№ 3 2017

Содержание

Периодический рецензируемый

научно-технический журнал

«Электроника и электрообору-

Электроснабжение и электрооборудование

дование транспорта» является

коллективным членом Академии

электротехнических наук РФ.

Cкрипко Л.А.

Расчет степени износа литийионных аккумуляторов, используемых

Учредитель и издатель - Научно-

в батарейных системах электромобилей и гибридных автомобилей.

производственное предприятие

Шапран Ф.В., Сергеев Б.С.

«Томилинский электронный

Идентификация параметров эквивалентной схемы регуляторов

завод».

напряжения стартер-генераторов тепловозов .

Сафин А.Р., Ившин И.В., Копылов А.М., Грачева Е.И., Цветков А.Н.

Журнал включен в перечень

Выбор и оптимизация конструктивных параметров обратимой

изданий, рекомендованных

электрической машины возвратно-поступательного движения .

ВАК для апробации кандидат-

Герман Л.А., Субханвердиев К.С.

ских и докторских диссертаций.

Расчеты токов короткого замыкания в тяговой сети переменного тока

при учете системы внешнего электроснабжения .

Свидетельство

Болнокин В.Е., Нгуен Динь Чунг, Феофанов С.А.

о регистрации СМИ

Электронное управление распределенными транспортными процессами

ПИ №ФС 77-29963

с помощью многосерверных систем обработки информации .

от 17 октября 2007 г.

Главный редактор:

Мехатронные системы, исполнительные устройства

А.Г. Бабак, к.т.н.

Редакционный совет:

Доманов В.И., Доманов А.В., Альтахер Аббас А. Карим

М.П. Бадёр, д.т.н., профессор,

Синтез и анализ работы вычислителя скорости вентильного двигателя.

Л.А. Герман, д.т.н., профессор,

В.Н. Дианов, д.т.н., профессор,

Электронные компоненты, датчики

Ю.М. Иньков, д.т.н., профессор,

К.Л. Ковалёв, д.т.н., профессор,

А.С. Космодамианский, д.т.н.,

Нефедьев А.И., Шаронов Г.И.

профессор,

Автомобильный многопозиционный датчик положения.

А.С. Мазнёв, д.т.н., профессор,

Г.Г. Рябцев, д.т.н., профессор,

Проблемы качества и надежности,

В.И. Сарбаев, д.т.н., профессор,

сертификация, стандартизация

В.Е. Ютт, д.т.н., профессор.

Козловский В.Н., Новикова А.П.

Выпускающий редактор:

Анализ подходов и имитационное моделирование при разработке

Н.А. Климчук.

и реализации электротехнической системы мониторинга состояния

комплекса электроснабжения беспилотного автомобиля.

Редакция:

140070, Московская область,

Лисенков А.Н.

Робастное проектирование и многофакторные испытания

Люберецкий район, п. Томилино,

электротехнических изделий транспорта для обеспечения их качества.

ул. Гаршина, д. 11.

Тел./факс: (495) 500-40-20,

(495) 557-21-92

Информация

E-mail: npptez@mail.ru

Сайт: www.npptez.ru

Краснов Л.А.

Подписано в печать:

О правовых актах, регламентирующих контроль и надзор в сфере

__.06.2017 г.

правовой охраны и использования результатов интеллектуальной

деятельности гражданского, военного, специального

Отпечатано:

и двойного назначения .

ГУП МО «Коломенская типография».

Краснов Л.А.

140400, г. Коломна,

О предоставлении субсидий российским производителям

ул. III Интернационала, д. 2а.

на финансирование части затрат, связанных с регистрацией

E-mail: bab40@yandex.ru

на внешних рынках объектов интеллектуальной собственности.

Краснов Л.А.

Формат 60х90/8,

Об изменении осуществления государственными заказчиками

бумага мелованная, объем 7 п.л.,

управления правами Российской Федерации на результаты

тираж 1000 экз., заказ 656

интеллектуальной деятельности гражданского, военного,

специального и двойного назначения.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Расчет степени износа литийионных

аккумуляторов, используемых в батарейных

системах электромобилей и гибридных

автомобилей

// SOH estimation of EV and HEV lithiumion battery applications //

Скрипко Л. А., к.т. н.,

энтузиастов и поклонников марки Tesla

ФГУП НАМИ, Москва

собрала информацию о 286 электромо-

билях, эксплуатируемых во всем мире.

Статья посвящена проблеме опреде-

This paper reports some results relating

Целью исследования было определение

ления степени износа литийионного

to a new method of state of health (SOH)

периода эксплуатации аккумуляторов

аккумулятора в процессе эксплуатации

estimation for battery-based systems of

и факторов, оказывающих на него влия-

электромобиля или гибридного авто-

electro- and hybrid vehicles. Some main

ние. Полученные данные свидетельству-

мобиля. Актуальность создания

challenges were addressed for the accurate

алгоритма расчета заключается

estimation of SOH at runtime. Relevance

ют о том, что в первые 100 000 км пробе-

в необходимости контроля степени

of the problem raised is the need to control

га аккумуляторы теряют лишь 5% своей

износа аккумуляторов с целью предот-

the SOH of batteries in order to prevent

емкости. Что еще более примечательно,

вращения потери производительности

the reduces of vehicle performance and

после этой отметки старение аккумуля-

транспортного средства и преждевре-

premature failure of expensive battery cells.

торов замедляется. Оценочные расчеты

менного выхода из строя дорогостоя-

Simulation and experiment results show

позволяют предположить, что при про-

щих аккумуляторных ячеек. В статье

the feasibility and effectiveness of the algo-

беге до 250 000 км аккумуляторы еще

представлены подробное описание

rithm for LFP 20 Ah cells.

потеряют всего 5% емкости.

алгоритма расчета и полученные

Keywords: EV, HEV, Kalman filter, lithi-

Зависимости срока службы аккумуля-

результаты для железо-фосфатного

um battery, state of health calculation.

торов от режима их эксплуатации посвя-

аккумулятора емкостью 20 А·ч.

щено множество работ. Например, ис-

Ключевые слова: электромобили,

следования аккумуляторов Tesla позво-

гибридный автомобиль, фильтр

лили сделать предварительный вывод,

Калмана, литийионная аккумуля-

что наиболее правильно их заряжать

торная батарея, расчет степени

не полностью, а до 90%. При этом полез-

износа аккумулятора.

но периодически использовать станции

В далеком 1925 году Сакити Тоёда,

бюджетного электромобиля, на борту

быстрого подзаряда, то есть заряжать

основатель компании Toyota, учредил

которого установлены литийионные

аккумуляторы большой мощностью кра-

награду в 1 млн йен за успехи в области

аккумуляторы, может составлять бо-

тковременно, не давая им разряжаться

исследований и производства литий-

лее 150 км. Дорогие модели способны

в поездке полностью. Изучив подобные

ионных аккумуляторов. Планка была

преодолевать 400 км и более. Впечат-

исследования, можно утверждать, что

поднята достаточно высоко. Победитель

ляющие результаты получены при кон-

на сроке службы литийионных аккуму-

должен был предложить аккумулятор-

струировании самих электромобилей

ляторов негативно сказывается эксплу-

ную батарею, обеспечивающую мощ-

и их электропривода. Например, в июле

атация при их глубоком разряде, работа

ность разряда в 75 кВт в течение 24 ча-

2016 года был побит рекорд Гиннеса по

при низкой температуре, чрезмерный

сов. При этом весить она должна была не

энергоэффективному использованию

перезаряд, перегрев. На сроке службы

более 225 кг. Несложный подсчет пока-

запасаемой энергии аккумулятора. На

также негативно сказывается разряд

зывает, почему спустя 90 лет награда не

электромобиле eLi14 за счет использо-

большими токами. Для северных стран,

нашла победителя и, вероятнее всего,

вания легких материалов, аэродинами-

где электромобили могут использовать-

найдет еще не скоро. Аккумуляторная

ческих усовершенствований и высоко-

ся при отрицательных температурах,

батарея Сакати должна иметь плотность

го КПД привода был получен пробег

важно помнить, что заряд литийионных

энергии около 12 кВтч/кг, то есть пре-

в 1232 км при расходе всего одного

аккумуляторов при температурах ниже

взойти существующие показатели для

киловатт-часа электроэнергии. Имея

нуля приводит к выходу их из строя. Ис-

литийионных аккумуляторов в 60 раз.

такие результаты, можно утверждать,

ходя из вышесказанного, можно сделать

Такая высокая энергоемкость сравни-

что опасения водителей относительно

вывод, что заявленный производителем

ма с показателями бензина. Подобных

недостатка энергии на борту и ограни-

срок службы аккумуляторов сильно за-

революционных инноваций инженеры

ченного пробега остаются в прошлом.

висит от условий эксплуатации электро-

пока предложить не в силах, но успехи

Хорошей новостью является и то, что

мобиля. Как правило, в документации

в производстве литийионных аккумуля-

период эксплуатации литийионных

производителя указано примерное ко-

торов за последние десятилетия хорошо

аккумуляторов также не является ак-

личество циклов заряда/разряда, на ко-

известны. Сегодня пробег даже самого

туальной проблемой. Недавно группа

торое рассчитан аккумулятор. При этом

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

цифра дается для строго определенных

режимов. Например, для аккумулятора

одного из корейских производителей

можно найти такие параметры: 3000 ци-

клов при 100% заряде и последующем

100% разряде, при токах заряда/разряда

20 А/40 А и температуре 23°C. Сужая рам-

ки условий эксплуатации, данный произ-

водитель указал даже усилие, с которым

аккумуляторы должны быть сжаты при

компоновке в аккумуляторном модуле.

Нетрудно представить, что в условиях

реальной эксплуатации электромобиля

соблюсти все эти условия практически

невозможно. В результате период экс-

Рис. 1. Зависимость сопротивления аккумулятора от степени заряда и температуры

плуатации аккумуляторов можно рас-

считать только приблизительно. Поэто-

с большой степенью достоверности су-

к тому, что результатом измерений будет

му перед инженерами возникает вопрос,

дить о текущем сопротивлении аккуму-

не одно верное значение сопротивления,

как точно определять степень износа

ляторов и далее о SOH.

а некий массив данных. В качестве дока-

аккумуляторов в течение срока их экс-

Фактический расчет сопротивления

зательства этого факта можно привести

плуатации и какие критерии для этого

на электромобиле при реализации моде-

результаты замера сопротивления на ис-

использовать.

ли будет осуществляться по выражению

пытательном стенде в режиме хаотично-

В качестве решения этой задачи

го нагрузочного цикла (рис. 2). В данном

R0_meas= dU/dI,

(1)

можно предложить использование за-

цикле контур тока нагрузки представлял

висимости степени износа (SOH - state

где R0meas - рассчитанное внутреннее

собой чередование заряда и разряда ак-

of health) от внутреннего омического со-

омическое сопротивление аккумулято-

кумулятора, а также пауз различной про-

противления аккумулятора. Дело в том,

ра, Ом; dU - изменение падения напря-

должительности, которые могут имити-

что при деградации аккумулятора его

жения на аккумуляторе при изменении

ровать остановку электромобиля.

внутреннее сопротивление возрастает.

тока, В; dI - изменение тока нагрузки

Если проанализировать полученные

Таким образом, отслеживая сопротивле-

в момент измерения, А.

результаты, то можно заметить, что, не-

ние, можно судить о SOH. Чтобы опреде-

Как следует из выражения (1), замер

смотря на казалось бы хаотичное рас-

лить подобную зависимость SOH = f(R0),

сопротивления должен осуществляется

пределение величин, существует их

следует провести так называемое цикли-

в момент изменения величины тока. Это

некое среднее значение, которое и бу-

рование аккумулятора, которое состоит

возможно, например, при резком уско-

дет соответствовать действительному

из большого числа циклов его разряда

рении электромобиля или при его тор-

сопротивлению аккумулятора в дан-

и заряда. В процессе циклирования фик-

можении, когда электродвигатель пере-

ный момент. Учитывая зависимости со-

сируются остаточная емкость аккумуля-

ключается в генераторный режим. При

противления аккумулятора от степени

тора и соответствующее внутреннее со-

кажущейся простоте реализация такого

его заряда

(рис.

1), стоит напомнить,

противление. Как правило, аккумулятор

алгоритма может вызвать сложности

что при существенном разряде (SOC

считается пришедшим в негодность, если

из-за погрешностей датчиков тока и на-

<30%) его сопротивление возрастает

его емкость составляет 80% от первона-

пряжения. Эти погрешности приводят

существенно, а значит, при составлении

чальной. Например, если в начале экс-

плуатации электромобиля емкость его

аккумуляторов составляла 100 А·ч, то при

емкости 80 А·ч аккумуляторная батарея

подлежит замене.

Возвращаясь к построению зависи-

мости SOH = f(R0), удобно проанализи-

ровать зависимость сопротивления R0

от температуры и степени заряда акку-

мулятора. В качестве примера на рис. 1

представлены подобные зависимости

для железо-фосфатного аккумулятора

емкостью 20 А·ч. Как видно из графиков,

при температуре от +20 до +30°С и сте-

пени заряда от 30 до 90% сопротивле-

ние аккумулятора практически не меня-

ется. Таким образом, если при эксплуата-

ции электромобиля проводить замеры

строго при данных условиях, то можно

Рис. 2. Результаты измерения сопротивления аккумулятора в ездовом цикле

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

математической модели расчет в этой об-

предполагаемого значения искомой

более чем на 70%. Оставшаяся задача

ласти производить нельзя. Представлен-

величины и степени корректировки. За

системы управления состоит в определе-

ный на рис. 2 цикл нагрузки соответство-

степень корректировки отвечает коэф-

нии SOН, которая является функцией со-

вал постепенному разряду аккумулятора.

фициент усиления KG. Чем величина

противления R0. Преимуществом пред-

Как видно из графика, после 3000 секунд

KG больше, тем сильнее модель будет

ложенного метода являются, с одной

его сопротивление резко увеличилось.

реагировать на корректирующий сиг-

стороны, простота реализации, а с дру-

Аккумулятор в данный момент времени

нал. Формула расчета сопротивления

гой стороны - точность получаемых ре-

разрядился на 70%, что подтверждает,

выглядит следующим образом:

зультатов. О важности расчета параметра

в том числе, работоспособность предло-

SOН для электротранспорта говорилось

R0_t = R0_t-1 + KG × [R0_meas - R0_t-1],

(3)

женного метода расчета.

в начальной части статьи.

Дальнейшая задача заключалась

где R0_t - значение сопротивления, Ом;

Литература

в определении сопротивления, которое

R0_t-1 - значение сопротивления на пре-

1. Kerlau M., Marcinek M., Srinivasan V.,

являлось бы математическим ожидани-

дыдущем шаге расчета (предполагаемое

Kostecki R. M. Reprint of «Studies of local degra-

dation phenomena in composite cathodes for

ем получаемого разброса значений. Для

значение сопротивления), Ом; R0_meas -

lithium-ion batteries», Electrochimica Acta

этого предложен алгоритм вычисления

измеренное значение сопротивления

(2007), p. 1385-1392.

с использованием фильтра Калмана. Ал-

по выражению (1).

2. Liu P., Wang J., Hicks-Garner J., Sherman E.,

горитм расчета с использованием филь-

При первой итерации величину R0_t-1

Soukiazian S., Verbrugge M., Tataria H., Musser J.,

Finamore P. Ageing Mechanisms of LiFePO4 Bat-

тра Калмана предусматривает предска-

можно задать приблизительно соответ-

teries Deduced by Electrochemical and Structural

зание искомой величины с дальнейшей

ствующей правильному значению. На-

Analyses / Journal of The Electrochemical Society

корректировкой ее значения. Примени-

пример, исходя из информации, пред-

157 (4) (2010), A499-A507.

3. Striebel K. A., Shim J., Cairns E. J., Kostecki R.,

тельно к рассматриваемой системе, каж-

ставленной на рис. 1, для испытуемого

Lee Y. J., Reimer J., Richardson T. J., Rossm P. N.,

дая итерация состоит из последователь-

аккумулятора сопротивление допусти-

Song X., Zhuang G. V. Diagnostic Analysis of Elec-

ного выполнения нескольких шагов. На

мо задать равным 0,0025 Ом. Последний

trodes from High-Power lithium-Ion Cells Cycled

under Different Conditions / Journal of The Elec-

первом шаге определяется коэффици-

этап расчета выполняет корректировку

trochemical Society 151 (6) (2004), A857-A866.

ент усиления Калмана

значения Eest:

4. Sethuraman V. A., Hardwick L. J., Srinivasan V.,

Kostecki R. Surface structural disordering in graph-

KG = Eest_t-1 / (Eest_t-1 + Emeas),

(2)

Eest_t = Eest_t-1 × [1-KG].

(4)

ite upon lithium intercalation/deintercalation

Journal of Power Sources 195 (2010), p. 3655-3660.

где KG - коэффициент усиления Калма-

Последовательное выполнение ите-

5. Sarre G., Blanchard Ph., Broussely M. Aging of

на (Kalman Gain); Eest_t-1 - ошибка расче-

раций позволяет получать сопротивле-

lithium-ion batteries / Journal of Power Sources

та; Emeas - ошибка измерения.

ние R0_t в виде среднего значения из-

127 (2004), p. 65-71.

6. Shikano M., Kobayashi H., Koike S., Sakaebe H.,

Значение ошибок Emeas и Eest_t-1

меряемых величин. На рис. 3 для ранее

Ikenaga E., Kobayashi K., Tatsumi K. Investigation

подбираются в ходе исследования для

рассмотренного цикла добавлены зна-

of positive electrodes after cycle testing of high-

получения наилучшей динамики моде-

чения сопротивлений на выходе филь-

power Li-ion battery cells II. An approach to the

ли. При этом значение Emeas остается

тра Калмана.

power fading mechanism using hard X-ray photo-

emission spectroscopy / Journal of Power Sources

всегда неизменно. К примеру, при стен-

Как следует из информации, пред-

174 (2007), p. 795-799.

довых испытаниях для рассматриваемо-

ставленной на рисунке, полученные зна-

7. Belt J. R., Ho C. D., Motloch C. G., Miller T. J.,

го в статье образца значение погрешно-

чения плавно отслеживают данные изме-

Duong T. Q. A capacity and power fade study of Li-

ion cells during life cycle testing / Journal of Power

сти Emeas составило 0,0001.

рений, приближаясь в итоге к среднему

Sources 123 (2003), p. 241-246.

На втором шаге производится рас-

значению. Еще раз можно подчеркнуть,

8. du Pasquier A., Blyr A., Cressent A., Lenain C.,

чет самой искомой величины. В нашем

что с целью предотвращения получения

Amatucci G. An update on the high temperature

ageing mechanism in LiMn2O4-based Li-ion cells /

случае это сопротивление аккумуля-

неадекватной информации расчет следу-

Journal of Power Sources 81-82 (1999), p. 54-59.

тора. Расчет производится исходя из

ет прекратить при разряде аккумулятора

Скрипко Леонид Александрович

Родился в 1976 году. Окончил МАДИ по специ-

альности

«Электрооборудование автомоби-

лей и тракторов». Кандидат технических наук.

В 2000 году защитил диссертацию по теме

«Комбинированные энергоустановки электро-

мобилей». Опыт работы - более 15 лет. В на-

стоящее время работает ведущим инженером

в ФГУП НАМИ. Автор Патента № 166471 «Схема

гибридного привода автомобиля».

Skripko Leonid

Was born in 1976. He graduated from Moscow

Automobile and Road Construction State Tech-

nical University majoring in «Electric equipment

of automobiles and tractors». He is Candidate

of Technical Sciences. In 2000 he defended the

thesis, the subject is «Combined electric plants

of automobiles». He has more than 15 years of

work experience. At present he works as Senior

Engineer at State Research Center of the Russian

Federation. He is author of patent no.166471.The

Рис. 3. Расчет сопротивления при использовании фильтра Калмана

scheme of Hybrid drive of automobile.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Идентификация параметров

эквивалентной схемы регуляторов

напряжения стартер-генераторов

тепловозов

// Model identification for voltage regulator

of diesel locomotive starter-generator //

Шапран Ф. В.,

и литературы [1, 3] показывает иден-

ООО «Горизонт», Екатеринбург

тичность решений силовой части РН

тепловозов. Стабилизация выходного

Сергеев Б. С., д.т. н., профессор,

напряжения СГ осуществляется соответ-

УрГУПС, Екатеринбург

ствующим управлением током обмотки

В статье представлена эквивалентная

This paper proposes a model of voltage

возбуждения (ОВ) СГ, заключающимся

схема регулятора напряжения стартер-

regulator of starter-generator of diesel lo-

в циклах включения и выключения тран-

генератора тепловоза с учетом реаль-

comotive taking electrical assemblies into

зисторного ключа S, как показано на

ных особенностей монтажных соедине-

account which let us analyze the working

рис. 1. При включенном ключе S питание

ний, позволяющая проанализировать

modes of voltage regulator with diesel

подается на ОВ, что увеличивает ток ОВ

режим работы регулятора напряжения

locomotive equipment. Failure modes of

и выходное напряжение СГ. После вы-

в составе оборудования тепловоза. На

voltage regulator elements were revealed

ключения ключа S ток обмотки ОВ сни-

основе разработанной эквивалентной

and design decisions of reliability and elec-

жается, протекая через диод VD2 [1]. Из-

схемы выявлены механизмы отказов

tromagnetic compatibility enhancement

менение отношения времен включения

элементов регулятора напряжения

were defined by the model.

и выключения ключа S изменяет средний

и представлены конструктивные ре-

Keywords: power converter, step-down con-

ток ОВ и выходное напряжение СГ.

шения, позволяющие повысить надеж-

verter, voltage regulator, starter-generator,

Контакторы РН на рис. 1 условно

ность и улучшить электромагнитную

electromagnetic compatibility.

не показаны, и в этой статье не рассма-

совместимость тепловозов.

тривается их влияние на надежность

Ключевые слова: полупроводниковый

функционирования РН.

преобразователь электроэнергии,

В основном электромагнитные про-

понижающий преобразователь напря-

цессы в схеме, показанной на рис. 1,

жения, регулятор напряжения, стар-

идентичны процессам преобразования

тер-генератор, электромагнитная

совместимость.

электроэнергии в импульсном стабили-

заторе постоянного напряжения пони-

Регулятор напряжения (РН) стартер-

Анализ эксплуатационных доку-

жающего типа (ПН) [4]. Отличия рассма-

генератора (СГ) тепловоза осуществляет

ментов различных РН, электрических

триваемой схемы (рис. 1) от схемы ПН

стабилизацию в заданных пределах вы-

принципиальных схем тепловозов

заключаются в том, что силовой ключ S

ходного напряжения стартер-генератора

в генераторном режиме при изменениях

в широких пределах его частоты враще-

ния и нагрузки [1]. Для повышения экс-

плуатационной надежности РН в разное

время предлагались решения в виде до-

полнительных устройств, ограничиваю-

щих, в частности, импульсные перенапря-

жения на элементах РН (например, [2]), но

проблема и в настоящее время остается

актуальной, что указывает на системный

характер ее причин.

Для решения поставленной зада-

чи необходимо выявить характер про-

цессов, приводящих к отказам силовых

ключей РН, и определить количествен-

ные параметры этих процессов, то есть

идентифицировать параметры эквива-

лентной схемы функционирования РН

в составе оборудования тепловоза.

Рис. 1. Схема силовой части РН

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Рис. 2. Эквивалентная схема РН с учетом наличия

Рис. 3. Модифицированная эквивалентная схема РН

паразитных элементов

подключен к отрицательному выводу

импульса U_ИМП зависит от скорости за-

включены активные сопротивления

источника входного напряжения. В каче-

пирания силового ключа S, эффектив-

монтажных кабелей R_М1-R_М3 и эквива-

стве эквивалента нагрузки ПН выступает

ной выходной емкости C_S ключа S,

лентное последовательное сопротивле-

активное сопротивление обмотки воз-

паразитных емкостей ОВ и монтажа.

ние R1 конденсатора С1.

буждения, отсутствует обычная для клас-

Максимальное напряжение на силовом

Измерение фактической индук-

сической схемы ПН выходная емкость,

ключе U_S складывается из постоянного

тивности провода L_М3 и ее расчет для

подключаемая параллельно нагрузке.

напряжения аккумуляторной батареи

сечения

4 мм²

(эффективный радиус

С точки зрения рассматриваемой

= 1,13 мм²) и длины проводника l,

UАБ и амплитуды импульса перенапря-

в этой работе проблемы существенным

жения U_ИМП.

в среднем составляющей 5 м, можно

отличием является конструктивно рас-

Нормированные усредненные зна-

определить из выражения [5]

пределенный характер схемы, так как

чения эффективной емкости полупро-

μ₀l

РН, ОВ и СГ удалены друг от друга на рас-

водникового прибора, использующейся

(ln

−

)

М3

2π

стояние до нескольких метров.

в качестве силового ключа в РН, ориен-

На рис. 2 показана эквивалентная

тировочно составляют 1 нФ, что недо-

что дает значение L_М3 = 9 мкГн.

схема РН, учитывающая следующие кон-

статочно для снижения амплитуды им-

Величина индуктивности ОВ состав-

структивные паразитные элементы: L_М1-

пульса перенапряжения до допустимых

ляет 0,2 Гн, что на четыре порядка боль-

пределов. Увеличение этой емкости, ре-

ше, чем индуктивность L_М3. Такое соот-

LМ3 - индуктивности монтажа соедини-

тельных линий, C_S - выходная емкость

ализуемое путем подключения внешних

ношение индуктивностей позволяет

силового ключа S, L_ОВ - индуктивность

конденсаторов параллельно силовому

упростить анализ путем замены индук-

ОВ, R_ОВ - активное сопротивление ОВ.

ключу S, приводит к повышению сред-

тивности L_ОВ генератором тока I_ОВ, по-

Пунктирной линией показана условная

ней мощности потерь в ключе и значи-

казанного на рис. 3. Величина I_ОВ равна

граница корпуса РН, определяющая

тельному увеличению максимального

току обмотки возбуждения в момент вы-

трехполюсный способ подключения РН

значения мгновенной мощности на эта-

ключения ключа S. В соответствии с [6]

к ОВ и СГ.

пе его включения. При этом повышается

примем, что значение тока генератора

Индуктивности L_М3 (рис. 2) соответ-

температура и снижается ресурс сило-

равно максимально допустимой вели-

ствует выделенный красным цветом на

вого ключа. Топология схемы такова, что

чине для СГ и составляет 20 А.

рис. 1 проводник между контактом 1 РН

любой способ подключения внешнего

В момент размыкания ключа S

и узлом К. По этому проводнику после

шунтирующего диода, замыкающего

(рис. 3) ток индуктивностей L_М1 и L_М2

завершения переходного процесса вы-

цепь тока ОВ, также неэффективен из-за

равен току I_ОВ. Амплитуда перенапряже-

ключения ключа S протекает ток ОВ.

наличия монтажных индуктивностей.

