Raylı sistemlerde pantograf-katener sistemlerinin dinamik ark model simulasyonları
Dynamic arc model simulations of pantograph-catenary systems in rail systems
- Tez No: 920666
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA BAĞRIYANIK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 109
Özet
Dünya'da ilk demiryolu taşımacılığı 1825 yılında gerçekleştirilir ve bir dönüm noktası olur. Demiryollarının gelişmesi, Sanayi Devrimi'nin bu gezegende yaşayan hemen herkesin yaşantısını etkilemesini sağlayan engin bir üretim endüstrisi yaratır. Bu küresel anlamdaki etki endüstrinin ve teknolojinin gelişme hızını katlar. İnsanlığın kaderini etkileyen tarihteki en önemli olaydan birisidir. Aradan geçen tam 200 yıllık süre zarfında önemini ve değerini hiç kaybetmeyerek günümüzde çok önemli bir sektör haline gelmiştir. Hızlı, güvenilir, konforlu ve çevre dostu raylı sistem taşımacılığı hiç kuşkusuz en önemli ulaşım araçlarındandır. Bu sebeple raylı sistem alanında yapılan çalışmalarda her geçen gün artmaktadır. Günümüzde kullanılan demiryolu araçlarının büyük bir çoğunluğunu elektrikli trenler oluşturmaktadır. Trenler ihtiyaç duydukları elektrik enerjisini dışarıdan sağladıkları için ve raylar üzerinde dinamik olarak hareket halinde oldukları için elektrik enerjisinin trene sorunsuz bir şekilde aktarılması gerekmektedir. Trenlerin ihtiyaç duyduğu bu elektrik enerjisi pantograf-katener sistemi aracılığıyla sağlanır. Demiryolu hattı boyunca kurulan katener sistemi, fiziksel olarak sabit ve elektrik enerjisini sürekli olarak trenlere iletmeye hazır bir sistemdir. Trenlerin üzerinde bulunan pantograf sistemi ise tren ile birlikte dinamik hareketli ve katenerden aldığı elektrik enerjisini trene iletilmesini sağlayan sistemdir. Enerjinin kalitesi ve sürekliliği açısından pantograf-katener sistemleri çok önemlidir. Pantograf-katener sistemlerinde arklanma olayı ise en sık karşılaşılan arıza çeşididir. Bu tez çalışmasında pantograf-katener sistemlerinde dinamik ark simulasyonları yapılmıştır. Pantograf-katener sistemleri arasında çeşitli sebeplerden dolayı elektriksel ark olayı meydana gelir. Pantograf-katener sistemlerinde elektrik arkının özelliklerini incelemek için arkın matematiksel modelinin oluşturulması gerekmektedir. Bu sebeple dinamik ark modellerinin matematiksel formülleri tartışılmıştır. Literatürde yer bulan on iki farklı dinamik ark modelinin detaylı incelemesi yapılmıştır. Her bir model ayrı ayrı araştırılmış ve elde edilen sonuçlar ortaya konulmuştur. Pantograf arkını anlamak için öncelikle elektriksel ark olayının tartışılması gerekir. Pantograf-katener elektriksel arkı fizik, kimya, mekanik ve malzeme gibi birçok konuyla ilişkilidir ancak elektriksel kısmı çalışmanın odak noktasıdır. Ark özellikleri, oluşum nedenleri, pantograf ve katener sistemlerinde arkın oluşmasının nedenleri ve arkın söndürülmesi üzerine araştırma yapılmıştır. Oluşan pantograf arkının gerilim ve akım sinyalleri üzerindeki etkilerini gerçek bir sistemde görebilmek için demo olarak seçilen demiryolu hattının bir bölgesinde elektriksel ölçümler yapılmıştır. Yapılan ölçüm sonuçları analiz edilmiş ve ark olayının gerçekleştiği durumlara ait grafikler bu çalışmada paylaşılmıştır. Burada amaç bilgisayar ortamında yapılan simulasyonlar ile gerçekte meydana gelen olayların karşılaştırılarak ortak olguların kanıtlanması ve çalışmanın doğruluğunun ispatlanmasıdır. Dinamik ark modellerinin transfer fonksiyonu içeren matematiksel formülleri verilmiştir. Bu çalışmanın ana konusu olan simulasyon için ise bu formüllerin bir bilgisayar programına aktarılması gerekir. Burada simulasyon çalışmaları MATLAB/Simulink ortamında gerçekleştirilmiştir. Ark tespiti için en sık kullanılan yedi farklı ark modeline ait bloklar oluşturulmuştur. Bu blokların parametreleri ve nasıl oluşturulacağı anlatılmıştır. Çalışmanın uygulama kısmında ark modellerinin uygulanacağı devre modellenmiştir. Devre modeli tasarlanırken gerçeğe en yakın simulasyonu elde etmek amacıyla modelde cer transformatör eşdeğer devresi, katener hattı eşdeğer devresi ve tren eşdeğer devresi dikkate alınarak tasarlanmıştır. Ark modeli bloğunda farklı ark modelleri kullanılarak simulasyon tekrarlanmaktadır. Burada sırasıyla Cassie, Habedank, Kema, Mayr, modifiye Mayr, Schavemaker ve Schwarz ark modelleri üzerinde durulmuştur. Çalışmanın son kısmında ise tüm ark modellerinin tek bir devre üzerinde simulasyonu yapılmıştır. Sonuç olarak gerçek ölçüm verileri ile simulasyon sonuçlarını karşılaştırdığımızda benzer sonuçlar olduğu görülmüştür. Öte yandan farklı dinamik ark modelleri incelenerek sonuçları ortaya konmuştur. Raylı sistem alanında yapılan bu tez çalışması pantograf-katener sistemlerinde gerilim ve akım sinyalleri üzerinden ark kaynaklı arızaların tespitinde literatüre katkı sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
