Підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту
| dc.contributor.advisor | Островерхов, Микола Якович | |
| dc.contributor.author | Вещиков, Георгій Вячеславович | |
| dc.date.accessioned | 2026-05-29T12:30:10Z | |
| dc.date.available | 2026-05-29T12:30:10Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | Вещиков Г. В. Підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертаційну роботу присвячено вирішенню наукової задачі з підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічних системах рухомого складу пасажирського електротранспорту в умовах автономного електроживлення, застосування магнітного редуктора та високодинамічного навантаження на основі визначення раціональних значень параметрів та аналізу режимів роботи системи. У першому розділі проведено комплексний аналіз властивостей та енергетичних показників основних елементів сучасних електромеханічних систем рухомого складу пасажирського електротранспорту, що визначають їх енергоефективність. Особливу увагу приділено силовим електромеханічним та електронним перетворювачам енергії, а також передатним пристроям, що являють собою основні складові електромеханічних систем транспортних засобів із автономним живленням. Порівняння різних топологій електронних перетворювачів показало, що вибір його схеми залежить від вимог до рівня струмів та напруг, діапазону регулювання, наявності рекуперації, рівня гармонічних спотворень та вартості. Аналіз сучасних топологій підтвердив можливість досягнення ККД 96-98 % при високій питомій потужності та широкому діапазоні керування, що робить їх придатними для використання в електромеханічних системах транспортних засобів з високою напругою ланки постійного струму. Аналіз електромеханічних перетворювачів енергії показав, що кожен тип електродвигуна має свої переваги та обмеження. Асинхронні двигуни залишаються найбільш надійними та доступними варіантами завдяки простоті конструкції, високій надійності та можливості реалізації оптимальних систем керування завдяки розвитку напівпровідникових перетворювачів. Синхронні машини з контактними кільцями забезпечують стабільність швидкості, але малопридатні для мобільних застосувань через наявність ковзних контактів. Двигуни з постійними магнітами демонструють найвищий ККД та кращі масогабаритні показники, проте обмежуються ризиком розмагнічування та вищою вартістю у порівнянні з іншими типами електродвигунів. Двигуни постійного струму, попри зручність керування та високий пусковий момент, поступаються за надійністю та вартістю обслуговування через наявність щітковоколекторного вузла. Для покращення показників якості керування тягового електропривода електромеханічних систем рухомого складу електротранспорту, що особливо важливо в умовах дії сильних і короткочасних моментів збурення, які можуть бути спричинені нерівністю колії, доцільним буде використання магнітного редуктора замість механічного. Дане рішення дозволяє покращити комфорт пасажирів під час руху, знизити ударні навантаження на вал двигуна та відповідно збільшити термін служби та зменшити вартість обслуговування. У другому розділі розроблено математичну модель електромеханічної системи, яка включає моделі асинхронного тягового двигуна, силового електронного перетворювача, акумуляторної батареї, суперконденсатора та магнітного редуктора. Модель побудована з урахуванням режимів руху, наявності високодинамічних механічних збурень та нелінійності характеристик електричних елементів. В основі математичної моделі електромеханічного перетворювача енергії лежить модель асинхронного двигуна в обертовій системі координат. Для керування двигуна було застосовано типову систему векторного керування, а також використано оптимальні стратегії керування, такі як метод максимального моменту на ампер та метод мінімізації втрат в міді. В якості джерела енергії було досліджено батарею суперконденсаторів, що базується на моделі суперконденсатора з трьома паралельними RC-контурами, один з яких містить нелінійну ємність. Інші два ємнісні контури мають достатньо великі сталі часу, тому суттєво не впливають на тривалість перехідних процесів в колі та не ускладнюють загальну математичну модель електромеханічної системи. Для узгодження напруг в ланках постійного струму було використано двонаправлений DC-DC перетворювач постійного струму, модель якого враховує внутрішні опори елементів, що суттєво впливають на енергоефективність досліджуваної системи. Вибір даного перетворювача було обумовлено можливістю реалізації рекуперації енергії. Для створення трифазної напруги живлення електродвигуна було використано повномостовий трифазний інвертор з шістьма ключами та керуванням ШІМ сигналом. Для керування асинхронним двигуном застосовано систему векторного керування з використанням стратегій оптимізації, орієнтованих на зменшення струмів, що протікають через обмотки двигуна, оптимальне формування електромагнітного моменту та зниження електричних втрат. У третьому розділі проведено дослідження енергоефективності автономної роботи електротранспорту на основі використання батарей суперконденсаторів для живлення тягового електроприводу вагону метро в умовах аварійного відключення електроенергії мережі або її недостатнього генерування. Визначено витрати енергії батареї суперконденсаторів на розгін та ефективність перетворення енергії, що характеризується загальним ККД системи. Було досліджено ефективність рекуперації на основі використання суперконденсаторних накопичувачів електроенергії. В результаті дослідження було встановлено кількісну залежність ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу в режимі рекуперації від швидкісного режиму гальмування при