№ 4–5 (2022)

 

- 

«  -

 »  -

  

  .

   – -

- -

 « 

».

    -

,  

   

 .

Свидетельство о регистрации СМИ

ПИ N ФС 77-29963

от 17 октября 2007 г.

 :

Р.А. Валиулин

 :

М.П. Бадер, д.т.н., профессор

В.Я. Беспалов, д.т.н., профессор

А.С. Веденеев, д.ф.-м.н., доцент

Л.А. Герман, д.т.н., профессор

Ю.М. Иньков, д.т.н., профессор

В.В. Калугин, д.т.н., доцент

А.А. Ковалев, д.т.н.

К.Л. Ковалев, д.т.н., доцент

В.Н. Козловский, д.т.н., доцент

А.С. Космодамианский, д.т.н.,

профессор

А.И. Попов, д.т.н., профессор

В.Т. Пенкин, д.т.н., доцент

С.Т. Рембеза, д.ф.-м.н., профессор

В.И. Сарбаев, д.т.н., профессор

М.В. Шевлюгин, д.т.н., доцент

 :

О.А. Кожухова

:

140070, Московская область,

Люберецкий район, п. Томилино,

ул. Гаршина, д. 11.

Тел./факс: (495) 500-40-20

E-mail: npptez@mail.ru

Сайт: www.npptez.ru

Журнал издается в электронном

виде.

Адрес сайта: eet-journal.ru



  

 ..,  ..,  ..,  ..

Совершенствование конструкции

секционного изолятора ....................................................................................................... 2

 ..,  ..,  ..,  ..,  ..

Современная защита и автоматика установки продольной

емкостной компенсации тяговой подстанции ....................................................... 7

 ..,  ..

Неравномерное распределение нагрузки между

выпрямительными агрегатами ..................................................................................... 14

 ..,  ..

Разработка обобщенной графоаналитической модели

подсистемы мониторинга и управления

системой электроснабжения метрополитена........................................................ 19

 ..

Степень работоспособности выпрямителя

автомобильного генератора .......................................................................................... 24

 ..,  ..

Специализированные микросхемы для активных устройств

балансировки аккумуляторных батарей в автономных

электроэнергетических системах ................................................................................ 29

 ..

Применение накопителей энергии в качестве аварийных

источников питания на метрополитене .................................................................. 35

 ..,  ..,  ..,  ..

Альтернативный алгоритм управления силовым преобразователем

электровоза переменного тока в аварийных режимах ........................................ 38

  

    

 ..,  ..,  ..

Использование бортовых накопителей энергии

на городском рельсовом транспорте ...........................................................................44

  

 ..

Применение вычислительных методов

в прогнозировании тепловой нагрузки ........................................................................ 49

 ..,  ..

Структурно-параметрический синтез системы управления

ЭТК грузоподъемного механизма ..................................................................................... 53

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

 

 

// IMPROVEMENT OF THE DESIGN OF A SECTIONAL INSULATOR //

 .., ...,

 

  ,

. 

 .., ...,

 

  

  I,

. -

 .., ...,

 

  

  I,

. -

 ..,

 

  ,

. 

Объектом исследования являет-

ся секционный изолятор постоянно-

го тока.

Цель работы – улучшение техни-

ческих показателей, конструкции,

процесса установки и эксплуатации.

Методы исследования – эмпириче-

ские, теоретические. Полученные

результаты можно использовать в

качестве основополагающих данных

для производства секционных изоля-

торов. Степень внедрения: разрабо-

тана конструкция усовершенство-

вания секционного изолятора.

Ключевые слова: Контактная

сеть, секционный изолятор, поли-

мерный изолятор, гидрофобность,

техника безопасности, несущий

трос, дистанция электроснабже-

ния.

The object of research is a sectional

DC insulator. The purpose of the work is

to improve the technical performance,

design, installation and operation

process. Research methods – empirical,

theoretical. The results obtained can be

used in accordance with data standards

for the production of sectional insulators.

Degree of implementation: a design for

improving the sectional insulator has

been developed.

Keywords: сontact network,

sectional insulator, polymer insulator,

hydrophobicity, safety measures,

carrying cable, power supply distance.



В современных условиях миро-

вой экономики, одним из осново-

полагающих факторов для развития

промышленного и экономического

потенциала любой страны является

стабильная работа железной доро-

ги. В Российской Федерации вла-

дельцем инфраструктуры общего

пользования российских железных

дорог выступает ОАО “РЖД”. Основ-

ные задачи и положения для разви-

тия железных дорог представлены в

программе «Стратегия развития же-

лезнодорожного транспорта в Рос-

сийской Федерации до 2030 года».

Основными целями представ-

ленной стратегии являются: к 2030

г. увеличить грузооборот в 1,7 раза,

пассажирооборот в 1,3 раза с со-

блюдением качества перевозок

мирового уровня, повышение ско-

рости движения пассажирских по-

ездов и скорость доставки грузов,

снижение удельного потребления

электроэнергии на тягу поездов на

15 %, повышение показателей безо-

пасности движения поездов.

Повышение технических показа-

телей контактной сети является од-

ной из главных задач. Данная задача

позволит уменьшить число повреж-

дений токопроводящих устройств,

предоставить положительный эко-

номический эффект в вопросах со-

держания и эксплуатации устройств

электроснабжения железнодорож-

ной инфраструктуры. Повысить ка-

чество контактной сети можно обе-

спечив надёжную изоляцию секций

благодаря усовершенствованию

секционных изоляторов, которые

достаточно часто выходят из стоя и

имеют большое влияние на работу

контактной сети в целом.

Целью дипломной работы явля-

ется улучшение эксплуатационных

показателей секционных изолято-

ров за счет обоснованного прод-

ления срока службы и увеличения

допустимого износа отдельных его

частей в результате изменения тех-

нологии его производства.

Согласно системе учета КАСАНТ,

за последнюю неполную декаду

было выявлено порядка 488 отказов

технических устройств. Секционные

изоляторы берут на себя свыше 5%

от общего количества отказов. Вы-

деляют две группы отказов секци-

онных изоляторов: электрические

и механические. Электрические

возникают из-за старения (растре-

скивания) материала, покрытие

поверхности изоляции грязью, пре-

вышение допустимого напряжения

и отключение разъединителей под

нагрузкой. Механические проис-

ходят из-за возникновения трещин

в отдельных частях секционного

изолятора при ударах и вибрации

из внешней среды. Для того, чтобы

оценить актуальность проведенной

работы составлена диаграмма пред-

ставленная на рисунке 1.

Данная диаграмма показывает,

что на протяжении последних вось-

ми лет, в среднем каждые 1,5 года

происходит нарушение в работе

секционных изоляторов. Также про-

веденный анализ показывает, что

максимальное количество отказов

приходится на месяца года с хаотич-

ными температурными режимами,

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

Рис. 1. Распределение отказов секционных изоляторов на ЗСЖД с 2013 – 2021гг.

когда погодные условия достигают

максимальных критических значе-

ний.

Согласно проведенному статисти-

ческому анализу, секционные изо-

ляторы, используемые ОАО «РЖД»,

являются недостаточно надежными.

Основными причинами возникнове-

ния нарушений являются:

1. Использование нержавеющей

стали в качестве основного мате-

риала для металлических сколь-

зунов;

2. Использование эпоксидной смо-

лы для заполнения зазоров меж-

ду металлическим оконцевате-

лем и изолирующим элементом;

3. Использование недостаточной

зоны вхождения изолирующего

элемента в металлический окон-

цеватель;

4. Использование разбираемого

узла крепления изолирующих

элементов с металлическими

оконцевателями;

5. Использование неэластичного

подвеса, для крепления с несу-

щим тросом;

6. Недостатки эксплуатации (мед-

ленная замена изношенного обо-

рудования)

Направления для совершенство-

вания секционного изолятора:

1. Использование качестве ос-

новного материала скользунов низ-

колегированные сплавы системы

Cu–Ni–Si, согласно основным тех-

ническим характеристикам пред-

ставленным в таблице 1, кремни-

сто-никелевые бронзы являются

материалами с хорошим сочетанием

высокой прочности, жаропрочности,

теплопроводности и электропро-

водности. На данный момент такой

сплав используется в производстве

антифрикционных деталей, а также

в авиастроении и электротехники,

но самое главное, что данный сплав

получил широкое применение в ка-

честве основного материала для ме-

таллических секционных изоляторов

эксплуатируемых зарубежом, что до-

казывает его концептуальность. Ана-

лизируя материалы предлагаемые

отечественными производителями и

предложенные в данной статье мож-

но сделать вывод, что использование

низколегированного сплава позво-

лит увеличить срок службы секцион-

ного изолятора, так как будет мень-

ше подвергается износу с внешней

стороны. Сплавы системы Cu-Ni-Si

имеют большую стоимость, однако

технические преимущества позво-

лят снизить процент возникновения

поломки в структуре скользунов и

предоставляют возможность сни-

зить скорость замены секционного

изолятора в целом, так как они на

данный момент итак являются недо-

статочными. В качестве основного

материала металлических скользу-

нов в отечественных изоляторах ис-

пользуется нержавеющая сталь мар-

ки ALSI 304, цена которой составляет

450р. за 1 кг., стоимость низколеги-

рованного сплава составляет 560р.

за 1 кг.

1. Изолирующим элементом

в секционном изоляторе являет-

ся полимерный изолятор с фторо-

пластовой оболочкой, типа НСФт.

Данные изоляторы состоят из двух

металлических оконцевателей,

фторопластовой трубки и стекло-

пластиковым стержнем. Процесс

производства полимерных изоля-

торов допускает образование зазо-

ров между зонами “оконцеватель

– стержень”, отечественные произ-

водители заполняют данный зазор

эпоксидной смолой марки ЭД-20, ко-

торая допускает возникновение ми-

кротрещин. Причиной образования

микротрещин, является химический

контакт стеклопластика и связыва-

ющих веществ, особенно кислотно-

го раствора, то есть образование

микротрещин связано с коррозией

материала стеклопластика под дей-

ствием механической нагрузки при

опрессовке. Когда кислота контакти-

рует со стекловолокнами, происхо-

дит ионный обмен между кислотой

и стеклянной решеткой. В следствии

чего повышается механическая на-

грузка на поверхность стеклопла-

стика и образуются микротрещины

на поверхности стержня. Эпоксид-

ная смола обладает недостаточны-

ми техническими характеристика-

ми для подавления возникающей

механической напряженности, что

приводит к образованию в ней ми-

кротрещин, которые в дальнейшем

могут распространиться вблизи сте-

кловолокна.

Для решения данной проблемы

необходимо использовать абразив-

ный или металлический порошок. В

процессе опрессовки, порошок по-

зволит равномерно распределить

механическое усилие вдоль стерж-

ня и предотвратит возникновение

микротрещин. Опрессованный в

замкнутом пространстве материал

станет твердым и позволит надежно

удерживать стержень. Металличе-

Таблица 1. Технические характеристики нержавеющей стали и сплава

системы Cu-Ni-Si

Материал Твердость

Электропрово-

дность

Прочность на

разрыв Удлинение

IACS % Н/мм2A5 %

ALSI 304 130-150 7.56 621 65-50

Cu-Ni-Si 170-190 38-45 650-800 9-15

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

ские порошки обладают хорошей

текучестью, а благодаря своей струк-

туре и возможности облегченного

прессования, что предоставляет воз-

можность создания любой необходи-

мой формы оконцевателя. Металли-

ческий порошок обладает высокой

износостойкостью, является более

экономичным так как производство

порошка возможно из сплавов или

остаточного материала. Процесс

опрессовки полимерного изолятора

представлен на рисунке 2.

Целесообразность данного ре-

шения также связана с положи-

тельным экономическим эффектом.

стоимость ранее используемой

эпоксидной смолы марки ЭД-20 со-

ставляет 640р. за 1кг., стоимость ме-

таллического порошка представлен-

ного ранее составляет 35р. за 1 кг.

3. Зона вхождения фторопла-

стовой трубки и стеклопластико-

вого стержня, рисунок 2, является

недостаточной, так как возможно

возникновение хрупкого излома. В

большинстве случаев он происхо-

дит внутри металлических оконце-

вателей изолирующих элементов,

где распределение механических

воздействий вдоль стержня особен-

но неравномерно или на расстоянии

5-10 см выше нижнего оконцевателя,

где при отсутствии экранов наблю-

дается наибольшая напряженность

электрического поля. Зона вхож-

дения 15мм согласно паспортным

данным используемых изоляторов,

(рисунок 3,а).Чтобы уменьшить силу

механических напряжений необхо-

димо увеличить площадь ее прило-

жение, (рисунок 3,б). Давление – это

физическая величина характеризу-

ющаяся силой действующей перпен-

дикулярно поверхности, к площади

этой поверхности, соответственно

увеличив площадь зоны вхождения

в полимерном изоляторе в 3 раза,

можно достигнуть уменьшения ме-

ханического напряжения также в 3

раза, что предоставит необходимый

результат.

4. Узел крепления изолирующих

элементов с опорной конструкцией

секционного изолятора представ-

лен на рисунке 4,а. Узел крепления

состоит из двух металлических пла-

стин и двух стопорных болтов ко-

торые сжимают пластины. В случае

ослабления хотя бы одного стопор-

ного болта происходит нарушение

крепления всей конструкции, также

при повреждении изолирующего

элемента становится невозможно

собственноручно и моментально

произвести его замену, так как через

узел крепления проходит контакт-

ный провод. Для повышения надеж-

ности узла крепления целесообраз-

ней использовать цельнолитую

конструкцию, рисунок 4,б. Представ-

ленный образец позволит предот-

вратить процесс расшатывания кон-

струкции, позволит производить

замену изолирующих элементов не

снимая секционный изолятор с кон-

Рис. 2. Процесс опрессовки металлического оконцевателя: а) – традиционный способ, б) – предлагаемый способ

Рис. 3. Конструкционное исполнение изолятора типа НСФт:

а) – исходный вариант, б) – предлагаемый вариант.

Рис. 4. Узел крепления секционного изолятора: а) – исходный вариант, б) –

предлагаемый вариант. 1 – стопорные болты для регулировки изолирующих

элементов, 2 – цельнолитой узел крепления

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

тактной сети и уменьшит общую мас-

су изолятора, что уменьшит процесс

растяжения контактного провода.

5. В качестве последней причины

возникновения нарушений в рабо-

те секционного изолятора высту-

пает подвес. Подвес осуществляет

крепление секционного изолятора

с несущим тросом. Подвес должен

представлять собой надежную кон-

струкции способную амортизиро-

вать секционный изолятор при про-

ходе под ним токоприемника ЭПС.

Подвес отечественных секционных

изоляторов состоит из двух метал-

лических струн и двух металлически

закругленных отверстий к которым

крепятся этим металлические стру-

ны, рисунок

Для создания надежного крепле-

ния с несущим тросом и повышения

амортизации секционного изолято-

ра необходимо применить цельно-

литую конструкцию, с более плотной

струной позволяющей регулировать

высоту подвеса, на рисунке 6 пред-

ставлено конструктивное решение

подвеса секционного изолятора.

Основными преимуществами

данной системы подвеса являются:

1) Использование загнутой ме-

таллической рамы, для создания ба-

ланса между двумя сторонами.

2) Использование металлических

струн позволяющих регулировать

высоту подвеса, рисунок 7.

В общем виде идеальный секци-

онный изолятор представляет со-

бой комбинацию надежной системы

подвеса, узла крепления, примене-

ние в процессе производства цилин-

дрической матрицы при опрессовки

металлических оконцевателей а так-

же использование металлического

порошка для заполнения зазоров

между оконцевателем, стержнем и

защитной оболочкой. В котором в

качестве основного материала для

скользунов послужит низколегиро-

ванный сплав системы Cu-Ni-Si. На

рисунке 7 представлена конструк-

ция разработанного в статье секци-

онного изолятора.

Данная модель секционного

изолятора позволит повысить мо-

бильность всей конструкции тем,

что предоставляет возможность за-

мены любого элемента не снимая

секционный изолятор с контактной

сети, в отличии от эксплуатируемых

секционных изоляторов на данный

момент, регулировка и настройка

которых осуществляется только на

территории завода-производителя.

Надежная система подвеса позво-

лит создать необходимый уровень

амортизации, уменьшит ударную

нагрузку о токоприемник ЭПС, вклю-

чает в себя кронштейн для прохож-

дения контактного провода, что в

свою очередь снимает эти полно-

мочия с узла крепления и позволяет

производить замену изолирующих

элементов на месте. Использование

низколегированного сплава в каче-

стве основного материала скользу-

Рис. 5. Подвес секционного изолятора ИС-3-80-3:

а) – подвес, б) – подвес с металлической струной

Рис. 6. Конструктивное исполнение

подвеса секционного изолятора

Рис. 8. Конструктивное исполнение разрабатываемого секционного изолятора: 1,2 – изолирующие элементы,

3,4 – кронштейн, 5,6 – подвес, 7,8 – соединительные зажимы, 9 – контактный провод, 10,11 – держатели рогов,

12,13 – скользуны

Рис. 7. Предложенный вариант подвеса: а) – металлические струны, б) – регули-

ровка металлических струн

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

нов позволяет уменьшить общую

массу конструкции, и повысить ее

технические характеристики, а на-

дежность работы изолирующих

элементов обусловлена приме-

нением металлического порошка

который позволит предотвратить

возникновение трещины на ряду с

увеличением площади вхождения

стеклопластикового стержня и фто-

ропластовой оболочки в металличе-

ских оконцевателях.



1. Тарабин, И. В. Методические

указания к выполнению контроль-

ной работы по дисциплине "Техника

высоких напряжений и электротех-

нические материалы".2011. – 31 с.

2. Тарабин, И . В. Повышение ка-

чества токосъема в местах распо-

ложения секционных изоляторов и

фиксаторных узлов скоростных кон-

тактных подвесок.2008. – 16 с.

3. Хрулев В.М. Зависимость оп-

тимальной толщины клеевой про-

слойки от шероховатости соединяе-

мых поверхностей и реологических

свойств клея.//Механика полиме-

ров.1965

4. Генкин С.М., Горошков Ю.И.,-

Морозова Т.В. Полимерные мате-

риалы в контактной сети.М.:Транс-

порт,1976-96с

  .

Родился в 1981 году. Окончил Ом-

ский государственный университет

путей сообщения по специальности

«электроснабжение железнодорож-

ного транспорта». Кандидат техни-

ческих наук, защитил диссертацию

по теме «Повышение качества то-

косъема в местах расположения

секционных изоляторов и фиксатор-

ных узлов скоростных контактных

подвесок» в 2008 году. В настоящее

время работает доцентом кафедры

”Электроснабжение железнодорож-

ного транспорта” Омского государ-

ственного университета путей со-

общения. Имеет более 30 научных

трудов.

  

Окончила Северо-Западный за-

очный политехнический институт

по специальности «Электрические

машины». Доктор технических наук,

профессор. В 2005 году защитила

диссертацию на тему «Комплексная

оценка влияния новых природоза-

щитных технологий на геологиче-

скую обстановку». Опыт работы – 40

лет. В настоящее время работает

первым проректором – проректо-

ром по научной работе, заведующей

кафедрой «Техносферная и экологи-

ческая безопасность» ПГУПС. Имеет

более 200 научных трудов, в том

числе 26 монографий и учебников,

44 патента, 13 зарубежных публика-

ций. Почетный железнодорожник,

заслуженный деятель науки Россий-

ской Федерации.

  

Родился в 1991 году. В 2013 году

окончил Омский государственный

университет путей сообщения по

специальности «Энергообеспече-

ние предприятий». Кандидат тех-

нических наук, доцент. В 2018 году

защитил диссертацию по теме «Со-

вершенствование системы заземле-

ния опор контактной сети в тяговом

электроснабжении переменного

тока». Опыт работы – 8 лет. В на-

стоящее время работает доцентом

кафедры «Электроснабжение желез-

ных дорог», начальником Управле-

ния воспитательной работы и про-

изводственного обучения. Имеет 41

научный труд.

 ..,

Омский государственный уни-

верситет путей сообщения, г. Омск

Tarabin Igor.

Born in 1981. Graduated from the

Omsk State Transport University with

a degree in Railway Power Supply.

Candidate of Technical Sciences,

defended his thesis on the topic

“Improving the quality of current

collection at the locations of sectional

insulators and xing units of high-

speed contact suspensions” in 2008.

Currently, he works as an assistant

professor at the Department of Power

Supply of Railway Transport at the

Omsk State Transport University. He

has more than 30 scientic papers.

Titova Tamila.

She graduated from North West

Correspondence Polytechnic Institute

majoring in “Electric machines”. She is a

doctor of technical sciences, professor.

In 2005 she defended the dissertation

with topic “Complex assessment of

the impact of new environmental

protection technologies to the

geological situation”. She has 40 years

of work experience. At present she

works as the rst vice-rector – vice-

rector for scientic work, chief of

Technospheric and environmental

safety department of PGUPS. She

has more than 200 scientic works,

including 26 monographs and

training manuals, 44 patents, 13

abroad publications. She is honored

railway employee, honored scientist of

Russian Federation.

Terekhin Ilya

Was born in 1991. In 2013 he

graduated from the Omsk State

Transport University with a degree

in “Power Supply for Enterprises”.

Candidate of Engineering sciences,

Associate Professor. In 2018 he

defended thesis on the topic

“Improving the grounding system of

overhead contact network supports

in AC traction power supply”. Work

experience – 8 years. Currently works

as an associate professor of the

department “Power supply of railways”,

head of the Department of educational

work and industrial training. Has 41

scientic papers.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

Современная защита и автоматика установки

продольной емкостной компенсации

тяговой подстанции

// MODERN PROTECTION AND AUTOMATION OF THE INSTALLATION OF A LONGITUDINAL

CAPACITIVE WALKTHROUGH TRACTION SUBSTATION //

 .., ..., ,

 

 

   

,

.  

 .., ...,

,

 

-

,

.  

 .., ...,

 

-

,

.  

 .., ...,

 

-

,

.  

 ..,

 « »,

. 

Установки продольной емкор-

стной компенсации (УПК) на шинах

27,5кВ компенсируют сопротивле-

ние тягового трансформатора и

системы внешнего электроснабже-

ния и теоретически при любой тя-

говой нагрузки можно получить на

тяговых шинах напряжение близкое

к холостому хода источника пита-

ния. На УПК устанавливают сверх-

быстродействующую защиту на

тиристорном ключе (ТК). С помощью

математического морделирования

доказано, что с целью существенно-

го снижения опасных перенапряже-

ний на конденсаторах в аварийных

ситуациях команду на запуск тири-

сторного ключа следует подавать

по току КЗ, что до минимума сни-

жает длительность протекания

мощных токов КЗ. Таким образом,

защита УПК от мощных токов КЗ

должна быть выполнена с помощью

тиристорного ключа с запуском по

току КЗ, а при удалённых токах КЗ

в тяговой сети, ограничение то-

ков КЗ УПК происходит при сра-

батывании тиристорного ключа

с запуском по напряжению УПК с по-

следующим отключением токов

КЗ.. Предлагается защиту от пере-

грузки конденсаторов УПК выпол-

нить с помощью тиристорного

ключа с запуском по напряжению

УПК и с реле с зависимой выдержкой

времени. После шунтирования УПК

тиристорным ключом возможно

определить по небалансной защи-

те неисправность конденсаторов

после КЗ и далее следует решать

вопрос о целесообразности повтор-

ного включения УПК в работу.

Ключевые слова: продольная ем-

костная компенсация, сверхбыст-

родействующая защита, автома-

тика, запуск тиристора по току,

перегрузка конденсаторов, повтор-

ное включение.

Installation of longitudinal capacitive

compensation (ILC) on 27.5 kV buses

compensate for the resistance of the

traction transformer and the external

power supply system, and theoretically,

with any traction load, it is possible to

obtain voltage close to the idling of

the power source on traction buses.

Superfast protection on thyristor switch

(TS) is installed on ILC. With the help of

mathematical modeling, it is proved that

in order to signicantly reduce dangerous

overvoltages on capacitors in emergency

situations, the command to start the

thyristor switch should be transmitted via

the short-circuit current, which minimizes

the duration of the ow of powerful short-

circuit currents. Thus, ILC protection from

short-circuit high-power currents should

be performed using thyristor switch with

short-circuit current start, and at remote

short-circuit currents in the traction

network, limitation of ILC short-circuit

currents occurs when the thyristor switch

is triggered with start-up by ILC voltage

with subsequent disconnection of short-

circuit currents. It is proposed to perform

overload protection of the ILC capacitors

using thyristor switch with starting by

the ILC voltage and with relay with a

dependent time delay. After shunting the

ILC with thyristor switch, it is possible to

determine the failure of capacitors after

short circuit by unbalanced protection,

and then the question of whether it

is advisable to re-activate the ILC in

operation should be resolved.

Keywords: longitudinal capacitive

compensation, superfast protection,

automation, start of thyristor by current,

overload of capacitors, re-activation.

