№ 3 (2022)
Свидетельство о регистрации СМИ ПИ N ФС 77-29963
от 17 октября 2007 г.
В.А. Осипова
М.П. Бадер, д.т.н., профессор В.Я. Беспалов, д.т.н., профессор А.С. Веденеев, д.ф.-м.н., доцент Л.А. Герман, д.т.н., профессор Ю.М. Иньков, д.т.н., профессор В.В. Калугин, д.т.н., доцент
А.А. Ковалев, д.т.н.
К.Л. Ковалев, д.т.н., доцент
В.Н. Козловский, д.т.н., доцент А.С. Космодамианский, д.т.н., профессор
А.И. Попов, д.т.н., профессор
В.Т. Пенкин, д.т.н., доцент
С.Т. Рембеза, д.ф.-м.н., профессор В.И. Сарбаев, д.т.н., профессор М.В. Шевлюгин, д.т.н., доцент
О.А. Кожухова
140070, Московская область, Люберецкий район, п. Томилино, ул. Гаршина, д. 11.
Тел./факс: (495) 500-40-20
E-mail: npptez@mail.ru
Сайт: www.npptez.ru
Журнал издается в электронном виде.
Адрес сайта: eet-journal.ru
СОДЕРЖАНИЕ
электроподвижного состава...........................................................................................2
Особенности устройства и работы четырехфазного вентильного двигателя
переменного тока с несимметричной обмоткой ..................................................6
Моделирование энергоэффективной системы прямого управления моментом
тягового асинхронного двигателя..............................................................................11
преобразователя возбуждения ....................................................................................18
Анализ методов решения задач оптимального
управления движениям поезда ......................................................................................23
Применение нейронных сетей для прогнозирования и оповещения событий информационной
безопасности ......................................................................................................................29
Трамвай-поезд и перспектива его применения
в транспортной системе Санкт-Петербурга .....................................................32
Сравнение энергоэффективности
электромобилей ................................................................................................................39
Исследование помехоустойчивости
к внешним электромагнитным воздействиям канала управления скоростью, CAN-шины и электронного реле указателей поворота современного
легкового автомобиля .....................................................................................................44
// METHODS OF VISUAL AND AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROL OF ELECTRIC ROLLING STOCK EQUIPMENT //
В статье изложены два способа контроля температуры электро- подвижного состава железных дорог с помощью термоиндикаторов. Пер- вый способ визуального контроля на- грева силового электрооборудования и электрических машин электровоза дополняет существующие способы контроля температуры на электро- возах, делает информацию о нагреве электрооборудования и электриче- ских машин электровоза доступной локомотивной бригаде при движении электровоза и на стоянках, а также позволяет определять после окон- чания поездки максимальную тем- пературу нагрева контролируемого электрооборудования и электриче- ских машин, которую они получили во время движения электровоза. По- стоянный контроль теплового ре- жима силового электрооборудования и электрических машин электровоза позволит локомотивной бригаде опе- ративно принимать оптимальные решения в сложившихся ситуациях, ремонтникам выявлять то обору- дование, которое может выйти из строя при дальнейшей эксплуатации электровоза. В продолжении разви- тия описанного визуального способа рассматривается способ автома- тического контроля нагрева букс при движении подвижного состава,
а также визуального контроля тем- пературы букс (узлов) на стоянках. Суть способа контроля температу- ры при движении подвижного состава заключается в том, что на крышки букс крепится комплект термоин- дикаторов, в состав которого вклю- чены реверсивный и нереверсивный термоиндикаторы. Регистрация информации о цвете реверсивных термоиндикаторов на крышках букс колёсных пар подвижного состава, осуществляется в автоматическом режиме с помощью быстродействую- щих цифровых фотокамер, установ- ленных стационарно в зоне контроля по обеим сторонам пути друг против друга для одновременного получения информации с двух букс одной колёс- ной пары. Информация с фотокамер автоматически снимается, сохра- няется, анализируется, передаётся и просматривается оператором на диспетчерском посте контроля. На остановках подвижного состава визу- альная информация о нагреве букс до- ступна обслуживающему персоналу.
Ключевые слова: визуальный и автоматический контроль нагрева электрооборудования, электриче- ских машин, букс колёсных пар, без- опасность движения поездов, надеж- ность, экономическая выгода.
The article describes two ways to control the temperature of electric rolling stock of railways using thermal indicators (reversible and non-reversible) during movement and in parking lots. The first method of visual control of heating of electric power equipment and electric cars of an electric locomotive complements the existing methods of temperature control on electric wagons, makes information about heating of electric equipment and electric cars of an electric locomotive available to the locomotive crew when driving an
electric wagon and in parking lots, and also allows you to determine, after the end of the trip, the maximum heating temperature of controlled electrical equipment and electric cars which they received during the movement of the electric locomotive. Constant monitoring of the thermal regime of the electric locomotive's power equipment and electric machines will allow the locomotive crew to promptly make optimal decisions in the current situations, and the repairmen to identify the equipment that may fail during further operation of the electric locomotive. In the continuation of the development of the described visual method, the method of automatic control of the heating of the boxes during the movement of rolling stock, as well as visual control of the temperature of the boxes (nodes) in parking lots is considered. The essence of the method of temperature control during the movement of the rolling stock is that a set of thermal indicators is attached to the covers of the box, which includes reversible and non-reversible thermal indicators. Registration of information about the color of reversible thermal detectors on the covers of the wheelset boxes of rolling stock is carried out automatically using high-speed digital cameras installed permanently in the control zone on both sides of the track opposite each other to simultaneously receive information from two boxes of one wheelset. The information from the cameras is automatically captured, stored, analyzed, transmitted and viewed by the operator at the dispatcher control post. At the stops of the rolling stock, visual information about the heating of the box is available to the service personnel.
Keywords: Visual and automatic control of heating, electrical equipment, electric machines, wheelset boxes, train safety, reliability, economic benefits.
№ 3 (2022)
При эксплуатации подвижного
состава железных дорог возникают
аварийные ситуации, связанные с
нарушением контроля температур-
ного режима электрооборудования,
электрических машин, механиче-
ской части электровозов и вагонов.
Возникающие при этом аварийные
ситуации приводят к аварийным
остановкам, продолжительным ре-
монтам оборудования электропод-
вижного состава и вагонов [1-6].
Не редки случаи возгораний ма-
гистральных электровозов в разных
регионах России. Всё это увеличива-
ет затраты на эксплуатацию подвиж-
ного состава, ведёт к материальным
потерям [7-9]. В связи с этим возни-
кают задачи по повышению эффек-
тивности контроля температуры
электрооборудования, электриче-
ских машин электровозов и букс (уз-
лов) колёсных пар вагонов подвиж-
ного состава [10].
Применяемые системы контро-
ля температуры высоковольтного
электрооборудования и электриче-
ских машин электровозов отвечают
требованиям электробезопасности,
требуют регулярного обслуживания,
проверки работоспособности, до-
стоверности получаемой информа-
ции и других видов работ. При этом
всё высоковольтное оборудование
на электровозе ограждено метал-
лической сеткой от обслуживаю-
щего персонала, т.е. находится на
достаточно удалённом расстоянии
в целях безопасности локомотивных
бригад [3,4].
Ставится задача создания новых
дополнительных способов контроля
температуры электроподвижного
состава железных дорог на ходу по-
езда и на стоянках на основе совре-
менных не дорогих инструментов
контроля.
Допустимая температура нагре-
ва электрической изоляции прово-
дов лежит в пределах 950-1350 С,
которая определяет допустимый
диапазон температур нагрева со-
ответствующих частей электрообо-
рудования и электрических машин
электроподвижного состава. Для
контроля температур в указанном
диапазоне возможно использова-
ние не дорогих цветовых индикато- ров температуры, которые делятся на два типа реверсивные и неревер- сивные [11,12].
Рассмотрим более подробно их принцип действия. Реверсивные тер- моиндикаторы изменяют свой цвет в зависимости от температуры в ре- альном времени, т.е. от действующей температуры в данный момент вре- мени, что позволяет использовать их многократно. Нереверсивные термо- индикаторы разовые, они изготавли- ваются из разных полосок термоин- дикаторов, изменяющих свой цвет при определённых температурах нагрева. При этом при понижении температуры нереверсивные термо- идикаторы не изменяют свой цвет, а сохраняют цвет, соответствующий наибольшей температуре нагрева, т.е. показывают и сохраняют наиболь- шую температуры нагрева контроли- руемого оборудования [11,12].
Диапазон температур, на кото- рый в настоящее время могут выпу- скаться цветовые термоидикаторы составляет 400-2500 С, что позволяет выбрать оптимальные для визуаль- ного наблюдения и температурного режима мест на электрооборудова- нии, электрических машинах и дру- гом оборудовании электроподвиж- ного состава [11,12].
Так как цветовые термоиндика- торы изготавливаются в виде само- клеющихся гибких плёнок, то могут наклеиваться на поверхности обо- рудования любой формы.
Цена цветовых термоиндика- торов незначительна, размещение их на оборудовании может опре- деляться из условий эксплуатации оборудования, и в дальнейшем кор- ректироваться опытным путём.
Наблюдение за изменением цве- та наклеенных термоиндикаторов может проводиться поездными бри- гадами как на ходу электровоза, так и на остановках [13].
Рассмотрим второй предложен- ный способ контроля температуры с помощью термоиндикаторов [14].
Система контроля нагрева букс вагонов подвижного состава сво- дится к двум способам: автоматиче- скому и ручному. С помощью авто- матики обнаруживается перегрев и заторможенность колёс вагонов движущего состава. В этом способе используется аппаратура типа ДИСК, ПОНАБ и КТСМ. Второй способ за-
ключается в наружном осмотре ра- ботниками пунктов технического обслуживания после прибытия по- езда [10].
При первом способе по инфра- красному излучению от букс вагонов аппаратура обнаруживает перегре- тые буксы и выдает сигнал обслужи- вающему персоналу для принятия соответствующего решения. При ра- боте аппаратуры возможны сбои в зависимости от природных условий (и других внешних причин), напри- мер, от солнца [10].
При реализации второго способа контроля температурного режима букс подвижного состава работники должны на ощупь улавливать нагрев букс, сравнивать отклонения темпе- ратуры букс от средней по составу поезда. Применение разрешённых приборов контроля температуры каждой буксы, увеличивает время осмотра вагонов [10].
Известен способ, предлагающий покрывать крышки букс материа- лом, изменяющим свой цвет, в за- висимости от температуры нагрева буксы, который позволяет постоян- но отслеживать температуру буксы, в том числе и при её остывании. С
1922 года, когда способ был пред- ложен в Германии, то он не получил распространение в сети железных дорог, в силу того, что при ручном осмотре не давал большого преиму- щества по сравнению с традицион- ным способом, а также не был авто- матизирован [15].
Предложенный способ автома- тического контроля температуры нагрева букс (узлов) железнодорож- ных вагонов на ходу поезда при сле- довании поезда по станциям, обо- рудованным пунктами наблюдения, а также визуального наблюдения на пунктах технического обслужи- вания, является самостоятельным способом, дополняет существующие способы контроля температуры, делает получаемую информацию более объективной, достоверной и надёжной, что уменьшает риски ава- рий поездов по причине неисправ- ности букс вагонов [14].
Для реализации способа на крышки букс (узлов) колёсных пар вагонов всего состава поезда накле- иваются реверсивные и неревер- сивные термоидикаторы [14].
Снятие информации о цвете тер- моиндикаторов на крышках букс
Рис. 1. Блок-схема устройства автоматического неконтактного контроля температуры букс колёсных пар движущего поезда
контроля или передаваться в дру- гие базы данных [14].