автономному живленні від батареї суперконденсаторів. Показано, що при низьких швидкостях ефективність рекуперативного гальмування є невисокою за рахунок того, що електричні та фрикційні втрати співмірні з корисною потужністю. Ефективність віддачі енергії збільшиться, якщо гальмування відбувається з більш високих швидкостей, проте після досягнення певної швидкості коефіцієнт ефективності рекуперації зменшиться. Це дозволяє визначити раціональний швидкісний діапазон рекуперації, в межах якого забезпечується максимальна ефективність перетворення енергії за робочий цикл. У четвертому розділі виконано порівняльний аналіз показників ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту на прикладі вагонів метро при дії сильних і короткочасних моментів збурення під час розгону, руху з усталеною швидкістю та сповільнення типового тягового електропривода з механічним редуктором та запропонованої системи з магнітним редуктором, отримано залежності рухомих моментів, швидкостей, кутів повороту валів у часі, спектрів осциляцій моментів та залежності характерних показників передачі від її коефіцієнтів жорсткості та демпфування. Наявність магнітного редуктора обумовлює пружно-в’язкий зв’язок між його вхідним та вихідним валом. Результати дослідження показали, що зменшення коефіцієнта жорсткості магнітного редуктора призводить до зниження основної частоти коливань рухомого моменту та спричиняє суттєве зменшення амплітуди коливань моменту і часу стабілізації. При збільшенні коефіцієнта жорсткості магнітного редуктора амплітуда коливань наближається до значень при використанні жорсткої передачі з механічним редуктором, а різниця швидкостей та кутових положень вхідного і вихідного валів редуктора зменшується. Збільшення коефіцієнта демпфування впливає лише на зменшення часу затухання перехідного процесу. Спектральний аналіз показує, що наявність пружного зв’язку в магнітному редукторі обумовлює зменшення частоти осциляцій моменту, яке вказує на більшу інерційність і кращу адаптацію системи до зовнішніх збурень. Отримані аналітичні залежності між коефіцієнтами жорсткості та демпфування магнітної передачі, що визначають тип перехідного процесу електромеханічної системи та характер реакції тягового електроприводу на керуючі та збурюючі впливи, дозволяють цілеспрямовано формувати характер зміни моменту тягового електропривода, обґрунтовано підбирати параметри магнітної передачі для забезпечення аперіодичних перехідних процесів, зменшувати вплив збурень моменту навантаження та підвищувати якість керування електромеханічною системою рухомого складу пасажирського електротранспорту. Таким чином, застосування магнітного редуктора з раціонально підібраними параметрами в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту дозволяє підвищити динамічну стійкість моменту до короткочасних збурень, зменшити амплітуду коливань, знизити ударне навантаження на вал двигуна і відповідно збільшити термін служби та зменшити вартість обслуговування системи, що актуально для електротранспорту, який працює в умовах нерівномірного руху, зокрема метрополітену. Аналіз енергоефективності з урахуванням впливу стратегій керування тяговим електроприводом з магнітною передачею дозволив визначити показники споживання електроенергії та ККД в різних режимах роботи. Використання оптимальних стратегій керування електроприводом дозволяє підвищити ККД системи з магнітним редуктором, що забезпечує зменшення споживання електроенергії. Практичне значення одержаних результатів полягає у можливості використання розроблених моделей та методів для оптимізації параметрів електромеханічних систем рухомого складу пасажирського електротранспорту, удосконалення систем автономного живлення, зниження втрат енергії та підвищення надійності роботи рухомого складу електротранспорту. Результати досліджень можуть бути впроваджені під час модернізації існуючих та проектування нових енергоефективних електромеханічних систем. Результати дисертаційної роботи використовуються у навчальному процесі в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» та Інституті електродинаміки НАН України, що підтверджується відповідними актами впровадження. | |
| dc.description.abstractother | Veshchykov H.V. Improving the energy conversion efficiency in the electromechanical system of passenger electric transport rolling stock. – Qualifying scientific work on manuscript rights. Dissertation for obtaining the scientific degree of Doctor of Philosophy in specialty 141 – Electric power engineering, electrical engineering and electromechanics. - National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", National Technical University of Ukraine "Ihor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to solving the scientific problem of improving energy conversion efficiency in the electromechanical system of passenger electric transport rolling stock under autonomous power supply conditions, using a magnetic gear and operating under high-dynamic loads, based on determining rational parameter values and analyzing system operating modes. The main part of the dissertation consists of an introduction, four sections divided into subsections, conclusions, a list of references and appendices with a list of the applicant's published works on the topic of the dissertation and scientific seminars and conferences at which the results were reported, acts of implementing the results of the dissertation, and other things. In the first section, a comprehensive analysis of the properties and energy performance indicators of the main components of modern electromechanical systems of passenger electric transport rolling stock that determine their