ния определяется выражением

На рис. 2 можно увидеть, что на эта-

Для снижения амплитуды перена-

I t)dt,

(1)

пе включенного состояния ключа S ин-

пряжения на силовом ключе U_ИМП в мо-

ИМП

∫

C1+C

дуктивность L_М3 не оказывает влияния

мент его закрытия в состав РН включают

на работу РН. В момент выключения

демпфирующую емкость, как, например,

где t₁ - время начала размыкания ключа

ключа S электромагнитные процессы

С1 и С2 на рис. 2.

S, t₂ - время, когда ток индуктивности

имеют существенные отличия от тради-

Для определения амплитуды им-

L_М3 достигает значения I_ОВ.

ционных схем. Величина тока в индук-

пульса перенапряжения U_ИМП на ключе

Приведя потери в монтажных ка-

тивности монтажа L_М3 в момент размы-

S выполним дальнейшую модификацию

белях к одному сопротивлению R_L

кания ключа S равна нулю и препятству-

схемы.

и сгруппировав емкости С1 и С_S в одну

ет протеканию тока ОВ через диод VD2,

В схеме, показанной на рис. 3, АБ,

демпфирующую емкость С_Д, получим

что обусловливает появление импульса

СГ и VD1 представлены эквивалентным

эквивалентную схему для расчета ам-

ЭДС самоиндукции ОВ. Амплитуда этого

сопротивлением R_АБ. В схему также

плитуды импульса напряжения на С_Д

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

выражение для стационарной амплиту-

демпфирующих конденсаторов, отказ

ды напряжения контура L_MC_Д:

которых, как указывалось ранее, приво-

дит к отказу силовых ключей РН. Крат-

ОВ

ность периодов импульсов m составля-

(3)

−md

ет 12,75 и 14.

−e

Рассмотренный режим резонансно-

Переменная m = T_ИМП/Т₀ - это крат-

го увеличения стационарной амплитуды

ность периода импульсов тока I_ОВ по

импульсов U*S возникает как при широт-

Рис. 4. Схема для расчета напряжения

на силовом ключе РН

отношению к собственному периоду

но-импульсном управлении силовым

колебаний контура С_ДL_М; d - декремент

ключом РН на постоянной частоте, так

и напряжения на силовом ключе РН, по-

затухания. При длительности импульсов

и при релейном способе управления

казанную на рис. 4.

тока IОВ, сравнимой с длительностью

силовым ключом на переменной часто-

Ключ SW в схеме на рис. 4 выполня-

периода T₀, для определения величины

те. В первом случае кратность m может

ет коммутации, соответствующие ключу

стационарной амплитуды U*S требует-

принимать целые значения из-за вре-

S и диоду VD на рис. 3. Значение индук-

ся совместный учет времен включения

менных изменений параметров контура

тивности L_М для времени начала выклю-

и выключения ключа S.

L_MC_Д. Во втором случае это происходит

чения ключа S соответствует индуктив-

Стационарная амплитуда напряже-

в процессе стабилизации выходного

ности L_М3.

ния на демпфирующем конденсаторе

напряжения СГ при некоторых соотно-

Определив времена t₁ и t₂ в выра-

C_Д определяет действующее значение

шениях тока нагрузки СГ и параметров

жении (1) через параметры схемы, изо-

тока конденсатора. В качестве приме-

схемы управления РН.

браженной на рис. 4, при однократном

ра влияния кратности m на величину

Действующее значение тока кон-

срабатывании ключа SW и равных нулю

действующего тока на рис. 5 показаны

денсатора определяет его эксплуатаци-

сопротивлениях R_L и R_C, получим вы-

результаты схемотехнического моде-

онный ресурс. Представленный анализ

ражение амплитуды перенапряжения

лирования: графики зависимости тока

электрического режима работы демп-

конденсатора C_Д от времени, начиная

фирующих конденсаторов указывает на

UИМП, которое будет являться функцией

характеристического сопротивления

с первого импульса тока (IОВ = 20 А),

возможную необходимость пересмотра

контура и тока I_ОВ:

при следующих параметрах элементов

сроков замены электролитических кон-

контура L_МС_Д: L_М = 9 мкГн; С_Д = 20 мкФ;

денсаторов при планово-предупреди-

ИМП ОВ

(2)

R_L = 23 мОм; R_C = 1 мОм. Значение R_L со-

тельных ремонтах эксплуатируемых РН.

ответствует сопротивлению провода се-

Индуктивность контура L_МС_Д являет-

При U_АБ

110 В; I_ОВ

20 А;

чением 2,5 мм² длиной 5 м [8]. Значение

ся эффективным излучателем радиопо-

L_М = 9 мкГн и С_Д = 20 мкФ значение U_S

соответствует среднему значению

мех, что совместно с высоким уровнем

составляет 123 В. Временная деграда-

эквивалентного последовательного со-

резонансных токов становится одной из

ция емкости электролитического кон-

противления современных электроли-

причин нарушения электромагнитной

денсатора С1 приведет к увеличению

тических конденсаторов с номинальной

совместимости (ЭМС) оборудования те-

максимального напряжения на сило-

емкостью 20 мкФ и допустимым напря-

пловоза. Способ прокладки проводов

вом ключе. Так, при уменьшении ем-

жением 250 В.

контура L_МС_Д в корпусе тепловоза обыч-

кости С1 в 10 раз по сравнению с но-

При периоде следования возбуж-

но требует согласования с разработчи-

минальной, U_S будет иметь уровень

дающих импульсов тока Т_ИМП, равном

ками РН и специалистами по ЭМС.

152 В. При отказе емкости С1 и наличии

1/850 с, действующее значение тока

Из выражений (2) и (3) следует, что

в контуре только эффективной выход-

конденсатора С_Д равно 7 A. Если изме-

при уменьшении величины индуктив-

ной емкости ключа C_S, если она равна

нить период Т_ИМП до 1/930 с, то действу-

ности L_M3 снижаются амплитуда пере-

1 нФ, расчетное максимальное напря-

ющее значение тока увеличится до 22 A,

напряжения U_ИМП и стационарная ам-

жение на силовом ключе U_S составит

что значительно снижает расчетную

плитуда перенапряжения U*S. На рис. 6

около 2 кВ.

[9] и фактическую наработки на отказ

показана возможность уменьшения

В установившемся режиме РН в ре-

зультате коммутаций ключа SW на

контур L_МС_Д периодически подаются

импульсы тока величиной I_ОВ, опреде-

ляющие стационарную амплитуду им-

пульсов напряжения на силовом ключе

U^*S.^{В работе [7] показана зависимость}

стационарной амплитуды напряжения

на элементах колебательного контура,

к которому прикладываются импуль-

сы напряжения малой длительности,

от кратности периода колебательного

контура к периоду импульсов напря-

жения. В случае приложения импуль-

Рис. 5. Зависимость тока конденсатора С_Д от времени при периоде импульсов генератора:

сов тока малой длительности получим

а) Т_ИМП = 850 Гц; б) Т_ИМП = 930 Гц

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Изменение способа подключения регу-

лятора напряжения на четырехполюс-

ный, включение в его схему входного

фильтра и элементов демпфирования

паразитных резонансов позволяют по-

высить надежность и улучшить электро-

магнитную совместимость оборудова-

ния тепловозов.

Наиболее радикальным методом

обеспечения надежной работы регу-

лятора напряжения является полная

конструктивная переработка монтажа

силовых соединительных элементов

и расположения полупроводниковых

приборов. Однако проведенный в на-

стоящей статье анализ и предложенные

практические меры позволяют повы-

Рис. 6. Подключение РН со сниженной индуктивностью монтажа L

М3

сить ресурс работоспособности регуля-

величины индуктивности L_M3 путем оп-

идентификации проводов и входных

торов напряжения, находящихся в экс-

тимальной прокладки проводов: узел

и выходных кабелей. В четырехполюс-

плуатации.

К максимально близко расположен

ной схеме прямой и обратный прово-

к РН.

да по входу или выходу РН необходимо

Литература

Дальнейший анализ показывает,

прокладывать в одном кабеле, что зна-

1. Филонов С.П., Гибалов А. И., Быковский В. Е.

что в установившемся режиме работы

чительно снизит эмиссию радиопомех

и др. Тепловоз 2ТЭ116. - 2 изд. - М.: Транспорт,

РН (в отличие от однократного в схеме,

за счет уменьшения площади контура

1985. - 330 c.

показанной на рис. 4) индуктивность

излучения и уменьшения эффективной

2. Устройство для ограничения напряжения

L_М включает в себя все три монтажные

индуктивности проводов [10].

в цепях полупроводникового регулятора

индуктивности L_М1-L_М3, что несколько

тока: заявка

94033131/11 Рос. Федерация:

снижает эффективность решения, по-

Выводы

МПК В 60 L 3/04 / Новиков О. И.; заявитель -

казанного на рис. 6, для повышения экс-

Распределенный характер системы

Уральское отделение Всероссийского на-

плуатационной надежности РН. В такой

управления током обмотки возбужде-

учно-исследовательского института желез-

схеме более эффективным решением

ния стартер-генератора при трехполюс-

нодорожного транспорта; заявл.

13.09.94;

будет включение полупроводникового

ном подключении регулятора напря-

опубл. 27.08.96.

диода в провод с индуктивностью L_М3,

жения приводит к включению в схему

3. Быков В.Г., Морошкин Б. Н., Серделевич Г. Е.

исключающий резонансное увеличение

преобразования электроэнергии мон-

и др. Пассажирский тепловоз ТЭП 70. - М.:

амплитуды импульсов перенапряжения.

тажных индуктивностей, вызывающих

Транспорт, 1976. - 235 c.

В свою очередь, решение с диодом под-

резонансные явления, что значительно

4. Сергеев Б.С., Чечулина А. Н. Источники

ходит не для всех типов РН, поскольку

повышает электрические нагрузки эле-

электропитания электронной аппаратуры же-

обычно вывод 1 РН (рис. 6) рассматрива-

ментов и способствует ускорению их

лезнодорожного транспорта. - М.: Транспорт,

ется как вывод питания схемы управле-

деградации с последующим отказом.

1998. - 280 c.

ния РН, а не как вывод, обеспечивающий

непрерывное протекание тока ОВ при

выключении силового ключа S.

При расчете РН и проектировании

схем подключения РН следует восполь-

зоваться подходами, классическими

для силовой электроники, что приво-

дит к схеме на рис. 7, где РН подключен

к оборудованию тепловоза как ПН - по

четырехполюсной схеме: узел К рас-

положен внутри корпуса РН. При этом

емкость С1 входит в состав входно-

го фильтра. В схеме на рис. 7 условно

не показаны необходимые здесь индук-

тивные элементы входного и выходного

фильтров.

Показанный на рис. 7 способ под-

ключения РН позволяет устранить

свойственную трехполюсной схе-

Рис. 7. Подключение РН к электрооборудованию тепловоза

ме включения РН неопределенность

в виде четырехполюсника

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

5. Калантаров П.Л., Цейтлин Л. А. Расчет ин-

Шапран Федор Валерьевич

Shapran Fedor

дуктивностей. Справочная книга.

3-е изд.,

Родился в 1972 году. В 1999 году окончил

Was born in 1972. In 1999 he graduated from

перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. -

Уральский государственный технический

Ural State Technical University majoring in «Ra-

488 c.

университет

(УГТУ-УПИ) по специальности

dio engineering». He has 18 years’ experience

6. Стартер-генератор 5 СГ. Технические ус-

«Радиотехника». Опыт разработки полупро-

of semiconducting power converters develop-

ловия ТУ 16-05810695-041-98. Дата введения:

водниковых преобразователей электроэнер-

ment for Russian Railways. At present he is an

31.07.2000.

гии для ОАО «РЖД» - 18 лет. В настоящее вре-

engineer at Gorizont Limited and he is a post-

7. Горелик Г. С. Колебания и волны. Введение

мя работает инженером в ООО «Горизонт»,

graduate student at Ural State University of Rail-

в акустику, радиофизику и оптику. 3-е изд. /

обучается в аспирантуре Уральского госу-

way Transport (USURT). He has 2 publications

Под ред. С. М. Рытова.

- М.: ФИЗМАТЛИТ,

дарственного университета путей сообщения

and 2 patents.

2007. - 656 c.

(УрГУПС). Имеет 2 публикации и 2 патента.

8. Белоруссов Н.И., Саакян А. Е., Яковле-

ва А. И. Электрические кабели, провода

Сергеев Борис Сергеевич

Sergeev Boris

и шнуры. Справочник / Под ред. Н. И. Бело-

Родился в 1941 году. В 1964 году закончил

Was born in 1941. In 1964 he graduated from

руссова. 5 изд., перераб. и доп. - М.: Энерго-

Уральский электромеханический институт

the Ural Electromechanical Railway Engineer-

атомиздат, 1988. - 540 c.

инженеров транспорта. Доктор технических

ing Institute. He is Doctor of Technical sciences,

9. Рентюк В. Зависимость времени наработки

наук, профессор. В 1993 году защитил доктор-

professor. In 1993 he defended doctorate thesis,

на отказ электролитических конденсаторов

скую диссертацию по теме «Силовая электро-

the subject of dissertation is «Power electron-

от реальных условий эксплуатации // Вестник

ника». Опыт работы - 53 года. В настоящее

ics». He has 53 years of work experience. At pres-

электроники. 2014. № 3. C. 32-38.

время работает профессором кафедры «Элек-

ent he works as professor of «Electric machines»

10.Шваб А. Электромагнитная совмести-

трические машины» Уральского государствен-

department of Ural State University of Railway

мость. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - 469 c.

ного университета путей сообщения (УрГУПС).

Transport. He has 190 publications, including

Имеет 190 публикаций, включая 4 моногра-

4 monographs, 130 certificates of authorships

фии, 130 авторских свидетельств и патентов.

and patents.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Выбор и оптимизация

конструктивных параметров

обратимой электрической машины

возвратно-поступательного движения

// Selection and optimization of design parameters

for reversible reciprocating electric machine //

Сафин А. Р., к.т.н., доцент,

Энергетическая стратегия России

Ившин И. В., д.т.н., профессор,

на период до 2030 года направлена на

Копылов А. М., Грачева Е. И., д.т.н., доцент,

развитие малой энергетики, что предо-

Цветков А. Н., к.т.н.,

ставляет возможности широкого приме-

КГЭУ, г. Казань

нения мобильных и стационарных энер-

гоустановок мощностью до 100 кВт на

В статье представлена методика вы-

The article presents the technique of design

базе двигателей внутреннего сгорания,

бора и обоснования конструктивных

parameters choice and substantiation for a

которые производят электроэнергию

параметров обратимой электрической

reversible electric machine with reciprocat-

для сверхмалых одиночных потребите-

машины возвратно-поступательного

ing motion in the engine and generator

лей [3, 7, 8, 9, 10].

движения в режиме генератора и дви-

mode. The aim of the study is to calculate

В качестве электромеханического

гателя. Целью исследования является

the rational parameters of an electric ma-

преобразователя энергии в таких энер-

расчет рациональных параметров

chine to ensure maximum energy efficiency

гоустановках оптимально использовать

электрической машины для обеспечения

taking into account the given conditions.

обратимую электрическую машину воз-

максимально возможной энергети-

The concept of parallel simulation

вратно-поступательного действия, по-

ческой эффективности с учетом за-

(Co-Simulation) is proposed. The concept is

строенную по модульному принципу

данных условий. Предложена концепция

based on the data exchange between the

(рис. 1) [1, 2]. Это позволит масштаби-

параллельного моделирования

programs MATLAB Simulink, CATIA V5 and

(Co-Simulation) на основе обмена данны-

ровать энергоустановку по мощности

a special program. The concept makes it

ми между программами MATLAB Simulink

для конкретной задачи. На рис. 1 пред-

possible to exchange the data between the

и CATIA V5 с помощью специально напи-

ставлен общий вид разрабатываемой

marked programs to improve the efficiency,

санной программы. Концепция дает воз-

электрической машины возвратно-по-

accuracy, simulation and optimization

можность производить обмен данными

ступательного действия, который был

of the parts structural dimensions. These

между обозначенными программами

определен на основе предварительного

values are placed in a 3D model of a linear

с целью повышения эффективности,

патентного анализа [6].

точности моделирования и оптими-

electric machine in CAD CATIA V5 for later

Аналитический анализ отобранных

зации конструктивных размеров дета-

kinematic and strength calculation. The

в результате патентного исследования

лей. Данные значения закладываются

modeling data in the software package

опубликованных охранных документов

в 3D-модели линейной электрической

MATLAB Simulink based on the programs

позволил выявить достоинства и не-

машины в САПР CATIA V5 для последую-

written in MATLAB are transferred to the

достатки различных конструктивных

щих кинематического и прочностного

project table Excel, which is synchronized

решений обратимой электрической

расчетов. Данные моделирования в про-

with the CAD CATIA V5. CATIA V5 develops

граммном комплексе MATLAB Simulink на

3D models of an electric machine stator

машины возвратно-поступательного

основе программ, написанных на языке

действия. Наиболее рациональной

and translator. The developed method al-

MATLAB, передаются в проектную та-

lows to determine the rational parameters

формой реализации обратимой элек-

блицу Excel, которая синхронизируется

трической машины возвратно-посту-

of an electrical machine during a design

с САПР CATIA V5. В CATIA V5 строятся

пательного действия является цилин-

stage, followed by an adjustment dur-

3D-модели статора и транслятора

дрическая конструкция с постоянными

ing the manufacture of an experimental

электрической машины. Разработанная

sample.

магнитами на подвижном якоре. Кон-

методика позволяет на стадии проек-

Keywords: reciprocating electric machine,

структивно целесообразно выполнять

тирования определить рациональные

simulation, three-dimensional modeling,

якорь полым, с поверхностно монти-

параметры электрической машины

optimization, energy efficiency.

руемыми магнитами, формирующими

с последующей отладкой при изготов-

радиальный магнитный поток. Выбран-

лении экспериментального образца.

ная форма реализации обеспечит наи-

Ключевые слова: электрическая маши-

лучшие технико-экономические харак-

на возвратно-поступательного дви-

жения, имитационное моделирование,

теристики обратимой электрической

трехмерное моделирование, оптимиза-

машины возвратно-поступательного

ция, энергетическая эффективность.

действия.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Рис. 1. Структура электрической машины возвратно-

поступательного действия с радиально-намагниченными

магнитами на подвижном элементе:

а) общий вид: 1 - кольцевой постоянный магнит,

2 - ярмо статора, 3 - фазные обмотки,

4 - немагнитная труба (титан);

Рис. 2. Эквивалентная схема

б) схема фаз и полярности постоянных магнитов

Методика выбора и обоснования

ного моделирования электротехниче-

обратимой электрической машины воз-

конструктивных параметров

ских устройств.

вратно-поступательного действия.

обратимой электрической

Кроме того, в модели с использова-

Внешние возмущающие механиче-

машины возвратно-

нием блоков SimPowerSystems можно

ские колебания, действующие на обра-

поступательного движения

применять блоки и остальных библи-

тимые электрические машины возврат-

С целью определения рациональных

отек Simulink, а также функции самого

но-поступательного действия, зачастую

конструктивных параметров электриче-

MATLAB, в том числе блок оптимизации

носят нестабильный характер. Поэтому

ской машины возвратно-поступательно-

Optimization Toolbox, что дает практиче-

целесообразна работа обратимых элек-

го движения предлагается реализовать

ски неограниченные возможности для

трических машин возвратно-поступа-

концепцию параллельного моделиро-

моделирования электротехнических

тельного действия на выпрямительную

вания (в иностранной литературе Co-

систем [5].

нагрузку с последующим аккумулирова-

Simulation) [11, 12, 16].

Таким образом, SimPowerSystems

нием энергии.

Данная концепция дает возможность

в составе Simulink на настоящее время

Эквивалентная схема представле-

производить обмен данными между раз-

может считаться одним из лучших паке-

на на рис. 2, где L_a, R₀ - индуктивность

личными программами с целью повыше-

тов для моделирования электротехни-

и активное сопротивление рабочей об-

ния эффективности, точности моделиро-

ческих устройств и систем [14, 21].

мотки; L_L, R_L - индуктивность и актив-

вания и оптимизации конструктивных

Для трехмерного моделирования,

ное сопротивление нагрузки с учетом

размеров деталей. В нашем случае пред-

прочностного и кинематического ана-

сопротивления выпрямителя; E_v - ЭДС

лагается производить обмен данными

лиза деталей электрической машины

движения, наводимая в рабочей обмот-

между программами MATLAB Simulink

выбран программный продукт CATIA

ке при перемещении магнитов [4].

и CATIA V5 через специально написан-

V5 - комплексная система автоматизи-

Движение магнитов будет подчи-

ную оригинальную программу.

рованного проектирования (CAD), тех-

няться закономерности

Разработка и оптимизация элек-

нологической подготовки производства

x = x_m sinωt,

(1)

трической машины возвратно-поступа-

(CAM) и инженерного анализа

(САЕ),

тельного действия должны проводиться

включающая в себя передовой инстру-

где x_m - амплитуда движения магнитов;

вместе с расчетом параметров преобра-

ментарий трехмерного моделирования,

ω - круговая частота перемещения маг-

зователя, линейная машина и преобра-

подсистемы программной имитации

нитов.

зователь должны рассматриваться как

сложных технологических процессов,

ЭДС движения E_v описывается выра-

единая система [13, 17, 19].

развитые средства анализа и единую

жением

В качестве среды имитационного

базу данных текстовой и графической

(2)

моделирования электрической машины

информации [20].

возвратно-поступательного действия,

где С_MW - коэффициент электромагнит-

полупроводникового преобразователя

Моделирование и исследование

ной силы

и системы управления выбраны про-

работы трехфазной электри

(3)

граммный комплекс MATLAB Simulink

ческой машины возвратно-

поступательного движения

и библиотека блоков SimPowerSystems,

где k_MW - коэффициент линеаризации

на выпрямительную нагрузку

которая является одной из множества до-

электромагнитной силы;

полнительных библиотек Simulink, ориен-

В интегрированной среде созда-

μ₀ - магнитная проницаемость ваку-

тированных на моделирование электро-

ния инженерных приложений Simulink

ума 4π·10^-7;

технических устройств. SimPowerSystems

системы MATLAB 2010 смоделированы

l - длина окружности диаметра маг-

содержит набор блоков для имитацион-

и исследованы различные виды работы

нита D_M;

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Рис. 3. Модель трехфазной линейной обратимой электрической машины возвратно-поступательного действия

F_M - магнитодвижущая сила магнита;

действия, показанная на рис. 3, состоит

данной конструкции в области малой

W - число витков обмотки;

из последовательной ветви собствен-

энергетики и гибридного транспорта.

k_μ - коэффициент насыщения 1,05;

ных параметров генератора, работаю-

При проектировании машин важным

a - параметр, зависящий от длины

щей на выпрямительный диодный мост

является обеспечение прочностных

магнита и воздушных зазоров.

UniversalBridge, подключенный к актив-

характеристик деталей и узлов. Рассчи-

Уравнение динамики движения

но-индуктивной нагрузке.

танные осевые нагрузки, действующие

транслятора линейного генератора

На основе предварительного расче-

на транслятор электрической машины

та определены основные размеры элек-

в зависимости от частоты транслятора

трической машины, которая позволит

(рис. 5), позволяют провести прочност-

где F_пр - сила приводного механизма

обеспечить выработку минимальной

ной анализ вала транслятора и закре-

(например, двигатель внутреннего сго-

мощности 10 кВт (таблица 1).

пленных на нем магнитов.

рания);

На основе разработанной имитаци-

Обеспечение необходимой прочно-

F_эм - электромагнитная сила линей-

онной модели трехфазной линейной

сти следует рассматривать совместно

ного генератора;

обратимой электрической машины воз-

с задачей обеспечения минимальной

F_тр - сила трения;

вратно-поступательного действия про-

массы транслятора с целью достижения

F_пруж

- сила пружины или иного

ведены расчеты зависимостей выра-

лучших кинематических и динамиче-

устройства, снижающего вибрации;

батываемой электрической мощности

ских характеристик.

m - масса транслятора.

от частоты перемещения

В качестве метода интегрирования

транслятора (ротора) элек-

выбран многошаговый метод перемен-

трической машины (рис. 4).

ного порядка Оde 23tb, использующий

Потенциал использования

формулы численного дифференцирова-

разрабатываемого линей-

ния [21].

ного генератора лежит

Математическая модель трехфазной

в диапазоне от 3 до 16 кВт,

линейной обратимой электрической

что позволяет в перспек-

машины возвратно-поступательного

тиве найти применение

Таблица 1. Предварительные размеры электрической машины

Параметр

Значение

Единица измерения

Радиус воздушного зазора

100

мм

Активная длина транслятора

270

мм

Рис. 4. Рассчитанная теоретическая зависимость

Воздушный зазор

1,5

мм

мощности, вырабатываемой генератором, от частоты

Активная длина статора

390

мм

транслятора

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Таблица 2. Параметры, входящие в целевую функцию

Наименование

Обозначение в приложении

Пределы

переменной

Optimization Toolbox

С_MW

Максимизируемая величина

μ₀

4π*10^-7

μ_r

1,41*10^-7

X(1)

(195 - 205) * 10^-3м

L_M

X(2)

(3 - 6) - 10^-3м

hокна

X(3)

(25 - 45) 10^-3м

bокна

X(4)

(5 - 10) 10^-3м

k_MW

X(5)

0,6 - 0,9

X(6)

0,045 - 0,05

Рис. 5. Рассчитанная теоретическая зависимость осевой

X(7)

(1,2 - 1,4)*10^-3

нагрузки на транслятор от частоты транслятора

Блок оптимизации для

функцию (6) внесем в блок оптимизации

Задача оптимизации целевой функ-

определения конструктивных

приложения Optimization Toolbox.

ции решена в приложении Optimization

размеров статора и транслятора

В таблице 2 представлены параме-

Toolbox программы MATLAB. На языке

электрической машины

тры, входящие в целевую функцию, пре-

MATLAB написана программа, позволя-

возвратно-поступательного

делы, накладываемые на них с учетом

ющая рассчитать параметры целевой

движения

конструктивных особенностей и техни-

функции на основе генетического алго-

Целью оптимизации конструкции

ческого задания, а также обозначения,

ритма. Целесообразность применения

электрической машины возвратно-по-

принятые в приложении Optimization

генетических алгоритмов для решения

ступательного движения является по-

Toolbox:

задач данного типа обусловлена следу-

лучение максимальной электрической

ющими причинами: реализацией про-

мощности генератора Р_е.

стой, но достаточно эффективной схемы

Согласно [4] максимальная электро-

вычислений, возможностью примине-

(6)

магнитная мощность, которая может

ния как при непрерывном, так и при

быть получена от генератора,

дискретном характере переменных,

(7)

принципиальной возможностью учета

(4)

где l

- длина окружности диаметра

ограничений, отсутствием требований

Учитывая выражение (2), получим

магнита.