Установки продольной емкост-

ной компенсация (УПК) – мощное

средство повышеня и стабилизации

напряжения в тяговой сети путем

компенсации индуктивного сопро-

тивления предвключенной линии

[1]. При установке продольной ем-

костной компенсации на шинах

27,5кВ компенсируется реактивное

сопротивление тягового трансфор-

матора и системы внешнего элек-

троснабжения (СВЭ). В этом слцучае

теоретически при любой тяговой

нагрузки можно получить на тяго-

вых шинах напряжение близкое к

холостому хода источника питания.

Проблеме включеня УПК в тяго-

вую сеть посвящено немало побли-

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

каций [1 -13], в которых рассмотре-

ны схемы и конструкции УПК, места

их включения, режимы работы, схе-

мы защит и их эффективность. Од-

нако в нормативном документе [14]

«Защита систем электроснабжения

железной дороги от коротких за-

мыканий и перегрузки» отсутствует

раздел по принципам и правилам

построения защиты УПК. Поэтому

задача статьи – показать целесоо-

бразную схему защиты и автомати-

ки УПК, а также дать теоретическое

обоснование её параметров.

1.    

  

В соответствие с [3] для широко

применяемой схемы УПК в отсасы-

вающем проводе тяговой подстан-

ции (ТП) с трансформаторами Y/Δ

предложено определять оптималь-

ное емкостное сопротивление УПК

по формуле

ХУПК = ХП

где ХП – сопротивление фазы тя-

говой подстанции (сопротивление

трансформатора плюс сопротивле-

ние СВЭ).

В этом случае значительно сни-

жается разность напряжений плеч

питания, что приводит к снижению

несимметрии, а при равных токах

плеч питания эта разность равна

нулю. При этом потери напряжения

на плече от тока этого же плеча

снижается в два раза.

Важно отметить, что УПК в отса-

сывающем проводе воздействует

на напряжение обоих плеч пита-

ния. При необходимости больше-

го снижения напряжения следует

увеличивать емкостное сопротив-

ление УПК. Учитывая, что потери

напряжения на тяговой подстанции

переменного тока с трансформато-

рам Y/Δ определяются удвоенным

сопротивлением фазы подстанции,

емкостное сопротивление УПК для

достижения заданного напряже-

ния может быть увеличено до

(1,5-1,7)ХП.

Однако, применение УПК вы-

зывает существенное уквеличение

токов КЗ. Для предотвращения по-

вреждений при повышенных токах

КЗ предложены сверхбыстродей-

ствующие защиты конденсаторов

УПК [3,13,15,16].

В [15,16] рассмотрены защиты на

тригатроне с тиристорным ключом,

а в [13] предложены тиристорные

ключи , шунтирующие УПК при КЗ с

последующим отключением токов

КЗ. При КЗ в контактной сети вбли-

зи тяговой подстанции со схемой

Y/Δ (рис.1) ток двухфазного КЗ ра-

вен [17]

КЗ СВЭ ТР УПК

/(2Z 2Z Z )IU= ++

, (1)

где U – напряжение источника пи-

тания (принимаем приведенное

напряжение -27,5кВ); ZСВЭ = RСВЭ +

jXСВЭ – фазное сопротивление СВЭ,

подключенное к тяговому транс-

форматору, Ом; ZТР = RТР + jXТР

– фазное сопротивление транс-

форматора, Ом; ZУПК = – jXУПК – со-

противление УПК, Ом.

Все сопротивления приведены

к напряжению тяговой обмотки

трансформатора. Обычно сопротив-

ления линий электропередачи на-

пряжением свыше 110кВ учитывают

только индуктивными сопротивле-

ниями, сопротвление трансформа-

тора – практически индуктивное,

сопротивление УПК – емкостное.

Анализ переходных процессов

в системе с УПК и приведёнными

выше данными был выполен в ин-

тегрированном пакете MATHCAD.

Программа решения дифференци-

альных уравнений численным мето-

дом Рунге-Кутта четвёртого поряд-

ка с использованием стандартной

функции rkxed приведена на рис.2.

Там же дана осциллограмма пере-

ходного процесса. Осциллограмма

(рис.2) процесса КЗ в системе с УПК

свидетельствует о значительном

превышении тока и напряжения

на конденсаторах УПК в режиме КЗ

по сравнению с нормальным режи-

Рис. 1. Схема замещения КЗ в тяговой сети у подстанции с УПК

Рис. 2. Программа решения дифференциальных уравнений в интегрированном

пакете MATHCAD. Осциллограмма процесса КЗ с УПК (in(красная кривая) –

ток УПК; ucn (синяя кривая) – напряжение УПК; Е1n (пунктирная)- напряжение

источника питания

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

мом. Как видно, бросок напряжения

на КУ достигает 20 кВ, что значи-

тельно превышает напряжение в

нормальном режиме (3-5 кВ). Таким

образом, становится ясной основ-

ная проблема внедрения УПК. Она

заключается в том, что громадные

токи КЗ, значительно превышающие

токи КЗ без УПК, снижают надеж-

ность работы электрооборудования

тяговых подстанций и самих УПК и

требуют разработки мероприятий

для их надежной защиты.

Известным мероприятием по

снижению токов КЗ и перенапряже-

ний на конденсаторах УПК является

быстродействующее шунтирование

конденсаторов УПК тиристорным

ключом.

Как видно (рис.2), переходный

процесс при возникновении КЗ

длится не более 1,5 – 2 периодов, и

поэтому в дальнейшем будем огра-

ничивать анализ процесса КЗ в ос-

циллогаммах двумя периодами.

Для примера на рис.3 представ-

лены осциллограммы для следу-

ющих исходных данных: Zсвэ =0,3

+j1Ом, Zтр =0,1+2Ом, Хупк =3Ом,

напряжение питания – 27,5кВ, ис-

ходная тяговая нагрузка – 1000А

с tgφ = 0,8.

На осциллограмм рис. 3,а – ток

КЗ возникает в нуль тока нагрузки,

а на рис.3,б – КЗ возникает в мак-

симум тока, все промежуочные

ситуации возникновения КЗ рас-

положены между этими крайними

точками. Как и следовало ожидать,

в переходном периоде и далее на-

пряжение УПК отстает от тока. От-

сюда естественное следствие: мо-

мент команды на шунтирование

УПК тиристорным ключом следует

подавать по току УПК, а не по на-

пряжению, что уменьшит время

действия тока КЗ.

Этот факт был зафиксирован в

изобретении [16], но к сожалению,

не был четко указан в проектной и

нормативной документации по УПК.

При КЗ в тяговой сети вблизи тя-

говой подстанции с УПК сопротив-

ление в месте КЗ снижается в 2Хп /

Хп[1- (0,5-0,3)] раз и, следовательно,

максмальный ток КЗ возрастает в

4 – 6,6 раз.

2.     

Применяемые сверхбыстродей-

ствующие защиты на тиристорах

[3,17] предотвращают повреждение

аппаратуры УПК, о чем свидетель-

ствует опыт эксплуатации. Однако,

на наш взгляд, есть возможность

снизить аварийные токи и напряже-

ния УПК путем совершенствования

её защиты. Как было указано выше,

команду на шунтирование УПК при

КЗ следует подавать по мгновенно-

му току КЗ. Например, уставка по

току (амплитудное значение) – 2500А

(на рис.3,а это значение – 5кА по

шкале ординат при времени 0,146с),

то есть в это мгновение будет пода-

на команда на шунтирование УПК

тиристором. В это же мгновение

напряжение на конденсаторах УПК

– около нуля. Аналогичная картина

и на рис 3,б, когда возникновение

КЗ происходит в максимум тока.

Итак, теоретически подтверждена

идея необходимости срабатывания

тиристорного ключа по мгновенно-

му значению тока КЗ. Реализация

этой идеи рассмотрена в изобрете-

нии [18]. Если же срабатывание ТК

происходило бы по напряжению,

то так как напряжение здесь отстаёт

от тока, то увеличивалось бы время

шунтирования УПК.

Например, как видно по рис.4,

тиристорный ключ ТК срабатывает

при мгновенном значении тока в

2,5кА (на рис.4.а отметка 5кА на

0,155сек, а на рис 4,б отметка 5кА на

0,145сек), практически напряжение

на конденсаторах остается таким

же, как и в до аварийный период,

что подтверждает разработки [18].

Если по каким-либо причинам

произойдет запаздывание сраба-

тывания ТК, то на конденсаторах

УПК возникнет недопустимое по-

вышение напряжения. Для под-

тверждения указанного представ-

лена осциллограмма (рис.5), где

тиристор с запаздыванием включа-

ется в момент 0,162сек. По осцил-

лограмме видно повышение напря-

жения на УПК до недопустимого

значения 20 кВ.

Уставку по напряжению УПК для

срабатывания ТК целесообразно

установить в 1,5Uупк.н (где Uупк.н

– номинальное напряжение УПК,

амплитудное значение).

Итак, формируется следую-

щий алгоритм работы защиты УПК

(рис.6). При мощных КЗ (то есть при

близких КЗ в тяговой сети), когда не-

обходимо сверхбыстрое шунтиро-

вание УПК, работает ТК с запуском

по току, а при удаленных КЗ, когда

не работает запуск по току, сра-

батывает запуск по напряжению с

последующим шунтированием кон-

денсаторов УПК.

В типовом проекте УПК НИИЭ-

ФА-ЭНЕРГО использованы оба ва-

рианта запуска тиристорного клю-

ча (по току и по напряжению), но не

уточнено назначение каждого. В

проекте НИИЭФА-ЭНЕРГО сказано:

«…..Предусмотрены два канала за-

щиты конденсаторной батареи при

Рис. 3.Осциллограмма возникновения КЗ в нуль и максимум тока

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

КЗ в тяговой сети – канал по току (ам-

плитудное значение) и канал по на-

пряжению (амплитудное значение),

которые формируются от транс-

форматоров тока и напряжения.

Тиристорный ключ обеспечивает

шунтирование конденсаторной ба-

тареи УПК с первого полупериода

до включения шунтирующего ко-

роткозамыкателя Qш».

На основании вышесказанного

уточним алгоритм работы защиты

УПК .

1. Основной защитой УПК счи-

тать защиту с шунтированием УПК

тиристорным ключом:

– с запуском по току с уставкой

2 -2,5 Iн (Iн – номинальный ток УПК,

амплитудное значение) с наимень-

шим временем срабатывания с бло-

ками Б1 (защита от КЗ),

– и с запуском по напряжению с

уставкой 1,5Uупк.н .

2. Предлагаем защиту конденса-

торов от перегрузки осуществить

с помощью реле напряжения, пита-

ющего от трансформатора напряже-

ния. Конденсаторы УПК допускают

различную кратность перегрузки

в зависимости от её длительности.

Поэтому и защита от перегрузки

(блок Б2) должна иметь зависимую

выдержку времени.

Итак, при КЗ срабатывает тири-

сторный ключ с запуском по току и

по напряжению с блоками Б1 и Б2,

время на шунтировку конденсато-

ров УПК тиристорным ключом не

превышает 1 мс. При срабатывании

ТК включается быстродействующий

замыкатель на основе вакуумной ка-

меры с временем менее 10 мс, шун-

тирующий ТК [13], и далее отключает

КЗ соответствующий выключатель

питающей линии контактной сети.

Аналогично происходит вывод УПК

из работы и при перегрузке при сра-

батывании блока Б2.

3.    

 

  

После срабатывания тиристор-

ного ключа для шунтирования

УПК в аварийном процессе между

конденсаторами УПК и индуктив-

ностью цепи шунтирования (рис.6)

протекают послеаварийные токи,

причем в связи образующимcя кон-

туром L-C происходит усиление

высших гармонических токов низ-

кого порядка. Практические изме-

рения показали, что для реальных

параметров УПК резонансная ча-

стота равна 160-490 Гц и указанные

послеаварийные токи могут дости-

гать 800-1000А. Таким образом, при

зашунтированном УПК возможна

проверка целостности конденсато-

ров (или, по крайней мере, провер-

ка значительных отклонений емко-

сти конденсаторов от номинальных

значений) с помощью установлен-

ной небалансной защиты конден-

саторов С1-С2-С3-С4 и трансформа-

тора тока ТА2 [18,19] (рис.6).



1. Включение УПК на тяговой

подстанции на шинах 27,5 кВ повы-

шает токи КЗ, что снижает надеж-

ность работы контактной сети и

оборудования тяговой подстанции.

Поэтому УПК следует оснащать

сверхбыстродействующими защи-

тами, одним из вариантов которых

является шунтирование УПК с по-

мощью тиристорного ключа с по-

следующим отключением тока КЗ.

2. С помощью математическо-

го моделирования доказано, что с

целью существенного снижения

опасных перенапряжений на кон-

денсаторах в аварийных ситуациях

команду на запуск тиристорного

ключа следует подавать по току

КЗ, что до минимума снижает дли-

тельность КЗ.

Рис. 4. Осциллограммы при работе тиристорного ключа ( вертикальные

штриховые линии: 1- начало КЗ, 2 – срабатывание ТК по току

Рис. 5. Осциллограмма процесса при задержке момента включения

тиристорного ключа

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

3. Защита УПК от мощных то-

ков КЗ должна быть выполнена с

помощью тиристорного ключа с

запуском по току КЗ, а при удален-

ных токах КЗ в тяговой сети, когда не

срабатывает тиристорный ключ по

току, ограничение токов КЗ УПК

происходит при срабатывании ти-

ристорного ключа с запуском по на-

пряжению УПК.

4. Предлагается защиту от пе-

регрузки конденсаторов УПК вы-

полнить с помощью тиристорного

ключа с запуском по напряжению

УПК и с реле с зависимой выдерж-

кой времени.

5. После шунтирования УПК

тиристорным ключом возмож-

но определить по небалансной

защите неисправность конденса-

торов после КЗ и далее следует

решать вопрос о целесообразно-

сти повторного включения УПК

в работу.



1. Марквардт К.Г. Электроснабже-

ние электрифицированных желез-

ных дорог. М.: Транспорт, 1982 – 528

2. Тамазов А.И. Несимметрия то-

ков и напряжений, вызываемая од-

нофазными тяговыми нагрузками.

М.: Транспорт, 1965, 235с.

3. Бородулин Б.М., Герман Л.А.,

Николаев Г.А. Конденсаторные уста-

новки электрифицированных же-

лезных дорог. М.: Транспорт, 1983,

183с.

4. Шенкман Л.З. Продольная ем-

костная компенсация на стороне

высокого напряжения трансформа-

торов тяговых подстанций // Труды

МИИТ,вып.166. М.:Транспорт,1963.

С.127-136.

5. Молин Н.И. Улучшение режима

напряжения тяговой сети перемен-

ного тока устройствами продольной

компенсации. Автореферат дисс. на

соиск.уч.степ. к.т.н. М.: ВНИИЖТ –

1977.

6. Мамошин Р.Р. Повышение ка-

чества энергии на тяговых подстан-

циях переменного тока. М.: Транс-

порт,1973, 224 с.

7. Мамошин Р.Р., Зимакова А.Н.

Электроснабжение электрифициро-

ванных железных дорог. М.: Транс-

порт, 1980, 296 с.

8. Шелом И.А. Продольная ем-

костная компенсация в отсасыва-

ющем проводе тяговой подстанци-

и.М.: ЦНИИТЭИ МПС,1969. С.22-34.

9. Шелом И.А. Продольная ем-

костная компенсация в отсасываю-

щем проводе тяговой подстанции.

Автореферат дисс. на соиск. уч.степ.

к.т.н. М.: МИИТ – 1980.

16. Патент №2592862 от 02.06.15.

Способ регулирования напряжения

на тяговой подстанции переменного

тока. Опубл.27.07.16.Бюлл.№21.

10. Коршунов В.А. Продольная

емкостная компенсация в тяговой

сети // Электричество. 1965. № 1. C.

23-29

11. Караев Р.И., Волобрин-

скийС.Д., Ковалев И.Н. Электриче-

ские сети и системы. М.:Транспорт,

1988, 326с.

12. Варенцов В.М., Сорин Б.П.

Методика расчета продольной ем-

костной компенсации при задан-

ных размерах движения поездов//

Электрификация, развитие электро-

энергетической инфраструктуры и

электрического подвижного состава

скоростного и высокоскоростного

железнодорожного транспорта Ма-

териалы VIII Международного сим-

позиума «Элтранс-2015». 2017. С.

77–84.

13. Гончаренко В.П., Мизинцев

А.В., Молин Н.И. Устройство про-

дольной компенсации тяговых

подстанций переменного тока. Эл-

транс-2009. «Электрификация, инно-

вационные технологии….» С-Петер-

бург, ПГУПС,2010 с.355-362.

14. Сборник СТО РЖД. Защита

систем электроснабжения желез-

ной дороги от коротких замыка-

ний и перегрузки. Часть 1-5. М.: ООО

«Центр инноваций и Развития «Те-

хинформ». 2019., 304с.

Рис. 6. Схема защиты и автоматики УПК в отсасывающем проводе

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

15.Патент №716106 от 10.07.78.

Способ защиты установки продоль-

ной емкостной компенсации от пе-

ренапряжений (Герман Л.А. и др.).

Опубл. 15.02.80. Бюлл.№6

16 Патент 997174 от 03.09.81.

Устройство для защиты продоль-

ной емкостной компенсации (Гер-

ман Л.А. и др.). Опубл.15.02.83.

17.Фигурнов Е.П. Релейная за-

щита . Учебник. Часть 2. М.: ГОУ

УМЦ.2009. – 604с

18. Патент 1283892 от 22.04.85.

Устройство для защиты установки

продольной емкостной компенса-

ции от коротких замыканий. (Гер-

ман Л.А. и др.). Опубл. 15.01.87.

19. Герман Л.А., Гончаренко В.П.

Современная схема продольной

емкостной компенсации в системе

тягового электроснабжения. Вест-

ник РГУПС, 2013 №2.

  .

Родился в 1937 году. В 1959 году

окончил Московский институт ин-

женеров транспорта (МИИТ) по

специальности «Инженер путей

сообщения – электромеханик». За-

щитил докторскую диссертацию по

теме «Теория и практика совершен-

ствования режима системы тягово-

го электроснабжения переменно-

го тока с установками емкостной

компенсации». Доктор технических

наук, профессор кафедры «Техника

и технологии железнодорожного

транспорта» филиала Самарского

государственного университета пу-

тей сообщения в Нижнем Новгоро-

де, член-корреспондент Российской

академии транспорта. Автор более

390 научных трудов, 100 изобрете-

ний и патентов. Имеет 2 правитель-

ственные награды.

  .

Родился в 1939 году. В 1961 году

окончил Нижегородский государ-

ственный технический университет

им. Р. Е. Алексеева по специальности

«Электрификация промышленных

предприятий и установок». Доктор

технических наук, профессор. За-

щитил докторскую диссертацию на

тему «Методы и средства диагности-

ки изоляции электрических машин

и аппаратов их защиты». Член-кор-

респондент Академии электротех-

нических наук РФ. Удостоен знаков

«Почетному железнодорожнику» и

«Лучший изобретатель железнодо-

рожного транспорта». В настоящее

время работает профессором кафе-

дры «Электрификация и автоматиза-

ция» Нижегородского государствен-

ного инженерно-экономического

университета (НГИЭУ) Автор более

400 научных работ, в том числе 10

книг-учебников и учебных пособий

для вузов. Имеет более 50 авторских

свидетельств СССР и патентов РФ на

изобретения.

  .

Родился в 1986 году. В 2008 году

окончил Нижегородский государ-

ственный инженерно-экономичем-

кий университет. Кандидат техни-

ческих наук, доцент. В 2013 году

защитил кандидатскую диссертацию

на тему «Повышение эффективно-

сти фильтрокомпенсирующих уста-

новок в тяговой сети переменного

тока». В настоящее время работает

заведующим кафедрой «Электрифи-

кация и автоматизация» Нижегород-

ского государственного инженер-

но-экономического университета

(НГИЭУ). Опубликовал 18 печатных

работ, 1 монографию, получил 7 па-

тентов на изобретение.

  .

Родился в 1975 году. В 1998 году

окончил Нижегородскую государ-

ственную сельскохозяйственную

академию. Кандидат технических

наук, доцент. В 2011 году защи-

тил кандидатскую диссертацию на

тему «Повышение эффективности

функционирования электрических

подогревателей воды путем разра-

ботки стенда для их тестирования».

В настоящее время работает до-

центом кафедры «Электрификация

и автоматизация» Нижегородского

государственного инженерно-эко-

номического университета (НГИЭУ).

Опубликовал 140 печатных работ, 4

монографии, получил 23 патента на

изобретение.

  .

Родился в 1992 году. В 2014 году

окончил Московский институт инже-

неров транспорта (МИИТ) по специ-

альности «Инженер путей сообще-

ния – специалист». Соискатель. В

настоящее время работает пресейл

инженером по центрам обработки

данных в компании ООО «СиТри Со-

люшнз». Опубликовал 3 статьи, полу-

чил 1 патент на изобретение.

German Leonid.

Born in 1937. In 1959 he graduated

from the Moscow Institute of

Transport Engineers (MIIT) with a

degree in Railway Engineering –

Electromechanics. He defended his

doctoral dissertation on the topic

"Theory and practice of improving the

mode of the AC traction power supply

system with capacitive compensation

installations." Doctor of Technical

Sciences, Professor of the Department

of Engineering and Technology of

Railway Transport, branch of the

Samara State University of Railway

Transport in Nizhny Novgorod,

Corresponding Member of the Russian

Academy of Transport. Author of

more than 390 scientic papers,

100 inventions and patents. Has 2

government awards.

Serebryakov Alexander.

Born in 1939. In 1961 he graduated

from the Nizhny Novgorod State

Technical University. R. E. Alekseeva,

specialty "Electrication of industrial

enterprises and installations." Doctor

of technical sciences, professor. He

defended his doctoral dissertation

on the topic "Methods and tools for

diagnosing the insulation of electrical

machines and devices for their

protection." Corresponding member

of the Academy of Electrotechnical

Sciences of the Russian Federation. He

was awarded the badges "Honorary

Railway Worker" and "Best Inventor

of Railway Transport". Currently works

as a professor at the Department of

Electrication and Automation of the

Nizhny Novgorod State Engineering

and Economic University (NGIEU).

Author of more than 400 scientic

papers, including 10 textbooks and

teaching aids for universities. He

has more than 50 USSR copyright

certicates and RF patents for

inventions.

Dulepov Dmitry.

Born in 1986. Graduated in 2008

Nizhny Novgorod State University of

Engineering and Economics. Candidate

of Technical Sciences, Associate

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

Professor. In 2013, he defended his

Ph.D. thesis on the topic “Improving

the eciency of lter-compensating

installations in an AC traction network”.

Currently he works as the head of

the department "Electrication and

Automation" of the Nizhny Novgorod

State University of Engineering and

Economics (NGIEU). Published 18

printed works, 1 monograph, received

7 patents for invention.

Osokin Vladimir.

Born in 1975. Graduated in 1998

Nizhny Novgorod State Agricultural

Academy. Candidate of Technical

Sciences, Associate Professor. In 2011

he defended his Ph.D. thesis on the

topic "Improving the eciency of

electric water heaters by developing

a stand for testing them." Currently,

he works as an assistant professor at

the Department of Electrication and

Automation at the Nizhny Novgorod

State Engineering and Economic

University (NGIEU). Published 140

publications, 4 monographs, received

23 patents for inventions.

Petrov Denis.

Born in 1992. In 2014, he graduated

from the Moscow Institute of Transport

Engineers (MIIT) with a degree in

Railway Engineering – Specialist.

Applicant. Currently, he works as a

presale engineer for data centers in

the company "CuTree Solutions" LLC.

Published 3 articles, received 1 patent

for an invention.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

 ..,

-

 

 ,

. -

 .., ...,

-

 

 ,

. -

Режим работы выпрямителей в

параллель является необходимым

при нагрузке большой мощности,

а также высокой категории надеж-

ности потребителей. Однако для

успешного функционирования обору-

дования в данном режиме должны со-

блюдаться несколько важных усло-

вий, а именно: равенство выходных

напряжений, номинальной мощно-

сти и числа пульсаций выпрямлен-

ного напряжения. При несоблюдении

хотя бы одного из вышеприведен-

ных условий нагрузка начинает рас-

пределяться неравномерно между

выпрямительными агрегатами,

что негативно сказывается на обо-

рудовании. В статье приводится

математическая модель реальной

электрической сети в программ-

ном комплексе MATLAB/Simulink.

Получены графики распределения

мощности по выпрямительным

агрегатам в зависимости от вход-

ного напряжения на выпрямитель.

В результате можно сделать вы-

вод о том, что для параллельной

работы необходимо выбирать обо-

рудование с одинаковыми внутрен-

ними характеристиками не только

у трансформаторов (напряжение

короткого замыкания, номинальная

мощность), но и у самих выпрямите-

лей (сопротивление диодов).

