№ 2 2017

Содержание

Периодический рецензируемый

научно-технический журнал

«Электроника и электрообору-

Электроснабжение и электрооборудование

дование транспорта» является

коллективным членом Академии

электротехнических наук РФ.

Исмагилов Ф.Р., Вавилов В.Е., Тарасов Н.Г.

Перспективный магнитоэлектрический генератор

Учредитель и издатель - Научно-

для системы электроснабжения летательного аппарата

производственное предприятие

с повышенным постоянным напряжением 270 В.

«Томилинский электронный

завод».

Коняхин С.Ф., Коняхин В.С.

Автотрансформаторно-выпрямительные устройства

Журнал включен в перечень

в системах электроснабжения летательных аппаратов.

изданий, рекомендованных

Равномерные топологические структуры.

ВАК для апробации кандидат-

ских и докторских диссертаций.

Спиридонов Е.А., Басаргина Г.С.

Имитационная модель для оценки эффективности

Свидетельство

рекуперативного торможения в условиях

о регистрации СМИ

городского электрического транспорта.

ПИ №ФС 77-29963

от 17 октября 2007 г.

Мехатронные системы, исполнительные устройства

Главный редактор:

А.Г. Бабак, к.т.н.

Гельвер Ф.А.

Редакционный совет:

Способ торможения и реверса многодвигательной гребной

М.П. Бадёр, д.т.н., профессор,

электрической установки с тремя гребными винтами .

Л.А. Герман, д.т.н., профессор,

В.Н. Дианов, д.т.н., профессор,

Гридин В.М.

Ю.М. Иньков, д.т.н., профессор,

Характеристики моментных бесконтактных двигателей

К.Л. Ковалёв, д.т.н., профессор,

постоянного тока с симметричной

А.С. Космодамианский, д.т.н.,

и несимметричной обмотками.

профессор,

А.С. Мазнёв, д.т.н., профессор,

Г.Г. Рябцев, д.т.н., профессор,

Электронные компоненты, датчики

В.И. Сарбаев, д.т.н., профессор,

В.Е. Ютт, д.т.н., профессор.

Сурайкин А.И., Суменков А.Н.

Выпускающий редактор:

Электрофизические параметры GaAs-диодных p-i-n-структур.

Н.А. Климчук.

Попов Ю.В., Фомин А.Г.

Редакция:

Датчики бортовых устройств регистрации.

140070, Московская область,

Люберецкий район, п. Томилино,

Проблемы качества и надежности,

ул. Гаршина, д. 11.

сертификация, стандартизация

Тел./факс: (495) 500-40-20,

(495) 557-21-92

E-mail: npptez@mail.ru

Денисов И.В., Смирнов А.А.

Сайт: www.npptez.ru

Исследование надежности датчика скорости автомобиля

Lada Kalina в гарантийный период эксплуатации.

Подписано в печать:

22.03.2017 г.

Электромагнитная совместимость

Отпечатано:

ГУП МО «Коломенская типография».

140400, г. Коломна,

Аполлонский С.М., Горский А.Н., Никитин В.В.

ул. III Интернационала, д. 2а.

Проблемы электромагнитной безопасности

E-mail: bab40@yandex.ru

в современных электроэнергетических системах

железнодорожного транспорта.

Формат 60х90/8,

бумага мелованная, объем 7 п.л.,

тираж 1000 экз., заказ 271

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

Перспективный магнитоэлектрический

генератор для системы электроснабжения

летательного аппарата с повышенным

постоянным напряжением 270 В

// Promising magneto generator for the power supply system of the aircraft

with a high constant voltage of 270 V //

Исмагилов Ф.Р., д.т.н., профессор,

Целью данной работы являются раз-

Вавилов В.Е., к.т.н., Тарасов Н. Г.,

работка и подтверждение преимуще-

УГАТУ, г. Уфа

ства системы электроснабжения, состо-

ящей из магнитоэлектрического генера-

В статье представлена концепция

The paper presents the current system

тора и блока выпрямителя.

перспективной системы генерирова-

of power generation of the aircraft. The

На сегодняшний день одними из

ния электроэнергии для летательных

concept of advanced systems of power

самых распространенных типов источ-

аппаратов, обладающей повышенной

generation for aircraft with high reliability

ников генерирования электроэнергии,

надежностью и минимальными массо-

and minimal size / weight parameters.

применяемых в летательных аппаратах,

габаритными показателями. Разрабо-

Developed and tested magnetoelectric

являются бесконтактные синхронные

тан и испытан магнитоэлектрический

intelligent generator for advanced systems

интеллектуальный генератор для

of power generation.

трехкаскадные генераторы с вращаю-

перспективной системы генерирования

Keywords: system of power generation

щимися выпрямителями [6]. Их достоин-

электроэнергии.

aircraft, intellectual generator.

ство заключается в том, что мощность на

Ключевые слова: система генерирова-

возбуждение возбудителя основного ге-

ния электроэнергии летательного ап-

нератора поступает не из сети, а отбира-

парата, интеллектуальный генератор.

ется от авиадвигателя посредством си-

стемы редукторов, обеспечивающих ста-

На сегодняшний день система элек-

тока. С развитием сетей электроснабже-

бильную частоту вращения генератора,

трооборудования летательного аппа-

ния ЛА при увеличении мощности по-

через электромеханическое преобразо-

рата (ЛА) является одной из основных

требителей перспективным становится

вание в подвозбудителе. Данные генера-

систем. Она состоит из системы элек-

обширное применение сетей с повы-

торы используются совместно с блоками

троснабжения и различных групп по-

шенным напряжением переменного

регулирования защиты и управления.

требителей. Концепция современного

тока 400/230 В и сетей с повышенным на-

При этом подвозбудитель использует-

электрического самолета подразуме-

пряжением постоянного тока 270 В. Это

ся в качестве источника питания цепей

вает использование электромеханиче-

позволит снизить потери в самих сетях.

регулирования, защиты и управления

ских приводов для управления ЛА, что,

Значительную часть электроэнергии

системами электроснабжения. Такие

в свою очередь, полностью зависит от

переменного тока потребляют приводы

генераторы широко применяются на

системы электроснабжения. При уве-

насосов, необходимых для управления

многих отечественных и зарубежных

личении групп потребителей требует-

гидравлическими приводами. При за-

ЛА. Так, трехкаскадный генератор мощ-

ся увеличение мощности основного

мене данных гидравлических приводов

ностью 16 кВА с принудительным ох-

источника электроснабжения, а это

на сервоприводы, потребляющие посто-

лаждением и частотой вращения ротора

увеличит общую массу летательного

янный ток 270 В, значительно сократит-

8000 об/мин имеет массу 16 кг, а с непо-

аппарата. Следовательно, важной за-

ся сеть переменного тока, что позволит

средственным жидкостным охлаждени-

дачей является создание современной

уменьшить общую массу электрической

ем и частотой вращения 12 000 об/мин

системы электроснабжения ЛА, способ-

сети ЛА

[1-5]. Системы электроснаб-

при повышенной интеграции в привод

ной обеспечить необходимым объемом

жения с повышенным напряжением

гидромашины обладает массой 9 кг.

электроэнергии и при этом обладающей

постоянного тока 270 В широко приме-

Один из способов снижения массы

минимальной массой.

няются в структурах систем генериро-

системы электроснабжения - увеличе-

Система генерирования в разных со-

вания электроэнергии на борту таких

ние частоты вращения ротора основно-

четаниях состоит из источника электро-

самолетов, как Boeing 787, F-22 и F-35.

го источника генерирования энергии,

энергии, преобразователя электроэнер-

Для таких систем в качестве основного

позволяющее снизить массу самого ро-

гии, устройств, осуществляющих управ-

источника генерирования электроэнер-

тора за счет уменьшения индуктора ос-

ление, регулирование, защиту источни-

гии используется магнитоэлектриче-

новной рабочей части. Еще один способ

ков и преобразователей, устройств, обе-

ский генератор совместно с блоком вы-

снижения массы - применение магнито-

спечивающих параллельную работу ис-

прямителя. Преимущество таких систем

электрических генераторов в качестве

точников и аппаратов встроенного кон-

заключается в простоте конструкции

основного источника генерирования

троля и диагностики. На борту ЛА име-

и максимальной надежности источника

электроэнергии совместно с бло-

ются сети переменного и постоянного

генерирования электроэнергии.

ком выпрямителя. Применение таких

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

генераторов стало возможным с разви-

отследить колебания

тием технологий и промышленным ос-

ротора в трех пло-

воением магнитов на основе интерме-

скостях и при по-

таллических соединений редкоземель-

вышении вибрации

ных материалов в качестве основного

изменить

частоту

источника возбуждения для электроме-

вращения

ротора

ханического преобразователя энергии.

так, чтобы уменьшить

При использовании данных магнитов

резонансные коле-

в генераторе, аналогичном по выходной

бания, вызывающие

мощности генератору ГТ16ПЧ8Е, в каче-

вибрации. В зависи-

стве основного источника возбуждения

мости от различной

отпадает необходимость использова-

нагрузки на гене-

Рис. 1. Генератор ГТ16ПЧ8Е и БРЗУ115ВО2с

ния подвозбудителя и возбудителя, что

ратор и различной

позволяет значительно снизить массу

частоты вращения на обмотках статора

Для достижения поставленной зада-

генератора. При использовании блока

магнитоэлектрического генератора бу-

чи нами был рассмотрен бесконтактный

выпрямителя стабилизатора совместно

дет протекать различный ток, что может

синхронный генератор с вращающими-

с данным магнитоэлектрическим гене-

привести к перегреву обмоток. Для кон-

ся выпрямителями ГТ16ПЧ8Е с прину-

ратором сеть электроснабжения при

троля температуры на обмотках магнито-

дительным воздушным охлаждением,

такой системе генерирования будет

электрического генератора необходимо

частотой вращения ротора 8000 об/мин

двухпроводной с постоянным напряже-

установить датчики температуры непо-

(рис. 1), который применяется совмест-

нием, что позволит снизить массу сети

средственно в лобовых частях самой

но с БРЗУ115ВО2с.

в два раза. Еще одно из преимуществ ис-

обмотки и в зависимости от температу-

Бесконтактный синхронный гене-

пользования такой системы генериро-

ры регулировать подачу охлаждающего

ратор с вращающимися выпрямителя-

вания - возможность прямого соедине-

воздуха для выдерживания стабильной

ми ГТ16ПЧ8Е состоит из трех рабочих

ния магнитоэлектрического генератора

температуры обмоток. Данные методы

частей. Подвозбудитель генератора

непосредственно с авиадвигателем, без

контроля за вибрациями ротора и тем-

состоит из ротора с постоянными маг-

привода постоянной частоты вращения,

пературой обмоток обеспечивают само-

нитами и статора, общая масса которых

обеспечивающего постоянную частоту

диагностику генератора и позволяют

составляет 1,24 кг. Возбудитель генера-

вращения генератора. При таком под-

увеличить ресурс. Подобную систему ге-

тора представляет собой вращающийся

ключении генератора частота вращения

нерирования электроэнергии с возмож-

трансформатор обращенной конструк-

вала становится нестабильной и, следо-

ностью самодиагностики можно назвать

ции и имеет массу 2,05 кг. Основная ра-

вательно, выходные параметры будут

интеллектуальной, так как она способна

бочая часть генератора представляет

тоже нестабильными. Для получения

в автоматическом режиме обеспечить

собой классическую синхронную маши-

необходимых выходных параметров

необходимые благоприятные условия

ну, имеющую массу 7,5 кг. Общая масса

магнитоэлектрический генератор дол-

для работы всей системы генерирования.

генератора ГТ16ПЧ8Е составляет 16 кг,

жен работать совместно с блоком вы-

прямителя и стабилизатора. Для магни-

Таблица 1. Результаты расчетов основных геометрических размеров

тоэлектрического генератора на 16 кВА

и параметров магнитоэлектрического генератора

блок выпрямителя стабилизатора будет

Расчетные параметры

Ед. изм.

Значение

иметь массу 10 кг. Тогда общая масса си-

стемы генерирования будет составлять

Линейное напряжение холостого хода, U_O

325

20 кг. При этом из системы редукторов

Частота тока фазы холостого хода, f₁

Гц

600

исключается привод постоянной часто-

Напряжение фазы, U_S1

179

ты вращения, обладающий массой 14 кг.

Ток фазы (действующее значение)

30,11

Одним из преимуществ магнитоэлек-

трических генераторов является просто-

Плотность тока в обмотке

А/мм²

10,08

та конструкции, что обеспечивает высо-

Линейная нагрузка

А/м

20709

кий ресурс данных машин. Основными

Тепловой фактор

А²/мм³

20,88

причинами выхода из строя таких гене-

Мощность генератора, S

кВA

16,176

раторов являются разрушения подшип-

Омические потери в меди статора

Вт

227,7

никовых опор из-за механических коле-

баний и вибраций ротора и разрушения

Потери в стали

Вт

200

изоляции обмотки статора из-за ее пере-

Коэффициент мощности, Cosφ

0,92

грева. При использовании генератора

Номинальная частота вращения, n

об/мин

12000

нестабильной частоты вращения важ-

Полный КПД генератора

0,95

ными задачами являются отслеживание

Активное сопротивление и сопротивление рассеяния,

и контроль вибраций, возникающих на

Ом

0,0083/0,14

R_S/X_S

роторе. Для этого необходимо повысить

Кратность размагничивающего тока, К_р

интеллектуальность данного генератора,

Индуктивное сопротивление фазы по осям d-q, X_d/X_q

Ом

0,74/1,1

установить датчики вибрации так, чтобы

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

Рис. 2. Осциллограммы токов в обмотках

Рис. 3. Осциллограмма напряжений в обмотках

магнитоэлектрического генератора

с остаточной индукцией В_r не менее

1,1 Тл и коэрцитивной силой посто-

янного магнита по намагниченности

Hc = 812 кА/м. При расчетe, проведен-

ном в программном комплексе Ansoft

Maxwell, были получены основные вы-

ходные параметры (таблица 1), произ-

ведены расчеты токов (рис. 2) и напря-

жений (рис. 3) в обмотках магнитоэлек-

трического генератора, а также расчет

магнитной цепи (рис. 4).

По результатам электромагнитного

расчета была получена масса основной

рабочей части магнитоэлектрического

генератора

M = M_a+ M_R = 3,795 + 2,067 =

= 5,862 кг.

Из расчетов видно, что масса ос-

новной рабочей части магнитоэлек-

трического генератора меньше массы

Рис. 4. Расчеты магнитной цепи магнитоэлектрического генератора

генератора ГТ16 с принудительным

воздушным охлаждением на 1,7 кг. При

а масса блока регулирования защиты

аналогичный по выходной мощности

удалении из генератора ГТ16 подвозбу-

и управления, применяемого совмест-

генератору ГТ16ПЧ8Е, но при увели-

дителя и возбудителя масса уменьшает-

но с данным генератором, составляет

ченной частоте вращения ротора до

ся на 3,1 кг.

4,5 кг.

12 000 об/мин. В качестве индукто-

По результатам расчетов разработа-

Нами был произведен расчет

ра были выбраны высококоэрцитив-

на конструкция магнитоэлектрическо-

магнитоэлектрического

генератора, ные постоянные магниты Sm₂Co₁₇

го генератора на 16 кВА и изготовлен

Рис. 5. Макетный образец магнитоэлектрического

Рис. 6. Осциллограмма напряжения макетного образца магнитоэлектриче-

генератора ГТ16

ского генератора при холостом ходе

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

испытан при понижен-

электрического генератора совместно

ной частоте вращения

с блоком выпрямителя и системой само-

(2700 об/мин). На рис.

диагностики обладает наилучшими вы-

показана осциллограмма

ходными параметрами и минимальной

напряжения во всех фазах

массой. При данной системе генериро-

макетного образца магни-

вания сеть электроснабжения становит-

тоэлектрического генера-

ся в два раза легче, так как используется

тора при холостом ходе, на

двухпроводная сеть постоянного напря-

рис. 7 - зависимость паде-

жения вместо четырехпроводной сети

ния напряжения от тока.

переменного тока.

Для проверки работо-

Работа выполнена при поддержке

способности системы само-

Совета по грантам при Президенте РФ,

диагностики магнитоэлек-

проект НШ-6858.2016.8.

Рис. 7. Зависимость напряжения от тока макетного

трических генераторов на

образца магнитоэлектрического генератора

данном макетном образце

макетный образец (рис. 5) с индукто-

на лобовые части обмоток по наружно-

Литература

ром, выполненным из высококоэрци-

му диаметру были установлены два дат-

1. Moir I., Seabridge A. Aircraft systems: Me-

тивных постоянных магнитов Sm₂Co₁₇

чика температуры. Для контроля вибра-

chanical, electrical, and avionics subsystems

(рис. 6), с рабочей частотой вращения

ции на роторе датчики вибрации были

integration, Third edition // John Wiley & Sons,

ротора 12 000 об/мин и принудитель-

установлены так, чтобы производить

2008, p. 181-238.

ным охлаждением. Статор макетного

контроль сразу в трех плоскостях - два

2. Rajashekara K., Grieve J., Daggett D. Hybrid

магнитоэлектрического генератора из-

датчика на вал ротора, расположенные

Fuel Cell Power in Aircraft: A feasibility study for

готовлен аналогично статору генерато-

под углом 90 градусов между собой,

onboard power generation using a combination

ра ГТ16ПЧ8Е.

и ещё один датчик на торец ротора,

of solid oxide fuel cells and gas turbines // IEEE

Общая масса данного макетно-

расположенный под углом 90 градусов

Industry Application Magazine, vol. 14, no. 3,

го образца составила 10,1 кг, что по

относительно первых двух датчиков.

2008, p. 54-60.

сравнению с массой генератора ГТ16

Общая масса данной системы самодиаг-

3. Xin Zhao, Guerrero J.M., Xiaohua Wu. Review

с непосредственным охлаждением име-

ностики составила 5 кг.

of aircraft electric power systems and architec-

ет разницу в 1,1 кг. Блок выпрямителя-

Для выявления наилучшего вариан-

tures // Energy Conference (ENERGYCON), 2014

стабилизатора для совместной работы

та системы электроснабжения был про-

IEEE International, p. 949-953.

с магнитоэлектрическим генератором

веден сравнительный анализ, результа-

4. Jones R.I. The More Electric Aircraft: the

обладает массой 10 кг.

ты которого представлены в таблице 2.

past and the future // Electrical Machines and

Данный макетный образец

маг-

Из таблицы 2 видно, что система

Systems for the More Electric Aircraft, 1999,

нитоэлектрического генератора

был электроснабжения на базе магнито

p. 1/1-1/4.

5. Dieter Gerling, Mohammed Alnajjar. Six-Phase

Таблица 2. Основные параметры генераторов

Electrically Excited Synchronous Generator for

Единица

Магнитоэлектриче-

More Electric Aircraft // International Sympo-

Параметры

ГТ16ПЧ8Е

измерения

ский генератор

sium on Power Electronics, Electrical Drives, Au-

Мощность

кВА

16,2

16,176

tomation and Motion, 2016, p. 7-13.

6. Электрооборудование летательных ап-

Частота вращения ротора

об/мин

8000

12 000

паратов: учебник для вузов. В 2 томах. Т. 1.

Напряжение фазы

120

179

Системы электроснабжения летательных ап-

Частота перемагничивания

Гц

400

600

паратов / под ред. С.А. Грузкова. - М.: МЭИ,

Плотность тока в обмотке

А/мм²

14,8

10,08

2005. - 568 с.: ил.

Линейная нагрузка

А/м

30542,8

20709

Исмагилов Флюр Рашитович

Омические потери в меди статора

Вт

441,95

227,7

Родился в 1944 году. Окончил Уфимский ави-

Масса подвозбудителя

кг

1,04

ационный институт по специальности «Элек-

Масса возбудителя

кг

2,05

трические машины и аппараты». Доктор

Масса основной рабочей части

кг

6,697

5,862

технических наук, профессор. В 1988 году за-

Полный КПД

0,92

0,95

щитил диссертацию по теме «Электромехани-

ческие элементы систем управления со слож-

Ресурс генератора

моточасы

6000

10 000

ной геометрией подвижной части». Опыт

Масса генератора

кг

15,8

10,1

работы - более 40 лет. В настоящее время

10 (выпрямитель-

Масса электронного блока

кг

4,5 (БРЗУ)

работает заведующим кафедрой электроме-

стабилизатор)

ханики УГАТУ. Заслуженный работник высшей

Масса привода постоянной частоты

кг

школы РФ, заслуженный изобретатель РБ,

5 (система

Масса дополнительного блока

кг

заслуженный создатель космической техни-

самодиагностики)

ки. Имеет более 300 научных трудов и более

Полная масса

кг

34,3

25,1

150 патентов РФ.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

Вавилов Вячеслав Евгеньевич

в аспирантуре. Имеет 15 научных трудов

Vavilov Vyacheslav

Родился в 1988 году. В 2010 году окончил

и 9 патентов РФ.

Was born in 1988. In 2010 he graduated from

Ufa State Aviation Technical University with de-

Уфимский государственный авиационный

gree in «Electromechanics». He is Candidate of

технический университет по специально-

Ismagilov Flur

Technical Sciences. He has 10 years of work ex-

сти «Электромеханика». Кандидат техниче-

Was born in 1944. He graduated from Ufa State

perience. At present he works as Head teacher

ских наук. Опыт работы - 10 лет. В настоя-

Aviation Technical University with degree in

of Electromechanics department of Ufa State

щее время работает старшим преподава-

«Electrical machines and devices». He is Doc-

Aviation Technical University. He has more than

телем кафедры электромеханики УГАТУ.

tor of Technical sciences, professor. In 1988 he

150 scientific papers and more than 50 patents

Имеет более 150 научных трудов и более

defended a dissertation by the theme «Elec-

of Russian Federation.

50 патентов РФ.

tromechanical control systems with complex

geometry of movable part». He has 40 years of

Tarasov Nikolai

Тарасов Николай Геннадиевич

work experience. At present he works as Head of

Was born in 1994. In 2016 he graduated from

Родился в 1994 году. В 2016 году окончил

electro mechanics department of Ufa State Avi-

Ufa State Aviation Technical University with de-

Уфимский государственный авиационный

ation Technical University. He is Honorary Figure

gree in «Special electomechanical systems». He

технический университет по специально-

of Russian Higher Education, Honored Inventor

has works as engineer of Student construction

сти

«Специальные электромеханические

of the Republic of Belarus, Honored Creator of

department - 3 of Ufa State Aviation Technical

системы». Опыт работы - 3 года. В насто-

Space Systems. He has more than 300 scientific

University and studies at postgraduate school.

ящее время работает инженером СКБ-3

papers and more than 150 patents of Russian

He has 15 scientific papers and 9 patents of

кафедры электромеханики УГАТУ и учится

Federation.

Russian Federation.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

Автотрансформаторно-выпрямительные

устройства в системах электроснабжения

летательных аппаратов.

Равномерные топологические структуры

// Autotransformer rectifier units in aircraft electric power supply systems.

Topological Uniform structures //

Коняхин С.Ф., к.т. н., Коняхин В.С.,

автотрансформатора, выходное девяти-

АО «Аэроэлектромаш», г. Москва

фазное напряжение снимается с узлов

А₁-A₂-А₃, В₁-B₂-В₃ и С₁-C₂-С₃.

В статье рассмотрены основные то-

The basic uniform topological structures of

Надо отметить, что аналитическое

автотранс-

пологические структуры

ATRU with eighteen-pulse rectification are

определение действующих значений

равномер-

форматорных узлов АТВУ с

described. Main calculating proportions for

токов, протекающих через все обмотки

ным восемнадцатипульсным выпрям-

considered topologies are derived and each

и цепи АТВУ и имеющих сложную пре-

лением. Для всех топологий получены

structure’s power-to-size ratios and input

рывистую форму, представляет собой

основные расчетные соотношения,

current THDs are determined.

решаемую, но непростую задачу. Для

определены габаритные мощности

Keywords: ATRU, uniform nine-phase

определения указанных выше токов

и коэффициенты искажения синусои-

conversion, eighteen-pulse rectification,

применено имитационное компью-

дальности потребляемого тока.

topological structures, delta-connection,

терное моделирование, которое пред-

Ключевые слова: АТВУ, равномерное де-

wye-connection, hexagon-connection,

ставляется наиболее рациональным

вятифазное преобразование, восемнад-

T-connection.

методом решения подобных задач. При

цатипульсное выпрямление, топологи-

этом важно, чтобы получаемые на экра-

ческие структуры, треугольник, звезда,

не компьютера изображения не стано-

шестиугольник, Т-схема.

вились самоцелью и, будучи исполь-

Топологические структуры

преобразованием и восемнадцати-

зуемыми в качестве инструмента, не

и методы исследования

пульсным выпрямлением.

замещали бы собой понимание физики

Автотрансформаторно-выпрями-

В электротехнике используется мно-

исследуемых процессов. Именно ре-

тельные устройства

(АТВУ)

- относи-

го вариантов организации АТВУ подоб-

зультаты моделирования использованы

тельно новые в авиационной электро-

ного типа, отличающихся друг от друга

при описании и сравнении рассматри-

энергетике агрегаты - являются систе-

массогабаритными показателями, каче-

ваемых топологий. Аналогичным ме-

мообразующими элементами каналов

ством потребляемого тока, технологич-

тодом пользуются и другие авторы [2].

постоянного тока повышенного на-

ностью, КПД и прочими параметрами,

При исследовании предполагалось, что

пряжения вторичных систем электро-

при этом наиболее общим квалифици-

во всех АТВУ используются идеальные

снабжения современных летательных

рующим признаком представляются то-

трансформаторы (автотрансформаторы)

аппаратов, преимущественно тяжелых

пологии автотрансформаторного узла

и идеальные диоды.

широкофюзеляжных транспортных са-

«Треугольник»,

«Звезда»,

«Шестиуголь-

Обозначать рассматриваемые топо-

молетов и пассажирских лайнеров.

ник», схема Скотта (Т-схема). Ниже бу-

логии по мере их появления в настоя-

АТВУ состоит из автотрансформатор-

дут подробно рассмотрены различные

щей статье будем последовательными

ного узла (АТ), преобразующего вход-

варианты АТВУ, базирующиеся на этих

буквами латинского алфавита.

ную трехфазную систему напряжений

топологических формах.

в многофазную с изменением или без

При анализе будут использоваться

Топология «Треугольник»

изменения уровня фазных напряжений,

топологические диаграммы, аналогич-

На рис. 1 показаны две структуры АТ,

и мостового диодного выпрямительно-

ные диаграммам в работе [1], дающие

имеющие топологию «Треугольник», осу-

го моста с числом входов, равным числу

наглядное представление о строении,

ществляющие преобразование числа

сформированных фаз. Основное назна-

особенностях и свойствах рассматрива-

фаз входного напряжения без изменения

чение АТВУ в бортовой системе электро-

емых устройств. Все АТВУ работают на

его уровня [3]. Мы знаем [1], что выход-

снабжения - создание локальной шины

одинаковую резистивную нагрузку, на-

ное напряжение АТВУ с подобными авто-

постоянного тока с высоким качеством

пример, 10 кВт, и питаются одинаковым

трансформаторами равно V_D9 = 2,773 V,

электроэнергии (низким уровнем пуль-

трехфазным напряжением, в данном

где V - действующее значение входного

саций) при обеспечении требуемого

случае - 115 В. Индексом 0 будем обо-

фазного напряжения, что при напряже-

качества

(коэффициента искажения)

значать фазы входного напряжения (на-

нии в бортовой сети 115 В составляет

потребляемого от первичной сети тока.