к непрерывности, дифференцируемо-

(8)

сти и унимодальности критерия опти-

(5)

где H_C- коэрцитивная сила магнита, Н/м;

мизации, определением глобального

Проанализируем данное выраже-

L_M - высота магнита.

экстремума целевой функции. Суще-

ние. Повышение амплитуды колебаний

ственной особенностью рассматривае-

(9)

мого подхода является возможность его

xm и частоты перемещения транслятора

ω являются тривиальными решениями

использования в сочетании с классиче-

и ограничиваются техническим заданием

где k_cu - коэффициент заполнения паза

скими методами.

и прочностными характеристиками ма-

статора;

Пакет оптимизации позволяет задать

шины. Ток генератора i_m ограничивается

hокна - высота паза статора;

еще одну функцию минимизации, кото-

сечением обмотки статора и условиями

bокна - ширина паза статора;

рая будет использоваться после оконча-

охлаждения электрической машины. При

ния работы алгоритма. В качестве допол-

SM ^{- сечение проводника в статоре.}

работе на активную нагрузку можно при-

нительной функции, которая позволяет

(10)

нять cosφ ≈ 0,9. Коэффициент электромаг-

уточнить значение целевой функции,

нитной силы С_MW, согласно выражению

выбрана встроенная в MATLAB функция

(11)

(3), включает в себя конструктивные раз-

Fmincon - для осуществления алгоритма

меры статора и транслятора электриче-

где α - относительный параметр,

с заданными ограничениями, основан-

ской машины, а также магнитодвижущую

b_м - ширина магнита.

ного на методе последовательного ква-

силу магнитов. Данный множитель вы-

дратичного программирования [21].

(12)

ражения (5) можно принять за целевую

На рис. 6 представлена визуализация

функцию, которую необходимо максими-

где а - условная толщина магнитов и за-

вычислений на основе генетического ал-

зировать с учетом ограничений на входя-

зоров, деленная на π;

горитма. Отрицательное значение целе-

щие в нее параметры.

δ - воздушный зазор;

вой функции вызвано тем, что при макси-

Расширим целевую функцию с уче-

μ_r - магнитная проницаемость маг-

мизации целевой функции в программе

том уравнений

(7-12). Полученную

нита.

MATLAB ее необходимо взять со знаком

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Таблица 3. Рассчитанные параметры целевой функции

минус. Как видно из графика, решение

достигается уже на половине популяций

Наименование

Обозначение в приложении

Рассчитанные

(стандартное значение 100). Полученное

переменной

Optimization Toolbox

значения

значение С_MW = 17,79 Н/А вводится в мо-

С_MW

Максимизируемая величина

17,79

дель трехфазной линейной обратимой

μ₀

4π*10^-7

электрической машины (рис. 3).

μ_r

1,41*10^-7

Рассчитанные параметры на основе

представленного метода оптимизации

X(1)

197*10^-3м

сведены в таблицу 3.

L_M

X(2)

3·10^-3м

Данные значения закладываются

h_окна

X(3)

30·10^-3м

в 3D-модели линейной электрической

X(4)

5·10^-3м

машины в САПР CATIA V5 для последую-

окна

щего кинематического и прочностного

X(5)

0,88

расчетов.

X(6)

0,045

X(7)

1,2·10^-3

Проектирование 3D-модели

линейной электрической

машины в САПР CATIA V5

Данные моделирования в про-

граммном комплексе MATLAB Simulink

на основе программ, написанных на

языке MATLAB, передаются в проектную

таблицу Excel, которая синхронизирует-

ся с САПР CATIA V5. В CATIA V5 строятся

3D-модели статора и транслятора элек-

трической машины.

Блок Force в модели трехфазной

линейной обратимой электрической

машины (рис. 3) рассчитывает осевые

нагрузки на транслятор электрической

машины, которые передаются на вирту-

альный осциллограф, и полученные зна-

чения записываются в файл Nagruzka.

Программный файл Export, интегри-

рованный в данную модель, после окон-

чания расчета выгружает полученные

значения нагрузок в виде проектной

Excel-таблицы, которая синхронизирует-

ся с САПР CATIA V5.

Общий вид электрической маши-

ны представлен на рис. 7. Для основы

транслятора из встроенной библиотеки

выбран материал титан, материал магни-

Рис. 6. График изменения значения целевой функции (Fitness value)

тов - NdFeB (неодим-железо-бор). Масса

в зависимости от количества популяций (Generation)

транслятора, вычисленная в САПР CATIA

V5, составляет

5,2 кг, в аналогичных

Рис. 7. 3D-модель линейного генератора в программе CATIA V5

Рис. 8. Проведение прочностного анализа крепления магнита

на трансляторе электрической машины

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

timization of reciprocating linear generator

parameters // International Journal of Applied

Engineering Research, Volume 10, Issue 12, 28

July 2015, p. 31403-31414.

9. Kopylov A. M., Ivshin I. V., Safin A. R., Misbak-

hov R. Sh., Gibadullin R. R. Assessment, calcu-

lation and choice of design data for reversible

reciprocating electric machine // International

Journal of Applied Engineering Research, Vol-

ume 10, Issue 12, 28 July 2015, p. 31449-31462.

10. Gracheva E. I., Naumov O. V., Safin A. R. Eval-

uation criteria of contact group technical state

concerning electrical appliances // International

Journal Of Pharmacy & Technology, Volume 8, Is-

sue 4, Dec. 2016, p. 27084-27091.

Рис. 9. Проведение прочностного анализа основы транслятора электрической машины

11. Safin A. R., Ivshin I. V., Misbakhov R. Sh., Ts-

vetkov A. N., Denisova N. V. Сontrolled rectifier

работах масса транслятора - порядка

проектирования и оптимизации кон-

simulation model development for reversible

10 кг [6, 15, 18].

структивных параметров.

reciprocating electrical machine // International

На рис. 8 представлен прочностной

Работа выполнена при финансовой

Journal Of Pharmacy & Technology, Volume 8, Is-

анализ крепления магнита на транс-

поддержке Министерства образования

sue 2, June 2016, p. 14059-14068.

ляторе электрической машины. Мак-

и науки Российской Федерации в рамках

12.

Sirotkin R. O., Sirotkin O. S., Ivshin I. V.,

симальное механическое напряжение

реализации федеральной целевой про-

Safin A. R., Tsvetkov A. N., Dolomanyuk L. V. Tita-

на крепления составляет 7,72 МПа, что

граммы «Исследования и разработки по

nium chemical nature features which determine

необходимо учитывать при выборе спо-

приоритетным направлениям развития

its most important performance properties in

соба монтажа магнитов на основу транс-

научно-технологического

комплекса

linear engine-generator // Journal of Engineer-

лятора.

России на 2014-2020 годы», соглаше-

ing and Applied Sciences, Volume 11, Issue 16,

На рис. 9 представлен прочностной

ние о предоставлении субсидии от

Aug. 2016, p. 9664-9666.

анализ основы транслятора электриче-

20 октября 2014 года № 14.577.21.0121,

13. Comparison Research on Different Injection

ской машины. Предполагается наличие

уникальный идентификатор приклад-

Control Strategy of CI Free Piston Linear Genera-

только осевых нагрузок. Максимальное

ных научных исследований

(проекта)

tor in One-time Starting Process / Yu Song, Hui-

механическое напряжение составило

RFMEFI57714X0121.

hua Feng, Zhengxing Zuo, Mengqiu Wang, Chen-

110 МПа, что позволяет использовать

dongGuo / Energy Procedia, Volume 61, 2014,

титан в качестве материала основы

Литература

p. 1597-1601, doi:10.1016/j.egypro.2014.12.180.

транслятора с учетом его механических

1. Безруких П. П. Экономика и перспективы

14. Gargov N. P., Zobaa A. F., Pisica I. Separated

характеристик.

использования возобновляемых источни-

magnet yoke for permanent magnet linear

ков энергии в России // Электро, 2002, № 5. -

generator for marine wave energy convert-

Выводы

С. 2-7.

ers // Electric Power Systems Research, Volume

Предложена концепция параллель-

2. Андреев Е. И. Основы естественной энерге-

109, April 2014, p. 63-70.

ного моделирования (Co-simulation) на

тики. - СПб.: Невская Жемчужина, 2004. - 584 с.

15. Jin Xiao, Qingfeng Li, Zhen Huang. Mo-

основе обмена данными между про-

3. Baker N. J. Linear Generators for Direct

tion characteristic of a free piston linear en-

граммами MATLAB Simulink и CATIA V5.

Drive Marine Renewable Energy Converters,

gine // Applied Energy. Volume 87, Issue 4,

Разработан блок оптимизации в при-

Ph. D. Thesis, School of Engineering, University

April

2010, p.

1288-1294, doi:10.1016/j.apen-

ложении Optimization Toolbox для опре-

of Durham (UK), 2003. - p. 265.

ergy.2009.07.005.

деления конструктивных размеров стато-

4. Хитерер М. Я., Овчинников И. Е. Синхрон-

16. Halit Karabulut. Dynamic analysis of a free

ра и транслятора электрической машины

ные электрические машины возвратно-по-

piston Stirling engine working with closed and

возвратно-поступательного движения.

ступательного движения.

- СПб.: Корона

open thermodynamic cycles // Renewable Ener-

Разработанная методика позволяет

Принт, 2013. - 386 с.

gy, Volume 36, Issue 6, June 2011, p. 1704-1709,

на стадии проектирования определить

5. Черных И. В. Моделирование электротехни-

doi:10.1016/j.renene.2010.12.006.

рациональные параметры электриче-

ческих устройств в Matlab, SimPowerSystems

17. Boucher J., Lanzetta F., Nika P. Optimization

ской машины с последующей отладкой

и Simulink.

- М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер,

of a dual free piston Stirling engine // Applied

при изготовлении экспериментального

2008. - 288 с.

Thermal Engineering, Volume 27, Issue 4, March

образца.

6. Rinderknecht F. The linear generator as

2007, p.

802-811, doi:10.1016/j.appltherma-

Результаты, полученные в ходе ма-

integral component of an energy converter for

leng.2006.10.021.

тематического и численного моделиро-

electric vehicles

// European All-Wheel Drive

18. Numerical analysis of two-stroke free piston

вания электрической машины возврат-

Congress Graz, 2011. 7 р.

engine operating on HCCI combustion / Shuaiq-

но-поступательного движения, пока-

7. Дьяконов В. П. MATLAB. Полный самоучи-

ing Xu, Yang Wang, Tao Zhu, Tao Xu, Che Ngjun

зывают эффективность использования

тель. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 768 с.

Tao // Applied Energy, Volume 88, Issue 11, No-

различных программных комплексов

8. Reshetnikov A. P., Ivshin I. V., Denisova N. V.,

vember 2011, p. 3712-3725, doi:10.1016/j.apen-

с целью повышения эффективности

Safin A. R., Misbakhov R. Sh., Kopylov A. M. Op-

ergy.2011.05.002.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

19. Polinder H., Gardner F. und Damen M. De-

Грачева Елена Ивановна

the dissertation, the subject is «Development of

sign, modelling and test results of the AWS PM

Родилась в 1960 году. В 1984 году окончила Ка-

diagnosing technique of the turbine blades of

linear generator. Forschungsbericht, John Wiley

занский филиал МЭИ по специальности «Ин-

the gas engine by the method of free oscillation

and Sons LTD, Hoboken, 2005.

женер-электрик». Доктор технических наук,

regime». He has 39 years of work experience. At

20. S. Jung und H. Choi. Performance evalua-

доцент. В 2014 году защитила диссертацию по

present he works as «Electric supply of industrial

tion of permanent magnet linear generator for

теме «Развитие теории и методов оценки эф-

enterprises» department of Kazan State Power

charging the battery of mobile apparatus. Forsc-

фективности функционирования низковольт-

Engineering University. He is author of 124 sci-

hungsbericht, School of Electrical Engineering

ных электрических сетей промышленных

entific works and guidance, including 11 pat-

Seoul, National University Seoul, 2001.

предприятий». Опыт работы - 31 год. В насто-

ents and registered programs for ECM, 4 manu-

ящее время работает профессором кафедры

als with Ministry of Defense stamp, 20 guidance

Сафин Альфред Робертович

«Электроснабжение промышленных пред-

manual.

Родился в 1981 году. В 2004 году окончил Ка-

приятий» Казанского государственного энер-

занский государственный энергетический

гетического университета. Имеет 48 статей,

Kopylov Andrey

университет. Кандидат технических наук, до-

11 патентов, 5 учебно-методических пособий.

Was born in 1991. In 2004 he graduated from

цент. Защитил диссертацию по теме «Разра-

Kazan State Power Engineering University, he is

ботка энергосберегающих схем и алгоритмов

Цветков Алексей Николаевич

Master of engineering and technologies. He has

управления тяговыми двигателями постоян-

Родился в 1974 году. В 1998 году окончил

4 years of work experience. At present he works

ного тока электроподвижного состава». Опыт

Казанский государственный энергетический

as teaching assistant of the «Electric supply of

работы - 11 лет. В настоящее время работает

университет, магистр техники и техноло-

industrial enterprises» department of Kazan

доцентом кафедры «Электроснабжение про-

гии по направлению «Электроэнергетика».

State Power Engineering University. He has 8 ar-

мышленных предприятий» Казанского госу-

Кандидат технических наук. В 2005 году за-

ticles, 5 patents.

дарственного энергетического университета.

щитил диссертацию по теме «Разработка

Имеет 48 статей, 11 патентов, 5 учебно-мето-

методов автоматизированного проектиро-

Gracheva Elena

дических пособий.

вания, расчета и контроля магнитных систем

Was born in 1960. In 1984 she graduated from

спектрометров ЯМР». Опыт работы - 18 лет.

affiliated institution of National Research Uni-

Ившин Игорь Владимирович

В настоящее время работает доцентом ка-

versity «MPEI» majoring in «Electric engineer-

Родился в 1959 году. В 1982 году окончил

федры «Электроснабжение промышленных

ing». She is Doctor of Technical Sciences, as-

Казанское высшее военное инженерное

предприятий» Казанского государственно-

sociate professor. In 2014 she defended the

училище по специальности «Инженер-элек-

го энергетического университета. Имеет

dissertation, the subject is «Development of

трик». Доктор технических наук, профессор.

15 статей, 5 патентов, 2 учебно-методиче-

theory and methods of the efficiency elimina-

В 1995 году защитил диссертацию по теме

ских пособия.

tion of low-voltage electrical networks of in-

«Разработка методики диагностики лопаток

dustrial enterprises». She has 31 years of work

турбины газотурбинного двигателя методом

Safin Alfred

experience. At present she works as a profes-

свободных колебаний». Опыт работы - 39 лет.

Was born in 1981. In 2004 he graduated from

sor of «Electric supply of industrial enterprises»

В настоящее время работает заведующим

Khazan State Power Engineering University.

department of Kazan State Power Engineer-

кафедрой

«Электроснабжение промыш-

Candidate of Engineering Science, assistant pro-

ing University. She has 48 articles, 11 patents,

ленных предприятий» Казанского государ-

fessor. Defended his dissertation on the subject

5 guidance manuals.

ственного энергетического университета.

«Designing of energy-conservative schemes

Автор 124 научных и методических работ, из

and configurations of controlling of direct-

Tsvetkov Alexey

них 11 патентов и зарегистрированных про-

current railway motors of electrically propelled

Was born in 1974. In 1998 he graduated from

грамм для ЭВМ, 4 учебника с грифом МО РФ,

vehicles». He has 11 years of work experience.

Kazan State Power Engineering University, he

20 учебно-методических пособий.

At the present time he works as the assistant

is Master of engineering and technologies of

professor of «Power supply of industrial enter-

«Electrical power engineering». He is Candi-

Копылов Андрей Михайлович

prises» Department in Khazan State Power En-

date of Technical Sciences. In 2005 he defended

Родился в 1991 году. В 2004 году окончил Ка-

gineering University. He has 48 articles, 11 pat-

the dissertation with subject «Development of

занский государственный энергетический

ents, 5 guidance manuals.

automated design methods, calculation and

университет, магистр техники и технологии.

control of magnetic systems of NMR spectrom-

Опыт работы - 4 года. В настоящее время

Ivshin Igor

eters». He has 18 years of work experience. At

работает ассистентом кафедры

«Электро-

Was born in 1959. In 1982 he graduated from

present he works as associate professor «Electric

снабжение промышленных предприятий» Ка-

Kazan artillery command academy majoring in

supply of industrial enterprises» department of

занского государственного энергетического

«Electric engineering». He is Doctor of Techni-

Kazan State Power Engineering University. He

университета. Имеет 8 статей, 5 патентов.

cal Sciences, professor. In 1995 he defended

has 15 articles, 5 patents, 2 guidance manual.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Расчеты токов короткого замыкания

в тяговой сети переменного тока

при учете системы внешнего

электроснабжения

// Сalculationof short-circuit current in alternating current traction catenary accounting

for external electric power supply system //

Герман Л. А., д.т.н., профессор,

предоставляемые энергосистемой зна-

Нижегородский филиал МГУПС (МИИТ),

чения мощности КЗ получены для сим-

г. Нижний Новгород

метричной системы с несимметричным

КЗ на каждой из подстанций. Однако при

Субханвердиев К. С.,

КЗ в тяговой сети при ее двухстороннем

«Трансэлектропроект» - филиал ОАО «Росжелдорпроект», Москва

питании формируются две несимметрии

В работе отмечается, что среди при-

It is emphasized in the study that, under as-

на ВЛ-110 (220) кВ в районе тяговых под-

нятых отраслевым нормативным до-

sumptions adopted in the industry standard

станций. Все это указывает на сложность

кументом допущений в расчете токов

for calculation of short-circuit currents, de-

расчетов токов КЗ в тяговой сети и объ-

короткого замыкания определение

termination of resistance of external power

ясняет необходимость ввода ряда допу-

сопротивления системы внешнего элек-

supply system based on the short-circuit

щений в нормативный метод расчета [5].

троснабжения по мощности короткого

current power on substation entry terminals

В отраслевом нормативном доку-

замыкания на вводах в подстанцию

allows for a considerable systematic error.

менте по расчету токов КЗ в тяговой

допускает значительную методиче-

To determine this systematic error, short-cir-

сети, в котором эквивалентное сопро-

скую погрешность. Для определения

cuit current calculations were performed for

тивление системы внешнего электро-

указанной методической погрешности

two power supply layouts of VL-110kV and

снабжения (СВЭ) определяется по мощ-

выполнены расчеты токов короткого

VL-220kV HV lines, one employing the com-

ности КЗ на вводах 110 (220) кВ тяговых

замыкания для двух схем электро-

mon assumption and the other based on

подстанций, приняты следующие допу-

снабжения с ВЛ-110 кВ и ВЛ-220 кВ,

actual external power supply circuits. Com-

щения [5].

включающие известное допущение

parative analysis of results produced under

1. Сопротивление тяговой подстан-

и проведенные по реальным схемам

the two approaches yielded the error values

ции при двухфазном КЗ в тяговой сети

внешнего электроснабжения. Из анализа

across the short-circuit power range on the

представлено суммой сопротивлений

сравнения результатов расчета токов

110/220 kV traction substation busbars.

системы внешнего электроснабжения

короткого замыкания получена вели-

Experimental verification was carried out to

и трансформатора. При этом система

чина погрешности во всем диапазоне

confirm the short-circuit current calculation

внешнего электроснабжения представ-

мощностей короткого замыкания на

error in the traction catenary.

шинах тяговых подстанций 110 (220) кВ.

Keywords: external electric power supply

лена симметричной трехфазной систе-

Проведена экспериментальная проверка

system, traction network, calculation error,

мой прямой последовательности.

для подтверждения справедливости по-

short-circuit currents, traction substation,

2. При расчете сопротивления по

лученной погрешности расчета токов

alternating current.

мощности КЗ на вводах подстанции

короткого замыкания в тяговой сети.

предложено использовать базовое на-

Ключевые слова: система внешнего

пряжение энергосистемы, которое при-

электроснабжения, тяговая сеть, по-

нимается приведенным к напряжению

грешность расчета, токи короткого

тяговой обмотки - 27,5 кВ (см. пример 4.1

замыкания, тяговая подстанция, пере-

в [5]). При расчете сопротивления тяго-

менный ток.

вой подстанции предложено напряже-

ние на ее шинах принимать равным:

Постановка задачи

с увеличением необходимой точности

••

27,2 кВ - для минимального режи-

Расчеты токов короткого замыкания

расчетов усложняются математические

ма энергосистемы;

(КЗ) выполняются для различных целей,

модели [2, 3]. В [4] показано, что расчеты

••

27,5 кВ - для среднего и макси-

в частности, для выбора уставок релей-

токов короткого замыкания при проек-

мального режимов энергосистемы.

ной защиты, оценки возможного дей-

тировании тяговых подстанций, как пра-

3. При расчете токов КЗ не учитыва-

ствия средств релейной защиты, ана-

вило, выполняют по данным мощности

ются тяговая нагрузка, транзитная на-

лиза аварийных процессов в электро-

короткого замыкания (КЗ) на шинах 110

грузка по продольной ВЛ-110 (220) кВ

установках [1]. Требуемая точность рас-

(220) кВ, полученных от энергосисте-

и т.д.

четов во многом определяет характер

мы, так как к моменту расчетов обычно

Метод расчетов c использованием

тех или иных допущений, упрощающих

отсутствует прилегающая схема внеш-

мощности КЗ на шинах высокого на-

эти расчеты, и выбор методов решения

него электроснабжения и набор ис-

пряжения подстанции для эквивален-

поставленной задачи. Очевидно, что

ходных данных ограничен. Кроме того,

тирования сопротивлением системы

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

внешнего электроснабжения, в частно-

ния с ВЛ-110 кВ и ВЛ-220 кВ выполним

с ВЛ-110 кВ Горьковской железной доро-

сти, широко применяется в промышлен-

следующий объем расчетов:

ги с четырьмя тяговыми подстанциями

ных электрических сетях.

••

расчет по нормативному докумен-

и ВЛ-220 кВ c 14 тяговыми подстанциями

Однако в системе тягового электро-

ту [5], то есть при представлении энер-

Восточного региона страны. Расчеты вы-

снабжения подобное эквивалентирова-

госистемы сопротивлениями, получен-

полним для ближних и дальних тяговых

ние сети внешнего электроснабжения

ными по заданной мощности короткого

подстанций от питающей их районной

имеет ряд особенностей. При представ-

замыкания на шинах 110 (220) кВ тяго-

подстанции.

лении энергосистемы сопротивлениями

вых подстанций;

на вводах 110 (220) кВ двух смежных тя-

••

расчет по реальной схеме внеш-

Расчетные схемы

говых подстанций, вводимыми в схему

него электроснабжения, в которой рас-

электроснабжения

замещения межподстанционной зоны

сматриваются трехфазные сети ВЛ-110

и их параметры

[5], игнорируется электрическая связь

(220) кВ и тяговые трансформаторы,

Схема электроснабжения

между подстанциями, то есть ликвиди-

а также однофазные тяговые сети. Расчет

участка С - Ш

руется их взаимное сопротивление по

выполнен вручную, трехфазная система,

Вариант выполнения схемы участка

линиям 110 (220) кВ. В результате изменя-

представленная в фазных координатах,

(рис. 1) заимствован из [10].

ется токораспределение в тяговой сети,

рассматривается в качестве фиктивной

Питание участка осуществляется от

подключенной к этим подстанциям. Тем

схемы прямой последовательности. Та-

районной подстанции С с тремя авто-

самым допускается существенная мето-

кие же результаты можно получить и по

трансформаторами АТ-125. Сопротив-

дическая погрешность в расчетах токов

разработанной программе совместно-

ление прямой последовательности на

короткого замыкания (КЗ) питающих ли-

го расчета систем тягового и внешнего

шинах 110 кВ подстанции С (на схеме

ний контактной сети, которая увеличи-

электроснабжения РАСТ-05К [6, 7, 8];

РП-1), приведенное к напряжению тяго-

вается при уменьшении мощности КЗ на

••

приведем экспериментальные дан-

вой сети - 0,04 + j0,2 Ом.

шинах 110 (220) кВ тяговых подстанций.

ные токов КЗ в тяговой сети схемы элек-

Тяговые подстанции ТП-2 и ТП-4 -

Задача статьи - определить реаль-

троснабжения с ВЛ-110 кВ и сравним их

опорные, а ТП-1 и ТП-3 - промежуточные.

ную методическую погрешность в рас-

с результатами расчетов по п. 1 и 2.

Длины участков сети ВЛ-110 кВ С -

четах токов КЗ в тяговой сети во всем

Рассмотрим две реальные схемы

Ш указаны на рис. 1, а характеристики

диапазоне мощностей КЗ на шинах 110

внешнего электроснабжения: С - Ш

трансформаторов тяговых подстанций

(220) кВ тяговых подстанций, выполня-

Таблица 1. Характеристики трансформаторов

емых с использованием нормативного

тяговых подстанций расчетного участка

документа [5], когда сети внешнего элек-

Тяговая

Мощность КЗ,

троснабжения заменяют эквивалентны-

Тип фазировки

Sном, МВА

Uвн, кВ

подстанция

МВА

ми сопротивлениями, определяемыми

ТП-1

110

1324

по мощности короткого замыкания на

шинах 110 (220) кВ тяговых подстанций.

ТП-2

110

566

При этом сравнение будем произво-

ТП-3

110

367

дить со значениями токов короткого за-

ТП-4

110

272

мыкания, рассчитанными по реальным

схемам внешнего электроснабжения.

Ключевая задача настоящей статьи -

оценить погрешность в расчетах токов

КЗ в результате игнорирования связи

между подстанциями по ВЛ110 (220) кВ

в нормативном документе [5].

Для выполнения корректного сравне-

ния все вышеуказанные допущения оста-

ются в расчетах обоих вариантов. Прини-

Рис. 1. Схема участка С - Ш с ВЛ-110 кВ Горьковской железной дороги

маем приведенное напряжение на шинах

с четырьмя тяговыми подстанциями

районных подстанций равным 27,5 кВ.

Таким образом, сравниваем два варианта:

••

вариант, где схема внешнего элек-

троснабжения эквивалентируется со-

противлением, рассчитанным по мощ-

ности КЗ на шинах тяговой подстанции;

••

вариант, где рассматривается схе-

ма внешнего электроснабжения в пол-

ном объеме, то есть при полной схеме

внешнего электроснабжения, питающей

тяговые подстанции.

Для реализации задачи определения

токов КЗ для двух схем электроснабже-

Рис. 2. Cхема замещения участка ТП-1 - ТП-2 с ВЛ-110 кВ

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Таблица 2. Результаты расчета токов КЗ по РАСТ-05К

получены собственные сопротивления

шин 110 кВ ТП-1 и ТП-2 соответственно:

Зона ТП -1 - ТП-2

Зона ТП-3 - ТП-4

Токи КЗ в тяговой сети в кА

0,168 + j0,532 Ом и 0,45 + j1,265 Ом (при-

Условия расчета

КЗ на шинах

ведены к напряжению 27,5 кВ).