Ключевые слова: выпрямитель-

ный агрегат, трансформатор,

параллельное соединение, мате-

матическое моделирование, распре-

деление нагрузки, мощность

Parallel operation of the rectiers is

necessary when the load is high power,

as well as a high category of consumer

reliability. However, for the successful

operation of the equipment in this mode,

several important conditions must be

met, namely: the equality of the output

voltages, the rated power and the number

of ripples of the rectied voltage. If at least

one of the above conditions is not met,

the load begins to be distributed unevenly

between the rectier units, which

negatively aects the equipment. The

article presents a mathematical model of

a real electrical network in the MATLAB/

Simulink software package. Graphs of the

power distribution over the rectier units

depending on the input voltage to the

rectier are obtained. As a result, it can

be concluded that for parallel operation,

it is necessary to choose equipment with

the same internal characteristics not only

for transformers (short-circuit voltage,

rated power), but also for the rectiers

themselves (diode resistance).

Keywords: rectier unit, transformer,

parallel connection, mathematical

modeling, load distribution, power

  

  

// UNEVEN LOAD DISTRIBUTION BETWEEN THE RECTIFIER UNITS //



Параллельное соединение вы-

прямителей используется для уве-

личения пропускной способности

и, соответственно, передаваемой

мощности, повышения надежно-

сти электроснабжения оборудова-

ния, а также оптимизации входных

и выходных параметров агрегатов

[7,8,9,14,17].

В зависимости от поставленной

задачи, требования, предъявляе-

мые к параллельно работающим

выпрямителям, различны [10,20].

При задаче повышения категории

надежности электроснабжения по-

требителей различают два вида

резервирования: полное и частич-

ное. При полном резервировании

(один из двух и т.п.) обеспечивается

устойчивая работа всех преобра-

зователей, работающих на общие

шины без каких-либо ограничений

на распределение между ними мощ-

ности нагрузки. Такой режим может

соблюдаться при условии, когда

суммарная максимальная мощность

потребителей не превышает мак-

симально допустимой мощности

одного выпрямителя. В таком слу-

чае при выходе из работы одного

преобразователя, второй безболез-

ненно может его заменить и заберет

всю нагрузку на себя. При частичном

резервировании (два из трех и т.п.)

должно соблюдаться условие, при

котором распределение мощности

между параллельно работающими

на общие шины преобразователями

не должно приводить к перегруз-

ке одного преобразователя [5,16].

Выделяются основные условия для

успешной параллельной работы вы-

прямителей:

1. Равенство величин выходного

напряжения выпрямительных агре-

гатов. Несоблюдение данного усло-

вия ведет к неравномерной загрузку

выпрямителей, причем всю нагрузку

возьмёт на себя выпрямитель с более

высоким выходным напряжением.

2. Равенство мощности выпрями-

тельных агрегатов. При увеличении

нагрузки и, соответственно, тока вы-

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

ходное напряжение выпрямителя

снижается из-за коммутации повы-

шенных токов. Причем, напряжение и

ток уменьшатся у агрегата с меньшей

мощностью, а более мощный агрегат

будет работать с перегрузкой.

3. Одинаковое число пульсов вы-

прямленного напряжения в схемах

выпрямителей. Несоблюдение дан-

ного условия приведёт к появлению

уравнительных токов, которые соз-

дают дополнительную нагрузку на

сеть [2,3,4].

4. Если перед выпрямителями

установлены понижающие транс-

форматоры, то они должны быть с

одинаковым напряжением коротко-

го замыкания. В противном случае

нагрузка распределяется обрат-

но-пропорционально величине дан-

ного параметра.

При несоблюдении вышеприве-

денных условий, ток между выпря-

мителями распределяется нерав-

номерно, что приводит к перегреву

и более быстрому выходу из строя

оборудования, по которому проте-

кает больший ток, а также недоста-

точному использованию вентилей

по их предельной мощности [19].

Анализируя различные статьи,

можно заметить, что авторы при

исследовании неравномерной за-

грузки выпрямителей в качестве

причин такого режима указывают в

основном на параметры понижаю-

щего и преобразовательного транс-

форматоров, влияние мощности си-

стемы внешнего электроснабжения,

тип схемы выпрямления. В редком

случае акцентируется внимание на

характеристиках самих выпрями-

телей. Видимо, подразумевается,

что на параллельную работу всег-

да устанавливаются идентичные по

параметрам агрегаты. Однако, как

видно из данной статьи, в качестве

примера для исследования взят ре-

альный объект электроэнергетики,

где в параллель подключены три вы-

прямителя с разными внутренними

характеристиками. Поэтому целесо-

образно добавить к четырем выше-

приведенным условиям еще одно, а

именно равенство внутренних па-

раметров самих выпрямительных

агрегатов. При расчетах нужно обя-

зательно учитывать все условия и

аспекты, так как даже наименьшие

отклонения по параметрам оказы-

вают влияние на загрузку выпрями-

телей.

Данная статья основана на теоре-

тическом исследовании параллель-

ного режима работы высокомощ-

ных выпрямителей, работающих по

схеме полного резервирования. В

этом случае основной акцент будет

сделан на анализе совместного вли-

яния конфигурации электрической

сети перед выпрямителями, а также

их внутренних параметров на парал-

лельную работу. Также в исследова-

нии представляется возможным по-

лучить зависимости распределения

мощности между выпрямителями

от величины входного напряжения,

что будет являться некой теоретиче-

ской подосновой для существующих

практических данных.

 

В качестве объекта исследова-

ния была выбран существующий

объект электроэнергетики, на ко-

тором установлены и работают па-

раллельно три выпрямительных

агрегата. Построение модели и рас-

четы проводились на основании

актуальных электрических схем и

паспортных данных установленного

оборудования. Однолинейная схе-

ма электроснабжения потребителей

с использованием выпрямителей

представлена на рисунке 1.

Параметры оборудования, при-

веденного на рисунке 1, обозначены

ниже.

Сетевые трансформаторы:

Т-1: ТДТН-40000/110/10/6;

Т-2: ТДТН-25000/110.

Токоограничивающий реактор:

Р-1: РБНГ-10-1600-0,25.

Понижающие трансформаторы:

ТП-1: ТРДП-12500/10;

ТП-2: ТРДП-12500/10;

ТП-3: ТРСЗП-12500/10.

Выпрямители:

ПВ-1: В-ТПЕД-3,15к-3,3к-21;

ПВ-2: В-ТПЕД-3,15к-3,3к-21;

ПВ-3: БЛ-В-МПП-3,15к-3,3к.

Далее необходимо построить

математическую модель электриче-

ской сети в программном комплексе

MATLAB/Simulink, представленной

на рисунке 1 [6,15]. Для этого потре-

буется провести расчет параметров

оборудования [1,11]. Параметры

трансформатора определяются по

нижеприведенным формулам.

Активное сопротивление пер-

вичной и вторичной обмоток транс-

форматора:

1 = 2 = 1

2⋅

ном

, (1)

где PK – потери короткого замыкания

в обмотках трансформатора, кВт;

Sном – номинальная мощность си-

лового трансформатора, кВт.

Рис. 1. Однолинейная схема электроснабжения потребителей

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

Индуктивность первичной и вто-

ричной обмоток трансформатора:

1 = 2 = 1

2⋅



100

, (2)

где UK – напряжение короткого за-

мыкания трансформатора, %.

Активное сопротивление ветви

намагничивания:

=ном

0

, (3)

где P0 – потери холостого хода транс-

форматора, кВт.

Индуктивность ветви намагничи-

вания:

=100

0

, (4)

где I0 – ток холостого хода трансфор-

матора, %.

Параметры выпрямителей рассчи-

тываются путем эквивалентирования

схемы замещения. Данные расчеты

условно не приведены, т.к. выполня-

ются по общепринятым формулам.

Электрическая сеть задается

как шины бесконечной мощности.

Нагрузка моделируется блоками

машин постоянного тока, общей

мощностью 5700 кВт. Понижающий

трансформатор ТП2 и, соответствен-

но, выпрямитель ПВ2 в нормальном

режиме получают питание от второй

секции шин 10 кВ.

Для недопущения путаницы,

наименование блоков в математи-

ческой модели, представленной на

рисунке 2, идентично наименова-

нию блоков на однолинейной схеме

электроснабжения, представленной

на рисунке 1.

  

В результате моделирования

получены графики распределения

мощности по выпрямителям с рез-

копеременной нагрузкой.

Анализируя вышеприведенные

рисунки, можно сделать вывод что

наилучшее распределение нагрузки

между выпрямительными агрегата-

ми наблюдается на 3 положении ПБВ

ТП3 – рисунок 3. Однако, смотря на

график, можно заметить, что выпря-

митель ПВ3 забирает часть нагрузки

у выпрямителя ПВ2. Распределение

нагрузки между ними составляет

65% на 35 %. Такое негативное яв-

ление наблюдается только между

выпрямителями, получающими пи-

тание от одной секции шин 10 кВ (в

данном случае от второй).

На рисунке 4 видно, что при пе-

реводе на одну ступень ПБВ ТП3, что

соответствует снижению напряже-

ния на выходе выпрямителя на 35

В, резко меняется распределение

мощности между выпрямителями,

получающими питание от одной

секции шин 10 кВ. В данном случае

выпрямитель ПВ3 берет нагрузку в

3-4 раза меньшую, чем ПВ2. Соответ-

ственно распределение мощности

между агрегатами составляет при-

мерно 75 % на 25%.

Анализируя рисунок 5 видно, что

при переводе на еще одну ступень

ПБВ ТП3, а это значит еще меньшее

выходное напряжение (-100 В), вы-

прямитель ПВ3 вообще не берет на-

грузку, которая переходит полностью

на работающий в параллель ПВ2.

Однако, если посмотреть па-

спортные данные оборудования, то

можно увидеть, что у понижающего

трансформатора ТП3 паспортное

значение напряжения короткого за-

мыкания UK = 8,57 %, а у ТП1 и ТП2

равняется 7,31 % и 7,33 % соответ-

ственно. Из теории следует, что дан-

ный параметр оказывает непосред-

ственное влияние на изменение

вторичного напряжения трансфор-

матора при нагрузках, определяет

значения ударного и установивше-

гося тока короткого замыкания при

номинальном напряжении, а также

распределение нагрузки между

параллельно работающими транс-

форматорами [12]. Причем распре-

деление нагрузки происходит об-

ратно-пропорционально значению

величины напряжения короткого

замыкания. Данному явлению мож-

но дать два объяснения:

1. неодинаковые характеристики

(номинальная мощность, напряже-

ние короткого замыкания, внутрен-

ние сопротивления) двух сетевых

трансформаторов, причем после Т-1

Рис. 2. Математическая модель схемы электроснабжения потребителей

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

установлен еще и токоограничиваю-

щий реактор. Все вместе это создает

неравномерную загрузку сетевых

трансформаторов, дополнитель-

ные потери и, соответственно, нега-

тивное влияние на распределение

мощности «снизу», по стороне 10 кВ

и между выпрямителями [13].

2. неодинаковые характеристики

(количество диодов, внутреннее со-

противление) выпрямителей. Причем

у новых выпрямителей сопротивле-

ние диодов, как правило, меньше.

При неравенстве тока в парал-

лельно работающих выпрямителях,

между ними возникает «паразитный»

уравнительный ток, который создает

дополнительное падение напряже-

ния в агрегате с меньшим током [18].



В результате теоретического ис-

следования математической моде-

ли электрической сети доказано,

что, в отличие от ранее сделанных

работ в данной области, для успеш-

ного функционирования выпря-

мителей в параллель на общую

нагрузку необходимо обращать

внимание на параметры не только

понижающих трансформаторов, но

и самих выпрямителей, у которых

могут отличаться внутренние со-

противления диодов. При работе

выпрямительных агрегатов разных

конструкций с разными параметра-

ми в параллель, распределение на-

грузки между ними происходит не

лучшим образом. Опытным путем

получены зависимости, которые от-

ражают взаимосвязь между распре-

делением нагрузки высокомощных

выпрямителей и положением РПН

на понижающем трансформаторе.

Так, из статьи можно получить ко-

личественную зависимость, что при

изменении напряжения на высоко-

мощном выпрямителе на 1 В нерав-

номерное распределение тока (на-

грузки) между ними составляет ~5 А.

Касательно распределения на-

грузки между выпрямителями, то в

опытах лучший режим был при со-

отношении нагрузки 65% к 35%. На

такой режим работы основное вли-

яние оказывает, как доказано выше,

такой фактор как питание выпрями-

тельных агрегатов от разных секций

шин, в свою очередь получающих

питание от разных сетевых транс-

форматоров с различными характе-

ристиками, также вносит негативное

влияние в распределение нагрузки.

Результаты данного исследо-

вания особенно актуальны для от-

раслей промышленности, где при-

сутствует длительная нагрузка с

резкопеременным характером, а

именно горнодобывающая, транс-

портная и т.п.



1. Степанов А.А. К методам рас-

чета установленных мощностей вы-

прямительных трансформаторов /

А.А. Степанов, О.Л. Волкова, Н.И. Щу-

ров // Научный вестник НГТУ. 2010.

Вып. 4 (41). С.155-160.

2. Степанов А.А. Энергоэффектив-

ность двадцатичетырехпульсового

выпрямителя в системе распреде-

ленного электроснабжения посто-

янного тока при использовании

кольцевых схем выпрямления / А.А.

Степанов, Н.И. Щуров // Материалы

всероссийской научной конферен-

ции молодых ученых «Наука тех-

нологии инновации»: в 7-и частях.

Часть. 5. 2013. С.380–383.

3. Степанов А.А. Двадцатиче-

тырехпульсный выпрямитель в

системе распределенного элек-

троснабжения постоянного тока с

улучшенной электромагнитной со-

Рис. 5. Распределение нагрузки между выпрямителями. ПБВ ТП3 в 5 положении

(+3%)

Рис. 3. Распределение нагрузки между выпрямителями. ПБВ ТП3 в положении

(номинальное положение)

Рис. 4. Распределение нагрузки между выпрямителями. ПБВ ТП3 в 4 положении

(+1%)

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

вместимостью / А.А. Степанов, Н.И.

Щуров // Материалы всероссийской

научной конференции молодых уче-

ных «Наука технологии инновации»:

в 7-и частях. Часть. 5.2012. С.380–383.

4. Патент №151148 РФ. Преоб-

разователь c 24-кратной частотой

пульсации переменного напряже-

ния в постоянное / А.А. Степанов,

Н.И. Щуров, В.И. Сопов, М.М. Джа-

боров, Е.А. Степанова, К.С. Волкова.

Опубл.20.03.2015. Бюл. №8.

5. Экспериментальные исследова-

ния режимов работы многопульсных

выпрямителей / М.Е. Вильбергер, О.Л.

Волкова, Е.В. Олейникова, А.А. Степа-

нов // Научные проблемы транспорта

Сибири и Дальнего Востока: Научный

журнал. 2010. №1. С.323–325.

6. Дьяконов В.П. MATLAB. Полный

самоучитель. М.: ДМК Пресс, 2012.

768 с.

7. Евдокимов, С.А. Структурный

синтез многофазных вентильных

преобразователей / С.А. Евдокимов,

Н.И. Щуров. Новосибирск: Изд-во

НГТУ, 2010. 423 с.

8. Патент № 2373628 РФ. Преоб-

разователь переменного напряже-

ния в постоянное / С.А. Евдокимов.

Опубл.20.11.2009 Бюл. № 32.

9. Выпрямители для систем рас-

пределенного электроснабжения

железных дорог постоянным током /

С.А. Евдокимов, Н.И. Щуров, С.В. Мя-

теж, М.М. Джаборов, А.А. Степанов //

Сборник научных трудов НГТУ. 2012.

Вып. №2 (68). С.117 – 124.

10. Комяков А.А. Оценка эффек-

тивности параллельной работы вы-

прямительных преобразователей

тяговых подстанций на основе дан-

ных измерительных систем / А.А. Ко-

мяков, В.В. Эрбес, В.Л. Незевак // Со-

временные технологии. Системный

анализ. Моделирование. 2015. Вып.2

(46). С.137-143.

11. Новаш И.В. Расчет параметров

модели трехфазного трансформато-

ра из библиотеки matlab-simulink с

учетом насыщения магнитопровода

/ И.В. Новаш, Ю.В. Румянцев // Изве-

стия высших учебных заведений и

энергетических объединений СНГ.

Энергетика. 2015. Вып. № 1. С.12 – 24.

12. Проскуряков В.С. Электро-

техника: Трансформатор. Учебное

пособие / В.С. Проскуряков, С.В.

Соболев, Н.В. Хрулькова. Екатерин-

бург. 2007. 29 с.

13. Токораспределение в тяговых

сетях при различных напряжениях

источников питания / Д.М. Стрельни-

кова, В.И. Сопов, О.С. Мармулева, Е.А.

Сухарева, А.А. Степанов // Сборник

научных трудов «Фундаментальные

и прикладные исследования».2016.

С.161-163.

14. Силовая полупроводниковая

элементная база. Технология произ-

водства. Конструктивные решения:

Учебное пособие / В.Я. Фролов, А.М.

Сурма, К.Н, Васерина, А.А. Черников.

СПб.: Издательство «Лань», 2019. 228 с.

15. Фролов В.Я. Устройства си-

ловой электроники и преобразова-

тельной техники с разомкнутыми и

замкнутыми системами управления в

среде MATLAB-SIMULINK. Учебное по-

собие. / В.Я. Фролов, В.В. Смородинов.

СПб.: Издательство «Лань», 2017. 332 с.

16. Фролов В.Я. Источники пита-

ния. Учебное пособие. / В.Я. Фролов,

В.В. Смородинов. СПб.: Издательство

Полит. ун-та, 2008. 160 с.

17. Improving the energy eciency

of three-phase voltage converters

using the Steiner method / Evdokimov,

S.A., Shchurov, N.I., Volkova, O.L.,

Stepanov, A.A. // Russian Electrical

Engineering. 2011. № 82(6). P. 281-287.

18. Petrov A. A. Comparative

analysis of measures to improve the

quality of electricity in metro / A. A.

Petrov, N. I. Schurov // IEEE Computer

Society. 2018. P.690-693. DOI: 10.1109/

EDM.2018.8434947.

19. Fault Diagnosis and Fault-

Tolerant Control Operation of

Nonisolated DC–DC Converters /

Pazouki E., Sozer Y., De Abreu-Garcia

J.A. // IEEE Transactions on Industry

Applications. 2018. №54(1). P. 310-320.

20. Paralleling power supplies: Many

viable options, but know the tradeos //

URL: https://www.edn.com/paralleling-

power-supplies-many-viable-options-

but-know-the-tradeos (дата обраще-

ния 17.04.2022).

  .

Родился в 1995 году. Выпускник

Санкт-Петербургского политехниче-

ского университета Петра Великого

по специальности «электроснабже-

ние». С 2017 года занимается проек-

тированием энергетических систем

и управлением проектами по стро-

ительству объектов электроэнерге-

тики. В настоящее время работает

инженером-исследователем Лабо-

ратории электрических аппаратов

Высшей школы электроэнергетиче-

ских систем Санкт-Петербургского

политехнического университета Пе-

тра Великого. Автор 2 патентов, 13

опубликованных статей.

  .

Родился в 1950 году. Выпускник

Ленинградского политехнического

института им. М.И.Калинина, специ-

альность – «электрические аппара-

ты». Доктор технических наук. Защи-

тил диссертацию по теме «Основы

теории эффективной электродуго-

контактной обработки металлов».

Более 40 лет работает в Санкт-Пе-

тербургском политехническом уни-

верситете Петра Великого, ранее За-

ведующий кафедры Электротехники

и электроэнергетики. За последние

3 года получил 5 патентов и свиде-

тельств. Изобретатель СССР, Почет-

ный работник высшего образова-

ния, действительный член академии

Электротехнических наук РФ.

Chervonchenko Sergey.

Born in 1995. Graduate of Peter

the Great St. Petersburg Polytechnic

University with a degree in power supply.

Since 2017, he has been designing

energy systems and managing projects

for the construction of electric power

facilities. Currently works as a research

engineer at the Laboratory of Electrical

Apparatuses of the Higher School

of Electric Power Systems of Peter

the Great St. Petersburg Polytechnic

University. Author of 2 patents, 13

published articles.

Frolov Vladimir.

Born in 1950. Graduate of the

Leningrad Polytechnic Institute.

M.I.Kalinina, specialty – "electrical

devices". Doctor of Technical Sciences.

He defended his dissertation on the

topic "Fundamentals of the theory of

eective electric arc contact processing

of metals." For more than 40 years he

has been working at Peter the Great

St. Petersburg Polytechnic University,

previously Head of the Department

of Electrical Engineering and Power

Engineering. Over the past 3 years

received 5 patents and certicates.

Inventor of the USSR, Honorary Worker

of Higher Education, full member of

the Academy of Electrical Sciences of

the Russian Federation.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

   

    

 

// DEVELOPMENT OF A GENERALIZED GRAPHICANALYTICAL MODEL OF THE SUBSYSTEM FOR

MONITORING AND CONTROLLING THE ELECTRICITY SUPPLY SYSTEM OF THE SUBWAY //

 .., ..., ,

 

  

  I,

. -

 ..,

 

  

  I,

. -

Необходимость разработки

обобщенной графоаналитической

модели обусловлена отсутствием

функциональных возможностей су-

ществующих подсистемы монито-

ринга и управления метрополитена

к анализу процесса функционирова-

ния системы электроснабжения как

обоснования проведения структур-

ной оптимизации работы объекта.

Примененный метод производящих

функций и теория графов определя-

ют соотношения по вероятности

восстановления, времени восста-

новления и необходимому объему

средств диагностирования, явля-

ющиеся важными для обоснования

оценки степени достижения требо-

ваний, что дает возможность сде-

лать коррекцию решения о модерни-

зации объекта в условиях заданных

требований и ограничений.

Ключевые слова: система мони-

торинга, граф, производящая функ-

ция, вероятность восстановления,

электроснабжение.

The need to develop a generalized

graphic-analytical model is due

to the lack of functionality of the

existing subsystem for monitoring and

controlling the electricity supply system

of the subway to analyze the process

of functioning of the power supply

system as a justication for structural

optimization. The applied method of

generating functions and graph theory

determine the ratios for the probability

of recovery, recovery time and the

required amount of diagnostic tools,

which are important for substantiating

the assessment of the degree of

achievement of the requirements, which

makes it possible to make a correction

of the decision to modernize the object

under the conditions of specied

requirements and restrictions.

Keywords: monitoring system,

graph, generating function, recovery

probability, electricity supply.



Длительный период внедрения

новых технологий на электротехни-

ческие комплексы увеличивает раз-

рыв в проведении цифровизации

производств. Сложность возраста-

ет за счет уникальности, разработки

индивидуальных проектных реше-

ний с учетом режима работы дан-

ных комплексов. Одними из самых

важных этапов являются решение

о необходимости модернизации и

проведение предпроектных работ,

которые включают в себя техни-

ческое обоснование, проведение

качественного анализа объекта,

сравнение показателей систем тра-

диционного исполнения и совре-

менных на данных момент, опреде-

ление и подтверждение природы

возникновения нарушений, разра-

ботку предложений по нормализа-

ции параметров и оптимизации ра-

боты в целом. Данные требования

выдвигаются ГУП «Петербургским

метрополитеном» в техническом за-

дании в рамках работы по проекту

Единого диспетчерского центра ме-

тро, как одного из важных элемен-

тов глобальной интеллектуальной

системы управления городским

хозяйством Smart-city [1]. Соответ-

ственно, можно сказать, что суще-

ствующие в метрополитене подси-

стемы мониторинга и управления

имеют недостаточный функцио-

нальный ресурс для проведения

указанных ранее работ.

Поэтому необходима разработ-

ка модели, позволяющей сформи-

ровать обоснованное соотноше-

ние требований для определения

оптимального пути модернизации

объекта, оценки степени достиже-

ния требований, а также способ-

ствующая сокращению времени на

проведение предпроектных работ.

Предлагается одним из компонен-

тов этой модели заложить графоана-

литическую модель с применением

теории графов и метода производя-

щих функций.

 

Достижение поставленной цели

требует решения следующих задач:

охарактеризовать системы элек-

троснабжения метрополитена и су-

ществующие подсистемы монито-

ринга и управления, сформировать

перечень состояний, определить

структурные взаимосвязи состо-

яний, построить граф состояний,

провести расчет на основе метода

производящих функций, постро-

ить зависимости вероятности вос-

становления от времени, объема

средств диагностирования и оши-

бок 1 и 2 рода.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

 



  

  

Система электроснабжения пи-

тает потребителей разного уровня

напряжения: 825 В – подвижной со-

став, 380 В – эскалаторы, вентиля-

ционные и насосные установки, ре-

монтные и уборочные машины, 220

В – осветительные нагрузки, элек-

троинструмент и др. Совмещенная

тягово-понизительная подстанция

(СТП) включает в себя оборудова-

ние для подключения, передачи,

преобразования и распределения

электроэнергии: высоковольтные

выключатели, понизительные транс-

форматоры, выпрямители, автома-

ты, разъединители и др. [2].