пряжения питания), индексами 1, 2 и 3 -

115 . 2,773 = 318,9 В (320 В).

Как показано в работе [1], эти требо-

фазы выходных напряжений. Входное

Топология А

вания успешно реализуются устрой-

трехфазное напряжение

(напряжение

На примере топологии А на рис. 1

ствами с равномерным девятифазным

питания АТВУ) подается в узлы A₀, B₀, C₀

подробно покажем определение

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

Рис. 1. Топологические структуры «Треугольник» с коэффициентом трансформации k = 1

Рис. 2. К определению основных расчетных

соотношений автотрансформаторного

основных расчетных соотношений ав-

и тока каждой i-й обмотки автотранс-

узла топологии А

тотрансформатора.

форматора.

Очевидно, что отношения чисел вит-

При напряжении питания 115 В и ли-

и описываются выведенными выше со-

ков обмоток автотрансформатора и на-

нейной нагрузке суммарной мощностью

отношениями. Габаритная мощность

пряжений на них равны отношениям

10 кВт напряжения и токи в обмотках

автотрансформатора при работе на вы-

длин соответствующих им (обмоткам)

автотрансформатора с топологией А

прямительную нагрузку

отрезков фигуры, изображенной на

составляют V_B0СО = 199,2 . (115 . √3) В,

рис. 2, определяемых с помощью не-

V_B0T = 31 В, V_TQ = 137 В, V_TB3 = 58,3 В,

сложных геометрических построений

B0T = 10,8 А, ITQ = 2,6 А, ITB3 ^{= 9,7 А. Оче-}

и теоремы синусов.

видно, что все токи в таком режиме име-

Соединив точки В₀ и В₃ отрезком

ют синусоидальную форму. Габаритная

Соответственно, относительная га-

прямой линии, определяем углы об-

мощность автотрансформатора равна

баритная мощность p'_А = 0,5165.

разовавшихся треугольников

∆OB₀B₃

По аналогии c относительной габа-

и ∆TB₀B₃. Приняв А₀В0 = 1 и учитывая,

ритной мощностью введем также без-

что B₀B₃ - хорда окружности с центром

размерную величину, характеризующую

в точке O, получаем

токовую загрузку отдельных ветвей АТВУ,

Очевидно, что при любой нагрузке от-

которую будем называть относительным

А₀В₀ = 1;

ношение габаритной мощности АТ к мощ-

током. Относительный ток ветви i' равен

ности нагрузки будет постоянным. Это

отношению действующего значения тока

обстоятельство позволяет ввести безраз-

конкретной ветви i АТВУ к постоянному

мерную величину p, которую можно на-

току нагрузки

I′

звать, например, относительной габарит-

i′=

ной мощностью, равную отношению габа-

ритной мощности к мощности нагрузки

Для топологии А i'_B0T = 0,51, i'_TQ = 0,17,

TB3 = 0,48.

p= Г

PН

Аналогичным образом, введя поня-

и характеризующую конкретную топо-

тие относительного напряжения, можно

логию автотрансформаторного узла.

охарактеризовать и геометрические со-

Для топологии А p_А = 0,3235.

отношения, выведенные выше. Относи-

При работе автотрансформатора на

тельным напряжением на обмотке АТ

мостовой девятифазный выпрямитель

будем считать отношение действующего

токи в его цепях имеют сложную форму,

значения напряжения на ней к напряже-

далекую от синусоиды. Понятно, что при

нию питания АТВУ

той же мощности нагрузки (нагрузки вы-

прямителя) действующие значения этих

Учитывая симметричность структу-

токов будут отличны от токов при рабо-

или, что то же самое, отношение длины

ры, этого вполне достаточно для расчета

те на линейную нагрузку.

отрезка, соответствующего данной об-

всего автотрансформатора.

При напряжении питания

115 В

мотке, к длине отрезка, соединяющего

Обобщающим параметром, позволя-

и нелинейной выпрямительной нагрузке

точки подачи питания.

ющим корректно проводить сравнение

мощностью 10 кВт (V_D9 = 320 В, I_Н = 31 А)

При заданных напряжении питания

различных топологий АТВУ, является

токи в обмотках автотрансформато-

и мощности нагрузки совокупность от-

габаритная мощность автотрансформа-

ра с топологией А равны I'_B0T = 15,7 А,

носительных токов i' и напряжений v_i

торного узла

), где Vi и Ii -

I'_TQ = 5,35 А, I'_TB3 = 14,9 А. Напряжения на

составляет практически исчерпываю-

∑

i i

действующие значения напряжения

обмотках по-прежнему синусоидальны

щую исходную информацию для начала

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

совпадении некоторых геометрических

соотношений структура А легче струк-

туры В, несмотря на то что автотранс-

форматор В имеет коэффициент транс-

формации, равный 1. В данном случае

это обусловлено тем, что по отношению

к топологии А «трансформаторная» [1]

составляющая габаритной мощности АТ

топологии В увеличилась больше, чем

уменьшилась ее «автотрансформатор-

ная» составляющая.

При питании от трехфазной сети

115 В выходное напряжение рассмотрен-

ных выше АТВУ равно 320 В, что явно не

Рис. 3. Формы потребляемого тока и токов в различных цепях АТВУ

соответствует стандартизованному для

с автотрансформаторным узлом топологии А

бортовых систем электроснабжения

проектирования автотрансформаторно-

выше соображения о целесообразности

уровню 270 В [5, 6]. Для формирования

го узла АТВУ.

использования компьютерного модели-

на выходе выпрямителя напряжения

Формы потребляемого тока и токов

рования для анализа подобного рода

ниже «естественного», характеризуемого

в различных цепях АТВУ при идеальном

схем вместо аналитических выкладок.

коэффициентом 2,773, автотрансформа-

автотрансформаторе с током намагни-

В дальнейшем, чтобы не загромож-

тор устройства должен преобразовывать

чивания, равным нулю и не имеющим

дать статью элементарной математикой,

не только число фаз напряжения пита-

паразитных параметров, и идеальных

основные расчетные соотношения для

ния, но и его величину. Для получения

диодах выпрямительного моста пред-

исследуемых топологий будем приво-

постоянного напряжения 270 В при пита-

ставлены на рис. 3. Коэффициент иска-

дить без их вывода.

нии от бортовой сети 115 В напряжение

жения синусоидальности кривой тока

Топология В

на входных выводах выпрямителя долж-

K_I, определяемый как величина, рав-

Приняв А₀В₀ = 1, имеем:

но составлять 98 В [1]. Таким образом,

ная отношению действующего значе-

••

v_А0В0 = 1, v_B0T = 0,293, v_TB3 = 0,156;

автотрансформаторный узел должен

ния суммы гармонических составляю-

••

p_B = 0,34;

иметь коэффициент трансформации

щих к действующему значению основ-

••

i'_A0B0 = 0,174, i'_B0T = 0,484, i'_TB3 = 0,484;

0,852

ной составляющей переменного тока

••

p’_B = 0,5623;

115

[4], для топологии А равен K_IA = 8,8%.

••

K_IB = 8,8%.

На рис. 4 изображены три структу-

Надо отметить, что осциллограммы

Сопоставление параметров то-

ры АТ, имеющие топологию «Треуголь-

на рис. 3 подтверждают приведенные

пологий показывает, что даже при

ник», преобразующие уровень входного

фазного напряжения с коэффициентом

0,852 [3, 7].

Из информации, представленной на

рисунке, видно, что входная трехфазная

и выходная девятифазная системы на-

пряжений сдвинуты относительно друг

друга на некоторый угол, что сказывает-

ся на форме тока, потребляемого АТВУ

из сети. По существу, говорить об угле

сдвига между разнофазными системами

не вполне корректно, но в данном слу-

Рис. 4. Топологические структуры «Треугольник» с коэффициентом трансформации k = 0,852

чае интуитивно вполне понятно, о чем

идет речь. Моделирование электромаг-

нитных процессов в структурах подоб-

ного рода показывает, что входное на-

пряжение синфазно с основной состав-

ляющей потребляемого тока, высшие

гармоники которого, а из них низшими

являются 17-я и 19-я, сдвинуты относи-

тельно него по фазе. Это обусловливает

«разновысокость» плеч тока потребле-

ния, показанную на рис. 5.

Топология C

Приняв А₀В₀ = 1, имеем:

••

v_А0В0 = 1, v_B0B2 = 0,092, v_B2C2 = 0,852,

Рис. 5. Форма потребляемого тока АТВУ с автотрансформаторным узлом топологии С

B2T = 0,133, vTQ = 0,586, vTB3 = 0,25;

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

••

p_С = 0,364;

••

p_F = 0,48;

мощность и другой коэффициент гар-

••

i'_B0B2 = 0,796, i'_B2T = 0,495, i'_TQ = 0,151,

••

i’_B0E = 0,613, i’_QE = 0,419, i’_EB3 = 0,433;

моник потребляемого тока. Действи-

i'_QC2 = 0,45, i'_TB3 = 0,47;

••

p’_F = 0,698;

тельно, поскольку e1f1 + f1B₃ = EB₃, то

••

p’_C = 0,5793;

••

K_IF = 41%.

и V_e1f1 + V_f1B3 = V_EB3. Ток, вытекающий из

••

K_IC = 9,7%.

В спектре потребляемого тока при-

узла B₃, определяется только нагрузкой

Топология D

сутствует

3-я гармоника, амплитуда

и не зависит от топологии автотранс-

Приняв А₀В₀ = 1, имеем:

которой составляет 36% от амплитуды

форматора. Тогда, поскольку обмотки

••

v_А0В0 = 1, v_B0B2 = 0,092, v_B2C2 = 0,852,

основной (1-й) гармоники. В формиро-

We1f1 и Wf1B3 ^{соединены последователь-}

v_B2T = 0,25, v_TB3 = 0,133;

вании каждого из девяти выходных то-

но, I_B3 = I_EB3 = I_f1B3 = I_e1f1. Отсюда, в свою

••

p_D = 0,376;

ков в любой момент времени участвуют

очередь, следует I_e1f1V_e1f1 + I_f1B3V_f1B3

••

i'_B0B2 = 0,796, i'_B2C2 = 0,152, i'_B2T = 0,47,

только две из трех входных фаз.

= I_EB3V_EB3 = I_EB3V_e1f1 + I_EB3V_f1B3 = I_EB3V_EB3.

i’_TB3 = 0,47;

Оценка массогабаритных показа-

Таким образом, «излом» отрезка EB₃

••

p'_D = 0,6267;

телей, характеризуемых габаритной

не влияет на величину той части габарит-

••

K_ID = 9,7%.

мощностью, и параметры качества по-

ной мощности АТ, которая определяется

Топология E

требляемого тока показывают, что, не-

его «трансформаторной» составляющей.

Приняв А₀В₀ = 1, имеем:

смотря на свою простоту, данная струк-

В то же время коэффициент трансфор-

••

v_A0B0 = 1, v_A0Q = 0,196, v_QE = 0,532,

тура имеет явные недостатки. Даже

мации автотрансформаторного узла,

v_EB2 =

0,17, v_B2B0

= 0,1, v_A3Q

= 0,118,

простой трехфазный мостовой выпря-

определяемый местоположением точки

v_B1E = 0,218;

митель, для замещения которого в си-

e на отрезке OB₀, уменьшился, а значит,

••

p_E = 0,232;

стеме электроснабжения летательного

уменьшилась и доля габаритной мощ-

••

i'_A0Q = 0,453, i'_QE = 0,144, i'_EB2 = 0,4,

аппарата предназначены восемнадца-

ности, определяемая

«автотрансфор-

i'_B2B0= 0,616, i'_A3Q = 0,47, i’_B1E = 0,47;

типульсные АТВУ, имеет коэффициент

маторной» составляющей. В структуре

••

p'_E = 0,533;

искажения синусоидальности кривой

с «изломом» все выходные токи фор-

••

K_IE = 9,7%.

тока K_I= 30,4%. По этим причинам при-

мируются с участием всех трех входных

менение структуры с топологией F в ее

фаз, что обусловливает улучшение фор-

Топология «Звезда»

изначальном виде в бортовой электро-

мы потребляемого тока и уменьшение

На рис. 6 показаны три структуры

энергетике маловероятно.

его коэффициента гармоник.

АТ, имеющие равномерную топологию

С помощью ряда трансформаций

Последовательное синхронное пе-

«Звезда» и осуществляющие преобразо-

параметры топологии F могут быть

ремещение точек e и f от центра в точ-

вание только числа фаз входного напря-

существенно улучшены. На рис. 7 изо-

ке E к периферии структуры образует

жения без трансформации его уровня [8,

бражена часть структуры F вокруг уз-

семейство вариаций рассматриваемой

9]. При отсутствии каких-либо специаль-

лов B₁-B₂-B₃-E. Проделаем следующие

топологии, габаритная мощность кото-

ных средств АТВУ с девятифазными звез-

манипуляции. Соединим точки e1 и f1,

рых (и это очевидно) будет уменьшаться

дами и восемнадцатипульсным выпря-

лежащие на отрезках EB₂ и EB₃ на оди-

по мере удаления отрезков e2f2, e3f3, …

мителем работоспособны только при

наковых расстояниях от точки E, прямой

от упомянутого центра. Что касается

условии соединения нейтралей трех-

линией. Образуется равносторонний

коэффициента гармоник, то до опре-

фазного источника питания (бортовой

треугольник ∆e1Ef1, у которого сторона

деленного момента, характеризуемого

сети) и автотрансформаторного узла

e1f1 параллельна отрезку EB₁. Очевид-

равенством отрезков ef и fB₃, он умень-

(точки O на рис. 6). При таком подклю-

но, что Ef1 + f1B₃ = e1f1 + f1B₃ = EB₃.

шается, достигая минимума K_I = 12,1%

чении каждый «луч» звезды питается от

Очевидно, что автотрансформатор-

при относительной габаритной мощно-

своей «персональной» фазы, фактиче-

ный узел, в котором обмотка W_EB3 за-

сти АТ p’ = 0,585, а затем опять начинает

ски представляющей собой отдельный

менена на комбинацию обмоток W_e1f1

увеличиваться.

независимый источник напряжения.

и W_f1B3, точно так же, как и оригинал,

Предельным случаем трансформа-

Топология F

будет выполнять заложенную в него

ции топологии F с помощью описанного

Приняв OA₀ = 1, имеем:

функцию - преобразование числа фаз

выше приема является конфигурация

••

v_B0O = 1, v_B0E = 0,605, v_QE = 0,395,

из трех в девять, при этом новая конфи-

обмоток, получаемая при достижении

v_EB3= 0,7422;

гурация будет иметь другую габаритную

точкой е узла B₀ (B₂), а точкой f - узла F.

Рис. 6. Топологические структуры «Звезда» с коэффициентом трансформации k = 1

Рис. 7. Варианты трансформации

топологии F

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

Рис. 8. Варианты организации топологии G:

а) симметричная, б) несимметричная

Рис. 9. Топологические структуры «Звезда» с коэффициентом трансформации k = 0,852

Коэффициент трансформации АТ с такой

«Треугольник», в данных конфигурациях

Топология «Шестиугольник»

структурой равен единице, а «автотранс-

входная трехфазная и выходная девяти-

На рис. 10 показаны две структуры

форматорная» составляющая его габа-

фазная системы напряжений синфазны.

АТ, имеющие топологию «Шестиуголь-

ритной мощности минимальна. На рис. 6

Топология I

ник», осуществляющие преобразование

эта топология обозначена индексом G.

Приняв OA₀ = 1, имеем:

числа фаз входного напряжения без из-

Топология G

••

v_OB0 = 1, v_B2O = 0,852, v_B0B2 = 0,148,

менения его уровня [10, 11].

Приняв OA₀ = 1, имеем:

= 0,5155, v_EO = 0,3365, v_EB3 = 0,6324;

Топология L

B2E

••

v_B0O = 1, v_B0F = 0,605, v_FB3 = 0,137;

••

p_I = 0,48;

Топологию L в какой-то степени

••

p_G = 0,33;

••

i’_B0B2 = 0,854, i’_B2E = 0,538, i’_EO = 0,39,

можно считать результатом трансфор-

••

i’_OB0 = 0,3, i’_B0F = 0,436, i’_FB3 = 0,436;

i’

= 0,473;

мации топологии А, в которой линия TQ

EB3

••

p’_G = 0,54;

••

p’_I = 0,72;

перенесена параллельно себе до совпа-

••

K_IG = 17%.

••

K_II = 41%.

дения с узлами В₃ и С₁.

Топология G может быть выполне-

Топология J

Приняв B₀C₀ = 1, имеем:

на несколькими способами, отличаю-

Приняв OA₀ = 1, имеем:

••

vB0T = 0,156, vTB3 = 0,293, vB3C1 = 0,349;

щимися конфигурацией соединения

••

v_OB0 = 1, v_B2O = 0,852, v_B2E = 0,117,

••

p_L = 0,32;

обмоток автотрансформатора, но име-

= 0,03, v_EB3 = 0,6324;

••

i’_B0T = 0,866, i’_TB3 = 0,866, i’_B3C1 = 0,554;

EB0

ющими идентичные электромагнитные

••

pJ = 0,29;

••

p’_L = 0,93;

параметры (рис. 8а). Если это продик-

••

i'_B0E

= 0,82, i'_B2E = 0,5, i’_B2O = 0,31,

••

KIL = 10%.

товано теми или иными конструктор-

i’

Топология М

EB3 = 0,473;

скими или технологическими сообра-

••

p'_J = 0,6;

Аналогичным образом, путем па-

жениями, все эти способы могут быть

••

K_IJ = 27,7%.

раллельного переноса линии В₀Т до со-

реализованы в одном АТВУ одновре-

Топология K

впадения с линией В₃С₁ и линии ТВ₃ до

менно (рис. 8б).

••

Приняв OA₀ = 1, имеем:

совпадения с узлом В₀ топология L пре-

Если трансформацию структуры,

••

v_OB0 = 1, v_B2O = 0,852, v_B0B2 = 0,148,

образуется в топологию М, представля-

изображенной на рис. 7, продолжить

ющую собой выпуклый шестиугольник.

B2F = 0,516, vFB3 = 0,117;

до совпадения точки f c узлом B₃, то при

••

p_K = 0,33;

Приняв B₀C₀ = 1, имеем:

сохранении правила Ee = Ef точка e,

••

i'_B2O = 0,25, i'_B0B2 = 0,8, i'_B2F = 0,47,

••

vB0T = 0,293, vTB3 = 0,156, vB3C1 = 0,349;

оставаясь на оси OB₀, выйдет за преде-

••

p_L = 0,32;

FB3 = 0,47;

лы окружности, на которой лежат узлы

••

p'_K = 0,594;

••

i’_B0T = 0,866, i’_TB3 = 0,866, i’_B3C1 = 0,554;

А₁-А₃, В₁-В₃ и С₁-С₃. Получившаяся

••

K_IK = 17%.

••

p’_М = 0,93;

совокупность обмоток образует новую

••

K_IМ = 10%.

топологию, обозначенную на рис. 6 ин-

дексом H.

Топология H

Приняв OA₀ = 1, имеем:

••

v_OB0 = 1, v_B0E = 0,137, v_EB3 = 0,742;

••

p_H = 0,36;

••

i’_OB0 = 0,33, i’_B0E = 0,61, i’_EB3 = 0,436;

••

p’_H = 0,63;

••

K_IH = 27,7%.

На рис. 9 изображены три структуры

АТ, имеющие топологию «Звезда», мо-

дифицированные для преобразования

уровня входного фазного напряжения

с коэффициентом 0,852. В отличие от

осуществляющих аналогичное пре-

Рис. 10. Топологические структуры «Шестиугольник»

образование структур с топологией

с коэффициентом трансформации k = 1

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

Являясь в какой-то степени произ-

Т-схема

Несмотря на демонстрируемые

водными от топологии «Треугольник»,

На рис. 11 изображена топологиче-

Т-схемой неплохие массогабаритные по-

шестиугольные структуры обладают

ская структура, обеспечивающая непо-

казатели и достаточно высокое качество

всеми свойствами «треугольника»: ре-

средственное равномерное девятифаз-

потребляемого тока, ее использование

акция на третью гармонику, достаточно

ное преобразование, образованная дву-

для построения девятифазного авто-

слабое искажение потребляемого АТВУ

мя однофазными автотрансформатора-

трансформаторного узла с функцией пре-

тока и др. В то же время, имея очевидно

ми, соединенными по схеме Скотта [13].

образования напряжения с коэффици-

более весомую «трансформаторную» со-

ентом 0,852 вряд ли целесообразно. Это

ставляющую, «шестиугольники» харак-

связано, во-первых, с наличием в такой

теризуются, как это видно по значениям

структуре большего по сравнению с ори-

их относительных мощностей, крайне

гиналом числа обмоток и, во-вторых,

низкими в сравнении с другими тополо-

с присутствием среди них существенной

гиями массогабаритными показателями,

доли коротких (маловитковых) обмоток.

что делает нецелесообразным их при-

Поскольку обмотки могут иметь только

менение в бортовой электроэнергетике.

целое число витков, их физическая ре-

По этой причине шестиугольные топо-

ализация (прежде всего это относится

логии, позволяющие осуществлять, по-

к коротким обмоткам), учитывающая

мимо преобразования числа фаз, также

непростые численные соотношения меж-

и трансформацию входного напряжения

ду ними (а именно соблюдение правиль-

для получения на выходе АТВУ постоян-

ного соотношения чисел витков обеспе-

ного напряжения 270 В, рассматривать-

чивает правильность образуемой девяти-

ся не будут.

фазной системы напряжений), представ-

Рис. 11. Т-топология на базе схемы Скотта

Из информации, представленной на

ляет собой почти неразрешимую задачу.

с коэффициентом трансформации k = 1

рис. 10, видно, что автотрансформатор-

По этой причине Т-схема АТВУ с транс-

ные узлы, имеющие конфигурацию «Ше-

Топология N

формацией напряжения до VD = 270 В

стиугольник», не имеют так называемых

Приняв А₀C₀ = 1, имеем:

в данной работе не рассматривается.

висячих катушек, подключенных к основ-

••

v_C0G = 0,686, v_FC0 = 0,3, v_EF = 0,198,

ному массиву обмоток только одним кон-

= 0,37, v_BE

= 0,866, v_B0D

= 0,135,

Выводы

B1D

цом, наличие которых характерно для

В настоящей статье рассмотрены раз-

C1G = 0,39, vFC3 = 0,254;

всех иных рассмотренных выше тополо-

••

p_N = 0,364;

личные топологические структуры авто-

гий. Некоторые исследователи данную

••

i’_C0G = 0,475, i’_FC0 = 0,545, i’_EF = 0,27,

трансформаторных узлов, осуществля-

особенность считают несомненным до-

vi’_B1D

= 0,31, i’_DE

= 0,27, vi’_B0D

= 0,72,

ющих регулярное равномерное девя-

стоинством, связывая это с повышением

i’

тифазное преобразование входного на-

C1G = 0,475, i’FC3 = 0,475;

технологичности изготовления АТ [12],

••

p’_N = 0,562;

пряжения с трансформацией и без транс-

но это не представляется очевидным.

••

K_IN = 10%.

формации его уровня, и определены их

Таблица 1. Основные параметры топологических структур автотрансформаторных узлов

с равномерным девятифазным преобразованием

Коэффициент искажения

Коэффициент

Топологическая

Относительная габаритная

синусоидальности

трансформации

преобразования

структура

мощность, p’

потребляемого тока, K_I, %

напряжения, k

напряжения, K_V

0,5165

8,8

2,773

0,5623

8,8

2,773

0,5793

9,7

0,852

2,34

0,6267

9,7

0,852

2,34

0,533

9,7

0,852

2,34

0,698

2,773

0,54

2,773

0,63

27,7

2,773

0,72

0,852

2,34

0,6

27,7

0,852

2,34

0,594

0,852

2,34

0,93

2,773

0,93

2,773

0,562

2,773

Примечания

1. Коэффициент трансформации k - отношение действующих значений выходного и входного фазных напряжений автотрансформаторного узла.

2. Коэффициент преобразования напряжения K_V - отношение выходного напряжения V_D АТВУ к действующему значению входного фазного напряжения V.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

основные потребительские параметры:

Литература

Коняхин Сергей Федорович

габаритные мощности и коэффициенты

1. Коняхин С.Ф., Коняхин В.С., Третьяк В.И.

Родился в 1959 году. В 1984 году окончил

искажения синусоидальности кривой

Автотрансформаторно-выпрямительные

Московский энергетический институт по

тока, характеризующие, соответствен-

устройства в системах электроснабжения ле-

специальности «Электрооборудование лета-

но, массогабаритные показатели и каче-

тательных аппаратов. Девятифазная система

тельных аппаратов». Кандидат технических

ство потребления электроэнергии АТВУ

напряжений и восемнадцатипульсное вы-

наук. Защитил диссертацию на тему «Иссле-

в целом. Для наглядности полученные

прямление // Электроника и электрообору-

дование и разработка бортовых трансформа-

результаты сведены в таблицу 1.

дование транспорта, № 2, 2016.

торно-выпрямительных устройств с много-

Надо отметить, что полученные

2. Kaz Furmanczyk. Power Conversion Technol-

канальным преобразующим трактом». Опыт

значения габаритных мощностей и ко-

ogies for Improved System Performance // 2009

работы - 40 лет. В настоящее время работает

эффициентов искажения, как правило,

Join Service Power Expo. May 4-7, 2009. - New

главным конструктором систем преобразо-

превышают значения этих показателей,

Orleans, Louisiana.

вания электроэнергии - заместителем глав-

приведенные в некоторых опублико-

3. Derek A. Paice. Optimized

18-pulse Type

ного конструктора ОАО «Аэроэлектромаш».

ванных ранее работах других авторов

AC/DC, or DC/AC, Converter System. - U.S. Pat.

Имеет более 140 печатных работ, в том числе

[2, 12, 14] и также полученные с помо-

No. 5124904 H02M 7/08, H02M 7/162, 1992.

60 патентов и авторских свидетельств на изо-

щью имитационного компьютерного

4. ГОСТ 23875-88 «Качество электрической

бретения и полезные модели.

моделирования. Это объясняется неко-

энергии. Термины и определения».

торыми (хотя и несущественными) раз-

5. ГОСТ 54073-2010 «Системы электроснаб-

Коняхин Вячеслав Сергеевич

личиями в методологии определения

жения самолетов и вертолетов. Общие требо-

Родился в 1985 году. В 2008 году окончил

габаритной мощности автотрансформа-

вания и нормы качества электроэнергии».

