Semi-active control of railway pantographs through an electro-hydraulic damper

The pantograph-catenary interaction is one of the most critical issues for the performance and reliability of railway systems for the high-speed and low-speed networks. The most influencing parameter on the pantograph-catenary interaction is the variability of the contact force. A high value of standard deviation of the contact force corresponds to a poor quality of current collection. In this study, the semi-active control of railways pantograph through an electro-hydraulic damper is proposed to reduce the fluctuation of the contact force. A numerical analysis on the FE software PCaDA is carried out to investigate the possibility to differentiate the damping on the lower frame in the double pantograph operation. Since the results are more promising on the low-speed application with respect to the high-speed one, this study focuses on the low-speed application. Once defined the target of damping on the lower frame, the model of the EH damper is included in the pantograph model and a simplified model of the pantograph-catenary interaction is proposed. This simplified model is in good agreement with the FE model for frequencies up to 3.5 Hz. The simplified model is used to optimize the control parameters of the semi-active control logics proposed in this study: the two adopted solutions are the Compression and Extension logic (C/E), which is a simplification of the Skyhook, and the Maximum Power Point Tracking (MPPT) logic. The application of the CE control logic leads to a reduction of standard deviation up to 41% with respect to the initial configuration in single pantograph operation, whereas the reduction of standard deviation is up to 5.5% in double pantograph operation. The application of the MPPT logic provides a reduction up to 35% in single pantograph operation, whereas no significant improvement are observed for the double pantograph operation.

L'interazione pantografo catenaria è uno degli aspetti chiave per le performance e l'affidabilità dei sistemi ferroviari per le linee ad alta e bassa velocità. Il parametro che più influenza l'interazione pantografo catenaria è la variabilità della forza di contatto. Ad un valore alto di deviazione standard della forza di contatto corrisponde una bassa qualità di captazione. In questa tesi, per ridurre le fluttuazioni della forza di contatto, viene proposto un controllo semi-attivo di pantografi ferroviari con uno smorzatore elettro-idraulico. E' stata effettuata un'analisi numerica sul software agli elementi finiti PCaDA per esaminare la possibilità di differenziare lo smorzamento sul quadro del pantografo nella captazione multipla. Poichè i risultati sono più promettenti per la bassa velocità rispetto all'alta velocità, la tesi si concentra sulla bassa velocità. Una volta definito il target di smorzamento sul quadro, il modello dello smorzatore elettro-idraulico viene inserito nel modello del pantografo e viene proposto un modello semplificato dell'interazione pantografo catenaria. Questo modello semplificato approssima correttamente il modello agli elementi finiti fino ad una frequenza di 3.5 Hz. Il modello semplificato viene utilizzato per ottimizzare i parametri di controllo delle logiche semi-attive proposte in questa tesi: le soluzioni adottate sono la logica di Compressione ed Estensione (C/E), che è una semplificazione dello Skyhook, e il Maximum Power Point Tracking (MPPT). L'applicazione della logica C/E porta ad una riduzione della deviazione standard fino al 41% rispetto alla configurazione iniziale in singola captazione, mentre la riduzione della deviazione standard è fino al 5.5% in doppia captazione. L'utilizzo della logica MPPT porta ad una riduzione fino al 35% in singola captazione, mentre non ci sono significativi miglioramenti nella doppia captazione.