Данное оборудование контроли-

руют следующие подсистемы мони-

торинга и управления: комплексная

автоматизированная система дис-

петчерского управления работой

линии метрополитена, комплекс

регистрации технологических нару-

шений, автоматизированная инфор-

мационно-измерительная система

коммерческого учета электроэнер-

гии, автоматизированная информа-

ционно-измерительная система тех-

нического учета энергоресурсов и

воды. Подсистемы имеют трехуров-

невую структуру: нижний уровень –

измерительные устройства, средний

уровень – устройства преобразова-

ния интерфейса, контроллеры, опти-

ческий кросс и др., верхний уровень

– информационно-вычислительный

комплекс по формированию от-

четности. К контролируемым пара-

метрам в общем случае относятся:

аналоговые – токи, напряжения,

мощности, частота; дискретные – по-

ложение выключателей, срабатыва-

ние защит, сигналы перегрузки и др.

А отчетность представлена построе-

нием графиков токов и напряжений

по заданному периоду, векторными

диаграммами и других отчетов, об-

условленных оперативной работой.

Проведенный анализ существу-

ющих подсистем мониторинга и

управления показывает большой

охват оборудования в пределах под-

станций, отсутствие прямого взаи-

модействия друг с другом, а также с

крупными потребителями. Они ар-

хивируют большой объём информа-

ции о состоянии оборудования, но

перечень методов по анализу и ра-

боте с данными ограничен. Поэтому

предлагается рассмотреть вариант

по расширению вычислительного

ресурса подсистем мониторинга и

управления посредством построе-

ния обобщенной графоаналитиче-

ской модели.

  -

 

Согласно теории графов, граф

будет задан графическим способом

и представлен конечным, ориен-

тированным и связным [3]. При по-

строении графа будут рассмотрены

вершины как конечное множество

состояний системы, связи как про-

цесс перехода из одного состояния в

другое с соответствующими вероят-

ностями. Путь задан последователь-

ность связей, которая не содержит

повторений этих связей, а контур за-

дан как путь, начальная и конечная

вершины которого совпадают.

Перечень состояний сформи-

рован на основе типовых этапов

процесса функционирования и вос-

становления системы электроснаб-

жения и выделены в следующих

состояниях: S1 – исправное состо-

яние; S2 – состояние проведения

измерений; S3 – состояние параме-

трического отказа; S4 – состояние

нарушения условий эксплуатации;

S5 – состояние неисправности обо-

рудования и коммутационных ап-

паратов; S6 – состояние неисправ-

ности кабельной продукции; S7.1

– состояние восстановления физи-

ческих отказов; S7.2 – состояние

восстановления параметрических

отказов. Переходы из одного состоя-

ния в другой обусловлены обобщен-

ными связями состояний на основе

процесса работы системы передачи

данных.

Принимаются следующие допу-

щения на начало моделирования:

подсистема мониторинга и управ-

ления работоспособная, вероятно-

сти переходов постоянные, время

нахождения в состоянии как посто-

янное и не зависит от того, каким

образом объект перешёл в данное

состояние. Так же стоит отметить на-

личие сопроводительных операций

в процессе мониторинга, а именно

наличие ошибок – определении

исправного состояния как отказ и

определении неисправного состоя-

ния как исправное.

Данные ошибки будут учтены в

обобщенной графоаналитической

модели как ошибки 1-го и 2-го рода

соответственно. Полученный обоб-

щенный граф представлен на рис.1.

   

 

Каждому переходу из состояния в

состояние соответствует переходная

(производящая) функция вида [4]:

Рис.1. Обобщенная графоаналитическая модель процесса функционирования

и восстановления электротехнического комплекса

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

()=�



=1

∗а

, (1)

где х – параметр, определяющий объем средств

диагностирования (х = [0, 1]);

a = t – безразмерная величина, характери-

зующая количество единичных отрезков вре-

мени;

pi – вероятность i-го перехода.

Производящая функция системы имеет вид:



{1→1’}

()={(



+⋯+



)∗(1 −



)∗…∗(1 −





)}

(1 −



)∗…∗(1 −





)

, (2)

где fn

P – производящая функция n-го пути обоб-

щенного графа;

K – производящая функция m-го контура

обобщенного графа.

 

Представленные на рис. 2, 3 зависимости

вероятности восстановления от времени ди-

агностирования отражают временной аспект

процесса восстановления. Модель определит

время наступления полного восстановления,

что позволяет скорректировать ожидаемые

требования. При этом важную роль в системе

играет восстановительные свойства состояний

и заданный объем средств диагностирования,

снижение доли которых значительно увеличи-

вает время восстановления всей системы, что

недопустимо.

На рис. 4 – 7 представлены зависимости ве-

роятности восстановления от вероятности воз-

никновения ошибки первого и второго рода.

Ошибка первого рома представлена опре-

делением исправного состояния как отказ в

следствии неточности средств измерительной

системы, человеческого фактора при проекти-

ровании и выборе средств измерения. Увели-

чение данной ошибки влечет за собой резкое

снижение вероятности восстановления систе-

мы в целом, а также проведение дополнитель-

ных контрольных проверок и переключений,

в крайнем случае – остановку работы блока

системы. А ошибка второго рода представлена

определением неисправного состояния как ис-

правное аналогично ошибке первого рода. Ее

увеличение влечет за собой снижение вероят-

ности восстановления системы в целом. Осо-

бенно негативное влияние выражается в нако-

пительном эффекте, потери времени на поиск

неисправности, появлении новых отказов.

На рис. 8 представлена зависимость ве-

роятности восстановления системы от объе-

ма средств диагностирования. Под объемом

средств диагностирования определено не

столько количество диагностических прибо-

ров, сколько объем их измерительного ресур-

са. Данный параметр может быть представлен

«ограничивающим» в части финансирования

Рис. 2. Зависимость вероятности восстановления системы от вре-

мени диагностирования элементов системы в состоянии отказа F(a)

Рис. 3. Зависимость вероятности восстановления системы от вре-

мени диагностирования элементов системы в состоянии отказа F(a)

Рис. 4. Зависимость вероятности восстановления системы от

вероятности возникновения ошибки первого рода F(po1)

Рис. 5. Зависимость вероятности восстановления системы от

вероятности возникновения ошибки первого рода F(po1)

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

(стоимость более функционального

прибора) или надежности (увеличе-

ние количества приборов с низким

измерительным ресурсом).



Разработанная обобщенная гра-

фоаналитическая модель дает воз-

можность выявить соотношения

вероятности восстановления рас-

сматриваемого объекта, времени

восстановления, объема средств

диагностирования для прямого мо-

делирования в процессе проектиро-

вания или модернизации структуры

объекта с учетом имеющихся ресур-

сов. Это позволит провести оценку

степени достижения требований, а

также сократить время на проведе-

ние предпроектных работ за счет

моделирования и построения струк-

туры подсистемы один раз при про-

ведении моделировании.

Построение зависимостей пока-

зывают:

1. Предъявление более мягких

требований по времени восстанов-

ления оборудования или системы

электроснабжения в целом, находя-

щейся в состоянии отказа, приводит

к возрастанию вероятности восста-

новления. В данном случае обслу-

живающий персонал имеет больше

возможностей на приведение обо-

рудования в готовность.

2. Предъявление высоких тре-

бований к параметрам метрологи-

ческих ресурсов (снижение веро-

ятностей возникновения ошибок

первого и второго рода) приводит

к возрастанию вероятности восста-

новления системы электроснабже-

ния вследствие получения обслужи-

вающим персоналом более точной и

оперативной информации о состоя-

нии оборудования.

3. Оснащение объекта большим

объемом средств диагностирования

приводит к увеличению вероятности

восстановления его работы за время,

не превышающее заданное, при фик-

сированных значениях вероятностей

возникновения ошибок первого и

второго рода. При этом обслуживаю-

щий персонал получает достаточное

количество необходимой информа-

ции для принятия своевременных

решений по обслуживанию.

4. Использование более совер-

шенных методик, моделей и алго-

ритмов обработки поступающей

диагностической информации по-

вышает вероятность восстановле-

ния рассматриваемой системы.

Таким образом, обобщенная гра-

фоаналитическая модель процессов

функционирования и восстановле-

ния позволяет обобщить представ-

ления о структуре работы подси-

стемы мониторинга и управления и

самой системы электроснабжения

метрополитена в одном моделиро-

вании, а также имеет возможность

для построения более сложных

структурных форм и взаимозависи-

мостей на основании эксплуатаци-

онных ситуаций.



1. Вице-губернатор Игорь Албин

ознакомился с работой диспетчер-

ского аппарата метрополитена URL:

http://www.metro.spb.ru/news/item/

id/387. Дата обращения: 01.06.2022.

2. Быков Е. И. Электроснабжение

метрополитенов. Устройство, экс-

плуатация и проектирование. М.:

Транспорт, 1977. – 431 с.

Рис. 6. Зависимость вероятности восстановления системы от вероятности

возникновения ошибки второго рода F(po2)

Рис. 7. Зависимость вероятности восстановления системы от вероятности

возникновения ошибки второго рода F(po2)

Рис. 8. Зависимость вероятности восстановления системы от объема

средств диагностирования F(x)

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

3. Уилсон Р. Дж. Введение в те-

орию графов, 5-е изд.: Пер. с англ.

СПБ.: Диалектика, 2019. – 240 с.

4. Гнеденко Б. В. Курс теории ве-

роятностей: Учебник. Изд. 8-е, испр.

и доп. Б.В. Гнеденко. М.: Едиториал

УРСС, 2005. – 448 с.

  .

Родился в 1976 году. Окончил

Петербургский государственный

университет путей сообщения по

специальности “автоматика, телеме-

ханика и связь на железнодорожном

транспорте”. Защитил диссертацию

на соискание ученой степени кан-

дидата технических наук на тему

«Обеспечение информационного

обмена системы управления пере-

возками на основе перспективных

телекоммуникационных сетей» в

2001 году. Защита диссертации на

соискание ученой степени доктора

технических наук проводилась в за-

крытом диссертационном совете по

оборонным проблемам в 2007 году.

Профессор, доктор технических

наук. Общий стаж работы 22 года.

В настоящее время работает про-

фессором кафедры «Электрическая

связь» ПГУПС. Заместитель глав-

ного редактора журнала "Известия

Петербургского университета путей

сообщения Императора Александра

I" (в перечне ВАК). Член редколлегии

журнала «Бюллетень результатов

научных исследований» (в перечне

ВАК). Член редакционного совета

журнала «Труды учебных заведений

связи» (в перечне ВАК). Член редкол-

легии журнала «Интеллектуальные

технологии на транспорте». Автор 99

статей, 3 монографий, 10 авторских

свидетельств и патентов на изобре-

тения, 2 государственных стандарта,

163 тезисов докладов и выступле-

ний на конференциях.

 

.

Родилась в 1995 году. Окончила

Петербургский государственный

университет путей сообщения по

специальности “подвижной состав

железных дорог”. Аспирант кафедры

«Электрическая тяга» Петербургско-

го государственного университета

путей сообщения.

Kanaev Andrey.

Born in 1976. He graduated from

St. Petersburg State University of

Railways with a degree in automation,

telemechanics and communications

in railway transport. He defended

the dissertation for the degree of

candidate of technical sciences on

the topic “Ensuring the information

exchange of the transportation

system based on promising

telecommunication networks” in 2001.

The defense of the dissertation for the

degree of Doctor of Technical Sciences

was carried out in a closed dissertation

council for defense problems in 2007.

Professor, Doctor of Technical Sciences.

Total work experience 22 years.

Currently, he works as a professor

at the Department of Electrical

Communications at PGUPS. Deputy

editor -in -chief of the magazine

"Izvestia of St. Petersburg University

of Railways of Emperor Alexander

I" (in the VAK list). Member of the

editorial board of the journal "Bulletin

of the Results of Scientic Research"

(in the List of the Higher Attestation

Commission). Member of the editorial

council of the journal "Transactions of

educational institutions" (in the List of

the Higher Attestation Commission).

Member of the editorial board of the

journal "Intelligent Technologies in

Transport". The author of 99 articles, 3

monographs, 10 copyright certicates

and patents for inventions, 2 state

standard, 163 abstracts and speeches

at conferences.

Davydova Anastasia Valentinovna

Born in 1995. Graduated from

St. Petersburg State University of

Communications with a degree in

railway rolling stock. Post-graduate

student of the department "Electric

traction" of the St. Petersburg State

University of Communications.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

  

 

// STATE OF FUNCTION OF THE THREEPHASE RECTIFIER

OF AN AUTOMOBILE ALTERNATOR //

 .., ...,

 

,

. 

Одной из основных причин выхода

из строя автомобильных генерато-

ров являются неисправности диодов

выпрямительного блока. Актуаль-

ной является задача определения

технического состояния автомо-

бильного генератора (включая вы-

прямитель) на основе бортового мо-

ниторинга параметров выходного

напряжения. Аналитически напряже-

ние выпрямителя при обрыве одного

или нескольких диодов представлено

в виде суммы слагаемых, соответ-

ствующих временным отрезкам

работы выпрямителя. Представле-

на методика моделирования обры-

ва диодов трехфазного мостового

выпрямителя. Экспериментально

подтверждено, что выходное напря-

жение выпрямителя определяется

количеством задействованных дио-

дов. Предложено вычислять степень

функционирования выпрямителя как

отношение текущего значения на-

пряжения к напряжению исправного

выпрямителя при одном значении

тока. Обобщенная модель напряже-

ния трехфазного выпрямителя бу-

дет использована при разработке

измерительного комплекса бортово-

го мониторинга системы электро-

снабжения автомобилей.

Ключевые слова: автомобильный

генератор, трехфазный выпрями-

тель, обрыв диодов, моделирование

неисправностей, степень работо-

способности.

One of the main causes of failure

of automotive alternators are diodes

faults in the rectier unit. Relevant is

the task of determining the technical

condition of the vehicle alternator

(including the rectier) based on the

on-board monitoring of output voltage

parameters. Analytically rectier

voltage at open circuit of one or several

diodes is represented as a sum of terms,

corresponding to the time intervals

of rectier operation. A technique for

modeling diode open circuit of a three-

phase bridge rectier is presented. It

is experimentally proved that output

voltage of the rectier is determined

by the number of diodes involved. It

is proposed to calculate the rectier's

degree of functioning as the ratio of

the current voltage value to the voltage

of the rectier in good condition at the

same current value. Generalized model

of three-phase rectier voltage will be

used for development of measuring

complex of onboard monitoring of

vehicle power supply system.

Keywords: Automotive alternator,

Three-phase rectier, Diode open circuit,

Fault modeling, State of Function.

Согласно проведенным ранее ис-

следованиям [1, 2, 3, 4, 5] неисправ-

ности выпрямителей автомобиль-

ных генераторов относятся к числу

наиболее распространенных. На их

долю приходится от 12% до 30% от

общего числа неисправностей ге-

нераторов. Проявляются неисправ-

ности диодов либо увеличением

сопротивления внутренней цепи

(обрыв), либо снижением сопротив-

ления цепи (замыкание). Возникно-

вение замыкания даже одного из

диодов чрезвычайно негативно ска-

зывается на работе генератора (уве-

личение шума, температуры) и легко

диагностируется. Обрыв цепи одно-

го из диодов приводит к недозаряду

батареи и не обнаруживается про-

стыми диагностическими средства-

ми. Обрыв цепи ряда диодов ведет к

полному прекращению работы гене-

ратора и значительному снижению

напряжения бортовой сети. В статье

рассматривается влияние полного

и частичного обрыва цепи одного и

нескольких диодов выпрямителя на

величину выходного напряжения

автомобильного генератора.

Выпрямительное устройство

содержит не один, а несколько ди-

одов, включаемых между собой по-

следовательно и/или параллельно.

Выпрямительный блок автомобиль-

ного генератора может содержать

от шести до двенадцати диодов и

более.

Трехфазный мостовой выпря-

митель представляет собой шесть

диодов, сгруппированных по два,

включенных согласно последова-

тельно. Напряжение на выходе та-

кого выпрямителя U_d описывается

выражением (1)

Ud = U2 – ΣU0 – Id ∙ Σrd (1)

где Ud – напряжение на выходе вы-

прямителя, В; U2 – переменное на-

пряжение на входе выпрямителя, В;

U0 – пороговое напряжение одного

диода, В; Id – ток выпрямителя, А; rd

– омическое сопротивление одного

диода в прямом направлении, Ом.

Аналитически напряжение трех-

фазного выпрямителя можно пред-

ставить в виде суммы слагаемых,

соответствующих временным отрез-

кам работы выпрямителя (таблица 1).

Каждый временной отрезок характе-

ризуется своим значением действу-

ющего линейного напряжения [6, 7,

8]. Падение напряжения на диоде

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

определяется пороговым напряже-

нием ∆U и потерями на собственном

омическом сопротивлении диода.

Первая составляющая зависит от

числа вновь включаемых диодов на

каждом отрезке времени. Омические

потери на диоде зависят от доли про-

текающего через диод тока.

Рассмотрим случаи одновремен-

ного обрыва двух диодов трехфаз-

ного выпрямителя. Возможны три

варианта данной ситуации: обрыв

одного из положительных и одного

из отрицательных диодов, связан-

ных с разными фазами генератора

(таблица 1, третья строка); обрыв

двух диодов, подключенных к одной

фазе генератора (таблица 1, пятая

строка) и обрыв двух положитель-

ных/отрицательных диодов, под-

ключённых к разным фазам генера-

тора (таблица 1, четвертая строка).

Рассмотрим случаи одновремен-

ного обрыва трех диодов трехфазно-

го выпрямителя. Возможны три вари-

анта данной ситуации: обрыв диодов

в шахматном порядке (например, по-

ложительного в фазе a, и двух отри-

цательных в фазах b и c); обрыв трех

диодов положительной/отрицатель-

ной полярности, а также обрыв двух

диодов, подключенных к одной фазе

генератора и одного из диодов в дру-

гой фазе (таблица 1, шестая строка).

При обрыве трех диодов в шах-

матном порядке ситуация полно-

стью совпадает с вариантом, рас-

смотренным в таблице 1, четвертая

строка. При обрыве трех диодов

положительной/отрицательной по-

лярности напряжение на выходе

выпрямителя отсутствует, так как у

оставшихся диодов нет пары проти-

воположной полярности.

Рассмотрим случаи одновремен-

ного обрыва четырех диодов трех-

фазного выпрямителя. Возможны

два варианта данной ситуации: если

оставшиеся диоды имеют разную

полярность ситуация сводится к ва-

рианту, рассмотренному в таблице 1

(шестая строка); если три диода от-

носятся к положительным/отрица-

тельным, то напряжение на выпря-

мителе отсутствует. К последнему

варианту также приводит одновре-

менный обрыв пяти и шести диодов

выпрямителя.

 

  



Эксперимент выполнялся на

специализированном стенде [9, 10].

К обмотке ротора генератора (14 В,

90 А) подключается внешний лабо-

раторный источник питания, с по-

мощью которого регулируется сила

тока. Частота вращения ротора ге-

нератора регулируется с помощью

частотного преобразователя, управ-

ляющего работой трехфазного асин-

хронного двигателя (380 В, 2.2 кВт).

Напряжение измеряется на вхо-

де выпрямителя U2 (линейное на-

пряжение фаз обмотки статора) и на

выходе выпрямителя Ud. Измерение

тока выпрямителя Id осуществляется

путем оценки падения напряжения

на токовом шунте, включенном в

цепь нагрузки.

Схема подключения измеритель-

ной аппаратуры к генератору в ходе

проведения эксперимента пред-

ставлена на рисунке 1.

На рисунке 2 представлен трех-

фазный выпрямитель автомобиль-

ного генератора модели БП105,

состоящий из двух алюминиевых

пластин-теплоотводов с запрессо-

ванными в них диодами (три диода

положительной полярности и три

отрицательной полярности). Еще

два отверстия в теплоотводах ва-

Таблица 1. Форма и величина выходного напряжения трехфазного

выпрямителя при моделировании обрыва диодов

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

кантны, так на современных гене-

раторах отсутствуют диоды повы-

шения мощности, предназначенные

для выпрямления третьей гармони-

ки переменного напряжения.

Полный обрыв одного или не-

скольких диодов моделировался пу-

тем физического исключения их из

схемы выпрямителя. Для этого раз-

резалась перемычка соединяющая

фазы обмотки статора с парой вы-

прямительных диодов (рисунок 3).

На рисунке 4 представлены экс-

периментальные точки нагрузочных

характеристик исправного выпря-

мителя и выпрямителей с обрывом

одного и нескольких диодов. Там

же сплошной линией показаны рас-

четные значения, вычисленные по

формулам таблицы 1. Отклонение

расчетных данных от эксперимен-

тальных не превышают 2%.

Обобщенную модель напряже-

ния трехфазного выпрямителя мож-

но представить следующим выраже-

нием

=√2

2∙2−  ∙∆ − 

∙∙



(2)

где k – число работающих диодов

выпрямителя; m – число параллель-

ных ветвей в одной фазе; 1/n – мак-

симальная доля тока через диод за

полпериода.

Степень работоспособности

(State of Health) трехфазного выпря-

мителя это показатель, равный от-

ношению текущего значения напря-

жения к напряжению исправного

выпрямителя при одном значении

тока.

 =



(



)







(



)

(3)

где Udi (Idi) – текущее значение на-

пряжения выпрямителя при задан-

ном токе, В; Ud

nom (Idi) – расчетное

значение напряжения исправного

выпрямителя при том же токе, опре-

деленное по выражению (2), В.

Степень работоспособности трех-

фазного выпрямителя при возникно-

вении обрыва одного или нескольких

диодов выпрямителя может изме-

няться от 100% (исправное состоя-

ние) до 32% и менее при прекраще-

нии функционирования (таблица 2).

Рис. 2. Конструкция трехфазного выпрямителя автомобильного генератора

а) исправный выпрямитель (шесть диодов); б) обрыв одного диода; в) обрыв

двух диодов в разных фазах; г) обрыв трех диодов (в каждой из фаз); д) обрыв

двух диодов одной фазы (обрыв фазы); е) обрыв четырёх диодов (обрыв одной

фазы+ обрыв одного из диодов остальных фаз)

Рис. 3. Физическое моделирование полно-

го обрыва диодов трехфазного выпрями-

теля автомобильного генератора

Рис.1. Схема подключения приборов при работе генератора

с трехфазным выпрямителем

А1-А3 – мультиметр Bluetooth OWON B41T+; Е1 – источник постоянного тока

MAISHENG MP3020D; M1 – приводной электродвигатель; L1 – обмотка ротора

генератора; QF1 – автоматический выключатель; R1 – нагрузочный реостат;

S1 – выключатель нагрузки; VD1-VD6 – выпрямитель.

Таблица 2. Изменение степени функционирования трехфазного выпрямителя

при обрыве диодов

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)



Одной из основных причин вы-

хода из строя автомобильных гене-

раторов являются неисправности

диодов выпрямительного блока.

Следовательно, задача определения

технического состояния выпрямите-

ля на основе оценки его выходного

напряжения является актуальной.

Аналитически напряжение вы-

прямителя при обрыве одного или

нескольких диодов можно предста-

вить в виде суммы слагаемых, соот-

ветствующих временным отрезкам

работы выпрямителя. Каждый вре-

менной отрезок характеризуется

своим значением действующего

линейного напряжения. Падение

напряжения на диоде определяется

пороговым напряжением ∆U и по-

терями на собственном омическом

сопротивлении диода. Первая со-

ставляющая зависит от числа вновь

включаемых диодов на каждом от-

резке времени. Омические потери

на диоде зависят от доли протекаю-

щего через диод тока.

Представлена методика модели-

рования обрыва диодов трехфазно-

го мостового выпрямителя. Обрыв

одного или нескольких диодов мо-

делировался путем физического ис-

ключения их из схемы выпрямителя.

Для этого разрезалась перемычка

соединяющая фазы обмотки статора

с парой выпрямительных диодов.

Установлено, что выходное на-

пряжение выпрямителя определя-

ется количеством задействованных

диодов. Приводится обобщенная

модель напряжения трехфазного

мостового выпрямителя. Предложе-

но вычислять степень функциони-

рования выпрямителя как отноше-

ние текущего значения напряжения

к напряжению исправного выпря-

мителя при одном значении тока.

Установлено изменение степени

функционирования трехфазного вы-

прямителя при полном или частич-

ном обрыве диодов.

Обобщенная модель напряже-

ния трехфазного выпрямителя ста-

нет частью имитационной модели,

необходимой для разработки систе-

мы бортового мониторинга системы

электроснабжения автомобилей.



1 W. Rongjie, Z. Yiju, Z. Haifeng

and C. Bowen (2013) “A fault diagnosis

method for three-phase rectiers”.

International Journal of Electrical

Power & Energy Systems. 52. pp. 266-

269. 10.1016/j.ijepes.2013.03.029.

2 M. Rahnama, A. Vahedi,

A. Mohamadalikhai, B. Nahid-

Mobarakeh, and N. Takorabet (2019)

“Novel average value model for faulty

three-phase diode rectier bridges,”

Journal of Power Electronics, Vol. 19,

pp. 288-295.

3 Пузаков А.В., Абельцев В.В. Клас-

сификация неисправностей выпря-

мителя автомобильного генератора

// Университетский комплекс как

региональный центр образования,

науки и культуры: материалы Все-

российской научно-методической

конференции (с международным

участием). – Оренбург: ОГУ, 2020. – С.

1250-1258.

