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
Yazar: EBRU KARAKÖSE
Danışman: DOÇ. DR. MUHSİN TUNAY GENÇOĞLU
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde temiz enerji kullanan, hızlı ve güvenilir bir ulaşım aracı olan elektrikli trenlerde, elektrik enerjisini taşıyan katener hattı ile bu enerjiyi lokomotife ileten pantograf sistemi arasındaki etkileşimin izlenmesi güvenlik açısından oldukça önemlidir. Özellikle yüksek hızlı trenlerin yaygınlaşması ile yüksek akım ve gerilim altında çalışan pantograf ve katener sistemi arasındaki temas kuvvetinin, pantograf yüzeyinin aşınma durumunun ve oluşabilecek arkların periyodik olarak kontrol edilmesi gerekir. Çevresel şartlar, çalışma koşulları ve sistem parametreleri gibi faktörlerden etkilenen pantograf ile katener arasındaki enerji iletiminin kalitesi için durum izleme, aktif pantograf kontrolü ve olası arızaların tespiti, raylı sistemlerin güvenilirliği açısından zorunlu olarak yapılması gereken işlemlerdir. 
Bu tez çalışmasında, bir pantograf-katener sisteminin modellenmesi ve sistem parametrelerinin etkilerinin analizi, pantograf ve katener arasındaki temas kuvvetinin aktif olarak kontrolü ve pantograf yüzeyi ile genel pantograf-katener sistemi üzerinde oluşacak arızaların teşhisine yönelik üç yeni yöntem önerilmiş ve bunlara ait doğrulama sonuçları deneysel veriler üzerinden sunulmuştur. İlk olarak pantograf-katener sistemi matematiksel olarak modellenerek transfer fonksiyonu elde edilmiş, bu modelde bulunan kütle, yay sabiti ve sönümleme katsayıları gibi altı parametrenin değişimi sonucunda genel sistemin nasıl davranacağı analiz edilmiştir. Sistem parametrelerinin olası herhangi bir nedenle değişmesi durumunda modelin simülasyonu sonucu sistemde salınımların oluştuğu, pantograf-katener etkileşiminin olumsuz etkilendiği ve enerji iletim kalitesinin azaldığı ortaya konulmuştur. İkinci çalışma pantograf-katener sistemlerinde sistem parametrelerinin değişmesi durumunda, sistemin kararlı, sağlam ve verimli çalışmasını sağlayacak aktif pantograf kontrolü için yapılmıştır. Tezde bu amaçla pantografın katenere temas kuvvetini tren hareket halinde iken koşullara göre sürekli ayarlayan yeni ve etkili bir yöntem sunulmaktadır. Bunun için geliştirilen adaptif bulanık kontrolör ve pantografın pozisyon bilgisini bulan görüntü işleme algoritması ile pantografın çevrimiçi kontrol edilmesine dayanan bu yeni yöntem literatüre önemli bir katkı sağlayacaktır. Önerilen yaklaşımda, bir kamera ile alınan pantograf-katener görüntüsünden, görüntü işleme teknikleriyle elde edilen konum bilgisi kullanılarak adaptif bir bulanık kontrolör ile pantografın aktif kontrolü sağlanmaktadır. Sonraki çalışma, katener hattının pantograf yüzeyine temas ettiği noktanın pantografın güvenli bölgesinde olup olmadığını belirlemek, pantograf yüzeyindeki bölgelerin aşınma oranını bulmak ve buna bağlı oluşabilecek arızalar için bir analiz yaklaşımı önermektedir. Bunun için ilk olarak katener hattının pantograf üzerinde kayarken oluşturduğu yörünge modellenmiş, daha sonra kamera ile katener hattının pantografa temas ettiği nokta görüntü işleme algoritmaları ile sürekli tespit edilerek gerçek veriler üzerinden arıza analizi gerçekleştirilmiştir. Böylece pantograf yüzeyinin her noktasının istatistiksel kullanım durumu ve ömrü konusunda tespit ve tahmin yapabilme imkanı oluşmuştur. Tezdeki son çalışma ise pantograf-katener sisteminden alınan akım verilerine S-dönüşümü uygulanarak elde edilen özellikler üzerinden bulanık sınıflandırıcı ile arkların tespitine yönelik bir yöntemdir. Öncelikle Mayr ark modeli ile simülasyon üzerinden elde edilen akım verileri kullanılmış, daha sonra bir trenden alınan gerçek akım verileri kullanılarak S-dönüşümü ve buna ait özellikler üzerinden arkların tespit edilmesi için yeni bir yöntem geliştirilmiş ve çeşitli senaryolar ile doğrulanmıştır. 