Устройство для автоматическо- го неконтактного контроля нагрева букс железнодорожных подвижных транспортных средств может рас- полагаться стационарно на пунктах контроля, например, совместно с ап- паратурой типа ПОНАБ, ДИСК и КТСМ или самостоятельно на других пун- ктах контроля. Обеспечивает досто- верную информацию о температур- ном состоянии каждой буксы всего состава поезда в реальном масштабе времени. При этом по сравнению с аппаратурой типа ПОНАБ, ДИСК и КТСМ, существующими средствами защиты практически исключается вероятность сбоев из-за попадания солнечных лучей в объектив фото- камеры. Кроме того, нереверсивные термоиндикаторы при осмотре ваго- нов на станциях дают информацию работникам о максимальной темпе-
может осуществляться работниками визуально и (или) в автоматическом режиме, например, при движении поезда информация снимается с помощью цифровых видеокамер, установленных напольно около же- лезнодорожного пути в требуемой зоне. Полученная таким образом информация в дальнейшем может передаваться, сохраняться и про- сматриваться диспетчером в реаль- ном времени или после прохода поездом места наблюдения. При этом, по сравнению с аппаратурой, практически исключается вероят- ность сбоев из-за попадания солнца в объектив видеокамеры, т.к. ее ось, например, можно устанавливать го- ризонтально и перпендикулярно к плоскости крышек букс движущего- ся поезда [14].
Укрупненная блок-схема устрой- ства автоматического неконтактного контроля температуры букс колёс- ных пар движущего поезда пред- ставлена на рис.1, где 1 – датчики прохода осей, 2 – микропроцессор- ный блок управления, 3 – цифровые фото камеры, 4 – диспетчерский пост контроля.
Устройство автоматического неконтактного контроля темпера- туры букс колёсных пар движуще- гося поезда работает следующим образом: при прохождении состава поезда через участок контроля, с блока датчиков прохода осей по- ступает сигнал в блок управления,
который синхронно включает циф- ровые фотокамеры в момент попа- дания букс колёсной пары в поле их зрения. Полученные фотоснимки считываются с цифровых фотока- мер микропроцессорным блоком управления, каждый фотоснимок идентифицируется по вагонам и по осям состава поезда. Параллельно фотоснимки сохраняются в памяти цифровых фотокамер. После обра- ботки микропроцессорным блоком управления информации, получен- ной с фотокамер, заключающейся, в том числе, в сравнении с нормиру- емыми показателями нагрева букс, заложенными в его память, и реги- страции фотоснимков букс с тем- пературными отклонениями, фото- снимки поступают в диспетчерский пост контроля для дальнейшего анализа и принятия решения. С дис- петчерского поста контроля по об- ратной связи передаются команд- ные сигналы в микропроцессорный блок управления для повторения передачи информации, в том числе и всех фотоснимков, поступивших с фотокамер, тестирования системы, изменения нормируемых показа- телей, например, от температуры окружающей среды и для обнуле- ния памяти цифровых фотокамер и приведения микропроцессорного блока управления в исходное рабо- чее состояние. Информация о пере- гретых буксах колёсных пар может храниться на диспетчерском посту
ратуре, до которой каждая букса в отдельности была нагрета в процессе её эксплуатации. Информация о тем- пературном режиме эксплуатации каждой буксы колёсных пар служит обслуживающему персоналу основа- нием для принятия решения.
Предложенный способ можно ис- пользовать для контроля темпера- туры букс грузовых и пассажирских вагонов поездов, который будет дополнять существующие системы контроля температуры нагрева букс подвижного состава [14].
Предложены способы визуаль-
ного и автоматического контроля
температуры нагрева электрообо-
рудования, электрических машин
электроподвижного состава, букс
(узлов) вагонов железнодорожных
поездов [13,14].
Конечный технический результат
применения предложенных спосо-
бов контроля температуры на осно-
ве недорогих, простых в эксплуата-
ции термоиндикаторов заключается
в повышении безопасности движе-
ния поездов.
1. Сидоров, Н.Н. Как устроен и
работает электровоз. / Н.Н. Сидоров
– изд.. 3-е перераб. и доп. М.: Транс-
порт, 1974. -224 с.
2. Медель, В.Б. Подвижной состав
электрических железных дорог. Кон-
№ 3 (2022)
струкция и динамика / В.Б. Медель – М.: – Транспорт, !974. – 232 с.
3. Головатых, А.Т. Электроподвиж- ной состав: эксплуатация, надёж- ность, ремонт / А.Т. Головатых, П.И. Борцов – М.: Транспорт, 1981. – 240 с.
4. Айзинбуд, С. Я. Эксплуатация локомотивов / С.Я. Айзинбуд, П.И. Кельперис – 2 изд. перераб. и доп. – М.: Транспорт, !990. – 261 с.
5. Некрасов, Т. И. Техническое об- служивание буксовых узлов вагонов
/ Т.И. Некрасов -М.: Транспорт, 1990.
– 47 с.
6. Инструктивные указания по
эксплуатации и ремонту вагон-
ных букс с роликовыми подшип-
никами. http://www.entc.ru/index.
php?pg=logistri rail-Инфо.
7. Хроника горящего локомотива.
Газета «Гудок» от 30.07.2002. – http://
www.gudok.ru
8. Из-за пожара в электровозе
под Красноярском на Транссибе
было прервано движение поездов.
www.newslab.ru
9. В Приморье произошел по-
жар на электровозе. – http://www.
primamedia.ru
10. Миронов, А.А. Аппаратура
обнаружения перегретых букс и за-
торможенных колес должна рабо-
тать лучше / А.А. Миронов, В.Л., Об-
разцов, А.Э. Павлюков – http://www.
newscb.ru/index.php.
11. Измерение температуры.
www.DirectRelief.org
12. Абрамович Б.Г., Картавцев В.Ф.
Цветовые индикаторы температуры
/ Б.Г. Абрамович, В.Ф. Картавцев – М.:
Энергия, 1978. -216 с.
13. Пат. № 2411149/2011 Рос-
сийская Федерация, RU 2 411 149
C2, МПК В61К 9/00 (2006.01). Спо-
соб визуального контроля нагрева
силового электрооборудования и
электрических машин электровоза
/ А.П. Степанов, А.И. Милованов, В.Н.
Саломатов, К.А. Марютин, М.А. Сте-
панов; заявитель и патентооблада-
тель Иркут. гос. ун-т путей сообщен.
– №2008103611/11 заявл. 29.01.2008
опубл. 10.08.2009. Бюл. №22.
14. Пат. № 100477 Российская Фе-
дерация, RU 100477 U1, МПК B61K
9/04 (2006.01). Устройство для авто-
матического неконтактного контро- ля нагрева букс / Степанов А.П., Сало- матов В.Н., Милованов А.И., Степанов М.А.; заявитель и патентообладатель Иркут. гос. ун-т путей сообщен. –
№2010118047/заявл. 05.05.2010/ опу- бл. 20.12.2010. Бюл. №35.
15. Патент Германии GB 155574 A, кл. В61К9/04, опубл. 24.04.1922.
Степанов Максим Александрович Родился в 1974 году. В 1996 году окончил Иркутский государственный технический университет по специ- альности «Электропривод и автомати- ка промышленных установок и техно- логических комплексов». В 2017 году защитил кандидатскую диссертацию по теме «Разработка способов магнит- ного контроля и оценки технического состояния элементов протяжённых стальных конструкций». В настоящее время работает доцентом кафедры
«Электроэнергетика транспорта» Ир- кутского государственного универси- тета путей сообщения. Автор 36 тру- дов, из них 1 монография, 13 патентов на изобретение и 1 патент на полез- ную модель РФ.
Степанов Александр Петрович
Родился в 1949 году. В 1971 году
окончил Иркутский политехниче-
ский институт по специальности
«Электропривод и автоматизация
промышленных установок». Защи-
тил кандидатскую диссертацию в
1979 году. В настоящее время рабо-
тает доцентом кафедры «Электроэ-
нергетика транспорта» Иркутского
государственного университета пу-
тей сообщения. Имеет отраслевые
грамоты. Автор 91 научного труда,
из них 16 патентов на изобретение и
1 патент на полезную модель РФ.
Криворотова Виктория Викторовна
Родилась в 1983 году. Окончила Иркутский государственный универ- ситет путей сообщения по специаль- ности «Инженер путей сообщения» в 2003 году. Защитила кандидатскую диссертацию по теме «Возбуждение монокристаллов, легированных эр- бием, в интенсивных оптических и
радиационных полях». В настоящее время работает доцентом кафедры
«Электроэнергетика транспорта» Иркутского государственного уни- верситета путей сообщения. Автор
43 научных трудов.
Stepanov Maxim Alexandrovich
Was born in 1974. In 1996 he
graduated from the Irkutsk State
Technical University with a degree
in Electric Drive and Automation
of Industrial Installations and
Technological Complexes. In 2017
he defended his Ph.D. thesis on the
topic “Development of methods for
magnetic control and assessment of
the technical condition of elements of
extended steel structures”. Currently,
he works as an assistant professor
at the Department of Electric Power
Engineering of Transport at the Irkutsk
State Transport University. Author of
36 works, including 1 monograph, 13
invention patents and 1 utility model
patent of the Russian Federation.
Stepanov Alexander Petrovich
Was born in 1949. In 1971
he graduated from the Irkutsk
Polytechnic Institute with a degree
in Electric Drive and Automation of
Industrial Installations. He defended
his Ph.D. thesis in 1979. Currently,
he works as an assistant professor
at the Department of Electric Power
Engineering of Transport at the Irkutsk
State Transport University. He has
industry credentials. Author of 91
scientific works, including 16 invention
patents and 1 utility model patent of
the Russian Federation.
Krivorotova Victoria Viktorovna
Was born in 1983. Graduated from
Irkutsk State Transport University with
a degree in Railway Engineering in
2003. She defended her Ph.D. thesis
on the topic "Excitation of single
crystals doped with erbium in intense
optical and radiation fields." Currently,
he works as an assistant professor
at the Department of Electric Power
Engineering of Transport at the Irkutsk
State Transport University. Author of
43 scientific papers.
Особенности устройства и работы четырехфазного вентильного двигателя переменного тока
с несимметричной обмоткой
// FEATURES OF THE DEVICE AND OPERATION OF A FOUR-PHASE AC AC MOTOR WITH ASYMMETRICAL WINDING //
В рассмотренном вентильном двигателе (ВД) обмотка выполнена несимметричной: ее вторая, тре-
для всех чисел фаз обмотки S, Im- максимальный ток в фазах ббмот- ки, Bm – максимальная магнитная индукция в рабочем зазоре, ik – ток в k-й фазе, bk – магнитная индукция для k-й фазы, w – число витков в ка- ждой фазе.
Составлены выражения для от-
носительных фазных токов 𝑖𝑖𝑘𝑘 и маг-
the winding is asymmetrical: its second, third and fourth phases are shifted relative to the first phase by an angle equal to 90 °, 135 ° and 225 electrical degrees, respectively. The features of the device and the operation of such an engine are considered.
The expressions for phase currents and magnetic inductions in torque
тья и четвертая фазы смещены от-
нитных индукций 𝑏𝑏�
в четырехфаз-
four-phase and three-phase motors in
носительно первой фазы азы на угол,
равный соответственно 90°, 135° и
225 электрических градусов. Рассмо- трены особенности устройства и работы такого двигателя. Проведе- но сравнение основных характери- стик четырехфазных и трехфазных моментных ВД переменного тока, при этом определены отношения их моментов и пульсаций моментов, оценена надежность работы обоих ВД. Вначале выразили электромаг- нитный момент ВД m:
𝑆𝑆
ном и трехфазном двигателях в виде
рядов Фурье. Используя их, получены выражения для электромагнитных моментов и пульсаций этих момен- тов. При анализе этих выражений установлено, что пульсация момен- та у четырехфазного двигателя при- мерно в 2.4 раза меньше, чем у трех- фазного. Также установлено, что четырехфазный двигатель создаёт такой же момент, как и трехфазный двигатель. А в случае отказа одного транзистора или схемы управления им момент m будет изменяться в меньших пределах.
the form of Fourier series are compiled.