4 Кулик В.Д., Королев В.И. Ано-

мальные режимы работы полупро-

водниковых выпрямителей и их ди-

агностика: учебное пособие. – СПб.:

СПбГТУРП, 2012 – 114 с.

5 M. Mürken, D. Kübel, A. Kurz, A.

Thanheiser and P. Gratzfeld, "Fault

analysis of automotive claw pole

alternator rectier diodes," 2018

IEEE International Conference on

Electrical Systems for Aircraft, Railway,

Ship Propulsion and Road Vehicles

& International Transportation

Electrication Conference (ESARS-

ITEC), Nottingham, 2018, pp. 1-6.

6 P. Sivachandran, and P. Indhu

(2014) “A review of three phase rectier

for automotive alternator with recent

developments”, International Journal

of Applied Engineering Research, Vol.

9, pp. 11995-12010.

7 A. Di Gerlando, G. Foglia, M.

Iacchetti, and R. Perini (2010) “Analytical

Model and Implementation by

Equations of Three-Phase Diode Bridge

Rectiers Operation”, Proceedings

of XIX International Conference on

Electrical Machines (ICEM). pp. 1-6, doi:

10.1109/ICELMACH.2010.5608272.

8 Иванов, Д. В. Анализ и исследо-

вание выпрямительных блоков син-

хронных автомобильных генерато-

ров // Science Time. – 2014. – №3 (3).

С. 32-40.

9 Пузаков, А.В., Абельцев В.В. Ис-

следование аномальных режимов

работы выпрямителя автомобиль-

ного генератора / Транспортные

и транспортно-технологические

системы: материалы Междунар. на-

уч.-техн. конф., 18 апр. 2019 г. – Тю-

мень: ТИУ, 2019. – С. 285-289.

10 Пузаков, А.В., Я.Ю. Осаулко

Исследование теплового состояния

выпрямителя автомобильного гене-

ратора // Электроника и электроо-

борудование транспорта. – 2018. –

№5. – С. 5-9.

Рис. 4. Нагрузочные характеристики трехфазного выпрямителя при моделиро-

вании обрыва диодов

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

  .

Родился в 1978 году. Окончил

Оренбургский государственный

университет в 2000 году по специ-

альности «электрический транс-

порт», в 2012 году – магистратуру по

специальности «эксплуатация транс-

портных средств». В 2016 году защи-

тил кандидатскую диссертацию по

теме «Методика диагностирования

автомобильных генераторов по па-

раметрам выходного напряжения».

С 2000 года работает преподавате-

лем в Оренбургском государствен-

ном университете. В настоящее вре-

мя – доцент кафедры технической

эксплуатации и ремонта автомоби-

лей. Имеет свыше 100 публикаций,

из которых 38 в изданиях из «Переч-

ня ВАК…», 21 в журналах SCOPUS.

Лауреат премии Губернатора Орен-

бургской области в сфере науки и

техники за 2017 и 2021 годы.

Puzakov Andrey Vladimirovich.

Born in 1978. He graduated from

Orenburg State University in 2000 with

a degree in electric transport, in 2012 –

a master's degree in vehicle operation.

In 2016, he defended his Ph.D. thesis

on the topic "Methods for diagnosing

automotive generators by output

voltage parameters." Since 2000 he

has been working as a lecturer at the

Orenburg State University. Currently,

he is an Associate Professor of the

Department of Technical Operation

and Repair of Automobiles. He has

over 100 publications, 38 of which

are in publications from the "List of

HAC...", 21 in SCOPUS journals. Winner

of the award of the Governor of the

Orenburg region in the eld of science

and technology for 2017 and 2021.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

    

     -

 

// SPECIALIZED MICROCIRCUITS FOR ACTIVE

BATTERY BALANCING DEVICES IN AUTONOMOUS POWER SYSTEMS //

 ..,

 

 – ,

. 

 ..,

 

,

. 

В статье представлено описа-

ние основных параметров, описы-

вающих состояние аккумулятор-

ных систем. Показано сравнение

существующих на рынке систем

балансировки в зависимости от

их параметров и влияния на рабо-

тоспособность в терминах описы-

вающих состояние аккумулятор-

ных систем. Проанализированы

специализированные микросхемы

для активных устройств баланси-

ровки аккумуляторных батарей в

автономных электроэнергетиче-

ских системах. Рассмотрены преи-

мущества трех типов микросхем

для управления активной балан-

сировкой, которые рекомендованы

производителями для применения в

тяговых аккумуляторных батареях

электротранспортных систем. По

результатам проведенной работы

можно сделать следующие выводы

о том, что активные устройства

балансировки аккумуляторных ба-

тарей обладают значимыми пре-

имуществами перед пассивными

устройствами балансировки. Но

они обладают большей сложностью

силовой схемы и стоимостью. Сило-

вая схема устройства балансиров-

ки компании AustriaMicroSystems не

имеет ограничения на количество

обслуживаемых аккумуляторов в

батарее, но она обладает мень-

шей эффективностью, чем силовая

схема балансира компании Linear

Technology. Устройство компании

Texas instruments является наибо-

лее простым о своей конструкции

и алгоритму применения, но его не-

достатком является то, что его

силовая схема малоэффективна для

больших аккумуляторных батарей,

поэтому он рекомендован толь-

ко для использования в батареях

электроскутеров и аналогичных

устройствах.

Ключевые слова: микросхема, ак-

тивные устройства балансировки,

аккумуляторные батареи, электро-

энергетическая система, алгоритм.

The article presents a description of

the main parameters that describe the

state of battery systems. Specialized

microcircuits for active battery balancing

devices in autonomous electric power

systems are considered. The advantages

of three types of microcircuits for

active balancing control, which are

recommended by manufacturers for use

in traction batteries of electric transport

systems, are considered. Based on the

results of the work carried out, the

following conclusions can be drawn that

active battery balancing devices have

signicant advantages over passive

balancing devices. But they have a

greater complexity of the power circuit

and cost. The balancer power circuit from

AustriaMicroSystems has no battery

capacity limit, but it is less ecient than

the Linear Technology balancer power

circuit. The Texas instruments device is

the simplest in its design and application

algorithm, but its disadvantage is that

its power circuit is inecient for large

batteries, so it is recommended only

for use in electric scooter batteries and

similar devices.

Keywords: microcircuit, active

balancing devices, storage batteries,

electric power system, algorithm.

Аккумуляторные батареи в со-

временных автономных электроэ-

нергетических системах, таких как,

например, электрический транспорт,

компонуются из сотен аккумуляторов

(свинцовых, Li-ion и т.п.), которые в

течение времени становятся несба-

лансированными в видуу различия

между их внутренними токами уте-

чек [1-3]. Основными параметрами,

описывающими состояние аккуму-

ляторных систем (батарей) являются

оценка состояния заряда (SOC(t)), ко-

торая определяется по формуле:

(1),

где Ib(τ) – зарядный ток, А; Q0 – ем-

кость батареи в момент времени t,

А•ч.

Далее можно выделить параметр

состояние здоровья аккумулятор-

ной системы (SOH), который опреде-

ляется по формуле вида:

SOH = (текущая емкость/

начальная емкость) •100% (2),

или в параметрах, зависимых от вре-

мени:

(3),

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

где SOH (t0) — начальное состояние

работоспособности батареи; δfunc

— это функция, зависящая от тока,

тепла, SOC, электрического напря-

жения, механических вибраций, ме-

ханических напряжений и т. д. [4,5]

Также можно выделить параметр

состояние жизни (SOL) или остав-

шийся срок полезного использова-

ния (RUL), который определяется по

формуле вида:

RUL = Tf – Tc (4),

где Tf – случайный сбой во време-

ни, ч; а Tc – текущее время, ч. [6]

SOL определяет оставшийся срок

полезного использования, а имен-

но оставшееся количество циклов

нагрузки и т. д., в течение которых

аккумуляторная система может точ-

но выполнять свои функции до до-

стижения предельного срока служ-

бы. Отказы можно предотвратить, а

техническое обслуживание аккуму-

ляторной батареи выполнять более

точно, если точно спрогнозировать

SOL. Прогнозирование RUL также

позволяет снизить затраты, повы-

сить точность, надежность и избе-

жать любых сбоев и т. д. [7]

Следующий важный параметр —

это состояние питания (SOP). Рассмо-

трим его более подробно. Каждая

ячейка аккумуляторной системы

имеет различное внутреннее со-

противление, которое меняется со

временем/использованием, с темпе-

ратурой, с изменением химических

свойств и других условий окружа-

ющей среды [8]. Все эти параметры

влияют на значение мощности ячей-

ки. SOP можно описать уравнением

вида:

SOP = мощность аккумуляторной

системы (текущая)/ мощность акку-

муляторной системы (начальная)

(5).

Далее можно выделить параметр

глубина разряда (DOD), который

определяет процент разряженной

емкости батареи по отношению к

максимальной емкости. Жизненный

цикл аккумуляторной системы ста-

новится короче, когда DOD выше.

Разряд до 80% обычно называют

глубоким разрядом [9]. Например,

свинцово-кислотные аккумуляторы

имеют меньший срок службы, если

глубина разряда превышает 50%.

Для достижения более длительного

жизненного цикла в рабочем режи-

ме можно использовать аккумуля-

торную систему большего размера

с более низким DOD [10]. Глубину

разряда можно определить через

оценку состояния заряда по уравне-

нию вида:

DOD = 1 – SOC(t) (5).

Далее можно выделить параметр

состояние функционирования акку-

муляторной системы (SOF). Данный

параметр определяет, насколько эф-

фективно батарея может работать.

Он вычисляется по формуле вида:

(6).

Здесь P и Pmax — мощность и

максимальная мощность, которую

может обеспечить батарея, Вт; а Pd

— текущая потребляемая мощность,

Вт.

Далее параметр состояние энер-

гии (SOE) определяет соотношение

между оставшейся энергией Eactual

и максимально доступной энерги-

ей Emax аккумуляторной системы и

определяется выражением вида:

(7).

Помимо этого, важными параме-

трами являются показатели состоя-

ние безопасности (SOS), жизненный

цикл (EOL), конец разряда (EOD). По-

высить показатели (1) – (7) с учетом

оптимизации показателей SOS, EOL

и EOD позволяет качественная ба-

лансировка аккумуляторных систем

[11-13].

В большинстве случаев, для ре-

шения задачи балансировки на от-

дельных аккумуляторах в аккуму-

ляторных системах используются

несложные и надежные резистив-

ные (или пассивные) устройства ба-

лансировки [14]. Основные методы

балансировки подобных систем по-

казан на рисунке 1.

Известно, что несовершенством

пассивных устройств балансиров-

ки представляется рассеивание из-

лишка энергии от аккумуляторов

с максимальной степенью заряда

на резистивных элементах (токо-

проводящих межсоединений и т.п.)

[15]. В случае использования таких

устройств балансировки для ба-

Рис. 1. Базовый алгоритм балансировки аккумуляторных батарей

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

тареи с аккумуляторами, емкости

которых существенно отличаются,

время разряда батареи будет огра-

ничено аккумулятором с наимень-

шей емкостью [16]. В отличии от них,

активные устройства балансировки

позволяют проводить перераспре-

деление энергии от аккумуляторов с

большим зарядом к аккумуляторам

с меньшим зарядом [17]. При этом,

их важной особенностью является

выполнение балансировки не толь-

ко при заряде аккумуляторной ба-

тареи, но и при её разряде [18,19].

Активные устройства балансировки

не только выравнивают заряд меж-

ду аккумуляторами, но и производят

его компенсацию в отличии от ем-

костей единичных аккумуляторов.

В эталонном устройстве баланси-

ровки время разряда батареи tбаланс

обусловливается связью среднеа-

рифметического значения емкостей

всех аккумуляторов Сср к величине

разрядного тока Iразрядн [20]:

(8).

Сравнение существующих на

рынке систем балансировки в зави-

симости от их параметров и влияния

на работоспособность в терминах

описывающих состояние аккумуля-

торных систем представлено в та-

блице 1:

В настоящее время, на рынке

электрокомпонентов существует

несколько типов микросхем, управ-

ляющих активной балансировкой и

рекомендованных их производите-

лями для использования в тяговых

аккумуляторных батареях элек-

тротранспортных систем. Наиболее

распространенными решениями

являются схемы таких производи-

телей как AustriaMicroSystems, Texas

Instrument и Linear Technology. Рас-

смотрим их более подробно. Основ-

ные характеристики этих устройств

балансировки объединены в табли-

цу №2.

Проанализируем каждые из этих

схем более подробно. Для начала

рассмотрим систему балансиров-

ки производства Texas Instrument.

Топология данного балансира сле-

дующая: ведущий контролер управ-

ления BQ78PL114 [2] осуществляет

балансировку четырех последова-

тельно соединенных аккумуляторов

и управляет работой ведомых кон-

тролеров BQ76PL102 по интерфейсу

PowerLAN. Каждый из них способен

сбалансировать по два аккумуля-

тора. Возможно присоединение до

четырех ведомых балансиров к ве-

дущему. Силовая схема данного ба-

лансира изображена на рисунке 3.

Каждый дроссель в силовой схеме

переключается между двумя сосед-

ними аккумуляторами и при этом

заряжается от аккумулятора с боль-

шей степенью заряда и разряжается

на аккумулятор с меньшей степенью

заряда, постепенно выравнивая на

них заряд. В том случае, если акку-

мулятор с максимальным зарядом и

с минимальным зарядом находятся

на разных концах последовательной

цепи батареи, эффективность пере-

дачи энергии существенно снизится.

КПД такой передачи будет состав-

лять величину:

η ≈ 85% • (k+1) (9),

где k – число аккумуляторов, распо-

лагающихся между ними. Данному

балансиру необходимо наибольшее

количество силовых ключей Kp, ко-

торое можно определить по форму-

ле вида:

Kp = 2• (n – 1) (10),

где n – количество аккумуляторов в

батарее.

Предельное количество аккуму-

ляторов, обслуживаемое данным

устройством балансировки, состав-

ляет величину, не превышающую

двенадцать штук. В связи с этим, та-

кие балансиры могут быть использо-

ваны только в довольно компактных

электроэнергетических системах,

таких, например, как электроскуте-

ры.

Рассмотрим балансировочное

устройство производства компании

AustriaMicroSystems. В данном ба-

лансире каждая микросхема AS8506

[3] входящая в его состав произво-

дит балансировку семи поочередно

соединенных аккумуляторов (так

называемых стеков). В данном слу-

чае микросхемы независимы друг от

друга и могут обмениваться данны-

ми последовательно по SPI-интер-

фейсу.

Силовая схема балансировоч-

ного устройства представлена на

рисунке 4. В ней с помощью понижа-

ющих конверторов на трансформа-

торах T1-Tn и диодах D1-Dn, а также

силовых ключах S1-Sn происходит

передача энергии от стека к акку-

муляторам с наименьшей степенью

заряда. Это осуществляется до тех

пор, пока баланс не будет достигнут,

т.е. средняя степень заряда всех ак-

кумуляторов не станет одинаковой.

Особенностью данного устройства

является достаточно невысокий ба-

лансировочный ток, который реко-

мендован производителем [3]. Он

Пассивный метод

балансировки Активный метод балансировки

Шунтирую-

щий постоян-

ный резистор

Шунтирую-

щий пере-

ключающий

резистор

Системы ба-

лансировки с

конденсато-

рами

Системы ба-

лансировки

с катушками

трансформа-

торов

Системы

балансиров-

ки с DC-DC

конвертером

SOC 0,9-0,92 0,9-0,92 ~0,95 ~0,95 ~0,95

SOH 0,9-0,92 0,9-0,92 ~0,95 ~0,95 ~0,95

RUL >40 000 ч. >40 000 ч. >40 000 ч. >40 000 ч. >40 000 ч.

SOP 0,9-0,92 0,9-0,92 ~0,95 ~0,95 ~0,95

DOD 0,1-0,08 0,1-0,08 0,05 0,05 0,05

SOF <10% <10% <5% <5% <5%

SOE 0,9 0,9 0,95 0,95 0,95

SOS высокий высокий высокий высокий высокий

EOL >40 000 ч. >40 000 ч. >40 000 ч. >40 000 ч. >40 000 ч.

EOD недопустим недопустим недопустим недопустим недопустим

Таблица 1. Сравнение существующих на рынке систем балансировки

в зависимости от их параметров и влияния на работоспособность

в терминах описывающих состояние аккумуляторных систем

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

может быть повышен при исполь-

зовании в качестве силовых ключей

(которые представляют из себя мо-

дули, которые с помощью низкого

напряжения Arduino могут управ-

лять более высокой нагрузкой) по-

левых транзисторов большой мощ-

ности порядка 45-60 Вт. Также в этой

схеме балансировочного устрой-

ства, выпрямительные диоды, ис-

пользуемые для преобразования

переменного тока в постоянный,

применяются на низковольтных сто-

ронах трансформаторов, что приво-

дит к уменьшению эффективность

конверторов. Также, поскольку си-

ловые ключи находятся на высоко-

вольтных сторонах аккумуляторной

батареи, то в данном случае в каче-

стве них нужно использовать по-

левые транзисторы на напряжение

сток-исток. Данное напряжение про-

порционально напряжению стека.

Далее рассмотрим балансировоч-

ное устройство производства компа-

нии Linear technology. Особенностью

данной схемы является то, что в ней

параллельно каждому аккумулятору

в батарее устанавливается микросхе-

ма LT8584 [4]. Данная микросхема пе-

редает измеренные значения напря-

жения и тока аккумулятора в общую

микросхему LT6804, которая, в свою

очередь, рассчитывает степень заря-

да аккумулятора, а затем разрешает

или запрещает проведение балан-

сировки аккумулятора микросхемой

LT8584. Всего LT6804 способна рабо-

тать с шестнадцатью микросхемами

LT8584 с использованием I2C интер-

фейса. Данная силовая схема цепи

активного устройства балансировки

представлена на рисунке 5. В ней с

помощью трансформаторов T1-Tn,

диодов D1-Dn и повышающих кон-

Производитель AustriaMicroSystems Linear Technology Texas Instrument

Микросхема управления AS8506 Балансир – LT8584;

Монитор – LT6804

(1 монитор на 16 балансиров)

Ведущий балансир –

BQ78PL114;

Ведомые балансиры –

BQ76PL102

Топология См. рис. 2б См. рис. 2в См. рис. 2а

Схема силовой цепи См. рис. 4 См. рис. 5 См. рис. 5

Используемый способ передачи

энергии

От батареи к аккумуля-

торам с наименьшим за-

рядом с использованием

понижающих конверторов

От аккумуляторов с наиболь-

шим зарядом к батарее с

использованием повышающих

конверторов

Между соседними аккуму-

ляторами с использовани-

ем дросселя

Число используемых силовых

ключей

n n 2•(n-1), где n – число акку-

муляторов в батарее

Число используемых силовых ди-

одов

n n 0

Максимальное число аккумуля-

торов, обслуживаемых одной ми-

кросхемой

Семь (где каждая микро-

схема представляет собой

независимый модуль для

работы с аккумуляторами)

Один балансир на один ак-

кумулятор, один монитор на

шестнадцать балансиров

Ведущий балансир – 4,

ведомый балансир -2,

использование:

1 ведущий + 4 ведомых

(максимум)

Балансировочный ток, А 0,1 2,5 1,0

Эффективность преобразования

энергии

~70% ~85% ~85%

Точность измерения напряжения

аккумуляторов, В

±15мВ ±4,7мВ ±10мВ

Рекомендуемая производителем

область применения

Тяговые батареи элек-

тромобилей и гибридных

автомобилей

Тяговые батареи электромоби-

лей и гибридных автомобилей

Тяговые батареи электро-

скутеров и электровело-

сипедов

Преимущества Одна микросхема на семь

аккумуляторов

Высокий ток балансировки.

Может быть также увеличен

параллельным соединением

балансиров.

Использование дросселей

вместо трансформаторов

Недостатки - Низкий ток балансиров-

ки.

- На высоковольтной стороне

трансформатора используются

силовые ключи, а на низковольт-

ной используются выпрямитель-

ные диоды.

- Балансир LT8584 уста-

навливается на каждый

аккумулятор.

- Эффективность передачи

энергии высока только между

соседними аккумуляторами.

Рассчитан на батарею только из

12 аккумуляторов.

Средняя стоимость микросхемы,

~8,5 ~5,5 (LT8584) ~10,5 (BQ78PL114)

Средняя стоимость микросхемы

балансировки, в пересчете на 1

аккумулятор, $

1,55 5,5 2,63

Таблица №2. Сравнительные характеристики устройств активной балансировки

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

верторов на силовых ключах S1-Sn проис-

ходит передача энергии от аккумуляторов

с наибольшей степенью заряда к стеку. В

данной схеме стек представляет собой

шестнадцать последовательно соединен-

ных аккумуляторов. Передача энергии

происходит до тех пор, пока средняя сте-

пень заряда всех аккумуляторов не станет

одинаковой. Следует отметить, что для

данной схемы характерно высокое значе-

ние балансировочного тока, которое до-

стигает величины порядка 2,5 А. Причем

этот ток может быть значительно увели-

чен. Правилами эксплуатации допускает-

ся до двадцати параллельно соединенных

LT8584. Важной особенностью является

то, что стоимость отдельных микросхем

такого балансира в два раза ниже, чем у

конкурентов. Однако, данная балансиро-

вочная микросхема ставится не на семь

или четыре аккумулятора, а на один. Поэ-

тому в пересчете стоимость микросхемы

на один аккумулятор получается дороже,

чем в других схемах.

Таким образом, по результатам про-

веденной работы можно сделать следую-

щие выводы:

- Устройство балансировки компании

Texas instruments является наиболее про-

стым, но его силовая схема малоэффек-

тивна для больших батарей, поэтому он

рекомендован только для использова-

ния в батареях электроскутеров.

- Силовая схема балансира компании

AustriaMicroSystems не имеет ограниче-

ния на количество обслуживаемых акку-

муляторов, но обладает меньшей эффек-

тивностью, чем силовая схема балансира

компании Linear Technology, которая мо-

жет быть использована в сложных акку-

Рис. 2. Топологии устройств балансировки

различных производителей. Здесь:

а) Texas Instrument; б) AustriaMicroSystems;

в) Linear Technology

Рис. 3. Адаптированная схема силовой цепи активного устройства

балансировки (производства Texas Instruments)

Рис. 4. Адаптированная схема силовой цепи активного устройства

балансировки (производства AustriaMicroSystems)

Рис. 5. Адаптированная схема силовой цепи активного устройства

балансировки (производства Linear Technology)

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

муляторных системах, в том числе в

электрических транспортных сред-

ствах, источниках бесперебойного

питания, систем накопления энер-

гии (ESS).

- Активные устройства балан-

сировки, несомненно, обладают

большими преимуществами перед

пассивными устройствами баланси-

ровки, однако они обладают боль-

шей стоимостью и сложностью си-

ловой схемы.

:

1. D. Andrea. Battery management

Systems for Large Lithium-Ion Battery

Packs/Artech House, 685 Canton

Street, Norwood, MA 02062/ 2010.

2. B. Singh, G.P. Singh, Y. Lehri, L.

Bhatia, Y. Sehgal. Diode-Based Passive

Li-Ion Battery Balancer. L e c t u r e

Notes in Electrical Engineering. №817.

2022. P. 67-78.

3. T. Ohsaki, T. Kishi, T. Kuboki, N.

Takami, N. Shimura, Y. Sato, M. Sekino,

A. Satoh. Overcharge reaction of

lithium-ion batteries. Journal of Power

Sources. 2005. №146 (1-2). P. 97-100.

4. S.-C. Wang, G.-J. Chen, Y.-H. Liu,

Y.-F. Luo, Z.-Z. Yang. An active balancer

with rapid bidirectional charge

shuttling and adaptive equalization

current control for lithium-ion battery

strings. International Journal of Energy

Research. 2022. №46(1). P. 223-238.

5. W. Li, A. Garg, M. Xiao, X. Peng,

M.L. Le Phung, V.M. Tran, L. Gao.

Intelligent optimization methodology

of battery pack for electric vehicles:

A multidisciplinary perspective.

International Journal of Energy

Research. 2020. №44 (12). P. 9686-9706.

6. S. Panchal, J. Mcgrory, J. Kong, R.

Fraser, M. Fowler, I. Dincer, M. Agelin-

Chaab. Cycling degradation testing

and analysis of a LiFePO4 battery

at actual conditions. International

Journal of Energy Research. 2017.

№41(15). P. 2565-2575.

7. http://www.ti.com/lit/ds/

symlink/bq78pl114.pdf.

8. A. Barzkar, S.M.H. Hosseini. A

novel peak load shaving algorithm

via real-time battery scheduling for

residential distributed energy storage

systems. International Journal of Energy

Research. 2018. №42 (7). P. 2400-2416.

9. http://ams.com/eng/Products/

Battery-Management/Cell-

Supervision-Circuits/AS8506C.

10. A.A. Skvortsov, S.M. Zuev, M.V.

Koryachko. Electrothermal degradation

of systems of metallization at non-

stationary current inuences. Conference

Proceedings – 2014 International

Conference on Actual Problems of

Electron Devices Engineering, APEDE

2014. 2014. №2. P. 340–343.