ТП-1

ТП-2

ТП-3

ТП-4

••

КЗ в межподстанционной зоне

ТП-3 - ТП-4

По полной схеме СВЭ

0,976℮^+j115,887º

1,099℮^+j113,427º

0,657℮^+j113,711º

0,712℮^+j116,570º

По исходным данным получены со-

По РУЗу [3]

1,161℮+j114,202º

1,245℮+j112,729º

1,137℮^+j112,970º

1,171℮^+j112,458º

противления для схемы, показанной

Погрешность, %

18,95

13,28

73,06

64,47

на рис. 3, приведенные к напряжению

27,5 кВ:

Z₁ = 0,45 + j1,265 Ом,

Z₂ = 0,839 + j1,468 Ом,

Z₃ = 1,57 + j2,75 Ом и

Z₄ = 0,73 + j1,28 Ом.

Сопротивления обеих подстанций

Z_ТП1 = Z_ТП2 = 0,1 + j2,0 Ом. Значение сопро-

тивления тяговой сети межподстанци-

онной зоны ТП-3 - ТП-4 равно Z_ТС = 4,957 +

+ j13,082 Ом. Собственные узловые со-

противления шин 110 кВ ТП-3 и ТП-4 со-

ответственно: 1,065 + j2,34 Ом и 1,236 +

Рис. 3. Cхема замещения участка ТП-3 - ТП-4 с ВЛ-110 кВ

+ j2,639 Ом (приведены к напряжению

27,5 кВ).

расчетного участка С - Ш - в таблице 1.

ТП-2 составляющая тока КЗ от ТП-1-

Найденные по программе РАСТ-05К

Тяговая сеть четного и нечетного пу-

1,099℮^+j113,427º.

токи КЗ в тяговой сети по Z_ТС к ТП-3

тей выполнена с подвеской ПБСМ95 +

Далее расчет КЗ выполним по схеме

и ТП-4 представлены в таблице 2.

МФ-100, на схеме указаны посты секци-

замещения, при которой система внеш-

онирования ПС, выполненные на разъ-

него электроснабжения эквивалентиру-

Схема электроснабжения участка

единителях. В расчетах принимаем со-

ется сопротивлениями, определяемыми

220 кВ

противления: АС-120-0,244 + j0,427 Ом/

мощностью КЗ на шинах 110 кВ тяговых

Сеть 220 кВ (рис. 4) питает тяговые

км, АС-185-0,159 + j0,413 Ом/км.

подстанций, то есть когда не учитыва-

подстанции по консольной линии с раз-

ется реальная связь между смежными

делом энергосистем по подстанциям

Расчеты токов КЗ в тяговой сети

подстанциями по сети 110 кВ. Для повы-

ТП-14 и ТП-15, в связи с чем по межпод-

ТП-1 - ТП-2 и ТП-3 - ТП-4 (рис. 1)

шения точности результатов сравнения

станционной зоне ТП-13 - ТП-14 органи-

••

КЗ в межподстанционной зоне

мощность КЗ на шинах 110 кВ тяговых

зовано встречно-консольное питание

ТП-1 - ТП-2

подстанций определим по рассчитан-

межподстанционной зоны. Такой же

Cхема замещения рассматриваемо-

ным сопротивлениям (рис. 2), и по ней,

раздел выполнен в зоне ТП-11 - ТП-13.

го участка энергосистемы при КЗ в меж-

в итоге, будут найдены собственные со-

Энергосистема за пределами рас-

подстанционной зоне ТП-1 - ТП-2 была

противления тяговых подстанций (при

сматриваемой части учтена эквива-

преобразована к виду, представленно-

отключенной тяговой сети). В результате

лентными сопротивлениями прямой

му на рис. 2. Сопротивления ветвей схе-

мы, приведенные к тяговому напряже-

Таблица 3. Характеристики трансформаторов тяговых подстанций расчетного участка

нию, получили значения

Тяговая

Тип

Sном,

Мощность КЗ,

Uвн, кВ

Z₁ = 0,04 + j0,2 Ом,

подстанция

фазировки

МВА

Z₂ = 0,139 + j0,361 Ом,

ТП-1

230

1360

Z₃ = 1,0 + j2,61 Ом и

ТП-2

230

1052

Z₄ = 0,554 + j1,438 Ом.

ТП-3

230

884

Сопротивления обеих подстанций

ТП-4

230

852

Z_ТП1 = Z_ТП2 = 0,1+ j2,0 Ом.

ТП-5

230

825

Значение сопротивления тяговой

ТП-6

230

661

сети межподстанционной зоны ТП-1 -

ТП-7

230

589

ТП-2 равно

ТП-8

230

549

Z_ТС = 5,886 + j15,533 Ом.

ТП-9

230

529

Полученные по программе РАСТ-05К

ТП-10

230

518

значения токов КЗ в тяговой сети

ТП-11

115

448

к ТП-1 и ТП-2 (по сопротивлению Z_ТС,

ТП-12

230

442

рис. 2) представлены в таблице 2. На-

ТП-13

230

391

пример, при КЗ на шинах 27,5 кВ ТП-1

ТП-14

230

518

составляющая тока КЗ от ТП-2 будет

ТП-15

230

593

0,976℮^+j115,887º, а при КЗ на шинах 27,5 кВ

ТП-16

230

673

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Рис. 4. Схема участка с ВЛ-220 кВ c 14 тяговыми подстанциями Восточного региона страны

последовательности 4 + j26,5 Ом со

Z₃ = 0,10 + j0,42 Ом,

Для участков ТП-1 - ПС и ПС - ТП-2

стороны ТП-1 и 9 + j78 Ом - со стороны

Z₄ = 0,24 + j0,96 Ом,

сопротивления составляют Z^1ТС = 1,845+

ТП-16. Напряжение за эквивалентами

Z₅ = 0,18 + j0,72 Ом.

+ j6,47 Ом и Z^2ТС = 2,668 + j7,04 Ом соот-

равно 230 кВ.

Сопротивления обеих подстанций

ветственно.

Питание тягового электроснабже-

рассматриваемой зоны следующие:

Внесение полученных данных в про-

ния расчетного участка осуществляется

Z_ТП1 = Z_ТП2 = j2,36 Ом.

грамму РАСТ-05К позволило рассчитать

трансформаторами тяговых подстанций,

параметры которых представлены в та-

блице 3. Контактная сеть выполнена: на

участке ТП-1 - ПС-1 М95 + МФ-100, а на

остальных участках ПБСМ-95 + МФ-100.

На некоторых участках дополнительно

подвешен усиливающий трос А-185.

Поглощение реактивной генерации

линий 220 кВ осуществляется шунтиру-

ющими реакторами подстанций ТП-4,

ТП-6, ТП-11, ТП-12, ТП-13, параметры ре-

акторов показаны на рис. 4.

Рис. 5. Схема замещения участка ТП-1 - ТП-2 с ВЛ-220 кВ

Расчеты токов КЗ в тяговой сети

ТП-1 - ТП-2 и ТП-12 - ТП-13 (рис. 4)

••

КЗ в межподстанционной зоне

ТП-1 - ТП-2

Схема замещения рассматриваемо-

го участка энергосистемы при КЗ в меж-

подстанционной зоне ТП-1 - ТП-2 пре-

образована к виду, представленному

на рис. 5. Сопротивления ветвей схемы,

приведенные к тяговому напряжению,

получили следующие значения:

Z₁ = 0,06 + j0,38 Ом,

Z₂ = 0,04 + j0,18 Ом,

Рис. 6. Cхема замещения участка ТП-12 - ТП-13 с ВЛ-220 кВ

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Таблица 4. Результаты расчета токов КЗ по программе РАСТ-05К

••

расчет токов КЗ в тяговой сети

Зона ТП-1 - ТП-2

Зона ТП-12 - ТП-13

переменного тока с двухсторонним пи-

Токи КЗ в тяговой сети в кА

танием производить на разработанной

Условия расчета

КЗ на шинах

программе для ЭВМ РАСТ-05К [4, 5, 6].

ТП-1

ТП-2

ТП-12

ТП-13

Для подтверждения справедливости

По полной схеме СВЭ

1,156℮^+j110,772º

1,187℮^+j110,324º

0,789℮^+j112,936º

0,829℮^+j112,226º

полученных погрешностей расчета то-

ков КЗ в тяговой сети проведена экспе-

По РУЗу [2]

1,339℮+j109,906º

1,362℮^+j109,663º

1,193℮^+j109,628º

1,219℮+j109,482º

риментальная проверка с КЗ в тяговой

Погрешность, %

15,83

14,74

51,2

47,04

сети действующего участка.

токораспределение в тяговой сети при

••

47,04% - для ТП-13 с мощностью КЗ

Экспериментальная проверка

КЗ в рассматриваемых расчетных точ-

448 МВА.

токов КЗ в тяговой сети

ках. Результаты расчетов представлены

Как видно, во всем диапазоне мощ-

Измерение тока КЗ на тяговой под-

в таблице 4.

ностей КЗ на шинах тяговых подстан-

станции ТП-4 схемы электроснабжения

••

КЗ в межподстанционной зоне

ций 110 (220) кВ рассматриваемых ре-

С - Ш (см. рис. 1) произведено автомати-

ТП-12 - ТП-13

альных участков различных регионов

чески 6 марта 2017 года измерительно-

Схему замещения участка энергоси-

страны погрешности в расчетах токов

информационным комплексом «Черный

стемы при КЗ в зоне между подстанци-

КЗ составляют

13,28-73,06%. Можно

ящик 2000» (НТЦ ГОСАН), установлен-

ями ТП-12 - ТП-13 можно представить

предположить, что указанная погреш-

ным на тяговой подстанции ТП-4.

в виде рис. 6. Значения сопротивлений

ность будет и на других участках тя-

На осциллограмме (рис. 7) представ-

ветвей схемы, приведенные к напряже-

говой сети отечественных железных

лены следующие кривые:

нию 27,5 кВ, равны Z₁ = 0,35 + j1,56 Ом,

дорог.

••

«27,5 кВ ввод 27» - напряжение

Z₂ = 0,06 + j0,26 Ом и Z₃ = 0,12 + j0,49 Ом.

Укажем те участки, где рассматрива-

ввода 27,5 кВ Ubc;

Сопротивления подстанций ТП-12

емая погрешность будет минимальной.

••

«27,5 кВ ввод 1» - ток ввода Ibc;

и ТП-13 и сопротивления тяговой сети на

Во-первых, это участки тяговой сети

••

«27,5 кВ. Ф к/с…» - токи фидеров 1,

участках ТП-1 - ПС и ПС - ТП-2 в соответ-

с односторонним питанием. Во-вторых,

2, 3, 4, 5 Ibc.

ствии с исходными данными: Z_ТП1 = Z_ТП2 =

участки, где тяговые подстанции под-

КЗ произошло на станционном фи-

j2,36 Ом и Z^1ТС = 3,067 + j8,094 Ом, Z^2ТС =

ключены непосредственно к районным

дере (Ф к/с 3), ток КЗ - 3262 А, токи «под-

1,901 + j5,016 Ом. С помощью програм-

подстанциям, то есть там, где величина

питки» КЗ от тяговой подстанции ТП-3

мы РАСТ-05К получены токи по питаю-

взаимного сопротивления двух тяговых

равны 381 А (от фидера Ф к/с 1) и 387,8 А

щим линиям контактной сети в случае КЗ

подстанций, питающих рассматривае-

(от Ф к/с2). Фидеры 4 и 5 отключены для

в расчетных точках межподстанционной

мую межподстанционную зону, имеет

раздела по контактной сети со следую-

зоны. Полученные результаты расчета

минимальное значение.

щей подстанцией (в связи с разделом

в программе сведены в таблице 4.

В связи с указанным рекомендуется:

питания на ВЛ-110 кВ).

••

на действующем участке электро-

Ток ввода 27,5 кВ равен току фиде-

Анализ результатов расчета

снабжения производить проверочные

ра 3 за минусом токов фидеров 1 и 2. На-

токов КЗ

опыты КЗ для измерений реальных то-

пряжение на вводе 27,5 кВ до КЗ равно

Расчеты показали, что для тяговых

ков КЗ;

27,96 кВ, и оно зависит от положения

подстанций, близко расположенных

к районной подстанции, погрешность

составляет в сети 110 кВ:

••

18,95% - для первой подстанции

ТП-1 с мощностью КЗ 1324 МВ;

••

13,28% - для второй подстанции

ТП-2 с мощностью КЗ 566 МВА,

а в сети 220 кВ:

••

15,83% - для первой подстанции

ТП-1 с мощностью КЗ 1360 МВА;

••

14,74% - для второй подстанции

ТП-2 с мощностью КЗ 1052 МВА.

Для тяговых подстанций, удаленных

от районной подстанции, погрешность

составляет в сети 110 кВ:

••

73,06% - для ТП-3 с мощностью КЗ

367 МВА;

••

64,47% - для ТП-4 с мощностью КЗ

272 МВА,

а для сети 220 кВ:

••

51,2% - для ТП-12 с мощностью КЗ

Рис. 7. Осциллограмма токов КЗ на тяговой подстанции ТП-4

442 МВА;

схемы участка С - Ш с ВЛ-110 кВ

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

переключателя РПН трансформатора на

Некоторые специалисты считают,

словами, будем учитывать в расчетах на-

момент КЗ.

что при расчете токов КЗ в тяговой сети

грузочные потери напряжения в линиях

На межподстанционной зоне ТП-3 -

следует учитывать нагрузку тяговой

внешнего электроснабжения.

ТП-4 установлен пост секционирования

сети, транзитной мощности по линиям

Отметим, что при сравнении указан-

на разъединителях, который при КЗ

110 (220) кВ и уравнительные токи. Со-

ных вариантов можно было бы прене-

не отключился, так как его задержка на

глашаясь в принципе с указанным мне-

бречь нагрузочными потерями в линиях

отключение составляет 1 с. Вакуумный

нием, отметим следующее.

внешнего электроснабжения, так как эф-

выключатель станционного фидера от-

В [9] проанализировано поведение

фект их учета будет одинаковый в срав-

ключился через 0,045 с от максималь-

электровоза в момент короткого замы-

ниваемых вариантах.

ной токовой отсечки, в результате вос-

кания в тяговой сети и сделано следую-

становился нормальный режим ТП-4.

щее заключение: «…если КЗ отключает-

Выводы

Теперь оценим точность расчетов

ся защитой за время 0,1-0,15 с, то с нали-

1. По нормативному документу [5]

токов КЗ по программе РАСТ-05К в срав-

чием поездов на линии и их влиянием на

токи КЗ в тяговой сети определяются

нении с экспериментальными данными.

процесс КЗ можно не считаться…».

с учетом мощности КЗ на шинах 110

Так как КЗ в эксперименте было не на

Считаем, что указанное (а именно

(220) кВ. Это приводит к методической

шинах 27,5 кВ, а на станционных путях,

неучет влияния электровозов на про-

ошибке в расчетах токов КЗ тяговой

то сравнение произведем по соотноше-

цесс КЗ) справедливо только для тяго-

сети с двухсторонним питанием, так как

нию токов в тяговой сети (токи «подпит-

вой нагрузки на межподстанционной

в этом случае игнорируется взаимное

ки» от ТП-3) и в трансформаторе ТП-4.

зоне, где произошло КЗ. Однако тяговую

сопротивление тяговых подстанций, пи-

В эксперименте это соотношение

нагрузку на других межподстанционных

тающих рассматриваемую межподстан-

равно 2512/768,8 = 3,27, а по програм-

зонах так же, как и транзитную мощность

ционную зону. Причем с ростом удален-

ме РАСТ-05К - 2468/712 = 3,47. Еще раз

по продольной ВЛ-110 (220), питающую

ности тяговых подстанций от районных

подчеркнем, что в эксперименте при-

тяговые подстанции, и уравнительные

подстанций указанная погрешность

сутствовали реальные параметры сетей,

токи в тяговой сети следует учитывать,

возрастает.

тяговые и районные нагрузки, установка

что, в итоге, будет представлять собой

2. Методическая ошибка в расчетах

поперечной емкостной компенсации на

учет нагрузочных потерь напряжения

токов КЗ для тяговых подстанций, близ-

РП-4 была включена, и как обычно на

в сетях внешнего электроснабжения

ко расположенных к районной подстан-

районной подстанции напряжение на

при расчете токов КЗ в тяговой сети.

ции, составляет около 15%, а для тяго-

шинах питания продольной ВЛ-110 было

Обычно при проектировании

вых подстанций, далеко расположенных

на 5% выше номинального напряжения.

и в эксплуатации принимают комплекс

от районной подстанции, достигает 74%.

С другой стороны, в расчете по програм-

организационных и технических мер

3. Расчет токов КЗ по нормативным

ме РАСТ-05К напряжение на районной

для приближения напряжения у потре-

документам возможен для тяговой сети

подстанции принято номинальным. Как

бителя к номинальному. На районной

с односторонним питанием и для меж-

видно, отличие указанных соотношений

подстанции, питающей продольную

подстанционных зон, где тяговые под-

при расчетах токов КЗ в тяговой сети по

линию ВЛ-110

(220) кВ, напряжение

станции подключены непосредственно

программе РАСТ-05К в 6,1% свидетель-

повышают на 5% (то есть повышают

к районным подстанциям.

ствует, на наш взгляд, о достаточном со-

приведенное напряжение до

29 кВ),

4. Как правило, расчет токов КЗ в тя-

впадении расчетов и эксперименталь-

включают компенсирующие установки

говой сети по нормативным документам

ных данных по токам КЗ.

и т.д. В частности, в представленной на

[5] связан с большой погрешностью. Это

Главный результат эксперимента по

рис. 1 схеме включают на РП-4 на шинах

указывает на необходимость корректи-

токам КЗ в тяговой сети: ток КЗ в тяговой

110 кВ установку поперечной емкост-

ровки нормативных документов в части

сети 768,8 А намного меньше проектного

ной компенсации мощностью 36 Мвар,

расчетов токов КЗ в тяговой сети с уче-

значения по [3] - 1171 А (то есть меньше

компенсирующую почти всю реактив-

том сетей внешнего электроснабжения.

в 1171/768,8 = 1,52 раза) - и близок к рас-

ную нагрузку участка С - Ш. Точно так же

5. В связи со значительной погреш-

четному току в тяговой сети при рассмо-

в схеме, показанной на рис. 4, включают

ностью расчетов тока КЗ по норматив-

трении полной схемы СВЭ - 712 А. Таким

шунтирующие реакторы для компенса-

ному документу [5] необходимо на дей-

образом, на основании эксперименталь-

ции зарядной мощности ВЛ-220 кВ. Для

ствующих участках электроснабжения

ных данных доказана значительная по-

снижения нагрузочных потерь учитыва-

проводить экспериментальные провер-

грешность в расчетах токов КЗ по нор-

ется зарядная мощность ВЛ-110 (220) кВ.

ки реальных токов КЗ.

мативному документу [5]. Кроме того,

Таким образом, указанные меро-

6. Экспериментальная

проверка

показана возможность оценки токов КЗ

приятия в какой-то мере компенсиру-

токов КЗ в тяговой сети действующего

в однофазной тяговой сети при учете

ют нагрузочные потери напряжения от

участка электроснабжения доказала

трехфазной системы внешнего электро-

тяговой нагрузки, транзитных токов по

возможность применять программу

снабжения по программе РАСТ-05К. Как

ВЛ-110 (220) кВ и т.д., точный расчет кото-

РАСТ-05К для расчета токов КЗ в однофаз-

следствие, можно утверждать, что про-

рых затруднителен в связи с неопреде

ной тяговой сети при учете трехфазной

веденные эксперименты подтверждают

ленностью данных по нагрузкам. По-

системы внешнего электроснабжения.

значительную погрешность по токам КЗ

этому на вводе районной подстанции

7. Для уточнения расчетов токов

в тяговой сети до 50-70% при сравнении

будем принимать номинальное напря-

КЗ в тяговой сети с двухсторонним пи-

с расчетами по нормативному методу [5]

жение 27,5 кВ (а не 29 кВ), что и пред-

танием следует учитывать взаимное

и по программе РАСТ-05К.

лагается, в частности, в

[9]. Другими

сопротивление тяговых подстанций,

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

питающих рассматриваемую межпод-

7. Герман Л. А., Кишкурно К. В. Регулирова-

Субханвердиев Камиль Субханвердиевич

станционную зону, и использовать спе-

ние напряжения в тяговой сети переменного

Родился в 1989 году. В 2012 году окончил

циально разработанную программу

тока железных дорог // Электричество, 2014,

МГУПС (МИИТ) по специальности «Электро-

РАСТ-05К для ЭВМ [8], прошедшую госу-

№ 9. С. 23-34.

снабжение железных дорог». Опыт работы -

дарственную регистрацию Роспатента

8. Герман Л. А. Программа совместного рас-

4 года. В настоящее время работает инжене-

Российской Федерации.

чета систем тягового и внешнего электро-

ром I категории в Проектно-изыскательном

снабжения РАСТ-05К / Л. А. Герман, К. В. Киш-

институте электрификации железных дорог

Литература

курно

// Свидетельство Роспатента РФ

и энергетических установок «Трансэлектро-

1. Крючков И. П., Старшинов В. А., Гусев Ю. П.,

№ 2014612195 от 28.10.13 о государственной

проект» - филиале ОАО «Росжелдорпроект».

Пираторов М. В. Переходные процессы в элек-

регистрации программы для ЭВМ.

Имеет 3 научные статьи.

троэнергетических системах: учебник для ву-

9. Фигурнов Е. П. Релейная защита. Ч. 2. - М.:

зов / Под ред. И. П. Крючкова. - М.: Издатель-

ГОУ «УМЦ по образованию на железнодорож-

German Leonid

ский дом МЭИ, 2009. - 416 с.

ном транспорте», 2009. - 604 с.

Was born in 1937. He has graduated Moscow In-

2. ГОСТ

27514-87. Короткие замыкания

10. Герман Л. А., Куров Д. А. Автоматическое

stitute of Transport Engineers by specialty «Engi-

в электроустановках. Методы расчета в элек-

регулирование напряжения трансформато-

neer routes - electrician» (1959). He has defend-

троустановках переменного тока напряжени-

ров на тяговых подстанциях переменного

ed the dissertation by the theme «Theory and

ем свыше 1 кВ.

тока // Электроника и электрооборудование

practice of improving treatment system traction

3. Крючков И. П., Неклепаев Б. Н., Старши-

транспорта, 2012, № 1. - С. 19-26.

below the AC power plants with capacitive com-

нов В. А. и др. Расчет коротких замыканий

pensation». He is a Doctor of Technical Sciences,

и выбор электрооборудования. Учебное по-

Герман Леонид Абрамович

Professor of dept. «Electrification and Utilities»

собие для студентов высших учебных заведе-

Родился в 1937 году. Окончил Московский

at The Nizhny Novgorod branch of the Russian

ний / Под ред. И. П. Крючкова и В. А. Старши-

институт инженеров транспорта (МИИТ) по

State University of Transport Communications.

нова. - М.: Издательский центр «Академия»,

специальности

«Инженер путей сообще-

He is a corresponding member of the Academy

2005. - 416 с.

ния - электромеханик» (1959 год). Защитил

of Transport of the Russian Federation. Author

4. Герман Л. А., Кишкурно К. В., Субханвер-

докторскую диссертацию по теме «Теория

of more than 350 scientific works, 70 inventions

диев К. С. Оценка погрешности расчета

и практика совершенствования режима

and patents. Has 2 government awards.

токов короткого замыкания в тяговой сети

системы тягового электроснабжения пере-

переменного тока // Электроника и элек-

менного тока с установками емкостной ком-

Subhanverdiev Kamil’

трооборудование транспорта,

2017,

№ 1.

пенсации». Доктор технических наук, про-

Was born in 1989. In 2012 he graduated from

С. 11-15.

фессор кафедры «Электрификация и элек-

Moscow State University of Railway Engineer-

5. Руководящие указания по релейной за-

троснабжение» Нижегородского филиала

ing with specialization «Railways electric power

щите систем тягового электроснабжения

Московского государственного универси-

supply». He has 4 years of work experience. At

ЦЭ. - М.: Трансиздат, 2005. - 216 с.

тета путей сообщения, член-корреспондент

present, he works as a first class engineer at De-

6. Герман Л. А., Морозов Д. А. Расчет типо-

Российской Академии транспорта. Автор

sign and survey institute of railways electrifica-

вых задач тягового электроснабжения пере-

более 350 научных трудов, 70 изобретений

tion and electric power plants «Transelectropro-

менного тока на ЭВМ. Учебное пособие. - М.:

и патентов. Имеет 2 правительственные на-

ject» - branch of «Roszheldorproject». He has

МИИТ, 2010. - 59 с.

грады.

3 scientific works.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Электронное управление распределенными

транспортными процессами

с помощью многосерверных систем

обработки информации

// Еlectronic control of distributed the transport processes by using

multi-server processing systems //

Болнокин В. Е., Нгуен Динь Чунг,

ФГУП НИИАЭ, Москва

Феофанов С. А.,

МАДИ, Москва

В статье рассмотрены вопросы под-

In the article questions the connection of

ционной системой, объединяющей ло-

ключения телематических электрон-

telematics electronic data acquisition sys-

кальные информационные подсистемы

ных систем сбора данных и разрабо-

tems and mathematical models to calculate

и базы данных.

таны математические модели для

the characteristics of a multi-request pro-

Подобная информационная система

расчета характеристик многосервер-

cessing system of program management.

должна обеспечивать решение следую-

ной системы обработки запросов с их

Keywords: on-board electrical system, data

щих функциональных задач [1, 7-9]:

программным управлением.

acquisition, telematics, query processing

••

фиксация приема заказов на пере-

Ключевые слова: бортовые системы

systems, dataflow management, math-

возку грузов с применением электрон-

электрооборудования, сбор данных,

ematical models.

ных технических средств и их обработку;

за-

телематика, системы обработки

••

поиск и назначение перевозчиков;

просов, управление потоками данных,

••

разработка маршрутов перевозок;

математические модели.

••

составление логистических планов

Одной из актуальных тенденций в со-

сбора информации применяют он-

(графиков) перевозок;

временном мире является непрерывное

лайн-терминалы мониторинга, датчики

••

оперативное управление постав-

увеличение объемов мировых автотран-

расхода и уровня топлива, бесконтакт-

ками и оценка эффективности выполне-

спортных грузовых и пассажирских пере-

ные считыватели с шины CAN, датчи-

ния доставки;

возок, что приводит к необходимости

ки GPS/ГЛОНАСС-мониторинга, датчики

••

сбор и обработка данных от систем

оперативного мониторинга как техниче-

контроля нагрузки на ось, температур-

транспортной телематики для оценки

ского состояния, так и положения грузов

ные датчики с GSM-передатчиком, та-

технического состояния автотранспорт-

и транспортных средств. Решение дан-

хографы, датчики дверных контактов,

ных средств и грузов;

ной задачи сопровождается внедрением

систему контроля давления в шинах

••

составление и обработка разно

электрических и электронных систем, ин-

и многие другие. Собираемые огромные

образной документации (договоры, кон-

тегрированных в сложные информацион-

массивы данных предполагают исполь-

тракты, декларации и т.д.);

ные системы, которые способствуют улуч-

зование высокопроизводительной вы-

••

планирование ремонта транспорт-

шению функциональных, экономических,

числительной техники и современных

ных средств;

экологических и эргономических показа-

математических методов для оператив-

••

связь со смежными предприятиями;

телей. Одними из наиболее динамично

ного принятия решения и выявления

••

проведение необходимых бухгал-

развивающихся звеньев всего комплекса

причин возникновения проблем, в том

терских и экономических расчетов.