Using them, expressions for the electromagnetic moment and pulsation of this moment are obtained. When analyzing these expressions, it was found that the ripple of the moment in a four-phase motor is approximately 2.4 times less than in a three-phase motor. It has also been found that a four-phase motor produces the same specific torque as a three-phase motor and is more reliable.
Keywords: four-phase unbalanced and three-phase windings, electromagnetic moment, ripple of
𝑚𝑚 = 𝐴𝐴 ∙ 𝐼𝐼𝑚𝑚 ∙ 𝑤𝑤 ∙ � 𝑖𝑖𝑘𝑘 ∙ 𝑏𝑏𝑘𝑘 , 𝑖𝑖𝑘𝑘
К𝑖𝑖лю⁄ч𝐼𝐼евы,е сло𝑏𝑏в𝑘𝑘а: чет𝑏𝑏 ы⁄р𝐵𝐵ехфа, зная
torque, specific moment.
∙ 𝑘𝑘 , 𝑖𝑖𝑘𝑘 = 𝑖𝑖𝑘𝑘 ⁄𝐼𝐼𝑚𝑚 , 𝑏𝑏�
𝑘𝑘 =1
= 𝑏𝑏
⁄𝐵𝐵 ,
несимметричная обмотка, трех- фазная обмотка, электромагнит-
𝑘𝑘
𝑘𝑘
𝑚𝑚
ный момент, пульсация момента.
где: A – одинаковый коэффициент
In the engine under consideration,
Вентильные двигатели (ВД) по сравнению с двигателями постоян- ного тока обладают подобными ха- рактеристиками, но не имеют сколь- зящих контактов [1] – [4], поэтому они работают более надежно, осо- бенно при вибрациях, ускорениях, после ударов, в вакууме и т.п.
ВД содержит синхронный двига- тель (СД), инвертор тока (ИТ), фор- мирующий значения фазных токов в соответствии с положением ротора
, датчик положения ротора (ДПР) и преобразователь сигналов ДПР в на- пряжения, управляющие ИТ.
Основными характеристиками
ВД являются удельный момент (от-
ношение момента к объему актив- ной, электромеханической части двигателя), КПД и пульсация мо- мента. Последняя должна быть как можно меньше, особенно для мо- ментных, т.е. низкоскоростных ВД, у которых скорость вращения вала может быть, например, (0,01 – 0,1) об/c Такие рассматриваемые здесь двигатели применяют например в гироскопических системах как кор- рекционные для удержания оси ги- роскопа в заданном направлении.
ВД можно разделить на два типа: ВД постоянного тока и ВД перемен- ного тока. ВД постоянного тока по- священы, например [2], [5] – [13].
Они обеспечивают при повороте ротора поочередное подключение секций ЯО к источнику питания и отключение их от источника. При желаемой трапецеидальной форме ЭДС и оптимальных моментах под- ключений секций к источнику фор- ма тока в каждой секции близка к трапецеидальной. Трапецеидальная форма ЭДС возможна при трапецеи- дальном распределении магнитной индукции по окружности воздушно- го зазора [11], [12]. Так как реальное распределение магнитной индукции по окружности воздушного зазора не строго трапецеидальное, то при повороте ротора момент пульсиру-
№ 3 (2022)
ет. Пульсацию можно уменьшить, из- меняя при повороте ротора фазные токи плавно или ступенчато, как это показано в [11], [12].
ВД переменного тока посвяще- ны, например [7], [14] – [16]. Они обеспечивают при повороте ротора токи в секциях (фазах) ЯО, изменя- емые путем позиционной непре- рывной или широтно-импульсной модуляции фазных напряжений [7], [14,] – [16]. Для них характерны си- нусообразное распределение маг- нитной индукции по окружности воздушного зазора и синусообраз- ные фазные токи. ИТ может быть вы- полнен линейным при относительно небольших значениях момента или с широтно-импульсным модулятором (ШИМ) фазных напряжений. Так как реальное распределение магнитной индукции по окружности воздушно- го зазора и фазные токи не строго си- нусоидальные, то при повороте ро- тора момент пульсирует. Пульсацию можно уменьшить, применяя для ИТ отрицательную обратную связь по току. В этом случае ВД содержит датчик тока, а схема ВД усложнена. С той же целью можно калибровать преобразователь сигналов ДПР в на-
транзисторами. Индуктор выполня- ют в виде магнита – звездочки или составным из внутреннего магнито- мягкого основания и наружных по- люсов-магнитов.
Пульсация момента у известных ВД с дискретным и с аналоговым управлением составляет не менее
3, 5-4%, но во многих случаях она не должна превышать 1-2%, например, для коррекционных двигателей ги- роскопических систем.
Здесь рассматривается альтерна- тивный ВД переменного тока.
На рис. 1 показана упрощенная электрическая схема четырехфазно- го ВД переменного тока с ИТ, содер- жащим ШИМ.
Силовая часть этой схемы, со- держащая обмотку, транзисторы VT1 – VT8 и диоды VD1 – VD8, вме- сте с источником питания изобра- жена в виде принципиальной элек- трической схемы. Остальная часть, содержащая ДПР и ШИМ1 – ШИМ4, изображена в виде упрощенной функциональной схемы управления транзисторами VT1 – VT8. Преобра- зователь сигналов ДПР не показан. На входы ШИМ подаются также пило- образные напряжения, с которыми
фазы BO, CO и DO смещены относи- тельно фазы AO на электрический угол, равный соответственно 90°,
135° и 225°. Обмотка выполнена рас- пределенной с укороченным шагом. Она может быть уложена в пазы, ско- шенные на одно пазовое деление, или на внутренней цилиндрической поверхности гладкого магнитопро- вода якоря для исключения пульса- ции момента, обусловленной зуб- чатым строением магнитопровода. Индуктор выполнен в виде цилин- дрического постоянного магнита с радиальными неявно выраженными полюсами или состоящим из вну- треннего магнито-мягкого основа- ния, наружных полюсов – магнитов и профилированных полюсных на- конечников.
ДПР может быть выполнен, на- пример, в виде синус-косинусного вращающегося трансформатора или в виде двухфазного микросина. При вращении ротора напряжения на выходе преобразователя сигналов ДПР изменяются по законам, близ- ким к синусоидальным:
𝑢𝑢Д1 ≈ 𝑈𝑈Д𝑚𝑚 ∙ sin 𝛼𝛼 , 𝑢𝑢Д2 ≈ 𝑈𝑈Д𝑚𝑚 ∙ sin(𝛼𝛼 − 90°),
𝑢𝑢Д3 = (−𝑢𝑢Д1 + 𝑢𝑢Д2 )/ √2 ≈ 𝑈𝑈Д𝑚𝑚 ∙ sin(𝛼𝛼 − 135°) ,
𝑢𝑢Д4 = −�𝑢𝑢Д1 + 𝑢𝑢Д2 �/ √2 ≈ 𝑈𝑈Д𝑚𝑚 ∙ sin(𝛼𝛼 + 135°),
пряжения, управляющие ИТ, т.е. кор- ректировать форму фазных токов.
сравниваются преобразованные сиг- налы ДПР. Из-за несимметрии обмот-
где UДm
– амплитуда выходных на-
Но устройство и процесс калибров- ки весьма громоздки [14] – [16].
Обычно применяют ВД постоян- ного тока и ВД переменного тока с трехфазной ЯО и шестью силовыми
ки применен источник питания со средней точкой, которая соединена с общим выводом О фаз обмотки.
Обмотка – четырехфазная несим- метричная, предложена автором. Ее
пряжений преобразователя, α –
угловое положение ротора.
ШИМ1 – ШИМ4 создают последо- вательности импульсов напряжений uУ1 – uУ8, у которых отношение γ их длительности к интервалу времени между соседними импульсами со- ответствует напряжениям uД1 – uД4 и равно соответствующей синусои- дальной функции от угла α.
На одном полупериоде измене- ния напряжений uД1 – uД4 импульсы напряжений uУ1 – uУ4 с изменяемым отношением γ поступают на входы транзисторов VT1 – VT4, а на другом полупериоде аналогичные импуль- сы напряжений uУ5 – uУ8 поступают на входы транзисторов VT5 – VT8, и последние в это время открывают- ся и проводят ток. В результате по фазам обмотки, представляющим активно-индуктивную нагрузку, че- рез транзисторы VT1 – VT8 и диоды VD1 – VD8 протекают непрерывные синусообразные токи, и двигатель
Рис. 1. Упрощенная электрическая схема ВД переменного тока: АО, ВО, СО, DO – фазы обмотки; ДПР – датчик положения ротора; ШИМ1 – ШИМ4 – широтно-импульсные модуляторы
создает электромагнитный момент. Более подробно устройство и рабо- та ВД с ШИМ описаны в [7.]
4
ВД переменного тока, в том числе
45°) + C
∙ sin (7 ∙ α – 135°) + C ∙
4 � 𝑘𝑘 𝑏𝑏𝑘𝑘
sin α sin ( − ° + sin2 (α − 135°) + sin2 (α + 135°) = 2,0 7 9
четырехфазный, может быть выпол-
нен и без ШИМ, сsiлnи(не+йным° И=Т п,ри
относительно небольших значениях
3
ε3 = � 𝑖𝑖𝑘𝑘
1
∙ 𝑏𝑏𝑘𝑘
sin (9 ∙ α + 135°) + ...
= sin2 α + sin2 (α − 10°) + 2 α 120 ) 1 5
Абсолютные фазные токи и маг-
момеεнт=а [14]𝑖𝑖.𝑘𝑘 𝑏𝑏𝑘𝑘
sin α sin ( − ° + sin2 (α + 120°) = 1,5.
нитные индукции – результат умно-
Электро1 магнитный момент m мож-
но выразить следующим образом:
m = A ∙I_m∙w ε ,
где: 𝐴𝐴 = 𝐷𝐷 ∙ 𝐿𝐿 ∙ 𝐵𝐵𝑚𝑚 ∙ ρ,
Очевидно, что сомножители ε4 и ε3, а следовательно и электромагнит- ные моменты (далее – моменты) не зависели бы от положения ротора и отсутствовала бы пульсация момен- тов.
жения относительных фазных токов
и индукций на максимальный ток Im и на максимальную индукцию Bm со- ответственно.
Если учесть только 1-ю, 3-ю, 5-ю,
7-ю и 9-ю гармоники, пренебречь
ε = ∑𝑆𝑆
𝑖𝑖𝑘𝑘 ∙ 𝑏𝑏𝑘𝑘 , ,𝑖𝑖
= 𝑖𝑖
⁄𝐼𝐼 ,
𝑏𝑏
𝑏𝑏
⁄𝐵𝐵 ,
квадратами и произведениями вы-
𝑘𝑘 =1
𝑏𝑏�
𝑘𝑘
𝑘𝑘
𝑚𝑚
Но реальн𝑘𝑘о фазные токи ik и
магнитные индукции bk как перио-
ражений для высших гармоник как
𝑘𝑘 = 𝑏𝑏𝑘𝑘 ⁄𝐵𝐵𝑚𝑚,
D – диаметр воздушного зазора
между якорем и индуктором, L –
длина магнитопровода якоря, Bm
– максимальная магнитная индук-
ция в воздушном зазоре, ρ ≈ 0,95-
0,97 – коэффициент, учитывающий скос пазов или укладку обмотки на
дические функции от угла α содер-
жат высшие нечётные гармоники. С другой стороны, принципиально невозможно устранить хотя бы все значимые высшие гармоники или идеально откорректировать преоб- разователь сигналов ДПР, т.е. откор- ректировать форму фазных токов.