11. Samadani, E., Mastali, M.,

Farhad, S., Fraser, R.A., Fowler, M. Li-ion

battery performance and degradation

in electric vehicles under dierent

usage scenarios. International Journal

of Energy Research. 2016. №40 (3). P.

379-392.

12. http://cds.linear.com/docs/en/

datasheet/8584fb.pdf.

13. A.A. Skvortsov, V.V. Rybin, S.M.

Zuev. Features of electrostimulated

degradation of aluminum metallization

on silicon surface in the presence

of dielectric steps. Technical Physics

Letters. 2010. №36(3). P. 282–284.

14. L. Lu, X. Han, J. Li, J. Hua, M.

Ouyang. A review on the key issues

for lithium-ion battery management

in electric vehicles. Journal of Power

Sources. 2013. №226. P. 272-288.

15. S.M. Zuev, A.M. Fironov, D.O.

Varlamov, V.V. Kuksa. The search of new

diagnosing and predicting methods to

the thermomechanical and strength

characteristics of the component

base of control systems for unmanned

vehicles of the “smart city” based on

5G technologies. Journal of Physics:

Conference Series. №134. 2019. P.

012122.

16. M. Uzair, G. Abbas, S. Hosain.

Characteristics of battery management

systems of electric vehicles with

consideration of the active and passive

cell balancing process. W o r l d

Electric Vehicle Journal. 2021. №12(3).

P. 120.

17. D. Thiruvonasundari, K. Deepa.

Evaluation and comparative study of

cell balancing methods for lithium-

ion batteries used in electric vehicles.

International Journal of Renewable

Energy Development. 2021. №10(3). P.

471-479.

18. D. Deng. Li-ion batteries: Basics,

progress, and challenges. Energy

Science and Engineering. 2015. №3(5).

P. 385-418.

19. V. Yuhimenko, M. Averbukh, G.

Agranovich, A. Kuperman. Dynamics of

supercapacitor bank with uncontrolled

active balancer for engine starting.

Energy Conversion and Management.

2014. №88. P. 106-112.

20. S. Sharma, B. Singh. Voltage and

frequency control of asynchronous

generator for stand-alone wind

power generation. IET Power

Electronics. 2011. №4(7). P. 816-826.

  .

Родился в 1982 году. Окончил Мо-

сковский государственный машино-

строительный университет «МАМИ»

по специальности «инженер-элек-

трик». Опыт работы – более 18 лет. В

настоящее время работает старшим

преподавателем кафедры «Элек-

трооборудование и промышленная

электроника» Московского политех-

нического университета. Автор 30

научных трудов.

  .

Родился в 1985 году. Выпускник

Ульяновского государственного уни-

верситета, специальность «физика

металлов». Кандидат физико-мате-

матических наук. Защитил диссерта-

цию по теме «Тепловые процессы в

системах металлизаций полупрово-

дниковых структур и керамик». Опыт

работы – 14 лет. В настоящее время

занимает должность доцента кафе-

дры оптико-электронных приборов и

систем РТУ МИРЭА. Автор 85 научных

трудов, в том числе 5 патентов.

Varlamov Dmitry.

Born in 1982. Graduated from

the Moscow State Machine-Building

University "MAMI" with a degree

in electrical engineering. Work

experience – more than 18 years.

Currently, he works as a senior lecturer

at the Electrical Equipment and

Industrial Electronics Department of

the Moscow Polytechnic University.

Author of 30 scientic papers.

Zuev Sergey.

Born in 1985. Graduate of

Ulyanovsk State University, majoring

in metal physics. Candidate of

Physical and Mathematical Sciences.

He defended his thesis on the topic

"Thermal processes in the systems

of metallization of semiconductor

structures and ceramics". Experience –

14 years. Currently holds the position of

Associate Professor of the Department

of Optoelectronic Devices and Systems

of the RTU MIREA. Author of 85 scientic

papers, including 5 patents.

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

     

   

// APPLYING ENERGY STORAGES AS EMERGENCY

POWER SUPPLY SYSTEM AT UNDERGROUND RAILWAY TRAINS //

 ..,

 «-»,

. 

Целью данной работы является

описание существующей конструк-

ции вагонов метрополитена моде-

лей 81-775/776/777 «Москва-2020»,

включающую в себя применение

тяговых накопителей энергии для

использования при аварийных ситу-

ациях, а также при маневровых ра-

ботах.

Ключевые слова: железнодорож-

ный транспорт, вагоны метропо-

литена, накопитель энергии, ни-

кель-кадмиевая аккумуляторная

батарея, тяговые электрические

машины.

The purpose of this work is to describe

the existing design of subway cars of

models 81-775/776/777 "Moscow-2020",

which includes the use of traction energy

storage devices for use in emergency

situations, as well as during shunting

operations.

Keywords: railway transport, subway

cars, energy storage, nickel-cadmium

storage battery, traction electric machines.



В целях повышения надёжности

подвижного состава, а также обе-

спечения требований безопасно-

сти движения, особенно в условиях

пассажирских перевозок, конструк-

торами подвижного состава разра-

батываются различные технические

усовершенствования конструкции.

Одним интересным, а также ин-

новационным, конструкторским

решением стало применение на

вагонах метрополитена тяговых на-

копителей энергии с целью обеспе-

чения аварийного выхода состава

из тоннеля, а также при маневровых

работах в депо.

В настоящее время тяговыми на-

копителями оборудованы вагоны ме-

трополитена моделей 81-775/776/777

«Москва-2020», спроектированные

компанией ООО «ТМХ Инжиниринг»

и производимые заводами

АО «МЕТРОВАГОНМАШ» и Октя-

бьским электровагоноремонтным

заводом (ОЭВРЗ), которые являются

дочерними предприятиями холдинга

АО «Трансмашхолднинг».

Технически «Москва-2020»

представляет собой дальнейшее

развитие вагонов 81-765/766/767

«Москва», но при этом содержит

достаточное количество конструк-

тивных отличий от предшествен-

ника, позволяющих эволюционно

считаться новой серией [1]. Данные

вагоны метрополитена эксплуатиру-

ются на Кольцевой, Калужско-Риж-

ской и Большой кольцевой линиях

Московского Метрополитена.

 



Поскольку электропоезд пасса-

жирский, то его основные конструк-

тивные параметры направлены на

обеспечение пассажировместимо-

сти, обеспечение графика движения

поездов, а также на безопасность

движения. Основные конструктив-

ные параметры представлены в та-

блице 1 [2].

Таблица 1. Основные конструк-

тивные параметры электропоезда

«Москва-2020».

Наименование

параметра Значение

Вместимость, чел 1490

Конструкционная ско-

рость, км/ч

Ускорение, м/с21,3

Ширина дверного про-

ёма, мм

1600

Составы «Москва-2020» выпу-

скаются в семи и восьмивагонном

исполнении. Конфигурация вагонов

Рис. 1. Схема формирования составов «Москва-2020»

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

представлена на рисунке 1. Состав

включает в себя следующие состав-

ные единицы:

Вагон метрополитена модели 81-

775 – моторный головной вагон (МГ),

оборудованный кабиной управле-

ния, тяговыми электродвигателями,

системами преобразования элек-

трической энергии, климатконтро-

ля, автоматического управления.

Вагон метрополитена модели

81-776 – моторный прицепной ва-

гон (МП), отличие данного вагона от

вагона модели 81-775 заключается в

отсутствии кабины управления.

Вагон метрополитена модели 81-

777 – немоторный прицепной вагон

(НП), отличие данного вагона от ва-

гона модели 81-776 заключается в

отсутствии тяговых электродвигате-

лей, системы преобразования элек-

трической энергии. Также на данном

вагоне и располагаются накопители

электрической энергии.

 

Тяговый накопитель энергии

предназначен для электропитания

тягового оборудования асинхронно-

го тягового электропривода мотор-

ного вагона при отсутствии внеш-

него энергоснабжения контактной

сети, с целью обеспечения аварий-

ного вывода состава из тоннеля и

при маневровых работах в депо. По

причине больших весогабаритных

характеристик, накопитель не мо-

жет быть установлен в подвагонном

пространстве моторного вагона. На

основании этого было принято ре-

шение разместить накопители энер-

гии на прицепных вагонах.

Контейнер с тяговыми накопите-

лями (рисунок 2), в количестве двух

штук, устанавливаются на кронштей-

нах рамы кузова вагона 81-777, каж-

дый из которых предохраняется от

падения на путь десятью страховоч-

ными тросами.

В контейнере с тяговым нако-

пителем располагается следующее

оборудование:

- никель-кадмиевые аккумулято-

ры

- зарядное устройство

- центробежные вентиляторы;

- оборудование пожаротушения;

Основные характеристики нако-

пителя энергии представлены в та-

блице 2.

Таблица 2. Основные технические

характеристики тягового накопи-

теля.

Наименование

параметра Значение

Номинальное входное

напряжение постоян-

ного тока, В

750

Диапазон изменения

входного напряжения,

от 550 до

975

Номинальный входной

ток, А

Номинальное выход-

ное напряжение, В

360

Номинальный выход-

ной ток, А

390

Габаритные размеры

ВхШхГ, мм

678х2374

х2006

Масса, кг 2500

Основой накопителя является

тяговая аккумуляторная батарея

большой емкости, которая собрана

из никель-кадмиевых ячеек. Тяго-

вая аккумуляторная батарея состо-

ит из двух секций, размещённых в

двух выкатных тележках. Система

автономного хода, базирующаяся

на применении тяговых аккумуля-

торов «Saft MSX», позволяет составу

преодолеть на собственном авто-

номном питании расстояние до 6,5

км и уклоны до четырех процентов,

что является максимумом, встреча-

ющимся на маршрутах. Аккумулято-

ры «Saft MSX» – являются решением,

удовлетворяющем в полном объеме

требованиям высокого уровня безо-

пасности и производительности при

очень жестких ограничениях по раз-

меру и весу [3].

Основные параметры аккумуля-

торной секции представлены в та-

блице 3.

Таблица 3. Основные технические

характеристики тягового накопи-

теля.

Наименование пара-

метра Значение

Количество аккумуля-

торов в батарее, шт

150

Масса батареи, кг 714

Количество аккумуля-

торов в блоке, шт

Номинальное напря-

жение, В

180

Ёмкость аккумулято-

ра, Ач

130

Минимальная рабо-

чая температура, ºС

- 40

Максимальная рабо-

чая темпрература, ºС

+ 50

Общий вид секции батареи, кото-

рая устанавливается на одну выкат-

ную тележку контейнера с тяговым

накопителем, представлена на ри-

сунке 3.

 

Функциональная схема подклю-

чения тягового накопителя энергии

к тяговому электроприводу вагона

представлена на рисунке 4.

Рис. 2. Контейнер с тяговыми накопителями Рис. 3. Секция тяговой аккумуляторной батареи

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

Накопитель энергии вводится

в работу при включении машини-

стом режима автономного хода. В

этом режиме тяговый накопитель

энергии при помощи контакторов

подключается к высоковольтным

вводам тягового электропривода

для питания тяговых асинхронных

электродвигателей (ТАД) и к мо-

тор компрессорам (МК) соседних

вагонов. В режиме автономного

хода напряжение аккумуляторной

батареи составляет 450 В. Функ-

циональная схема распределения

потоков энергии в режиме авто-

номного хода представлена на ри-

сунке 5.

В штатном режиме работы на-

копитель энергии отключен от мо-

торных вагонов и заряжается от то-

коприёмников своего прицепного

вагона через зарядное устройство.

Функциональная схема распреде-

ления потоков энергии в режиме

заряда тягового накопителя энергии

представлена на рисунке 6.



Таким образом в статье рассмо-

трены конструктивные особенности

автономного тягового привода ваго-

нов метрополитена моделей

81-775/776/777 «Москва 2020» с

описанием принципа работы в ре-

жимах заряда и разряда тягового

накопителя энергии. Установка ава-

рийных тяговых накопителей энер-

гии позволит сделать перевозку

более безопасной, удобной и ком-

фортной для пассажиров, позволит

повысить безопасность движения

поездов и соблюдение графика дви-

жения, что немаловажно при интен-

сивном пассажиропотоке.



1. Трансмашхолдинг. Москва

2020. Поезд нового поколения.

https://tmholding.ru/products/

klyuchevye proekty/poezd metro

novogo pokoleniya (Дата обращения

17.08.2022);

2. Saft обеспечивает новые по-

езда "Москва 2020" Московского

метрополитена энергией для инно-

вационной системы аварийной тяги.

https://corporate.totalenergies.ru/

ru/novosti/saft obespechivaet novye

poezda moskva-2020-moskovskogo-

metropolitena-energiey-dlya

(Дата обращения 20.08.2022);

  .

Выпускник Российского универси-

тета транспорта (РУТ МИИТ) по специ-

альности «инженер путей сообще-

ния». С 2020 года по настоящее время

работает в компании ООО «Метро-

вагонмаш-Сервис», в настоящее вре-

мя является начальником отдела по

обслуживанию подвижного состава,

а также аспирантом по специально-

сти «техника и технологии наземного

транспорта» в Российском универси-

тете транспорта (РУТ МИИТ).

Kuznetsov Grigory.

Graduate of the Russian University

of Transport (RUT MIIT) with a degree

in Railway Engineering. From 2020

to the present, he has been working

at Metrovagonmash-Service LLC,

currently he is the head of the rolling

stock maintenance department, as well

as a graduate student in the specialty

"equipment and technology of land

transport" at the Russian University of

Transport (RUT MIIT).

Рис. 4. Функциональная схема подключения тяговых накопителей энергии

Рис. 5. Функциональная схема распределения потоков энергии

в режиме автономного хода

Рис. 6. Функциональная схема распределения потоков энергии

в режиме заряда накопителя энергии

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

  

    

  

// AN ALTERNATIVE CONTROL ALGORITHM FOR THE POWER CONVERTER

OF AN AC ELECTRIC LOCOMOTIVE IN EMERGENCY MODES //

 ..,



 

 ,

. 

 ..,



 

 ,

. 

 ..,



 

 ,

. 

 ..,



 

 ,

. 

В статье рассмотрены харак-

терные особенности протекания

электромагнитных процессов при

потере управления плечами вы-

прямительно-инверторных пре-

образователей, применяемых в

электровозах переменного тока с

коллекторными двигателями. Пред-

ложен альтернативный алгоритм

управления преобразователем на

первой и второй зонах регулирова-

ния напряжения. Проведено матема-

тическое моделирование электро-

магнитных переходных процессов в

цепи двигателей электровоза. Вы-

полнен анализ моделирования для

нормального и аварийных режимов

работы преобразователя.

Ключевые слова: электровоз

переменного тока, выпрямитель-

но-инверторный преобразователь,

обрыв плеча, альтернативный ал-

горитм управления, система управ-

ления

The article considers the

characteristic features of the ow of

electromagnetic processes in the event

of loss of control of reversible converter`s

arms used in AC electric locomotives

with collector motors. An alternative

algorithm for controlling the converter

in the rst and second voltage regulation

zones is proposed. Mathematical

modeling of electromagnetic transient

processes in the circuit of electric

locomotive engines has been carried

out. The analysis of modeling for normal

and emergency modes of operation of

the converter is carried out.

Keywords: AC electric locomotive,

reversible converter, arm break,

alternative control algorithm, control

system/

На отечественных железных

дорогах переменного тока боль-

шую часть локомотивного парка

составляют электровозы с силовы-

ми выпрямительно-инверторными

преобразователями (ВИП) для осу-

ществления плавного регулирова-

ния напряжения на тяговых коллек-

торных двигателях (рис. 1).

Учитывая то, что ВИП является

одним из наиболее важных электри-

ческих узлов электровоза, откло-

нение режима его работы от нор-

мального негативно сказывается на

работе локомотива в целом. Одним

из возможных ненормальных ре-

жимов является нарушение работы

штатного алгоритма управления

преобразователем, в частности, не-

отпирание одного из тиристорных

плеч ВИП [1, 2]. Причинами этого

может стать обрыв в силовой части

плеча в месте присоединения его к

шинам выпрямленного напряжения

либо неисправность в цепях управ-

ления.

В основу работы ВИП положен

принцип зонно-фазового регулиро-

вания напряжения на тяговых двига-

телях [3]. При этом для обеспечения

зонного регулирования задейству-

ются различные секции (а1-1, 1-2,

2-х1) вторичной обмотки трансфор-

матора электровоза. Учитывая, что

соотношение номинальных напря-

жений этих секций составляют 1:1:2,

с их помощью формируются четыре

зоны регулирования выпрямлен-

ного напряжения . Вторая зона ре-

гулирования образована секцией

1-2, третья – секцией 2-х1, четвер-

тая – секциями 1-2 и 2-х1. Для обе-

спечения зонного регулирования в

очередной полупериод напряжения

сети на тиристоры, образующие со-

ответствующую зону, подаются им-

пульсы управления с фазами и .

Для реализации фазового регулиро-

вания, на тиристоры, не задейство-

ванные при формировании зонного

регулирования, в зависимости от

режима, подаются импульсы управ-

ления с фазой αр. За счет этого дей-

ствующее значение напряжения на

выводах ВИП, изменяется плавно.

В качестве примера на рис. 2

представлена временная диаграмма

выпрямленного напряжения ud при

работе электровоза на IV зоне регу-

лирования в режиме тяги. На других

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

зонах регулирования кривые вы-

прямленного напряжения выглядят

аналогично.

Так как первичное напряжение

тяговой сети имеет форму, близкую

к синусоидальной, выпрямленное

напряжение ud будет содержать

участки синусоид положительной

полярности.

В случае нарушения управления

плечом ВИП в соответствии с типо-

вым алгоритмом управления, возни-

кает спад уровня напряжения, веду-

щий к ухудшению тяговых свойств

электропривода [4]. Поэтому, при

возникновении подобной ситуации,

прежде всего, необходимо обеспе-

чить работоспособность электро-

воза с максимально возможным

сохранением его энергетических

параметров, соответствующих нор-

мальному доаварийному режиму.

Существующие способы контро-

ля исправности ВИП, повышения

его надежности и эффективности

не затрагивают вопрос продолже-

ния непрерывного функционирова-

ния электровоза в условиях потери

управления тиристорным плечом

[5-8].

Определяя принципы формиро-

вания альтернативного управления,

необходимо учитывать, что мощ-

ность, передаваемая двигателям,

определяется, прежде всего, дей-

ствующим значением выпрямлен-

ного напряжения. Для сохранения

энергоотдачи, следует так скоррек-

тировать подачу управляющих им-

пульсов на тиристоры преобразова-

теля, чтобы действующее значение

напряжения при отказе плеча, оста-

валось неизменным. Для различных

зон добиться равенства действую-

щих значений можно несколькими

способами. На рис. 3 абстрактно

представлена кривая выпрямленно-

го напряжения, полупериоды кото-

рой обладают одинаковым действу-

ющим значением напряжения.

За счет перехода с типового

алгоритма управления на альтер-

Рис. 1. Упрощенная электрическая схема ВИП электровоза

Рис. 2. Диаграмма выпрямленного напряжения при работе ВИП в режиме тяги

на IV зоне регулирования

Рис. 3. Возможные варианты регулирования для сохранения действующего значения выпрямленного напряжения

a) переход на полную зону регулирования αр = αр.cor1 = α0 + γ;

б) подстройка угла регулирования αр = αр.cor2;

в) переход на более высокую зону регулирования с подстройкой αр = αр.cor3;

г) использование для регулирования только импульсов αр = αр.cor4 «глубокое регулирование»

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

нативный, содержащий один из

представленных выше вариантов,

можно осуществить сохранение тя-

говых свойств электровоза в случае

неотпирания плеча. Для этого при

формировании сигналов требуется

подстройка моментов отпирания ти-

ристоров таким образом, чтобы ми-

нимизировать скачки напряжения и

провалы тока в цепи двигателей.

Из-за конструктивных особенно-

стей ВИП выполнить альтернативное

управление с сохранением формы

кривой тока двигателей физически

невозможно. Более того, с увеличе-

нием номера зоны, гибкость и вари-

ативность в альтернативном управ-

лении снижается. К примеру, потеря

управления одним из опорных тири-

сторных плеч на IV зоне регулиро-

вания (VS7 или VS8) не может быть

скомпенсирована. В таких случаях,

основной задачей сохранения ра-

ботоспособности будет максималь-

но оперативный переход на ту зону

регулирования, где поврежденное

плечо не задействовано. Такой под-

ход позволит сохранить контроли-

руемое управление приводом, пусть

и с меньшей энергоотдачей.

При разработке резервного ал-

горитма в первую очередь следует

уделить внимание тиристорным

плечам преобразователя, образу-

ющим первую и вторую зоны регу-

лирования напряжения, поскольку

именно они задействованы при тро-

гании состава с места и при разгоне.

Альтернативный алгоритм на более

высоких (III и IV) зонах регулирова-

ния осуществляется аналогично. Од-

нако, в отличие от первой и второй

зон, не все случаи потери управле-

ния тиристорами возможно ком-

пенсировать без изменения номера

зоны или с сохранением в полном

объеме энергетических показателей

локомотива.

Для выявления оптимального

принципа резервирования штатно-

го алгоритма была разработана ма-

тематическая модель, позволяющая

проводить исследование электро-

магнитных процессов, протекающих

в преобразователе электровоза, как

в исправном состоянии, так и при

обрывах плеч ВИП.

После определения аналитиче-

ских выражений было проведено

моделирование процессов, проте-

кающих в ВИП электровоза в раз-

личных аварийных режимах. В каче-

стве средства для моделирования

использовался программный ком-

плекс компьютерной алгебры Maple.

В результате моделирования были

получены аналитические зависимо-

сти выпрямленного напряжения и

тока от времени при различных ус-

ловиях работы.

Проведенные исследования

помогли сформулировать альтер-

нативный алгоритм управления на

первой и второй зонах регулирова-

ния при обрыве одного из тиристор-

ных плеч. Предлагаемый алгоритм

представлен в таблице 1.

В ходе моделирования было вы-

явлено, что обрыв того или иного

плеча можно однозначно опреде-

лить по форме напряжения Это

дает возможность при правильном

выявлении поврежденного плеча

использовать предложенный аль-

тернативный алгоритм управления.

Также было определено, что при

потере управления плечом, на кото-

рый подаются импульсы управления

с фазой α03 (например, VS3 или VS4

на второй зоне регулирования), сни-

жение тока двигателей имеет прямо

пропорциональную зависимость

от величины угла отпирания плеча,

участвующего в фазовом регулиро-

вании (VS1 или VS2). На рис. 4 пред-

ставлены диаграммы напряжения и

тока в цепи двигателей электровоза,

полученных по итогам моделирова-

ния. Диаграммы приведены для слу-

чаев пропуска полупериода плечом

VS3 (в другом полупериоде напря-

жения – VS4) для случая со штатным

алгоритмом управления (рис. 4, а)

и альтернативным (рис. 4, б), когда

момент отпирания плеча VS1 (VS2)

Таблица 1. Альтернативный алгоритм управления плечами ВИП для первой и второй зон регулирования

напряжения, в зависимости от номера отказавшего плеча

Зона

регулирования Полупериод Распределение импульсов управления по плечам ВИП

VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 VS7 VS8

(отказ VS3

или VS4)

←αр.cor α0, αр.cor

→αр.cor α0, αр.cor

(отказ VS5

или VS6)

←α0α0, αр

→αрα0, αр

(отказ VS5

или VS6)

←αр.cor α0, αр.cor

→αр.cor α0, αр.cor

(отказ VS3)

←αр.cor α0

→αрα03 α0

(отказ VS4)

←αрα03 α0

→αр.cor

(отказ VS1

или VS2)

←α0, αр.cor

→αр.cor α0, αр.cor

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

адаптивно подобран. В случае, изо-

браженном на рис. 4, а, наблюдается

постепенное снижение уровня тока,

и, после неотпирания VS3, энерго-

отдача значительно уменьшается.

На рис. 4, б происходит постепен-

ное восстановление общего уровня

выпрямленного тока до величины,

при которой отдаваемая энергия

за период сохраняется на уровне,

соответствующем предаварийному

режиму работы.

При возникновении отказа пле-

ча, на который при штатном управ-

лении подаются импульсы с фазой

(например, VS1 или VS2 на второй

зоне регулирования), величина угла

отпирания обратно пропорциональ-

на значению выпрямленного тока.

На рис. 5 представлены диаграммы

токов и напряжений ВИП для слу-

чая, когда потеря управления VS1

или VS2 не компенсируется штатным

алгоритмом (рис.5, а), и для случая,

когда по факту выявления повреж-

дения управление преобразовате-

лем адаптируется под изменивши-

еся условия эксплуатации (рис.5, б).

В этом случае адаптация может быть

осуществлена только путем смены

опорных плеч (VS5 или VS6) с пере-

ходом на плечи VS7 или VS8 в зависи-

мости от полупериода сетевого на-

пряжения. Фазовое регулирование

внутри зоны будет осуществляться

плечами VS3 или VS4.

Такой алгоритм приведет к уве-

личению пульсации тока двигателей.