Московский энергетический институт по спе-

тора и разными начальными условиями,

6. MIL-STD-704F

«Aircraft Electric Power

циальности «Промышленная электроника».

принятыми при моделировании. Моде-

Characteristics», 12 March 2004.

В настоящее время работает ведущим спе-

ли, используемые авторами указанных

7. Peter W. Hammond. Autotransformer.

циалистом АО «Аэроэлектромаш» и учится

исследований, составлены с учетом

U.S. Pat. No. 5619407 H02M 5/02, 1997.

в аспирантуре Московского энергетического

реальных параметров изучаемых схем:

8. Jerzy Ferens, Henry D. Hajdinjak, Sean

института. Имеет 29 печатных работ, в том

активных сопротивлений и индуктивно-

Rhodes. 18-Pulse Rectification System Using A

числе 9 патентов на изобретения и полезные

стей рассеяния обмоток автотрансфор-

Wye-Connected Autotransformer.

- U.S. Pat.

модели.

матора, емкости выходного фильтра, па-

No. 6650557 H02M 7/06, H02M 7/155, 2002.

раметров фильтра радиопомех, прямого

9. Derek A. Paice. Symmetrical, Phase-Shifting,

Konyakhin Sergey

падения на выпрямительных диодах,

Fork Transformer. - U.S. Pat. No. 5455759 H02M 7/00,

Was born in

1959. In

1984 he graduated

реактивных составляющих нагрузки,

H02M7/06, 1994.

from Moscow Energy Institute, his speciality

то есть элементов, оказывающих сгла-

10. Dongsheng Zhou, Gary Leonard Skibinski,

«Aircraft electrical equipment». He is a

живающее влияние на потребляемый

Nickolay N. Guskov. Nine-phase Transformer. -

candidate of Engineering. He defended a thesis,

устройством ток. В нашем случае, как

U.S. Pat. No. 6249443 H02M 5/10, 2001.

the theme is «Research and development of

это отмечалось выше, исследовались

11. Dongsheng Zhou, Gary Leonard Skibinski,

on-board transformer-rectifier devices with

АТВУ, состоящие из идеальных элемен-

Nickolay N. Guskov. Nine-phase Transformer. -

multi-channel conversion route». He has 40 year

тов. Реальные параметры могут иметь

U.S. Pat. No. 6335872 H02M 5/06, 2002.

work experience. At present he works as energy

только реальные изделия, имеющие

12. Uan-Zo-Li A, Burgos R.P., Lacaux F., Ro-

conversion systems chief designer - deputy

конкретную конструкцию и изготовлен-

shan A., Wang F., Boroyevich D. Analysis of

chief designer in JSC «Аeroelectromash». He

ные из конкретных материалов и ком-

New Step-up and Step-down Direct Symmetric

has more than

140 publications, including

плектующих. Таким образом, данные,

18-pulse Topologies for Aircraft Autotransform-

60 patents and inventor’s certificates.

полученные с помощью приближенной

er-Rectifier Units // Power Electronics Specialists

к реальности модели, имеют в какой-то

Conference, 2005. PESC ‘05. IEEE 36th, p. 1142-

Konyakhin Vyacheslav

мере частный характер. Используемый

1148, 16 June 2005.

Was born in

1985. In

2008 he graduated

в настоящей работе метод направлен на

13. Bhim Singh, Gurumootry Bhuvaneswari,

from Moscow Power Engineering Institute

исследование топологических структур

Vipin Garg. Reduced Rating T-Connected Au-

with a degree in «Industrial electronics». At

как таковых, а результаты такого иссле-

totransformer for Converting Three Phase AC

the present time he works as a top specialist

дования, по мнению авторов, позволяя

Voltage to Nine/Six Phase AC Voltage. - U.S. Pat.

«Aeroelectromash» JSC and pursues

абстрагироваться от конкретики, предо-

No. 7375996 H02M 5/00, 2008.

postgraduate studies in Moscow Power

ставляют достаточно информации для

14. Furmanczyk, K., Stefanich, M. Demonstra-

Engineering Institute. He has 29 publications,

правильной оценки и выбора той или

tion of Very High Power Airborne AC to DC

including 9 patents for inventions and useful

иной конфигурации исходя из требова-

Converter // SAE Technical Paper 2004-01-3210,

models.

ний конкретных технических заданий.

2004.

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

Имитационная модель для оценки

эффективности рекуперативного торможения

в условиях городского электрического

транспорта

// Imitation model for estimation of recuperation braking efficiency

in city electric transport conditions //

Спиридонов Е.А., к.т. н., доцент,

и в ходе настоящего исследования [1].

Басаргина Г.С.,

Очевидно, что при реализации подоб-

Новосибирский государственный технический университет,

ных режимов эффективность рекупера-

г. Новосибирск

ции должна рассматриваться в другом

ракурсе в связи с тем, что значительная

В статье представлены результаты

In the paper the results of research of

доля энергии рекуперации будет рас-

исследования имитационной модели

imitation model of trolleybus operating

сеяна в виде тепла на активных сопро-

троллейбуса, находящегося в режиме

in recuperation braking mode are shown.

тивлениях элементов тяговой сети. Тогда

рекуперативного торможения. Исследо-

Influence of several factors on the efficiency

вано влияние некоторых факторов на

of recuperation braking such as traction

необходимо вносить поправки в опре-

эффективность рекуперативного тор-

substation voltage, remoteness of recuper-

деление эффективности рекуперации:

можения: напряжение на шинах тяговой

ated train from traction train, recuperation

эффективность рекуперации следует по-

подстанции, удаленность рекуперирую-

voltage controller settings is estimated. It is

нимать как отношение энергии тормо-

щего поезда от тягового потребителя

shown that in case of limited traction energy

жения, утилизированной тяговым потре-

и настройки регулятора напряжения

consumption the main influence on recu-

бителем, к общему объему энергии, сге-

рекуперации. Показано, что в условиях

peration braking efficiency have settings of

нерированной в режиме торможения.

ограниченного тягового энергопотре-

recuperation voltage controller. The use of

Для организованных транспортных

бления ключевое влияние на эффектив-

relay voltage controller with voltage settings

систем, таких как железнодорожный

ность рекуперативного торможения

720 and 700 V is proved.

транспорт или метрополитен, оценка

оказывают настройки регулятора

Keywords: recuperation braking, trolleybus,

эффективности рекуперации может

напряжения рекуперации. Обосновано

imitation modeling, recuperation efficiency,

проводиться, например, на основании

использование релейного регулятора

follow-up recuperative-resistance braking.

анализа графиков движения, однако

напряжения с уставками 720 и 700 В.

такая методика практически не приме-

Ключевые слова: рекуперативное тор-

нима к наземному городскому электри-

можение, троллейбус, имитационное

ческому транспорту, особенно к трол-

моделирование, эффективность реку-

лейбусу [4]. Причина этого заключается

перации, следящее рекуперативно-рео-

в случайном характере как величины

статное торможение.

мощности, потребляемой в режиме

Эффективная рекуперация энер-

В некоторых работах дается оценка

тяги, так и положения тяговых потреби-

гии торможения транспортного сред-

избыточной энергии рекуперации, то

телей на секции.

ства является инструментом, который

есть той энергии, которая не может пе-

потенциально позволит значительно

редаваться потребителям [3]. Как прави-

Имитационная модель

(по различным оценкам, от 12 до 30%

ло, такое явление - следствие того, что

рекуперирующего поезда

в зависимости от условий движения)

мощность рекуперации в конкретный

Оценку эффективности рекупера-

снизить расход энергии на совершение

момент времени превышает мощность

тивного торможения предлагается про-

транспортной работы. При этом эффек-

потребителей, при этом разница рассе-

водить с использованием имитацион-

тивность рекуперации зависит не толь-

ивается на тормозных реостатах рекупе-

ного моделирования в системе MATLAB

ко от наличия потребителя энергии на

рирующего поезда.

Simulink. Основным элементом модели

секции, но также определяется каче-

Эффективность

рекуперативного

является модель рекуперирующего

ством работы системы управления тя-

торможения можно рассматривать как

поезда. Анализ публикаций в системе

говым приводом поезда, находящегося

долю энергии торможения, которая

РИНЦ показал, что в основном реку-

в режиме торможения. В подавляющем

передается в тяговую сеть от общей

перирующий поезд моделируется ис-

большинстве научных публикаций по

энергии, генерируемой в режиме тор-

точником тока с заданной временной

данной тематике в качестве главного

можения. Однако энергия рекуперации

характеристикой выходного тока. По-

условия рекуперации рассматривается

может передаваться на значительные

добный подход представляется не со-

наличие тягового потребителя на сек-

расстояния, например, в случае приме-

всем корректным в связи с тем, что ток

ции тяговой сети или на электрически

нения двусторонних систем питания она

рекуперирующего поезда во многом

соединенных секциях (как правило, че-

может переходить через шины тяговых

определяется мощностью тяговых по-

рез шины тяговой подстанции) [1, 2].

подстанций, что было подтверждено

требителей. То же касается и модели

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

тягового потребителя: использование

рекуперации энергии в тяговую сеть мо-

ализация модели тягового поезда под-

полученных на практике зависимостей

жет быть представлено в виде

робно описаны в работе [7].

тягового тока от времени искажает кар-

Релейный элемент в цепи регулято-

Р_РЕК ≤ Р_∑Т,

(1)

тину, так как при рекуперации повы-

ра тока (Relay, рис. 2) отвечает за под-

шается напряжение в тяговой сети, что

где Р_РЕК

- мощность электрического

держание значения тормозного тока

приводит к изменению картины тяговых

торможения, Р_ΣТ - суммарная мощность

в заданных пределах (среднее значе-

токов. При данном подходе к модели-

тяговых потребителей в зоне приема

ние тормозного тока задается силой

рованию целесообразно в качестве ис-

энергии рекуперации. Если условие (1)

нажатия тормозной педали водителем

ходных данных использовать не зависи-

не выполняется, то избыточная энергия

троллейбуса). Релейный элемент в цепи

мости тока от времени, а зависимости

рекуперации будет утилизироваться на

рекуперации (Relay 1, рис. 2) предна-

мощности.

тормозных реостатах рекуперирующего

значен для регулирования напряжения

В основу модели рекуперирующего

поезда (открытие ключа ИР_Т, рис. 1).

на конденсаторе фильтра: система стре-

поезда заложена система следящего ре-

Модель рекуперирующего поезда,

мится поддерживать напряжение на

куперативно-реостатного торможения

реализованная в системе имитацион-

конденсаторе фильтра на заданном зна-

(СРРТ), которая позволяет максимально

ного моделирования MATLAB Simulink,

чении. При этом в случае отсутствия по-

эффективно использовать энергию ре-

представлена на рис. 2. Структура и ре-

требителя напряжение на конденсаторе

куперации [5, 6]. Упрощенная схема си-

ловой цепи однодвигательного электро-

транспортного средства при реализации

принципа СРРТ представлена на рис. 1.

В процессе электрического тормо-

жения система анализирует напряже-

ние на конденсаторе входного фильтра

подвижного состава. При отсутствии

потребителя напряжение на фильтре бу-

дет равно напряжению холостого хода

тяговой подстанции. Появление тяго-

вого потребителя вызовет падение на-

пряжения, что и является сигналом для

системы управления к передаче энер-

гии торможения в тяговую сеть. Условие

Рис. 1. Упрощенная схема системы СРРТ

Рис. 2. Имитационная модель рекуперирующего поезда

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

Рис. 3. Имитационная модель для исследования процесса рекуперации через шины тяговой подстанции

достигает допустимого значения, что

энергии рекуперации через шины тяго-

в тяговую сеть другим потребителям.

приводит к открытию регулятора тор-

вой подстанции. Блоки Energy counter

Исходными данными для моделирова-

мозного сопротивления и прерыванию

представляют собой пользовательские

ния являются:

тока рекуперации. Если же в тяговой

элементы, рассчитывающие количество

••

один тяговый потребитель;

сети имеется потребитель, то напряже-

энергии, проходящее через них. В мо-

••

одновременное начало актов реку-

ние на конденсаторе фильтра будет сни-

дели имеется возможность сдвигать во

перации и тяги;

жаться, что позволит системе управле-

времени начала режимов торможения

••

статичность тяговой и рекупери-

ния продолжать процесс рекуперации

и тяги (по умолчанию они начинаются

рующей нагрузок, то есть в процессе

(заряд фильтрового конденсатора).

одновременно).

моделирования не учитывается изме-

Принимая во внимание выраже-

нение сопротивления контактной сети,

Имитационная модель

ние (1), необходимо отметить, что ре-

вызванное перемещением подвижных

процесса рекуперации

жим рекуперативного торможения

единиц;

Для проведения моделирования

должен иметь некоторую оценку его

••

тяговый потребитель оборудован

процесса рекуперации необходима раз-

эффективности, так как факт наложения

импульсной системой регулирования.

работка моделей тяговой подстанции

во времени процессов электрического

Серия модельных экспериментов

и тяговой сети. Тяговая подстанция мо-

торможения и тяги других поездов не

направлена на оценку влияния на эф-

делируется источником постоянного

гарантирует передачи всей энергии тор-

фективность рекуперативного тормо-

напряжения с внутренним сопротивле-

можения тяговому потребителю. В рабо-

жения следующих факторов:

нием и диодом. Такое упрощенное пред-

те предлагается использовать понятие

••

уровень напряжения холостого

ставление (без моделирования тягового

коэффициента эффективности рекупе-

хода тяговых подстанций;

трансформатора и реальной схемы вы-

ративного торможения

••

удаленность рекуперирующего по-

прямления) дает высокую сходимость

PEK

езда от тягового потребителя;

(2)

при значительной экономии вычис-

^PEK E

••

настройки регулятора напряжения

лительных ресурсов. Наклон внешней

где Е_РЕК - электрическая энергия, пере-

в цепи рекуперации.

характеристики тяговой подстанции

данная в тяговую сеть в процессе тор-

На рис. 4 представлены характерные

определяется внутренним сопротивле-

можения, Е_ЕТ - энергия электрического

зависимости токов и напряжений при

нием в модели. Контактная и кабельная

торможения (энергия, которую можно

рекуперации энергии для случая пере-

сети моделируются сосредоточенными

было бы зафиксировать счетчиком,

дачи энергии через шины тяговой под-

сопротивлениями (при моделировании

подключенным к тяговому двигателю).

станции на соседнюю секцию. На графи-

влияние распределенной индуктивно-

Таким образом, коэффициент эффектив-

ках представлены зависимости тока ре-

сти контактной сети не учитывается).

ности рекуперации показывает долю

куперации (I_rec), тягового тока (I_tag),

На рис.

3 представлена реализа-

энергии электрического торможения,

тока тяговой подстанции (I_tp) и тока,

ция модели для имитации передачи

которая действительно была передана

протекающего по тормозным реостатам

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

уменьшается в силу того, что максималь-

ное напряжение ограничено значением

720 В и не может быть увеличено.

Это явление приводит к более бы-

строму заряду фильтрового конденса-

тора до допустимого значения напряже-

ния (что для системы управления анало-

гично отсутствию тягового потребите-

ля), и оставшуюся энергию торможения

система управления рекуперацией

перенаправляет на тормозной реостат.

Очевидно, что данный вывод справед-

лив для условия ограниченного тягово-

го потребления: в случае моделирова-

ния процесса с тяговым потребителем,

оборудованным реостатной системой

управления с уставкой пускового тока

300 А, коэффициент эффективности ре-

куперативного торможения изменялся

от 0,995 при напряжении 500 В до 0,993

при напряжении 700 В.

На рис. 6 представлены результаты

модельных экспериментов, направлен-

ных на оценку влияния удаленности

рекуперирующего поезда (РкЭПС) от тя-

гового потребителя (ТягЭПС) при одно-

сторонней схеме питания тяговой сети.

Модельные эксперименты проводи-

лись для двух вариантов расположения

Рис. 4. Результаты моделирования рекуперации через шины тяговой подстанции

РкЭПС и ТягЭПС на секции относительно

рекуперирующего поезда (I_Rt). В дан-

видно, что повышение напряжения

точки подключения питающего фидера:

ной реализации модели коэффициент

приводит к снижению эффективности

со стороны тяговой подстанции находит-

эффективности рекуперативного тор-

рекуперативного торможения. Дан-

ся РкЭПС (рис. 6а) и со стороны тяговой

можения составил 0,59.

ный результат можно объяснить тем,

подстанции находятся ТягЭПС (рис. 6б).

Из представленных графиков видно,

что системе управления рекуперацией

Очевидно, что второй вариант располо-

что в период с начала процесса реку-

сложнее оценить наличие потребителя

жения аналогичен системе двусторонне-

перации до 4,4 с не выполняется усло-

в тяговой сети: повышение напряжения

го питания при условии ограниченности

вие (1), что приводит к необходимости

в сети приводит к тому, что ширина «ко-

мощности одного из источников.

утилизировать часть энергии тормо-

ридора» напряжений фильтрового кон-

В результате моделирования уста-

жения в тормозных реостатах рекупе-

денсатора на рекуперирующем поезде

новлено следующее (рис. 6):

рирующего поезда. Также следует вы-

делить колебательные процессы в на-

чале и конце процесса рекуперации,

связанного с обменом энергией между

фильтровыми конденсаторами тягово-

го и рекуперирующего поездов. Расход

энергии на шинах тяговой подстанции

составил 518,9 кДж при объеме рекупе-

рированной энергии 511,2 кДж. Объем

энергии, утилизированной в тормозных

реостатах рекуперирующего поезда, со-

ставил 356,7 кДж, энергии, потреблен-

ной поездом в режиме тяги, - 940,2 кДж.

Результаты моделирования

На рис. 5 представлена зависимость

коэффициента эффективности рекупе-

ративного торможения от величины на-

пряжения холостого хода тяговой под-

станции. Из представленного графика

Рис. 5. Зависимость К_РЕК от напряжения холостого хода тяговой подстанции

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

а)

б)

Рис. 6. Зависимость К_РЕК от расстояния между рекуперирующим и тяговым поездом при односторонней схеме питания:

а - РкЭПС около фидера, б - ТягЭПС около фидера

••

удаление тягового потребителя

нее заметен в том случае, когда ближе

••

нижняя граница напряжения сра-

от рекуперирующего поезда приводит

к точке подключения питающего фидера

батывания

(при постоянной верхней

к незначительному (на 1,5-2,5%) повыше-

находится рекуперирующий поезд. По-

границе срабатывания).

нию коэффициента эффективности реку-

добный эффект связан с меньшим вли-

Результаты модельных эксперимен-

перативного торможения. Полученный

янием напряжения тяговой подстанции,

тов при моделировании процесса при

результат можно объяснить некоторым

так как напряжение на токоприемнике

одностороннем питании секции и на-

увеличением мощности нагрузки за счет

рекуперирующего поезда поддержива-

хождении рекуперирующего поезда

повышения мощности потерь в тяговой

ется на уровне 720 В.

вблизи точки подключения питающего

сети, то есть увеличением доли рекупе-

Определенный интерес представля-

фидера представлены на рис. 7. Моде-

рированной энергии, которая расходует-

ет установление влияния настроек ре-

лирование проводилось для различных

ся на покрытие потерь в контактной сети;

лейного элемента в цепи рекуперации

уровней напряжения холостого хода тя-

••

уменьшение напряжения тяговой

(Relay 1, рис. 2) на эффективность реку-

говой подстанции (550, 600 и 650 В).

подстанции приводит к незначительно-

перативного торможения. Для исследо-

По результатам модельных экспе-

му (на 0,1-0,5% при снижении на 100 В)

вания этого влияния проведена серия

риментов можно сделать следующие

увеличению коэффициента эффектив-

модельных экспериментов, в ходе кото-

выводы:

ности рекуперативного торможения.

рых изменялись следующие параметры:

••

снижение верхней границы ре-

Полученный результат согласуется

••

верхняя граница напряжения сра-

гулятора напряжения рекуперации

с данными, представленными на рис. 5.

батывания (уровень максимального на-

приводит к существенному сниже-

Следует отметить, что этот эффект ме-

пряжения при рекуперации);

нию коэффициента эффективности

а)

б)

Рис. 7. Влияние настроек регулятора в цепи рекуперации на К_РЕК:

а - при изменении нижней границы напряжения срабатывания; б - при изменении верхней границы напряжения срабатывания

Электроснабжение

и электрооборудование

№ 2 2017

рекуперативного торможения. Особен-

2. Показано, что величина напряже-

и др. // Известия Петербургского университе-

но сильно это эффект проявляется при

ния холостого хода тяговой подстанции,

та путей сообщения. - 2004. - № 2. - С. 46-51.

повышении напряжения холостого хода

питающей участок с рекуперирующим

6. Щуров Н.И. Методы и средства экономии

тяговой подстанции. Снижение макси-

поездом, влияет на эффективность ре-

и повышения эффективности использова-

мального напряжения при рекуперации

куперативного торможения. В условиях

ния энергии в системе городского электри-

приводит к более раннему отпиранию

ограниченного тягового потребления

ческого транспорта: дис. … докт. техн. наук:

выпрямителя на тяговой подстанции,

(когда мощность тяговых потребителей

05.09.03 / Щуров Н.И., Новосибирский госу-

что, в свою очередь, снижает скорость

меньше мощности рекуперации) по-

дарственный технический университет. - Но-

разряда фильтрового конденсатора ре-

вышение напряжения холостого хода

восибирск, 2003. - 385 с.

куперирующего поезда. Система управ-

тяговой подстанции до уровня нижней

7. Спиридонов Е.А. Моделирование режи-

ления рекуперацией трактует это как

границы регулятора напряжения реку-

мов работы тягового привода троллейбуса

понижение мощности нагрузки и пере-

перации приводит к снижению ее эф-

с емкостным накопителем энергии / Спири-

распределяет энергию торможения на

фективности на 5-6%.

донов Е.А., Аносов В.Н., Штанг А.А. // Электро-

реостаты;

3. Проведена оценка влияния на-

техника. - 2011. - № 6. - С. 10-13.

••

снижение нижней границы регуля-

строек регулятора напряжения в цепи

тора напряжения (при постоянном зна-

рекуперации на ее эффективность. По-

Спиридонов Егор Александрович

чении верхней границы) ниже значения

казано, что наиболее эффективный

Родился в 1982 году. Окончил Новосибирский

напряжения холостого хода тяговой под-

процесс рекуперации происходит при

государственный технический университет

станции также приводит к уменьшению

следующих настройках регулятора:

по направлению «Электротехника, электро-

эффективности рекуперативного тормо-

верхняя граница напряжения - 720 В,

механика и электротехнологии». Кандидат

жения: процесс разряда конденсатора

нижняя граница - 700 В. Изменение

технических наук, доцент. В 2010 году защи-

фильтра занимает больше времени, что

границ регулятора приводит к падению

тил диссертацию по теме «Повышение эффек-

соответствует увеличению длительности

эффективности рекуперативного тормо-

тивности использования энергии в электро-

фазы реостатного торможения.

жения, причем это падение тем больше,

транспортных комплексах с накопительными

На основании полученных результа-

чем выше напряжение холостого хода

устройствами». Опыт работы - 7 лет. В на-

тов можно сформулировать следующую

тяговой подстанции и чем шире «кори-

стоящее время работает доцентом кафедры

рекомендацию: принимая во внимание

дор» уставок регулятора напряжения

электротехнических комплексов НГТУ. Имеет

разброс значений напряжения холосто-

рекуперации.

51 научную публикацию.

го хода тяговых подстанций на практи-

Исследование выполнено при фи-

ке, рекомендуется использовать мак-

нансовой поддержке Российского фон-

Басаргина Галина Сергеевна

симальные значения уставок для регу-

да фундаментальных исследований

Родилась в 1993 году. Окончила Новосибир-

ляторов напряжения при рекуперации.

(РФФИ) по гранту № 16-08-00656.

ский государственный технический универ-

Значение верхней границы регулятора

ситет, бакалавр по направлению «Электро-

не может превышать 720 В для наземно-

Литература

энергетика и электротехника». В настоящее

го городского электротранспорта. Зна-

1. Саблин О.И. Повышение эффективности

время магистрант 2 года обучения Ново-

чение нижней границы рекомендуется

рекуперации энергии в системе электротранс-

сибирского государственного технического

выбирать равным 700 В для того, чтобы

порта при ограниченном тяговом электропо-

университета. Имеет 10 тезисов всероссий-

исключить или минимизировать влия-

треблении / Саблин О.И. // Энергетика и энер-

ских и международных конференций.

ние напряжения холостого хода тяговой

госбережение. - 2014. - № 6/1 (20). - С. 21-25.

подстанции на эффективность рекупе-

2. Костин Н.А. Автономность рекупера-

Spiridonov Egor

ративного торможения.

тивного торможения

- основа надежной

Was born in 1982. He graduated from Novosi-

и энергоэффективной рекуперации на элек-

birsk State Technical University with degree in

Выводы

троподвижном составе постоянного тока //

«Electrotechnics, electromehcanics and electric

1. В работе представлен коэффици-

Костин Н.А., Никитенко А.В.

// Залізничний

technilogies». He is Candidate of Technical Sci-

ент эффективности рекуперативного

транспорт України. - 2014. - № 3. - С. 15-22.

ences, associate professor. In 2010 he defended

торможения, значение которого от-

3. Улитин В.Г. Проблема использования

a dissertation by the theme «Energy efficiency

ражает долю отданной в тяговую сеть

избыточной энергии рекуперации на го-

upgrading of electric transport complexes with

энергии в общей энергии электриче-

родском электрическом транспорте / Ули-

storage devices». He has 7 years of work experi-

ского торможения подвижного состава.

тин В.Г. // Коммунальное хозяйство городов. -

ence. At present he works as associate professor

При этом показано, что необходимо раз-

2009. - № 88. - С. 266-271.

of Electrotechnical complexes department of No-

делять понятия эффективности рекупе-

4. Сопов В.И. Системы электроснабжения

vosibirsk State Technical University. He has 51 sci-

ративного торможения (применительно

электрического транспорта на постоянном

entific publications.

к рекуперирующему поезду) и эффек-

токе: учебник для вузов по направлению под-

тивности процесса рекуперации в связи

готовки 140400 - «Энергетика и электротех-

Basargina Galina

с тем, что коэффициент К_РЕК не позволя-

ника» модуль «Электротехника» / Сопов В.И.,

Was born in 1993. She graduated from Novo-

ет оценить снижение энергопотребле-

Щуров Н.И.

- Новосибирск: Изд-во НГТУ,

sibirsk State Technical University, bachelor in

ния на шинах тяговой подстанции, то

2013. - 727 с.

«Electrical energy and electrotechnics». At pres-

есть эффективность повторного исполь-

5. Павлов Л.Н. Концепция системы реку-

ent he is second year master’s student of Novo-

зования энергии торможения внутри

перативно-реостатного тормоза грузовых

sibirsk State Technical University. He has 10 the-

электротранспортного комплекса.

электровозов постоянного тока / Павлов Л.Н.

sis of all-Russia and international conference.