автотранспортной телематики являются

числе неявных [1, 7-11].

Для решения перечисленных за-

системы, обеспечивающие сбор, преоб-

Одним из основных направлений

дач ИС ЛПГП необходимо иметь систему

разование и передачу информации.

применения микропроцессорной тех-

телематики от удаленных источников

Решение задач управления логисти-

ники в случае автоматизации управле-

(транспортные средства, агенты, броке-

ческими процессами грузоперевозок

ния перевозкой грузов является соз-

ры, экспедиторы, терминалы, распреде-

(ЛПГП) требует автоматизированного

дание информационных систем

(ИС).

лительные центры, грузоотправители,

сбора (с помощью специализированных

Однако при этом возникает проблема

грузополучатели, подразделения транс-

датчиков и электронных систем), микро-

разработки методов построения и ана-

портной компании и т.д.). Для надежной

процессорной обработки и хранения

лиза интегрированной распределенной

передачи и получения информации,

больших объемов данных, обмена ин-

системы ЛПГП, создаваемой на базе раз-

а также сжатия ее объема с целью уве-

формацией между рабочими местами

нородного программного и техническо-

личения скорости передачи применяют

сотрудников, подразделениями и фили-

го оснащения и обеспечивающей требу-

комплекс алгоритмических процедур

алами транспортной компании, решения

емый сервис.

и программно-аппаратных средств. По-

сложных аналитическо-вычислительных

ЛПГП является распределенной ин-

вышение эффективности и минимизация

задач. Для эффективного оперативного

тегрированной гетерогенной информа-

аппаратных средств достигаются за счет

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

мультиплексирования сообщений и соз-

для всех пользователей ИС и функци-

надежность системы и снизить стои-

дания многосерверных информацион-

ональных задач. Создание централи-

мость разработки [7].

ных систем анализа информации [11].

зованной ИС с единой базой данных

Для выполнения сложных процес-

Важными вопросами являются пра-

нерационально в силу специфики ЛПГП

сов обработки информации, поступа-

вильная установка датчиков и электрон-

(территориальная разобщенность, раз-

ющей от большого числа источников,

ных систем для корректных измерений,

нородная информация, жесткое разде-

входящих в сферу функционирования

а также правильность их подключения

ление задач по подразделениям и т.д.).

ИС ЛПГП, часто используются много-

в бортовую сеть электрооборудования

Поэтому информационное простран-

серверные (многомашинные) системы,

и электроники. Например, для миними-

ство представляется в виде интегриро-

реализованные в виде кластеров или

зации помех необходимо, чтобы сопро-

ванной системы локальных баз данных.

сетевых систем.

тивление между любой точкой массы

При этом в каждой локальной базе дан-

Техническими аналогами подобных

транспортного средства и клеммой «-»

ных собирается и хранится информа-

систем могут быть кластерные системы

аккумуляторной батареи не превышало

ция для решения определенных задач

обработки запросов, маршрутизаторы

1 Ом. Провода питания «+» и «-» датчи-

технико-экономического обеспечения

и шлюзы телекоммуникационных си-

ков рекомендуется подключать в тех

функционирования ИС.

стем, центры обработки информации,

же точках бортовой сети, к которым

Особенностью ИС ЛПГП является

реализованные в виде многомашинных

подключены соответствующие провода

наличие разнородного аппаратного

комплексов и/или локальной вычисли-

устройства регистрации информации,

и программного обеспечения (гетеро-

тельной сети [2, 4, 7].

они должны быть уложены в тот же жгут,

генность), что часто связано с продол-

При работе таких систем возникает

что и штатная проводка транспортного

жительным периодом ввода системы

задача управления потоками данных (за-

средства.

в эксплуатацию (по частям), периоди-

просов), поступающих в систему, предус-

При установке датчика нагрузки на

ческим (спонтанным) финансировани-

матривающая распределение запросов

ось необходимо, во-первых, правильно

ем и многими другими факторами. Это

между серверами (или электронными

выбрать самую нагруженную ось (рис. 1),

обусловливает необходимость при-

блоками управления транспортного

во-вторых, правильно рассчитать длину

менения таких методов организации

средства), входящими в состав системы.

рычага и высоту тяги в зависимости от

работы в системе, которые обеспечи-

Решением подобной задачи является оп-

рабочего хода и типа подвески (рис. 2)

ли бы пользователям простой доступ

тимизация характеристик системы.

[12]. В-третьих, для корректных измере-

к локальным информационным ресур-

Ниже представлен математический

ний необходимо произвести тарировку

сам, независимо от аппаратной и про-

подход к решению задачи, позволяю-

системы методами взвешивания или по-

граммной платформ, на которых они

щий оценить характеристики системы

грузки мерных грузов. В заключение для

установлены, а разработчикам при-

при различных стратегиях управления

защиты от несанкционированного под-

кладного программного обеспечения

потоками запросов для управления ло-

ключения необходимо опломбировать

(ПО) предоставили бы возможность его

гистическими процессами грузоперево-

электрические разъемы сигнального

переносимости и запуска на различных

зок с использованием современных си-

кабеля и разъемы датчика.

платформах.

стем электрооборудования и электро-

Важным является обеспечение ста-

В настоящее время применяется

ники. Результаты базируются на работах

бильной передачи информации, поэто-

эффективный подход к построению

[5, 7-8, 10].

му GSM-антенну следует устанавливать

подобных систем, который обеспечи-

снаружи на максимально возможной

вает возможность учета особенностей

высоте для поддержания стабильной

транспортных систем сбора данных,

связи в районах с недостаточным уров-

средств вычислительной техники, ис-

нем сигнала приемо-передающей аппа-

пользуемой для реализации клиент-

ратуры операторов сотовой связи [11].

ских и серверных программ, и упро-

Основой ИС являются базы данных

щает разработку прикладного ПО с ис-

[1, 7], образующие единое информаци-

пользованием стандартных средств от-

онное пространство системы управле-

ладки, построения коммуникационной

ния процессами. Создание и исполь-

среды и аналитической сети, приме-

зование такого пространства обеспе-

нение современных методов создания

чивают единообразие, достоверность,

интегрированных систем баз данных.

полноту и высокое качество данных

Данный подход позволяет повысить

Рис. 2. Схема выбора длины рычага

Рис. 1. Примеры наиболее нагруженных осей в зависимости от типа

и высоты тяги при монтаже датчика

автотранспортных средств

нагрузки на ось ф. Технотон

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Описание системы

«Клиент - сервер», можно выделить ра-

Характеристики системы

Рассматривается информационная

боту в неоднородной вычислительной

Среди множества характеристик вы-

управляющая электронная система

среде и распределенные вычисления [7].

делим две группы.

транспортных ЛПГП, состоящая из N

В состав системы ИС ЛПГП [1, 7] вхо-

1. Частные характеристики, которые

серверов и/или микропроцессорных

дит диспетчер сообщений, который

относятся к конкретным серверам и ис-

блоков (обслуживающих устройств), на

в соответствии с заданным алгоритмом

точникам.

вход которой поступает поток запросов

управления распределяет поступившие

2. Интегральные (системные) харак-

(поток сообщений) от M источников. Ин-

в систему сообщения между сервера-

теристики, которые относятся ко всей

тенсивность потока запросов от источ-

ми, формируя частные потоки сообще-

системе в целом.

ника номер j - λ_j. Запрос от источника j,

ний для серверов. Отметим, что функ-

В нашем случае представляют инте-

поступивший на сервер номер i, встает

ции диспетчеризации запросов могут

рес следующие частные характеристики:

в очередь на обработку. Длительность

быть распределены между серверами,

••

средняя длительность задержки

обработки этого запроса - ∞ > βji > 0. Бу-

в таком случае можно выделить вирту-

запроса в очереди на узле номер i - W_i;

дем считать, что β_ji - случайная величи-

альный диспетчер. Таким образом, при

••

средняя длина очереди из ожидаю-

на с функцией распределения β_ji(t) и ко-

любой форме реализации функции дис-

щих запросов на узле номер i - Q_i;

нечными первым и вторым моментами:

петчеризации запросов в системе вы-

••

загрузка узла номер i - p_i;

∞

полняются.

••

средняя длительность ожида-

∞>

1ji

= ∫

tdB

(t)

Очевидно, что алгоритмы управле-

ния в очереди запроса источника но-

∞

ния потоками запросов в большой сте-

мер j - Z_j;

∞>

= ∫

(t)

пени определяют качество и скорость

••

средняя длительность ожидания

Технология вычислений «Клиент -

работы всей системы. В настоящее вре-

в очереди запросов от источника номер

сервер» предусматривает распределе-

мя известны и применяются на прак-

j на узле номер i - Z_ji.

ние прикладной программы по двум

тике алгоритмы программного управ-

Интегральные характеристики, как

компонентам, каждая из которых выпол-

ления (не требующие учета состояния

правило, являются функциями от част-

няет свои задачи. Одна из этих компо-

серверов) и алгоритмы адаптивного

ных. В качестве интегральных будем рас-

нент - клиент, другая - сервер. Клиент-

управления

(учитывающие состояние

сматривать следующие характеристики:

ская и серверная части программы мо-

серверов). Здесь под состоянием серве-

••

средняя величина временных за-

гут быть реализованы как на одной, так

ра будем понимать его загрузку, очере-

трат на пребывание запроса в системе

и на разных электронных вычислитель-

ди запросов к серверу и время ожида-

B(t),

)

ных машинах. Как правило, активный

ния в очереди.

блок-клиент выдает запросы на пассив-

В дальнейшем будем рассматривать

∑a∑

(1)

j=1

i=1

ный сервер для выполнения какой-либо

алгоритмы программного управления,

работы, а сервер обрабатывает запросы

поскольку они обладают рядом досто-

где λ_ji - интенсивность потока запросов

клиента и возвращает результат блоку-

инств, таких как простота реализации,

источника j, поступающих на сервер но-

клиенту.

необходимость в минимальной инфор-

мер i; α_j - весовой коэффициент, имею-

Серверы осуществляют управление

мации о состоянии системы, возмож-

щий смысл величины затрат, связанных

ресурсами ИС (базы данных, файлы дан-

ность предварительной настройки по

с пребыванием в системе в течение

ных, приложения, каналы связи, домены

статистическим данным о параметрах

единицы времени запроса от источника

сети и пользователи).

системы (интенсивность входящего по-

номер j;

Блоки-клиенты

(устройства с дис-

тока запросов и длительности их обслу-

B(t)=|| B (t))||, (j=1,2,..., M ;i=1,2

,...,

плеем) или компьютеры пользователей

живания на серверах).

ИС применяются для взаимодействия

Будем исследовать алгоритм управ-

матрица, элементы которой - функции

с данными и приложениями и выполня-

ления, где поступающий запрос от

распределения длительностей обработ-

ют следующие основные задачи:

источника номер j с вероятностью

ки запросов; λ = (λ₁, λ₂, …, λ_M) - вектор

••

предоставление интерфейса поль-

1 ≥ pji ≥ 0 направляется на сервер но-

интенсивностей потоков запросов, по-

зователю для выполнения работы с дан-

мер i. При этом управление потоком

ступающих от источников;

ными в базе данных;

запросов задается стохастической ма-

••

средняя величина временных за-

••

отображение результатов исполне-

трицей

трат, связанных с простоем серверов

ния запросов к базе данных;

системы

P=|| p

||,

(j = 1,2,..., M

;

i = 1,2

,...,

)

••

обработка результатов запросов

(P,B(t),λ)

∑

(1−

(2)

к серверу базы данных.

Для элементов матрицы выполняют-

i=1

Средствами передачи информации

ся следующие условия:

где b_i

- весовой коэффициент, имею-

между клиентом и сервером являются

щий смысл величины затрат, связанных

для любого

j -

;

∑

сеть передачи данных и необходимое

с простоем сервера номер i в течение

коммуникационное (сетевое) програм

единицы времени.

для любого i - ∑

мное обеспечение.

Часто целесообразно использовать

Среди главных возможностей,

Первое условие означает, что каж-

характеристику, включающую первые две:

предоставляемых пользователю и раз-

дый запрос распределяется по серве-

)

работчику программного обеспечения

рам, второе - на каждый сервер посту-

(P,B(t),λ) +

(P,B(t),λ),

(3)

в системах, построенных по технологии

пают запросы.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

что позволяет решать задачи оптими-

Поступившие в систему запросы не те-

(

)

(6)

зации, минимизируя значение этой ха-

ряются и после обслуживания мгновен-

∏

jmi (s

рактеристики по параметрам алгоритма

но покидают ее.

≠j

управления P.

Поскольку в систему поступают за-

Если рассматривать процесс обслу-

Использование перечисленных ха-

просы от различных по типу источников,

живания потока запросов только от од-

рактеристик дает возможность не только

представляют интерес характеристики,

ного источника j на одном сервере i, то

оценить качество работы многосервер-

связанные с каждым типом запросов.

ДО каждого запроса этого источника

ной системы, но и определить оптималь-

Исследование СМО с разнотипными за-

можно представить как сумму длитель-

ные значения ее параметров. К основ-

просами проводилось ранее, однако

ностей обслуживания самого запроса

ным относятся количество и производи-

полученные результаты, например, в [3],

источника j и всех запросов от других

тельность серверов, параметры алгорит-

недостаточно удобны для практическо-

источников, поступивших в интервале

ма управления потоком запросов.

го применения, поэтому предлагается

между поступлениями двух последова-

более простой подход к анализу.

тельных запросов источника j.

Математические модели для

Рассмотрим отдельно поток запро-

Для этого случая преобразование

расчета характеристик системы

сов от источника номер i, поступающих

Лапласа - Стилтьеса функции распреде-

Используя матрицу P и значения ин-

на сервер номер j. Вероятность посту-

ления ДО запроса будет иметь вид

тенсивностей потоков запросов от ис-

пления k запросов от источника но-

^* (

(s)

точников, можно вычислить интенсив-

мер m в интервале между двумя запро-

ности потоков запросов, поступающих

сами от источника номер j вычисляется

(s)

(λ

(1−β

)))

∏

mi(s

(7)

m=1

на серверы системы. Так, получим

при условии, что все потоки пуассонов-

m≠j

ские, по формуле

Здесь величины λ_mi вычисляются по

∞

формуле (4). Из (7) получим, что средняя

(λ

1,2,..., M;

1,2

,...,

(4)

−λ

(

j,i)

(t)

ДО одного запроса источника j на сер-

∫

Интенсивность суммарного потока за-

вере i равна

просов, поступающих на сервер i, равна

где A_ji(t) - функция распределения дли-

1ji

∑

mi 1mi

тельности интервала между двумя по-

m=1

∑

m≠

следовательно поступающими запро-

Поскольку каждый сервер работает

сами потока от источника номер j на

∑

mi 1mi

(8)

автономно, его работу можно исследо-

сервер номер i.

m=1

вать независимо от других серверов.

Далее найдем преобразование Ла-

Теперь можно вычислить среднюю

Моделью сервера в общем случае будет

пласа - Стилтьеса функции распреде-

длительность ожидания в очереди на

система массового обслуживания (СМО)

ления длительности обслуживания (ДО)

сервер i сообщениями источника j, рас-

типа M/G/1/∞ [5]. При этом неограничен-

всех сообщений, поступивших от источ-

сматривая СМО типа M/G/1/∞ для обслу-

ное число мест для ожидания в очереди

ника номер m на сервер номер i в интер-

живания запросов только от источника j:

соответствует реальному случаю, когда

вале между поступлением двух последо-

(

компьютер имеет достаточно большую

вательных запросов источника номер j

(9)

1−b

1 ji

)

буферную память для хранения переда-

на сервер номер i. Получим

∞

(s)

ваемых сообщений.

(s)

(

i)β

)

где

s=0

Дисциплина обслуживания очере-

jmi

∑

k=0

ди, которая может включать сообщения

Загрузка сервера номер i вычисля-

∞

различных потоков, оказывает опре-

(λ

(s)

ется по формуле

−

=∑∫

(t)

деляющее влияние на характеристики

k=00

1ji

(10)

данной СМО. Возможны различные дис-

∞

(λ

tβ

(s))

циплины, которые достаточно хорошо

−λ

mi mi

Можно показать, что для любого j

∑

(t)

⁼∫

изучены, например, приоритетные, FIFO,

k=0

при p_ji > 0 формула (10) дает одинаковые

LIFO и т.д. [3, 5].

∞

значения ρ_i.

−λ

t(1−β

(s))

В каждом случае можно вычислить

dA_ji(t)

Среднее время ожидания в очереди

⁼∫

требуемые частные характеристики

в системе для запроса от источника но-

(среднее время ожидания в очереди за-

мер j вычисляется по формуле

=α

(λ

(1−

(s))),

(5)

просов j потока и загрузку обслуживаю-

∑

(11)

щего устройства), что позволит опреде-

где α_ji(.) и β_mi(s) - преобразование Ла-

1 λ

лить значения интегральных характери-

пласа - Стилтьеса функции распределе-

Средняя длительность задержки

стик для всей системы и выбрать наибо-

ния для A_ji(t) и B_mi(t).

произвольно взятого запроса в очереди

лее подходящие параметры алгоритма

Теперь, используя (5), получим пре-

на узле номер i может быть вычислена

управления потоками.

образование Лапласа - Стилтьеса функ-

по формуле

В дальнейшем будем считать, что

ции распределения ДО всех запросов

∑

(12)

обслуживание всех типов сообщений

(от всех источников), поступивших

1 λ

на каждом сервере происходит в поряд-

в интервале между поступлением двух

Средняя длина очереди из ожидаю-

ке общей очереди, в которой запросы

последовательных запросов источника

щих запросов на узле номер i вычисля-

могут находиться сколь угодно долго.

номер j на сервер номер i. Имеем

ется по формуле

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

Найти:

5. Саксонов Е. А., Нгуен Динь Чунг, До Чунг

∑

(13)

Тхоай, Нгуен Ксуан Фыонг. Модели и алгорит-

min

{F(P,B(t),λ)

Используя формулы (7-12), можно

P,B(t)∈B

(t)

мы управления потоками данных в многосер-

(P,B(t),λ)

(P,B(t),λ)}

(15)

вычислить величину интегральных ха-

верных информационных системах // Систе-

рактеристик системы, которые задаются

мы управления и информационные техноло-

формулами (1) и (2).

При ограничениях:

гии, 2011, № 1.1 (43), с. 56-59.

Следует отметить, интегральные

6. Тихомиров М. В., Фам Динь Тык, Нгуен

1) для любого j = 1, 2,…, M - ∑

=1;

характеристики, задаваемые форму-

Динь Чунг, Ву Ван Чыонг. Методика обеспече-

лами (1) и (2), являются функциями от

ния показателей безотказности и долговеч-

2) для любого i = 1, 2,..., N - ∑

pji>0;

параметров алгоритма управления ма-

j=1

ности радиоэлектронных средств на основе

трицы P, поэтому правомерна поста-

3) заданы подмножества номеров

комплексного моделирования физических

новка задачи о нахождении оптималь-

источников J = {j₁, j₂,..., j_KJ} и номеров

процессов

// Успехи современной радио-

ных параметров управления, напри-

серверов I = {i₁, i₂,..., i

}, для которых

электроники, 2011, № 1, с. 25-34.

мер, для характеристики, задаваемой

7. Болнокин В. Е., Нгуен Н. Хуэ, Нгуен Д. Чунг.

p_j

формулой (1).

mil = 1 (m = 1,2,..., KJ ; l = 1,2,...,KI).

Модели управления мультимодальными кон-

Дано: параметры оборудования си-

Отметим, что в данном случае мно-

тейнерными транспортно-складскими ком-

стемы (серверов) и потоков запросов

жество B*(t) определяется возможны-

плексами. - М.: ИИнтеЛЛ, 2011. - 256 с.

B(t), λ; множество весовых коэффици-

ми характеристиками серверов, доступ-

8. Болнокин В. Е., Мутин Д. И., Нго Ан Туан.

ентов (a₁, a₂,…, a_M).

ных разработчику системы. Задача так-

Математические модели управления судо-

Найти:

же является задачей математического

выми транспортными системами. - М.: Перо,

min{F

(P,B(t),λ)

программирования и может решаться

2015. -232 с.

с применением известных методов.

9. Бутов А. С., Гаскаров Д. В., Егоров А. Н.,

∑

}. (14)

Крупенин Н. В. Транспортные системы. Моде-

j=1

i=1

Выводы

лирование и управление. - СПб.: Судострое-

При ограничениях:

Для эффективного управления ло-

ние, 2001. - 554 с.

гистическими процессами необходимо

10. Комаров В. В. Архитектура и стандарти-

1) для любого j = 1, 2, …, M - ∑

=1;

уделять большое внимание электрон-

зация телематических и интеллектуальных

ным системам сбора данных и, в том

транспортных систем. Зарубежный опыт

2) для любого i = 1, 2, ..., N - ∑

0_;

числе, правильному выбору места раз-

и отечественная практика

/ В. В. Комаров,

3) заданы подмножества номеров

мещения на транспортном средстве

С. А. Гараган. - М.: НТБ «Энергия», 2012. - 352 с.

источников J = {j₁, j₂,..., j

} и номеров

и электрическому способу подключения

11. Асмолов Г. И., Рожков В. М., Соколов В. Г.

серверов I = {i₁, i₂,..., i

}, для которых

в бортовую сеть электрооборудования.

Виды информации и датчики в системах

Полученные в ходе работы результа-

транспортной телематики. Учебное посо-

p_j

mil = 1 (m = 1,2,..., KJ ; l = 1,2,...,KI).

ты дают возможность проводить анализ

бие. - М.: МАДИ, 2008. - 74 с.

Ограничение

3 задает априорное

динамики алгоритмов диспетчеризации

12. Датчики нагрузки на оси. Руководство по

распределение источников по серве-

и управления потоками данных в много-

эксплуатации: [Электронный ресурс] // Техно-

рам, что часто наблюдается на практике.

серверных информационных системах

тон. Минск., 2015. URL: http: // t-msk.ru/myfiles/

Данная задача является задачей

ЛПГП, вычислять характеристики алго-

rukovodstva/GNOM_rukovodstvo_po_

математического программирования

ритмов как в установившемся режиме,

ekspluatacii_v_2.0.pdf.

(дата

обращения:

и может решаться известными метода-

так и в динамике.

28.02.2017).

ми, при этом ограничение 3 может зна-

Результаты работы могут быть полез-

чительно сократить число возможных

ны разработчикам и администраторам

Болнокин Виталий Евгеньевич

вариантов.

информационных управляющих систем

Родился в 1953 году. В 1975 году окончил

Рассмотрим интегральную харак-

различного назначения, специалистам

Донецкий государственный университет по

теристику системы, заданную форму-

в области телематики и грузоперевозок.

специальности «Математика». Доктор техни-

лой (3). Применение этой характери-

ческих наук, профессор. В 1988 году защитил

стики, в отличие от первых двух, дает

Литература

диссертацию по теме «Исследование и про-

возможность решать задачу выбора

1. Вихров Н. М., Нырков А. П. Модели техно-

ектирование систем гибкого управления

оптимальных параметров управления

логических процессов на транспорте. - М.:

робототехническими комплексами». Опыт

и значения параметров серверов (на-

Судостроение, 2002. - 422 с.

работы - 42 года. В настоящее время работа-

пример, средние значения длитель-

2. Ретано А., Слайс Д., Уайт Р. Принципы про-

ет советником Дирекции ФГУП НИИАЭ. Автор

ностей обработки запросов от различ-

ектирования корпоративных IP-сетей. Пер.

более 100 научных статей и монографий.

ных источников и на различных серве-

с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс»,

рах). Эта задача выглядит следующим

2002. - 368 с.

Нгуен Динь Чунг

образом.

3. Рыжиков Ю. И. Бесприоритетное обслужи-

Родился в 1965 году. В 1987 году окончил

Дано: параметры потоков запросов

вание неоднородного потока заявок // Техни-

экономико-инженерный факультет Нацио-

λ; множество возможных параметров

ческая кибернетика, 4, 1975. - С. 69-73.

нального транспортного морского универ-

серверов B*(t) = {B_r(t)}, r = 1, 2, …, R;

4. Таненбаум Э., Ван Стен М. Распределенные

ситета Вьетнама. Кандидат технических наук,

множества весовых коэффициентов (a₁,

системы. Принципы и парадигмы. - СПб.: Пи-

доцент. В 2011 году защитил диссертацию по

a₂, …, a_M) и (b₁, b₂, …, b_N).

тер, 2003. - 877 с.

теме «Модели управления мультимодальны-

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 3 2017

ми контейнерными транспортно-складскими

Bolnokin Vitaliy

container transport-warehouse complexes». He

комплексами». Опыт работы - 30 лет. В насто-

Was born in 1953. In 1975 he graduated Donetsk

has 30 years of work experience. At present he

ящее время работает главным специалистом

State University majoring in «Mathematics». He

works as Chief Specialist of State Agency of Mari-

Национального управления морским транс-

is Doctor of Technical Sciences, professor. In

time University, Vietnam. He is author of more

портом, Вьетнам. Автор более 40 научных

1988 he defended the dissertation with subject

than 40 scientific articles and monographs.

статей и монографий.

«Research and design of flexible control systems

by the robotic complexes». He has 42 years of

Feofanov Sergey

Феофанов Сергей Александрович

work experience. At present he works as Advisor

Was born in 1984. In 2005 he graduated from

Родился в 1984 году. В 2005 году окончил

of Direction of Scientific Research and Experi-

Moscow Automobile and Road Construction State

МАДИ (ГТУ) по специальности

«Электро-

mental Institute of Automotive Electronics and

Technical University majoring in «Electric equip-

оборудование автомобилей и тракторов».

