Comparison between induction, permanent magnets and synchronous reluctance motors for electrical railway traction applications

The purpose of this thesis is to conduct an analysis of the applicability of Synchronous Reluctance motors for the electrical railway traction applications. In summary, the aim of this thesis is to evaluate possible solutions, free from permanent magnet applications, able to realize an electromechanical power conversion with the required performance characteristics, reliability and ease of use. This solution has been identified with the Synchronous Reluctance motors and the advantages and disadvantages of these particular machines will be highlighted compared to other common types of machines more used in the industrial field. In the various chapters of the thesis it will be first illustrated the theoretical aspects of the mathematical model that describes the behavior of the Synchronous Reluctance motor, the aspects relating to the regions of operation and the control strategies adopted. Furthermore, the characteristic parts that constitute the rotor structure in terms of design will be presented. Subsequently, comparisons will be introduced based on the main characteristics of these motors in comparison with Induction motors and Permanent Magnet Synchronous motors by conducting a bibliographic search on existing realities in the industrial field. Comparisons will be made as regards the performance in terms of efficiency for the comparison with the induction motor and as regards the comparison with the Permanent Magnet motor, the focus will be on behavior in different fault conditions. It will then be illustrated how the Synchronous Reluctance motor can be a good alternative in terms of performance and reliability for its possible use for the electrical railway traction applications.

Lo scopo di questa tesi è di condurre un'analisi dell'applicabilità dei motori Sincroni a Riluttanza per le applicazioni di trazione elettrica ferroviaria. In sintesi l'obiettivo di questa tesi è valutare possibili soluzioni, libere da applicazioni di magneti permanenti, in grado di realizzare una conversione di potenza elettromeccanica con le caratteristiche prestazionali richieste, affidabilità e facilità di utilizzo. Questa soluzione è stata identificata con i Motori sincroni a riluttanza e i vantaggi e gli svantaggi di queste particolari macchine saranno messi in evidenza rispetto ad altri tipi comuni di macchine più utilizzate in ambito industriale. Nei vari capitoli della tesi saranno prima illustrati i fondamenti teorici del modello matematico che descrive il comportamento del Motore sincrono a riluttanza, gli aspetti concernenti le regioni di funzionamento e le strategie di controllo adottate. Inoltre saranno presentate le parti caratteristiche che ne costituiscono la struttura del rotore in termini di design. Successivamente saranno introdotti dei confronti basati sulle caratteristiche principali di tali motori in confronto con i motori a Induzione e i motori sincroni a Magneti permanenti eseguendo una ricerca bibliografica su realtà già esistenti nel campo industriale. Saranno effettuati confronti per quando riguarda le prestazioni in termini di efficienza per il confronto con il motore a induzione e per quanto riguarda il confronto con il Motore a magneti permanenti ci si concentrerà sul comportamento in diverse condizioni di guasto. Verrà quindi illustrato come il Motore sincrono a riluttanza può essere una buona alternativa in termini di prestazioni ed affidabilità per un suo eventuale utilizzo per la trazione elettrica ferroviaria.