Однако, учитывая необходимость

сохранения тяговых характеристик

привода, данный режим временно

использовать возможно.

Наиболее тяжелым случаем для

тягового электропривода является

пропуск полупериода напряжения

одним из плеч, на которые при штат-

ном управлении подаются импульсы

с фазой α0, в частности, на второй

зоне – VS5 или VS6. Предположим,

что в предыдущий полупериод на-

пряжения (положительная поляр-

ность напряжения для этого момен-

та обозначена на рис. 1 пунктирной

линией) ток протекал через тиристо-

ры плеч VS1 и VS6. Тогда, после смены

полупериода сетевого напряжения,

в работе остаются секции вторичной

обмотки трансформатора а1-1 и 1-2.

При пропуске полупериода плечом

VS5 и подаче импульсов управления

на тиристоры плеча VS4 происходит

сетевая коммутация, и плечо VS6

запирается. В дальнейшем, несмо-

тря на то, что напряжение на выво-

дах обмотки а1-1 отрицательно, ток

будет протекать через VS1 и VS4 за

счет энергии, накопленной в магнит-

ном поле индуктивности цепи дви-

гателей. После подачи управляющих

импульсов с фазой αр на тиристоры

плеча VS2, ВИП закорачивается че-

рез плечи VS1 и VS2, что соответству-

ет нулевому значению напряжения

на рис. 6. Таким образом, при про-

пуске плечом VS5 или VS6 своего по-

лупериода, возникает существенное

снижение величины выпрямленно-

го тока.

Рис. 4. Диаграммы энергетических процессов при типовом (а)

и альтернативном (б) алгоритме управления в случае пропуска

полупериода плечом VS3

Рис. 5. Диаграммы энергетических процессов при типовом (а)

и альтернативном (б) алгоритме управления в случае пропуска

полупериода плечом VS1

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ № 4–5 (2022)

Исключить описанное выше яв-

ление для классической компонов-

ки ВИП невозможно. Однако, сво-

евременная адаптация управления

позволит компенсировать резкое

снижение тока. На рис. 6 видно,

что при фиксации отказа одного из

опорных плеч и смены алгоритма

со штатного на альтернативный про-

исходит постепенное (за несколько

периодов напряжения) восстанов-

ление уровня тока до режима, пред-

шествующего аварийному.

В подобной ситуации (рис. 6), ког-

да уровень тока снизился значитель-

но, целесообразно задействовать

нелинейную адаптацию управления.

Тогда, в течении нескольких пери-

одов после выявления нарушения

штатного управления, угол отпира-

ния при альтернативном управле-

нии принудительно уменьшается,

тем самым создаются условия для

ускоренного восстановления необ-

ходимого уровня тока.

Представленные результаты

адаптации управления во всех рас-

смотренных случаях свидетельству-

ют о возможности их практического

применения с целью сохранения

движения поезда по участку элек-

трифицированной железной до-

роги. Результаты математического

моделирования показали, что вы-

прямленный ток, в условиях аль-

тернативного управления, обладает

большим коэффициентом пульса-

ции. Однако, учитывая временный

характер процесса и необходимость

поддержания работоспособности

электровоза в целом, это является

приемлемым. Предлагаемые техни-

ческие решения не предусматрива-

ют изменения конструктивной и схе-

мотехнической части выпрямителя

и задействуют исключительно алго-

ритмические принципы управления

ВИП. Таким образом, реализация

данных решений в составе микро-

процессорной системы управления

и диагностики электровоза позво-

лит без существенных затрат повы-

сить стабильность движения.

Так как для каждого из рассмо-

тренных отказов альтернативное

управление уникально, то функцио-

нирование предложенного алгорит-

ма управления возможно только в

совокупности с системой определе-

ния поврежденного плеча в режиме

реального времени [9]. Их совмест-

ная работа позволит снизить вли-

яние аварийных режимов работы

ВИП и избежать снижения скорост-

ных характеристик движения.



1. Бузмакова Л.В. Причинно-след-

ственные связи дефектов и призна-

ков их проявления в выпрямитель-

но-инверторных преобразователях

электровозов переменного тока. /

Л.В. Бузмакова – Транспорт Урала. –

2008. – № 2 (17). – С. 42-46.

2. Increasing The Reliability Of

Reversible Converters Of AC Electric

Locomotives. Vlasevskii S., Buzmakova

L., Blazhnov A. Advances in Intelligent

Systems and Computing. 2020. Т. 1115

AISC. С. 321-328. DOI: 10.1007/978-3-

030-37916-2_31.

3. Грузовые электровозы пере-

менного тока: Справочник / 3. М.

Дубровский, В. И. Попов, Б. А. Тушка-

нов.— М.: Транспорт, 1991. — 471 с.

4. A Method Of Diagnosing

Reversible Converters Of Alternating

Current Electric Locomotives.

Buzmakova L.V., Vlas’evskii S.V.,

Ovseichik S.Z. Russian Electrical

Engineering. 2016. Т. 87. № 2. С. 80-83.

DOI: 10.3103/S1068371216020036.

5. Бузмакова Л.В. Стационарная

система послеремонтной диагно-

стики выпрямительно-инверторных

преобразователей электровозов

переменного тока в условиях имита-

ции рабочих воздействий Бузмакова

Л.В., Власьевский С.В., Овсейчик С.З.

/ Электроника и электрооборудова-

ние транспорта. – 2011. – № 2-3. – С.

27-31.

6. Блажнов А.И. Этапы развития

диагностики электронных преоб-

разователей магистральных отече-

ственных электровозов перемен-

ного тока и ее перспективы / А.И.

Блажнов – Транспорт Азиатско-Тихо-

океанского региона. 2019. № 1 (18).

С. 28-32.

7. Устинов Р.И. Способ повыше-

ния работоспособности выпрями-

тельно-инверторных преобразо-

вателей электровоза переменного

тока в режиме рекуперативного тор-

можения / Р.И. Устинов – Известия

высших учебных заведений. Элек-

тромеханика. 2020. Т. 63. № 1. С. 49-

54. DOI:10.17213/0136-3360-2020-1-

49-54.

8. Скорик В.Г. Математическое

моделирование электромагнитных

процессов для автоматизированной

системы диагностики силовых пре-

образователей электровозов пере-

менного тока. / Скорик В.Г., Буняева

Е.В., Усенко Е.В. – Мехатроника, авто-

матика и робототехника. – 2017. – №

1.- С. 135-139.

9. Власьевский С.В. Система

определения повреждений в си-

ловом преобразователе электро-

воза переменного тока в режиме

тяги / С.В. Власьевский, В.Г. Скорик,

Д.А. Супрун, Е.В. Буняева, А.И. Блаж-

нов // Ученые записки Комсомоль-

ского-на-Амуре государственно-

го технического университета.

– 2020. – № 5 (45). – С. 71-77. DOI:

10.17084/20764359_2020_45_71.

  

Родился в 1981 году. В 2003 году

окончил Дальневосточный госу-

дарственный университет путей

сообщения по специальности «Ав-

томатическое управление электроэ-

Рис. 6. Диаграммы энергетических процессов при адаптивным управлении

в случае пропуска полупериода плечом VS1

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

№ 4–5 (2022)

нергетическими системами». Канди-

дат технических наук, доцент. В 2009

году защитил диссертацию по теме

«Снижение влияния электровозов

переменного тока с плавным регу-

лированием напряжения на каче-

ство электрической энергии в кон-

тактной сети». Опыт работы – 18 лет.

В настоящее время является заведу-

ющим кафедрой «Электротехника,

электроника и электромеханика»

ДВГУПС. Удостоен благодарностей

Министерства энергетики РФ и Ми-

нистерства транспорта РФ. Автор

более 65 научных работ, имеет 2 па-

тента.

Skorik Vitaly Gennadievich

Born in 1981. In 2003 graduated

from the Far Eastern State Transport

University majoring in «Automatic

Control of the Electric Power

Systems». Ph.D. in Engineering

Science, Associate Professor In 2009

defended the dissertation, the subject

is «The reduction of the inuence

of the AC electric locomotives with

modulated voltage regulation to the

quality of the electrical energy in the

the contact system». 18 years work

experience. He is the head of the

«Electrical Engineering, Electronics

and Electromechanics» Department

of the Far Eastern State Transport

University. Awarded with the note of

the acknowledgment of the Ministry

of Energy of the Russian Federation

and the Ministry of Transport of the

Russian Federation. Author of more

than 65 scientic papers, has 2 patents.

  

Родился в 1995 году. В 2018 году

окончил Дальневосточный госу-

дарственный университет путей

сообщения, направление подготов-

ки – «Электроэнергетика и электро-

техника». Опыт работы – 4 года. В

настоящее время является препода-

вателем кафедры «Электротехника,

электроника и электромеханика»

ДВГУПС. Автор 5 научных работ.

Suprun Demian Andreevich

Born in 1995. In 2018 graduated

from the Far Eastern State

Transport University, majoring in

Power «Engineering and Electrical

Engineering». 4 years work experience.

He is the lecturer of the «Electrical

Engineering, Electronics and

Electromechanics» Department of the

Far Eastern State Transport University.

He is the author of the 5 scientic

papers.

  

Родилась в 1983 году. В 2005 году

окончила Дальневосточный госу-

дарственный университет путей со-

общения по специальности «Элек-

троснабжение железных дорог».

Кандидат технических наук. В 2008

году защитила диссертацию по теме

«Внутрисистемный учет электриче-

ской энергии и контроль ее качества

на электровозах переменного тока».

Опыт работы – 16 лет. В настоящее

время является доцентом кафедры

«Электротехника, электроника и

электромеханика» ДВГУПС. Имеет

благодарственные письма от Мини-

стерства энергетики РФ, ОАО «РЖД»,

Министерства образования и науки

Хабаровского края. Автор 42 науч-

ных работ.

Malysheva Olga Alexandrovna

Born in 1983. In 2005 graduated

from the Far Eastern State Transport

University majoring in Railway Power

Supply. Ph.D. in Engineering Science

In 2008 defended the dissertation,

the subject is «The intra-system

accounting of the electric energy

and the control of its quality on

the AC electric locomotives». 16

years work experience. She is the

associate professor of the «Electrical

Engineering, Electronics and

Electromechanics» Department of the

Far Eastern State Transport University.

She has notes of acknowledgment

from the Ministry of Energy of the

Russian Federation, Russian Railways,

the Ministry of Education and Science

of the Khabarovsk Region. She is the

author of the 42 scientic papers.

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 4–5 (2022)

   

   

// THE USE OF ONBOARD ENERGY STORAGE DEVICES

IN URBAN RAIL TRANSPORT //

 .., ...,

 

  

  I,

. -

 .., ...,

-



-

,

. -

 ..,

 

  

  I,

. -

Современная электротехни-

ческая база позволяет все больше

отказываться от использования

не возобновляемого топлива и пе-

реходить на электрический транс-

порт. Проблемой, возникающей при

эксплуатации электрического под-

вижного состава, является неавто-

номность некоторого вида обще-

ственного транспорта.

В данной работе предлагаются

результаты по внедрению и испы-

танию на городском транспорте

накопителя электрической энергии,

состоящего из конденсаторных мо-

дулей.

В результате подключения в си-

ловую цепь трамвая накопителя

электрической энергии установле-

но его положительное влияние на

работу привода. Удалось добиться

снижения среднего потребляемого

тока, существенно снизился расход

электроэнергии на тягу.

Ключевые слова: накопитель

электрической энергии, электриче-

ский подвижной состав, городской

электротранспорт, тяговый элек-

тропривод, расход электроэнергии.

The modern electrical base makes

it possible to increasingly abandon the

use of solid fuels and switch to electric

transport. The problem that arises

during the operation of electric rolling

stock is its non-autonomy.

In this paper, we propose the results

of the introduction and testing of an

electric energy storage device consisting

of capacitor modules in urban transport.

As a result of connecting one of the

tram trolleys of the accumulator to the

power circuit, its positive eect on the

operation of the drive was established.

It was possible to achieve a reduction

in the average current consumption,

signicantly reduced the consumption

of electricity for traction.

Keywords: electric energy storage,

electric rolling stock, urban electric

transport, traction electric drive,

electricity consumption.

В условиях быстрого роста со-

временных городов требования,

предъявляемые к инфраструктуре,

повышаются. Новые жилые районы

появляются настолько быстро, что

зачастую инфраструктура не успева-

ет за темпами строительства. Среди

обеспечения населения медицин-

скими, дошкольными и школьными

заведениями немаловажную роль

играет и транспортная доступность.

Перемещение большого количе-

ства пассажиров по выделенной,

изолированной от автомобильного

транспорта линии, является наи-

более оптимальным решением для

города. Как нельзя лучше для это-

го подходит городской рельсовый

транспорт. К сожалению, реализа-

ция трамвайного движения связана

с большими затратами на организа-

цию электроснабжения и дорожно-

го (рельсового) полотна. Построе-

ние новой контактной сети в свою

очередь может оказывать дополни-

тельное влияние на городскую энер-

гетическую сеть.

Для того чтобы избежать нега-

тивного влияния новых участков

и упростить их строительство все

большую популярность набирает го-

родской автономный электрический

транспорт, который не зависит

от питания контактной сети

при движении на участках пас-

сажирских маршрутов. Уста-

новка бортовых накопителей

энергии позволяют решать во-

просы питания электрического

транспорта на этапе его произ-

водства, и в итоге потребитель

получает готовый продукт с

минимальными вложениями в

инфраструктуру [1].

В качестве испытания данной

технологии на односекционном

трамвайном вагоне на тяговый при-

вод первой тележки (БСПТ) был

установлен накопитель электриче-

ской энергии (НЭЭ), состоящий из 7

конденсаторных модулей, включен-

ных последовательно, производ-

ства «ТЭЭМП» МЛСК 56-150 (рис. 1).

Каждый модуль рассчитан на номи-

Рис. 1. Внешний вид НЭЭ

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ

№ 4–5 (2022)

нальное напряжение 151 В и имеет

емкость в 56 Ф. Сфера их примене-

ния включает использование для

электробусов, троллейбусов, желез-

нодорожного транспорта, в метро-

политене, а также для компенсации

пиковых нагрузок сети [2].

На данном трамвае установлены

два тяговых привода для каждой

тележки с одинаковыми настрой-

ками, обеспечивающими тяговые

характеристики вагона, что позво-

лило сравнить энергетические по-

казатели тележки с установленным

НЭЭ и без НЭЭ. Для полного исполь-

зования энергии НЭЭ программным

способом был выключен транзистор

VTОТД первого тягового преобра-

зователя (БСПТ) и увеличен порог

включения тормозного транзистора

до 780В [3].

На рисунке 2 представлена схема

подключения НЭЭ к тяговому приво-

ду первой тележки трамвая.

В рамках опыта была соверше-

на пробная поездка от т/п №7 до

конечной станции Рыбацкое и об-

ратно. Движение происходило в

штатном режиме работы трамвая на

линии с остановками на пунктах по-

садки-высадки пассажиров. В ходе

поездки производилась запись ос-

новных энергетических характери-

стик вагона.

На рисунке 3 приведены фраг-

менты графиков изменения на-

пряжений на фильтре тягового

преобразователя, тока и скорости,

полученные при движении. Сплош-

ной линией показаны значения для

тележки с установленным НЭЭ, пун-

ктирной для заводской тележки.

Штрихпунктирная линия показыва-

ет напряжение контактной сети.

Из приведенных графиков видно,

что при разгоне наблюдается значи-

тельное уменьшение потребляемо-

го тока из контактной сети тяговым

приводом, оснащенным НЭЭ. В ре-

жиме торможения рекуперативная

энергия аккумулируется в НЭЭ. Кро-

ме того, использование НЭЭ умень-

шило пульсацию напряжения на

фильтре тягового преобразователя.

Изменение тока НЭЭ показано на

рисунке 4. Из рисунка следует, что

максимальный потребляемый ток от

НЭЭ составил 215А, максимальный

ток заряда НЭЭ – 191А, среднее зна-

чение потребляемого тока от НЭЭ –

Рис. 2. Подключение НЭЭ к тяговому приводу первой тележки

Рис. 3. Графики изменения напряжений, тока и скорости (фрагмент)

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 4–5 (2022)

14А, среднее значение тока заряда

НЭЭ от контактной сети – 5А.

Дополнительно была проверена

возможность движения трамвайно-

го вагона без питания от контактной

сети в режиме «автономного хода»

при работе только одной тележки.

Графики изменения напряжений,

скорости и пройденного пути для

данного режима движения при-

ведены на рисунке 5. Трамвай без

ограничения динамических свойств

прошел 957 метров, разрядив НЭЭ с

704В до 29,5В.

Результат определения среднего

потребляемого тока каждой тележ-

ки за один цикл разгона-торможе-

ния показан на рисунке 6. Фрагмент

графика взят для участка движения

с максимальным средним значени-

ем потребляемого тока, который для

первой тележки составил 120 А, а

для второй 137,3А.

Графики изменения входных то-

ков и их среднего значения при дви-

жении для первой (сплошная линия)

и второй (пунктирная линия) теле-

жек приведены на рисунке 7, а для

всего маршрута и рисунке 7, б для

его фрагмента с наибольшим вход-

ным током. Из графиков видно, что

среднее значение потребляемого

тока на тягу первого тягового преоб-

разователя составляет 26А, второго

45А. Таким образом, в варианте с

НЭЭ средний потребляемый ток по-

лучается на 40% меньше.

Также были получены резуль-

таты изменения затрачиваемой

энергии на тягу из контактной сети.

Графики представлены также для

первой (сплошная линия) и второй

(пунктирная линия) тележек при

движении по всему участку (рис.

8, а) и его части (рис. 8, б). Расход

электроэнергии составляет 282,7

Вт∙ч и 387,7 Вт∙ч, с использованием

конденсаторных модулей и без них

соответственно. Полученные ре-

зультаты позволяют сделать вывод

о том, что в варианте с НЭЭ эконо-

мится до 40% энергии.

На рисунке 9 приведены графи-

ки изменения напряжения, токов

и скорости за время движения от

одного остановочного пункта до

другого. Сплошной линией обозна-

Рис. 4. График изменения тока НЭЭ

Рис. 5. Графики изменения напряжений, скорости и пройденного пути

при движении в режиме «автономный ход»

Рис. 6. Среднее значение потребляемого тока каждой тележки за один цикл

разгон-торможение

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ

№ 4–5 (2022)

Рис. 7. Графики изменения входных токов и их среднего значения при движении

Рис. 8. Графики изменения энергии и скорости

чены напряжение на фильтре и ток

контактной сети первой тележки.

Пунктирная линия показывает ток

контактной сети второй тележки.

Штрихпунктирная линия показы-

вает напряжение контактной сети.

Полученные экспериментально дан-

ные позволяют выполнить расчет

величины электрической энергии

НЭЭ, которая используется для раз-

гона трамвая, мДж

max min

НЭЭ НЭЭ

EC −

где СНЭЭ – емкость конденсаторного

накопителя,

Umax, Umin – значения максималь-

ного и минимального напряжений

на фильтре тягового преобразовате-

ля первой тележки.

56 730,5 635,5 0,52

НЭЭ

E−

=⋅=

мДж



1. Доманов, К. И. Исследование

режимов работы системы тягового

электроснабжения в целях установ-

ки накопителя электрической энер-

гии / К. И. Доманов, В. Л. Незевак, А.

П. Шатохин // Известия Транссиба. –

2018. – № 2(34). – С. 65-75.

2. Моделирование бортовых си-

стем хранения энергии для гибрид-

ного тягового привода / О. С. Валин-

ский, Т. С. Титова, В. В. Никитин, А. М.

Евстафьев // Электротехника. – 2020.

– № 10. – С. 14-18.

3. Об автоматической стабили-

зации напряжения контактной сети

электрического подвижного соста-

ва / Т. П. Сацук, В. А. Шаряков, О. Л.

Шарякова [и др.] // Электротехника.

– 2021. – № 4. – С. 36-40.

  .

Родился в 1976 году. В 2000 году

окончил Санкт-Петербургский ин-

ститут машиностроения «ЛМЗ-ВТУЗ»

по специальности «Автоматизация

технологических процессов и про-

изводств». Кандидат технических

наук, доцент. В 2004 году защитил

диссертацию по теме «Интегриро-

вание частотно-управляемых асин-

хронных электроприводов в автома-

тизированные системы машинных

агрегатов». Опыт работы – 20 лет. В

настоящее время работает испол-

нительным директором АО «НПП

«ЭПРО». Имеет 35 научных публика-

ций.

  .

Родилась в 1969 году. В 1993 году

окончила Санкт-Петербургский ин-

ститут машиностроения «ЛМЗ-ВТУЗ»

по специальности «Автоматизация

технологических процессов и про-

изводств». Кандидат технических

наук, доцент. В 2004 году защитила

диссертацию по теме «Синтез алго-

ритмов управления электромехани-

ческими системами вибрационных

установок». Опыт работы – 26 лет. В

настоящее время работает доцен-

том кафедры электроэнергетики и

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 4–5 (2022)

Рис. 9. Графики изменения напряжения, токов и скорости за время движения

электротехники Санкт-Петербург-

ского государственного архитектур-

но-строительного университета.

  .

Родилась в 1975 году. В 1993 году

окончила ПГУПС по специальности

«Водоснабжение, водоотведение,

рациональное использование и

защита водных объектов». Доктор

технических наук, профессор. В

2012 году защитила диссертацию по

теме «Научные основы защиты окру-

жающей среды при ликвидации,

обезвреживании и блокировании

загрязнений железнодорожного

транспорта». Опыт работы – 28 лет.

В настоящее время работает про-

фессором кафедры «Электрическая

тяга» ПГУПС. Имеет более 200 науч-

ных работ.

  .

Родился в 1994 году. В 2016 году

окончил ПГУПС по специальности

«Подвижной состав железных дорог».

Опыт работы – 3 года. В настоящее

время работает ассистентом на кафе-

дре «Электрическая тяга» ПГУПС.

Sharyakov Vladimir.

Was born in 1976. In 2000 he

graduated from the St. Petersburg

Institute of Mechanical Engineering

“LMZ-VTUZ” with a degree in

“Automation of technological

processes and production”. Candidate

of technical sciences, associate

professor. In 2004 he defended his

thesis on the topic “Integration of

frequency-controlled asynchronous

electric drives into automated systems

of machine units”. Work experience is

20 years. At present he is an executive

director of “NPP EPRO” JSC. He has 35

scientic publications.

Sharyakova Olga.

Was born in 1969. In 1993 she

graduated from the St. Petersburg

Institute of Mechanical Engineering

“LMZ-VTUZ” with a degree in

“Automation of technological

processes and production”. Candidate

of technical sciences, associate

professor. In 2004 she defended her

thesis on the topic “Synthesis of control

algorithms for electromechanical

systems of vibration machines”.

Work experience is 26 years. She

works as an associate professor of

the Department of Electric Power

Engineering and Electrical Engineering

of the St. Petersburg State University of

Architecture and Civil Engineering.

Makarova Elena.

Was born in 1975. In 1997 she

graduated from St. Petersburg State

Transport University majoring in “Water

supply, water disposal, sustainable

utilization and protection of water

bodies”. Doctor of engineering science,

professor. In 2012 she defended the

dissertation with topic “Scientic basis

of environmental protection under

decommissioning, detoxication

and blockage of pollution from rail

transport”. He has 28 years of work

experience. At present she works as

professor at the Department of electric

traction of PGUPS. She has more than

200 scientic works.

Markov Kirill.

Was born in 1994. In 2016 he

graduated from the PGUPS with a

degree in “Rolling stock of Railways”.

Work experience is 3 years. At present

he is a works as an assistant at the

Department of electric traction of

PSUPS.

ДИАГНОСТИКА И ИСПЫТАНИЯ

№ 4–5 (2022)

    

 

// APPLICATION OF COMPUTATIONAL METHODS

IN FORECASTING THE HEAT LOAD //

 ..,

--

 ,

. --

В последние годы снижение за-

трат на энергию и выбросы CO2

стали основными факторами в

управлении на производстве. По

этой причине энергетический ры-

нок проявляет все больший интерес

к высокоэффективному управлению

генерацией на ТЭЦ.

Одним из способов уменьшить

негативное воздействие на окружа-

ющую среду без ухудшения произво-

дительности это внедрение систем

управления энергопотреблением:

интеллектуальных устройств, спо-

собных обеспечить оптимизирован-

ный график работы генераторов,

используя в качестве входных данных

прогнозы нагрузки на следующие дни.

Прогнозирование нагрузки на элек-

троэнергию является важной зада-

чей в условиях реструктуризации

энергосистемы для успешной тор-

говли мощностью при обмене энер-

гией и хозяйственной деятельности

В этой работе исследуется при-

менение вычислительных методов,

которые позволяют оценить рас-

ход тепловой энергии, вызванную

температурой окружающей среды.

Где предлагается методика на осно-

ве регрессии для создания численных

моделей, которые фиксируют взаи-

мосвязь между температурой и рас-

ходом тепловой энергии.

Методика успешно проверена

на измерениях, полученных на дей-

ствующей ТЭЦ дальнего востока

— Результаты показывают, что

методика способна предсказать

тепловую реакцию и, следователь-

но, может помочь в прогнозирова-

нии расходов ресурсов.

