Моделювання комбінованої системи нахилу кузову швидкісного рухомого складу залізничного транспорту

The actual problem of creating a high-speed railway rolling stock with a combined electromechanical and pneumatic body tilt system is considered. Using the proposed simulation model created in the MATLAB environment, simulation of the rolling stock body tilt while passing a curved track section is carried out. To determine the parameters of the elements of electromechanical and pneumatic drive units, information is necessary about the electrophysical processes, occurring in the tilt system and determining the input parameters for the design of the considered tilt system. The dynamic performance of components of the proposed mechanism is identified, which allows giving practical advice on the choice of parameters of semiconductor converter elements, pneumatic and electromechanical devices of the combined tilt system, and also determining the forces acting in the tilt mechanism elements. Based on these dependencies, it is possible to choose the element base of the semiconductor converter (types of keys and diodes), parameters and types of cylinders of air springs, as well as to determine the load of the elements of the overbogie structure of the rolling stock. The results can be used in the development and design of high-speed railway rolling stock without substantial reconstruction of the existing transport infrastructure.Рассмотрена имитационная модель комбинированной системы наклона кузова скоростного подвижного состава железных дорог. Определен характер изменения механических, электрических, пневматических и энергетических параметров во времени, а также их амплитудные значения, определяющие выбор элементной базы полупроводниковых преобразователей, параметры и типы баллонов пневморессор и нагрузки в элементах надтележечного строения подвижного состава. Результаты можно использовать при проектировании скоростного подвижного состава без существенной реконструкции существующей транспортной инфраструктуры.Розглянуто імітаційну модель комбінованої системи нахилу кузова швидкісного рухомого складу залізниць. Визначено характер зміни механічних, електричних, пневматичних та енергетичних параметрів у часі, а також їх амплітудні значення, що визначають вибір елементної бази напівпровідникових перетворювачів, параметри та типи балонів пневморессор і навантаження в елементах надвізкової будови рухомого складу. Результати можливо використати при проектуванні швидкісного рухомого складу без суттєвої реконструкції існуючої транспортної інфраструктури

Визначення електричних втрат тягового приводу електропоїзду на базі синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів

We have studied a traction drive based on the synchronous motor with excitation from permanent magnets for its electrical losses. A simulation model of the traction drive is synthesized, which employs the algorithm of a space-vector PWM. A special feature of the model is the application of parameters of actual IGBT-transistors and the possibility for obtaining instantaneous values of electric losses in transistors and snubbers of the inverter under different modes of operation. We have devised a procedure for calculating electric losses in the traction engine based on the shape of phase currents, geometrical and electrical parameters of the engine. Simulation of the traction drive and calculation of losses in the traction engine is integrated, which makes it possible to account for the impact of the inverter and engine on each other.We have simulated work of the reducer-free traction drive based on a synchronous motor with excitation from permanent magnets with a capacity of 80 kW. The dependences were constructed for losses in the traction inverter and engine on the clock frequency of a space-vector PWM and motion speed.The proposed procedure makes it possible to quantify the magnitude of electric losses in the traction drive elements depending on the types of transistors applied, clock frequency of the inverter, and parameters of the engine. This enables the optimization of the traction drive for the criterion of maximum performance efficiency, as well as thermal calculation of the elements of the drive.Идентифицированы параметры инвертора напряжения тягового привода на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов. Синтезирована имитационная модель тягового привода, позволяющая получить мгновенные значения электрических потерь в инверторе и двигателе. Проанализирована зависимость электрических потерь от скорости движения поезда и тактовой частоты инвертораІдентифіковано параметри інвертора напруги тягового приводу на базі синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів. Синтезовано імітаційну модель тягового приводу, що дозволяє отримати миттєві значення електричних втрат в інверторі та двигуні. Проаналізовано залежність електричних витрат від швидкості руху поїзда та тактової частоти інвертор

Визначення електричних втрат тягового приводу електропоїзду на базі синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів

