Selection of power supply scheme for controlled excitation converters in traction electric motors of single-phase DC electric locomotives

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article focuses on the development of an effective design and algorithms for automatic control of singlephase DC electric locomotives according to the laws of constant traction force and power without switching electrical devices within power electric circuits. Methods of mathematical modelling for electromagnetic, electromechanical, and mechanical processes by MatLab, Simulink, and SimPowerSystems software were used to address this problem. The nonlinearities of the magnetisation curve were taken into account, along with the influence of eddy currents from the coils of the main and additional poles in traction motors. Structural and parametric synthesis of a power electrical circuit and control algorithms by controlled bridge IGBT converters were used in the simulation. The object of the research was an electrotechnical complex, including a 9840 kW three-stack electric locomotive 3ES5K “Ermak”. On the basis of the research results, it is recommended to use a power electrical circuit with two reversible converters for each of the three sections on the electric locomotive. These converters provide power to four 820 kW traction motors and a group power supply for controlled bridge IGBT converters shunting the field coils for axial traction control. The calculations confirmed the applicability of a scheme for individual control of traction electric motors and excitation currents, ensuring a smooth increase in the traction force of an electric locomotive. The developed algorithm of axial traction control ensures a smooth increase in this force and creates the optimal conditions for coupling the wheels of an electric locomotive with rails. These solutions can be used in the manufacture and modernisation of new and existing electric locomotives

About the authors

N. L. Mikhalchuk

Joint Stock Company “Russian Railways” (JSCo “RZD”), Directorate of Locomotive Traction