малыми членами и использовать
формулу:
sin(α – β) sin n (α – β) = {соs[(n –
1) (α – β)] – cos [(n + 1) (α – β)]}/2,
где β = 0, 900, 1350, 2250 , n = 3,5,7,9,
…. то можно получить выражения:
гладком магнитопроводе якоря, Im
Поэтому при вращении ротора мо-
ε4 = ∑4 𝑖𝑖𝑘𝑘 ∙ 𝑏𝑏𝑘𝑘 = ε
ср4
(1 − ν4
cos 8 α ),
– максимальный ток в фазах ббмот-
ки, w – число витков в каждой фазе,
мент всегда пульсирует.
Нахождение выражений для мо-
εср4
= 2, ν4
== 2 (𝐶𝐶
− 𝐶𝐶9 ), (1)
S – число фаз обмотки, ik – ток в k-й
фазе, bk – магнитная индукция для
k-й фазы обмотки.
Сравним основные характери- стики четырехфазного и трехфазного моментных ВД переменного тока. У
мента и пульсации момента с учетом всех дестабилизирующих момент факторов является очень сложной задачей. Искомые выражения были бы также очень сложными для ана- лиза. А нахождение значений пуль-
где εср4 – среднее значение сомножи-
теля ε4, ν4 – пульсация сомножителя
ε4. Так как момент m пропорциона-
лен сомножителю ε, то ν4 есть пуль-
сация момента четырехфазного ВД.
Для относительных магнитных
обоих ВД ИТ, ДПР и преобразователь
саций вообще является неопреде-
индукций 𝑏𝑏�
: в трехфазном ВД (S =
сигналов ДПР однотипные. Напри-
мер, ИТ выполнены как линейные. СД
ленной задачей, так как неизвестны гармонические составы (ряды) для
3) можно записать аналогичные вы-
ражения (ряды Фурье):
имеют одинаковую конструкцию и
относительных фазных токов ( 𝑖𝑖𝑘𝑘 ) и
𝑏𝑏
= sisninα ++C
∙ sinsi3n∙ α∙+ C+ ∙ sin 5sin ∙ +
выполнены в одинаковых габаритах,
магнитных индукций ( 𝑏𝑏�
1 3 3 5 5
а их обмотки потребляют одну и ту
𝑘𝑘 ). Однако
2 sin α 120 )
𝐶𝐶 ∙ 3 α 𝐶𝐶 ∙
α
все же можно определить, оценить
∙ sin 7 ∙ α + C
∙sin 9 ∙ α + ...
же энергию от источников питания с
𝑏𝑏2 = sin (α – 120°) ++C73 ∙ ssinin3 7∙ α α+
C35 ∙ sin (5 ∙ α + 120°) + C7 ∙ sin (7 ∙
120 )
одинаковым напряжением. При этом
сравниваемых ВД, а также отноше-
𝑏𝑏 sin α 120 ) 𝐶𝐶 ∙ 3 α 𝐶𝐶 ∙
9 ∙ α + ...
считаем, что у обоих ВД одинаковы
α – 120°) + C9 ∙ sin +
sin 7 α 120 )
распределения магнитной индукции
𝑏𝑏
= sin (α + 120°) +
7
C ∙ sin 3 ∙ α +
по окружности воздушного зазора.
гораздо менее критично к значени-
3 3
C ∙ sin (5 ∙ α – 120°) + C
∙ sin (7 ∙ α
Учитываем, что фазные токи в трех-
фазных ВД не содержат гармоники,
ям коэффициентов Фурье для гармо- нических рядов, чем сами пульсации
5
+ 120°)
+ C9 ∙ sin 9 ∙ α
7
+...
кратные трем, и содержат таковые в
четырехфазных ВД.
Для сравниваемых ВД сомножи- тель A – одинаковый, а произведе-
моментов.
Для относительных фазных токов и магнитных индукций в четырех- фазном ВД (S = 4) можно записать
Здесь весовые коэффициенты Фурье при синусах такие же, как и для ВД с четырехфазной обмоткой. Считаем, что выражения для относи-
ния Im w ε – различные в формуле для
следующие выражения (ряды Фу-
тельных фазных токов 𝑖𝑖1
, 𝑖𝑖2
, 𝑖𝑖3
отли-
электромагнитного момента. Будем
обозначать характеристики трех- и
рье), считая, что 𝑖𝑖𝑘𝑘 = 𝑏𝑏� :
чаются от приведенных выражений
𝑏𝑏1 = 𝑖𝑖 1 = sinαα + C𝐶𝐶 3 ∙∙ sin33 ∙αα +𝐶𝐶C5∙∙ sin55 α дл𝐶𝐶я ∙ отн7осαтель𝐶𝐶ны∙ х и9ндαукц⋯ий толь-
четырёхфазного ВД с индексом 3 и 4
𝑏𝑏∙ 2α + 𝑖𝑖C =∙ sin(7 −∙ α +°C+∙ s3ins9in∙ α3 +α...
90 ) 𝐶𝐶 ∙ ( ∙ − ° +
соответственно.
𝑏𝑏
7
= 𝑖𝑖 =
+ 𝐶𝐶 ∙
9
( ∙ + ° + 9
° i∙n ∙
ко отсутствием гармоник, кратных
siтnре9м.αД∙ей9с0тв)у∙я а⋯нало°ги+чно случаю S
2 2 sin((α−– 90°)++ 3C3s
si3n (α3
90 ) 𝐶𝐶 ( −
Если при вращении ротора маг-
𝑏𝑏3 𝑖𝑖 = ( − ° + 3 sin 3 α 45 ) 𝐶𝐶 ∙ ( ∙ + ° +
нитные индукции bk и токи ik изме-
α + 90°) + C++∙ 𝐶𝐶sisn∙in(57(∙ αα∙– 9+103°5) °+) C+𝐶𝐶7
∙9∙ s=in(49, ∙моαж−н9о0п°о) л+уч⋯ить выражения:
3
sin (7 ∙ α + 90°) + C9 ∙ sin (9 ∙ α –si9n0°3)+α...
45 ) 𝐶𝐶 ∙ ( ∙ + ° +
нялись бы строго синусоидально, то
𝑏𝑏 𝑖𝑖
4
𝑖𝑖= =
( (− +
° °+ +3 3 sin 3 α 45 ) 𝐶𝐶 ∙ ( ∙ − ° +
были бы справедливы следующие
𝑏𝑏3 = 𝑖𝑖3 = si+n+(α77 –ssi1nin3577°)α+− C13∙°5si+)n (39𝐶𝐶∙ s∙inε39(=α∙�−1𝑖𝑖𝑘𝑘3∙5𝑏𝑏)𝑘𝑘° =+⋯εср3 (1 − ν3 cos 6 α ),
выражения и значения:
α – 445°)𝑖𝑖+ C= ∙ si(n (+5 ∙ α +°45+°) +3 Csin∙ s3in α 45 )1
𝐶𝐶 ∙ ( ∙ − ° +
5 + sin 7 − ° 7+ sinε 9 α= !1,53,5 ) ⋯ν = 2 ( 𝐶𝐶 -- 𝐶𝐶 )(2)
4 (7 ∙ α + 135°) + C9 ∙ sin (9 ∙ α – 135°)+ ...
ε4 = � 𝑖𝑖𝑘𝑘 ∙ 𝑏𝑏𝑘𝑘 = sin2 α + sin2 (α − 90°) +
𝑏𝑏2 4α= 1𝑖𝑖435=)
sin (α + 135°) + C3 ∙
Из (1) и (2) получим искомое от-
1
sin ( + ° = ,
sin (3 ∙ α + 45°) + C5 ∙ sin (5 ∙ α –
№ 3 (2022)
ν3 ⁄ν4 = (𝐶𝐶5 − 𝐶𝐶7 )/(𝐶𝐶7 − 𝐶𝐶9 )
Из двух последних формул по- лучим:
3. Бут Д. А. Бесконтактные элек- трические машины. – М.: Высшая
Так как C5 > C7 > C9, то (C7 – C9) <
𝐼𝐼
∙ 𝑤𝑤
3
= ∙ 𝐼𝐼
∙ 𝑤𝑤 .
школа, 1985 , 250 с.
(C5 – C7)
𝑚𝑚 4
4 4 𝑚𝑚 3 3
4. Зимин Е. Н., Кацевич В. Л., Козы-
Следовательно ν4 < ν3.
1
Cогласно вышеприведенной
1 формуле, для момента m справедли-
рев С. К. Электроприводы постоянно-
го тока с вентильными преобразова-
Если например 𝐶𝐶5 = 25 , 𝐶𝐶7 = 49 , 𝐶𝐶 = 81
телям: – Энергоиздат, 1981, 192 с.
1
𝐶𝐶9 = 81 ,
Поэтому:
𝑀𝑀4 = εср4 ∙ 𝐼𝐼𝑚𝑚 4 ∙ 𝑤𝑤4 ,
5. Балагуров В.А., Гридин В.М., Ло- зенко В.К. Бесконтактные двигатели постоянного тока с постоянными
то по формулам (1) и (2) получим
𝑀𝑀3
εср3 ∙ 𝐼𝐼𝑚𝑚 3 ∙ 𝑤𝑤3
магнитами. – М.: Энергия, 1975, 128 с.
следующие значения:
ν4 = 0,016, или 1,6 %, ν3 = 0,039, или 3,9 %.
Следовательно: ν4 < ν3, ν3 ⁄ ν4
=3,9/1,6=2,44.
Этот результат близок к результа- там испытаний моментных вентиль- ных двигателей в НИИ прикладной механики. В результате испытаний установлено, что:
ν4 ≈ !,5 %, ν3 ≈ 3,5 %, ν3 ⁄ (ν4 ≈ 2,3.) Если в гармонических рядах Фу-
рье для относительных фазных то- ков и магнитных индукций весовые коэффициенты различные, то можно получить выражения, аналогичные (1) и (2):
Нетрудно установить, что M3 ≈ M4 ≈ M. Следовательно, удельные моменты сравниваемых ВД одина- ковы.
Оценим и сравним работу срав- ниваемых ВД в случае отказа тран- зистора или схемы управления им. В этом случае для момента m справед- ливы выражения:
m3 = [sin2α + sin2(α – 120°) ] ∙
M⁄1,5=[1-0,5∙cos(2α + 60°) ] ∙ M⁄1,5
= (1/3÷1) ∙ M,
m4 ≈ [sin2α+ sin2(α – 90°)+ sin2 (α
± 135°) ] ∙ M⁄2=(1,5 ± 0,5 ∙ sin2α) ∙
M⁄2 = (1/2÷1) M.
При повороте ротора момент m будет изменяться от Mmin до M:
6. Овчинников И.Е., Лебедев Н.И. Бесконтактные двигатели постоян- ного тока. – Л.: Наука, 1979, 270 с.
7. Косулин В.Д., Михайлов Г.Б., Омельченко В.В., Путников В.В. Вен- тильные электродвигатели малой мощности для промышленных робо- тов. – Л: Энергоатомиздат, 1988, 184 с.
8. Овчинников И. Е. Теория вен- тильных электрических двигателей. Л.: Наука, 1985, 148 с.
9. Кенио Т., Нагамори С. Двигате- ли постоянного тока с постоянными магнитами, пер. c англ. М.: Энергоа- томиздат, 1991, 229 c.
10. Штелтинг Г., Байссе А. Электри- ческие микромашины: Пер. с нем. М.:
ν4 = C7i + C7b – C9i – C9b, ν3 =
Mmin4
= M/2, M
min3
= M/3, M⁄2 :
Энергоатомиздат, 1991, 229 с.
C5i + C5b – C7i – C7b,
где коэффициенты с индексом i отно-
сятся к относительному току, а коэф- фициенты с индексом b относятся к относительной магнитной индукции.