Ключевые слова: машинное обу-

чение, энергетика, линейная регрес-

сия, алгоритм, модель, электроэ-

нергия.

In recent years, reducing energy costs

and CO2 emissions have become major

factors in production management.

For this reason, the energy market is

showing increasing interest in highly

ecient generation management at

CHP plants.

One way to reduce the

environmental footprint without

sacricing performance is to implement

energy management systems: intelligent

devices that can ensure that generators

run at an optimized time using forecasts

of load for the following days as input.

Forecasting the load on electricity is

an important task in the context of

the restructuring of the power system

for successful power trading in energy

exchange and business activities.

This paper explores the application

of computational methods that

allow predicting the consumption

of thermal energy, based on the

ambient temperature. A regression-

based technique is proposed to create

numerical models that capture the

relationship between temperature and

heat energy consumption.

The methodology has been

successfully tested on measurements

taken at an operating CHPP in the

Far East – The results show that the

methodology is able to predict the

consumption of thermal energy and,

therefore, can help in predicting the

consumption of resources.

Keywords: machine learning, energy,

linear regression, algorithm, model,

electricity.

Отрасли энергетики ищут ин-

струменты для прогнозирования

нагрузки, чтобы можно было долж-

ным образом поддерживать баланс

между нагрузкой и генерацией. Про-

гнозирование нагрузки тепловой

мощности необходимо для подбора

оптимальных параметров оборудо-

вания на ТЭЦ и котельных. Точные

системы прогнозирования обеспе-

чивают лучшее понимание динами-

ки существующих энергосистем [1].

Прогнозирование нагрузки по

тепловой мощности важно для эф-

фективного обслуживания энер-

госистемы, например, для распре-

деления мощности в сети. Оценка

тепловой мощности является крити-

чески важной предпосылкой для оп-

тимального распределения мощно-

стей на ТЭЦ. Предприятие могло бы

выбрать более экономичную схему

использования энергии. Это помо-

гает энергосистеме снизить себе-

стоимость производства тепловой

энергии и оптимально использовать

ресурсы.

В этой работе были выбраны па-

раметры, которые лучше всего по-

дошли для предсказания тепловой

нагрузки Дальневосточной ТЭЦ, из

тех, что собираются системой теле-

механике, рассмотрен способ под-

готовки и проверки данных, а также

выбран алгоритм регрессии.

 

Исследовательский анализ дан-

ных обеспечит систематический

подход к извлечению информации

или обобщению важнейших харак-

теристик данных. Он включает в

себя множество методов, которые

мы должны выполнить, прежде чем

применять данные к моделирова-

ДИАГНОСТИКА И ИСПЫТАНИЯ

№ 4–5 (2022)

нию машинного обучения. Данные,

которые мы собираем из разных

источников, являются необработан-

ными. Если мы будем использовать

такую информацию для моделиро-

вания, наша модель машинного обу-

чения покажет высокую неточность.

Итак, нам нужно очистить данные,

прежде чем применять данные для

моделирования машинного обуче-

ния.

Сильнее всего негативное влия-

ние на результаты машинного обу-

чения оказывают выбросы. Выброс

– это часть данных, которая аномаль-

но удалена от других точек. Другими

словами, это данные, лежащие за

пределами других значений в набо-

ре данных. Таким образом, создание

модели машинного обучения без

обработки выбросов делает модель

предвзятой. Удалив или заменив зна-

чение выброса, мы можем стереть

выбросы из данных. Однако не ре-

комендуется удалять какую–либо ин-

формацию из метода данных.

Существует много методов, кото-

рые мы можем использовать, чтобы

найти выбросы в наборе данных.

Тем не менее, наиболее популярны-

ми методами выявления выбросов

являются коробочная диаграмма.

Ниже приведена схема визуализа-

ции коробчатой диаграммы на при-

мере собранных системой телемеха-

ники данных дальневосточной ТЭЦ

за отопительный период, а именно

температуры окружающей среды с

шагом 10 минут.

Блочная диаграмма обеспечива-

ет визуализацию сводной статистики

для выборочных данных и содержит

следующие функции. Наблюдения

за пределами длины усов отмече-

ны как выбросы. По умолчанию вы-

брос – это значение, которое более

чем в 1,5 раза превышает межквар-

тильный диапазон от нижней или

верхней границы поля. Однако вы

можете настроить это значение при

помощи дополнительных входных

аргументов. Выброс отображается

как знак «+».

Мы можем удалить выбросы не-

посредственно из набора данных.

Но удаление – неправильный способ

борьбы с ними. Мы можем потерять

важную информацию. Для темпера-

туры окружающей среды хорошо

подойдет алгоритм линейной интер-

поляция т.к. она изменяется доста-

точно медленно за небольшие про-

межутки времени.

Линейная интерполяция – это

простейшая форма интерполяции,

которая соединяет две точки данных

прямой линией. Линейная интерпо-

ляция также является Ньютоновской

формой полинома первого порядка.

Следовательно, отсутствующие зна-

чения можно напрямую предсказать

с помощью уравнения линейной ин-

терполяции.

Результат замены выбросов на

интерполированные значения мож-

но посмотреть на рисунке ниже.

 

Существует три основных типа

машинного обучения. Первый – об-

учение с учителем, при таком обу-

чении компьютер учится на разме-

ченных обучающих данных. Вторая

форма обучения – это обучение без

учителя: обучение без учителя – это

когда данные не помечены, а обуче-

ние с подкреплением – это когда мо-

дель учится сама по себе.

Модели регрессии и модели

классификации – это два типа алго-

ритмов машинного обучения с учи-

телем. Если входные переменные

непрерывны, категоричны и дис-

кретны, а выходная переменная не-

прерывна или дискретна, то модель

будет формироваться на основе за-

дачи регрессии [3-4].

В задаче регрессии значения

коэффициента корреляции ис-

пользуются для масштабирования

признаков. После этого мы можем

разделить данные на наборы для об-

учения и тестирования. Если мы не

разделим данные, то будет шанс, что

разработанная модель будет необъ-

ективной. После этого мы применя-

ем подходящий алгоритм машинно-

го обучения. После того, как модель

обучена, мы можем прогнозировать

записи на одних и тех же данных. В

конце посчитаем точность модели.

Допустим нас устраивает точность,

то без перенастройки модели. В

этом случае мы развернем модель

для нового прогноза.

Выбор функций машинного обу-

чения направлен на поиск наилуч-

шего набора функций для создания

эффективной модели на основе

собранных данных. Редко все пере-

менные или функции в наборе дан-

ных полезны при создании модели

машинного обучения в реальной

Рис. 1. Блочная диаграмма до обработки выбросов Рис. 2. Блочная диаграмма, после обработки выбросов

ДИАГНОСТИКА И ИСПЫТАНИЯ

№ 4–5 (2022)

жизни. Добавление ненужных пере-

менных снижает потенциал модели,

а также может снизить ее общую

точность. Добавление в модель все

большего количества переменных

или атрибутов часто увеличивает

общую сложность модели.

Во–первых, мы смотрим на тип

данных функции для прогнозиро-

вания. Мы применяем стандартные

правила или методы для извлечения

оптимальных признаков в зависи-

мости от типа данных. Чтобы оце-

нить взаимосвязь между признака-

ми числового типа, мы используем

коэффициент корреляции и строим

регрессионную модель. Мы обраба-

тываем категориальные или число-

вые дискретные данные и выбираем

оптимальные признаки, используя

алгоритм анализа основных компо-

нентов, дерево решений и алгоритм

случайного леса, чтобы выбрать оп-

тимальные признаки задач класси-

фикации.

Глядя на значение коэффици-

ента корреляции, мы также можем

определить взаимосвязь между

переменными [2]. Сила линейной

связи между двумя непрерывными

переменными рассчитывается с по-

мощью корреляционного анализа.

∑

−

−−

)()(

))((

yxx

yyxx

, (1)

где r – коэффициент корреляции; xi

– значения переменной x в выборке;

– среднее значение переменной x; yi

– значения переменной y в выборке;

y – среднее значение переменной y.

Значение коэффициента корре-

ляции лежит в пределах от –1 до +1.

Отрицательная корреляция будет

представлена как –1, а положитель-

ная корреляция будет представлена

как +1. Предположим, что значение

коэффициента корреляции больше

0,85. В этом случае мы говорим, что

существует хорошая связь между

переменными. Предположим, что

значение коэффициента корреля-

ции меньше 0,85. В этом случае мы

делаем вывод, что это плохие отно-

шения. Если значение коэффици-

ента корреляции равно 0, то между

двумя переменными нет связи.

Если значение коэффициента

корреляции больше 0,85 и, если эти

переменные являются входными,

в таком наборе данных возникает

проблема коллинеарности. Если у

нас есть проблема коллинеарно-

сти между двумя переменными, мы

обычно пренебрегаем одной менее

значимой переменной. Лучше всего

для предсказания температуры по-

дошли такие параметры как темпе-

ратура окружающей среды и месяц.

Были опробованы несколько

различных алгоритмов регрессии.

Причем стоит отметить, что во вре-

мя обучения лучше всего себя пока-

зала регрессия Гауссовского процес-

са, но на практике она проигрывала

линейной.

Результат обучения модели на

данных отопительного периода кон-

ца 2019 и начала 2020 года можно

увидеть на рисунке ниже.

Сравним результат предсказания

с реальным графиком производства

тепловой энергии за отопительный

период конца 2020 и начала 2021

года.



Аналитические результаты пока-

зывают, что предложенная модель

регрессии предсказывает нагрузку

тепловой мощности с хорошей точ-

ностью.

Методика прогнозирования

нагрузки с использованием ре-

грессионных моделей может быть

применена к другим областям иссле-

дования энергосистем, эффективная

торговля на энергетическом рынке,

регулирование энергосистемы и так

далее. Эту работу по прогнозиро-

ванию нагрузки можно расширить,

принимая во внимание последова-

тельные сети, а также будние и вы-

ходные дни.



1. Фархадзаде Э.М. Повышение

надежности и экономичности ко-

тельных установок блочных элек-

тростанций Методические вопросы

исследования надежности больших

систем энергетики // Минск: БНТУ,

2015. Вып. 66: Актуальные проблемы

надежности систем энергетики: ма-

териалы Международного семинара

имени Ю.Н. Руденко. C. 404–410.

2. Минимизация риска ошибоч-

ного решения при оценке значи-

мости статистических связей тех-

нико-экономических показателей

объектов электроэнергетических

систем / Э. М. Фархадзаде, Мурада-

лиев А. З., Фарзалиев Ю. З., Рафиева

Рис. 4.Сравнение предсказания с реальным значением

расхода тепла на ТЭЦ

Рис. 3. Результат обучения модели

ДИАГНОСТИКА И ИСПЫТАНИЯ

№ 4–5 (2022)

Т. К., Абдуллаева С. А. // Энергетика.

Известия высших учебных заведе-

ний и энергетических объединений

СНГ. 2018. №3

3. Носков С.И. Технология моде-

лирования объектов с нестабиль-

ным функционированием и неопре-

деленностью в данных // Иркутск:

Облинформпечать. 1996.

4. Базилевский М.П. Синтез мо-

дели парной линейной регрессии и

простейшей EIV-модели // Модели-

рование, оптимизация и информа-

ционные технологии. 2019;7(1):170-

182.

 

.

Родился в 1991 году. Окончил

Комсомольский-на-Амуре государ-

ственный университет по специ-

альности (КнАГУ) «Электроника и

нанотехника». В настоящее время

работает инженером отдела инфор-

мационных технологий и связи Ком-

сомольской ТЭЦ-2, является аспи-

рантом КнАГУ, тема исследования

– «Разработка микрокомпьютерной

системы обнаружения несанкци-

онированного проникновения на

объект». Автор 4 научных статей и 1

патента.

Vasiliev Alexander.

Was born in 1991. Graduated

from the Komsomolsk-on-Amur State

University with a degree in Electronics

and Nanotechnology (KnAGU).

Currently, he works as an engineer

of the information technology

and communication department

of Komsomolskaya CHPP-2, is a

postgraduate student of KnASU, the

research topic is «Development of a

microcomputer system for detecting

unauthorized entry into an object».

Author of 4 scientic articles and 1

patent.

ДИАГНОСТИКА И ИСПЫТАНИЯ

№ 4–5 (2022)

-   

  

// STRUCTURALPARAMETRIC SYNTHESIS OF THE CONTROL SYSTEM

OF THE ELECTRICAL COMPLEX OF THE LIFTING MECHANISM //

 .., ...,

 

 ,

. 

 ..,

 

 ,

. 

Выполнен структурный синтез

системы управления асинхронным

двигателем с фазным ротором

входящего в состав электротехни-

ческого комплекса (ЭТК) грузоподъ-

емного механизма. Определены

основные элементы системы управ-

ления. Разработана компьютерная

модель позволяющая оценить пере-

ходные процессы. Выполнен расчет

корректирующих звеньев системы

подчинённого регулирования (ре-

гуляторов скорости и момента)

обеспечивающих требуемые харак-

теристики. При решении постав-

ленных задач применяются методы

компьютерного моделирования, ре-

ализованные в среде динамического

моделирования SimInTech, теория

автоматического управления и

теория электропривода. Предло-

женная структура двухканального

управления АДФР обеспечивает без-

ударный переход от номинальной

частоты вращения в режим удержа-

ния, тем самым обеспечивает вы-

полнение требования минимизации

рывков грузоподъемного механизма.

Ключевые слова: асинхронный

двигатель с фазным ротором, гру-

зоподъемный механизм, режим удер-

жания, подчинённое регулирование,

модель АДФР, дифференциальный

сельсин, двойное питание.

The structural synthesis of an

induction motor with a wound rotor

control system of the lifting mechanism

included in the electrotechnical complex

(ETC) is carried out. The main elements

of the control system are dened. A

computer model has been developed to

evaluate transients. The calculation of

the corrective links of the subordinate

control system (speed and torque

regulators) providing the required

characteristics is performed. When

solving the tasks, computer modeling

methods implemented in the SimInTech

dynamic modeling environment, the

theory of automatic control and the

theory of electric drive are used. The

proposed structure of the two-channel

WRIM control provides a shock-free

transition from the nominal speed to the

holding mode, thereby ensuring that the

requirements for minimizing jerks of the

lifting mechanism are met.

Keywords: wound rotor induction

motor, lifting mechanism, holding

mode, subordinate regulation, WRIM

model, dierential selsyns, dual power

supply.

По условиям работы электро-

привода ГПМ должен быть регу-

лируемым с ограничением рывка

(ускорения) груза [1]. Эти условия

в большинстве случаев обеспечи-

ваются многоскоростностью (пере-

ключение секций сопротивлений в

роторной цепи) или существенным

снижением скорости вертикального

перемещения. Это приводит к сни-

жению производительности работы

такого электропривода.

Электроприводы ГПМ в боль-

шинстве случаев, с момента их

производства оборудованы асин-

хронными двигателями с фазным

ротором и имеют устаревшие систе-

мы управления.

Предлагаемая схема управления

АДФР (рис. 1) содержит два преоб-

разователя, в цепи ротора и статора

и позволяет обеспечить указанные

условия работы ГПМ. Схемы преоб-

разователя рассматривалась в рабо-

те [2]. Основное преимущество схе-

мы заключается в создании режима

удержания. Он обеспечивает безу-

дарную остановку и пуск электро-

привода в отличии от применения

электромеханического тормоза.

где UУS, UУR – напряжения управле-

ния по цепям статора и ротора,

WПР.S, WПР.R – передаточные

функции преобразователей в цепях

статора и ротора,

Рис. 1. Структурная схема реверсивного АДФР

ДИАГНОСТИКА И ИСПЫТАНИЯ

№ 4–5 (2022)

WЭS, WЭR – передаточные функ-

ции электромеханических звеньев в

цепях статора и ротора,

WМ – передаточная функция ме-

ханической части двигателя,

.sin

удер ЭС

M Ws p



= ⋅⋅ 



– момент

удержания,

WЭС – передаточная функция

электромеханического формирова-

ния момента,

s – скольжение.

Передаточные функции звеньев:

()

ЭS

K Tp

Wp Tp

≈+

( ) ( )

ЭR

K Tp

Wp Tp

≈+

где

TTT

= +

( )

ТР M

Wp KTp

≈=

где

Из структурный схемы (рис. 1)

видно, что момент удержания про-

порционален квадрату скольжения.

Поэтому при Мудер. = 0, и при ω = ωс.

Эксперимент, проведенный на АДФР,

показал, что нагрузка (и момент удер-

жания) влияют на ток статора или ро-

тора в зависимости от знака.

В работе [3] получена структурная

схема АДФР при управлении по цепи

ротора. Считаем, что для реверса

двигателя используется аналогич-

ный преобразователь в цепи статора.

Кроме того, необходимо учесть влия-

ние момента удержания. В результате

этого структурная схема реверсивно-

го электропривода на основе АДФР

примет вид (рис. 2), где

WS , РМR – регуляторы момента в

цепях статора и ротора,

WS – регулятор скорости,

КОС.МS , КОС.МR – коэффициенты

обратных связей по моменту (вы-

прямленному току) статора и ротора,

КОСC – коэффициент обратной

связи по скорости.

  

 

В настоящее время большинство

регулируемых общепромышленных

электроприводов строятся по струк-

туре подчиненного регулирования

[4-6]. Предлагаемый электропривод

ГПМ можно построить по этой схеме

(рис .2).

Однако наличие существенно

различных режимов (регулирова-

ние скорости и удержание) требуют

использования дополнительных уз-

лов для обеспечения требуемых ре-

жимов работы.

В режиме удержания и равны

номинальному значению, при этом

угловая частота двигателя равна

нулю. Принимаем что . При таких

допущения структурная схема (рис.

2) упрощается и принимает вид

Без учета регуляторов момен-

та статора передаточная функция

()

() ()

удер

Mудер

будет иметь

вид

( ) ( )

( 1)

() ( 1)

111

( 1)

1 1 ( 1)

удер

Mудер

удер

Mудер S S

MMудер S S

K Tp

T p p Tp

Wp K Tp

T p p Tp

K K K Tp

T p pTp K K K Tp

⋅⋅ ⋅

= =

+ ⋅⋅ ⋅

=+ ++ +

Характеристическое уравнение

имеет вид

( ) ( )

1 1 ( 1) 0

MMудер S S

T p pTp K K K Tp

+ ++ +=

( ) ( )

1 1 ( 1) 0

MMудер S S

T p pTp K K K Tp

+ ++ +=

и после

упрощения получаем

2110

MKT

Σ+⋅

++ +=

, где

.Mудер S

K KK K=

Из полученного можно опреде-

лить коэффициент демпфирования

()

T TK

+⋅

(1)

Для устранения колебаний необ-

ходимо соблюдение условия ξ ≤ 1 .

Анализ выражения (1) показыва-

ет что одним из возможных путей

снижения коэффициента демпфиро-

вания ξ является снижение

, этого

можно достичь увеличение KPM.S. В

статическом режиме (p = 0) с учетом

WPM.S = KPM.S ,

SПР РМ S

KKK K

′=+

Основным требованием к си-

стеме управления ГПМ являются:

минимизация рывков (ускорения) и

достижение максимальной произ-

водительности. Первое требование

может быть реализовано за счет до-

стижения апериодичности процесса

и обеспечения режима удержания

при выключении электромагнитно-

го тормоза. Второе требование обе-

спечивается расширением диапазо-

на регулирования. Для достижения

апериодичности переходного про-

цесса можно выбрать желаемую

передаточную функцию контуров

Рис. 2. Структурная схема реверсивного

электропривода на основе АДФР

Рис. 3. Структурная схема электропривода в режиме удержания

ДИАГНОСТИКА И ИСПЫТАНИЯ

№ 4–5 (2022)

момента статора и ротора следующего

вида

( )

2 0.5 1

Рж м

WТ p Тp

µµ

(2)

при этом показатель колебательности

ξ = 1, Tμ – малая постоянная времени.

Найдена передаточная функция ре-

гулятора момента исходя из выраже-

ния (2)

( )

РМ

ПР ПР Э ОСМ Э

Wp T K KK pTp

(3)

Она может быть реализованы ПИ

регулятором с апериодическим филь-

тром.

Аналогично была выполнена на-

стройка контура скорости

( ) ( )

М ОСМ

РC

ПР ОСС М

Tp K

Wp TK Kp

(4)

Она реализуется на основе ПИ регу-

лятора.

На рис. 4 приведены результаты ком-

пьютерного моделирования электро-

привода ГПМ с полученными настрой-

ками подтверждающие апериодичность

процессов в среде SimInTech [7].

Механические характеристики

АДФР при пуске и изменении скорости

на 5% приведены на рис. 5.

Проведя компьютерное моделиро-

вание электротехнического комплекса

ГПМ получены графики переходных

процессов скорости перемещения

груза и его ускорение (рис. 6). Первый

и второй графики (рис. 6) соответвет-

свуют режиму наложения электромаг-

нитного тормоза в момент времени 3с

в нерегулируемом ЭП, третий и четвер-

тый графики соответствуют переходу в

режим удержания и последующим на-

ложением тормоза.

В результате проведенных иссле-

дований можно сделать следующие

выводы:

– предлагаемая схема на основе

АДФР обеспечивает регулирование,

реверс и режим удержания;

– выполнен расчет регуляторов ко-

ординат, обеспечивающий апериоди-

ческий переходный процесс;

– использование режима удержа-

ния позволяет снизить значение рывка

в 49 раз.



1. Елисеев В.А., Шинянский А.В.

Справочник по автоматизированному

электроприводу. М.: Энергоатомиздат,

1983. – 616 с.

Рис. 4. График переходных процессов при приращении частоты вращения на 5%

Рис. 5. Механические характеристики при пуске и изменении частоты враще-

ния

Рис. 6. Скорость и ускорение груза в случае включения тормоза не регулиру-

емого ЭП (1 и 2 график) и в ЭП с реализацией режима удержания (3 и 4 график)

привода

ДИАГНОСТИКА И ИСПЫТАНИЯ

№ 4–5 (2022)

2. Исследование работы асин-

хронного двигателя по упрощен-

ной схеме двойного питания. До-

манов В.И., Доманов А.В., Мурзаков

Д.Г. // Периодический научно-тех-

нический журнал «Электроника и

электрооборудование транспорта»

(«ЭЭТ»). 2018. №2. С. 35-37.

3. Математическая модель

асинхронного двигателя с фазным

ротором в системе координат d-q.

Доманов В.И., Мурзаков Д.Г., Халиул-

лов Д.С. // Вопросы электротехноло-

гии. 2021. №3.

4. Шенфельд Р., Хабигер Э.

Автоматизированные электропри-

воды. Ленинград: Энергоатомиздат,

1985г. – 464с.

5. Фролов Ю.М., Шелякин В.П.

Регулируемый асинхронный элек-

тропривод: Учебное пособие / Ю.М.

Фролов, В.П. Шелякин. – СПб.: Лань,

2018. – 464 c.

6. Москаленко, В.В. Системы ав-

томатизированного управления элек-

тропривода / В.В. Москаленко. – Во-

логда: Инфра-Инженерия, 2016. – 208

7. Хабаров, С. П. Основы моде-

лирования технических систем. Сре-

да Simintech: учебное пособие / С. П.

Хабаров, М. Л. Шилкина. – Санкт-Пе-

тербург: Лань, 2019. – 120 с.

  

Родился в 1950 году. Окончил в

1972 году Ульяновский политехни-

ческий институт по специальности

«Авиаприборостроение». В 1980

году защитил кандидатскую диссер-

тацию по теме «Методика расчета

и исследования следящих систем с

устройствами упреждающей кор-

рекции для токарных станков с ЧПУ».

Кандидат технических наук, доцент,

заведующий кафедрой «Электро-

привод и автоматизация промыш-

ленных установок» энергетического

факультета УлГТУ. Имеет 154 науч-

ных труда, автор 16 изобретений.

  

Родился в 1992 году. Окончил в

2014 году Ульяновский государствен-

ный технический университет по

специальности «Электропривод и ав-

томатика промышленных установок

и ТК». Аспирант кафедры «Электро-

привод и автоматизация промыш-

ленных установок» энергетического

факультета УлГТУ. Имеет публикации

в области электромеханики.

Domanov Viktor

Was born in 1950. In 1972

he graduated from Ulyanovsk

Polytechnic Institute specializing in

«Aircraft instrumentation». In 1980

has protected Ph. D. thesis by the

theme «The method of calculation

and research tracking systems with

pre-emptive corrective devices for

lathes numerically controlled». Ph.

D., docent, Head of Department

«Electric drives and automation of

industrial installations» in Ulyanovsk

State Technical University. He has 154

scientic publications, author of 15

inventions.

Murzakov Dmitrij

Was born in 1992. In 2014 he

graduated from Ulyanovsk State

Technical University specializing in

« Electric drives and automation of

industrial installations ». Postgraduate

of the of Department «Electric

drives and automation of industrial

installations» in Ulyanovsk State

Technical University. He has published

articles in the eld of electrical

engineering.