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

Способ торможения и реверса

многодвигательной гребной электрической

установки с тремя гребными винтами

// Method of braking and reverse of the multi-engine rowing

electrical unit with three rowing screws //

Гельвер Ф.А., к. т. н.,

активного ледового плавания, техни-

Филиал «ЦНИИ СЭТ» ФГУП «Крыловский

ческого вспомогательного флота (зем-

государственный научный центр», г. Санкт-Петербург

снаряды, кабелеукладчики, плавкраны),

суда военно-морского флота и т.д. Систе-

В статье представлена интерполяция

The interpolation of the reverse mechanical

мы электродвижения таких судов имеют

реверсивной механической характе-

characteristic of the rowing screw received

неоспоримые эксплуатационные пре-

ристики гребного винта, полученная

with use of a canonical polynomial is

имущества перед установками с механи-

с использованием канонического поли-

given in article. The structure of the

ческой передачей энергии от первично-

нома. Предложена структура гребной

rowing electrical unit of an alternating

го теплового двигателя к валу винта [1,

электрической установки переменного

current allowing to realize braking and a

2, 8, 10, 11, 12]. Однако следует отметить,

тока, позволяющая осуществлять

reverse of the vessel without use of brake

что гребные электрические установки

торможение и реверс судна без исполь-

resistors and allowing to increase energetic

имеют и ряд существенных недостатков:

зования тормозных резисторов, повы-

efficiency and to improve mass-dimensional

многократное преобразование энергии,

сить энергетическую эффективность

characteristics of the rowing electrical unit

и улучшить массогабаритные харак-

is offered. Possible methods of braking

большое количество сложного электри-

ческого оборудования, низкий показа-

теристики гребной электрической

and a reverse of the multi-engine rowing

установки. Рассмотрены возможные

electrical unit with three rowing screws are

тель надежности всей энергосистемы,

способы торможения и реверса много-

considered. The mathematical description

а также большие габариты и вес гребной

двигательной гребной электрической

of the modes of braking and a reverse of

электрической установки. В настоящее

установки с тремя гребными винтами.

the rowing electrical unit with three rowing

время электропривод гребной электри-

Приведено математическое описание

screws is provided. Control algorithms by

ческой установки строят на базе машин

режимов торможения и реверса гребной

the rowing electrical unit with three rowing

переменного тока с управлением от

электрической установки с тремя греб-

screws in the modes of braking and a reverse

преобразователя частоты, рассчитан-

ными винтами. Синтезированы алго-

are synthesized. Time diagrams of change

ного на полную мощность приводного

ритмы управления гребной электриче-

of the moment and rotating speed on each

электродвигателя. Способы остановки

ской установкой с тремя гребными вин-

of rowing screws for the offered algorithms

и торможения такой гребной установки

тами в режимах торможения и реверса.

are provided.

более подробно рассмотрены в [9].

Представлены временные диаграммы

Keywords: rowing electrical unit, rowing

Проблема с торможением и останов-

изменения момента и частоты враще-

electromotor (GED), braking, reverse,

кой гребной электрической установки

ния на каждом из гребных винтов для

stationary process, interpolation, canonical

на переменном токе до сих пор решает-

предложенных алгоритмов.

polynomial, Vandermond’s matrix, time

ся с использованием рекуперативного

Ключевые слова: гребная электрическая

constant, electromagnetic moment,

способа торможения. Рекуперативный

установка, гребной электродвигатель

mechanical characteristic, reverse

способ торможения может осущест-

(ГЭД), торможение, реверс, стационар-

characteristic.

вляться отдачей энергии торможения

ный процесс, интерполяция, канониче-

в питающую сеть. В этом случае преоб-

ский полином, матрица Вандермонда,

разователь частоты должен содержать

постоянная времени, электромагнит-

ный момент, механическая характери-

в структуре силовой части активный

стика, реверсивная характеристика.

выпрямитель напряжения или рекупе-

ратор с рекуперацией энергии в звено

В настоящее время к основным на-

оборудования. Также в мировом судо-

постоянного тока и рассеиванием ее

правлениям развития мирового судо-

строении наблюдается установившаяся

в виде тепла на тормозном резисторе

строения можно отнести повышение

тенденция строительства судов с систе-

с использованием тормозного прерыва-

эффективности гребной энергетической

мами частичного и полного электро-

теля. Рекуперация энергии торможения

установки, увеличение скоростных и ма-

движения. Данная тенденция наиболее

в питающую сеть связана с использо-

невренных качеств и, как следствие, уве-

отчетливо проявляется в отношении

ванием сложного и габаритного обору-

личение установленной мощности энер-

судов специального назначения, к кото-

дования, а также с соблюдением необ-

гетической установки, улучшение экс-

рым относятся рыбопромысловые и ис-

ходимого условия - сеть должна иметь

плуатационных характеристик, умень-

следовательские суда, плавучие базы

возможность принять эту энергию [9].

шение массы и габаритов судового

и мастерские, паромы, ледоколы, суда

Данный способ не нашел широкого

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

применения в гребных электрических

осуществлять торможение и реверс как

применения, поскольку использование

установках. Наибольшее распростра-

электропривода гребных винтов, так

накопителя ограничено большими габа-

нение получил способ рекуперации

и самого судна. На современных судах,

ритами и весом самого накопителя, ко-

энергии в звено постоянного тока и ее

выпускаемых отечественной промыш-

торый должен иметь возможность в ко-

рассеивания в виде тепла на тормозном

ленностью, данная проблема так и ре-

роткий промежуток времени принять

резисторе с использованием тормозно-

шается использованием громоздкого

энергию торможения гребной установки

го прерывателя. Суть данного способа

и дорогостоящего тормозного резисто-

либо сетевые вспомогательные потре-

торможения и остановки заключает-

ра и транзисторного прерывателя, осу-

бители должны иметь возможность по-

ся в том, что инвертором напряжения

ществляющего сброс энергии торможе-

глотить эту энергию торможения. В греб-

преобразователя частоты формируется

ния на тормозной резистор, в котором

ной электрической установке гребные

частота выходного напряжения f значи-

эта энергия бесполезно рассеивается

электродвигатели связаны между собой

n_эд

тельно меньше, чем величина

, где

в виде тепла. В мировом электродвиже-

и с движением судна через вязкую сре-

n_эд - текущая частота вращения гребно-

нии уже давно наметилась тенденция

ду, с которой они соприкасаются - воду.

го электродвигателя, p - число полюсов

использования энергии торможения

Следовательно, в данном случае имеет-

электрической машины. При этом реку-

для создания полезной работы, напри-

ся возможность перераспределять по-

перируемая энергия, величина которой

мер, для подзарядки промежуточного

токи энергии между гребными электро-

зависит от разности частоты выходного

накопителя, с последующим ее исполь-

двигателями и осуществлять торможе-

n_эд

напряжения f и величины

, пойдет

зованием либо использования энергии

ние гребной электрической установки

от гребного электродвигателя через

торможения для питания внешних по-

и торможение судна без использования

антипараллельные диоды транзисторов

требителей электроэнергии. Так, на-

тормозной цепочки средствами самого

инвертора в звено постоянного тока

пример, в системах электродвижения

электропривода и его взаимодействия

на заряд накопительного конденсато-

автотранспортных средств такие схемы

через рабочую среду. Более подробно

ра. В случае превышения допустимого

внедрены и давно уже используются [3,

рассмотрим ее реализацию на примере

уровня напряжения звена постоянного

4, 5]. В системах электродвижения судов

гребной электрической установки,

со-

тока конденсатор будет разряжаться на

данная тенденция не находит широкого

держащей три гребных винта.

тормозной резистор с помощью тор-

мозного прерывателя. Для реализации

такого способа торможения требуется

дополнительное оборудование: тормоз-

ной транзистор и тормозной резистор,

мощность которого определяется инер-

ционными массами приводимого меха-

низма и требуемым временем торможе-

ния гребной электрической установки.

Следует отметить, что все вышеска-

занное относится к остановке именно

гребного электродвигателя, а не к оста-

новке судна. Это очень важно, поскольку

судно обладает еще большей инерцией,

и его остановка производится, как пра-

вило, с реализацией реверса гребного

электродвигателя и гребного винта. От-

личие остановки и торможения гребно-

го электродвигателя и судна вызвано

наличием между ними вязкой среды -

воды, через которую происходит это

взаимодействие. Так, например, в систе-

мах электродвижения автомобиля мож-

но считать, что остановка электропри-

вода и остановка автомобиля связаны

жестко за разницей проскальзывания

колес относительно поверхности, по ко-

торой движется автомобиль.

Проблема торможения, останов-

ки и реверса гребной электрической

установки на судах большой мощно-

сти становится все более актуальной

и требует решения, позволяющего без

использования громоздкого, сложно-

Рис. 1. Силовая схема гребной электрической установки, реализующей торможение

го и дорогостоящего оборудования

гребного электродвигателя без использования тормозных резисторов

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

Структура электропривода гребной

и потребителями собственных нужд,

уровня и частоты напряжения на шинах

электрической установки с тремя греб-

и включает такое количество главных

вторичного электропитания, обеспечи-

ными винтами для осуществления тор-

первичных тепловых двигателей, элек-

вая питание потребителей собственных

можения без использования тормозной

трических генераторов, при котором

нужд напряжением с требуемыми по-

цепочки средствами самого электро-

суммарная установленная мощность

казателями качества. Если потребители

привода представлена на рис. 1. Данная

электрических генераторов будет рав-

собственных нужд не способны принять

структура характеризуется питанием ин-

на потребляемой всеми нагрузками или

такое количество электроэнергии, тог-

верторов гребных электродвигателей от

будет немного превышать ее. Дозагруз-

да сброс электроэнергии осуществля-

общих шин звена постоянного тока. С це-

ка главных первичных тепловых дви-

ется на накопитель энергии по цепи от

лью повышения энергетической эффек-

гателей и электрических генераторов

гребных электродвигателей через анти-

тивности такой структуры к общим ши-

осуществляется посредством заряда на-

параллельные диоды транзисторов ин-

нам звена постоянного тока подключены

копителя энергии через согласующий

верторов напряжения на общие шины

инвертор напряжения с согласующим

электрический преобразователь. При

постоянного тока и через согласующий

трансформатором для питания вспомо-

этом обеспечивается номинальная за-

преобразователь энергии на накопитель

гательных потребителей и потребителей

грузка главных первичных тепловых дви-

энергии. Если потребители собственных

собственных нужд и промежуточный

гателей и электрических генераторов,

нужд и накопитель энергии не могут

накопитель энергии со своим согласую-

а они, соответственно, работают в эко-

принять на себя рекуперируемую элек-

щим электрическим преобразователем.

номичном режиме работы. При этом

троэнергию, торможение будет осущест-

Число генераторных агрегатов в такой

энергия, запасенная в накопителе, будет

вляться перераспределением энергии

структуре может быть любым.

использоваться для обеспечения требу-

между гребными электродвигателями.

Опишем более подробно работу

емой динамики в режимах разгона или

Суть способа остановки судна перерас-

предложенной структуры системы элек-

пуска гребной электрической установ-

пределением энергии между гребными

тродвижения (рис. 1). В рабочем режиме

ки, когда необходимо кратковременно

электродвигателями просто поясняет-

выработка электроэнергии осущест-

обеспечить значительным количеством

ся на примере электроэнергетической

вляется электрическими генераторами,

энергии гребные электродвигатели в ди-

установки судна, содержащей два греб-

механически соединенными с главными

намических режимах работы. Причем

ных винта. Энергия, рекуперируемая

первичными тепловыми двигателями.

накопитель энергии должен выбираться

одним гребным электродвигателем, при

При этом уровень напряжения и мак-

так, чтобы обеспечить требуемую дина-

его торможении потребляется другим

симальная вырабатываемая мощность

мику разгона и торможения судна. Соот-

гребным электродвигателем, работаю-

определяются количеством работающих

ветственно, в такой электроэнергетиче-

щим в двигательном режиме. После оста-

главных первичных тепловых двигате-

ской установке установленная мощность

новки первого гребного электродвига-

лей и количеством подключенных к не-

главных первичных тепловых двигате-

теля второй гребной электродвигатель

управляемым выпрямителям напряже-

лей и электрических генераторов равна

переводится в генераторный режим,

ния электрических генераторов. Такое

установленной мощности всех потре-

а первый включается в двигательный

последовательное соединение неуправ-

бителей электроэнергии на судне. В ре-

режим на работу в противоположную

ляемых выпрямителей напряжения по-

жимах торможения гребной установки

сторону. После остановки второго греб-

зволяет осуществить снижение пульса-

энергия, рекуперируемая от гребных

ного электродвигателя он включается

ции напряжения на общих шинах посто-

электродвигателей, будет расходоваться

на работу в противоположную сторону

янного тока при условии сдвига между

для питания потребителей собственных

в двигательном режиме.

фазами напряжениями одноименных

нужд. При этом поток энергии будет на-

В нашем случае для торможения

фаз разных генераторов, равным 120/N,

правлен по цепи от гребных электродви-

судна с тремя гребными винтами могут

где N = 2..n - количество работающих

гателей через антипараллельные диоды

быть использованы два алгоритма ра-

электрических генераторов, n - общее

транзисторов инверторов напряжения

боты. Различие в алгоритмах заключа-

количество главных генераторов. Число

на общие шины постоянного тока через

ется в последовательности торможения:

пульсаций напряжения на общих шинах

инвертор напряжения, согласующий

вначале одного ГЭД, а потом двух остав-

постоянного тока на периоде сетевого

трансформатор напряжения на щит

шихся, либо наоборот - вначале тормо-

напряжения будет равно N·6 (при усло-

вторичного электропитания и питание

жения двух ГЭД, а потом одного остав-

вии использования трехфазных двухпо-

потребителей собственных нужд. Не-

шегося. Рассмотрим более подробно

лупериодных выпрямителей). Система

управляемые выпрямители напряжения

каждый из предложенных алгоритмов.

управления

электроэнергетической

в этом режиме находятся в запертом со-

Пусть количество работающих гребных

установкой управляет работой первич-

стоянии, так как напряжение на общих

электродвигателей равно трем, инвер-

ных тепловых двигателей для обеспече-

шинах постоянного тока больше, чем

торы напряжения получают питание от

ния этого сдвига в зависимости от числа

суммарное напряжение, вырабатывае-

общих шин постоянного напряжения по

включенных в работу главных первич-

мое электрическими генераторами. Та-

схеме, изображенной на рис. 2.

ных тепловых двигателей. Для номи-

ким образом, в режимах рекуперации

нальной загрузки главных первичных

энергии от гребных электродвигателей

Первый алгоритм торможения,

тепловых двигателей система управле-

энергия от главных первичных тепловых

остановки и реверса гребной

ния электроэнергетической установкой

двигателей и электрических генерато-

электрической установки

определяет значение мощности, потре-

ров не потребляется. Инвертор напря-

При необходимости торможения

бляемой гребными электродвигателями

жения работает в режиме стабилизации

судна гребной электродвигатель М2

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

переводится в генераторный режим, при

Второй алгоритм торможения,

гатель М2, работавший в двигательном

этом рекуперируемая энергия поступает

остановки и реверса гребной

режиме, переводится в генераторный

на общие шины звена постоянного тока,

электрической установки

режим, а энергия, рекуперируемая им,

происходит рост напряжения на данных

При необходимости торможения

передается на раскрутку гребных элек-

шинах, неуправляемые выпрямители на-

судна гребные электродвигатели М1

тродвигателей М1 и М3, переведенных

пряжения находятся в запертом состоя-

и М3 переводятся в генераторный ре-

в двигательный режим. После остановки

нии. Энергия, рекуперируемая гребным

жим, при этом рекуперируемая ими

гребного электродвигателя М2 он пере-

электродвигателем М2, переведенным

энергия поступает на общие шины зве-

водится в двигательный режим, и осу-

в генераторный (тормозной) режим, по-

на постоянного тока, происходит рост

ществляется работа гребных электродви-

требляется гребными электродвигателя-

напряжения на данных шинах, неуправ-

гателей М1, М2 и М3 на движение судна

ми М1 и М3, работающими в двигатель-

ляемые выпрямители напряжения на-

назад. На рис. 4 изображены направле-

ном режиме. После остановки гребного

ходятся в запертом состоянии. Энергия,

ния потоков энергии при торможении

электродвигателя М2 он переводится

рекуперируемая гребными электро-

и реверсе гребного электропривода

в двигательный режим с направлением

двигателями М1 и М3, переведенными

с тремя гребными винтами по второму

вращения в противоположную сторону,

в генераторный (тормозной) режим, по-

алгоритму работы.

гребные электродвигатели М1 и М3, ра-

требляется гребным электродвигателем

Произведем математическое опи-

ботавшие в двигательном режиме, пере-

М2, работающим в двигательном режи-

сание процесса торможения и реверса

водятся в генераторный режим, а энер-

ме. После оста-

гия, рекуперируемая ими, передается

новки гребных

на раскрутку гребного электродвигателя

электродвига-

М2, переведенного в двигательный ре-

телей М1 и М3

жим. После остановки гребных электро-

они перево-

двигателей М1 и М3 они переводятся

дятся в двига-

в двигательный режим, и осуществляется

тельный режим

работа гребных электродвигателей М1,

с направлени-

М2 и М3 на движение судна назад. На

ем вращения

рис. 3 изображены направления потоков

в противопо-

энергии при торможении и реверсе греб-

ложную сто-

ного электропривода с тремя гребными

рону, гребной

винтами по первому алгоритму работы.

электродви-

Рис. 2. Схема соединения инверторов и гребных электро

Рис. 3. Направление потоков мощности при торможении гребной

двигателей гребной электрической установки, реализующей

электрической установки по первому алгоритму

торможение без использования тормозных резисторов

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

гребной электрической установки по предложенным алгорит-

точкам, приведена в статье [9]. В данной статье приведено

мам. Математическое описание и математическое моделиро-

математическое описание предельной реверсивной характе-

вание процессов торможения и реверса будем производить

ристики, построенной в относительных единицах и описанной

в относительных единицах. Все вычисления и построение

с помощью одной функции, определенной с помощью канони-

графиков выполнены в математическом пакете Maple. Физи-

ческого полинома седьмой степени по 8 характерным точкам

ческие процессы, происходящие при торможении и реверсе

(узлам интерполяционного полинома).

гребного винта и гребного электродвигателя, более подробно

Запишем матрицу, определяющую характерные точки

описаны в статье [13]. Ранее в ряде источников отмечалось, что

(узлы интерполяционного полинома) предельной реверсив-

по мере накопления опытного материала относительно пове-

ной характеристики:

дения гребного винта в режиме реверсирования выяснилось,

1 0,8 0,35

−0,2

−0,3

−0,4

−











что обобщенной реверсивной характеристики не существует

1

−1

−0,4

−0,6

−0,8

−1

−1,3

[8, 10, 13]. Особенно это относится к участку, характеризующе-

Введем обозначения: вектор столбца входных данных (ча-

му режим работы гидротурбины, однако можно оценить его

стоты вращения винта) rx = R⁽⁰⁾ и вектор столбца выходных

предельную реверсивную характеристику. Так, аппроксима-

данных (момента на валу гребного винта) rу = R⁽¹⁾. Определим

ция предельной реверсивной механической характеристики,

коэффициенты канонического полинома, определив матрицу

выполненной с помощью двух парабол, сращенных при пере-

Вандермонда [6, 7, 14]

ходе момента через ноль и определенных по характерным

Vj, i = (rxj)ⁱ, Vj,0 = 1,

где j = 0..7, i = 0..7. Тогда в числовом выражении матрица Ван-

дермонда имеет вид

1







1

0,8

0,64

0,512

0,41

0,328

0,262

0,21





−3

−4



0,35

0,122

0,043

0,015

5,252⋅10

1,838⋅10

6,434⋅10





1





−3

−4

−5



−0,2

0,04

−8⋅10

1,6⋅10

−

3,2⋅10

6,4⋅10

−1,28⋅10





−3

−4

1

−0,3

0,09

−0,027

8,1⋅10

−2,43⋅10

7,29⋅10

−2,187⋅10





−3



−0,4

0,16

−0,064

0,026

−0,01

4,096⋅10

−1,638⋅10







−3



1

−0,5

0,25

−0,125

0,063

−0,031

0,016

−7,813⋅10



Определяем коэффициенты полинома [6, 7, 14]:

а = V^-1.ry.

В числовом выражении матрица коэффициентов полинома

имеет вид

^T=

(

−0,4

−0,256

−7,194

0,544

27,497

−0,021

−43,968

24,798)

Тогда функция, описывающая предельную реверсивную

механическую характеристику гребного винта в относитель-

ных единицах, имеет вид

M_с(ω)= -0,4 - 0,256·ω - 7,194·ω²+ 0,544·ω³

+ 27,497·ω⁴- 0,021·ω⁵-43,968·ω⁶+ 24,798·ω⁷.

(1)

Рис. 4. Направление потоков мощности при торможении гребной

Рис. 5. Предельная реверсивная механическая

электрической установки по второму алгоритму

характеристика гребного винта М_в = f(ω_в)

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

График функции, описывающей пре-

dω

Тогда, исходя из равенства мощно-

M =M

−

⋅

;

(2)

дельную реверсивную механическую ха-

и1

дв1

с1

мех1

стей P_дв1(t)+P_дв3(t)= - P_дв2(t),

рактеристику гребного винта в относи-

при условии P_дв1(t)=P_дв3(t) получим

dω

M =M

−

=Т

⋅

;

(3)

тельных единицах, изображен на рис. 5.

и2

дв2

с2

мех2

2·P_дв1(t) = - P_дв2(t),

Данная аппроксимация наиболее

при этом электромагнитные моменты

dω

точно описывает предельную реверсив-

M =M

−

=Т

⋅

(4)

ГЭД 1 и ГЭД 3 должны определяться со-

и3

дв3

с3

мех3

ную механическую характеристику, по-

гласно

лученную эмпирическим путем [13].

−

дв2

⋅ ω

(t)

дв

M t)

дв3

(t)

⋅

(5)

Управление частотой вращения

Торможение и реверс гребного

2⋅ω

(t)

вала ротора электродвигателя связа-

винта по первому алгоритму

Используя начальные условия

но с управлением электромагнитным

Для осуществления торможения

ω₁(0) = 1, ω₂(0) = 1, _ω3(0) = 1,

моментом. Эта связь непосредственно

и реверса гребного электропривода

Мдв2 = -2 и численное решение диффе-

следует из основного уравнения дви-

вначале производим остановку ГЭД 2

ренциальных уравнений (2), (3), (4), (5)

жения, представленного в операторной

с величиной электромагнитного мо-

относительно (1), получим зависимости

форме и записанного в относительных

мента, равной М_дв2 = -2. Такая величина

ω₁(t), ω₂(t), ω₃(t), М_дв1(t), М_дв2(t), М_дв3(t),

единицах:

электромагнитного момента выбрана

графики которых изображены на рис. 6.

для того, чтобы мощность, потребляе-

Мощности на валах ГЭД 1, ГЭД 2

T_мех.pω^* = M_дв* - Mc*,

мая ГЭД 1 и ГЭД 3, работающими в номи-

и ГЭД 3 определяются согласно

где T_мех = J . ω_б/M_б - механическая по-

нальном режиме, в начальный момент

P t)

(t)⋅ω

(t)

;

(6)

стоянная времени,

- оператор

была равна мощности торможения ГЭД.

дв1

дифференцирования, J - момент инер-

При этом все гребные электродвига-

P t)

(t)⋅ω

(t)

;

(7)

дв2

ции механизма, ωб - базовое значение

тели начнут замедление. Замедление

скорости, M_б - базовое значение мо-

ГЭД 2 будет значительно быстрее, так

дв

P t)3

дв3

(t)⋅ω

(t)

(8)

мента.

как электромагнитный момент ГЭД 2 от-

С учетом того, что среднестатистиче-

рицательный, а моменты ГЭД 1 и ГЭД 3

На рис. 7 изображены графики мощ-

ская постоянная времени электродвига-

будут уменьшаться в зависимости от из-

ностей P_дв1(t), P_дв2(t), P_дв3(t).

телей составляет порядка 0,3 с, пыримем

менения частот вращения всех гребных

При этом отрицательная величина

суммарную постоянную времени греб-

электродвигателей и условия выполне-

мощности характеризует генераторный

ного винта и гребного электродвигате-

ния равенства мощностей

режим работы гребного электродвига-

ля равной 1 с (T_мех = 1 с). При этом при

P_дв1(t) + P_дв3(t) = - P_дв2(t)

теля и режим гидротурбины гребного

моделировании все графики временной

на время торможения и реверса греб-

винта, а положительная величина мощ-

области будут отражены в секундах.

ных электродвигателей. Введем огра-

ности - двигательный режим работы

Произведем аналитическое описа-

ничения на максимально возможное

гребного электродвигателя и режим,

ние процесса торможения и реверса

значение электромагнитного момента,

при котором гребной винт создает упор

гребного электропривода по предло-

развиваемое всеми гребными электро-

при реверсе гребного электропривода.

женным алгоритмам в гребной электри-

двигателями:

На рис.

8 изображена суммарная

ческой установке, содержащей три винта

max|М_дв1| = max|М_дв2| = max|М_дв3| = 2.

мощность на всех гребных электродви-

(движителя) с электроприводом, собран-

Данное ограничение реализуется на

гателях при торможении и реверсе.

ным по схеме, изображенной на рис. 2.

уровне электрического преобразовате-

Из данных графиков видно, что

Запишем уравнения движения для

ля электропривода гребной электриче-

до определенного момента времени

каждого из гребных винтов:

ской установки.

(до момента вхождения М_дв1(t) и М_дв3(t)

Рис. 6. Зависимости ω₁(t), М_дв1(t), ω₂(t),

Рис. 7. Зависимости P_дв1(t)+P_дв3(t), P_дв2(t)

Рис. 8. Зависимость суммарной мощности

при торможении и реверсе гребного

Мдв2(t), ω3(t), Мдв3(t) при торможении

Pдв1(t)+Pдв2(t)+Pдв3(t) при торможении

и реверсе гребного электропривода

электропривода по первому алгоритму

и реверсе гребного электропривода

по первому алгоритму

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

в режим ограничения, при котором

ного момента, развиваемое всеми греб-

происходит отбор мощности от инвер-

ными электродвигателями:

торов напряжения для работы ГЭД 1,

Мдв1 = Мдв3 = -2) сумма мощностей на

валу всех гребных электродвигателей

ГЭД 2 и ГЭД 3 на реверс.

max|М_дв1| = max|М_дв2| =

равна нулю, при этом нет необходимо-

Как видно, реализация второго ал-

= max|М_дв3| = 2.

сти сброса энергии торможения на ка-

горитма работы с остановкой вначале

кой-либо из потребителей. После дости-

Пусть величина электромагнитного

ГЭД 1 и ГЭД 3, а затем остановкой ГЭД 2

жения М_дв1(t) = М_дв3(t) = -2 происходит

момента ГЭД 1 и ГЭД 3 меняется по закону

происходит значительно быстрее и бо-

отбор мощности из питающей сети для

лее эффективно, чем реверс гребной

−1−0,6⋅t при t

≤1,65

работы ГЭД 1, ГЭД 2 и ГЭД 3 на реверс.