И в этом случае также ν4 ⁄ ν3. Найдем отношение моментов
М4/М3 сравниваемых ВД. Условия сравнения указаны выше. При ра- венстве площадей всех пазов якоря для S = 4 и S = 3 справедливы выра- жения:
8 ∙ 𝑤𝑤4 ∙ 𝑔𝑔4 = 6 ∙ 𝑤𝑤3 ∙ 𝑔𝑔3 ,
,
где w3 и w4, g3 и g4 – числа витков в каждой фазе обмотки и площади поперечного сечения проводников обмотки при S = 3 и S = 4.
При равенстве напряжений пита- ния отношение максимальных токов в Фазах обмоток:
𝐼𝐼𝑚𝑚 4 𝑅𝑅3 𝑤𝑤3 𝑔𝑔4 3 𝑤𝑤3 2
= = ∙ = � �
M⁄3=1,5,
т. е. у рассматриваемого ВД мо- мент m будет изменяться в меньших пределах.
Результаты проведенного сравне- ния основных характеристик четы- рехфазных и трехфазных моментных вентильных двигателей переменного тока показывают, что четырехфазный двигатель создаёт такой же удельный момент, что и трехфазный двигатель, но пульсация момента у четырехфаз- ного двигателя примерно в 2.4 раза меньше, чем у трехфазного. Поэтому четырехфазный вентильный двига- тель переменного тока, несмотря на более сложное устройство, чем у трехфазного двигателя, может и дол- жен найти применение.
11. Гридин В.М. Способы умень- шения пульсации момента и выход- ного напряжения бесконтактных моментных двигателей и тахогене- раторов постоянного тока. – Элек- тричество, 2016, № 4, с. 56 – 61.
12. Гридин В.М. Моментные бес- контактные двигатели постоянного тока с дискретным и дискретно- ана- логовым управлением по положе- нию ротора. – Электричество, 2017,
№ 4, с. 50 – 55.
13. Гридин В.М. Характери- стики моментных бесконтактных двигателей постоянного тока с симметричной и несимметричной обмотками. – Электроника и элек- трооборудование транспорта, № 2,
2017, с. 28 –31.
14. Балковой А. П., Цаценкин В, К. Прецизионный электропривод с вентильными двигателями.– М.: Из- дательский дом МЭИ, 2010 – 328 с.
𝐼𝐼𝑚𝑚 3
𝑅𝑅4
𝑔𝑔3
𝑤𝑤4
4 𝑤𝑤4 ,
1. Хрущев В.В. Электрические ма-
15. Столов Л.И., Афанасьев А.Ю.
где R3 и R4 – сопротивления фаз при
S = 3 и S = 4.
С другой стороны, при равен- стве напряжений питания и энер- гий, потребляемых обмотками, справедливо:
4 ∙ Im4 = 3 ∙ Im3
шины систем автоматики: Учебник
для вузов. – Л.: Энергоатомиздат,
1985, 368 с.
2. Осин И.Л., Юферов Ф.М. Элек- трические машины автоматических устройств: Учебное пособие для ву- зов. – М.: Изд-во МЭИ, 2003 – 424 с.
Моментные двигатели постоянного
тока. – М.: Энергоатомиздат, 1989. –
223 с.
16. Баранов М.В., Бродовский В.Н., Зимин А.В., Каржавов Б.Н. Элек- трические следящие приводы с моментным управлением исполни-
тельными двигателями. – М.: Из-во
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 240 с.
Гридин Владимир Михайлович
Родился в 1940 году. В 1963 окон- чил электромеханический факуль- тет Московского энергетического института (МЭИ) по специальности
«Авиационное электрооборудова- ние». Кандидат технических наук, доцент. В 1979 году защитил дис- сертацию по теме «Исследование и расчет трехфазных бесконтактных двигателей постоянного тока с од- нополупериодной коммутацией». Опыт работы – 58 лет. В настоящее
время работает доцентом кафедры
«Электротехника и промышленная электроника» Московского госу- дарственного технического уни- верситета (МГТУ) им. Н.Э.Баумана. Автор 80 печатных научных трудов, в том числе 1 монографии. Имеет 16 авторских свидетельств на изобре- тение.
Gridin Vladimir Mikhailovich
Was born in 1940. n 1963 he graduated from the Electromechanical Faculty of the Moscow Power Engineering Institute (MPEI) majoring in Aviation Electrical Equipment.
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. In 1979 he defended his dissertation on the topic “Research and calculation of three- phase non-contact DC motors with half-wave commutation”. He has 58- year work experience. At the moment he works as the Assistant Professor of the Electrical Engineering and Industrial Electronics Department of the Moscow State Technical University (MSTU) named after N.E. Bauman. Author of 80 printed scientific works, including 1 monograph. Has 16 inventor's certificates.
№ 3 (2022)
// SIMULATION OF AN ENERGY SAVING TRACTION INDUCTION ELECTRIC DRIVE WITH DIRECT TORQUE CONTROL //
Проведен краткий анализ су- ществующих систем управления тяговых электроприводов с асин- хронными двигателями. Показано, что по различным показателям качества применительно к алго- ритмам энергосбережения целесоо- бразно применение систем прямого управления моментом. В статье синтезированы расчетные и функ- циональные зависимости между основными параметрами системы прямого управления моментом и асинхронного двигателя, выполне- ние которых позволяет снизить потери мощности. Приведена функ- циональная схема электропривода с энергоэффективной системой управления. Аппаратное обеспече- ние этой системы управления не отличается от применяемого в на- стоящее время в преобразователях частоты. Подробно рассмотрена
реализация основных элементов электропривода средствами библи- отек Simulink и SimPowerSystems про- граммного комплекса Matlab. При- ведены результаты моделирования для электропривода с двигателем мощностью 11 кВт, анализ которых показал адекватность разработан- ной модели и работоспособность синтезированной системы управле- ния, КПД электропривода с энерго- эффективной системой управления увеличивается до 18% по сравнению с традиционным вариантом испол- нения системы прямого управления моментом.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, прямое управление мо- ментом, коэффициент мощности, коэффициент полезного действия, моделирование, трехуровневый ин- вертор напряжения.
A brief survey of the existing traction motor control systems with induction motors was carried out. It has been shown that for various quality indicators in relation to energy saving algorithms, it is advisable to use direct torque control systems. The article synthesizes the calculated and functional dependencies between the main parameters of the direct torque control system and the induction motor, the implementation of which reduces power losses. Toplogy of electric drive with energy efficient control system is given. The hardware of this control system is not different from that currently used in frequency converters. The implementation of the main elements of the electric drive by means of the Simulink and SimPowerSystems libraries of the Matlab software complex is considered in detail. The results of simulation for 11 kW induction motor electric drive are given, the analysis of which showed the adequacy of the developed model and the performance of the synthesized control system, the efficiency of an electric drive with an energy-efficient control system increases up to 18% compared to the traditional version of the direct torque control system.
Keywords: induction motor, direct torque control, power factor, efficiency, simulation, three-level voltage source inverter
В последние десятилетия намети- лась очевидная тенденция к перехо- ду в электроприводах ответственных механизмов к техническим реше- ниям с асинхронными двигателями, преимущества которых перед двига- телями постоянного тока бесспорны. Аналогичная ситуация сложилась и в тяговых электроприводах рельсово- го подвижного состава, где помимо стандартных требований предъявля- ются дополнительные требования по
массогабаритным показателям, вы- сокодинамичному управлению мо- ментом двигателя. В настоящее вре- мя наибольшее распространение в электроприводе с асинхронным дви- гателем получили три системы управ- ления – система скалярного управле- ния, система векторного управления и система прямого управления мо- ментом [1,2,3].
Исторически первой системой управления, наиболее простой и на- дежной, является система скалярно-
го управления. Эта система в боль- шинстве случаев нечувствительна к изменениям параметров схемы за- мещения асинхронного двигателя и работоспособна при минимальном наборе обратных связей по элек- трическим переменным двигателя. Основным недостатком системы скалярного управления является невозможность управления момен- том в динамических режимах, что может приводить к нежелательным последствиям в режимах пуска (раз-
гона) и торможения тягового элек- тропривода.
Переход к более совершенным системам векторного управления и прямого управления моментом по- зволяет устранить недостатки, при- сущие системам скалярного управ- ления в отношении формирования желаемых переходных процессов не только по частоте вращения, но и по моменту, предлагает более широкий выбор возможностей по оптимизации различных показа- телей качества, в том числе энер- гетических. Использование таких систем управления сопряжено с наличием большого количества об- ратных связей, организованных как с помощью датчиков физических величин, так и с помощью микро- процессорных наблюдателей или идентификаторов, что вызывает проблемами обеспечения устойчи- вости. Поэтому основным инстру- ментом исследования современных систем управления электроприво- да становится компьютерное моде- лирование, позволяющие отыскать наилучшее решение в ходе серии экспериментов.
Принципиальным отличием вы- сокодинамичных систем управления от системы скалярного управления является возможность управления не только модулем напряжения, но и его фазой (или модулем и фазой другой электрической переменной) непрерывно (для систем векторно- го управления) или дискретно (для систем прямого управления момен- том). В основу систем векторного управления положено разделение тока на две взаимно перпендикуляр- ные составляющие, которые можно регулировать независимо друг от друга при наличии определенных блоков развязки, что дает некоторое сходство таких систем с системами управления двигателей постоянно- го тока. Основные направления ис- следований в этой области связаны с выбором рациональной частоты вращения системы координат, что позволяет регулировать перемен- ные не только статора, но и ротора;
выбором регулируемых перемен- ных и структуры системы управле- ния, что позволяет создавать энер- гоэффективные электроприводы и др. [4,5]. Основные трудности – это получение достоверной информа- ции о электромагнитных перемен- ных двигателя, которые в силу от- сутствия физических датчиков или невозможности их монтажа невоз- можно измерить непосредственно. Данная проблема становится еще актуальнее для тяговых электропри- водов рельсового подвижного со- става, где происходят значительные изменения не только параметров схемы замещения асинхронного двигателя, но и переменных меха- нической части, что на порядок ус- ложняет синтез косвенных систем измерения. Поэтому еще одним ак- туальным направлением разрабо- ток является синтез бездатчиковых систем управления и апробация их работы в механизмах с переменным моментом инерции.
Альтернативой системам вектор- ного управления являются систе- мы прямого управления моментом, принципиальным отличием которых является то, что за счет применения релейных регуляторов момента и потокосцепления статора регули- рования угла выбранной электриче- ской переменной (как правило, это потокосцепление статора) осущест- вляется с точностью до сектора в 60°. Преимуществами такого построения являются упрощение системы управ- ления и отсутствие в ней части коор- динатных преобразований, высокое быстродействие контура момента. Недостатки – колебания момента, отсутствие контура регулирования тока статора, переменная частота коммутации полупроводниковых приборов автономного инвертора напряжения. Основные направле- ния исследований в этой области связаны с уменьшением амплиту- ды колебаний момента, фиксацией частоты коммутации полупрово- дниковых приборов, применением алгоритмов пространственно-век- торной модуляции напряжения ста- тора и многоуровневых инверторов напряжения, синтезом бездатчико- вых систем управления (аналогично векторному управлению) и др. [6,7]. Отметим, что с точки зрения опти-
мизации режимов работы электро- привода системы прямого управле- ния моментом предлагают меньше вариантов, т.к. они оперируют толь- ко с переменными статора. Тем не менее, учитывая высокое быстро- действие данные системы являются предпочтительными для их исполь- зования в составе тяговых электро- приводов.
Таким образом, проведенный краткий обзор систем управления показал, что наиболее перспектив- ным вариантом системы управле- ния тягового электропривода явля- ется система прямого управления моментом. В связи с этим, в данной работе поставлена задача синтеза и исследования посредством компью- терного моделирования энергоэф- фективной системы управления на базе системы прямого управления моментом.