We have studied a traction drive based on the synchronous motor with excitation from permanent magnets for its electrical losses. A simulation model of the traction drive is synthesized, which employs the algorithm of a space-vector PWM. A special feature of the model is the application of parameters of actual IGBT-transistors and the possibility for obtaining instantaneous values of electric losses in transistors and snubbers of the inverter under different modes of operation. We have devised a procedure for calculating electric losses in the traction engine based on the shape of phase currents, geometrical and electrical parameters of the engine. Simulation of the traction drive and calculation of losses in the traction engine is integrated, which makes it possible to account for the impact of the inverter and engine on each other.We have simulated work of the reducer-free traction drive based on a synchronous motor with excitation from permanent magnets with a capacity of 80 kW. The dependences were constructed for losses in the traction inverter and engine on the clock frequency of a space-vector PWM and motion speed.The proposed procedure makes it possible to quantify the magnitude of electric losses in the traction drive elements depending on the types of transistors applied, clock frequency of the inverter, and parameters of the engine. This enables the optimization of the traction drive for the criterion of maximum performance efficiency, as well as thermal calculation of the elements of the drive.Идентифицированы параметры инвертора напряжения тягового привода на базе синхронного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов. Синтезирована имитационная модель тягового привода, позволяющая получить мгновенные значения электрических потерь в инверторе и двигателе. Проанализирована зависимость электрических потерь от скорости движения поезда и тактовой частоты инвертораІдентифіковано параметри інвертора напруги тягового приводу на базі синхронного двигуна зі збудженням від постійних магнітів. Синтезовано імітаційну модель тягового приводу, що дозволяє отримати миттєві значення електричних втрат в інверторі та двигуні. Проаналізовано залежність електричних витрат від швидкості руху поїзда та тактової частоти інвертор

Методика моделювання динамічних процесів електромеханічного амортизатору для вагону метрополітену

A procedure has been devised for modeling the dynamic processes in the proposed structure of an electromechanical shock absorber. Such shock absorbers can recuperate a part of the energy of oscillations into electrical energy allowing the subsequent possibility to use it by rolling stock. The procedure is based on solving the Lagrange equation for the electromechanical system. The model's features are as follows. The model takes the form of a Cauchy problem, thereby making it possible to use it when simulating the processes of shock absorber operation. Two generalized coordinates have been selected (the charge and displacement of the armature). The components of the Lagrange equation have been identified. Based on the results from magnetic field calculation and subsequent regression analysis, we have derived polynomial dependences of flux linkage derivatives for the current and linear displacement of an armature, which make it possible to identify a generalized mathematical model of the electromechanical shock absorber. The magnetic field calculations, performed by using a finite-element method, have allowed us to derive a digital model of the magnetic field of an electromechanical shock absorber. To obtain its continuous model, a regression analysis of discrete field models has been conducted. When choosing a structure for the approximating model, a possibility to analytically differentiate partial derivatives for all coordinates has been retained. Based on the results from modeling free oscillations, it was established that the maximum module value of current is 0.234 A, voltage – 52.9 V. The process of full damping of oscillations takes about 3 seconds over 4 cycles. Compared to the basic design, the amplitude of armature oscillations and its velocity dropped from 13 to 85 % over the first three cycles, indicating a greater efficiency of electromechanical shock absorber operation in comparison with a hydraulic one. The recuperated energy amounted to 3.3 J, and the scattered energy – 11.5 J.