Electrical Equipment. He is author of more than

ment of automobiles and tractors». He is Candidate

Кандидат технических наук, защитил дис-

100 scientific articles and monographs.

of Technical Sciences, he defended the dissertation

сертацию по теме «Электрические пусковые

with subject «Electrical start-up systems in the on-

системы в бортовой сети электрооборудо-

Nguyen Dinh Chung

board electrical equipment network of automo-

вания автомобилей с номинальным напря-

Was born in 1965. In 1987 he graduated from fac-

biles with a rated voltage of 36 V». He has 11 years

жением 36 В». Опыт работы - 11 лет. В на-

ulty of economics and engineering of National

of work experience. At present he works as associ-

стоящее время работает доцентом кафедры

Transport Maritime University of Vietnam. He is

ate professor of «Electrical engineering and electri-

«Электротехника и электрооборудование»

Candidate of Technical Sciences, associate pro-

cal equipment» of Moscow Automobile and Road

МАДИ. Имеет 14 научных трудов и 1 патент

fessor. In 2011 he defended the dissertation with

Construction State Technical University. He has

на изобретение.

subject «Models of management of multimodal

14 academic papers and one patent of invention.

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 3 2017

Синтез и анализ работы вычислителя

скорости вентильного двигателя

// Synthesis and analysis of valve engine speed calculator //

Доманов В. И., к.т.н.,

⋅U

⋅ω

⋅ cosα(t)

Доманов А. В., к.т.н.,

=−K

⋅U

⋅ω

⋅ sinα(t),

Альтахер Аббас А. Карим,

ФГБОУ ВО «УлГТУ», г. Ульяновск

где K_д - коэффициент передачи диффе-

ренциаторов. Полученные сигналы E₁

В статье рассматривается работа

Considered the operation of the circuit for

и E₂ несут информацию об угловой ско-

схемы вычисления сигнала скорости

calculating a signal speed of the engine

рости ω(t) вращения вала двигателя, но

вентильного двигателя на основе

valve on the basis of the rotor position sen-

промодулированы знакопеременными

сигналов датчика положения ротора.

sor signals. Analyzes the errors associated

тригонометрическими функциями угло-

Анализируются ошибки, связанные

with the operation of the calculator circuit.

вого перемещения cos α(t) и sin α(t) [3].

с работой схемы вычислителя. Опреде-

Determines the possibility of reducing errors

Эти составляющие в условиях безре-

ляются возможности снижения ошибок,

caused by various factors.

дукторного следящего электропривода

вызванных различными факторами.

Keywords: valve motor, rotor position sen-

(низкие и инфранизкие частоты, малые

Ключевые слова: вентильный двига-

sor, speed signal calculator, fault.

угловые перемещения Δα) имеют специ

тель, датчик положения ротора, вы-

фические свойства, и отфильтровать их

числитель сигнала скорости, ошибка.

традиционными способами (например,

Развитие техники требует создания

Работой коммутатора управляют сигна-

RC-фильтрами) практически невозможно.

устройств и механизмов с более высоки-

лы с ДПР [2]. Рассмотрим структуру вы-

На входы первого умножителя M₁

ми технико-экономическими показате-

числителя скорости (рис. 1).

поступают сигналы E₁ с первого диф-

лями. В области электропривода наибо-

Сигналы с ДПР будут изменяться

ференциатора и U₂ с ДПР, а на входы

лее полно соответствуют указанным тре-

в соответствии с выражениями

второго умножителя M₂ - сигналы E₂ со

бованиям вентильные двигатели (ВД).

второго дифференциатора и U₁ с ДПР.

=Uд

⋅ sinα(t)

Они обладают хорошими энергетически-

Выходные сигналы U_y1 и U_y2 первого

=Uд

⋅ cosα(t),

(1)

ми и электромеханическими характери-

и второго умножителей имеют следую-

стиками и высокой надежностью.

где U_д - амплитуда сигнала ДПР.

щие значения:

Современный электропривод на ос-

Мгновенное значение угловой ско-

K_c

⋅ω

⋅ cos

α(t),

у1

нове вентильного двигателя является

рости вращения вала двигателя под

сложным элементом механотроники,

действием момента М_дв определяется

K_c

⋅ω

⋅ sin

α(t),

у2

включающим сам двигатель, датчик по-

выражением

ложения ротора или его вычислитель,

∂α(t)

где

⋅U

- коэффициент переда-

ω(t)=

(2)

силовой электронный преобразова-

∂t

чи по угловой скорости.

тель, систему управления, датчики или

Дифференцирование сигналов

(1)

Сигналы U_y1 и U_y2 с умножителей по-

вычислители координат. Расширяются

с учетом (2) дает значения

ступают на входы сумматора, выходной

области применения этих электропри-

водов, повышаются требования к их ра-

ботоспособности, возрастает объем вы-

пуска подобных машин. Поэтому созда-

ние современного высокоэффективного

вентильного электропривода является

актуальной задачей [1].

Рассматриваемый электропривод

ВД содержит синхронную машину (СМ)

и синусно-косинусный датчик положе-

ния ротора (ДПР). Статорные обмотки

СМ подключены к выходам двухканаль-

ного усилителя-преобразователя, входы

которого подсоединены к выходам ком-

мутатора на аналоговых умножителях.

Рис. 1. Структура вычислителя скорости

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 3 2017

Рис. 2. Изменение сигнала вычислителя скорости

Рис. 3. Зависимости ошибки вычислителя скорости от K₁

в зависимости от K₁

для различных значений α

сигнал U_occ которого является сигналом

Исходя из уравнений (6) получаем

Анализ выражения (10) показывает,

отрицательной обратной связи по угло-

Ω = - Ω₀. Таким образом, при смещении

что эта ошибка может быть отфильтро-

вой скорости и имеет значение (с уче-

осей ДПР на 90 электрических градусов

вана апериодическим звеном с постоян-

том того, что cos²α + sin²α = 1)

сигнал вычислителя скорости меняет

ной времени T = 1/ω.

знак (рис. 2).

осс

у1

−U

у2

⋅ω

При наличии высших гармоник в сиг-

Выводы

Скоростная обратная связь имеет ли-

налах ДПР и с учетом снижения уровня

Условия снижения ошибок в работе

нейную характеристику, высокую надеж-

гармоник старших порядков в первом

вычислителя скорости вентильного дви-

ность и не имеет каких-либо ограниче-

приближении можно записать

гателя:

ний по быстродействию и скорости [4].

••

ДПР необходимо устанавливать

sinαt+

sin2αt



Точность работы вычислителя ско-

максимально точно;



(7)

рости будет зависеть от ряда условий:

cosαt+

cos2αt

••

питание ДПР не должно иметь выс-



••

точность установки ДПР;

ших гармоник, для чего можно исполь-

••

наличие высших гармоник в сигна-

С учетом выражения

(7) можно

зовать фильтры питания;

лах датчика;

определить ошибку по скорости в этом

••

для снижения влияния случайных

••

влияние случайных помех.

случае:

помех можно применить фильтр на вы-

Оценим каждое из указанных усло-

ходе вычислителя.

ΔΩ =

(1−K

)(1−

cosα)

(8)

вий. В случае неточной установки ДПР

Анализ ошибок вычислителя и путей

оси координат датчика и двигателя

Анализ выражения (8) показывает,

их снижения позволяет создать электро-

будут отличаться. При этом двигатель

что ΔΩ = 0 в двух случаях:

привод с более высокими точностными

будет воспринимать сигналы датчика

K₁ = 1, отсутствуют высшие гармо-

показателями.

в виде

ники;

K₁ = 0, на обмотках датчика имеется

U1=K

sinαt+

cosαt



только вторая гармоника.

Литература

U K1cosαt+

sinαt

(3)



Максимальная ошибка достигается

1. Анучин А. С. Системы управления элек-





при условии K₁ = 0,5 (рис. 3).

троприводов. - М.: Издательский дом МЭИ,

В соответствии с выражением (2)

Рассмотрим вариант, при котором

2015. - 373 с.

и с учетом формул (3) получаем

в напряжениях ДПР присутствует слу-

2. Афанасьев А. Ю. Моментный электро-

dα

чайный сигнал S(ω):

привод.

- Издательство Казанского госу-

−

)

(4)

дарственного

технического университета,

S(ω)



Найдем ошибку по скорости для это-



(9)

1997. - 250 с.

S(ω)

го случая:

3. Доманов В. И. Разработка и исследова-

−

С учетом выражений (1) и (7) можно

ние систем электропривода с вентильными

ΔΩ

2(1−

)

(5)

вычислить ошибку по скорости для это-

двигателями / В. И. Доманов, А. В. Доманов. -

Анализ выражения (5) показывает,

го случая:

Ульяновск: УлГТУ, 2015. - 194 с.

что ΔΩ = 0 при условии K₁ = 1 (точная

4. Доманов В. И. Элементы систем автома-



π

ΔΩ

2 cos

ωt+



установка ДПР). При условии K₁ =

тики

(канал управления)

/ В. И. Доманов,



4

ΔΩ = 2

А. В. Доманов.

- Ульяновск: УлГТУ,

2009.



π

dS(ω)

×sinωt−



ΩS(ω)+

(10)

107 с.

U1 =cosαt, U2 =sinα t





(6)



4



Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 3 2017

Доманов Виктор Иванович

двигателей». Кандидат технических наук, до-

nical University. He has 144 scientific publica-

Родился в 1950 году. В 1972 году окончил

цент, директор Экспертно-аналитического

tions, author of 16 inventions.

Ульяновский политехнический институт по

центра НИТИ им. С. П. Капицы УлГУ. Имеет

специальности

«Авиаприборостроение».

107 научных трудов, автор 11 изобретений.

Domanov Andrey

В 1980 году защитил кандидатскую диссер-

Was born in 1976. In 1999 he graduated from

тацию по теме «Методика расчета и иссле-

Альтахер Аббас А. Карим

Ulyanovsk State Technical University special-

дования следящих систем с устройствами

Родился в 1971 году. В 2006 году окончил

izing in «The measuring-computing complexes

упреждающей коррекции для токарных стан-

Технологический институт в Багдаде (Ирак).

and systems». In 2002 has protected Ph. D. thesis

ков с ЧПУ». Кандидат технических наук, до-

Аспирант кафедры «Электропривод и авто-

by the theme «Development and investigation

цент, заведующий кафедрой «Электропривод

матизация промышленных установок» энер-

of electrical power steering of passenger cars

и автоматизация промышленных установок»

гетического факультета УлГТУ. Имеет публи-

on the basis of contactless engines». Ph. D., do-

энергетического факультета УлГТУ. Имеет

кации в области электромеханики.

cent, Director of Expert-Analytical Center SRTI of

144 научных труда, автор 16 изобретений.

Ulyanovsk State University. He has 107 scientific

Domanov Viktor

publications, author of 11 inventions.

Доманов Андрей Викторович

Was born in 1950. In 1972 he graduated from

Родился в 1976 году. В 1999 году окончил

Ulyanovsk Polytechnic Institute specializing

Altaher Abbas A. Karim

Ульяновский государственный технический

in «Aircraft instrumentation». In 1980 has pro-

Was born in 1971. In 2006 he graduated from

университет по специальности «Измеритель-

tected Ph. D. thesis by the theme «The method

Institute of Technology in Baghdad (Iraq). Post-

но-вычислительные комплексы и системы».

of calculation and research tracking systems

graduate of the Department «Electric drives

В 2002 году защитил кандидатскую диссер-

with pre-emptive corrective devices for lathes

and automation of industrial installations»

тацию по теме «Разработка и исследование

numerically controlled». Ph. D., docent, Head of

in Ulyanovsk State Technical University. He

электроусилителя рулевого управления лег-

Department «Electric drives and automation of

has published articles in the field of electrical

ковых автомобилей на основе бесконтактных

industrial installations» in Ulyanovsk State Tech-

engineering.

Электронные компоненты, датчики

№ 3 2017

Автомобильный многопозиционный

датчик положения

// Аutomotive multi-position sensor //

Нефедьев А. И., д.т.н., доцент,

Revolution Sensor Company, Sentech Inc.,

Волгоградский государственный технический

Instruments & Control Inc. и многими дру-

университет, г. Волгоград

гими [4].

Нередко в автомобиле осуществля-

Шаронов Г. И., к.т. н., доцент,

ется контроль линейного перемещения

Автомобильно-дорожный институт Пензенского государственного

различных объектов, для чего удобно

университета архитектуры и строительства, г. Пенза

применять индуктивные датчики, кото-

Проведен анализ схемотехнических ре-

The analysis of circuit design multiple

рые хорошо подходят для регистрации

шений автомобильных многопозицион-

of automotive position sensors was per-

линейного движения объектов и могут

ных датчиков положения. Разработан

formed. The multiple position sensors for

быть использованы вместо датчиков

многопозиционный датчик положения

cars with high precision and high reliability

Холла [5-8].

для автомобиля, обладающий высокой

was developed. The design and perfor-

Микропроцессорной системе управ-

точностью и надежностью. Пред-

mance of automotive multiple position

ления силовым агрегатом требуется до-

ставлены конструкция и параметры

sensor was presented.

стоверная информация о положении

автомобильного многопозиционного

Keywords: position sensor, microprocessor

исполнительного механизма переклю-

датчика положения.

control system, primary parametric trans-

чения передач, состоянии сцепления,

Ключевые слова: датчик положения, ми-

ducer, secondary transducer.

рейки топливного насоса высокого дав-

кропроцессорная система управления,

ления и т.д. Для решения этой задачи

первичный параметрический преобра-

разработан многопозиционный датчик

зователь, вторичный преобразователь.

положения, предназначенный для по-

В настоящее время в автомобилях

внешних условий и долговечностью.

лучения в цифровом виде информации

применяются микропроцессорные си-

Индуктивные датчики широко применя-

о положении, направлении и величине

стемы управления различными под-

ются в различных областях промышлен-

перемещения контролируемого объек-

системами и агрегатами: двигателем,

ности, в том числе в автомобилестрое-

та, принцип работы которого основан

коробкой переключения передач, си-

нии, что обусловлено их надежностью,

на преобразовании параметров датчика

стемой динамической стабилизации,

сравнительно низкой стоимостью,

(комплексных сопротивлений или вза-

круиз-контролем, тормозной и противо-

бесконтактным принципом действия,

имной индуктивности) в активный сиг-

буксовочной системами. Для получения

неограниченным сроком службы и вы-

нал. Такой многопозиционный датчик

информации о состоянии узлов и под-

сокой разрешающей способностью, воз-

положения имеет относительно низкую

систем автомобиля в любой момент вре-

можностью работы в широком диапазо-

себестоимость и высокую надежность

мени разрабатываются и применяются

не температур. При этом технология их

и может использоваться в системах ав-

различные автомобильные аналоговые

производства непрерывно совершен-

томатики во многих отраслях промыш-

датчики. Такие датчики, являющиеся не-

ствовалась различными фирмами. Бла-

ленности.

отъемлемой частью практически любой

годаря функциональным и конструктив-

На рис. 1 представлена структурная

автомобильной системы управления,

ным технологическим усовершенство-

схема разработанного многопозицион-

должны отвечать растущим потребно-

ваниям, а также развитию электроники

ного датчика положения, состоящего из

стям автомобилестроения с точки зрения

индуктивные датчики остаются востре-

первичного параметрического преоб-

надежности, линейности, прецизион-

бованными в автоиндустрии [1-3].

разователя (ППП) и вторичного преоб-

ности, компактности и невысокой цены

Автомобильные индуктивные дат-

разователя (ВП) [9].

и функционировать в жестких условиях

чики производятся многими фирмами:

При подаче напряжения с выхода

эксплуатации при повышенной и пони-

Schaevitz Sensors Div., Active Sensors Ltd,

источника гармонического сигнала E

женной температурах, сильном загрязне-

HBM GmbH, Trans-Tek Inc., Honeywell Sen-

на катушки ППП по ним протекает ток,

нии, вибрации и высокой влажности.

sotec, Schaevitz Sensors, Lord Microstrain,

значение которого зависит от модулей

Из бесконтактных датчиков наи-

P3 America, Penny & Giles Controls Ltd,

комплексного сопротивления катушек.

более подходящими для применения

RDP Electronics Ltd, Automatic Systems

Напряжение, формируемое катушками

в автомобиле являются индуктивные,

Laboratories, Solartron Metrology, Am-

L1 и L2, поступает на вход выпрямителей

характеризующиеся простотой изготов-

etek, Inc., Columbia Research Lab’s, Kavlico

В1 и В2, после фильтрации при помощи

ления, неприхотливостью в отношении

Corporation, Lion Precision, Monitran Ltd,

фильтров Ф1 и Ф2 подается на входы

Электронные компоненты, датчики

№ 3 2017

и напряжение U2 < U3, при этом на вы-

ходах X1 и X2 ВП формируются сигналы,

соответствующие уровню логической

единицы.

При положении штока датчика, по-

казанном на рис. 2в, напряжения U1

и U2 также равны, но при этом U1 > U3

и U2 > U3, а на выходах X1 и X2 ВП фор-

мируются сигналы, соответствующие

уровню логических сигналов «0».

При перемещении штока датчика по-

ложения (рис. 2a) вправо относительно

начальной позиции он занимает поло-

жение, показанное на рис. 2б. При этом

комплексное сопротивление катушки L2

уменьшается, вследствие чего напряже-

ние U2 > U3, тогда как комплексное со-

противление катушки L1 не изменится.

В результате этого напряжения U1 и U3

не изменятся (если источник питания

Рис. 1. Структурная схема многопозиционного датчика положения

является источником напряжения) или

компараторов К1 и К2. Напряжение ис-

(a - расстояние между первым и вторым

несколько увеличатся

(если источник

точника гармонического сигнала E через

зазорами чувствительного элемента

питания является источником тока), но

делитель Д подается на выпрямитель В3,

датчика; b - ширина магнитопроводя-

при этом напряжение U1 < U3, что при-

далее - на фильтр Ф3, затем поступает

щего участка штока датчика; с - ширина

водит к формированию на информа-

на вторые входы компараторов К1 и К2.

немагнитопроводящего участка штока

ционных выходах X1 и X2 вторичного

На выходах фильтров Ф1, Ф2 и Ф3

датчика).

преобразователя логических сигналов

формируются напряжения U1, U2 и U3

В исходном состоянии комплексные

«1» и «0». При дальнейшем перемеще-

относительно общей шины. Значение

сопротивления катушек L1 и L2 при-

нии штока датчика вправо он занима-

напряжений U1 и U2 зависит от положе-

близительно равны, так как один магни-

ет положение, показанное на рис. 2в.

ния штока датчика относительно кату-

топроводящий участок штока датчика

При этом комплексное сопротивление

шек ППП L1 и L2. Шток датчика состоит

находится напротив первичного катуш-

катушки L1 уменьшается, вследствие

из чередующихся магнитопроводящих

ки L1 (рис. 2а), а другой магнитопрово-

чего U1 > U3, тогда как комплексное со-

и немагнитопроводящих участков. Зна-

дящий участок - напротив катушки L2.

противление катушки L2 не изменится.

чение напряжения U3, являющегося

Аналогично и для рис. 2б: комплексные

В результате этого напряжения U2 и U3

опорным сигналом для компараторов

сопротивления катушек L1 и L2 прибли-

не изменятся (если источник питания

К1 и К2, зависит от параметров эле-

зительно равны, так как один немагни-

является источником напряжения) или

ментов образцовой ветви и не зависит

топроводящий участок штока датчика

несколько уменьшатся (если источник

от положения штока датчика в случае,

находится напротив первичного катуш-

питания является источником тока), но

когда источник E является источником

ки L1, а другой немагнитопроводящий

при этом U2 > U3, что приводит к форми-

напряжения, и немного зависит от по-

участок - напротив катушки L2. В этих

рованию на информационных выходах

ложения штока датчика в случае, когда

случаях напряжения U1 и U2 (рис. 1) рав-

X1 и X2 вторичного преобразователя ло-

источник E является источником тока.

ны. Учитывая, что элементы делителя Д

гических сигналов «0». При дальнейшем

На рис. 2а показано положение што-

выбраны таким образом, что в данном

перемещении штока датчика вправо

ка датчика относительно катушек L1 и L2

положении штока напряжение U1 < U3

он занимает положение, показанное на

рис. 2 г. При этом комплексное сопро-

тивление катушки L2 дополнительно

увеличивается, вследствие чего U2 < U3,

а комплексное сопротивление катушки

L1 остается без изменений. В результате

этого напряжения U1 и U3 немного уве-

личиваются (если источник E является

источником тока) или не изменяются

(если источник E является источником

напряжения), но при этом неравенство

напряжений U1 > U3 сохраняется, что

приводит к формированию на инфор-

мационных выходах X1 и X2 логических

сигналов «0» и «1». Для определения на-

Рис. 2. Варианты положения штока датчика относительно катушек L1 и L2

правления перемещения необходимо,

Электронные компоненты, датчики

№ 3 2017

• напряжение логического нуля, В

0,1;

• токовый сигнал низкого уровня, мА,

не более

0,3;

• токовый сигнал высокого уровня,

мА, не более

10 ± 1,5;

• напряжение питания, В

12-24;

• диапазон рабочих температур, °С

-50…+95;

• воздействие воздуха давлением,

МПа, не более

• максимальная погрешность пози-

Рис. 3. Временные диаграммы выходных сигналов датчика положения: а) информационный

ционирования при изменении темпера-

выход Х1; б) информационный выход Х2

туры от -50 до +95°С, мм, не более ±0,13.

чтобы расстояние a (рис. 2а) между пер-

времени t₃) на информационном выхо-

Подключение датчика к внешним

вой L1 и второй L2 катушками удовлет-

де X1 происходит, когда на информаци-

электрическим устройствам осущест-

воряло одному из следующих условий:

онном выходе X2 присутствует сигнал

вляется гибким кабелем. Со стороны

••

если b ≥ c, то mod(a, (b + c)) > b или

уровня «1». Аналогично переход с уров-

датчика кабель заделан неразъемно,

mod(a, (b + c)) < c, где mod(a, (b + c)) -

ня «1» на уровень «0» (момент времени

при этом длина кабеля составляет 1 м.

остаток от деления a на (b + c);

Разработанный автомобильный мно-

4) на информационном выходе X2 про-

••

если b ≤ c, то mod(a, (b + c)) > c

исходит, когда на информационном вы-

гопозиционный датчик положения при-

или mod(a, (b + c)) < b.

ходе X1 присутствует сигнал уровня «0».

менен в составе автоматической системы

На рис. 3 представлены временные

Фотография разработанного авто-

управления силовым агрегатом автобуса

диаграммы выходных сигналов на ин-

мобильного многопозиционного датчи-

ЛиАЗ-5256 для обеспечения контроля

формационных выходах X1 и X2 много-

ка положения показана на рис. 4.

положения и направления перемеще-

позиционного датчика положения. При

Основные параметры разработан-

ния рейки топливного насоса высокого

перемещении штока датчика влево

ного многопозиционного датчика по-

давления и датчика положения педали

переход с уровня «1» на уровень «0»

ложения:

акселератора, а также выбора и включе-

(рис. 3, момент времени t₁) на информа-

первичный измерительный преоб-

ния передачи в коробке переключения

ционном выходе X2 происходит, когда

разователь (ПИП):

передач.

на информационном выходе X1 присут-

• диаметр, мм

22;

ствует сигнал с уровнем «1». Аналогично

• длина корпуса, мм

40;

Литература

переход при данном условии с уровня

• длина индуктора определяется ве-

1. Scott D. Welsby. Capacitive and Inductive

«1» на уровень «0» (рис. 3, момент вре-

личиной перемещения контролируемо-

Noncontact Measurement // Sensors Magasine.

мени t₂) на информационном выходе X1

го объекта;

March, 2003.

происходит, когда на информационном

• минимально возможное контроли-

2. Nyce D. S. The LVDT: A Simple and Accurate

выходе X2 присутствует сигнал уровня

руемое перемещение, мм

Position Sensor // Sensors Magasine. Aug., 2005.

«0». При перемещении штока датчика

вторичный измерительный преоб-

3. Литвиненко В. В. Автомобильные датчики,

вправо происходит изменение указан-

разователь (ВИП):

реле и переключатели. Краткий справочник /

ного соответствия. Так, переход с уров-

• напряжение логической едини-

Литвиненко В. В., Майструк А. П. - М.: За ру-

ня «1» на уровень «0» (рис. 3, момент

цы, В

4,2;

лем, 2004. - 176 с.

4. Криворученко А. Бесконтактные датчики

положения. Проблемы выбора и практика

применения // Компоненты и технологии,

№ 1, 2007. - С. 32-35.

5. US Patent

№ 6563412, МПК H01F 21/04.

Rotary variable differential transformer. Опубл.

13.05.2003.

6. US Patent

№ 7287512, МПК F02D 11/04,

B62K 21/12. Throttle position sensor / Possehl et

al. Опубл. 30.10.2007.

7. US Patent

№ 7538543, G01R

33/06.

Redundant pedal position sensor

Nicolosi J. M. Опубл. 26.05.2009.

8. Нефедьев А. И. Прецизионный трансфор-

маторный измеритель перемещения / Нефе-

дьев А. И., Шаронов Г. И., Шаронова В. Г. // Про-

блемы качества и эксплуатации автотранспорт-

ных средств: материалы VIII международной

Рис. 4. Автомобильный многопозиционный датчик положения

научно-технической конференции, г. Пенза,

Электронные компоненты, датчики

№ 3 2017

21-23 мая 2014 г. / под общ. ред. Э. Р. Домке;

Шаронов Геннадий Иванович

of alternate current for measurement of the

ФГБОУ ВПО

«Пензенский государственный

Родился в 1947 году. В 1972 году окончил

electrical energy values». He has 30 years work

университет архитектуры и строительства»,

Пензенский завод - ВТУЗ при заводе ВЭМ,

experience. At present, he works as a professor

Автомобильно-дорожный институт. - Пенза,

филиал Пензенского политехнического

of the «Electrical technology» department of

2014. - C. 359-362.

института по специальности

«Автоматика

Volgograd State Technical University. He has

9. Патент РФ № 2248579, МПК G01R 27/28.

и телемеханика». Кандидат технических наук,

132 academic papers, including 34 certificates

Датчик для многопозиционного контроля

доцент. В 1992 году защитил диссертацию по

of authorship and patent.

положения

/ Шаронов Г. И., Кучерук В. А.,

теме «Разработка средств измерения пара-

Ширшиков А. С., Домке Э. Р., Родионов Ю. В. -

метров пассивных двухполюсников в много-

Sharonov Gennady

№ 2003113817/28, заявл.

12.05.2003; опубл.

полюсных электрических цепях на основе

Was born in 1947. In 1972 he graduated from

30.03.2005. Бюл. № 8.

алгоритма изменения конфигурации изме-

Penza factory

- VTUZ under VEM factory,

рительной цепи». Опыт работы - 51 год. В на-

branch of Penza Polytechnic Institute, spe-

Нефедьев Алексей Иванович

стоящее время работает доцентом кафедры

ciality is «Automatics and telemechanics». He

Родился в 1965 году. В 1987 году окончил

«Организация и безопасность движения»

is candidate of technical sciences. In 1992 he

Пензенский политехнический институт по

Автомобильно-дорожного института Пен-

defended the thesis, the subject of the thesis

специальности «Радиотехника». Доктор тех-

зенского государственного университета

«The development of tools for measuring the

нических наук, доцент. В 2013 году защитил

архитектуры и строительства. Имеет 249 пу-

parameters of passive two-terminal circuit in

диссертацию по теме «Широкодиапазонные

бликаций, в том числе 176 авторских свиде-

multi-pole electrical circuits on the basis of

электростатические и электродинамиче-

тельств и патентов.

the reconfiguration of algorithm of the mea-

ские компараторы переменного тока для из-

surement circuit». He has 51 years work expe-

мерений электроэнергетических величин».