При синтезе энергоэффективных, т.е. зачастую экстремальных, систем управления электропривода основ- ной задачей является выбор задаю- щего воздействия, обеспечивающе- го минимизацию потерь мощности в асинхронном двигателе и увеличе- ние КПД электропривода. Учитывая нелинейный характер зависимости потерь от основных характеристик двигателя, для решения этой зада- чи требуется принимать достаточно большое количество допущений, ко- торые в итоге сказываются на эффек- тивности регулирования в широком диапазоне изменения различных параметров. Одним из возможных задающих воздействий может яв- ляться потокосцепление ротора ψr. Неэффективность работы двигателя с постоянным потокосцеплением ротора при его работе в составе тя- гового электропривода хорошо из- вестна [8]. Используя общепринятую Т-образную эквивалентную схему замещения асинхронного двигате- ля и соотношения между энергети- ческими показателями качества и электромеханическими характери- стиками, можно вычислить значение КПД двигателя в функции частоты вращения, момента сопротивления и параметров эквивалентной схемы замещения:
№ 3 (2022)
6𝐿𝐿2 𝜔𝜔𝑝𝑝2
𝜓𝜓2 𝑅𝑅 М
𝜂𝜂 ≈ 4
2 2 2 2 2 2
, (1)
9𝑝𝑝2 𝜓𝜓𝑟𝑟 𝑅𝑅𝑐𝑐 𝑅𝑅𝑠𝑠 + 8𝐿𝐿𝜎𝜎𝑟𝑟 𝐿𝐿𝜇𝜇 𝑅𝑅𝑐𝑐 𝑅𝑅𝑠𝑠 М
+ 𝐿𝐿𝜇𝜇 (3𝜔𝜔𝑝𝑝
𝜓𝜓𝑟𝑟
+ 2𝑅𝑅𝑐𝑐 М)(3𝜔𝜔𝑝𝑝
𝜓𝜓𝑟𝑟
+ 2(𝑅𝑅𝑠𝑠 + 𝑅𝑅𝑟𝑟 )М)
где Lμ – взаимоиндуктивность, Lσr
– индуктивность рассеяния обмот-
ки ротора, р – число пар полюсов, М – электромагнитный момент двигателя, Rc – сопротивление, эк- вивалентное потерям в стали, Rs, Rr
– сопротивления статора и ротора
соответственно, ω – частота враще- ния ротора.
Из выражения (1) получим зна- чение оптимального с точки зрения КПД потокосцепления ротора:
1
ющая микропроцессорная система для расчета датчиков и недостаю- щих обратных связей. Апробация идеи авторами проведена для систе- мы скалярного управления, однако заменив задающее воздействие, но оставив активный ток статора как регулируемую величину, данный вариант оптимизации можно приме- нить для систем векторного управ- ления и прямого управления момен- том. Основным недостатком такого подхода является то, что предложен-
одна из осей была сонаправлена с активной составляющей тока, а дру- гая – с реактивной, то минимизиро- вать полный ток можно путем под- держания постоянного угла между ними или какой-либо его функции, например, коэффициент мощности обмотки статора. Особенностью та- кой постановки задачи является то, что для ее решения не нужно при- нимать во внимание текущее поло- жение магнитного поля ротора, что позволяет применять данный под-
2 𝐿𝐿2 𝑅𝑅 (𝑅𝑅 + 𝑅𝑅 ) + 2𝐿𝐿 𝐿𝐿 𝑅𝑅 𝑅𝑅 4
𝜓𝜓𝑟𝑟 ,опт = � �
2 2 2
� √М. (2)
ная система работоспособно только
ход в системах прямого управления
3 𝐿𝐿𝜇𝜇 𝑝𝑝 𝜔𝜔𝑝𝑝 + 𝑅𝑅𝑐𝑐 𝑅𝑅𝑠𝑠
Анализ выражения (2) показыва-
ет, что оптимальное потокосцепле- ние ротора для большинства асин- хронных двигателей варьируется в диапазоне (0,3…1,0) ψr.ном (здесь и дальше индексом «ном» обознача- ется номинальное значение пара- метра), причем большие значения соответствуют большим значениям момента и меньшим частотам вра- щения. Основная трудность при ре- ализации такого подхода к постро- ению энергоэффективных систем управления – это сложная функцио- нальная зависимость оптимального значения задания на потокосцепле- ние от параметров схемы замеще- ния и момента двигателя. Во время работы в широком диапазоне изме- няется как момент двигателя (осо- бенно, при его использовании в тя- говых целях), так и параметры схемы замещения, что связано с процесса- ми нагрева и охлаждения обмоток двигателя и явлением насыщения. Эти причины и обусловили сдержи- вание практического применения большинства энергоэффективных систем управления и послужили причиной повышенного интереса и большого количества исследований в этой области.
Например, авторами работы [9] в качестве задающего воздействия выбрано напряжение статора, по- средством которого предлагается обеспечивать минимизацию актив- ного тока статора. Технически для этого требуются датчики тока и на- пряжения, а также быстродейству-
в диапазоне моментов сопротивле- ния ниже номинального значения момента двигателя.
В работе [10] разработана поис- ковая система, обеспечивающая ми- нимум полного тока статора. В отли- чие от системы, разработанной в [9], поисковая система поддерживает минимум тока во всем диапазоне из- менения нагрузки электропривода, причем наибольшая эффективность проявляется при низких значениях частотах вращения и высоких зна- чениях момента сопротивления, что соответствует наиболее тяжелым режимам работы тягового электро- привода. Аппаратная реализация этой идеи аналогична с работой [9], но для поиска минимума тока ис- пользуется вспомогательный сигнал напряжения треугольной формы, складываемый с напряжением ста- тора, что ухудшает коэффициент гармонического искажения тока и приводит к появлению дополни- тельных колебаний момента, из-за чего время работы поисковой систе- мы лимитировано в динамических режимах работы.
В данной работе авторами раз- работана система управления, явля- ющаяся логическим продолжением исследования, проведенного в [10]. Геометрически полный ток обмотки статора является гипотенузой пря- моугольного треугольника, катетами которого являются активная и реак- тивная составляющая тока статора. Таким образом, если выполнить ори- ентацию перпендикулярных осей по магнитному полю статора так, чтобы
моментом, в которых отсутствует ин- формация о параметрах магнитного поля ротора. Уравнение коэффици- ента мощности обмотки статора в двухфазной системе координат:
𝑢𝑢𝑠𝑠𝛼𝛼 𝑖𝑖𝑠𝑠𝛼𝛼 + 𝑢𝑢𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠
𝑘𝑘М = . (3)
��𝑢𝑢𝑠𝑠𝛼𝛼 2 2 2
2 + 𝑢𝑢𝑠𝑠𝑠𝑠 ��𝑖𝑖𝑠𝑠𝛼𝛼 + 𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠 �
Результаты расчета коэффициен-
та мощности и мощности потерь в функции тока статора для асинхрон- ного двигателя мощностью 11 кВт показаны на рис. 1. Принято, что ак- тивная составляющая тока статора расположена по оси α, реактивная
– по оси β.
Из зависимостей, представлен- ных на рис. 1, очевидно, что режиму минимума мощности потерь соот- ветствуют токи статора, отличные от токов, необходимых для обеспе- чения режима максимума коэффи- циента мощности. Точка минимума потерь мощности расположена на падающем участке зависимости kМ = f(isα), значение коэффициента мощности при этом kМ = 0.707, что соответствует равенству активной и реактивной составляющих тока ста- тора. Результаты, приведенные на рис. 1, получены для номинальной частоты тока статора, снижение ча- стоты тока статора приводит к тому, что точки максимума коэффициен- та мощности kМ и минимума потерь мощности ∆Р приближаются друг к другу.
Таким образом, предложенный метод является работоспособным и на рис. 2 приведена функциональ-
Рис. 1. Результаты расчета потерь мощности ∆Р (а) и коэффициента мощности kМ (б) в функции тока статора isα (момент сопротивления Мс1= Мном, Мс2= 0,5Мном)
Модель электропривода с энер- гоэффективной системой прямого управления моментом
Модель электропривода с энер- гоэффективной системой прямого управления моментом (рис. 2) реа- лизована с помощью программного комплекса Matlab [11].
Нагрузкой автономного ин- вертора напряжения являлся асинхронный двигатель (мо- дель АД Asynchronous Machine Si Units находится в библиотеке SimPowerSystems). В качестве мо- дели силовых ключей АИН были выбраны элементы Ideal Switch, в качестве модели диодов выпрями- теля – элементы Diode, в качестве
ная схема его реализации. На рис.
2 приняты обозначения: АД – асин- хронный двигатель, АИН – автоном- ный инвертор напряжения, индекс
напряжения вместе с сектором n яв- ляются входными сигналами для та- блицы переключений автономного инвертора напряжения.
модели конденсатора звена посто- янного тока – элемент Series RLC; все элементы принадлежат библи- отеке SimPowerSystems. Модель ав-
«зад» обозначает заданное значение параметра.
Особенности работы электро- привода с системой прямого управ-
ψsα
ψsβ
= ∫(usα
= ∫(usβ
– isα
– isβ
Rs)dt, (8)
Rs)dt. (9)
тономного инвертора напряжения
полностью соответствует схеме, приведенной на рис. 3. Векторы выходных напряжений инвертора
ления моментом подробно описан в работе [3] и здесь не приводится. Отметим лишь те зависимости, ко- торые необходимы при реализации
Расчетная формула для потокос- цепления статора не вызывает за- труднений:
показаны на рис. 4 (в скобках ря-
дом с номером вектора показаны функции переключения для каждой фазы преобразователя).
2 2
этой системы средствами пакета
имитационного моделирования.
В электроприводе и преобразо- вательной технике математическое описание проводится в двухфазной системе координат, поэтому нужно преобразовать напряжения из трех- фазной системы координат в двух- фазную:
2 1 1
𝑢𝑢𝑠𝑠𝛼𝛼 = 3 ∙ 𝑢𝑢𝑠𝑠𝐴𝐴 − 3 ∙ 𝑢𝑢𝑠𝑠𝐵𝐵 − 3 ∙ 𝑢𝑢𝑠𝑠𝐶𝐶 , (4)
𝜓𝜓𝑠𝑠 = �𝜓𝜓𝑠𝑠𝛼𝛼 + 𝜓𝜓𝑠𝑠𝑠𝑠 . (10)
Момент двигателя определяется
выражением:
3
М = р�𝑖𝑖𝑠𝑠𝑠𝑠 𝜓𝜓𝑠𝑠𝛼𝛼 − 𝑖𝑖𝑠𝑠𝛼𝛼 𝜓𝜓𝑠𝑠𝑠𝑠 �. (11)
2
В качестве регулятора коэффи-
циента мощности применен про- порционально-интегрально-диффе- ренциальный регулятор.
В качестве регуляторов момента
и потокосцепления использованы трехуровневый релейный регуля- тор потокосцепления (рис. 5а) и пя- тиуровневый релейный регулятор момента (рис. 5б). Реализация регу- ляторов в программном комплексе MatLab показана на рис. 6 (основные элементы – Relay, Logical operator, Gain, Data type conversion, Sum из би- блиотеки Simulink).
1 1
𝑢𝑢𝑠𝑠𝑠𝑠 = ∙ 𝑢𝑢𝑠𝑠𝐵𝐵 − 𝑢𝑢𝑠𝑠𝐶𝐶 . (5)
√3 √3
Угол вектора потокосцепления статора ψs через проекции напряже- ния в осях αβ определяется следую- щим образом:
𝑢𝑢𝑠𝑠𝛼𝛼
θ = tg �
𝑢𝑢𝑠𝑠𝑠𝑠
� , θ ∈ [0, 2π]..