energy efficiency is carried out. Special attention is paid to power electromechanical and electronic energy converters, as well as transmission devices, which are key components of electromechanical systems of vehicles with autonomous power supply. A comparison of different topologies of electronic converters has shown that the choice of circuit configuration depends on current and voltage level requirements, control range, regenerative capability harmonic distortion level, and cost. The analysis of modern topologies confirms the possibility of achieving an efficiency of 96-98% at high power density and a wide control range, which makes them suitable for use in electromechanical systems of vehicles with a high DC-link voltage. The analysis of electromechanical energy converts has shown that each type of electric motor has its own advantages and limitations. Induction motors remain the most reliable and cost-effective option due to their simple design, high reliability, and the possibility of implementing optimal control systems enabled by advances in semiconductor converters. Slip-ring synchronous machines provide stable speed but are poorly suited for mobile applications due to sliding contacts. Permanent magnet motors demonstrate the highest efficiency and superior weight and size characteristics; however, they are limited by the risk of demagnetization and higher cost compared to other motor types. DC motors, despite ease of control and high starting torque, are inferior in reliability and maintenance cost due to the presence of a brush-commutator assembly. To improve the control quality of the traction electric drive in electromechanical systems of electric transport rolling stock, especially under strong and short-term disturbance torques caused, for example, by track irregularities, the use of a magnetic gear instead of a mechanical gearbox is proposed. This solution improves passenger comfort during motion, reduces impact loads on the motor shaft, increase service life, and reduces maintenance costs. In the second section, a mathematical model of the electromechanical system is developer, including models of an induction traction motor, power electronic converter, battery, supercapacitor, and magnetic gear. The model is constructed taking into account motion modes, high-dynamic mechanical disturbances, and nonlinear characteristics of electrical elements. The mathematical model of the electromechanical energy converter is based on the induction motor model in a rotating reference frame. A conventional vector control system was applied for motor control, along with optimal control strategies such as the Maximum Torque per Ampere (MTPA) method and copper loss minimization. A supercapacitor battery was investigated as the energy source, based on a supercapacitor model with three parallel RC branches, one of which contains nonlinear capacitance. The other two capacitive branches have sufficiently large time constants and therefore do not significantly affect transient duration in the circuit and do not complicate the overall mathematical model. To match DC-link voltages, a bidirectional DC-DC converter was used, whose model takes into account internal resistances of elements that significantly affect system energy efficiency. The choice of this converter is justified by the possibility of implementing energy recuperation. A three-phase full-bridge inverter with six switches and PWM control was used to generate the three-phase supply voltage of the motor. An induction motor was controlled using a vector control system implementing optimization strategies aimed at reducing the currents flowing through the motor windings, ensuring optimal electromagnetic torque formation, and minimizing electrical losses. In the third section, was confirmed the operability of the autonomous power supply system for the traction electric drive of electric vehicles based on a supercapacitor battery using a DC-DC converter to match the battery voltage with the voltage of the direct current link and vector control of the asynchronous motor. In traction mode, when accelerating a subway car to a speed of 47 km/h in 16 s, energy consumption is about 50% of the battery capacity, which will allow starting the movement in the event of a power outage, and the overall efficiency of the system reached 87%. The quantitative dependence of the efficiency of energy conversion in the electromechanical system of rolling stock in the recuperation mode on the high-speed braking mode with autonomous power supply from a supercapacitor battery has been established. It has been shown that at low speeds the efficiency of recuperative braking is low due to the fact that electrical and frictional losses are commensurate with the useful power. During deceleration from a speed of 10% of the nominal, the amount of energy returned to the supercapacitor battery was only 18%. The efficiency of energy conversion increases if braking occurs from higher speeds. Thus, the maximum value of the recuperation coefficient was 62% when deceleration from a speed of 50% of the nominal. With a further increase in speed, the efficiency of recuperation decreases. The obtained results allow us to determine the rational speed range of recuperation, within which the maximum efficiency of energy conversion per working cycle is ensured. This justifies the feasibility of further research into driving modes and control algorithms in order to increase the overall energy efficiency of autonomous electric transport power supply systems based on supercapacitors. In the fourth section, a comparative analysis of