Nefed'ev Alexey

rience. At present, he is associate professor of

Опыт работы - 30 лет. В настоящее время

Was born in 1965. In 1987 he graduated from

the «Organization and traffic safety» depart-

работает профессором кафедры «Электро-

Penza State University in specialty of «Radio-

ment of Automobile and Roads Institute of

техника» Волгоградского государственного

technics». He is candidate of technical sciences,

Penza State University of Architecture and

технического университета. Имеет 132 пу-

associate professor. In 2013 he defended the

Construction (Penza). He has 249 academic

бликации, в том числе 34 авторских свиде-

thesis, the subject of thesis is

«Wide-range

papers, including 176 certificates of author-

тельства и патента.

electrostatic and electrodynamic comparators

ship and patents.

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 3 2017

Анализ подходов и имитационное

моделирование при разработке и реализации

электротехнической системы мониторинга

состояния комплекса электроснабжения

беспилотного автомобиля

// Analysis of approaches and simulation modeling in the development and implementation

of an electrical monitoring system of the unmanned vehicle power supply complex //

Козловский В. Н., д.т. н.,

и значительной погрешностью оценки

Новикова А. П.,

работоспособности комплекса. Динами-

СамГТУ, г. Самара

ческий метод обладает важным достоин-

ством - простотой реализации техниче-

В работе представлены результаты

The work presents the results of an analysis

ских решений, но при этом у него те же

анализа основных методов и методик

of the main methods and techniques of

недостатки, что и у мостовых методов.

организации системы мониторинга

the organization of operability monitoring

При рассмотрении методов непосред-

работоспособности комплекса элек-

system of an electrical supply complex of an

ственной оценки работоспособности

троснабжения автономного транс-

autonomous transport facility by the crite-

к указанным выше недостаткам добав-

портного объекта по критерию сопро-

rion of tire insulation resistance.

ляются еще и сложность технической

тивления изоляции шин.

Keywords: automobile, electro mobile,

Ключевые слова: автомобиль, электро-

automobile with combined power plant,

реализации, а также необходимость

введения компенсационного источника

мобиль, автомобиль с комбинирован-

electric facility, power supply, operability

ной энергоустановкой, электрообору-

diagnostics.

в систему, что делает невозможным при-

дование, электроснабжение, диагности-

менение данной группы методов.

ка работоспособности.

Существование множества техни-

ческих устройств для измерения со-

Анализ ключевых тенденций разви-

методы и способы мониторинга сопро-

противления изоляции шин питания

тия мировой автомобильной промыш-

тивления системы электропитания в зна-

относительно корпуса и токов утечки

ленности с учетом непрерывного рас-

чительной степени разработаны для кос-

обусловлено сложностью задачи. Это

ширения и роста значимости системы

мических аппаратов в работах В. И. Лачи-

свидетельствует и о том, что в настоя-

электрооборудования в новых проектах

на, М. Е. Бородянского, И. М. Бородянско-

щее время не созданы универсальные

электромобилей (ЭМБ) и автомобилей

го, Ю. М. Соломенцева, Ю. В. Красноба-

средства с приемлемыми характери-

с комбинированной энергоустановкой

ева, для летательных аппаратов - в тру-

стиками для данного класса объектов -

(АКЭУ), автономных транспортных объ-

дах В. В. Серебрякова, И. И. Абрамова,

низковольтных разветвленных цепей

ектов (АТО) позволяет говорить об акту-

В. К. Ванина, Б. Д. Дунаева, Э. И. Капля,

постоянного тока и, в частности, ЭКЭП

альности задачи обеспечения исправной

В. В. Кичаева, С. В. Кононова, С. И. Мала-

АТО с двумя изолированными от корпу-

работы изоляции комплекса электро-

феева, О. А. Марковской, А. И. Покрашен-

са шинами питания.

питания (ЭКЭП). Становится очевидной

ко, Н. В. Серебренникова, В. А. Савельева,

Необходимо отметить, что большин-

важная научно-техническая проблема

С. Н. Слезкина, Л. З. Фейгина.

ство методов оценивается качествен-

создания соответствующей электротех-

Более детально вопросы разработки

но и для них, как правило, отсутствуют

нической и электронной диагностиче-

и исследования мониторинга работо-

количественные оценки и абсолютные

ской системы мониторинга работоспо-

способности в автотранспортных сред-

значения погрешностей и быстродей-

собности с целью обеспечения высоких

ствах рассмотрены в работах С. В. Аки-

ствия. Это подтверждается и отсутстви-

показателей надежности современных

мова, В. А. Балагурова, В. В. Болотина,

ем аналитически выверенных методик

автотранспортных средств (АТС) [1].

Ю. А. Купеева, Б. И. Петленко, В. Е. Ютта,

для оценки погрешностей при подсчете

Проведенный патентный анализ

R. A. Fisher, F. R. Sghleif, E. B. Curdts.

сопротивлений по измеренным данным.

(за последние 20 лет) по вопросам тео-

Первичный анализ выделенных под-

Кроме того, функционал перечисленных

рии, прикладным аспектам разработки

ходов, проведенный с целью выбора наи-

методов не решает задачу оценки кри-

и внедрения электротехнических систем

более перспективных для организации

тического состояния АТО.

мониторинга работоспособности транс-

системы мониторинга, показывает неко-

Именно поэтому нами проводится

портных объектов показал, что на данный

торую неочевидность предпочтений при

имитационное моделирование про-

момент существуют несколько методов

рассмотрении каждого из методов по от-

цесса мониторинга ЭКЭП методом эта-

мониторинга работоспособности АТС [2].

дельности. Например, при реализации

лонного делителя

(МЭД) напряжения

Анализ научных материалов в обла-

системы на основе мостовых методов

(рис. 1) путем интеграции в его струк-

сти объекта исследования показал, что

возникают проблемы с быстродействием

туру соответствующей схемы контроля

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 3 2017

Рис. 1. Модель системы МЭД одного луча радиальной ЭКЭП

Рис. 2. Модель системы МЭД одного луча радиальной ЭКЭП

при симметрии сопротивлений R_из+ и R_из-:

при асимметрии сопротивлений R_из+ и R_из-:

Е - напряжение источника 28 В, R_д - сопротивления делителя

напряжения (R_д+ = R_д- = 10 кОм), R_из - сопротивление изоляции между

напряжения (R_д+ = R_д- = 10 кОм), R_из - сопротивление изоляции

корпусом и шинами питания R_из- = R_из+ = 1 МОм, R_н - сопротивление

между корпусом и шинами питания R_из- = 1 кОм, R_из+ = 1 МОм, R_н -

нагрузки с номинальным током 10 А

сопротивление нагрузки с номинальным током 10 А

работоспособности АТО в программной

проведенного в моделирующей среде

(Rд+ = Rд- = 10 000 кОм). Эти сопротивле-

среде Electronic Workbench [3]. Помимо

Electronic Workbench (рис. 2).

ния (Rд+ и Rд-) определяют диапазон из-

этого, имитационное моделирование

В результате моделирования полу-

мерения сопротивления изоляции. Оче-

проводилось при различных значени-

чим точку зависимости R_из- = f (U₊/U_-).

видно, что текущие значения напряже-

ях R_д (10 и 50 кОм), чтобы определить

Задавая различные значения R_из- в диа-

ний U₊ и U_-, измеренные вольтметрами

оптимальное значение сопротивления

пазоне от 100 Ом до 1 МОм (верхняя гра-

для конкретных значений R_из, и отноше-

делителя, при котором погрешность из-

ница диапазона R_из+ = R_из- = 1 МОм), полу-

ния U₊/U_- не всегда будут совпадать с ре-

мерений будет минимальной.

чаем для каждого из них отношение на-

перными. В этом случае как отношения

При этом по заниженному показа-

пряжений U₊/U_-, строим всю зависимость

U₊/U_-, так и значения Rиз.экв контроллер

нию одного из вольтметров (V₊ или V_-)

R_из- = f (U₊/U_-), а затем и Rиз+ = f (U_-/U₊) для

рассчитывает с помощью линейной или

можно определить неисправную шину,

принятых сопротивлений плеч делителя

круговой интерполяции. Смоделируем

а кроме того, по степени шунтирова-

ния плеч делителя Rд+ и Rд- - и ее экви-

Таблица 1. Зависимость R_из- = f (U-/U₊) для сопротивлений делителя

= R_д- = 100 000 Ом с учетом R_вх = 9880,952 Ом АЦП (шунтируется R_д-)

валентное сопротивление изоляции

д+

относительно корпуса. Вольтметры V₊

№

U+, В

U-, В

U+/U-

R_из.экв-, Ом

и V_- (рис. 2) показывают, что неисправ-

27,72

0,2826

98,089

100

ность находится в шине питания «-», так

26,69

1,308

20,405

500

как Rиз- меньше, чем Rиз+. Чем больше эк-

25,61

2,393

10,702

1000

вивалентное сопротивление изоляции

24,69

3,309

7,4615

1500

R_из относительно корпуса, тем меньше

22,64

5,37

4,216

3000

оно шунтирует соответствующее плечо

20,88

7,121

2,9322

5000

делителя Rд+ или Rд-, и тем больше на-

18,54

9,456

1,96066

10 000

пряжение на этом плече приближается

15,90

12,10

1,314

30 000

к Е/2, а R_из относительно корпуса при-

15,18

12,82

1,1841

50 000

ближается к принятому для штатного ре-

14,59

13,41

1,088

100 000

жима ЭКЭП R_из- = R_из+ = 1 МОм. Если ЭКЭП

14,07

13,93

1,01

500 000

функционирует нормально, то шунтиро-

14,00

1,00

1 000 000

вание обоих плеч симметрично и пока-

Таблица 2. Зависимость R_из- = f (U_-/U₊) для сопротивлений делителя

зания обоих вольтметров V₊ и V_- равны,

при этом R_из- = R_из+ = 1 МОм. Эта степень

Rд+ = Rд- = 640 000 Ом (шунтируется Rд-)

шунтирования (или асимметрия напря-

№

U+ , В

U-, В

U+/U-

R_из, Ом

жений плеч) пропорциональна эквива-

27,94

0,064

436,56

100

лентному сопротивлению изоляции R_из

27,68

0,3149

87,90

500

относительно корпуса и определяется

27,38

0,6163

44,426

1000

отношением показаний вольтметров U₊

26,42

1,577

16,753

3000

и U_-, что исключает зависимость резуль-

25,37

2,629

9,650

5000

тата измерений от возможных измене-

23,56

4,441

5,3051

10 000

ний напряжения питания.

21,52

6,478

3,332

20 000

Сопротивление Rиз.экв можно задать

18,09

9,908

1,8258

50 000

как функцию отношения некоторых фик-

16,29

11,71

1,39

100 000

сированных (реперных) напряжений U₊

14,73

13,27

1,11

300 000

и U_- в виде таблицы на основе данных, по-

14,30

13,70

1,044

500 000

лученных из модельного эксперимента,

14,00

1,00

1 000 000

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 3 2017

Таблица 3. Результаты оценки погрешности в методе эталонного делителя

Принцип действия данной модели за-

ключается в том, что низкоомные сопро-

№

R_из.экв+, кОм

R_из.экв-, кОм

Δ %

тивления эталонного делителя Rд+ = Rд-

2,22

создают искусственный ноль между ши-

2,23

нами питания U_-и U₊, который сохраняет-

ся независимо от режима схемы, то есть

100

2,3

от величины сопротивлений изоляции

100

200

2,33

из+ и Rиз- между шинами питания и кор-

500

1000

2,73

пусом. Поэтому при равенстве Rиз+ и R_из-

1000

2000

3,2

вольтметр V1 покажет ноль (рис. 3) (на мо-

5000

10 000

6,7

дели - десятки микровольт), а вольтметры

10 000

20 000

V2 и V3 - напряжения на сопротивлениях

эталонного делителя. При асимметрии

и построим зависимость Rиз.экв- = f (U₊/U_-)

V₁ - принято равным 20 мОм. На основа-

и Rиз.экв- потенциал корпуса смеща-

из.экв+

для параметров измерительной схемы

нии моделирования разработана функ-

ется относительно искусственного нуля,

(таблицы 1, 2).

циональная схема прибора для монито-

так как определяется величинами сопро-

В результате имитационного моде-

ринга работоспособности ЭКЭП АТО по

тивлений изоляции Rиз+ и Rиз- так, как это

лирования установлена необходимость

критерию сопротивления изоляции.

показано на модели (рис. 4).

применения в качестве делителя вели-

Достоинствами данной модели явля-

Очевидно, что вольтметр V1 пока-

чины R_д = 640 кОм.

ются простота конструкций и быстрота

жет полуразность между напряжениями

Результаты оценки погрешности

измерений, а также возможность при-

на сопротивлениях изоляции Rиз+ и R_из-.

в методе эталонного делителя представ-

менения при различных значениях ис-

Далее контроллер по знаку показаний

лены в таблице 3, где измерения Rиз. про-

точника. Существенными недостатками

вольтметра V1 определяет неисправ-

исходят при значениях сопротивлений

являются большая погрешность изме-

ную шину, а по величине показаний - ее

Rиз+ и R_из-, а также при их фиксированном

рений и продолжительность цикла из-

сопротивление относительно корпуса

отношении Rиз+/R_из- = 0,5.

мерения сопротивлений изоляции.

с помощью полученной из модели гра-

В приведенном примере R_вх

Нами предлагается модифицирован-

дуировочной таблицы R_из = f (2UV1).

входное сопротивление вольтметра

ный метод мониторинга работоспособ-

На основе имитационного модели-

ности ЭКЭП с эта-

рования составлена схема замещения

лонным делителем

(рис. 5).

в диагонали. Про-

В представленной схеме сопротив-

ведено имитаци-

ления R (2 шт.), Rиз1, Rиз2 образуют мост,

онное моделиро-

к одной из диагоналей питания подклю-

вание (рис. 3) си-

чен источник напряжения E, в другую

стемы мониторин-

диагональ включен коммутируемый

га работоспособ-

резистор R₀, для которого могут быть

ности ЭКЭП АТО

заданы два различных значения сопро-

при симметрии

тивления. На этом этапе значения со-

и асимметрии зна-

противлений шин, внутреннего сопро-

Рис. 3. Модель системы мониторинга работоспособности АТО

чений сопротивле-

тивления источника питания приняты

одного луча радиальной ЭКЭП при симметрии Rиз+ и R_из-

ния изоляции.

пренебрежимо малыми, потому ветвь,

Е - напряжение источника 28 В, R_д - сопротивления делителя

напряжения (R_д+ = R_д- = 1 кОм), R_из - сопротивление изоляции

между корпусом и шинами питания R_из- = R_из+ = 10 МОм, R_н -

сопротивление нагрузки с номинальным током 10 А

Рис. 4. Модель системы мониторинга работоспособности АТО

одного луча радиальной ЭКЭП при асимметрии Rиз+ и R_из-:

Е - напряжение источника 28 В, R_д - сопротивления делителя

Рис. 5. Упрощенная идеализированная схема замещения:

напряжения (R_д+ = R_д- = 1 кОм), R_из - сопротивление изоляции между

R - сопротивление низкоомного делителя, R₀ - сопротивление

корпусом и шинами питания R_из- = 20 Мом, R_из+ = 10 МОм, R_н -

делителя в диагонали, E - напряжение источника, R_из1, R_из2 -

сопротивление нагрузки с номинальным током 10 А

сопротивления изоляции

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 3 2017

содержащую нагрузку, можно не рас-

Таблица 4. Анализ методов мониторинга работоспособности ЭКЭП АТО

сматривать.

по критерию сопротивления изоляции

Уравнения по методу контурных то-

МЭД,

Наименование параметра

ММСКРД

ков для рассматриваемой упрощенной

R_д = 100 кОм

R_д = 640 кОм

схемы метода эталонного делителя в ди-

Оценка погрешности измерений

агонали имеют следующий вид:

Продолжительность цикла измерения сопротивле-

ний изоляции

⋅

−

⋅

−

⋅

(1)

Наличие перечня критических требований к аппарату-

ре и комплектующим элементам для реализации

−

⋅ I

−

⋅ I

(2)

Возможность работы в эксплуатационном режиме

−

⋅

−

⋅

(3)

с подключенным АФ

Возможность работы в эксплуатационном режиме

где R₁₁ = 2R, R₂₂ = R +R₀ + Rиз1, R₃₃ = R + R₀ + Rиз2,

с отключенным АФ

R₁₂ = R₂₁ = R, R₁₃ = R₃₁ = R, R₂₃ = R₃₂ = R₀.

Возможность работы в отладочном режиме

Можно записать систему уравнений

Примечание. МЭД - метод эталонного делителя, ММСКРД - метод мостовой схемы с коммутируемым

типа (1-3) для двух значений сопротив-

делителем в диагонали, АФ - антистатический фильтр.

лений резисторов R₀₁, R₀₂. Система урав-

нений содержит переменные, значения

нулем и корпусом, и тем больше эффект

томобиля с комбинированной силовой уста-

новкой. Часть 1 / В. Н. Козловский, В. И. Стро-

которых Rиз1, Rиз2 подлежат определению

шунтирования R_из сопротивлениями об-

ганов, В. В. Дебелов, М. А. Пьянов // Электро-

с использованием результатов измере-

разцового делителя R_д;

технические и информационные комплексы

ний на объекте.

••

неравномерность распределения

и системы, 2014. Т. 10, № 1. - С. 40-49.

Примем, что для каждого из режи-

погрешности по диапазону измерения

3. Панфилов Д. И., Чепурин И. Н., Миронов В. Н.,

Обухов С. Г., Шитов В. А., Иванов В. С. Электротех-

мов подлежат измерению напряжения

(чем выше сопротивление изоляции,

из

ника и электроника в экспериментах и упраж-

U₁₀, U₂₁, U₃₁. Тогда для контуров II, III мож-

тем больше погрешность измерения).

нениях. Практикум на Electronics Workbench.

но записать уравнения

На основе имитационного модели-

В 2 томах. Т. 2. Электроника / Под общ. ред.

рования и результатов проведенных

Д. И. Панфилова. Изд. 2-е, перераб и доп. - М.:

⋅

−

(4)

из1

МЭИ, 2004. - 325 с. ISBN: 5-7046-0954-6.

расчетов представим анализ предло-

⋅

−

(5)

из2

женных методов по различным крите-

Козловский Владимир Николаевич

а выражения для значений сопротивле-

риям (таблица 4).

Инженер по специальности «Электрооборудо-

ний изоляции примут следующий вид:

Сводная таблица, демонстрирую-

вание автомобилей и тракторов». В 1999 году

окончил Тольяттинский политехнический ин-

щая достоинства и недостатки методов,

d ⋅s ⋅R −k⋅d

⋅ s

⋅ R

ститут. Доктор технических наук. В 2010 году

выявленные в ходе имитационного

(6)

из1

защитил докторскую диссертацию на тему

−k

⋅ s

⋅U

моделирования ЭКЭП, показывает, что

«Обеспечение качества и надежности системы

наиболее эффективное научно-техни-

электрооборудования автомобилей». Автор

d ⋅s ⋅R −k⋅d

⋅ s

⋅ R

(7)

более 150 научных работ, в том числе 10 моно-

из2

ческое решение задачи разработки

k⋅d

⋅U '

−d

⋅U '

графий. В настоящее время работает заведую-

и реализации электротехнической си-

щим кафедрой «Теоретическая и общая элек-

где d₁

= U’₃₁

- U’₂₁, d₂

= U’’₃₁

- U’’₂₁,

стемы мониторинга работоспособности

тротехника» Самарского государственного

s₁ = U’₁₀ + U’₂₁, s₂ = U’’₁₀ + U’’₂₁, p = R₀₁/R₀₂.

АТО находится в области применения

технического университета (СамГТУ).

Знаками (’ и ”), индексами 1, 2 обозна-

группы динамических методов, вклю-

Новикова Анна Петровна

чены переменные и их комплексы для

чающих МЭД. Однако для повышения

Родилась в 1983 году. В 2005 году окончила

режимов с резисторами R₀ = R₀₁, R₀ = R₀₂.

эффективности мониторинга требуется

СамГТУ по специальности

«Инженер-элек-

Расчетное моделирование в MS Excel

решение задачи по обеспечению бы-

трик». Опыт работы - 11 лет. В настоящее время

при различных сочетаниях значений па-

стродействия процесса мониторинга,

работает ассистентом кафедры «ТОЭ» и учится

в аспирантуре СамГТУ. Имеет 7 научных работ.

раметров схемы подтвердило правиль-

а также комплексного учета оценки, от-

ность расчетных соотношений. Значи-

ражающей критическое состояние АТО.

Kozlovskiy Vladimir

тельным разбросом значений сопротив-

Таким образом, можно сделать вы-

Is an engineer, specialization is «Car and tractor

лений резисторов и изоляции шин пита-

вод о необходимости интеграции из-

electric equipment». In 1999 he graduated from

ния обусловлено существенное различие

вестных методов и подходов в рамках

Tolyatty Polytechnic Institute. Doctor of Engi-

neering. In 2010 he defended a Dphil in the sub-

значений элементов матриц уравнений

научно-технической концепции метода

ject «Quality and safety assurance of car electric

контурных токов, обратных матриц.

мониторинга сложного электротехниче-

equipment system». He is an author of more than

К достоинствам рассматриваемого

ского комплекса, в том числе комплекса

150 scientific works, including 10 monographs.

метода относятся простота конструк-

электропитания АТО.

At present he works as department chairman

«Theoretic and general electrotechnics» at the

ции и точность измерения сопротив-

Samara State Technical Univercity (SamGTU).

Литература

ления изоляции. Однако присутствуют

1. Горбачевский Н. И. Аналитический ком-

и недостатки:

Novikova Anna

плекс прогнозирования надежности электро-

••

высокие требования к входному

She was born in 1983. In 2005 she graduated

мобилей и автомобилей с комбинированной

from Samara State Technical University major-

сопротивлению вольтметра V₁ (20 мОм

силовой установкой

/ Н. И. Горбачевский,

ing in «Electrical engineer». She has 11 years of

А. Г. Сорокин, В. Б. Кислинский, Л. Х. Мифта-

и более), так как чем ниже входное со-

work experience. At present, she works as an as-

хова // Вестник Казанского технологического

противление вольтметра V₁, тем больше

sistant of the «Theoretical and General Electrical

университета, 2014. Т. 17, № 3. - C. 227-229.

погрешность измерения за счет элек-

Engineering» department and studies in gradu-

2. Козловский В. Н. Комплекс электронных

ate school SamGTU. She has 7 scientific papers.

трической связи между искусственным

систем управления движением легкового ав-

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 3 2017

Робастное проектирование

и многофакторные испытания

электротехнических изделий транспорта

для обеспечения их качества

// Robust design and multivariate testing of electrotechnical products transport

to ensure their quality //

Лисенков А. Н., д.т. н., профессор,

экономные ортогональные и квазиорто-

МГУПС (МИИТ), Москва

гональные планы для изучения влияния

основных и учета дестабилизирующих

В статье представлена характери-

The characteristic of modern approaches

факторов, характеризующих условия

стика современных подходов к проек-

to designing and testing electrical products

эксплуатации, в том числе порядка воз-

тированию и испытанию электротех-

to ensure their quality, using the developed

действий факторов при испытаниях.

нических изделий с целью обеспечения

methods and plans of multifactorial experi-

Приведены примеры постановки типо-

их качества с использованием раз-

ment to study how the major and account-

вых задач робастного проектирования

работанных методов и планов много-

ing destabilizing factors, conditions of use,

и многофакторных испытаний электро-

факторного эксперимента для изучения

including order effects of factors. Considered

технических изделий для железнодо-

основных и учета дестабилизирующих

possible approaches to model the task of

рожного транспорта.

факторов, условий эксплуатации, в том

designing and testing electrical products for

Робастное проектирование

(РП)

числе порядка воздействий факторов.

rail transportation.

предназначено для получения изделий,

Рассмотрены возможности подходов

Keywords: robust design, testing of elec-

рабочие характеристики и показатели

в типовых задачах проектирования

trotechnical products transport, plans of

качества которых устойчивы (робастны)

и испытаний электротехнических изде-

multifactorial experiment, the experience

к действию дестабилизирующих факто-

лий для железнодорожного транспорта.

of using.

Ключевые слова: робастное проектиро-

ров, возникающих после проектирова-

вание, испытания электротехнических

ния на этапах производства, хранения

изделий транспорта, планы многофак-

и эксплуатации продукции. Оно основа-

торного эксперимента, опыт исполь-

но на использовании экономных планов

зования.

МФЭ неполного перебора вариантов

[2, 3]. При таком РП с помощью эконом-

Проектирование и испытания явля-

фирмы, оснащение заводов подобным

ных планов МФЭ исследуют влияние

ются важнейшими этапами жизненного

оборудованием позволяет значительно

основных и действие имитируемых де-

цикла изделий в производстве любой

снизить количество дефектов и потерь

стабилизирующих факторов. Итоговая

продукции, определяющими ее итого-

в процессе эксплуатации изделий [1].

схема - план РП - представляет собой

вое качество. Особенности современ-

Эффективным средством решения

прямое произведение плана основных

ной практики проектирования и ис-

задач проектирования и испытаний

факторов и плана дестабилизирующих

пытаний состоят в необходимости из-

изделий является использование со-

факторов, то есть каждый из N вариан-

учения влияния на показатели качества

временных методов планирования

тов

(комбинаций уровней) основных

большого числа основных факторов (ре-

многофакторных экспериментов (МФЭ).

факторов испытывается во всех n ва-

жимных и конструктивных параметров

Эти методы позволяют значительно со-

риантах, задаваемых планом дестаби-

изделий с учетом условий их эксплуа-

кратить число исследуемых вариантов

лизирующих факторов. По результатам

тации). На производственных фирмах

проектирования и испытаний, получить

таких расчетов кроме значений выход-

ведущих промышленных стран созданы

количественные модели зависимости

ного показателя качества определяют

соответствующие центры испытаний

показателей качества от основных фак-

значения Т-критерия Тагути (отношения

продукции с необходимым оборудова-

торов

(режимных и конструктивных

«Сигнал/шум»), характеризующего зна-

нием, позволяющим исследовать раз-

параметров изделий), учесть влияние

чения показателя качества y с учетом его

личные варианты влияния агрессивных

условий эксплуатации изделий как на

изменчивости [2, 3]. Далее анализирует-

воздействий и дестабилизирующих фак-

этапе проектирования, так и на этапе ис-

ся зависимость Т-критерия от каждого

торов среды функционирования в про-

пытаний продукции [1, 3].