(6)
Номера фазового сектора n опре- деляется из неравенства:
(n – 1) ∙ 60° < θ ≤ 2 ∙ n ∙ 60°, (7)
где n = 1, 2…6.
Напряжения ΔМ и Δψ принима- ют дискретные значения в функции знака и величины рассогласований по моменту и потокосцеплению. Эти
Рис. 2. Функциональная схема электропривода с энергоэффективной системой прямого управления моментом асинхронного двигателя
№ 3 (2022)
Рис. 3. Структура трехуровневого автономного инвертора (Ud
– напряжение на конденсаторах C1, C2 звена постоянного тока,
VT1…VT12 – транзисторы инвертора, VD1…VD6 – диоды)
Рис. 4. Векторы выходного напряжения трехуровневого автономного инвертора в системе координат αβ
применением релейных регулято- ров.
На рис. 9 показаны результаты моделирования энергетических по- казателей качества электропривода с предложенной энергоэффектив- ной системой прямого управления. При моделировании были приняты следующие значения параметров: частота тока статора fs = 0.5fs,ном, мо- мент сопротивления Мс = 0,3Мном
Рис. 5. Статические характеристики многоуровневых релейных регуляторов
потокосцепления (а) и момента (б)
(при времени t = 0… 30 c) и Мс = Мном
(при времени t = 30… 60 c). Мощ-
Таблица оптимальных переклю- чений трехуровневого автономного инвертора напряжения при его ис- пользовании в составе систем пря- мого управления моментом хорошо известна [3], она синтезирована в программном комплексе MatLab с помощью блоков Lookup2D, Switch, Constant, Multi-Port switch из библио- теки Simulink (на рис. 7 показан фраг- мент схемы).
Реализация остальных элемен- тов схемы (рис. 2) средствами Matlab
Simulink тривиальна и трудностей не вызывает.
На рис. 8 приведены результаты моделирования электромеханиче- ских характеристик электропривода с синтезированной системой управ- ления. Анализ результатов пока- зывает высокие быстродействие и точность регулирования момента и потокосцепления, что объясняется
ность асинхронного двигателя Рном =
11 кВт, номинальная частота враще-
ния nном = 1460 об/мин, номинальная частота тока статора fs,ном = 50 Гц, но- минальное напряжение Us,ном = 220 В, номинальный ток статора Is,ном = 27 А. Активация контура регулирования коэффициента мощности осущест- вляется в момент времени t = 15 с. На рис. 9 индекс 1 соответствует результатам, полученным для тра- диционной системы, индекс 2 –для синтезированной энергоэффектив-
Рис. 6. Реализация регуляторов в программном комплексе MatLab
Рис. 7. Реализация таблицы переключений средствами
MatLab Simulink (фрагмент)
Рис. 8. Результаты моделирования электромеханических характеристик электропривода: а – временная зависимость частоты вращения,
б – временная зависимость момента, в – временная зависимость момента
(увеличено), г – годограф потокосцепления статора
Рис. 9. Результаты моделирования энергетических показателей качества:
временные зависимости КПД (а) и коэффициента мощности (б)
ной системы прямого управления моментом.
Анализ результатов, приведен- ных на рис. 9, показывает адекват- ность разработанного математиче- ского описания синтезированной системы управления, применение которой позволяет добиться почти двукратного уменьшения потерь мощности в асинхронном двигателе и повышения КПД электропривода до 18% в сравнении с традиционным вариантом системы прямого управ- ления. Зависимость коэффициента мощности от времени показывает, что данный эффект достигается за счет поддержания его на уровне
0,707, что обеспечивается за счет равенств составляющих тока стато- ра по осям комплексной плоскости. Невысокое значение коэффициента мощности асинхронного двигателя, существенно ниже номинального, не оказывает никакого влияние на энергоэффективность электропри- вода в целом, т.к. наличие на входе преобразователя частоты неуправ- ляемого выпрямителя (в общем случае) и определяет в итоге край- не низкое (стремящееся к нулю при отсутствии на входных фильтров или реакторов) потребление реак- тивной мощности. Окончательный выбор структуры и параметров ре- гулятора коэффициента мощности необходимо выполнять с помощью компьютерного моделирования (или физического моделирования при наличии объекта управления) из-за нелинейного характера пе- реходных процессов и процессов управления.
В статье разработана математи- ческая модель и выполнено ком- пьютерное моделирование энер- гоэффективной системы прямого управления моментом асинхронно- го двигателя. Снижение потерь мощ- ности достигается посредством ор- ганизации контура регулирования коэффициента мощности цепи об- мотки статора; значение коэффици- ента мощности вычисляется на осно- вании информации, полученной от датчиков тока и напряжения; в каче- стве регулятора применен ПИД-ре- гулятор, выходной сигнал которого является задающим для подчинен-
№ 3 (2022)
ного контура потокосцепления ста- тора. Аппаратное и информацион- но-измерительное обеспечение электропривода аналогично соот- ветствующему обеспечению совре- менных преобразователей частоты с функцией прямого управления моментом. Благодаря высоким быст- родействию и точности регулирова- ния момента, данную систему можно рекомендовать для ее применения в составе тяговых электроприводов на железнодорожном транспорте, где к электроприводу предъявляют- ся дополнительные требования по предотвращению или ограничению боксования и юза в динамических режимах. Учитывая приоритет ре- шения задач в динамических режи- мах и их возможные противоречия с решением задачи снижения потерь мощности, контур регулирования коэффициента мощности целесоо- бразно активировать в установив- шихся (квазиустановившихся) режи- мах работы электропривода.
1. Александров А.В., Киселев И.П., Макарова Е.И. Моделирование элек- тромагнитных процессов в асин- хронном тяговом электроприводе автоматического электрического торможения электропоезда / Элек- тротехника. – 2016. – № 5. – С. 20 – 24.
2. Титова Т.С., Евстафьев А.М. Энергоэффективные системы вспо- могательного электропривода элек- трического подвижного состава / Транспорт Российской Федерации.
– 2017. – № 5. – С. 60– 63.
3. Космодамианский А.С., Во- робьев В.И., Пугачев А.А. Прямое управление моментом асинхронных двигателей при их питании от одно- го преобразователя частоты / Элек- тротехника. – 2015. – № 9. – С. 29 – 35.
4. Aissa K., Eddine K.D. Vector control using series iron loss model of induction motors and power loss minimization / World academy of science, engineering and technology.
– 2009. – 52 – P. 142 – 148.
5. Lim S., Nam K. Loss-minimising control scheme for induction motors / IEE Proc.-Electr. Power Appl. – 2004 – Vol. 151. № 4. – P. 386 – 397.
6. Mesaif I., Berkouk EI-M., Saadia N. A study of DTC –power electronic cascade fed by photovoltaic cell- three-level NPC inverter / Smart grid and renewable energy. – 2010. – 1. – P.
109 – 118.
7. Wan H., Pan Y. A single inverter multi-motor system based on direct torque control / U.P.D. Sci. Bull. Series C. – 2014. – vol. 76, Iss. 2. – P. 207 – 218.
8. Иньков Ю.М., Космодамиан- ский А.С., Пугачев А.А. Формиро- вание задания на потокосцепле- ние ротора в системе векторного управления асинхронным двигате- лем / Электроника и электрообору- дование транспорта. – 2018 – № 6.
– С. 40 – 42.
9. Козярук А.Е., Васильев Б.Ю., Емельянов А.П. Энергосберегаю- щая система управления асинхрон- ным электроприводом / патент RU
№2498496, опубл. 10.11.2013.
10. Titova T.S., Evstaf ’ev A.M., Pugachev A.A. Improving the energy efficiency of electric drives for auxiliary units of traction rolling stock / Journal of Physics: Conference Series. – 2021. –
2131 042085
11. Чуприна Н.В., Седых С.В., Пу- гачев А.А., Маклаков В.П. Моделиро- вание электропривода переменного тока с алгоритмами пространствен- но-векторной модуляции / Автома- тизация и моделирование в про- ектировании и управлении. – 2022.
– №1 (15). – С. 80 – 88.
Евстафьев Андрей Михайлович
Доктор технических наук, про- фессор. Окончил ПГУПС в 2001 году по специальности «Электрический транспорт». Заведующий кафедрой
«Электрическая тяга» ПГУПС. В 2018 году защитил докторскую диссерта- цию по проблеме повышения энер- гетической эффективности электри- ческого подвижного состава. Имеет свыше 150 научных трудов.
Пугачев Александр Анатольевич
Родился в 1984 году. В 2006 году окончил Брянский государствен- ный технический университет по специальности «Электропривод и автоматика промышленных устано- вок и технологических комплексов». Докторскую диссертацию по теме
«Энергоэффективные электропри- воды с асинхронными двигателями для магистральных локомотивов» защитил в 2020 году. В настоящее время является заведующий кафе- дрой «Промышленная электроника и электротехника» Брянского госу- дарственного технического универ- ситета. Имеет свыше 100 научных трудов, более 30 патентов.
Evstafiev Andrey Mikhailovich
Doctor of Technical Sciences, Professor. He graduated from St. Petersburg State Transport University in 2001 majoring in Electric Transport. Head of the Electric Traction Department of the St. Petersburg State Transport University. In 2018, he defended his doctoral dissertation on the problem of improving the energy efficiency of electric rolling stock. He has more than 150 scientific papers.
Pugachev Alexander Anatolyevich
Was born in 1984. In 2006, he graduated from the Bryansk State Technical University with a degree in Electric Drive and Automation of Industrial Installations and Technological Complexes. He defended his doctoral dissertation on the topic "Energy-efficient electric drives with asynchronous motors for mainline locomotives" in 2020. Currently, he is the head of the department "Industrial electronics and electrical engineering" of the Bryansk State Technical University. He has more than 100 scientific papers, more than
30 patents.
// POWER CIRCUIT OF AN ALTERNATING CURRENT ELECTRIC LOCOMOTIVE USING A CONTROLLED TRANSISTOR EXCITATION CONVERTER ///
Одним из способов повышения тягово-сцепных свойств электро- возов однофазно-постоянного тока является управление силой тяги двигателей. Для достижения поставленной цели необходимо обеспечить реализацию любых зна- чений токов возбуждения без пере- ключений в силовой цепи. Изве-стен способ одновременного управления напряжением на якоре тягового дви- гателя и обмотке возбуждения для
тепловозов. Предложена адапта- ция этого способа для электровоза однофазно-постоянного тока. Для питания управляемого транзи- сторного преобразователя следует использовать мостовой выпрями- тель, подключённый к отдельной обмотке трансформатора элек- тровоза. Приведены результаты расчета электромагнитных про- цессов работы преобразователя и выполнен расчет обмотки транс- форматора. Предлагаемая схема обеспечивает возможность пот- ележечного и поосного управления силой тяги электровоза.
Ключевые слова: электровоз, тяговый двигатель, транзистор- ный преобразователь, управляемый преобразователь возбуждения, элек- тромагнитные процессы, транс- форматор, потележечное и поосное управления силой тяги.
One of the ways to increase the traction properties of single-phase direct current electric locomotives is to control the traction force of the engines. To achieve this purpose, it is necessary to ensure the implementation of any values of excitation currents without switching in the power circuit. A method is known for simultaneously controlling the voltage at the anchor of the traction motor and the excitation winding for diesel locomotives. An adaptation of this method for a single- phase direct current electric locomotive is proposed. To power the controlled transistor converter, a bridge rectifier connected to a separate winding of the electric locomotive transformer should be used. The results of the calculation of the electromagnetic processes of the converter operation are presented and the calculation of the transformer winding is performed. The proposed scheme provides the possibility of bogie and axial control of the traction force of an electric locomotive.
Keywords: electric locomotive, traction motor, transistor converter, con-trolled excitation converter, electromagnetic processes, transformer, bogie and axial traction control.
