Design and testing of an active control system for high-speed railway pantographs

The imperative for sustainable transportation has positioned high-speed electric railways as a key technology for decarbonization. However, their maximum operational speed and reliability are often limited by the dynamic interaction between the pantograph and the overhead catenary. Large variations in the contact force lead to poor current collection quality, electrical arcing, and accelerated wear of both the collector strips and the contact wire, resulting in significant operational costs and safety concerns. This thesis addresses these challenges through the design, construction, and experimental validation of a novel active pantograph prototype. The proposed solution involves retrofitting a commercial pantograph with a bi-directional, string-and-pulley actuation system. This innovative design allows for both upward and downward force application on the collector head, enabling precise regulation of the contact force while maintaining the pantograph's intrinsic fail-safe passive behaviour. The project followed a comprehensive model-based design approach. A coupled, four-degree-of-freedom dynamic model of the entire system was developed in MATLAB to simulate its behaviour and to design a PID controller, which was optimized using a Genetic Algorithm. A physical prototype was subsequently engineered in SolidWorks, fabricated using 3D printing, and integrated with DC motors and a dedicated control unit. The performance of the active system was rigorously evaluated on a Hardware-in-the-Loop (HiL) test rig, comparing it against the standard passive configuration under realistic operating conditions. The experimental results successfully demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed concept. The active pantograph achieved a significant reduction in the standard deviation of the contact force, with improvements of up to 17.47\% in realistic HiL simulations. This work validates the bi-directional pulley actuation as a viable technology, providing a robust foundation for future developments in active pantograph control aimed at enhancing the operational speed, safety, and economic efficiency of railway systems.

L'imperativo di una mobilità sostenibile ha reso le ferrovie elettriche ad alta velocità una tecnologia chiave per la decarbonizzazione. Tuttavia, la loro massima velocità operativa e affidabilità sono spesso limitate dall'interazione dinamica tra il pantografo e la catenaria. Ampie variazioni nella forza di contatto causano una scarsa qualità della captazione di corrente, la formazione di archi elettrici e un'usura accelerata sia degli striscianti del collettore che del filo di contatto, con conseguenti costi operativi significativi e rischi per la sicurezza. Questa tesi affronta tali problematiche attraverso la progettazione, la costruzione e la validazione sperimentale di un innovativo prototipo di pantografo attivo. La soluzione proposta consiste nell'equipaggiare un pantografo commerciale con un sistema di attuazione bidirezionale basato su pulegge e una trasmissione a fune. Questo design innovativo consente di applicare una forza sia verso l'alto che verso il basso sulla testa del collettore, permettendo una regolazione precisa della forza di contatto e mantenendo al contempo il comportamento passivo intrinsecamente sicuro del pantografo in caso di avaria. Il progetto ha seguito un approccio completo di "model-based design". È stato sviluppato in ambiente MATLAB un modello dinamico accoppiato a quattro gradi di libertà per simulare il comportamento del sistema e progettare un controllore PID, ottimizzato tramite un Algoritmo Genetico. Successivamente, un prototipo fisico è stato ingegnerizzato in SolidWorks, realizzato tramite stampa 3D e integrato con motori a corrente continua e un'unità di controllo dedicata. Le prestazioni del sistema attivo sono state rigorosamente valutate su un banco prova Hardware-in-the-Loop (HiL), confrontandole con la configurazione passiva standard in condizioni operative realistiche. I risultati sperimentali dimostrano con successo la fattibilità e l'efficacia del concetto proposto. Il pantografo attivo ha ottenuto una riduzione significativa della deviazione standard della forza di contatto, con miglioramenti fino al 17,47\% nelle simulazioni HiL più realistiche. Questo lavoro valida l'attuazione a puleggia bidirezionale come una tecnologia praticabile, fornendo una solida base per futuri sviluppi nel controllo attivo dei pantografi, finalizzati a migliorare la velocità operativa, la sicurezza e l'efficienza economica dei sistemi ferroviari.