дв

M t)1

дв3

(t)=

электрической установки по первому



−2

при t

≥1,65

Следует отметить, что кратковре-

алгоритму.

менное увеличение электромагнитного

Тогда, исходя из равенства мощ-

Таким образом, используя структуру

момента до двух номиналов вполне до-

ностей P_дв1(t)

+ P_дв3(t)

= - P_дв2(t),

рис. 1, можно создать различные ком-

пустимо. Для гребных электродвигате-

при условии P_дв1(t)

= P_дв3(t) получим

бинации и алгоритмы работы гребных

лей такое увеличение выполнено для

P_дв2(t) = -2·P_дв1(t), при этом электромаг-

электродвигателей при торможении

обеспечения быстрой динамики при

нитный момент ГЭД 2 должен опреде-

судна в данной электроэнергетической

остановке и изменения направления

ляться согласно

системе без использования тормозного

движения судна.

прерывателя и тормозного резистора

−2⋅M

дв1

⋅ ω

(t)

M_дв

(t)

(9)

для быстрого торможения и реверса

(t)

Торможение и реверс гребного

гребных электродвигателей.

винта по второму алгоритму

Используя начальные условия

Все представленные результаты опи-

Для осуществления торможения

ω₁(0) = 1, ω₂(0) = 1, ω₃(0) = 1, законы

сывают процессы, происходящие в греб-

и реверса гребного электропривода вна-

изменения Мдв1 ,М_дв3 и численное ре-

ном винте, но никак не отражают процес-

чале производим остановку ГЭД 1 и ГЭД 3

шение дифференциальных уравнений

сы остановки и реверса судна (постоян-

с начальной величиной электромагнит-

(2), (3), (4), (9) относительно (1), получим

ная времени судна на порядок, а иногда

ного момента, равной -1. Такая величина

зависимости ω₁(t), ω₂(t), ω₃(t), М_дв1(t),

и на два больше постоянной времени

электромагнитного момента ограничена

гребного электропривода), хотя на них

Мдв2(t), Мдв3(t), графики которых изо-

тем, что в момент начала торможения мо-

бражены на рис. 9.

значительно влияют. Это влияние доста-

мент на валу ГЭД 2 не превысил величи-

На рис.

10 изображены графики

точно сложно описать математически,

ны двух номиналов. В случае значитель-

мощностей Р_дв1(t), Р_дв2(t), Р_дв3(t).

поскольку оно зависит от многих фак-

ного превышения величины электромаг-

На рис. 11 изображена суммарная

торов. Тем не менее следует отметить,

нитного момента на валу ГЭД 2 в первый

мощность на всех гребных электродви-

что процесс остановки судна напрямую

момент времени он будет пытаться разо-

гателях при торможении и реверсе.

зависит от работы гребной установки,

гнать судно, в то время как ГЭД 1 и ГЭД 3

Из данных графиков видно, что

но для каждого типа судна, количества

будут пытаться его остановить. Таким об-

до определенного момента времени

гребных винтов, особенностей обводов

разом, гребные винты ГЭД 1, ГЭД 3 и ГЭД 2

(до момента вхождения М_дв2(t) в режим

корпуса и прочих факторов он свой.

будут работать несогласованно. Далее

ограничения, при котором М_дв2 = -2)

Процесс остановки судна в конечном

величину электромагнитного момента

сумма мощностей на валу всех гребных

итоге заключается в том, что гребные

ГЭД 1 и ГЭД 2 можно снижать по линейно-

электродвигателей равна нулю, при

электродвигатели реверсируют, тем са-

му закону до -2.

этом нет необходимости сброса энергии

мым создавая тягу против движения суд-

Введем ограничения на максималь-

торможения на какой-либо из потреби-

на, притормаживая и останавливая его,

но возможное значение электромагнит-

телей. После достижения М_дв2(t) = -2

после чего гребные электродвигатели

Рис. 9. Зависимости ω₁(t), М_дв1(t), ω₂(t),

Рис. 10. Зависимости P_дв1(t)+P_дв3(t), P_дв2(t)

Рис. 11. Суммарная мощность P₁(t) + P₂(t) +

при торможении и реверсе гребного

+ P₃(t) при торможении и реверсе гребного

Мдв2(t), ω3(t), Мдв3(t) при торможении

и реверсе гребного электропривода по

электропривода по второму алгоритму

второму алгоритму

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

вместе с гребными винтами могут быть

городского гибридного и электрического

на и его главная установка: текст лекции /

остановлены на выбеге.

тягового электропривода в России // Труды

ЛЭТИ. - Л., 1986. - 48 с.

Таким образом, предложенный спо-

VIII Международной

/ XIX Всероссийской

14. Форсайт Дж., Мальком М., Моулер К. Ма-

соб торможения и реверса гребной

конференции по автоматизированному

шинные методы математических вычисле-

электрической установки позволяет осу-

электроприводу АЭП-2014. Октябрь 2014. -

ний. - М.: Мир, 1980.

ществлять торможение и реверс гребных

Саранск, 2014. - С. 24-28.

электродвигателей без использования

5. Анучин А.С.,

Козаченко В.Ф.,

Лашке-

Гельвер Фёдор Андреевич

сложных силовых схем и дополнительно-

вич М.М. и др. Состояние и перспективы

Родился в 1980 году. В 2004 году окончил

го оборудования в силовом канале элек-

развития электротрансмиссий для элек-

Санкт-Петербургский государственный уни-

трического преобразователя. При этом

трического и гибридного транспорта на

верситет водных коммуникаций (СПГУВК) по

время торможения и реверса ГЭД уве-

2015 год

// Труды VIII Международной

специальности «Электропривод и автомати-

личится незначительно по отношению

XIX Всероссийской конференции по автома-

ка промышленных установок и технологи-

к остановке и изменению направления

тизированному электроприводу АЭП-2014.

ческих комплексов». Кандидат технических

движения судна. Такой способ торможе-

Октябрь 2014. - Саранск, 2014. - С. 43-50.

наук. В 2009 году защитил диссертацию по

ния и реверса гребной электрической

6. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М.

теме «Алгоритмы оптимального управления

установки совместно с использованием

Численные методы. - М.: Изд-во «Лаборато-

гребной электрической установкой с ма-

промежуточного накопителя позволяет

рия базовых знаний», 2003.

шиной двойного питания». Опыт работы -

значительно повысить энергетическую

7. Березин И.С., Жидков Н.П. Методы вычис-

14 лет. В настоящее время работает началь-

эффективность электроэнергетической

лений. - М.: ФизМатЛит, 1962.

ником лаборатории филиала «ЦНИИ СЭТ»

установки и приблизить установленную

8. Быков А.С., Башаев В.В. Гребные электри-

ФГУП «Крыловский государственный науч-

мощность первичных тепловых двига-

ческие установки атомных ледоколов. - CПб.:

ный центр» и доцентом кафедры ЭП и ЭОБУ

телей, генераторных агрегатов к уста-

Элмор, 2004.

ГУМРФ имени адмирала Макарова. Имеет

новленной мощности гребных электро-

9. Гельвер Ф.А., Самосейко В.Ф. Управление

27 научных статей, 1 монографию и 24 патен-

двигателей, что также в лучшую сторону

торможением гребного электропривода

та на изобретение.

отразится на массогабаритных и энерге-

с несколькими винтами // Труды IX Между-

тических характеристиках всей электро-

народной (Х Всероссийской) конференции

Gelver Fedor

энергетической установки.

по автоматизированному электроприводу

Was born in

1980. In

2004 he graduated

АЭП-2016. Пермь, 3-7 октября 2016 г. (ICPDS

from St. Petersburg State University of Water

Литература

2016). - С. 385-389.

Communications with degree in «Electric drive

1. Айзенштадт Е.Б., Гилерович Б.А., Горбу-

10. Дарьенков А.Б., Мирясов Г.М., Титов В.Г.

and automation of industrial installations and

нов Б.А. Гребные электрические установки. -

и др. Гребные электрические установки. -

technological complexes». He is Candidate

Л.: Судостроение, 1985.

Нижний Новгород, 2014.

of Technical sciences. In

2009 he defended

2. Акулов Ю.И. Гребные электрические уста-

11. Кузнецов Н.А., Куропаткин П.В., Хайкин А.Б.

a dissertation by the theme «Algorithms of

новки. - М.: Транспорт, 1982.

и др. Основы проектирования гребных элек-

optimal control of electric propulsion plant with

3. Алямкин Д.И., Анучин А.С., Козаченко В.Ф.

трических установок. - Л.: Судостроение, 1972.

double-fed electric machine». He has 14 years of

и др. Направления развития и оптимизации

12. Михайлов В.А., Рукавишников С.Б., Фрейд-

work experience. At present he works as Head

систем электроприводов городского гибрид-

зон И.Р. Электродвижение судов и электро-

of laboratory of Krylov State research Centre

ного и электрического транспорта // Элек-

привод судовых механизмов. - Л.: Судостро-

branch and associate professor at Admiral

тротехника, 2015, № 1. - С. 5-8.

ение, 1965.

Makarov State University of Maritime and

4. Анучин А.С., Алямкин Д.И., Козаченко В.Ф.

13. Росин Е.И. Автоматизированные гребные

Inland Shipping. He has 27 scientific articles,

и др. Состояние и перспективы развития

электрические установки. Движение суд-

1 monograph and 24 patents of invention.

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

Характеристики моментных

бесконтактных двигателей постоянного тока

с симметричной и несимметричной обмотками

// Characteristics of the contactless torque DC motors with symmetric

and asymmetrical windings //

Гридин В.М., к. т. н., доцент,

изложены в [1], [2]. Исследованию мо-

МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва

ментных (то есть низкоскоростных) дви-

гателей посвящен ряд работ, например,

В статье рассмотрены четыре вариан-

Considered four options for contactless

[3-9]. Основными характеристиками

та моментных бесконтактных двига-

torque DC motors (plug) bipolar circuit-

моментных БДПТ являются удельный

телей постоянного тока (БДПТ) с двух-

switched anchor winding (NW) rotor posi-

момент (отношение момента к объему

полярной коммутацией якорной обмот-

tion: with the usual three-section symmetric

электромеханической части двигателя)

ки (ЯО) по положению ротора: с обычной

and asymmetric four nuclear weapons, with

и пульсация момента. Пульсация момен-

симметричной трехсекционной

conventional composite inductor and two

та зависит от конструкции двигателя,

и несимметричной четырехсекционной

cylindrical inductors permanent magnets.

ЯО, с обычным составным индуктором

The number of radial poles of the two coils

числа секций его якорной обмотки (ЯО)

и с двумя цилиндрическими индуктора-

differ in two times. Yao is designed as a con-

и способа управления током в секциях

ми - постоянными магнитами. Числа

ventional reel with a composite or as a toroi-

ЯО по положению ротора и вала двига-

радиальных полюсов двух индукторов

dal inductor with two inductors. For various

теля. Дискретный способ обеспечивает

отличаются в два раза. ЯО выполнена

inductor and for two inductors is expressed

ток в каждой секции ЯО, не изменяемый

как обычная барабанная при составном

the distribution of magnetic induction

при повороте ротора от момента под-

индукторе или как тороидальная - при

along the circumference of the air gap, the

ключения секции к источнику питания

двух индукторах. Для различных индук-

optimal ratio between the parameters of

до момента отключения ее от источника.

торов и для двух индукторов выражено

the two inductors. The expressions for the

Аналоговый способ обеспечивает токи

распределение магнитной индукции по

relative electromagnetic torque and ripple

в секциях ЯО, изменяемые синусоидаль-

окружности воздушного зазора, опреде-

in this moment. It is established that specific

но при повороте ротора, желательно

лены оптимальные соотношения между

moments in BL motors with three-section

строго синусоидально.

параметрами двух индукторов. Полу-

and four-section Yao is about the same. The

Чаще всего применяют БДПТ с дис-

чены выражения для относительного

pulsation of the electromagnetic torque

кретным управлением из-за более про-

электромагнитного момента и пульса-

have BL motors with integral inductor and

стых конструкции индуктора, схемы

ции этого момента. Установлено, что

single-ended four-section Yao does not ex-

ЯО и схемы управления транзисторами

удельные моменты у БДПТ с трехсек-

ceed 2%, and the plug with two cylindrical

коммутатора по положению ротора.

ционной и четырехсекционной ЯО при-

inductors and symmetric three-Yao does not

При этом обычно выполняют БДПТ с со-

мерно одинаковы. Пульсация электро-

exceed 1%, which is significantly less than

ставным индуктором и симметричной

магнитного момента у БДПТ с состав-

the known torque plug (3,5-4%).

трехсекционной ЯО, шестью или тремя

ным индуктором и несимметричной

Keywords: symmetric and asymmetric three-

силовыми транзисторами при двух-

четырехсекционной ЯО не превышает

section four-section coil, compound coil and

или однополярной коммутации секций

2%, а у БДПТ с двумя цилиндрическими

two cylindrical inductor, electromagnetic

ЯО по положению ротора. Пульсация

индукторами и симметричной трех-

torque, ripple torque.

момента - не менее 3,5-4% из-за си-

секционной ЯО не превышает 1%, что

нусообразного

(не трапецеидального)

значительно меньше, чем у известных

распределения магнитной индукции по

моментных БДПТ (3,5-4%).

окружности воздушного зазора. У БДПТ

Ключевые слова: симметричная трех-

с аналоговым управлением пульсация

секционная и несимметричная четы-

момента не меньше, но во многих случа-

рехсекционная обмотки, составной

ях пульсация не должна превышать 2%.

индуктор и два цилиндрических индук-

тора, электромагнитный момент,

Постановка задачи

пульсация момента.

В настоящей статье поставлена за-

Бесконтактные двигатели постоян-

ударов и т.п., что характерно для авто-

дача рассмотрения четырех вариантов

ного тока (БДПТ) по сравнению с обыч-

номных объектов, например, для транс-

моментных БДПТ с коммутацией ЯО по

ными двигателями постоянного тока

порта. Механическая характеристика

положению ротора с целью определе-

не имеют скользящих контактов и по-

БДПТ аналогична таковой у обычного

ния возможных вариантов БДПТ, у ко-

этому работают более надежно, особен-

двигателя постоянного тока. Общие

торых пульсация электромагнитного

но при вибрациях, ускорениях, после

вопросы по устройству и работе БДПТ

момента не превышает 2%. Конкретно

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

рассматриваются БДПТ с обычной сим-

углом α. Также на рис. 1б в виде точек

секций, подключенных к источнику

метричной трехсекционной и несим

изображены положения двух секций

питания и обтекаемых током. Так как

метричной четырехсекционной ЯО,

трехсекционной ЯО и трех секций че-

ток в секциях ЯО моментных БДПТ не-

с обычным составным индуктором

тырехсекционной ЯО, подключенных

изменный, то относительный момент m

и двумя цилиндрическими индуктора-

к источнику питания, в момент времени,

(отношение момента к максимальному

ми. ЯО выполнена как обычная барабан-

соответствующий началу межкоммута-

моменту) равен сумме относительных

ная при составном индукторе или как

ционного интервала (МКИ) - над осью α,

магнитных индукций b

в местах распо-

тороидальная - при двух индукторах.

и в момент времени, соответствующий

ложения секций, подключенных к источ-

Трехсекционная ЯО коммутируется

середине МКИ - под осью α.

нику питания [6].

шестью транзисторами. В любой момент

Вначале определим и сравним ха-

Согласно рис.

1в минимальный и

времени к источнику питания подклю-

рактеристики моментных БДПТ с со-

максимальный относительные моменты

чены две секции ЯО. Несимметричная

ставным индуктором и трех- или четы-

для БДПТ с трехсекционной ЯО равны

четырехсекционная ЯО предложена

рехсекционной ЯО. Магнитную индук-

= 2 . c + sin 30° + sin 90° = 2 . c + 1,5,

в [10]. В подобной ЯО вторая, третья

цию, изображенную в виде поз. 1 на

min

m-_m

= 2 . (c + sin 60°) = 2 . c + 1,732,

и четвертая секции смещены относи-

рис. 1а, представим на угловом интер-

тельно первой секции на электрический

вале α = 22,5° - 157,5° следующим уни-

а для БДПТ с четырехсекционной ЯО

угол, равный, соответственно, 90, 135

версальным выражением:

min = 3 . c + sin 22,5° + 2 sin 67,5° =

и 225°. Общий вывод всех секций соеди-

b = B_m. (c + sin α) = B_m. c + B_m. sin α,

= 3 . c + 2,230,

нен со средней точкой источника пита-

а соответствующую относительную маг-

m-_m

= 3 . c + 2 sin 45° + sin 90° =

ния. Секции коммутируются восемью

нитную индукцию - выражением

= 3 . c + 2,414.

транзисторами. В любой момент време-

= b /B_m = c + sin α,

ни к источнику питания подключены три

где B_m - максимальная переменная со-

Пульсацию момента μ будем опреде-

секции ЯО. Составной индуктор имеет

ставляющая магнитной индукции.

лять по формуле

внутреннее магнитно-мягкое основа-

Значения b (22,5°) и b (30°) принципи-

ние и наружные полюсы-магниты. Ци-

ально меньше значения b (90°) из-за бо-

линдрические индукторы - постоянные

кового магнитного рассеяния между со-

магниты - имеют радиальные неявно

седними полюсами и различной длины

Для БДПТ с трехсекционной ЯО по-

выраженные полюсы. Числа полюсов

магнитной линии в середине и по кра-

лучим

двух индукторов отличаются в два раза.

ям полюсов. При c = 0,5; 1,0 отношение

b (22,5°) / b (90°) равно, соответственно,

Решение поставленной задачи

0,588; 0,693, а отношение b (30°) / b (90°)

Отсюда μ = 4% при c = 0,642, μ = 3,5%

На рис. 1а показано распределение

равно, соответственно, 0,667; 0,75.

при c = 0,849.

по окружности воздушного зазора маг-

Электромагнитный момент (далее -

Для БДПТ с четырехсекционной ЯО

нитной индукции для составного индук-

момент) пропорционален произведе-

получим

тора и для двух индукторов. Коорди-

нию тока в секциях ЯО и суммы магнит-

ната окружности зазора представлена

ных индукций в местах расположения

При c = 0,642 μ = 2,166%, 4 / 2,166 =

= 1,85.

При c = 0,849 μ = 1,890%, 3,5 / 1,890 =

= 1,85.

Сравним электромагнитные момен-

ты БДПТ с трех- и четырехсекционной

ЯО, у которых электромеханическая

часть выполнена в одних и тех же габа-

ритах, площади всех пазов якоря равны,

напряжения на секциях ЯО одинаковы,

равны энергии, потребляемые ЯО. При

этом параметры и характеристики БДПТ

с трех- и четырехсекционной ЯО будем

обозначать, соответственно, с индек-

сом 3 и с индексом 4.

При равенстве площадей всех пазов

якоря справедливы выражения

Рис. 1. Распределение магнитной индукции по окружности воздушного зазора

и положения секций обмоток:

а) распределение магнитной индукции для составного индуктора - поз. 1, для двух

где w₃ и w₄, g₃ и g₄ - числа витков од-

индукторов: от воздействия основного индуктора - 2, от воздействия дополнительного

индуктора - 3, от воздействия обоих индукторов - 4;

ной секции ЯО на пару полюсов и пло-

б) положения двух секций трехсекционной ЯО в начале и середине МКИ;

щади поперечного сечения проводни-

в) положения трех секций четырехсекционной ЯО

ков ЯО.

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

При равенстве напряжений U на сек-

индуктор - двухполюсный, а дополни-

где

циях ЯО отношение токов в секциях ЯО

тельный - четырехполюсный. На рис. 2а

как бы удалена часть основного индук-

Требуемое значение коэффициента

тора до линии вырыва 6, что позволяет

K можно обеспечить, передвигая до-

увидеть часть дополнительного индук-

полнительный индуктор вдоль вала

где R₃ и R₄ - сопротивления секций ЯО.

тора, расположенного за основным.

двигателя.

С другой стороны, при равенстве на-

Положение индукторов соответствует

Определим значение коэффициента

пряжений U и энергий, потребляемых

середине МКИ. На рис. 2б показано на-

K из условия равенства относительных

ЯО, справедливо выражение

правление тока в двух секциях ЯО в виде

моментов m

в начале, середине и конце

каждого МКИ. Такие моменты являются

3 . I₄ = 2 . I₃.

Каждая секция ЯО состоит из двух

минимальными - m

min. Максимальный

Из двух последних формул получим

диаметрально противоположных торо-

относительный момент m

max определим,

идальных катушек 4, уложенных вокруг

решив уравнение

магнитопровода якоря. Необходимость

d m

^-/dα = 0.

Для отношения моментов справед-

применения тороидальной ЯО вызвана

ливы выражение и значение

тем, что не показанная на рис. 1а, поз. 4

Определив значение его корня

отрицательная полуволна магнитной ин-

α = α_m, найдем значение m

max как m-(αm)

дукции от воздействия двух индукторов

и пульсацию момента μ.

значительно отличается от положитель-

Для БДПТ с трехсекционной ЯО, со-

Можно считать, что M₄ = M₃.

ной полуволны. Она имеет меньшую дли-

гласно рис. 1а и 1б, относительный мо-

тельность,

большую

мент в начале и конце каждого МКИ

амплитуду и худшую

-' = sin 30° + sin 90° +

форму, близкую к тре-

+ K . (cos 60° + cos 180°) = 1,5-0,5 . K,

угольной.

Поэтому

применение обычной

а в середине каждого МКИ

барабанной ЯО значи-

-'' = 2 . (sin 60° + K . cos 120°) = 1,732- K.

тельно увеличило бы

пульсацию момента.

Так как m

-'' = -', то K = 0,464 (см.

Для

индукторов

рис. 1а, поз. 2 и 3),

в виде цилиндрических

min = 1,732 - 0,464 = 1,268.

постоянных магнитов

с радиальными полю-

Будем считать, что угол α - координа-

сами распределение

та крайней левой секции ЯО на рис. 1б.

магнитной индукции по

Тогда для относительного момента мож-

окружности воздушно-

но записать следующее выражение:

го зазора близко к си-

нусоидальному. Так как

якорь расположен на-

против обоих индукто-

ров, то можно рассма-

тривать распределение

результирующей для

ЯО магнитной индукции

b в воздушном зазоре

Рис. 2. Продольное (а) и поперечное (б) сечения

и, используя принцип

электромеханической части БДПТ с трехсекционной ЯО

суперпозиции, описы-

Отсюда α = 60° (середина МКИ),

Теперь рассмотрим моментные

вать его следующим выражением:

БДПТ с двумя цилиндрическими ин-

дукторами, числа полюсов которых от-

личаются в два раза. На рис. 2 изобра-

жены продольное и поперечное сече-

где l₁ и l₂ - длины индукторов 1 и 2 (см.

ния электромеханической части БДПТ

рис. 2а), B_m1 и B_m2 - амплитуды соответ-

Для БДПТ с четырехсекционной ЯО,

с трехсекционной ЯО.

ствующих магнитных индукций в воз-

действуя аналогично, получим

Электромеханическая часть БДПТ

душном зазоре.

состоит из основного цилиндрическо-

Для относительной результирующей

го индуктора, дополнительного цилин-

для ЯО магнитной индукции b

справед-

дрического индуктора 2 с удвоенным

ливо выражение

числом полюсов, якоря 3, содержаще-

Ввиду малости пульсации мо-

го магнитопровод и тороидальную ЯО

мента для БДПТ с различными ЯО

из катушек 4, и вала 5. Здесь основной

нет необходимости выполнять БДПТ

Мехатронные системы,

исполнительные устройства

№ 2 2017

с четырехсекционной ЯО. Достаточно

двигатели постоянного тока. - М.: Энергоато-

Гридин Владимир Михайлович

выполнить БДПТ с трехсекционной ЯО

миздат, 1989. - 223 с.

Родился в 1940 году. В 1963 году окончил

и двумя цилиндрическими индукторами.

4. Осин И.Л., Юферов Ф.М. Электрические

Московский энергетический институт (МЭИ)

машины автоматических устройств: учебн.

по специальности «Авиационное электро-

Выводы

пособие для вузов. - М.: Издательство МЭИ,

оборудование». Кандидат технических наук,

В результате рассмотрения четырех

2003. - 424 с.

доцент. В 1979 году защитил диссертацию

вариантов моментных БДПТ с двухпо-

5. Баранов М.В., Бродовский В.Н., Зимин А.В.,

по теме «Исследование и расчет трехфаз-

лярной коммутацией ЯО по положе-

Каржавов Б.Н. Электрические следящие при-

ных бесконтактных двигателей постоянного

нию ротора, отличающихся конструк-

воды с моментным управлением исполни-

тока с однополупериодной коммутацией».

цией индуктора и числом секций ЯО,

тельными двигателями. - М.: Издательство

Опыт работы - 53 года. В настоящее время

установлено, что удельные моменты

МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 240 с.

работает доцентом кафедры «Электротех-

у БДПТ с трехсекционной и четырех-

6. Гридин В.М. Электромагнитные харак-

ника и промышленная электроника» Мо-

секционной ЯО примерно одинаковы.

теристики моментных бесконтактных дви-

сковского государственного технического

Пульсация электромагнитного момен-

гателей постоянного тока. - Вестник МГТУ

университета (МГТУ) им. Н.Э. Баумана. Автор

та у БДПТ с составным индуктором

им. Н.Э. Баумана, серия «Машиностроение»,

60 печатных научных трудов, в том числе

и несимметричной четырехсекцион-

2011, № 2, с. 75-86.

1 монографии, 16 авторских свидетельств на

ной ЯО не превышает 2%, а у БДПТ

7. Гридин В.М. Бесконтактные тахогенератор

изобретение.

с двумя цилиндрическими индуктора-

и моментный двигатель постоянного тока

ми и симметричной трехсекционной

с двумя индукторами и однополупериодной

Gridin Vladimir

ЯО не превышает 1%, что значительно

коммутацией. - Инженерный вестник, 2015,

Was born in 1940. In 1963 he graduated from

меньше, чем у известных моментных

№ 11, с. 14.

Moscow National Research University «MPEI»

БДПТ (3,5-4%). Поэтому такие БДПТ мо-

8. Гридин В.М. Бесконтактный моментный

with specialization in «Airborne electrical equip-

гут найти применение.

двигатель постоянного тока с двухсекцион-

ment». He is candidate of technical sciences,

ной обмоткой. - Электро, 2016, № 3, с. 39-42.

associate professor. In 1979 he defended the

Литература

9. Гридин В.М. Способы уменьшения пуль-

thesis, the topic of thesis is «Research and cal-

1. Балагуров В.А., Гридин В.М., Лозенко В.К.

сации момента и выходного напряжения

culation of three-phase DC contactless motors

Бесконтактные двигатели постоянного тока

бесконтактных моментных двигателей и тахо-

with half-wave commutation». He has 53 years

с постоянными магнитами. - М.: Энергия,

генераторов постоянного тока. - Электриче-

of work experience. At present he works as as-

1975. - 128 с.

