Efficiency of an electric traction system concerning the improvement of electric energy quality and the reducing of EMI through multi domain design of electric drive systems, including power converters

This PhD thesis explores the power quality (PQ) and electromagnetic compatibility (EMC) challenges in electric railway traction systems (ERTS) and proposes solutions through a multi-domain design approach. The research includes mathematical modeling, simulation, and experimental validation across academic and industrial partners within the ETOPIA project. Key contributions include the optimization of a four-quadrant rectifier using proportional-resonant control to reduce harmonic distortion and improve PQ, as well as the selection of optimal switching frequencies for inverter-fed induction motor drives to mitigate EMC issues. Practical tests on locomotives confirmed the effectiveness of the proposed methods. The findings offer insights into minimizing EMI and ensuring system reliability while maintaining energy efficiency. Future work will focus on refining the ERTS model and validating the robustness of control strategies to external disturbances, contributing to the development of novel standards in PQ and EMC for railway applications.

Questa tesi di dottorato analizza le problematiche legate alla qualità dell'energia (PQ) e alla compatibilità elettromagnetica (EMC) nei sistemi di trazione ferroviaria elettrica (ERTS), proponendo soluzioni basate su un approccio di progettazione multi-dominio. La ricerca comprende modellazione matematica, simulazioni e validazioni sperimentali con partner accademici e industriali all'interno del progetto ETOPIA. I contributi principali includono l'ottimizzazione di un raddrizzatore a quattro quadranti tramite controllo proporzionale-risonante per ridurre la distorsione armonica e migliorare la PQ, nonché la selezione di frequenze di commutazione ottimali per inverter con motori a induzione per mitigare i problemi EMC. I test pratici sui locomotori hanno confermato l'efficacia dei metodi proposti. I risultati offrono spunti per minimizzare le EMI e garantire l'affidabilità del sistema, mantenendo l'efficienza energetica. I futuri sviluppi si concentreranno sul perfezionamento del modello ERTS e sulla validazione della robustezza dei sistemi di controllo, contribuendo allo sviluppo di nuovi standard PQ ed EMC per le applicazioni ferroviarie.