из основных факторов, и фиксируется

цессе эксплуатации изделий (температу-

В настоящей работе представлена

та комбинация значений факторов, ко-

ры, влажности, механической нагрузки,

характеристика современных подходов

торая соответствует наибольшим зна-

электромагнитного излучения и т.п.).

к обеспечению качества изделий - мето-

чениям Т-критерия. Полученный таким

В Японии, например, поставщиком та-

дология их робастного проектирования

образом вариант с наибольшими зна-

кого испытательного оборудования для

и испытаний с использованием методов

чениями Т-критерия соответствует наи-

изделий электронной техники является

МФЭ. При решении таких задач пред-

лучшему значению показателя качества

фирма «Табай - Еспек». По данным этой

ложено использовать разработанные

и его минимальной изменчивости. Он

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 3 2017

минимизирует функцию потерь каче-





32//9 из N = 9 вариантов, имитировать

=10

log







ства - нового экономического показа-

1−

влияние упомянутых четырех дестаби-





теля, характеризующего истинное каче-

Отметим, что в процедуре РП для

лизирующих факторов, каждый на двух

ство продукции, проявляющееся в про-

изучения влияния основных и дестаби-

уровнях в интересующем диапазоне по

цессе ее эксплуатации, и оценивающего

лизирующих факторов используют эко-

плану 2⁴//16 из n = 16 вариантов. Итого-

издержки производителя L_д на ремонт

номные ортогональные планы неполно-

вый план робастного проектирования,

отказавших при эксплуатации в период

го перебора вариантов. Это так называе-

в котором каждый вариант основного

гарантийного срока изделий или их за-

мые планы главных эффектов факторов,

плана испытывается в каждом варианте

мену новыми [2-4]. Для оценки таких по-

которые позволяют строить факторные

плана дестабилизирующих факторов,

терь L = ks^2y, где k = L_д/ (Д/2)², на произ-

модели зависимости y

= f(x₁,…, x_k),

будет содержать всего N × n = 144 ва-

водстве любой продукции есть все необ-

включающие только коэффициенты вли-

рианта. Для каждого из полученных N

ходимые данные: указанные издержки

яния самих исследуемых факторов (ли-

вариантов вычисляют среднее значение

производителя L_д, допуск на значения

нейные, квадратичные, кубичные и т.д.

тока -u, его дисперсию s²

u и значение

контролируемого показателя качества Д

эффекты) без эффектов их взаимного

Т-критерия (в данном случае Т₃). Далее

и величина его изменчивости s²

влияния. За счет этого и обеспечивается

анализируют графическую зависимость

y , опреде-

ляемая по выборке изделий [3].

экономия опытов по сравнению с плана-

Т-критерия от уровней каждого из ос-

В зависимости от требований к пока-

ми полного перебора комбинаций уров-

новных факторов, фиксируя те их уров-

зателю качества (ПК) y применяют следу-

ней факторов, то есть планами полного

ни, при которых наблюдается наиболь-

ющие основные четыре типа Т-критериев

факторного эксперимента (ПФЭ) [3].

шее значение критерия. Комбинация

Тагути:

В качестве иллюстрации методи-

таких уровней и будет определять наи-

1



ки РП рассмотрим задачу обеспече-

лучший робастный вариант (значения

−10log

∑





n

i=1



ния качества - стабильности значений

R и L), который обеспечит наибольшую

– используется в задачах, где необходи-

тока необходимого номинала y в про-

стабильность найденного значения тока

мо обеспечить наименьшее возможное

ектируемом электронном контуре, со-

независимо от действия упомянутых де-

значение ПК согласно принципу «Луч-

держащем активное сопротивление R

стабилизирующих факторов в опреде-

шее меньшее» (например, минимизация

и индуктивность L. В реальных услови-

ленном их диапазоне.

суммарной стоимости изделия, расхода

ях его эксплуатации из-за возможного

В задачах РП, где с помощью МФЭ

топлива двигателем, мощности, потре-

наличия дестабилизирующих факторов

приходится не проводить многовари-

бляемой электроприбором и т.п.);

(колебаний напряжения V, частоты тока

антные расчеты по имеющейся модели,

f, а также температуры и влажности воз-

а создавать и испытывать прототипы

1



−10log



духа, влияющих на R и L) значения тока

проектируемых систем, из-за ограни-



∑



n

i=1



будут меняться.

ченности ресурсов используют эко-

– используется в задачах, где требуется

номные планы неполного перебора

обеспечить наибольшее возможное зна-

Методика РП при наличии подобной

вариантов - дробные реплики полного

чение ПК, согласно принципу «Лучшее

аналитической зависимости предпо-

факторного эксперимента (ПФЭ) [2, 3].

большее» (например, наибольшая проч-

лагает приведение многовариантных

Например, в рассматриваемой в [3] за-

ность получаемого материала, время

расчетов значений тока при различных

даче проектирования теплообменника

наработки изделия на отказ и т.п.);

значениях основных факторов R и L. На-

с целью минимизировать его стоимость

пример, на трех разных уровнях, каждый

вместо плана 3³//27 для трех основ-



² 

=10log



в интересующем диапазоне по плану

ных факторов на трех уровнях каждый









Таблица 1. Многофакторный план 33-1

23-1 из N = 36 вариантов

– используется в задачах, когда наилуч-

и результаты расчетов в задаче проектирования теплообменника

шим является значение ПК, равное его

желаемому номинальному по принципу

z₁

«Лучшее выбранное». Например, обе-

z₂

спечение желаемого линейного разме-

z₃

ра изготавливаемых деталей типа диа-

метра поршней двигателя внутреннего

№

х₁

х₂

х₃

y_iu

-u

s²

T₁

п/п

сгорания. В случае превышения этого

параметра двигатель при работе может

4691

3998

4961

4208

4465

441

-73,03

заклинить, а при занижении двигатель

5489

4789

5728

5036

5274

445

-74,47

теряет мощность. Другой пример при-

6325

5621

6641

5899

6122

451

-75,76

менения критерия - обеспечение же-

4926

4226

5247

4509

4725

452

-74,52

лаемого номинала значения тока про-

ектируемой электрической цепи с его

5568

4988

5851

5086

5348

440

-74,59

минимальной изменчивостью.

6291

5598

6590

5838

6079

446

-74,70

Если показатель качества измеряет-

4993

4312

5304

4539

4787

447

-73,63

ся по двоичной шкале, то есть представ-

5723

5031

8051

5298

5526

452

-74,87

ляет долю (процент) годных изделий (p),

6077

6029

6991

6194

6473

442

-76,24

используется критерий

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 3 2017

и плана 2³//8 для трех дестабилизуру-

влияния основных факторов на значе-

показатель качества у изделий специ-

ющих факторов, характеризующих ус-

ния показателей качества и рабочие

ального назначения.

ловия эксплуатации на двух уровнях

характеристики учитывать еще и по-

В этой задаче первые два фактора

каждый, то есть всего N = 27 × 8 = 216

рядок воздействий факторов. Известно

предполагались порядковозависимы-

вариантов, использованы план непол-

два типа планов для проведения много-

ми, влияние порядка представлено

ного перебора вариантов 3^3-1//9 и план

факторных испытаний с учетом поряд-

последним столбцом таблицы 2. По ре-

2^3-1//4, составляющие план РП, содер-

ка воздействий факторов [5]. В планах

зультатам эксперимента получена мо-

жащий только N = 9×4=36 вариантов

первого типа 2^p для p факторов, испы-

дель зависимости показателя качества

(таблица 1).

тываемых в р! порядках (или их части

y от исследуемых факторов с учетом их

В результате с использованием кри-

при использовании дробных планов),

взаимного влияния и порядка их воз-

терия Т₁ выявлен робастный к действию

результирующие значения показателя

действий b_п при испытаниях:

факторов эксплуатации вариант кон-

качества измеряют после каждого воз-

y = b₀+∑bixi+∑

b_ijx_ix_j+b_п x_п.

струкции теплообменника

(значения

действия в каждой определенной по-

i.j

факторов х), обеспечивающий сниже-

следовательности

(см. пример плана

На ее основе выявлены значения

ние его стоимости на 15% по сравнению

для р = 3 факторов А, В, С в таблице 2).

факторов х₁, х₂ и порядок их воздействия

с исходным вариантом, с меньшей из-

В планах второго типа используют обыч-

ВА, характеризующие наиболее жесткий

менчивостью s_y.

ные матрицы МФЭ, например, 2^k, в кото-

режим для сертификационных испыта-

Формализованность и простота реа-

рых столбцы взаимодействий факторов

ний, при которых и следует фиксировать

лизации методики РП с использованием

высшего порядка используют для пред-

значение показателя качества y.

Т-критериев Тагути делают ее доступной

ставления порядка воздействий фак-

Примеры робастного проектирова-

для широкого круга пользователей. Воз-

торов. При этом значения показателя

ния и многофакторных испытаний изде-

можности, ограничения и альтернативы

качества y измеряют после воздействия

лий специального назначения с учетом

использования критериев в РП рассмо-

всех факторов, часть из которых являет-

порядка воздействий факторов, с ис-

трены в [2, 3].

ся порядковозависимыми. В таблице 3

пользованием соответствующих планов

Одна из особенностей задач про-

представлены план эксперимента 2³//8

и приведенных там первоисточников

ектирования и испытаний изделий при

и его результаты по изучению действия

даны в [1, 5]. Разработанные для таких

наличии дестабилизирующих факторов

трех факторов (температуры А, влаж-

задач каталоги экономных ортогональ-

состоит в необходимости кроме оценки

ности В и солнечной радиации С) на

ных и квазиортогональных планов,

включая планы для изучения факторов

Таблица 2. План типа 2^рдля р = 3

с учетом порядка их воздействий, пред-

Исходное

Измерение

ставлены в [5].

Порядок

Воздействия

значение

Отметим, что возможности про-

воздействия

отсутствуют

отклика y

j = 1

j = 2

j = 3

ведения испытаний с учетом порядка

j = 0

воздействий факторов с помощью по-

АВС

у₁₀₁

у₁₁₁А

у₁₂₁В

у₁₃₁

добных планов в работах Тагути и его

АСВ

у₁₀₂

у₁₁₂А

у₁₂₂С

у₁₃₂

последователей по робастному про-

ВАС

у₁₀₃

у₁₁₃В

у₁₂₃А

у₁₃₃С

ектированию, насколько нам известно,

ВСА

у₁₀₄

у₁₁₄В

у₁₂₄С

у₁₃₄А

не рассматривались.

Проведение испытаний с учетом по-

САВ

у₁₀₅

у₁₁₅С

у₁₂₅А

у₁₃₅В

рядка воздействий факторов позволяет

СВА

у₁₀₆

у₁₁₆С

у₁₂₆В

у₁₃₆

разработать обоснованные рекомен-

дации по созданию новых стандартов

Таблица 3. План эксперимента 23//8 для изучения действия трех факторов

сертификационных испытаний в выяв-

Факторы

ленных наиболее жестких режимах ука-

Порядок

занных воздействий, при которых и сле-

воздействия

дует фиксировать «паспортные» данные

температура

влажность

радиация

Х_п

Опыты

о рабочих характеристиках, надежности

АВ(-1), А(+1)

и значениях других показателей каче-

Кодовые значения верхней (+1) и нижней (-1) дозы воздействий

ства. Проводимые на первом этапе жиз-

х₁

х₂

х₃

х_п= х₁х₂х₃

ненного цикла изделий РП испытания

-1

в лабораторных условиях с использо-

ванием дешевого оборудования, сырья

-1

и комплектующих являются наиболее эф-

-1

фективным с экономической точки зре-

-1

ния решением проблемы обеспечения

-1

качества продукции и способом выявить

-1

наиболее жесткие условия для проведе-

ния ее сертификационных испытаний.

-1

Примером РП электротехнических

y₈

изделий на основе теоретической

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 3 2017

модели может служить проектирова-

с использованием методов МФЭ по-

ния многофункционального вольтодоба-

ние силового многофункционального

зволяют получать наиболее полную ин-

вочного трансформатора для повышения

вольтодобавочного трансформатора

формацию о зависимости показателей

напряжения в тяговой сети // Электроника

для повышения эффективности работы

качества от определяющих их факто-

и электрооборудование транспорта, 2013,

системы тягового электроснабжения

ров с учетом условий эксплуатации из-

№ 4. - С. 2-6.

переменного тока на железнодорож-

делий, выявлять наилучшие варианты

ном транспорте [6, 7]. В подобной за-

проектируемых систем, разрабатывать

Лисенков Александр Николаевич

даче одним из показателей качества

обоснованные рекомендации по про-

Родился в 1940 году. В 1963 году окончил Мо-

у является величина потерь электро-

ведению сертификационных испытаний

сковский энергетический институт по специ-

энергии в тяговой сети и системе внеш-

продукции, результаты которых будут

альности «Инженер-электрик по автоматике

него электроснабжения. Основные

демонстрировать ее истинное качество

и телемеханике». Доктор технических наук,

управляемые факторы - емкость ком-

в процессе эксплуатации.

профессор. В 2000 году защитил диссерта-

пенсирующей установки Х₁, величина

цию по теме «Статистическая оптимизация

вольтодобавки к напряжению контакт-

Литература

и моделирование в задачах биотехнологии

ной сети Х₂, фаза вольтодобавки Х₃. К де-

1. Лисенков А. Н. Многофакторные испыта-

и медицины (вопросы теории и приложений

стабилизирующим факторам относятся

ния технических систем и материалов // На-

методов многофакторного эксперимента)».

электрические характеристики тяговой

дежность и сертификация оборудования для

Опыт работы - 50 лет. В настоящее время ра-

сети: Z₁ - значение сопротивления R,

нефти и газа, 2002, № 4. - С. 47-53.

ботает профессором кафедры «Менеджмент

Z₂ - значение индуктивности L, Z₃ - зна-

2. Леон Р. и др. Управление качеством, ро-

и управление персоналом организации»

чение емкости С, Z₄ - значение сопро-

бастное проектирование, метод Тагути. Пер.

МГУПС (МИИТ). Имеет более 250 публикаций,

тивления «Рельс - земля» R_рз, Z₅ - зна-

с англ. - М.: Сейфи, 2002.

в том числе 3 монографии.

чение скорости движения электровоза.

3. Лисенков А. Н. Робастное проектирова-

Используя план 3³ (или его реплику) из

ние: использование ортогональных планов

Lisenkov Alexander

N вариантов (комбинаций уровней трех

неполного перебора вариантов // Методы

Was born in 1940. In 1963 he graduated from

факторов Х) и план 3⁵ (или его репли-

менеджмента качества, 2007, № 5. - С. 18-22.

Moscow Power Engineering University major-

ку) для пяти факторов Z из n вариантов

4. Лисенков А. Н. Инжиниринговый подход

ing in «Electrical engineer for automation and

в полученных N × n вариантах по пред-

к обеспечению качества // Методы менед-

telemechanics». He is Candidate of Technical

ставленной в [6, 7] модели, можно рас-

жмента качества, 2016, № 10. - С. 26-32.

Sciences, professor. In 2000 he defended the

считать значения y, а также критерия Т₁.

5. Маркова Е. В., Лисенков А. Н. Комбинатор-

thesis, the subject of dissertation is «Statistical

По результатам графического анализа

ные планы в задачах многофакторного экс-

optimization and modeling in the problems

зависимости Т₁ от каждого из факторов

перимента. - М.: Наука, 1979.

of biotechnology and medicine (questions of

Х определяют наилучший робастный

6. Косарев Б. И., Сербиненко Д. В., Алексеен-

theory and applications of methods of multi-

вариант - значения основных факторов

ко М. В. Система тягового электроснабжения

factor experiment)». He has 50 years of work

Х, обеспечивающие наименьшие поте-

переменного тока с многофункциональными

experience. At present he works as professor

ри у независимо от действия указанных

вольтодобавочными трансформаторами

of «Personnel management and management

дестабилизирующих факторов в опре-

Транспорт: наука, техника, управление, 2013,

of the organization» department of Moscow

деленном их диапазоне.

№ 1. - С. 13-18.

State University of Railway Engineering. He has

Рассмотренные подходы к про-

7. Косарев А. Б., Сербиненко Д. В., Алексе-

more than 250 publications, including 3 mono-

ектированию и испытанию изделий

енко М. В. Оценка эффективности внедре-

graphs.

Информация

№ 3 2017

О правовых актах, регламентирующих

контроль и надзор в сфере правовой

охраны и использования результатов

интеллектуальной деятельности

гражданского, военного, специального

и двойного назначения

Роспатентом приказом от 17.10.2016

и организаций-исполнителей государ-

федеральных органов исполнительной

№ 164 утвержден «Перечень правовых

ственных контрактов, предусматриваю-

власти»;

актов, содержащих обязательные требо-

щих проведение научно-исследователь-

- «Иные нормативные документы,

вания, соблюдение которых оценивает-

ских, опытно-конструкторских и техно-

обязательность соблюдения которых

ся при проведении мероприятий по кон-

логических работ».

установлена законодательством Россий-

тролю и надзору в сфере правовой охра-

Перечень состоит из следующих раз-

ской Федерации».

ны и использования результатов интел-

делов:

С перечнем актов можно ознако-

лектуальной деятельности гражданско-

- «Федеральные законы»;

миться на сайте Роспатента

го, военного, специального и двойного

- «Указы Президента Российской Фе-

http://www.rupto.ru/activities/rid/norm_

назначения, созданных за счет бюджет-

дерации, постановления и распоряжения

akt_sobl_kontrol.

ных ассигнований федерального бюд-

Правительства Российской Федерации»;

Краснов Л.А.

жета, а также контролю и надзору в уста-

- «Нормативные правовые акты

Редакция журнала

новленной сфере деятельности в от-

федеральных органов исполнитель-

«Электроника и электро-

ношении государственных заказчиков

ной власти и нормативные документы

оборудование транспорта»

Информация

№ 3 2017

О предоставлении субсидий

российским производителям

на финансирование части затрат,

связанных с регистрацией на внешних рынках

объектов интеллектуальной собственности

Постановлением Правительства РФ

- на оплату пошлин, предусмо-

В предоставлении субсидии может

от 15.12.2016 № 1368 утверждены Пра-

тренных национальными патентными

быть отказано в случаях:

вила предоставления субсидий россий-

ведомствами, связанных с подачей, рас-

- подтверждения факта получения

ским производителям на финансиро-

смотрением заявок, выдачей патентов

организацией субсидии из бюджетов

вание части затрат, связанных с реги-

и поддержанием их в силе в течение

бюджетной системы Российской Феде-

страцией на внешних рынках объектов

первых трех лет;

рации на возмещение одних и тех же за-

интеллектуальной собственности.

- на подготовку, подачу заявки на

трат, связанных с регистрацией на внеш-

Правила устанавливают цели, усло-

международную регистрацию товарно-

них рынках одних и тех же объектов ин-

вия и порядок предоставления субсидий

го знака и делопроизводство в отноше-

теллектуальной собственности;

российским производителям - юридиче-

нии такой заявки;

- непредставления

(представле-

ским лицам, зарегистрированным на тер-

- на оплату пошлин, подлежащих

ния не в полном объеме) организацией

ритории Российской Федерации и про-

уплате для получения международной

предусмотренных документов или их

изводящим товары, услуги, работы и тех-

регистрации товарного знака.

несоответствия установленным требо-

нологии, в состав которых входят объек-

Затраты на оплату пошлин возмеща-

ваниям;

ты интеллектуальной собственности, на

ются в объеме 100 процентов.

- наличия в представленных доку-

финансирование части затрат, связанных

Расходы организации на оплату

ментах недостоверной информации.

с регистрацией на внешних рынках объ-

услуг по подготовке, подаче заявки

Показателем результативности пре-

ектов интеллектуальной собственности.

и делопроизводству в отношении ее

доставления субсидии являются получе-

Субсидии направлены на обеспече-

возмещаются в объеме 70 процентов

ние патента и (или) свидетельства о ре-

ние правовой охраны и защиты за рубе-

фактически понесенных затрат, но

гистрации товарного знака либо реше-

жом результатов интеллектуальной де-

не более установленных предельных

ние об отказе в выдаче патента и (или)

ятельности организаций и повышение

значений:

решение об отказе в регистрации товар-

активности патентования конкуренто-

- по международной заявке - 50 ты-

ного знака, выданные национальным

способных результатов интеллектуаль-

сяч рублей;

патентным ведомством, за исключением

ной деятельности за рубежом в целях

- по заявке в национальное патент-

случаев, когда такой отказ связан:

снижения потерь организаций при по-

ное ведомство или межправительствен-

- с нарушением организацией сро-

ставках продукции на внешние рынки.

ную организацию:

ков делопроизводства по заявке, уста-

Субсидия предоставляется в преде-

••

Соединенные Штаты Америки

новленных нормативными правовыми

лах бюджетных ассигнований, предус-

325 тысяч рублей;

актами национальных патентных ве-

мотренных в федеральном законе о фе-

••

Европейское патентное ведомство

домств;

деральном бюджете на соответствую-

(ЕПВ) - 525 тысяч рублей;

- с неоплатой или несвоевременной

щий финансовый год и плановый пери-

••

Япония - 260 тысяч рублей;

оплатой организацией пошлин, связан-

од, и лимитов бюджетных обязательств.

••

Китайская Народная Республика -

ных с рассмотрением заявки и выдачей

Субсидии предоставляются в целях

200 тысяч рублей;

патента, установленных законодатель-

компенсации части фактических затрат,

••

Республика Корея - 200 тысяч ру-

ством иностранного государства и (или)

понесенных организацией не ранее

блей;

нормативными правовыми актами на-

1 января 2016 года:

••

другие страны - 160 тысяч рублей;

циональных патентных ведомств.

- на подготовку, подачу междуна-

– по заявке на международную

В случае установления факта нару-

родной заявки и делопроизводство

регистрацию товарного знака в соот-

шения целей, условий и порядка предо-

по ней;

ветствии с Мадридским соглашением -

ставления субсидии соответствующие

- на оплату пошлин, связанных с по-

50 тысяч рублей.

средства подлежат возврату в доход фе-

дачей и рассмотрением международной

Субсидии предоставляются на ос-

дерального бюджета.

заявки;

новании соглашения, заключенного ор-

- на подготовку, подачу нацио-

ганизацией с акционерным обществом

Краснов Л.А.

нальной или региональной заявки

«Российский экспортный центр» как

Редакция журнала

и делопроизводство в отношении та-

агентом правительства РФ и Министер-

«Электроника и электро

кой заявки;

ством промышленности и торговли.

оборудование транспорта»

Информация

№ 3 2017

Об изменении осуществления

государственными заказчиками

управления правами Российской Федерации

на результаты интеллектуальной

деятельности гражданского, военного,

специального и двойного назначения

Постановлением

Правительства

сотрудничества. Указанные вопросы

обеспечена правовая охрана (принято

от 2 июня 2016 года № 498 в пункт 16

должны быть урегулированы с Роспа-

решение об обеспечении правовой

«Правил осуществления государствен-

тентом. Для этого государственные за-

охраны), в том числе правовая охрана

ными заказчиками управления права-

казчики в трехмесячный срок со дня

в странах поставки продукции. Форма

ми Российской Федерации на резуль-

принятия решения Правительства или

уведомления, включающая в том числе

таты интеллектуальной деятельности

Федеральной службы по военно-тех-

сведения о государственном учете ука-

гражданского, военного, специального

ническому сотрудничеству о поставке

занных результатов интеллектуальной

и двойного назначения», утвержден-

продукции иностранному заказчику

деятельности, утверждается Роспатен-

ных постановлением Правительства

должны представить в Роспатент уве-

том по согласованию с государственны-

от 22 марта 2012 года № 233, внесе-

домление о результатах интеллекту-

ми заказчиками. Постановление вступи-

ны изменения, касающиеся вопросов

альной деятельности, права на которые

ло в силу с 1 июля 2016 года.

правовой защиты интересов РФ при

принадлежат РФ, которые выражены

поставке иностранному заказчику про-

(содержатся) в поставляемой иностран-

Краснов Л.А.

дукции, а также в передаваемых техно-

ному заказчику продукции, а также в пе-

Редакция журнала

логиях ее производства (ремонта) при

редаваемых технологиях ее производ-

«Электроника и электро

осуществлении военно-технического

ства (ремонта), в отношении которых

оборудование транспорта»

Информация

№ 3 2017

Сведения об авторах

К.т.н.

Cкрипко Леонид Александрович

Доманов Виктор Иванович

+7-925-599-62-59

+7-842-241-18-63

Шапран Федор Валерьевич

Д.т.н., доцент

+7-922-209-01-09

Нефедьев Алексей Иванович

+7-844-224-81-64

К.т.н., доцент

Сафин Альфред Робертович

Д.т.н.

+7-952-044-16-05

Козловский Владимир Николаевич

+7-917-978-83-56

Д.т.н., профессор

Герман Леонид Абрамович

Д.т.н., профессор

+7-908-769-94-26

Лисенков Александр Николаевич

+7-916-570-80-43

Д.т.н., профессор

Болнокин Виталий Евгеньевич

+7-929-965-83-15

ТРЕБОВАНИЯ К РЕКЛАМНЫМ И АВТОРСКИМ МАТЕРИАЛАМ

Рекламные материалы принимаются в форматах «.cdr», «.eps» или «.tif» (300 dpi). Цветовая модель - CMYK.

Все шрифты должны быть переведены в кривые.

Авторские материалы. Текст статьи в формате «.doc» (Microsoft Word). Обязательно наличие аннотации, ключевых

слов и списка используемой литературы. Название статьи, аннотация и ключевые слова должны быть переведены на

английский язык. Все рисунки в форматах «.cdr» или «.eps», фотографии - в формате «.tif» (300 dpi). Каждый рисунок или

фотография должны быть представлены отдельным файлом.

СТОИМОСТЬ ГОДОВОЙ ПОДПИСКИ:

Печатные материалы, используемые в журнале, являются

(6 номеров) - 6 000 руб., в т.ч. НДС 18%

собственностью редакции.

Оформить подписку можно:

- через редакцию - необходимо направить по факсу или

электронной почте заявку с указанием банковских рекви-

При перепечатке ссылка на журнал обязательна.

зитов, наименования организации (фирмы), точного почто-

вого адреса и количества комплектов журнала.

Тел./факс: (495) 500-40-20, 557-23-95,

Полученные материалы не возвращаются.

e-mail: npptez@mail.ru;

- через ОАО «Агентство Роспечать» - по Каталогу изданий

органов научно-технической информации 2017 г., индекс

Редакция оставляет за собой право корректорской

59990.

и редакторской правки публикаций без согласования

с авторами.

СТОИМОСТЬ РЕКЛАМЫ:

2-я и 3-я страницы обложки - 24 000 рублей;

Журнал распространяется через редакцию по адресной рас-

4-я страница обложки - 30 000 рублей;

сылке, через ОАО «Агентство Роспечать», на специализиро-

одна страница внутри журнала - 12 000 рублей.

ванных выставках и симпозиумах.