Для предложенной конструкции электромеханического амортизатора разработана методика моделирования динамических процессов. Такие амортизаторы имеют возможность рекуперировать часть энергии колебаний в электрическую энергию с последующей возможностью ее использования на подвижном составе. Методика основана на решении уравнения Лагранжа для электромеханической системы. Особенности модели состоят в следующем. Модель имеет вид задачи Коши, который удобен для моделирования процессов работы амортизатора. Выбраны две обобщенные координаты (заряд и перемещения якоря). Идентифицированы составные части уравнения Лагранжа. По результатам расчета магнитного поля и дальнейшего регрессионного анализа получены полиномиальные зависимости производных потокосцепления по току и линейному перемещению якоря, которые дают возможность идентифицировать математическую модель электромеханического амортизатора. Проведенные расчеты магнитного поля методом конечных элементов позволили получить цифровую модель магнитного поля электромеханического амортизатора. Для получения ее непрерывной модели проведен регрессионный анализ дискретной модели поля. При выборе структуры аппроксимирующей модели соблюдена возможность аналитического дифференцирования частных производных по всем координатам. По результатам моделирования свободных колебаний установлено, что максимальное по модулю значение тока составляет 0,234 А, а напряжения – 52,9 В. Около 3 с. проходит процесс полного погашения колебаний за 4 периода. Сравнительно с базовой конструкцией амплитуда колебаний хода якоря и его скорости снизилась от 13 до 85 % за первые три периода, что свидетельствует о большей эффективности работы электромеханического амортизатора по сравнению с гидравлическим. Энергия, которая рекуперирована, составила 3,3 Дж, а которая рассеяна – 11,5 ДжДля запропонованої конструкції електромеханічного амортизатору розроблено методика моделювання динамічних процесів. Такі амортизатори мають можливість рекуперувати частину енергії коливань в електричну енергію з подальшою можливістю її використання на рухомому складі. Методика основана на вирішенні рівняння Лагранжу для електромеханічної системи. Особливості моделі є наступними. Модель має вигляд задачі Коши, який спритний до вживання при моделювання процесів роботи амортизатору. Обрані дві узагальнені координати (заряд та переміщення якорю). Ідентифіковані складові частини рівняння Лагранжу. За результатами розрахунку магнітного поля і подальшого регресійного аналізу отримано поліноміальні залежності похідних потокозчеплення по току і лінійному переміщенню якоря, які дають можливість ідентифікувати узагальнену математичну модель електромеханічного амортизатору. Проведено розрахунки магнітного поля методом скінчених елементів дозволили отримати цифрову модель магнітного поля електромеханічного амортизатору. Для отримання її безперервної моделі проведено регресійний аналізу дискретні моделі поля. Про виборі структури апроксимуючої моделі дотримана можливість аналітичного диференціювання часткових похідних по всіх координатах. За результатами моделювання вільних коливань встановлено, що максимальне по модулю значення струму складає 0,234 А, а напруги – 52,9 В. За близько 3 с. проходить процес повного погашення коливань за 4 періоду. Порівняно з базовою конструкцією амплітуда коливань ходу якоря та його швидкості знизилась від 13 до 85 % за перші три періоди, що свідчить про більшу ефективність роботи електромеханічного амортизатору в порівнянні з гідравлічним. Енергія, що рекуперовано, склала 3,3 Дж, а, що розсіяно – 11,5 Д