ство, 2016, № 4, с. 56-61.

sociate professor of «Electric engineering and

2. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бескон-

10. Гридин В.М. Вентильный электродвига-

industrial electronics» department of Moscow

тактные двигатели постоянного тока. - Л.: На-

тель. Авторское свидетельство на изобре-

State Technical University. He has 60 published

ука, 1979. - 270 с.

тение

№ 1270846. Открытия. Изобретения.

scientific papers, including

1 monograph,

3. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю. Моментные

1986, № 42.

16 inventor›s certificate.

Электронные компоненты, датчики

№ 2 2017

Электрофизические параметры

GaAs-диодных p-i-n-структур

// Electrophysical parameters of GaAs-diodes p-i-n-structures //

Сурайкин А.И., к. т. н.,

восстановления обратного сопротив-

Суменков А.Н.,

ления (время обратного восстановле-

Мордовский национальный исследовательский университет

ния) t_RR. Этот параметр представляет

имени Н.П. Огарёва, г. Саранск

собой интервал времени, необходимый

для восстановления высокого обратного

В статье представлены результаты

The article provides results of research

сопротивления при переключении дио-

исследования динамических характе-

dynamic characteristics new type

да из режима прямого смещения с задан-

ристик нового класса полупроводнико-

semiconductor devices - high-speed,

ным прямым током в режим отсечки с за-

вых приборов - быстродействующих

high-voltage, mesaepitaxial GaAs-diodes

данным обратным напряжением. Время

высоковольтных мезаэпитаксиальных

for a consumer application in rectifier

восстановления t_RR быстродействующих

GaAs-диодов, предназначенных для

technique and pulse equipments. Provides

GaAs p-i-n-диодов, как и обычных ди-

широкого применения в преобразова-

reverse recovery time features and values of

одов с p-n-переходом, состоит из двух

тельной технике и импульсных устрой-

electrophysical parameters.

фаз: фазы t₁, когда инжектированные но-

ствах. Приводятся данные измерений

Keywords: gallium arsenide, p-i-n-diode,

сители заряда экстрагируются из i-слоя,

времени восстановления обратного

mesaepitaxial structure, reverse recovery

и фазы t₂, когда i-слой практически пол-

сопротивления и значения электрофи-

time, lifetime of minority carriers.

ностью освобождается от подвижных

зических параметров.

носителей заряда, и устанавливается

Ключевые слова: арсенид галлия,

равновесие между приложенным обрат-

p-i-n-диод, мезаэпитаксиальная струк-

ным напряжением и шириной области

тура, время восстановления обратно-

го сопротивления, время жизни неоснов-

пространственного заряда [4]. Исполь-

зуя взаимосвязь вышеуказанных фаз t₁

ных носителей заряда.

и t₂ восстановления диодов с временем

Из многих направлений развития со-

производства многослойных эпитакси-

жизни подвижных носителей заряда,

временной электронной компонентной

альных GaAs-структур. Разработка меза-

можно рассчитать время жизни неравно-

базы (ЭКБ) можно отметить относитель-

эпитаксиальных p-i-n-диодов на основе

весных носителей заряда. Специфика за-

но новое

- высоковольтные быстро-

таких структур, идентификация их важ-

ключается в том, что в p-i-n-структурах,

действующие переключающие диоды

нейших параметров с целью определе-

где имеется инжекция электронов и ды-

на основе многослойных GaAs-меза

ния диапазона применения таких диодов

рок в высокоомный i-слой, практически

эпитаксиальных p-i-n-структур, из-

в электронной технике являются не про-

невозможно определить раздельно вре-

готовленных комбинацией процессов

сто актуальными, но и перспективными

мя жизни электронов и дырок. Можно

жидкофазной (ЖФЭ) и газофазной (ГФЭ)

задачами [3]. Кроме этого, для физико-

говорить лишь о некотором среднем

эпитаксий [1]. Эти диоды предназначены

технологического моделирования меза-

времени жизни подвижных носителей

для широкого применения в преобразо-

эпитаксиальных диодных p-i-n-структур

заряда, вклад в которое вносят и элек-

вательной и импульсной электронной

необходима идентификация ряда элек-

троны, и дырки. Это касается и ряда

технике. Достоинства GaAs p-i-n-диодов

трофизических параметров, таких как

других электрофизических параметров,

можно кратко сформулировать так: вы-

подвижность носителей заряда, время

таких как коэффициент диффузии носи-

сокая скорость переключения; высокая

жизни неосновных носителей заряда,

телей заряда, подвижность носителей

рабочая температура; высокая радиа-

коэффициент диффузии и диффузион-

заряда

(амбиполярная подвижность),

ционная стойкость; минимизированная

ная длина неосновных носителей заря-

коэффициент диффузии носителей за-

емкость; малый заряд обратного восста-

да. Идентификация данных параметров

ряда (амбиполярный коэффициент диф-

новления; высокие частоты коммутации;

является непростой задачей, так как

фузии) [5].

высокая динамическая устойчивость;

в p-i-n-структурах электрофизические

Измерение характеристики вос-

слабая зависимость заряда восстанов-

параметры имеют свою специфику.

становления обратного сопротивления

ления, времени обратного восстановле-

GaAs p-i-n-диодов проводилось в со-

ния и обратного тока восстановления от

Постановка задачи

ответствии с ГОСТ 18986.8-73, по схеме

температуры [2].

Для быстродействующих GaAs

измерения, представленной на рис. 1,

Как за рубежом, так и на ряде россий-

p-i-n-диодов одним из основных дина-

с применением генератора импульсов

ских предприятий имеются технологии

мических параметров является время

AVR-EB4-B производства фирмы AVTECH.

Электронные компоненты, датчики

№ 2 2017

Рис. 2. Структура мезаэпитаксиального кристалла

GaAs p-i-n-диода (A - катод, B - n⁺, C - p-i-n-область, D - анод)

на этом ин-

Результаты исследования

тервале ток

GaAs-диодов

Рис. 1. Схема установки измерения времени обратного восстановления

не меняется,

Измеренные значения времени об-

полупроводниковых диодов с применением генератора AVR-EB4-B (G)

и мы имеем

ратного восстановления диодов и от-

Теория

дело с фазой постоянного тока. По мере

ношение обратного тока к прямому току

Структура эпитаксиального кристал-

приближения к временной отсечке t₁

диодов типа АД6108Б представлены

ла высоковольтного GaAs p-i-n-диода

концентрация носителей заряда умень-

в таблице 1.

типа АД6108Б представлена на рис. 2

шается, стремится к нулю. Но здесь

Как можно увидеть, среднее значе-

(размер кристалла 3,4 х 3,4 мм).

следует отметить, что поскольку в GaAs

ние времени обратного восстановления

Основой создания быстродейству-

подвижность электронов более чем

в исследуемой группе диодов АД6108Б

ющих высоковольтных диодов является

в тридцать раз превышает подвижность

<t_RR> = 53,9 нс.

многоэпитаксиальная GaAs-структура

дырок, то к моменту времени t₁ концен-

Анализ измеренных значений време-

p⁺-p-i-n-n⁺-типа или ее модификации,

трация электронов все же будет меньше

ни обратного восстановления t_RR исследу-

полученные методом ЖФЭ.

по сравнению с концентрацией дырок.

емой группы диодов АД6108Б (таблица 1)

Высокоомная внутренняя i-область

Времена t₁ и t₂ связаны с временем жиз-

показывает, что данная величина (среднее

p-i-n-диода имеет обычно толщину от

ни носителей заряда трансцендентными

значение - 53,9 нс) может быть исполь-

единиц до сотен микрометров, а кон-

уравнениями Кингстона [4]

зована для расчета электрофизических

центрация носителей заряда в ней

параметров диодной p-i-n-структуры,

составляет примерно

10¹³ см^-3. Если

erf

(1)

например, такого параметра, как время

источник внешнего постоянного на-

жизни носителей заряда. Для расчета вре-

пряжения подключить положительным

мени жизни носителей заряда характери-

электродом к аноду диодной структуры





стика обратного восстановления разбива-

exp



−



(р⁺-слою), а отрицательным - к катоду









ется на два участка - t₁ и t₂ (рис. 3).

erf

=1+

⋅





(2)





(n⁺-слою), то в i-слое будет увеличивать-

Для нахождения времени жизни





⋅

ся концентрация электронов и дырок

подвижных носителей заряда в i-слое

из-за инжекции дырок из р⁺-области, ин-

где τ - время жизни носителей заряда

необходимо решить трансцендентное

жекции электронов из n⁺-области и их

в i-слое;

уравнение (1) относительно τ. Для этого

аккумуляции в i-слое. При этом концен-

I_R - величина обратного тока;

перепишем его в следующем виде:

трация инжектированных носителей бу-

I_F - величина прямого тока;





y(τ)

=1−

1+

erf

(3)

дет составлять от 10¹⁶ до 10¹⁷ см^-3. Через



^R

erf

- функция ошибок Гаусса.



I_F

структуру будет протекать постоянный

ток I_F прямого направления. При обрат-

Таблица 1. Время обратного восстановления диодов АД6108Б

ном смещении количество носителей

Параметры обратного восстановления диодов

в i-слое будет падать относительно на-

Номер

диода

t_RR, нс

t₁, нс

t₂, нс

I_R/I_F

чального значения (10¹³ см^-3) примерно

на порядок. Таким образом, количество

51,2

39,4

11,8

носителей в i-слое при переходе от ре-

53,2

12,2

жима прямого тока (прямого смещения)

56,0

к режиму обратного смещения меняется

56,4

12,4

на четыре порядка. Примерно так же ме-

53,2

12,2

няется и проводимость i-слоя.

57,2

49,0

8,2

На основании характеристики вос-

становления обратного сопротивления

53,2

45,0

8,2

можно сделать вывод, что на интерва-

50,8

11,8

ле времени 0 < t < t₁ напряжение U_R,

Среднее

53,9

42,8

11,1

а ток примерно равен I_R ≈ U_R/R. То есть

значение

Электронные компоненты, датчики

№ 2 2017

носителей заряда (при заданном значе-

D⋅τ,

(4)

нии отношения I_R/I_F = 1). Функция y(τ)

где D - амбиполярный коэф-

представлена на рис. 5.

фициент диффузии неравно-

Полученная величина времени жиз-

весных носителей заряда.

ни неравновесных носителей заряда

В соответствии с соотно-

τ ≈ 16 нс оказывается на целый порядок

шением Эйнштейна

меньше, чем в случае расчета времени

жизни неосновных носителей заряда,

D=ϕ

⋅µ

(5)

eff

рассчитанного относительно интервала

где φ_T = 0,026 В - тепловой

времени t₁. Такое различие наблюдается

потенциал при T = 300 K,

только в случае p-i-n-структур [5]. Это

µ_eff

= 3500 см²/В·с - амбипо-

связано с тем, что по окончании интер-

лярная подвижность нерав-

вала времени t₁ высокоомный i-слой

новесных носителей заряда

практически полностью освобождается

(на основании измерений

от неравновесных носителей заряда,

ЭДС Холла диодных GaAs

и затем в течение интервала времени

p-i-n-структур).

неравновесные носители заряда на-

В соответствии с (5) полу-

ходятся в соседних с i-слоем более ле-

Рис. 3. Характеристика среднего времени обратного

чим значение амбиполярно-

гированных p- и n-областях, где время

восстановления GaAs p-i-n-диодов с фазами

го коэффициента диффузии

жизни неравновесных носителей заряда

восстановления t₁ и t₂

неравновесных носителей

всегда меньше.

При таком решении уравнения (1)

заряда D = 91 см²/с. Зная данную ве-

Таким образом, при расчете вре-

точка прохождения функции y через

личину, в соответствии с (4) вычислим

мени жизни неравновесных носителей

ноль отсечет на оси абсцисс величину

амбиполярную диффузионную дли-

заряда на интервале времени t₂ мы по-

времени жизни носителей заряда (при

ну неравновесных носителей заряда

лучили величину (16 нс), относящуюся

заданном значении отношения I_R/I_F = 1).

L = 413,6.10^-5 см ≈ 41 мкм.

не к i-слою, а к p- и n-областям. Это зна-

Функция y(τ) представлена на рис. 4.

Для решения уравнения (2) относи-

чение можно рассматривать как сред-

Полученную величину времени жиз-

тельно τ перепишем его в следующем

нее время жизни неравновесных носи-

ни неравновесных носителей заряда

виде:

телей заряда в p- и n-областях. Но при-

τ ≈ 188 нс следует рассматривать как



нимая во внимание то обстоятельство,

exp



^−







I



эффективное (суммарное) время жизни

что время жизни дырок всегда меньше,

y(τ)=1−erf

−

⋅ 



. (6)





носителей заряда - электронов и дырок.





чем электронов, а ток через p-i-n-диод

⋅

Эффективное время жизни неравновес-

на интервале t₂ лимитирован носителя-

ных носителей заряда τ позволяет вы-

При таком подходе решение уравне-

ми с большим временем жизни, вычис-

числить амбиполярную диффузионную

ния (6) будет также находиться в точке

ленное значение времени жизни можно

длину неравновесных носителей заря-

прохождения функции y(τ) через ноль.

в первом приближении соотнести с вре-

да в i-слое p-i-n-диода, например, при

При этом на оси абсцисс будет зафик-

менем жизни неравновесных электро-

T = 300 K

сирована величина времени жизни

нов в катодной n-области: τ_n ≈ 16 нс.

Рис. 4. Графическое решение трансцендентного уравнения (1)

Рис. 5. Графическое решение трансцендентного уравнения (6):

в виде (3): значение функции y(τ) = 0 соответствует τ = 188,2 нс

значение функции y(τ) = 0 соответствует τ = 16 нс

Электронные компоненты, датчики

№ 2 2017

Таблица 2. Электрофизические параметры неравновесных носителей заряда

детельства об официальной регистрации

в i-слое диодов АД6108Б при T = 300 K

топологий ИМС.

Параметр

t_RR, нс

τ, нс

D, см²/с

L, мкм

Суменков Александр Николаевич

Среднее значение

53,9

188

Родился в 1994 году. В 2015 году окончил

Рассчитанные средние значе-

2. Сурайкин А.И. Быстродействующие высо-

Мордовский государственный университет

ния электрофизических параметров

ковольтные GaAs-диоды для преобразова-

имени Н.П. Огарёва по специальности «Элек-

неравновесных носителей заряда

тельной техники и импульсных // Электрони-

троника и наноэлектроника». В настоящее

в i-слое GaAs p-i-n-диодов типа АД6108Б

ка и электрооборудование транспорта. № 2,

время является магистрантом Национально-

представлены в таблице 2.

2015. - С. 35-37.

го исследовательского Мордовского государ-

3. Сурайкин А.И., Федотов Е.Н. Быстродей-

ственного университета имени Н.П. Огарёва.

Выводы

ствующие, высоковольтные GaAs диоды

Имеет 2 научных труда.

В ходе работы проведено измерение

для силовой электроники

// Электронное

характеристики восстановления обрат-

периодическое издание

«Огарев-online»,

Suraikin Alexander

ного сопротивления быстродействую-

Технические науки, вып. 22. Режим доступа:

Was born in 1963. In 1985 he graduated from

щих GaAs p-i-n-диодов типа АД6108Б,

http://appmath.mrsu.ru/ogarev_onlain.

Mordovskiy State University named after

подвижности неравновесных носителей

4. S.M. Sze, Kwok K. Ng. Physics of Semicon-

N.P. Ogaryev with specialization in «Semicon-

заряда и выполнен расчет таких электро-

ductor Devices, John Wiley and sons, Inc. 2007.

ductors and dielectrics». He is a candidate of En-

физических параметров, как эффектив-

P. 114-117.

gineering Sciences. In 1998 he defended a thesis

ное время жизни неравновесных носи-

5. Уотсон Г. СВЧ-полупроводниковые прибо-

on the subject «VLCI of video-processor for re-

телей заряда, амбиполярный коэффици-

ры и их применение / Под ред. Г. Уотсона. - М.:

ceiving devises of TV signals». His work experi-

ент диффузии неравновесных носителей

Мир, 1972. - С. 304-334.

ence is 31 years. At present he works as a head

заряда, амбиполярная диффузионная

of Development of structures and products

длина неравновесных носителей заряда.

Сурайкин Александр Иванович

design bureau of «Orbita» experimental design

Знание вышеуказанных параметров

Родился в 1963 году. В 1985 году окончил

bureau, associate professor at the electronics

и возможность их определения в теку-

Мордовский государственный университет

and nanoelectronics department in Mordovskiy

щем производстве быстродействующих

имени Н.П. Огарёва по специальности «По-

State University named after N.P. Ogaryev. He

GaAs p-i-n-диодов позволяют управлять

лупроводники и диэлектрики». Кандидат

has 58 scientific publications, 8 patents includ-

технологией их изготовления, а также

технических наук. В 1998 году защитил дис-

ing 4 certificates about official registration of IC

проводить оптимизацию конструктив-

сертацию по теме «СБИС видеопроцессора

topology.

но-топологических параметров с помо-

для приемников телевизионных сигналов».

щью компьютерных программ физико-

Опыт работы - 31 год. В настоящее вре-

Sumenkov Alexander

технологического моделирования.

мя работает начальником КБ разработки

Was born in 1994. In 2015 graduated from Mor-

структур и изделий ОКБ АО «Орбита», до-

dovskiy State University named after N.P. Oga-

Литература

центом кафедры электроники и наноэлек-

ryev with specialization in

«Electronics and

1. Арсенид галлия. Получение, свойства,

троники Мордовского государственного

nanoelectronics». At present is master’s degree

применение / Под ред. Кесаманлы Ф.П., На-

университета имени Н.П. Огарёва. Имеет

student at Mordovskiy State University named

следова Д.Н. - М.: Наука, 1973. - С. 36-47.

58 научных трудов, 8 патентов, из них 4 сви-

after N.P. Ogaryev. He has 2 scientific works.

Электронные компоненты, датчики

№ 2 2017

Датчики бортовых устройств

регистрации

// Sensors of onboard devices of registration //

Попов Ю.В., д.т. н.,

Характеристики датчиков

Фомин А. Г.,

Датчики во многом определяют ка-

Научно-исследовательский центр

чество средств измерений, и знание их

Центрального научно-исследовательского института ВВС МО,

характеристик является весьма важным

г. Люберцы

при их разработке и использовании.

Основные характеристики датчика

В статье рассмотрены датчики,

In article, sensors that are used for

определяются в нормальных условиях,

которые используются для регистра-

registration of parameters of flight

то есть при регламентированных па-

ции параметров полета бортовыми

by onboard devices of registration

раметрах окружающей среды. Датчик,

устройствами регистрации. Качество

are considered. Quality of registration

установленный на ВС, чувствителен

регистрации параметров полета опре-

of parameters of flight are defined by

не только к физической величине, под-

деляется характеристиками датчи-

characteristics of sensors. Factors that

лежащей или подвергаемой измерению,

ков. Рассмотрены факторы, влияющие

influence process of measurement

но и к другим величинам той или другой

на процесс измерения параметров по-

of parameters of flight are considered.

размерности и даже другой физической

лета. Определены основные метроло-

The main metrological characteristics

природы, которые могут воздейство-

гические характеристики датчиков,

of sensors that are used for measurement

вать на датчик во время измерения или

которые используются для измерения

of parameters of flight are defined.

до него. Величины, которые не должны

параметров полета.

Keywords: sensors, onboard device

Ключевые слова: датчики, бортовое

of registration, metrological characteristics,

измеряться датчиком, но проявляются

устройство регистрации, метрологи-

factors.

в его выходном сигнале и вносят до-

ческие характеристики, факторы.

полнительную погрешность, называют

влияющими (применяют также термин

Современные воздушные суда (ВС)

измерительные преобразователи

«влияющие факторы»).

немыслимы без получения количествен-

датчики.

БУР самых общих позиций можно

ной и качественной информации о тех

Датчики - измерительный преобра-

представить в виде датчика D и блока

или иных процессах по управлению,

зователь, на который непосредственно

обработки измерительного сигнала V

работоспособности систем, агрегатов

воздействует измеряемая физическая

(рис. 1).

и двигателей. Измерение - единствен-

величина, то есть первый преобразо-

ный способ получения количественной

ватель в измерительной цепи реги-

информации о состоянии ВС. Современ-

страции.

ные бортовые устройства регистрации

Одной из основных частей датчика

(БУР), которые устанавливаются на бор-

является чувствительный элемент

ту ВС, располагают средствами измере-

часть измерительного преобразователя

ния и регистрации нескольких сот раз-

в измерительной цепи, воспринимаю-

личных параметров полета и работоспо-

щая входную величину [1].

собности авиационной техники.

В чувствительном элементе с помо-

Рис. 1. Структурная схема БУР

Любое измерение начинается с вос-

щью определенного физического эф-

приятия измеряемых величин и фор-

фекта входная величина преобразуется

Подробный анализ такой струк-

мирования измерительного сигнала,

в сигнал, поступающий в последующую

турной схемы позволяет определить

который затем подвергается необходи-

измерительную цепь БУР для регистра-

величины, воздействующие на измери-

мым преобразованиям и регистрации.

ции значения параметра.

тельное устройство. Воздействующие

Большая часть параметров, которые

Датчик выдает измерительный сиг-

величины можно разделить на несколь-

регистрируют БУР, являются неэлек-

нал, в котором содержится количествен-

ко отдельных групп. При этом на датчик

трическими величинами. Параметры

ная информация об измеряемой физи-

D воздействует измеряемая величина

неэлектрических величин в процессе

ческой величине в форме, удобной для

X = {x₁, x₂, …, x_m}, паразитная нагрузка

регистрации преобразуются в электри-

передачи, дальнейшего преобразова-

Р, параметры внешней среды S, влияю-

ческие величины. Для осуществления

ния, обработки и (или) хранения, но он

щие на процесс измерения, и случай-

подобных преобразований широко

не поддается непосредственному вос-

ный разброс измеряемой величины W,

применяются различные первичные

приятию наблюдателем.

а на блок обработки измерительного

Электронные компоненты, датчики

№ 2 2017

сигнала - промежуточный измеритель-

(например, воздействие вибраций на

погрешностей измерения датчика. Па-

ный сигнал и совокупности влияющих

измерительные преобразователи дав-

раметры датчика в реальных условиях

параметров Sv. Все перечисленные ве-

ления). Интенсивность воздействия та-

эксплуатации (х, Н) можно определить

личины, кроме измерительных сигна-

ких факторов на датчик зависит от типа

путем разложения выражения (1) в ряд

лов X и W, будем рассматривать в виде

ВС, его летно-технических характери-

в окрестности рабочей точки (x, 0):

n-мерных векторов, что в первом при-

стик и места установки датчика на ВС

ближении достаточно строго в матема-

(см. рис. 2). Различные влияющие вели-

тическом смысле и упрощает последу-

чины представляют собой основные ис-

ющий анализ. В самом общем случае

точники погрешностей измерений дат-

(2)

измеряемую величину можно рассма-

чиков. При этом, очевидно, компоненты

тривать как случайную, характеризую-

вектора S идентичны отклонениям влия-

При более глубоком анализе равен-

щуюся определенным запасом распре-

ющих величин от произвольного исход-

ства (2) очевидно, что члены ряда, за

деления (эффект разброса величин, ха-

ного состояния, за которое чаще всего

исключением φ(х), можно разделить на

рактеризуется вектором W). В статье [2]

принимаются нормальные условия, то

две группы. Первая из них содержит

'''

предложена методика определения раз-

есть при нормальных условиях влияние

(x)h +ϕ

(x)h

+ϕ

(x)h

…

броса градуировочных характеристик.

вектора S на результат измерений услов-

Здесь, помимо составляющих, зави-

Под паразитными нагрузками Р по-

но принимается пренебрежимо малым.

сящих от измеряемой величины x, со-

нимаются принципиально адекватные

Учитывая введенные выше понятия

держатся только влияющие величины h,

измеряемой величине X физические

воздействующих векторов

которые в совокупности и определяют

величины, искажающие результат изме-

, w

,..., w

составляющие погрешности, обуслов-

рения. В качестве примера можно при-

ленные внешними воздействиями. Ко

,...,

вести поперечные перемещения и вра-

второй группе относятся члены ряда,

, s

,..., s

щательные движения при измерении

содержащие произведения вида h_vh_m

перемещений, поперечные силы и мо-

датчик можно описать оператором вида

(v ≠ m) и характеризующие, следова-

менты, действующие при измерении

тельно, составляющие погрешности

U =ϕ(x,W,P,S) =ϕ(x,H),

(1)

перегрузок. На рис. 2 показана схема

измерений, обусловленные взаимодей-

установки датчика, предназначенного

где Н - результирующий воздействую-

ствием отдельных влияющих факторов.

для регистрации аналогового параме-

щий фактор,

В подавляющем большинстве случаев

тра «Отклонения элерона правого вну-

влиянием данных членов ряда на сум-

треннего».

марную погрешность можно прене-

бречь, так как они представляют собой

Выражение (1) опи-

величины высшего порядка малости по

сывает датчик при любых

сравнению с членами первой группы.

условиях эксплуатации,

Данные соображения позволяют пред-

поэтому с достаточной

ставить ряд (2) в виде

степенью достоверности

может использоваться

. (3)

для анализа метрологи-

ческих характеристик

Выражение (3) в более наглядной

любого датчика.

форме раскрывает процесс воздействия

Метрологические

внешних влияющих факторов W, Р, S

характеристики датчика

на результат измерения φ(х), который

Рис. 2. Схема установки датчика

определяются его кон-

обеспечивается только при отсутствии

Влияние данных эффектов может

структивно-технологическими особен-

внешних источников погрешностей.

заметно сказываться на результатах из-

ностями, стабильностью свойств приме-

Для простейшей интерпретации

мерений, в связи с чем в подавляющем

ненных в нем материалов, особенностя-

процесса измерения необходимо

большинстве случаев необходимо при-

ми процессов взаимодействия датчика

определить идеальную передаточную

менять специальные меры непосред-

с измеряемым объектом. Свойства дат-

функцию измерительного устройства

ственно на ВС или при обработке на на-

чика определяются в первую очередь

U = φ_S(х). Тогда все отклонения от дан-

земных устройствах обработки.

тем, как он воспринимает и воспроизво-

ной функции при нормальных условиях

Различные влияющие факторы (век-

дит в измерительном сигнале на выходе

можно рассматривать как погрешность

тор S) представляют собой совокуп-

подлежащую измерению величину.

измерений, которая обусловлена соб-

ность в общем случае немеханических

ственной неидеальностью измеритель-

величин (температура, влажность), вли-

Метрологические

ного устройства БУР. Передаточная

яющих на параметры измерительного

характеристики датчиков

функция БУР линейна. Тогда выражение

устройства. Сюда же можно отнести все

Рассмотрим основные метрологиче-

(3) можно представить в виде

механические величины, которые при

ские характеристики датчиков.