Email: MihalchukNL@center.rzd.ru

References

  1. Spiryagin M., Wolfs P., Cole C., Spiryagin V., Sun Yan Quan, McSweeney T. Design and simulation of heavy haul locomotives and trains // Engineering & Technology. Boca Raton: CRC Press, 2016. 477 р. https://doi.org/10.1201/9781315369792. EDN: YBLZZJ.
  2. Stolchnev A. World’s most powerful electric locomotive Shen24 by CRRC for coal cargo service in China24 // TMH. URL: https://rollingstockworld.com/locomotives/worlds-most-powerful-electric-locomotive-shen24-by-crrcfor-coal-cargo-service-in-china (28.06.2023).
  3. Fornander P. Refurbishment of class 11E locomotives for Spoornet // Proceedings of the International Heavy Haul Association Specialist Technical Session: High Tech in Heavy Haul (Kiruna, 11–13 June 2007). Kiruna: Sweden, 2007. Р. 203–212.
  4. Ishrat T., Ledwich G., Vilathgamuwa M., Borghesani P. Wheel slip control based on traction force estimation of electric locomotives // Australasian Universities Power Engineering Conference. 2016. https://doi.org/10.1109/AUPEC.2016.7749331.
  5. Михальчук Н.Л., Курилкин Д.Н., Урушев С.В., Макарова Е.И. Энергетическая эффективность полупроводниковых преобразователей локомотивов // Электротехника. 2018. № 10. С. 15–20. https://doi.org/10.3103/S1068371218100073. EDN: YAMGNV.
  6. Михальчук Н.Л., Савоськин А.Н., Чучин А.А. Электромагнитные процессы в силовой схеме электровоза с управляемым преобразователем возбуждения // Электротехника. 2022. № 9. С. 34–42. https://doi.org/10.53891/00135860_2022_9_34. EDN: DZQWTP.
  7. Головатый А.Т., Исаев И.П., Горчаков Е.В. Независимое возбуждение тяговых двигателей электровозов. М.: Транспорт, 1976. 152 с.
  8. Михальчук Н.Л., Назаров Н.С., Капустин М.Ю. Система автоматического управления тяговым приводом с адаптивным возбуждением электродвигателей // Наука и техника транспорта. 2017. № 1. С. 14–20. EDN: YHWPIN.
  9. Tornerud G. Austrian railways place Swedish thyristor locomotives in service // Rail Engineering International. 1972. Iss. 5. Р. 84.
  10. Задорожный В.Л. Особенности электровозов серии «Ермак» с поосным регулированием силы тяги // Локомотив. 2019. № 10. С. 11–16. EDN: MZSKFP.
  11. Бенькович Н.И., Михальчук Н.Л., Ролле И.А., Агунов А.В., Марикин А.Н. Прямое цифровое управление токами асинхронных тяговых электродвигателей // Электроника и электрообрудование транспорта. 2019. № 6. С. 43−47. EDN: HXWEWA.
  12. Михальчук Н.Л., Пудовиков О.Е., Савоськин А.Н., Чучин А.А. Электровоз с плавным управлением в режимах независимого и последовательного возбуждения тяговых электродвигателей // Железнодорожный транспорт. 2022. № 9. С. 35–39. EDN: CQGNZV.
  13. Tian Ye, Liu Sheng, Daniel W.J.T., Meehan P.A. Investigation of the impact of locomotive creep control on wear under changing contact conditions // Vehicle System Dynamics. 2015. Vol. 53. Iss. 5. Р. 692–709. https://doi.org/10.1080/00423114.2015.1020815.
  14. Liu Sheng, Tian Ye, Daniel W.J.T. (Bill), Meehan P.A. Modelling of track wear damage due to changes in friction conditions: a comparison between AC and DC electric drive locomotives // Wear. 2016. Vol. 366–367. P. 338–345. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.05.023.
  15. Михальчук Н.Л., Попов Ю.И., Савоськин А.Н., Пудовиков О.Е., Чучин А.А. Повышение эффективности электропривода электровоза с управляемыми преобразователями возбуждения тяговых двигателей // Бюллетень результатов научных исследований. 2023. № 2. С. 104–114. https://doi.org/10.20295/2223-9987-2023-2-104-114. EDN: DTQYEO.
  16. Михальчук Н.Л., Савоськин А.Н., Чучин А.А. Силовая схема электровоза переменного тока с применением управляемого транзисторного преобразователя возбуждения // Электроника и электрооборудование транспорта. 2022. № 3. С. 18–22. EDN: SOUMML.
  17. Пат. № 2788223, Российская Федерация, C1 B60L 9/02, B60L 9/12, H02P 7/28. Электрический привод электровоза / Ю.И. Попов, Н.Л. Михальчук, А.Н. Савоськин, О.Е. Пудовиков, А.А. Чучин; заявитель ОАО «Российские железные дороги». Заявл. 22.09.2022; опубл. 17.01.2023. Бюл. № 2. EDN: TSIIOX.
  18. Пат. № 2787135, Российская Федерация, C1 G05F 1/10. Способ автоматического управления током тяговых электродвигателей подвижного состава / Ю.И. Попов, Н.Л. Михальчук, А.Н. Савоськин, О.Е. Пудовиков; заявитель ОАО «Российские железные дороги». Заявл. 29.03.2022; опубл. 29.12.2022. Бюл. № 1. EDN: RHJIUY.
  19. Михальчук Н.Л., Пудовиков О.Е., Савоськин А.Н., Чучин А.А. Принципы управления электровозом однофазногопостоянного тока с управляемыми преобразователями возбуждения // Электротехника. 2023. № 9. С. 6–13. EDN: FIJGZR.
  20. Евсеев В.Ю., Савоськин А.Н. Математическая модель коллекторного тягового двигателя с раздельным учетом вихревых токов главных и добавочных полюсов // Электротехника. 2020. № 9. С. 32–38. EDN: QCLNPM.
  21. Савоськин А.Н., Кулинич Ю.М., Алексеев А.С. Математическое моделирование электромагнитных процессов в динамической системе «контактная сеть - электровоз» // Электричество. 2002. № 2. С. 29‒35. EDN: MPLOHF.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).