Методика моделювання динамічних процесів електромеханічного амортизатору для вагону метрополітену

A procedure has been devised for modeling the dynamic processes in the proposed structure of an electromechanical shock absorber. Such shock absorbers can recuperate a part of the energy of oscillations into electrical energy allowing the subsequent possibility to use it by rolling stock. The procedure is based on solving the Lagrange equation for the electromechanical system. The model's features are as follows. The model takes the form of a Cauchy problem, thereby making it possible to use it when simulating the processes of shock absorber operation. Two generalized coordinates have been selected (the charge and displacement of the armature). The components of the Lagrange equation have been identified. Based on the results from magnetic field calculation and subsequent regression analysis, we have derived polynomial dependences of flux linkage derivatives for the current and linear displacement of an armature, which make it possible to identify a generalized mathematical model of the electromechanical shock absorber. The magnetic field calculations, performed by using a finite-element method, have allowed us to derive a digital model of the magnetic field of an electromechanical shock absorber. To obtain its continuous model, a regression analysis of discrete field models has been conducted. When choosing a structure for the approximating model, a possibility to analytically differentiate partial derivatives for all coordinates has been retained. Based on the results from modeling free oscillations, it was established that the maximum module value of current is 0.234 A, voltage – 52.9 V. The process of full damping of oscillations takes about 3 seconds over 4 cycles. Compared to the basic design, the amplitude of armature oscillations and its velocity dropped from 13 to 85 % over the first three cycles, indicating a greater efficiency of electromechanical shock absorber operation in comparison with a hydraulic one. The recuperated energy amounted to 3.3 J, and the scattered energy – 11.5 J.Для предложенной конструкции электромеханического амортизатора разработана методика моделирования динамических процессов. Такие амортизаторы имеют возможность рекуперировать часть энергии колебаний в электрическую энергию с последующей возможностью ее использования на подвижном составе. Методика основана на решении уравнения Лагранжа для электромеханической системы. Особенности модели состоят в следующем. Модель имеет вид задачи Коши, который удобен для моделирования процессов работы амортизатора. Выбраны две обобщенные координаты (заряд и перемещения якоря). Идентифицированы составные части уравнения Лагранжа. По результатам расчета магнитного поля и дальнейшего регрессионного анализа получены полиномиальные зависимости производных потокосцепления по току и линейному перемещению якоря, которые дают возможность идентифицировать математическую модель электромеханического амортизатора. Проведенные расчеты магнитного поля методом конечных элементов позволили получить цифровую модель магнитного поля электромеханического амортизатора. Для получения ее непрерывной модели проведен регрессионный анализ дискретной модели поля. При выборе структуры аппроксимирующей модели соблюдена возможность аналитического дифференцирования частных производных по всем координатам. По результатам моделирования свободных колебаний установлено, что максимальное по модулю значение тока составляет 0,234 А, а напряжения – 52,9 В. Около 3 с. проходит процесс полного погашения колебаний за 4 периода. Сравнительно с базовой конструкцией амплитуда колебаний хода якоря и его скорости снизилась от 13 до 85 % за первые три периода, что свидетельствует о большей эффективности работы электромеханического амортизатора по сравнению с гидравлическим. Энергия, которая рекуперирована, составила 3,3 Дж, а которая рассеяна – 11,5 ДжДля запропонованої конструкції електромеханічного амортизатору розроблено методика моделювання динамічних процесів. Такі амортизатори мають можливість рекуперувати частину енергії коливань в електричну енергію з подальшою можливістю її використання на рухомому складі. Методика основана на вирішенні рівняння Лагранжу для електромеханічної системи. Особливості моделі є наступними. Модель має вигляд задачі Коши, який спритний до вживання при моделювання процесів роботи амортизатору. Обрані дві узагальнені координати (заряд та переміщення якорю). Ідентифіковані складові частини рівняння Лагранжу. За результатами розрахунку магнітного поля і подальшого регресійного аналізу отримано поліноміальні залежності похідних потокозчеплення по току і лінійному переміщенню якоря, які дають можливість ідентифікувати узагальнену математичну модель електромеханічного амортизатору. Проведено розрахунки магнітного поля методом скінчених елементів дозволили отримати цифрову модель магнітного поля електромеханічного амортизатору. Для отримання її безперервної моделі проведено регресійний аналізу дискретні моделі поля. Про виборі структури апроксимуючої моделі дотримана можливість аналітичного диференціювання часткових похідних по всіх координатах. За результатами моделювання вільних коливань встановлено, що максимальне по модулю значення струму складає 0,234 А, а напруги – 52,9 В. За близько 3 с. проходить процес повного погашення коливань за 4 періоду. Порівняно з базовою конструкцією амплітуда коливань ходу якоря та його швидкості знизилась від 13 до 85 % за перші три періоди, що свідчить про більшу ефективність роботи електромеханічного амортизатору в порівнянні з гідравлічним. Енергія, що рекуперовано, склала 3,3 Дж, а, що розсіяно – 11,5 Д

Оптимізація геометричних параметрів ротору тягового синхронно-реактивного двигуна з постійними секціонованими магнітами