energy conversion efficiency indicators in the electromechanical system of passenger electric transport rolling stock is performed using metro cars as an example under strong and short-term disturbance torques during acceleration, steady-state motion, and deceleration. The performance of a typical traction drive with a mechanical gearbox is compared with the proposed system using a magnetic gear. Time dependences of torques, speeds, shaft rotation angles, torque oscillation spectra and characteristic transmission indicators as functions of stiffness and damping coefficients are obtained. The presence of a magnetic gear results in an elastic-viscous coupling between its input and output shafts. The results show that reducing the stiffness coefficient of the magnetic gear leads to a decrease in the fundamental oscillation frequency of the transmitted torque and significantly reduces torque oscillation amplitude and stabilization time. Increasing the stiffness coefficient causes oscillation amplitude to approach that of a rigid mechanical gearbox, while differences in speeds and angular positions of the input and output shafts decrease. Increasing the damping coefficient affect only the reduction of transient decay time. Spectral analysis demonstrates that the presence of elastic coupling in the magnetic gear reduces torque oscillation frequency, indicating greater inertia and improved adaptation of the system to external disturbances. The obtained analytical dependencies between the stiffness and damping coefficients of the magnetic transmission, which determine the type of transient process of the electromechanical system and the nature of the reaction of the traction electric drive to control and disturbing influences, allow us to purposefully form the nature of the change in the torque of the traction electric drive, reasonably select the parameters of the magnetic transmission to ensure aperiodic transient processes, reduce the influence of load torque disturbances and improve the quality of control of the electromechanical system of the rolling stock of passenger electric transport. Thus, the use of a magnetic gear with rationally selected parameters in the electromechanical system of passenger electric transport rolling stock improves dynamic torque stability under short-term disturbances, reduces oscillation amplitude, decreases impact load on the motor shaft, increases service life, and reduces maintenance costs, which is particularly relevant for electric transport operating under non-uniform motion conditions, especially metro systems. Energy efficiency analysis taking into account the influence of control strategies for a traction electric drive with magnetic transmission allowed determining the indicators of electricity consumption and efficiency in different operating modes. The use of optimal control strategies for the electric drive allows increasing the efficiency of the system with a magnetic gearbox, which ensures a reduction in electricity consumption. The practical significance of the obtained results lies in the possibility of using the developed models and methods for optimizing parameters of electromechanical systems of passenger electric transport rolling stock, improving autonomous power supply systems, reducing energy losses, and increasing reliability. The research results may be implemented in the modernization of existing and the design of new energyefficient electromechanical systems. The results of the dissertation are used in the educational process at the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute” and the Institute of Electrodynamics of the National Academy of Sciences of Ukraine, ad confirmed by relevant implementation acts. | |
| dc.format.extent | 165 с. | |
| dc.identifier.citation | Вещиков, Г. В. Підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту : дис. ... д-ра філософії : 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка / Вещиков Георгій Вячеславович. - Київ, 2026. - 165 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/81360 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | ефективність | |
| dc.subject | перетворювач | |
| dc.subject | енергія | |
| dc.subject | електромеханічна система | |
| dc.subject | транспорт | |
| dc.subject | керування | |
| dc.subject | електропривод | |
| dc.subject | асинхронна машина | |
| dc.subject | магнітний редуктор | |
| dc.subject | акумулятор | |
| dc.subject | суперконденсатор | |
| dc.subject | батарея | |
| dc.subject | електромагнітні процеси | |
| dc.subject | математична модель | |
| dc.subject | моделювання | |
| dc.subject | efficiency | |
| dc.subject | converter | |
| dc.subject | energy | |
| dc.subject | electromechanical system | |
| dc.subject | transport | |
| dc.subject | control | |
| dc.subject | electric drive | |
| dc.subject | asynchronous motor | |
| dc.subject | magnetic gear | |
| dc.subject | accumulator | |
| dc.subject | supercapacitor | |
| dc.subject | battery | |
| dc.subject | electromagnetic processes | |
| dc.subject | mathematical model | |
| dc.subject | simulation | |
| dc.subject.udc | 621.316 | |
| dc.title | Підвищення ефективності перетворення енергії в електромеханічній системі рухомого складу пасажирського електротранспорту | |
| dc.title.alternative | Improving the energy conversion efficiency in the electromechanical system of passenger electric transport rolling stock | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Вантажиться...
- Назва:
- Veshchykov_dys.pdf
- Розмір:
- 5.1 MB
- Формат:
- Adobe Portable Document Format
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: