.В качестве объекта исследования был выбран тяговый привод электровоза с векторнымуправлениемасинхронными тяговыми двигателями. Имитационное моделирование показало большую сходимость значений коэффициентов мощности, определенных двумя методами: как отношение полезной мощности на валу двигателя к полной потребляемой мощности из контактной сети и как свертки двух временных функций –коэффициента мощности выходной части и коэффициента полезного действия входной части тягового привода. Предложенасхема оптимизированногоавтоматического управления тяговым приводом, в которой в качестве контролируемых параметров используются параметры частот дискретизации входной и выходной части тягового привода, а в качестве критерия оптимизации–коэффициент полезного действия. Это позволит повысить качество регулирования при построении оптимальной системы автоматического управления тяговым приводом.