This paper considers partitioning parameters and the mutual arrangement of magnets in the rotor of the traction synchronous-jet engine with permanent partitioned magnets. The synthesis of geometrical parameters for the rotor of a synchronous reluctance motor with partitioned permanent magnets was proposed on the basis of solving the problem of conditional optimization. To solve the synthesis problem, a mathematical model has been built to determine the electromagnetic momentum of a synchronous reluctance motor with partitioned permanent magnets. It is based on the calculation of the electromagnetic momentum of the engine employing the results of a finite-element analysis of the magnetic field in the flat-parallel statement of the problem. The model is implemented in the finite-element analysis FEMM environment and makes it possible to determine the electromagnetic momentum of the engine with a variety of partitioning of permanent magnets. As an analysis problem, it is proposed to use a mathematical model of the magnetic field of the engine. The problem of conditional optimization of the rotor of a synchronous reluctance motor was stated according to the geometric criteria of the rotor. Restrictions are set on geometric, strength indicators, as well as on the level of electromagnetic momentum. The chosen optimization method is the Nelder-Mead method. Based on the results of solving the problem of synthesizing parameters for the partitioned rotor of the traction motor of trolleybus wheels, it was established that the volume of permanent magnets was reduced by 2.27 times compared to the base structure; their optimal geometric dimensions were determined (5 mm, 5.2 mm, and 5 mm), as well as the distance between them, 17.8 mm and 15.3 mm, and the engine load angle, which is 121.12 electrical degrees. Based on the results of solving the problem of synthesizing parameters for the partitioned rotor of a trolleybus traction synchronous reluctance motor, its optimal geometric parameters have been determinedВ роботі розглянуто параметри секціонування та взаємне розташування магнітів у роторі тягового синхронно-реактивного двигуна з постійними секціонованими магнітами. Запропоновано синтез геометричних параметрів ротору синхронно-реактивного двигуна з секціонованими постійними магнітами на підставі вирішення задачі умовної оптимізації. Для вирішення задачі синтезу розроблено математичну модель по визначенню електромагнітного моменту синхронно-реактивного двигуна з секціонованими постійними магнітами. Вона базується на розрахунку електромагнітного моменту  двигуна за результатами скінчено-елементного аналізу магнітного поля у плоско-паралельній постановці задачі. Модель реалізована в середовищі скінчено-елементного аналізу FEMM та дає можливість визначати електромагнітний момент двигуна при різноманітному секціонуванні постійних магнітів. В якості задачі аналізу запропоновано використати математичну модель магнітного поля двигуна. Проведено постановку задачі умовної оптимізації ротору синхронно-реактивного двигуна за геометричними критеріями ротору. Встановлено обмеження за геометричними, міцносними показниками, а також за рівнем електромагнітного моменту.  У якості метода оптимізації обрано метод Нелдера-Міда. За результатами вирішення задачі синтезу параметрів секціонованого ротору тягового двигуна приводу коліс тролейбусу визначено, що об’єм постійних магнітів вдалось знизити 2.27 рази, порівняно з базовою конструкцією та здобуто їх оптимальні геометричні розміри (5 мм, 5.2 мм та 5 мм), відстані між ними 17,8 мм та 15,3 мм, а також кут навантаження двигуна, який становить 121,12° ел. За результатами вирішення задачі синтезу параметрів секціонованого ротору тягового синхронно-реактивного двигуна тролейбусу визначено оптимальні його геометричні параметр

Recommendations for the selection of parameters for shunting locomotives

Shunting is an integral part of the partial process. In 1520 mm gauge countries, shunting operations are performed by outdated locomotives, which are being replaced by modern models; the technical parameters best match the conditions of the shunting work performed. The article analyzes recommendations for the selection of parameters of shunting locomotives and the actual indicators of their work. On the basis of this analysis, a requirement was made on the necessity of compulsory consideration of the operating conditions of the locomotive when determining its technical characteristics. As the main technical parameters of shunting locomotives, the tractive power and starting tractive force are taken and their influence on the duration of an elementary shunting movement of the "acceleration-deceleration" type is investigated. This approach advises the regulatory documentation for the organization of shunting work. The developed mathematical model allows to carry out research on the influence of tractive power and starting tractive force on the time of acceleration and deceleration. Calculations of the time of the train's acceleration are carried out with varying their mass and the slope of the track at different values of the tractive power starting tractive force. The calculations were carried out for the mass of compositions 1000...5000 Mg for the profile slopes equal to 0 and 1.5 ‰. The speed of the finish of acceleration was taken equal to 15 and 25 km/h. The thrust starting tractive force varied in the range of 150...300 kN, the tractive power - 200 ... 1100 kW. According to the results of calculations, it was found that the reduction in the duration of the elementary shunting movement is more significantly affected by the power of the locomotive than by the starting traction force. The “saturation” effect was noted, in which a significant increase in power or traction force during starting does not cause a significant reduction in the acceleration time. In this regard, for shunting locomotives with AC traction drive, it is recommended to take a pulling force of an equal continuous traction force