воздействии на датчик вызывают из-

1. Погрешность измерений

менения его выходного сигнала, не яв-

Метрологические

характеристи-

ляясь полезной входной величиной

ки определяют характер и величины

Электронные компоненты, датчики

№ 2 2017

Отсюда уже достаточно просто

ной величины регистратора и входной

характеристики датчика данного типа

оценить суммарную приведенную по-

величины датчика. Градуировка дат-

принимается некоторый усредненный

грешность регистратора по известной

чиков охватывает совокупность опе-

градуировочный график большой груп-

формуле

раций, позволяющих в графической

пы однотипных датчиков, которые реги-

и аналитической формах выразить со-

стрируют параметр на однотипных ВС.

отношение между значением выход-

Рассмотрим получение обобщенной

ной величины регистратора и входной

функции преобразования для датчика

величины датчика. Градуировочные

перегрузки

, используемого

характеристики получают при статиче-

для регистрации вертикальной пере-

ском режиме работы БУР. Статический

грузки. В таблице 1 представлены обоб-

режим - это такой режим, при котором

щенные данные функций преобразова-

(4)

измеряемая величина не изменяется

ний N датчиков.

во времени. Такой режим работы воз-

Определим среднюю функцию пре-

где U_N - нормальное значение измерен-

никает при градуировочных работах,

образования датчика и доверительный

ной величины.

которые проводятся при техническом

интервал. Объем выборки составляет N.

В выражении (4) первое слагаемое

обслуживании ВС. При проведении гра-

Среднее выборочное значение опреде-

представляет собой составляющую по-

дуировочных работ получают зависи-

ляется по формуле

грешности, обусловленную влиянием

мость входной X и выходной U величин

∑

неидеальности измерительного устрой-

датчика, которая описывается функци-

ства; второе слагаемое - составляющую

ей преобразования [3]

погрешности, обусловленную эффектом

U = φ(X),

Дисперсия вычисляется по формуле

рассеяния измеряемой величины; тре-

где U - значения выходной величины;

тье слагаемое характеризует дополни-

X - эталонные значения входной вели-

−

)

∑

i=1

тельную погрешность, обусловленную

чины.

−1

паразитными нагрузками; четвертое

Достоверность результатов градуи-

слагаемое определяет дополнительную

ровки характеризуется воспроизводи-

Объем заданной выборки достаточ-

погрешность, обусловленную воздей-

мостью результатов измерений. Граду-

но большой, поэтому можно использо-

ствием внешних влияющих факторов. Та-

ировочные характеристики однотипных

вать нормальное распределение. При

ким образом, первый член уравнения (4)

датчиков будут несколько отличаться

нормальном распределении будем по-

можно рассматривать как основную по-

друг от друга.

лагать, что t_γ = t, а S = σ. По заданной на-

грешность, а сумму остальных членов

В паспорте датчика приводится не-

дежности γ = 0,95 найдем с помощью та-

правой части выражения (4) - как допол-

которая средняя характеристика, на-

блицы стандартного нормального рас-

нительную погрешность измерений.

зываемая номинальной. Данная харак-

пределения параметр t: 2Ф(t) = γ = 0,95.

Для уменьшения влияния основной

теристика получена в лабораторных

Доверительный интервал для среднего

погрешности первого члена уравне-

условиях и при приемо-сдаточных ис-

значения для каждой точки проверки

ния (4) в эксплуатации проводится гра-

пытаниях.

определяется по формуле

дуировка каналов регистрации. В ре-

Для контроля верности получения

−

K <K

зультате получаются градуировочные

градуировочной характеристики и ра-

характеристики каналов регистрации.

ботоспособности датчиков исполь-

2. Градуировочная характеристика

зуется обобщенная характеристика

В таблице 2 представлены данные

Градуировочная характеристика -

датчика, которая получена на объекте

о среднем значении и значения довери-

зависимость между значениями выход-

измерения. В качестве обобщенной

тельного интервала.

Таблица 1. Обобщенные данные функций

Таблица 2. Средние значения и значения

преобразований датчика

доверительных интервалов для точек проверки

Точка

проверки

К-

−

K+

-2

-1

-0,5

0,5

проверки

Номер

датчика

-2

17,0625

15,3610

18,7640

107

140

170

199

229

-1

46,4375

44,8452

48,0298

108

141

173

205

235

-0,5

62,0625

60,2848

63,8402

110

145

180

214

241

77,1250

75,7372

78,5128

0,5

92,8750

91,1579

94,5921

112

145

176

208

240

108,6250

106,8219

110,4281

140,6875

138,2909

143,0841

171,8750

168,9185

174,8315

202,5000

198,8807

206,1193

100

104

134

164

194

223

232,1875

228,5462

235,8288

Электронные компоненты, датчики

№ 2 2017

работы датчика. Если при про-

Литература

верке полученная функция

1. ГОСТ Р 51086-97. Датчики и преобразо-

преобразования не выходит

ватели физических величин электронные.

Термины и определения. - М.: Госстандарт

за границы доверительных ин-

России. - 10 с.

тервалов, то датчик считается

2. Попов Ю.В., Фомин А.Г. Датчики. Виды

исправным. В противном слу-

датчиков, используемые для регистрации со-

чае датчик бракуется.

стояния воздушного судна // Приборы. № 12,

3. Пределы применимости

2015. - С. 8-13.

3. Датчики. Справочник

/ под ред. Го-

датчиков

тра З.Ю. - Львов: КАМЕНЯР, 1995. - 312 с.

Это область применения,

в которой обеспечивается

Попов Юрий Васильевич

номинальное измерение ре-

Родился в 1954 году. В 1977 году окончил

гистрируемых параметров.

Киевское высшее инженерное авиацион-

ное военное училище по специальности

Область применения опре-

«Автоматическое, электро- и приборное

деляется динамическим диа-

оборудование пилотируемых летательных

пазоном от порогового до

аппаратов», в 1987 году - Московский го-

максимального

значения.

сударственный университет им. М.В. Ло-

моносова по специальности «Прикладная

В таблице 3 представлены об-

математика». Доктор технических наук,

ласти применения датчиков,

Рис. 3. Обобщенная градуировочная характеристика

имеет научное звание старшего научного

которые используются для ре-

с границами доверительного интервала

сотрудника. В 2005 году защитил диссерта-

гистрации параметров на ВС.

цию по теме «Теоретические и методические

Таким образом, доверительные ин-

основы сохранности информации бортовых

устройств регистрации при авиационных

тервалы покрывают средние значения

Выводы

происшествиях». Опыт работы - 39 лет. В на-

в каждой точке проверки с надежностью

В статье выполнен анализ факторов,

стоящее время работает старшим научным

γ = 0,95 при неизвестной дисперсии.

воздействующих на датчик при измере-

сотрудником в Научно-исследовательском

На рис. 3 представлены обобщенная

нии параметров полета. Разработаны

институте (г. Люберцы) Центрального науч-

градуировочная характеристика и гра-

теоретические положения определения

но-исследовательского института ВВС МО.

Имеет более 290 научных трудов, 15 автор-

фики границ доверительных интервалов.

погрешностей от воздействия этих фак-

ских свидетельств и патентов.

Обобщенная градуировочная харак-

торов. Предложена методика оценки

теристика с доверительными границами

работоспособности датчиков при про-

Фомин Андрей Геннадьевич

позволяет контролировать исправность

ведении градуировочных работ.

Родился в 1978 году. В 2000 году окончил

Иркутский ВАИИ, инженер-электрик по спе-

Таблица 3. Датчики, используемые для регистрации параметров полета

циальности

«Авиационное оборудование».

Опыт работы - 16 лет. В настоящее время

Название

Обозначение

Область применения

работает старшим научным сотрудником

в Научно-исследовательском институте

ДАС,

От 60 до 800 км/ч,

Первичный измерительный преобразователь

(г. Люберцы) Центрального научно-иссле-

ДАС-2,

от 200 до 1100 км/ч,

приборной скорости

довательского института ВВС МО. Имеет

ДАС-3

от 200 до 1600 км/ч

18 научных трудов.

Потенциометрический первичный преобразова-

МУ-615А

тель угловых перемещений теплостойкий

-30°

Popov Yuri

Двухканальный потенциометрический первич-

He was born in 1954. In 1977 he graduated

ный преобразователь угловых перемещений

МУ-616

-30°

from Kiev Higher Engineering Aviation Military

теплостойкий

School majoring in «Automatic, electrical and

От -1,5 до +1,5 g,

Потенциометрический первичный измеритель-

instrumental equipment of piloted aircraft» and

МП-95

от -2 до +5 g,

ный преобразователь линейных ускорений

in 1987 he graduated Moscow State University

от -3 до +10 g

majoring in

«Applied mathematics». He is

Первичный измерительный преобразователь

ДУСУ

От -30 до +30 град./с

Doctor of engineering, he has academic rank

угловых скоростей

of Senior Researcher. In 2005 he defended the

Потенциометрический первичный измеритель-

ДДиП

От -0,1 до +0,85 кгс/см²

thesis, the topic of thesis is «Theoretical and

ный преобразователь избыточного давления

methodical bases of information safety onboard

Потенциометрический первичный измеритель-

devices of registration at aviation incidents». He

ДВбП-13

От -250 до 13 000 м

ный преобразователь барометрической высоты

has 39 years of work experience. At present he

ДМП-60А,

От 0 до 60 кгс/см²,

works as senior research associate at Research

Малогабаритный потенциометрический первич-

ДМП-100А,

от 0 до 100 кгс/см²,

institute (Lyubertsy) Air Force Central research

ный измерительный преобразователь давления

ДМП-250А

от 0 до 250 кгс/см²

institute. He has more than 290 scientific papers,

Первичный измерительный преобразователь

15 certificates of authorship and patents.

ДМР-40

От 0 до 40 кгс/см²

избыточного давления

Малогабаритный потенциометрический первич-

Fomin Andrey

От 220 до 780 мм рт.

ный измерительный преобразователь давления

МДД-Те-220-780

Was born in 1978. In 2000 he graduated from

ст. абс.

температуростойкий

Irkutsk Military Aviation Engineering Institute

Приемник температуры

П-5

От -60 до +150 ºС

with degree in «Aircraft equipment». He has

16 years of work experience. At present he

Измерительный комплекс давления

ИКД27Дф-0,25

От 0 до 0,25 кгс/см²

works as Senior research associate at Research

Первичный измерительный преобразователь

institute

(Lyubertsy) of Air Force Central

ДВПТ-15

От 250 до 15 000 м

высоты повышенной точности

research institute. He has 18 scientific papers.

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 2 2017

Исследование надежности датчика

скорости автомобиля Lada Kalina

в гарантийный период эксплуатации

// The reliability of the vehicle’s electrical Lada Kalina

during the warranty period of operation //

Денисов И.В., к.т. н.,

сбой в работе редукторного ЭМУ РУ -

Смирнов А.А.,

узла, непосредственно влияющего на

ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет

безопасность дорожного движения.

имени А.Г. и Н. Г. Столетовых», г. Владимир

Например, в [4] отмечается, что данная

неисправность усилителя может спо-

Статья содержит результаты ис-

The article contains the results of the study

собствовать как самопроизвольному

следования эксплуатационной надеж-

vehicle speed sensor operational reliability

вращению рулевого колеса, так и полно-

ности датчика скорости автомобиля

of Lada Kalina. Mean time to failure of the

му заклиниванию рулевого механизма.

Lada Kalina. Средняя наработка до от-

analyzed items amounted to 18,8 thousand

Результаты исследования надеж-

каза анализируемой детали составила

km. Testing according to the criteria of

ности трансмиссии автомобиля Lada

18,8 тыс. км. Проверка по критериям

Pearson and Romanovsky confirmed

Kalina, представленные в работе [2], сви-

Пирсона и Романовского подтвердила

the hypothesis of the random variable

детельствуют о массовом отказе датчика

гипотезу о принадлежности распреде-

belonging to a Weibull law. More than 50%

скорости в результате дефекта. В связи

ления случайной величины к закону Вей-

failed sensors have an operating time of up

с этим с целью установления показате-

булла. Более 50% отказавших датчиков

to 15 thousand km, which indicates a high

лей безотказности и долговечности ДС

имеют наработку до 15 тыс. км, что

level of defective products.

авторами настоящей статьи выполнен

свидетельствует о высоком уровне

Keywords: speed sensor, reliability, Lada

дефектности изделий.

Kalina, the warranty period.

анализ первичной информации о нара-

Ключевые слова: датчик скорости,

ботках до отказа [3] с использованием

надежность, Lada Kalina, гарантийный

аппарата математической статистики

период.

и методики [1]. Всего в массив данных

попали 164 дефектных элемента. В та-

Современные автотранспортные

блоков управления двигателем внутрен-

блице 1 представлены итоговые резуль-

средства (АТС) отличаются высокой на-

него сгорания (ДВС), электромеханиче-

таты исследования, включающие следу-

сыщенностью различными электронны-

ским усилителем рулевого управления

ющие показатели:

ми системами и приборами, от надежной

(ЭМУ РУ) и др.

••

границы интервалов X_i÷X_k, тыс. км;

работы которых зависят как контроль

Ввиду особенностей конструкцион-

••

середины интервалов X_i, тыс. км;

технических параметров отдельных уз-

ного расположения и условий эксплуа-

••

частоты попадания в интервал, m*

i ;

лов и агрегатов, так и качество функцио-

тации датчик скорости подвержен ряду

••

относительной величины частоты,

нирования автомобиля в целом.

негативных воздействий: вибрацион-

Wi ;

Долгое время для определения

ному - со стороны элементов коробки

••

вероятности попадания в интер-

скорости движения в отечественных

переключения передач, химическому -

вал, P_i;

транспортных машинах использовались

в случае попадания трансмиссионного

••

теоретические частоты попадания

механические спидометры магнитоин-

масла внутрь датчика, физическому -

в интервал, m_i;

дукционного типа. Однако на протяже-

в случае попадания влаги на контакты

••

квадраты отклонений,

;

нии последних двух десятилетий на-

устройства, абразивному - со стороны

ряду с вышеуказанными устройствами

твердых механических частиц, содер-

••

вероятности безотказной работы,

в конструкции автомобилей применя-

жащихся в масле коробки переключе-

Xi)^;

ются цифровые спидометры, принцип

ния передач.

••

вероятности отказа узла, F

Xi)^;

действия которых основан на измере-

Вышеуказанные факторы часто при-

••

плотности распределения вероят-

нии электронным блоком управления

водят к искажению сигнала, генерируе-

ности, f

Xi)^;

(ЭБУ) получаемой от ключевого элемен-

мого ДС, или полной потере прибором

••

интенсивности отказов детали

та - датчика скорости (ДС) - частоты им-

работоспособного состояния, за счет

Xi)^.

пульсов, а также ее дальнейшем анализе

чего возникают различные неисправ-

Минимальное значение выборки

и преобразовании в значение скорости

ности: искажение показаний или отказ

Xmin ^{составило 120 км, а максимальное}

движения АТС.

спидометра и одометра, нарушение ста-

Xmax = 49,6 тыс. км. Расчетное значение

Также необходимо отметить, что от

бильности функционирования ДВС на

шага интервала h равно 5891,8 км, для

корректной работы ДС зависит инфор-

холостом ходу, повышенный расход то-

удобства дальнейших вычислений оно

мационное обеспечение электронных

плива. Особую опасность представляет

было округлено до 5,9 тыс. км. Нулевое

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 2 2017

Таблица 1. Результаты исследования эксплуатационной надежности датчика скорости автомобиля Lada Kalina

Интервал

Функция

Xi÷Xk

0÷5,9

5,9÷11,7

11,7÷17,6

17,6÷23,5

23,5÷29,4

29,4÷35,3

35,3÷41,2

41,2÷47,1

47,1÷53,0

–

2,9

8,8

14,7

20,6

26,5

32,4

38,3

44,2

50,1

m^*

0,140

0,176

0,219

0,140

0,115

0,097

0,061

0,030

0,018

P_i

0,121

0,203

0,167

0,121

0,080

0,048

0,027

0,014

19,9

33,3

27,5

13,1

7,9

4,5

2,3

0,483

0,555

0,211

0,735

0,046

0,629

0,533

0,063

0,179

Xi)

0,878

0,675

0,472

0,304

0,183

0,103

0,054

0,027

0,012

0,121

0,324

0,527

0,695

0,817

0,897

0,945

0,973

0,987

Xi)

Xi) . 10-5

2,22

3,49

3,5

2,85

2,06

1,35

0,81

0,45

0,23

0,25

0,52

0,74

0,93

1,12

1,31

1,49

1,67

1,85

Xi) . 10-4

значение интервала X₀, определяемое

по выражению X₀ = X_min - h/2, составило

-2825,9. Так как наработка на отказ узлов

и агрегатов АТС не может быть отрица-

тельной, то границы первого интервала

были приняты в диапазоне 0÷5,9 тыс. км.

Средний ресурс анализируемой де-

тали составил X_ср = 18,8 тыс. км, коэф-

фициент вариации ν = 0,62. Параметр

формы n

≈ 1,6; параметр масштаба

μ = 4,72 · 10^-5.

По данным строки 4 таблицы 1 по-

строена гистограмма распределения

значений наработок до отказа датчика

скорости (рис. 1).

По характеру гистограммы выдвига-

ем гипотезу о принадлежности отказов

изучаемых элементов к закону Вейбулла.

Так как расчетное значение критерия

Пирсона составило χ² = 3,43, а табличное,

Рис. 1. Гистограмма распределения значений наработок

при числе степеней свободы s = 6 и уров-

до отказа датчика скорости автомобиля Lada Kalina

не значимости α = 0,05, χ^2табл=12,59, то

выполняется условие χ²< χ^2табл. Расчет-

ное значение критерия Романовского

Кр = -1,31 меньше 3. Следовательно, ги-

потеза о принадлежности эксперимен-

тальных данных к закону распределения

Вейбулла не отвергается.

Используя значения строк 3, 8, 9 та-

блицы 1, установим распределение ве-

роятности отказа и безотказной работы

датчика скорости по наработке (рис. 2).

По данным строк 10, 11 таблицы 1

построены номограммы плотности рас-

пределения отказов (рис. 3) и зависимо-

сти интенсивности отказов (рис. 4).

Выводы

По результатам исследования рас-

Рис. 2. График вероятности отказа (1) и вероятности исправной работы (2)

считаны показатели надежности дат-

датчика скорости автомобиля Lada Kalina

Проблемы качества и надежности,

сертификация, стандартизация

№ 2 2017

автомобиля / В.В. Емельянов, В.И. Васильев //

Вестник Курганского государственного уни-

верситета. Серия «Технические науки». Вы-

пуск 9. - 2014. - № 2 (33). - С. 75-76.

Денисов Илья Владимирович

Родился в 1982 году. В 2004 году окончил

ГОУ ВПО «Владимирский государственный

университет» по специальности «Автомоби-

ли и автомобильное хозяйство». Кандидат

технических наук. В 2007 году защитил дис-

сертацию по теме

«Разработка методики

управления техническим состоянием ру-

Рис. 3. Плотность распределения отказов датчика скорости автомобиля Lada Kalina

левого управления переднеприводных ав-

томобилей ВАЗ в условиях эксплуатации».

Опыт работы - 12 лет. В настоящее время

работает доцентом на кафедре

«Автомо-

бильный транспорт» ФГБОУ ВО «Владимир-

ский государственный университет имени

А.Г. и Н. Г. Столетовых». Автор 111 научных

публикаций.

Смирнов Алексей Александрович

Родился в 1989 году. В 2011 году окончил

Владимирский государственный универси-

тет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых по специаль-

ности «Управление качеством». В 2014 году

окончил аспирантуру ВлГУ по направлению

«Эксплуатация автомобильного транспорта».

Имеет 31 научный труд.

Рис. 4. Распределение интенсивности отказов датчика скорости

Denisov Ilya

автомобиля Lada Kalina по наработке

He was born in 1982. In 2004 he graduated

чика скорости автомобиля Lada Kalina

Владимир: Изд-во Владимирского государ-

from Vladimir State University majoring in

и определен теоретический закон рас-

ственного университета, 2006. - 160 с. - ISBN

«Automobiles and vehicle fleet». He is candi-

пределения наработок. Гипотеза о при-

5-89368-655-1.

date of technical science. In 2007 he defend-

надлежности опытных данных закону

2. Денисов И.В. Исследование надежно-

ed the thesis, the topic of thesis is «Methods

Вейбулла не отвергается, так как расчет-

сти трансмиссии автомобиля Lada Kalina /

elaboration of management of technical sleer-

ные значения критерия согласия Пирсо-

И.В. Денисов, А.А. Смирнов // Транспортные

ing state of front drive vehicle VAZ cars in op-

на удовлетворяют табличным значени-

системы Сибири. Развитие транспортной си-

eration». He has 12 years of work experience.

ям, а значение критерия Романовского

стемы как катализатор роста экономики госу-

At present, he works as associate professor

меньше трех.

дарства: сб. науч. тр.: в 2 ч. Ч. 2 / под общ. ред.

of the «Automobile transport» department of

Средняя наработка до отказа ана-

В.В. Минина. - Красноярск: Сибирский феде-

Vladimir State University. He has 111 scientific

лизируемой детали составила Х_ср

ральный университет, 2016. - С. 443-448. -

publications.

18,8 тыс. км, при этом более 50% отка-

ISBN 978-5-7638-3458-1.

завших датчиков имеют наработку до

3. Денисов И.В. Надежность автомобилей

Smirnov Alexey

15 тыс. км, что свидетельствует о высо-

в гарантийный период их эксплуатации /

He was born in 1989. In 2011 he graduated from

ком уровне дефектности изделий.

И.В. Денисов, А.А. Смирнов // Автомобильная

Vladimir State University majoring in

«Qual-

промышленность, 2015. - № 11. - С. 1-4.

ity control». In 2014 he graduated from doctoral

Литература

4. Емельянов В.В. Устройство для ускорен-

school of Vladimir State University in

«Auto-

1. Баженов Ю.В. Основы теории надежно-

ных испытаний на надежность электромеха-

mobile transport operation» focus area. He has

сти машин: учеб. пособие / Ю.В. Баженов. -

нического усилителя рулевого управления

31 scientific works.

Электромагнитная совместимость

№ 2 2017

Проблемы электромагнитной безопасности

в современных электроэнергетических

системах железнодорожного транспорта

// Рroblems of electromagnetic safety in modern electric power rail system //

Аполлонский С.М., д. т. н., профессор,

ЭМБ, то есть проблему обеспечения

ООО «Центр электромеханотроники», г. Санкт-Петербург

надежности, живучести и безопасности

ЭЭСЖТ в целом.

Горский А.Н., д. т. н., профессор,

Никитин В.В., к. т. н., доцент,

Проблема электромагнитной

ФГБОУ ВО ПГУПС, г. Санкт-Петербург

безопасности

В статье рассмотрены проблемы

The article deals with the problem of elec-

ЭМБ - это способность устройства,

электромагнитной безопасности

tromagnetic hazard-free (EMB) in modern

использующего электромагнитные воз-

(ЭМБ) в современных электроэнерге-

electric power train system (EPTS). Earlier

действия и подвергающегося им, удовлет-

тических системах железнодорожного

authors of the published literature only are

ворительно функционировать в данном

транспорта (ЭЭСЖТ). Ранее в опубли-

limited, were problems of electromagnetic

электромагнитном окружении, не созда-

кованной литературе авторы ограни-

compatibility (EMC) on an electrified rail.

вая недопустимых помех этому окруже-

чивались лишь проблемами электро-

However, due to significant complication

нию, а также устойчивость устройства

магнитной совместимости (ЭМС) на

EPTS due to the use of electronic security

к электромагнитным воздействиям от ат-

электрифицированных железных до-

subsystems, computer control and manage-

мосферных и внутрисистемных разряд-

рогах. В связи с существенным услож-

ment there is a need in the broader interpre-

ных процессов, ядерных взрывов и т.п.

нением ЭЭСЖТ за счет использования

tation of the electromagnetic influences on

Состояние безопасности, как сле-

электронных подсистем защиты, ком-

elements EPTS.

дует из этого определения, может быть

пьютерного контроля и управления

Keywords: EMC of technical means, EMB of

достигнуто при помощи правильного

появилась необходимость более ши-

technical means, electromagnetic field, elec-

конструирования, размещения, надле-

рокой трактовки электромагнитных

tromagnetic human safety, electromagnetic

жащего управления и с учетом воздей-

воздействий на элементы ЭЭСЖТ.

environment, EMC problems in the electri-

ствий внешней среды.

Ключевые слова: электромагнитная

fied railway.

В настоящее время все большее

совместимость технических средств,

число высокочувствительных электро-

электромагнитная безопасность тех-

магнитных элементов для своего на-

нических средств, электромагнитное

дежного функционирования требуют

поле, электромагнитная безопасность

решения тех или иных задач ЭМБ [2].

человека, электромагнитная среда.

При увеличении доли высокочувстви-

Современные ЭЭСЖТ представляют

лось в рамках проблемы ЭМС. Однако

тельных элементов автоматики, изме-

собой многоуровневые структуры, вклю-

ужесточение требований к надежности

рительных и контролирующих комплек-

чающие мощные источники и приемники

отдельных элементов или подсистем

сов, информационных линий в ЭЭСЖТ

электрической энергии (ЭЭ), распреде-

ЭЭСЖТ, введение структурной и вре-

область ЭМБ существенно расширяется.

лительные устройства с разветвленными

менной избыточности, использование

В большем объеме используются по-

линиями передачи или кабельными трас-

взаимозаменяемости и восстанав-

лупроводниковые преобразователи,

сами, защитную аппаратуру, компьютер-

ливаемости элементов, а также иных

микросхемы, микропроцессоры, высту-

ные системы управления и коммутации.

методов обеспечения безопасности

пающие в роли рецепторов, на которые

Развитие ЭЭСЖТ связано с увеличением

позволяют гарантировать отказоустой-

воздействуют ЭМП помех. Кроме того,

доли высокочувствительных элементов

чивость системы, то есть способность

из-за наличия источников мощных ЭМП

автоматики и полупроводниковой тех-

функционировать при отказах или сбо-

даже традиционные элементы систем,

ники. Усложнение системы приводит

ях элементов.

такие как коммутирующая аппаратура,

к увеличению числа сбоев и отказов эле-

Для обеспечения гарантируемой

устройства контроля и защиты, автома-

ментов, снижению надежности и эффек-

отказоустойчивости ЭЭСЖТ из-за суще-

тические пульты и прочее оборудова-

тивности в целом. При проектировании

ственного усложнения электронными

ние, допускают сбои, ложные срабаты-

сложных ЭЭСЖТ и систем управления

подсистемами защиты и контроля в ус-

вания, выходят из строя. Так, мощные

проблема безопасности их функциони-

ловиях воздействия сложных преднаме-

импульсные ЭМП вызывают перенапря-

рования выдвигается на первое место [1].

ренных и непреднамеренных ЭМП сле-

жения в электрических цепях, приводят

Ранее воздействие электромагнит-

дует рассматривать проблему ЭМС в бо-

к повреждениям полупроводниковых

ных полей (ЭМП) в ЭЭСЖТ рассматрива-

лее широком аспекте - как проблему

элементов, к коротким замыканиям (КЗ).

