Pantograph-Catenary System Modeling Using MATLAB-Simulink Algorithms

Pantograph-Catenary System Modeling Using MATLAB-Simulink Algorithms Contacts between pantograph and catenary are the most critical parts in the transmission of electrical energy for modern high-speed trains. Contact wire oscillations change combined force between pantograph and catenary, and the contact may even get lost. Therefore special pantographs and catenaries have been developed and further constructive changes are under development. A design criterion includes the permanent contact of pantograph head and contact wire at high speed and the reduction of both aero acoustic noise and wear. Because of complicated dynamic behaviour and very high costs for prototypes, all modifications and new design concepts for the pantograph/catenary system are essentially based on dynamical simulation. Traditional approaches focus on the catenary, which is modelled as set of coupled strings and/or beams, whereas simplified lumped mass models are used to describe the pantograph. Nowadays increased computer power allows considering applications with more refined pantograph modes (e.g. the elasticity of the pantograph) and active control components in innovative pantograph concepts. Sistēmas "Pantografs-strāvas uztvērējs" modelēšana uz Matlab-Simulink algoritmu bāzes Kontakts starp pantogrāfu un kontaktu vadu ir vissvarīgākā daļa elektroenergiju pārvadē modernu liela ātruma elektrovilcienos. Kontakta vada svārstības dēļ notiek mijiedarbības spēka izmaiņas starp pantogrāfu un vadu, kas nereti atved pie kontakta zaudējuma starp vadu un pantogrāfu. Tādu situāciju izņēmumam pieprasa pastāvīgi pilnveidot šīs sistēmas komponentu mijiedarbību ar pastāvīga strāvas uztvērēja kontakta nodrošinājumu ar tīkla vadiem vilciena kustības augsta ātruma gadījumā, ievērojot šīs sistēmas elementu nodilumu un traucējumu signālu apslāpēšanas. Šīs sistēmas dinamisku procesu sarežgītības dēļ, kuras notiek vilciena kustības reālos apstākļos, kā arī šīs sistēmas galveno elementu augstas izmaksas dēļ, visas izmaiņas sistēmā "pantogrāfs/strāvas uztvērējs" pamatojas dinamiskas modelēšanas posmā. Mūsdienīgu datoru programmas nodrošinājums ļauj pielietot sistēmas bloku funkcionēšanas režīmu modelēšanas vairāk modernu metodes un šīs sistēmas vadības metožu, ievērojot tās parametru un ārēju iedarbību izmaiņas. Šajā darbā sistēmas "pantogrāfs/strāvas uztvērējs" matemātikas modeļu priekšstatam bija izmantoti diferenciālvienādojumi, kas raksturo tās dinamiskas īpašības. Uz šo vienādojumu bāzes ar sistēmas Matlab/Simulink izmantošanu tika izveidotas vadu sistēmas atbilstošie modeļi, pasīva un aktīva pantogrāfu, kā arī pētāmās sistēmas kopējais modelis. Katram modelim tika saņemti atbilstošie dinamiskie raksturojumi (impulsu, pārveidošanas, biežumu), kas apstiprina to funkcionēšanas stabilitāti (nestabilitāti) ar parametru un ārēju iedarbību dažādām vērtībām. Uz izpildīto pētījumu rezultātu bāzes tiek piedāvāti rekomendācijas aktīva pantogrāfa tālākai algoritmu pilnveidošanai. Моделирование системы ‘пантограф- токоприемник’ с использованием алгоритмов системы Matlab Контакт между пантографом и контактным проводом является наиболее важным элементом в передаче электрической энергии в современных поездах, двигающихся с высокой скоростью. При таком движении в результате колебаний контактного провода происходит изменение силы взаимодействия между пантографом и проводом, что нередко приводит к потере контакта между проводом и пантографом. Для исключения таких ситуаций требуется постоянно совершенствовать взаимодействие компонентов этой системы с целью обеспечения постоянного контакта токоприемника с проводами сети (пантограф /токоприемник) на высокой скорости движения поезда с учетом износа элементов этой системы и подавления сигналов помех. В виду сложности динамических процессов, происходящих в этой системе при ее эксплуатации в реальных условиях движения поезда, а также учета высокой стоимости основных элементов этой системы, все изменения в системе пантограф /токоприемникобосновываются на этапе динамического моделирования. Программное обеспечение современных компьютеров позволяет применять более совершенные методы моделирования режимов функциониования основных блоков системы пантограф /токоприемники применения активных методов управления этой системой с учетом изменения ее параметров и внешних воздействий. В данной статье для представления математических моделей системы - пантограф /токоприемник - были использовали дифференциальные уравнения, характеризующие их динамические свойства. На основе этих уравнений с использованием системы Matlab и Simulink были сформированы соответствующие модели системы проводов, пассивного и активного пантографов, а также общая модель исследуемой системы. Для каждой модели были получены соответствующие динамические характеристики (импульсные, переходные, частотные), подтверждающие устойчивость (неустойчивость) их функционирования при различных значениях параметров и внешних возмущений. На основании результатов выполненных исследований даны рекомендации для дальнейшего совершенствования алгоритмов активного пантографа.