The first railway transportation in the world was carried out in 1825, marking a turning point in history. The development of railways created an extensive production industry that allowed the Industrial Revolution to affect the lives of almost everyone on the planet. This global impact accelerated the pace of industrial and technological advancement and became one of the most significant events shaping humanity's destiny. Over the 200 years since, railways have maintained their importance and value, evolving into a critical sector today. Fast, reliable, comfortable, and environmentally friendly rail transportation systems are undoubtedly among the most vital modes of transportation. Consequently, research and development in the field of rail systems continue to increase day by day. Today, a significant proportion of railway vehicles consist of electric trains. Since these trains require a continuous supply of electrical energy from external sources and are dynamically moving along tracks, it is essential to transfer electrical energy to the trains seamlessly. This energy transfer is achieved through the pantograph-catenary system. The catenary system, installed along the railway line, is a physically fixed structure that continuously supplies electrical energy to the trains. The pantograph system, mounted on the trains, is dynamically mobile and ensures the transfer of electrical energy from the catenary to the train. The quality and continuity of energy are critically dependent on the pantograph-catenary systems. Among the most common faults encountered in these systems is arcing. This thesis focuses on the dynamic arc simulations in pantograph-catenary systems. Electrical arcs may occur in these systems due to various reasons. To examine the characteristics of electrical arcs in pantograph-catenary systems, it is necessary to develop a mathematical model of the arc. Therefore, the mathematical formulas for dynamic arc models are discussed. A detailed analysis of twelve different dynamic arc models found in the literature has been conducted. Each model has been individually studied, and the obtained results are presented. To understand pantograph arcing, the phenomenon of electrical arcs must first be examined. The electrical arc in pantograph-catenary systems is associated with multiple disciplines, including physics, chemistry, mechanics, and materials science; however, the electrical aspect is the primary focus of this study. Research has been conducted on arc characteristics, causes of occurrence, reasons for arc formation in pantograph-catenary systems and arc extinction methods. Electrical measurements were performed in a selected section of a railway line as a demonstration to observe the effects of pantograph arcing on voltage and current signals in a real system. The measurement results were analyzed, and graphs illustrating scenarios where arcing occurred are shared in this study. The objective here is to validate the accuracy of the study by comparing the simulations conducted in a computer environment with real-world events and identifying common phenomena. The mathematical formulas containing the transfer functions of dynamic arc models are provided. For the simulations, which constitute the main focus of this study, these formulas were implemented in a computer program. Simulation studies were carried out using MATLAB/Simulink. Blocks representing seven commonly used arc models for arc detection were created. The parameters of these blocks and their construction are explained. In the application section of the study, the circuit where the arc models were implemented was designed. The circuit model was developed by considering the equivalent circuits of the traction transformer, catenary line and train to achieve the most realistic simulation. Simulations were repeated using different arc models in the arc model block. The Cassie, Habedank, Kema, Mayr, modified Mayr, Schavemaker, and Schwarz arc models were analyzed sequentially. In the final part of the study, all arc models were simulated on a single circuit. In conclusion, comparing real measurement data with simulation results revealed similar outcomes. Additionally, the results of various dynamic arc models were examined and presented. This thesis contributes to the literature on rail systems by facilitating the detection of arc-related faults in pantograph-catenary systems through voltage and current signal analysis.
Benzer Tezler
- Demiryolu elektrifikasyon sistemleri için dinamik test ve ölçüm sisteminin gerçekleştirilmesi
Realization of dynamic test and measurement system for railway electrification systems
ŞAKİR PARLAKYILDIZ
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHSİN TUNAY GENÇOĞLU
- Pantograf-katener sistemlerinde görüntü işleme tabanlı temassız izleme yöntemlerinin geliştirilmesi
Development of image processing based contactless monitoring methods in pantograf-catenary systems
ORHAN YAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolFırat ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET KARAKÖSE
- Raylı sistemlerde pantograf-katener sisteminin modellenmesi, simülasyonu ve arıza teşhis yöntemlerinin geliştirilmesi
Modeling, simulation and development of fault diagnosis methods for pantograph-catenary system in railway systems
EBRU KARAKÖSE
Doktora
Türkçe
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiFırat ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHSİN TUNAY GENÇOĞLU
- Raylı sistem elektrifikasyonu katener sistemlerinde pandül verilerinin yapay sinir ağları ile tasarlanması
Designing dropper data with artificial neural networks in railway electrification catenary systems
ALİRIZA ATAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiRaylı Sistemler Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEÇKİN ULUSKAN
- Rijit katener sisteminin modellenerek yolcu üzerindeki elektrik ve manyetik alan etkisinin incelenmesi
Modelling of the rigid catenary system and electrical and magnetics field effects on passengers
SALİH SARISAKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