Analysis of the efficiency of operation of modern control systems for brushless traction motors

Abstract

EN: The further development of railway traction rolling stock is currently largely associated with the predominant use of brushless traction motors, primarily asynchronous ones. However, the efficiency of brushless traction drives largely depends on the control system, which forms the optimal current distribution, ensures smooth acceleration, reliable braking with recuperation, and stable operation in a wide range of modes. At the same time, the implementation of control systems in brushless traction drives of railway transport is accompanied by a number of technical and operational problems. The purpose of the article is to conduct a comprehensive analysis of operating conditions and assess the energy efficiency of modern brushless traction motor control systems used in traction rolling stock, in order to determine their advantages, disadvantages and promising areas of improvement, which will allow formulating recommendations for choosing optimal algorithms and technical solutions for specific operating conditions of traction rolling stock. The object of the study is the control processes of brushless traction electric motors in electric drives of traction rolling stock. The paper considers the main types of brushless traction machines (synchronous with permanent magnets, asynchronous), modern control algorithms (vector control, direct torque regulation, adaptive and optimizing approaches), as well as hardware solutions for converters and diagnostic systems. A comparative analysis of losses and efficiency indicators was carried out in typical driving modes (acceleration, steady driving, braking with recuperation) taking into account temperature and load factors. The proposed methodology includes modeling in a simulation computer environment, construction of efficiency maps, and experimental validation on a bench with an inverter and current/voltage/temperature sensors. The expected result of the work is recommendations for optimizing control algorithms and drive configurations to increase the efficiency of traction motors, as well as a set of criteria for selecting a drive depending on the operating mode of traction rolling stock. The practical value lies in the possibility of using the research results in the design and modernization of electric motors of traction rolling stock, which will increase the reliability of transport vehicles.

UA: Подальший розвиток тягового рухомого складу залізниць нині багато в чому пов’язаний із переважним використанням безколекторних тягових двигунів, насамперед асинхронних. Однак ефективність роботи безколекторних тягових приводів значною мірою залежить від системи керування, яка формує оптимальний розподіл струмів, забезпечує плавний розгін, надійне гальмування з рекуперацією і стабільність роботи в широкому діапазоні режимів. Водночас впровадження систем керування в безколекторних тягових приводах залізничного транспорту супроводжено низкою технічних та експлуатаційних проблем. Метою статті є проведення всебічного аналізу умов експлуатації та оцінювання енергоефективності сучасних систем керування безколекторними тяговими двигунами, які застосовують на тяговому рухомому складі, для визначення їхніх переваг, недоліків і перспективних напрямів вдосконалення, що дасть змогу сформулювати рекомендації щодо вибору оптимальних алгоритмів і технічних рішень для конкретних умов роботи тягового рухомого складу. Об’єктом дослідження є процеси керування безколекторними тяговими електродвигунами в електроприводах тягового рухомого складу. У роботі розглянуто основні типи безколекторних тягових машин (синхронні з постійними магнітами, асинхронні), сучасні алгоритми керування (векторне керування, пряма регуляція моменту, адаптивні та оптимізуючі підходи), а також апаратні рішення перетворювачів і систем діагностики. Проведено порівняльний аналіз втрат і показників ефективності за типових режимів руху (розгін, сталий рух, гальмування з рекуперацією) з урахуванням температурних і навантажувальних факторів. Пропонована методика включає моделювання в імітаційному комп’ютерному середовищі, побудову карт ефективності, а також експериментальну валідацію на стенді з інвертором і датчиками струму/напруги/температури. Очікуваним результатом роботи є рекомендації щодо оптимізації алгоритмів керування і конфігурацій привода для підвищення ефективності роботи тягових двигунів, а також набір критеріїв для вибору привода залежно від режиму експлуатації тягового рухомого складу. Практична цінність полягає в можливості використання результатів дослідження для проєктування та модернізації електродвигунів тягового рухомого складу, що дасть змогу підвищити надійність засобів транспорту.