Sonuç olarak bu tez kapsamında, elektrikli trenlerde elektrik hattından lokomotife enerji iletimini sağlayan pantograf-katener sistemleri için yeni, etkili, yüksek doğruluklu, sağlam, gerçek zamanlı uygulanabilir ve temassız olarak durum izleme, analiz, kontrol ve arıza teşhis yöntemleri sunulmuştur. Elektrikli trenlerde güvenlik, enerji iletimi kalitesi, verimlilik ve periyodik izleme açısından büyük önem taşıyan bu yeni yöntemler için, bu alandaki çalışmalara ivme kazandıracak sonuçlar elde edilmiştir. Ayrıca temassız izleme çalışmalarının yapılmış olması, yüksek hızlarda bile tren hareket halinde iken, etkili sonuçların alınabilmesini sağlayacak görüntü işleme tekniklerinin bu alanda kullanılmasının avantajlı olduğunu göstermektedir. 
Bununla birlikte, bu tezde yapılan çalışmalar Tübitak-1001 programında yürütülen 112E067 numaralı araştırma projesi ile desteklenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Elektrikli demiryolu sistemleri, Pantograf-Katener sistemleri, Enerji iletimi, Aktif pantograf kontrolü, Durum izleme, Arıza teşhisi, Görüntü işleme, Ark tespiti.

Abstract:
Nowadays, monitoring the interaction between the catenary line carrying the electrical energy and the pantograph system transmitting the energy to the locomotive is very important in terms of security in the electric railway that is a fast and reliable means of transport and uses clean energy. Especially with the spread of high-speed trains, the contact force between the pantograph and the catenary working under high current and voltage, the wear status of the pantographs surface and possible arcs must be checked periodically. Condition monitoring, active pantograph control and possible fault detection for the energy transmission quality between the pantograph and the catenary affected from environmental conditions, operating conditions and system parameters are compulsory process in terms of rail systems reliability.
In this study, three new methods for modeling a pantograph-catenary system and analysis of the system parameters effects, the active control of the contact force between pantograph and catenary and fault diagnosis of the pantograph surface and the general pantograph-catenary system have been proposed and their validation results have been presented in the experimental data. First, transfer function of the pantograph-catenary system has been obtained by mathematical modeling. The system behavior according to the variation effects of the six parameters as mass, spring constant and the damping coefficient used in this model were analyzed for overall system. When the parameters of the system changed for any reason, it has been demonstrated that the oscillations occur in the system, pantograph-catenary interaction is adversely affected and the quality of energy transmission reduces as a results of the model simulation. The second study has been performed for active pantograph control that ensures the stable, reliable and efficient operation of the system in case of the system parameters variations in pantograph-catenary systems. For this purpose, a new and effective method is presented by adjusting the contact force of the pantograph according to the conditions constantly while the train is in motion in this thesis. Therefore, this new method based on the developed adaptive fuzzy controller and the image processing algorithm that finds and online checks the position information of the pantograph will make an important contribution to the literature. In the proposed approach, active control of the pantograph has been provided by using location information obtained from image processing techniques with an adaptive fuzzy controller in a pantograph-catenary image taken with a camera. Next study suggests an analysis approach in order to detect the regions of contact point and determine the wearing ratio of the pantograph regions and faults. Initially, the trajectory generated by catenary line when it is sliding on the pantograph has been modelled and then the fault analysis was carried out through the actual data by determining the point of the pantograph touched to catenary line with the camera and image processing algorithms. Thus, the possibility of the determination and prediction for the statistical usage status of each point and service life of the pantograph surface has been occurred.  Recent study is to perform a method for detection of the arcs with fuzzy classifier by applying S-transformation to the current data received from pantograph-catenary system. Mayr arc model and current data obtained from simulation were used. A new method was developed by using actual current data of a train for detecting the arc via S-transformation and the corresponding properties of S-transformation and it was confirmed with various scenarios.
Consequently new, efficient, highly accurate, robust, real-time applicable and non-contact condition monitoring, analysis, control and fault diagnosis methods for pantograph catenary systems that provide energy transmission to the locomotive from the electric line in the electrical trains have been presented. Results have been obtained for these new methods which have great importance in terms of security, energy transmission quality, efficiency and periodic monitoring in electrical trains and they will accelerate studies in this area. In addition, non-contact monitoring studies have been performed, while the train is in motion at high speeds, the advantage of the image processing techniques usage which allows obtaining effective results has been indicated.
Additionally, the studies realized in this thesis are supported by the research project of 112E067 conducted at TUBITAK-1001 program.

Keywords: Electrical railway systems, Pantograph-Catenary systems, Energy transmission, Active pantograph control, Condition monitoring, Fault diagnosis, Image processing, Arc detection.