Электромагнитная совместимость

№ 2 2017

Помехи, распространяющиеся по цепи

и соответствующее изменение характе-

друга и не вызовут катастрофических

и вызванные переходными процессами

ристик электротехнических элементов.

нарушений функционирования обору-

при переключениях в сетях питания,

Однако с увеличением насыщенности

дования. Они устанавливают требова-

воздействуют на цифровые системы

энергетического помещения разно

ния для оборудования как в отношении

и информационные линии. Наличие

образными типами ЭО стало очевидным,

максимально допустимой эмиссии из-

низкочастотных ЭМП в общих сетях (гар-

что такой подход неэкономичен и связан

лучаемых и кондуктивных ЭМП помех,

монических составляющих питающего

со значительным ухудшением эффектив-

так и работоспособности оборудования

напряжения, перерывов питания и т.д.),

ности ЭЭСЖТ. Другой подход к решению

в условиях влияния этих помех.

а также нелинейных нагрузок суще-

проблемы ЭМБ заключался в строгом

Стандарты - только один аспект про-

ственно расширяет проблематику ЭМБ,

нормировании и стандартизации пара-

блем, связанных с обеспечением ЭМБ

вовлекая в нее все виды источников

метров аппаратуры и систем в процессе

(ЭМС). Они устанавливают общие тре-

и приемников электроэнергии.

проектирования и конструирования. Та-

бования к качеству функционирования

Задачи ЭМБ приходится решать

кие требования, с одной стороны, долж-

в условиях помех, которым должны со-

комплексно применительно к сложным

ны были обеспечить совместимость раз-

ответствовать изделия. Однако требова-

системам, характерными признаками

нородного ЭО, а с другой - должны быть

ния стандартов могут выполняться толь-

которых являются:

практически достижимыми.

ко в том случае, если существуют необ-

••

наличие большого числа взаимос-

Следует отметить, что внешняя сре-

ходимые технические знания, навыки

вязанных и взаимодействующих между

да может осуществлять как прямое

и решения, касающиеся проблемы ЭМБ.

собой элементов;

воздействие на ЭМБ

(ионизирующие

••

сложность функции, выполняемой

и электромагнитные излучения; ЭМП от

Источники и приемники

системой и направленной на достиже-

собственных мощных источников; ЭМП,

помехонесущих ЭМП в ЭЭСЖТ

ние заданной цели функционирования;

возникающие при аварийных ситуаци-

Основными элементами ЭЭСЖТ яв-

••

возможность разбиения системы

ях; КЗ; отключение отдельных подсистем

ляются тяговые подстанции, контактная

на подсистемы, функционирование ко-

и т.д.), так и косвенное (давление, дина-

сеть и рельсовые цепи. Кроме того, при

торых подчинено общей задаче;

мические усилия, влажность, темпера-

расчете электромагнитного воздей-

••

наличие управления, разветвлен-

тура, концентрация газовых компонент

ствия на окружающую среду следует

ной информационной сети и интенсив-

в воздушной среде).

принимать во внимание как внешние

ных потоков информации;

При решении задач ЭМБ каждое из

линии электроснабжения, линии для

••

наличие взаимодействия с внеш-

устройств ЭЭСЖТ следует рассматри-

питания собственных нужд, контактные

ней средой и функционирование в ус-

вать как элемент некоторой подсисте-

сети, подвижной состав, так и высоко-

ловиях воздействия случайных процес-

мы, в которой проявляются негативные

чувствительное к этим полям оборудо-

сов [3].

связи (электрические и магнитные) это-

вание (линии стационарной и поезд-

Перечисленные задачи не охваты-

го элемента с другими. Такой подход по-

ной радиосвязи, системы управления,

вают всю проблему ЭМБ, но показывают

зволяет рассматривать проблему ЭМБ

телевизионные системы и т.п.). Они

ее сложность и многогранность. Можно

в ЭЭСЖТ как общую при исследовании

расположены, как правило, на неболь-

ожидать, что все пути обеспечения ЭМБ

источников и рецепторов ЭМП, выделяя

ших расстояниях друг от друга и могут

электрооборудования (ЭО), рассмотрен-

в них соответствующие признаки, кото-

оказывать взаимное влияние. Поэтому

ные здесь, найдут свое применение,

рым ранее не придавалось значения.

неизбежно появляется необходимость

в том числе активное и пассивное экра-

Миниатюризация оборудования,

в решении проблемы ЭМБ ЭЭСЖТ от-

нирование, снижение ЭМП помех на эта-

а также увеличивающаяся сложность,

носительно внутренних связей и с окру-

пе проектирования с учетом минимиза-

интеграция и взаимодействие элемен-

жающим пространством. Кроме того,

ции физических полей (например, маг-

тов приводят к тому, что электронные

в рамках данной проблемы нельзя огра-

нитно-акустическое проектирование),

установки и компоненты становятся бо-

ничиваться рассмотрением чисто тех-

применения специального размещения

лее уязвимыми к внешним воздействи-

нических аспектов функционирования.

источников ЭМП помех, а также с ис-

ям ЭМП.

Необходимо рассматривать и человека

пользованием специальных помехопо-

Проблема ЭМБ имеет не только тео-

в качестве элемента ЭЭСЖТ (обслужи-

давляющих устройств и т.д.

ретическое, но и экономическое значе-

вающий персонал и население), снижа-

Реализация задач современной про-

ние. Например, качественное функци-

ющего ее надежность, живучесть и без-

мышленности и транспорта, таких как

онирование многочисленных промыш-

опасность [4].

внедрение автоматизированных ком-

ленных предприятий и сетей электро-

Рассмотрение особенностей элек-

плексов для управления производством

снабжения целых областей (регионов)

тромагнитных процессов в ЭЭСЖТ пока-

и транспортными средствами, создание

зависит от информационно-управля-

зало, что наличие элементов с распре-

гибких автоматизированных приводов

ющих систем, поэтому безотказность

деленными параметрами (ЛЭП, тяговая

и роботов для обеспечения непрерыв-

электронных систем является также эко-

сеть) предполагает появление волно-

ных технологических операций, подни-

номическим фактором первостепенной

вых процессов. Последние значительно

мает проблему ЭМБ разнородного ЭО

важности.

усложняют электромагнитные явления,

на качественно новый уровень.

Стандарты ЭМБ являются предпо-

происходящие в системе электроснаб-

Многие годы единственным под-

сылкой к обеспечению того, что много-

жения, и могут приводить к резонанс-

ходом к обеспечению ЭМБ было фик-

численные виды электронного обо-

ным процессам одновременно на не-

сирование напряженности ЭМП помех

рудования не окажут влияния друг на

скольких частотах.

Электромагнитная совместимость

№ 2 2017

Среди рецепторов ЭМП помех

представляет собой сложную инфор-

возможно осуществление обработки

в ЭЭСЖТ необходимо выделить радио-

мационную систему, состоящую из ком-

информации одновременно как по неза

электронные приемные устройства, ра-

плекса взаимосвязанных электромаг-

висимым программам, так и по неза-

диосвязь и навигацию, мобильную связь,

нитных, электронных, микроэлектрон-

висимым на отдельных участках ветвям

радиорелейные линии связи, станции

ных устройств и источников питания.

программы. Использование электрони-

проводного вещания и усилители, уси-

Для защиты оборудования тяговых

ки дает возможность изготовить и раз-

лители промежуточной частоты, раз-

подстанций применяются чаще всего

работать релейную защиту одновре-

личные устройства и приспособления,

такие же защиты, как и на понижающих

менно с другими устройствами автома-

созданные на базе электронных элемен-

подстанциях энергосистем, однако за-

тики и телемеханики в варианте одной

тов, среди них приборы контроля, авто-

щиты тяговых сетей обладают своей

системы или комплекса. Применение

матики и защиты, вычислительные ком-

особенностью. В тяговых сетях перемен-

микропроцессорных систем и микро-

плексы, микропроцессорная аппаратура

ного тока токи нагрузки являютcя сопо-

электроники в большей степени повы-

и компьютерное обеспечение. Все они

ставимыми с минимальными токами КЗ,

шает оперативность релейной защиты

при работе используют электрическую

в результате чего возникают значитель-

и автоматики, раскрывает перспективы

энергию различной частоты, и качество

ные трудности для защиты, которая обя-

для передачи и распределения функций

их работы существенно зависит от струк-

зана точно разграничивать эти режимы.

релейной защиты, повышает возмож-

туры ЭМП в окружающей среде.

Микропроцессорная

техника

ность управления вычислительными

в тяговой сети. Развитие релейной за-

машинами, устройствами электроснаб-

Обеспечение ЭМБ

щиты тяговых сетей переменного тока

жения в рабочих и аварийных режимах.

микропроцессорной аппаратуры

прошло несколько этапов. Сейчас про-

Проблемы электромагнитных

Главной задачей ЭЭСЖТ является

исходит освоение цифровых защит на

воздействий на микропроцессор-

обеспечение безопасности движения

основе интеллектуальных терминалов,

ные устройства релейной защиты

при выполнении заданного объема

таких как микропроцессорные и много-

(МУРЗ). Проблема ЭМБ электронной

перевозок. Эта проблема может быть

функциональные комплексы. Такой

аппаратуры возникла вместе с самой

решена только при грамотно подобран-

терминал осуществляет не только функ-

этой аппаратурой, поскольку одни ее

ных параметрах элементов системы,

ции, связанные с релейной защитой, но

узлы функционально построены так,

которые обеспечивают качество рабо-

и функции автоматики, сигнализации,

что являются приемниками ЭМП, тог-

ты ЭО в допустимых для него пределах

управления, регистрации событий, кон-

да как другие являются источниками

не только по нагрузке, но и по частоте

троля параметров нагрузки и аварий-

ЭМП. Проблемы возникали как из-за

и величине напряжения.

ных процессов, связи, самодиагностики,

взаимного влияния одних узлов на

Автоматизированная система управ-

а также сервисные функции.

другие внутри аппаратуры, так и при

ления ЭЭСЖТ должна обеспечить наи-

К релейной защите в соответствии

воздействии на электронную аппара-

лучшие условия распределения и пере-

с ее главным назначением предъявля-

туру внешних полей различного проис-

дачи ЭЭ потребителям в рабочих и ава-

ют следующие требования: избиратель-

хождения. Применявшиеся длительное

рийных режимах, используя устройства

ность, надежность, резервирование,

время устройства автоматики, управле-

системной и технологической автомати-

быстродействие и чувствительность.

ния и релейной защиты электромеха-

ки. Назначение технологической авто-

Кроме того, релейная защита обязана

нического типа были мало подвержены

матики - управление локальными про-

быть недорогой и наименее безопасной

этим полям. Последние два десятилетия

цессами рабочего режима на отдельных

при ее обслуживании.

характеризуются интенсивным пере-

видах объекта. Системная автоматика

Функциональным назначением ре-

ходом в ЭЭСЖТ от релейной защиты

осуществляет управление режимами

лейной защиты является купирование

электромеханического типа к МУРЗ.

работы системы электроснабжения

повреждения, предотвращение или,

Современные МУРЗ оказались весьма

и подразделяется на автоматику управ-

по возможности, сокращение ущерба

чувствительны к электромагнитным по-

ления в нормальных и рабочих режи-

при возникновении повреждения или

мехам, поступающим из воздушной сре-

мах, которая в состоянии обеспечить со-

ненормальных, аварийных режимах

ды, по цепям оперативного тока, цепям

ответствующий и необходимый уровень

работы устройств генерирования, пре-

напряжения и от трансформаторов [5].

напряжения и повышение экономично-

образования, передачи и перераспре-

Среди них следует выделить импульс-

сти работы системы электроснабжения,

деления электроэнергии, обеспечение

ные перенапряжения, возникающие

и автоматику управления в ненормаль-

устойчивости и надежности систем

при грозовых разрядах и при коммута-

ных, аварийных режимах. К последней

электроснабжения. С целью улучшения

циях в силовых электроустановках.

относятся устройства релейной защиты,

функциональной безопасности релей-

Грозовые разряды являются са-

в том числе сетевая автоматика, которая

ная защита на тяговой подстанции заме-

мым мощным источником импульсных

включает в себя автоматическое вклю-

щается микропроцессорной техникой.

воздействий на аппаратуру объектов

чение резерва, автоматическое повтор-

Микропроцессоры и микро-ЭВМ

ЭЭСЖТ. При ударе молнии в молниеот-

ное включение, а также установление

входят в состав вычислительной систе-

вод электрический ток (в виде импульса

места короткого замыкания.

мы, которая является основной частью

колоколообразной формы) поступает

Релейная защита является непре-

микропроцессорных релейных защит.

в землю и растекается в грунте во все

менной составляющей всех энергети-

При переработке полученной инфор-

стороны до нескольких десятков-сотен

ческих установок, объектов и систем

мации в многопроцессорных и много-

метров, причем из-за сопротивления

высокого напряжения, вследствие чего

машинных вычислительных системах

грунта этот ток создает на нем падение

Электромагнитная совместимость

№ 2 2017

напряжения. Для снижения потенциала,

чувствительны к гармоникам в пита-

высокой степенью интеграции внутрен-

наводимого при протекании тока мол-

ющем напряжении и к провалам на-

них компонентов.

нии в грунте, сопротивление растека-

пряжения, чем электромеханические

Очевидно, что полностью защитить

нию тока в зоне расположения жилых

контакторы и реле.

высокочувствительное

электронное

и промышленных зданий и сооружений

На МУРЗ оказывают влияние пред-

оборудование объектов ЭЭСЖТ от есте-

уменьшают с помощью металлической

намеренные

электромагнитные

ственных и особенно от преднамерен-

сетки достаточно большой площади,

воздействия. Отличие такого рода

ных ЭМП помех вряд ли удастся. Однако

размещенной в грунте под фундаментом

воздействий от коммутационных помех

существующие способы защиты (специ-

зданий. Однако сопротивление таких за-

или наводок, вызванных протеканием

альные шкафы, электропроводные про-

земляющих систем все еще весьма дале-

тока молнии, заключается в том, что

кладки и смазки, фильтры и т.п.) могут

ко от нуля, и поэтому даже остаточные

при мощности, соизмеримой с мощно-

ослабить влияние внешних ЭМП в ши-

импульсные потенциалы, наведенные

стью разряда молнии, эти воздействия

роком спектре частот.

в заземляющей системе и проникающие

могут находиться так же близко к чув-

Существующие в ЭЭСЖТ тенденция

по кабелям на входы электронной аппа-

ствительной аппаратуре, как и источ-

расширяющегося применения микро-

ратуры, представляют для нее серьез-

ники относительно слабых коммутаци-

процессорных устройств релейной за-

ную опасность. Существуют кондуктив-

онных помех.

щиты, непосредственно управляющих

ные, индуктивные и емкостные помехи.

Основными каналами преднамерен-

ЭО, и тенденция увеличения плотности

В процессе распространения имеет ме-

ного воздействия на электронную аппа-

элементов в микрочипах, сопровожда-

сто многократное превращение одного

ратуру являются сети электропитания

ющаяся снижением их устойчивости

вида помех в другие [6].

всех классов напряжения, контрольные

к внешним электромагнитным воздей-

Коммутационные процессы и ЭМП

кабели и проводные линии связи, эфир.

ствиям, на фоне прогресса в области

от работающего ЭО - это второй по

Поскольку МУРЗ связаны и с внешней се-

создания средств дистанционного де-

степени влияния источник импульсных

тью электропитания, и с разветвленной

структивного воздействия образуют

помех, воздействующий на МУРЗ в обыч-

сетью контрольных кабелей, и с прово-

весьма опасный вектор.

ных условиях эксплуатации. Источни-

дами-антеннами ЛЭП (через трансфор-

ками коммутационных помех в ЭЭСЖТ

маторы напряжения и тока), и с ком-

Нормативные документы,

являются, как правило, высоковольтные

пьютерной сетью, оказываемое на них

ограничивающие уровни

выключатели и разъединители, низко-

деструктивное воздействие может быть

ЭМП помех, и рекомендуемые

средства защиты

вольтные реле и контакторы, управля-

очень сильным и одновременно скрыт-

емые батареи конденсаторов. Мощные

ным. Существенно повышает скрытность

В России в

2001-2003 гг. вступил

преобразователи частоты электропри-

электромагнитного воздействия то об-

в силу ряд новых стандартов электро-

водов, коронный разряд, электроискро-

стоятельство, что анализ повреждений

магнитной безопасности

(ЭМБ, ЭМС),

вые технологии считаются источниками

в уничтоженном оборудовании не по-

соответствующих или близких к Евро-

ЭМП, опасных для электронной аппара-

зволяет однозначно идентифицировать

пейским нормам EN [7]. Часть стандар-

туры. При этом пути проникновения по-

причину возникновения повреждения,

тов заменяет стандарты, введенные

мех в МУРЗ могут быть разными: от пря-

так как причиной одних и тех же повреж-

ранее, некоторые документы введены

мых индуктированных наводок на низ-

дений может быть как преднамеренное

впервые. Большинство из ГОСТ по ЭМС

ковольтные провода и кабели вторич-

(нападение), так и непреднамеренное

могут быть использованы примени-

ных цепей подстанций до импульсных

(например, от молнии) силовое деструк-

тельно как к самой ЭЭСЖТ, так и к всей

и высокочастотных перенапряжений,

тивное воздействие.

инфраструктуре.

возникающих во вторичных обмотках

Микроволновые источники излу-

Общий подход к обеспечению ЭМБ

трансформаторов тока и напряжения [6].

чения высокой мощности, работающие

при размещении ЭО состоит в подавле-

Эффективной мерой борьбы с на-

в сантиметровом и миллиметровом диа-

нии помех в источнике, помехозащите

веденными перенапряжениями на

пазонах, имеют дополнительный меха-

чувствительного ЭО и снижении элек-

входах электронной аппаратуры и на

низм проникновения ЭЭ в оборудова-

тромагнитных связей ЭО. Следующие

ее зажимах питания является широкое

ние даже через небольшие отверстия,

меры могут быть использованы отдель-

использование элементов с нелиней-

вырезы, окна и щели в металлических

но или в комбинации: экранирование,

ной характеристикой: газовых разряд-

корпусах, через плохо экранированные

заземление, правильный выбор и про-

ников, варисторов, специальных полу-

интерфейсы. Любое отверстие, ведущее

кладка кабелей, выбор места установки

проводниковых элементов на основе

внутрь оборудования, ведет себя как

оборудования, фильтрация, использо-

стабилитронов и других устройств,

щель в микроволновой полости, позво-

вание специальных средств подавления

включаемых параллельно защищаемо-

ляя микроволновой радиации форми-

помех для видов ЭО.

му объекту (например, параллельно

ровать пространственную стоячую вол-

входу МУРЗ) и между каждой клеммой

ну внутри оборудования. Компоненты,

Выводы

этого объекта и «землей». На работу

расположенные в противоположных уз-

В процессе исследования выявлены

МУРЗ оказывают влияние гармоники

лах стоячей волны, будут подвергаться

основные источники ЭМП помех на объ-

тока и напряжения. Выполненные ис-

воздействию ЭМП и перенапряжений.

ектах ЭЭСЖТ, формирующие электро-

следования показали, что наибольшее

Особо чувствительны к воздействи-

магнитную среду, которая может ока-

влияние на МУРЗ оказывает третья

ям такого рода элементы памяти и со-

заться опасной как для человека, так

гармоника [6]. При этом МУРЗ менее

временные микропроцессоры с очень

и для слаботочного ЭО.

Электромагнитная совместимость

№ 2 2017

Следует отметить, что в настоящее

Аполлонский Станислав Михайлович

Apollonskiy Stanislav

время ведущие мировые концерны

Родился в 1937 году. В 1959 году окончил

He was born in 1937. In 1959 he graduated

стремятся не просто обеспечить ЭМБ

Высшее военно-морское инженерное орде-

from Naval Engineering college of Lenin or-

электротехнических комплексов, кото-

на Ленина училище им. Ф.Э. Дзержинского

der. He is doctorate of technical sciences,

рые они производят, а сделать их функ-

(ВВМИОЛУ). Доктор технических наук, про-

professor, honored scientist of Russian Fed-

ционально безопасными.

фессор, заслуженный деятель науки и техни-

eration. In 1988 he defended the thesis, the

При анализе функциональной без-

ки РФ. В 1988 году защитил диссертацию по

topic of thesis is «Electromagnetic fields com-

опасности рассматриваются опасные

теме «Комплексная задача расчета и сниже-

plex task of calculating and reducing in order

отказные ситуации, которые приводят

ния электромагнитных полей для обеспече-

to ensure the safety of electric power ele-

к авариям, катастрофам и человеческим

ния безопасности элементов электроэнерге-

ments». He has 50 years of work experience.

жертвам. Функциональной безопасно-

тики». Опыт работы - более 50 лет. В настоя-

At present he works as a scientific consultant

сти программируемых электронных си-

щее время работает научным консультантом

at Eclectic mechanotronics center limited. He

стем посвящены международный стан-

в ООО «Центр электромеханотроники». Име-

has 500 scientific papers, including 6 author-

дарт МЭК 61508 и серия связанных с ним

ет около 500 научных трудов, в том числе

ships, 1 patent and more than 60 study guides

стандартов [7].

6 авторских свидетельств, 1 патент и более

and monographs.

60 учебных пособий и монографий.

Литература

Gorskiy Anatoly

1. Аполлонский С.М. Внешние электромаг-

Горский Анатолий Николаевич

He was born in 1938. In 1950 he graduated

нитные поля электрооборудования и сред-

Родился в 1938 году. В 1950 году окончил

from Leningrad Railway Engineering Trans-

ства их снижения.

- СПб.: Безопасность,

Ленинградский институт инженеров желез-

port Institute majoring in «Engineer of Railway

2001. - 620 с.

нодорожного транспорта по специальности

transport - electrician». He is doctor of techni-

2. Аполлонский С.М. Электромагнитная без-

«Инженер путей сообщений - электромеха-

cal sciences, professor. In 1995 he defended

опасность технических средств и человека.

ник». Доктор технических наук, профессор.

the thesis, the thesis topic is

«Calculating

В 3 т. Т. 2. Воздействие электромагнитной

В 1995 году защитил диссертацию по теме

methods of reactor and transformer equip-

среды на технические устройства и средства

«Методы расчета реакторно-трансформа-

ment of conversion devices during minimizing

защиты: монография. - СПб.: Изд-во СЗТУ,

торного оборудования преобразовательных

weight and dimensions». He has 50 years of

2011. - 439 с.

устройств при минимизации массы и габари-

work experience. At present, he works as pro-

3. Директива Совета Европейских сооб-

тов». Опыт работы - более 50 лет. В настоящее

fessor of

«Electromechanical complexes and

ществ 89/336 от 03.05.1989 г. «О согласовании

время работает профессором кафедры «Элек-

systems» department of Emperor Alexander I

законодательных актов участников сообще-

тромеханические комплексы и системы»

Petersburg State Transport University. He has

ства, касающихся электромагнитной совме-

ФГБОУ ВО ПГУПС. Имеет 111 печатных трудов,

111 published papers, including 3 study guide

стимости» // Технологии ЭМС (электромаг-

в том числе 3 учебных пособия и 4 книги.

and 4 books.

нитной совместимости), № 2, 2002.

4. Аполлонский С.М. Электромагнитная без-

Никитин Виктор Валерьевич

Nikitin Victor

опасность человека. - Saarbrucken (Germany):

Родился в 1966 году. В 1988 году окончил Ле-

He was born in 1966. In 1988 he graduated

Palmarium Academic Publishing, 2012. - 462 с.

нинградский институт инженеров железно-

from Leningrad Railway Engineering Transport

(ISBN: 978-3-8473-9040-4).

дорожного транспорта, квалификация - «Ин-

Institute majoring in «Engineer of Railway trans-

5. Косарев А.Б. Основы теории электро-

женер путей сообщения - электромеханик».

port - electrician». He is doctor of technical sci-

магнитной совместимости систем тягового

Доктор технических наук, доцент. В 2004 году

ences, associate professor. In 2004 he defended

электроснабжения переменного тока. - М.:

защитил диссертацию по теме «Теоретиче-

the thesis, the thesis topic is «Theoretical inves-

ИНТЕКСТ, 2004. - 272 с.

ские исследования электромагнитной совме-

tigation of electromagnetic compatibility of su-

6. Гуревич В.И. Уязвимости микропроцес-

стимости сверхпроводникового электрообо-

perconducting and traditional electrical equip-

сорных реле защиты: проблемы и решения. -

рудования с электрооборудованием тради-

ment». He has 28 years of work experience. At

М., 2014. - 256 с.

ционного исполнения». Опыт работы - 28 лет.

present, he works as head of «Electromechanical

7. Аполлонский С.М. Электромагнитная со-

В настоящее время - заведующий кафедрой

complexes and systems» department of Emper-

вместимость и функциональная безопас-

«Электромеханические комплексы и систе-

or Alexander I Petersburg State Transport Uni-

ность в электроэнергетике: монография. - М.:

мы» ФГБОУ ВО ПГУПС. Имеет более 80 науч-

versity. He has more than 80 scientific and study

SCIence, 2016. - 324 с.

ных и учебно-методических трудов.

published works.

Информация

№ 2 2017

Сведения об авторах

Д.т.н., профессор

К.т.н.

Исмагилов Флюр Рашитович

Сурайкин Александр Иванович

+7-347-273-77-87

8-927-171-25-67

К.т.н.

Д.т.н.

Коняхин Сергей Федорович

Попов Юрий Васильевич

+7-495-980-65-00

+7-916-384-48-73

К.т.н., доцент

К.т.н.

Спиридонов Егор Александрович

Денисов Илья Владимирович

+7-961-226-53-45

+7-915-776-24-14

К.т.н.

Д.т.н., профессор

Гельвер Фёдор Андреевич

Аполлонский Станислав Михайлович

8-911-260-62-95

+7-812-235-55-31

К.т.н., доцент

Гридин Владимир Михайлович

8-916-044-71-76

ТРЕБОВАНИЯ К РЕКЛАМНЫМ И АВТОРСКИМ МАТЕРИАЛАМ

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

Все шрифты должны быть переведены в кривые.

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

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

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

фотография должны быть представлены отдельным файлом.

СТОИМОСТЬ ГОДОВОЙ ПОДПИСКИ:

Печатные материалы, используемые в журнале, являются

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

собственностью редакции.

Оформить подписку можно:

- через редакцию - необходимо направить по факсу или

электронной почте заявку с указанием банковских рекви-

При перепечатке ссылка на журнал обязательна.

зитов, наименования организации (фирмы), точного почто-

вого адреса и количества комплектов журнала.

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

Полученные материалы не возвращаются.

e-mail: npptez@mail.ru;

- через ОАО «Агентство Роспечать» - по Каталогу изданий

органов научно-технической информации 2017 г., индекс

Редакция оставляет за собой право корректорской

59990.

и редакторской правки публикаций без согласования

с авторами.

СТОИМОСТЬ РЕКЛАМЫ:

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

Журнал распространяется через редакцию по адресной рас-

4-я страница обложки - 30 000 рублей;

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

одна страница внутри журнала - 12 000 рублей.

ванных выставках и симпозиумах.