Research into methods and means of controlling brushless traction motors of locomotives based on modern power converters

Abstract

EN: The object of the study is the electromechanical and energy conversion processes occurring in brushless traction electric drives of locomotives during the implementation of traction and regenerative braking modes. The paper examines approaches aimed at improving the energy efficiency and operational reliability of traction systems through the justified selection of power converter topologies and modern methods of controlling the electromagnetic torque of traction motors. The structural and energy characteristics of induction motors and permanent magnet synchronous motors are generalized as the main control objects within brushless locomotive electric drive systems. It is established that the operation of traction systems under railway conditions is characterized by a wide speed range, significant load variations, and the requirement to ensure bidirectional energy exchange with the traction power supply system. The main operating modes of the traction electric drive, particularly the traction mode and the electric braking mode, are systematized, and the structural requirements for their implementation are determined. Typical configurations of power conversion systems used in DC and AC electric locomotives are summarized, including solutions based on a DC link, voltage source inverters, multilevel converters, intermediate energy conversion stages, and hybrid configurations incorporating energy storage systems. It is shown that the efficiency of regenerative bracing and the stability of energy processes are largely determined by the capability for bidirectional energy conversion, the parameters of the DC link, and the coordination of the electric drive with the characteristics of the catenary traction power supply system. It is established that the application of modern vector control methods and direct torque regulation, and reduced energy losses in power converters. The prospects of the considered approaches are associated with the integration of next-generation semiconductor power conversion systems, the application of energy storage devices, and adaptive control algorithms capable of operating under variable operating conditions. The results of this review study can be useful in the design and modernization of locomotive traction electric drive control systems, the optimization of regenerative braking modes, and ensuring reliable locomotive operation over a wide range of load conditions.

UA: Об’єктом дослідження є електромеханічні та енергетичні процеси перетворення і керування енергією в безколекторних тягових електроприводах локомотивів під час реалізації режимів тяги і рекуперативного гальмування. У роботі розглянуто підходи щодо підвищення енергоефективності та експлуатаційної надійності тягових систем через обґрунтований вибір структурних конфігурацій силових перетворювачів і сучасних методів керування електромагнітним моментом тягових двигунів. Узагальнено конструктивні та енергетичні особливості асинхронних двигунів і синхронних двигунів із постійними магнітами як основних об’єктів керування у складі безколекторного електропривода локомотива. Визначено, що функціонування тягових систем у залізничних умовах має широкий діапазон швидкостей, значні коливання навантаження та необхідність забезпечення двонапрямного енергетичного обміну з тяговою мережею. Систематизовано основні режими роботи тягового електропривода, зокрема тяговий режим і режим електричного гальмування, а також встановлено структурні вимоги щодо їх реалізації. Узагальнено типові конфігурації силових перетворювальних комплексів електровозів постійного та змінного струму, зокрема рішення з проміжною ланкою постійного струму, автономними інверторами напруги, багаторівневими перетворювачами, проміжними каскадами перетворення енергії та комбінованими схемами з накопичувальними системами. Показано, що ефективність рекуперативного гальмування і стабільність енергетичних процесів визначені переважно можливостями двонапрямного перетворення енергії, параметрами проміжної ланки та узгодженням електропривода з характеристиками контактної мережі. Встановлено, що застосування сучасних методів векторного і прямого керування моментом дає змогу забезпечити високі динамічні показники тягового електропривода, точність регулювання моменту і зниження енергетичних втрат у силових перетворювачах. Перспективність розглянутих підходів пояснено інтеграцією напівпровідникових перетворювальних систем нового покоління, використанням накопичувачів енергії та адаптивних алгоритмів керування, здатних функціонувати в умовах змінних експлуатаційних режимів. Використання результатів оглядового дослідження буде корисним для проєктування та модернізації систем керування тяговими електроприводами локомотивів, оптимізації режиму рекуперативного гальмування і забезпеченні надійної роботи локомотивів у широкому діапазоні навантажень.