Во Всероссийском научно-иссле- довательском и конструкторско-тех- но-логическом институте подвижно- го состава (ВНИКТИ, г. Коломна) был разработан мостовой транзистор- ный преобразователь [1] для одно- временного управления напряже- нием на якоре тягового двигателя и на обмотке возбуждения (рис. 1).
Выполним адаптацию этой схе- мы для электровоза однофазно-по- стоянного тока. Для этого обмотки возбуждения каждого тягового двигателя зашунтируем мостовым транзисторным преобразователем
Рис. 1. Схема мостового транзисторного преобразователя для управления напряжением на обмотке возбуждения
и на зажимах якоря тягового двигателя
№ 3 (2022)
Рис. 2. Схема мостового транзисторного управляемого преобразователя для питания обмоток возбуждения
При реализации режима отпитки, можно обеспечивать работу тягового двигателя в режиме последовательно- го возбуждения с уменьшением тока возбуждения («ослабления» поля):
iув = iв + iов = const. (2) И, наконец, если не включать
вентили УПВ, то тяговый двигатель бу-дет работать в обычном режиме последовательного возбуждения.
Таким образом, применение УПВ позволяет реализовать режим уменьшения магнитного потока, а
VT1-VT4 (рис. 2), подключённым к отдельному источнику питания (ИП).
В этом случае при включении вен- тилей VT1 и VT4 будет происходить подпитка обмотки возбуждения то- ком iпв от независимого источника питания. Если же включить вентили VT2 и VT3, то будет происходить от- питка обмотки возбуждения током iов
от того же источника. Используя токи подпитки и отпитки, можно обеспе- чить режимы работы тягового двига- теля с независимым возбуждением, изменяя ток iпв так, чтобы сумма этого тока и тока возбуждения двигателя iвбыла постоянной и равной току не- зависимого возбуждения iнв:
iнв = iв + iпв = const. (1)
также режимы независимого и по- следовательного возбуждения тя- гового двигателя. Отличительная особенность предлагаемой схемы обусловлена тем, что переход из ре- жима последовательного возбуж- дения в независимое и наоборот, происходит без разрыва силовой цепи и, следовательно, без поте- ри силы тяги, что является её суще- ственным преимуществом.
Для реализации режима подпит- ки подаются управляющие сигналы на транзисторы VT1-VT4. Таким образом, ток возбуждения увеличи- вается на величину iдоп. Для режима отпитки необходимо подать управ- ляющее воздействие на транзисто- ры VT2-VT3 и ток возбуждения дви- гателя уменьшится на величину iдоп.
Рассмотрим вначале упрощен-
ную математическую модель работы обмоток возбуждения совместно с УПВ, разработанную в пакете Mat- lab/Simulink (рис. 3).
В этой модели для предваритель- ной оценки возможностей УПВ не учитываются нелинейности кривой намагничивания и влияние вихре- вых токов (учёт этих явлений будет выполнен отдельно, при исследова- нии электромагнитных процессов в полной силовой схеме электровоза). Значения сопротивлений в модели приняты следующими:
rя = 0,01105 Ом – сопротивление обмотки якоря;
rдп+ко = 0,01277 Ом – сопротивле- ние обмотки добавочных полюсов и компенсационной обмотки;
rв = 0,00714 Ом – сопротивление обмотки возбуждения.
Диаграммы электромагнитных переходных процессов реализации режимов подпитки / отпитки (рис. 4)
Рис. 3. Математическая модель питания обмоток возбуждения
разделим на четыре участка.
Рис. 4. Диаграммы электромагнитных переходных процессов реализации режимов подпитки / отпитки
а) ток возбуждения, б) ток якоря, в) сила тяги двигателя
гателя уменьшается. Поэтому при по- стоянном напряжении, приложенном к тяговому двигателю последователь- ного возбуждения, ток якоря увели- чится от 840А до 915А, а также увели- чивается сила тяги от 55кН до 59,5кН.
Приведенные результаты пока- зывают, что, используя УПВ, можно реализовывать любые необходимые значения тока возбуждения, а, сле- довательно, и силы тяги. В соответ- ствие с принятой схемой УПВ было проведено совершенствование си- ловой схемы электровоза однофаз- но-постоянного тока. Для примера рассмотрим схему четырёхосной секции электровоза (рис. 5) с двумя выпрямительно-инверторными пре- образователями (ВИП). В этой схеме, в отличие от типовой, вместо двух полуобмоток, питающих двухполу- периодный выпрямитель возбужде- ния, предусмотрена одна обмотка , питающая через LC фильтр мостовой выпрямитель. К этому выпрямителю подключены четыре УПВ, шунтирую- щие обмотки возбуждения тяговых двигателей. Такая схема обеспечи- вает возможность потележечного и поосного управления силой тяги электровоза. Потележечное управ- ление можно реализовать за счёт раздельного управления каждым ВИПом, а поосное − путём допол- нительного воздействия на ток воз- буждения ТЭД с помощью УПВ. Ал- горитмы такого способа управления будут разработаны отдельно.
Определим параметры обмотки трансформатора для питания УПВ. За основу примем трансформатор ОНДЦЭ-4350/25-У2-02 электровоза
2ЭС5К. В этом трансформаторе за- меним обмотку ОВ, питающую двух полупериодный управляемый вы- прямитель типа ВУВ на обмотку ОВН,
1. До момента времени 0,5с реа- лизуется нормальный режим рабо- ты последовательного возбуждения ТЭД. При этом ток якоря равен 840А, а ток возбуждения 813А за счёт вли- яния сопротивления постоянного
двигателя. За счёт этого при посто- янном напряжении, приложенном к тяговому двигателю последователь- ного возбуждения, ток якоря умень- шится от 840А до 800А и сила тяги уменьшится от 54,5кН до 52,5кН.
питающую мостовой выпрямитель, к которому параллельно подключены четыре УПВ. При такой схеме вклю- чения напряжение на ОВН доста- точно иметь величиной 45 В, а ток обмотки составит:
шунтирования rш. Тогда сила тяги
ТЭД составит 54,5кН.
3. В интервале 1−1,5с реализует-
IОВМ
= IвМ
= 650 A.
2. В интервал времени 0,5−1с ре- ализуется режим подпитки. Ток воз- буждения увеличивается от 813А до
815А, что вызывает увеличение эдс
ся нормальный режим работы.
4. В интервале 1,5−2с реализует- ся режим отпитки. Ток возбуждения уменьшается от 813А до 808А, эдс дви-
Для получения напряжения 45 В на вторичной обмотке выбранного трансформатора достаточно располо- жить один виток. Сечение проводника проектируемой обмотки (ОВН) транс-
№ 3 (2022)
форматора найдём в соответствие с методикой, из- ложенной в [3]. Для этого вначале определим актив- ное сечение стержня трансформатора:
π 2
Sст = 4 Kc d =0,12 м, (3)
где d − диаметр стержня трансформатора; в соот- ветствие с [4] d =0,41 м;
Kс − коэффициент заполнения стержня ста- лью, Kс =0,894.
Найдём эдс одного витка:
e1 = 4, 44 fBст Sст , (4)
где f – частота переменного напряжения, f = 50 Гц;
Bст – индукция в стержне, Bст = 1,67 Тл.
e1 = 4, 44 ⋅ 50 ⋅1, 67 ⋅ 0,12 = 44, 73 В
Средняя плотность тока в обмотке ОВН соста-
вит:
J = 0, 746 ⋅104 K
N e Nd
ср Д к 1 12 , (5)
где Nк – общие потери короткого замыкания трансформатора, Nк = 41000 Вт;
d12 – средний диаметр канала между обмотка- ми, d12 = 0,602 м;
KД – коэффициент, учитывающий добавочные потери в обмотках, потери в отводах, стенках бака, и других металлических конструкциях от ги- стерезиса и вихревых токов, от воздействия поля рассеяния. Для однофазных трансформаторов принимается по номинальной мощности транс- форматора 1,5N =1,5.4351,5 кВА. В соответствие с [3 таблица 3.6] KД = 0,84.
Определим значение средней плотности тока
Jср = 0,746 • 104 • 0,84 • 41000 • 44,73/ (4350 • 0,602) = 4,387 • 106 А/м2 = 4,387 А/мм2
Тогда сечения витка обмотки ОВН будет равно:
Sв = I /Jср = 650/4,387 = 148 мм2.
Такое поперечное сечение можно получить в соответствии сортаментом обмоточного провода или шин, предлагаемым промышленностью. Для нашей обмотки достаточно иметь шину 10×20 =
200 мм2. При этом плотность тока будет равна Jср
= 650/200 = 3,25 А/мм2, что меньше допустимой
плотности.
Рис. 5. Упрощенная схема силовых цепей электровоза с управляемыми преобразователями возбуждения
1. Применение управляемого преобразова- теля возбуждения (УПВ) обеспечивает возмож- ность реализации любых необходимых значе- ний токов возбуждения без переключений в силовой цепи.
2. Для питания УПВ следует использовать мо- стовой выпрямитель, подключённый к отдельной обмотке ОНВ трансформатора электровоза.
3. Обмотка ОНВ должна иметь один виток с напряжением 45 В и рассчитана на ток 650 А. Она должна быть выполнена из шины сечением мм2, что обеспечивает плотность тока 3,25 А/мм2, меньшую, чем её до- пустимая величина.
4. Предлагаемая схема обеспе- чивает возможность потележечного и поосного управления силой тяги. При этом потележечное управление выполняется за счёт раздельного управления каждым ВИПом, а поо- сное − путём дополнительного воз- действия на ток возбуждения ТЭД с помощью УПВ.
1. Бабков Ю. В., Клименко Ю. И., Варе- гин Ю. А., Суркова Е. Г. Тяговый элек- тропривод транспортного средства. Патент РФ. RU2399514С1. Бюл. №26,
2010.
2. Евсеев В. Ю., Савоськин А. Н. Мате- матическая модель коллекторного тягового двигателя с раздельным учётом вихревых токов главных и добавочных полюсов. Электротех- ника №9, 2020. С. 32−38.
3. Тихомиров П. М. Расчёт трансфор- маторов: Учеб. Пособие для вузов. –
5-е изд., перераб. и доп. – М.: Энерго- атомиздат, 1986. – 528 с.: ил.
4. Трансформаторы тяговые одно- фазные типа ОНДЦЭ-4350/25-У2-02. Технические характеристики. ПАО
«Укрэлектроаппарат», 4 с.
5. Электровоз магистральный 2ЭС5К (3ЭС5К). Руководство по эксплуата- ции. ИДМБ.661142.009РЭ. ОАО «ВЭЛ- НИИ», 2007. – В 2-х томах.
Михальчук Николай Львович
Кандидат технических наук. В
2010 году защитил диссертацию по теме «Адаптивная система управле- ния температурным режимом изоля- ции электрооборудования электро- возов». В настоящее время работает заместителем начальника Дирекции тяги в филиале ОАО «Российские же- лезные дороги».
Mikhalchuk Nikolai Lvovich
Candidate of Technical sciences. In 2010 he de-fended his dissertation on the topic «Adaptive control system for the temperature regime of the insulation of the electrical equipment of the electric locomotives». At the moment he works as the Deputy Head of the Traction Directorate in a branch of the AO Russian Railways.
Савоськин Анатолий Николаевич
Доктор технических наук, про- фессор. В 1974 году защитил диссер- тацию по теме «Усталостная проч- ность и безотказность рам тележек электроподвижного состава». В настоящее время является профес- сором кафедры «Электропоезда и
локомотивы» в Российском универ- ситете транспорта (МИИТ).
Savoskin Anatoly Nikolaevich
Doctor of Technical Sciences, Professor. In 1974 he defended his dissertation on the topic «Fatigue strength and fail-safety of electric rolling stock frames». At the moment he is the Professor of the Electric Trains and Locomotives Department of the Russian University of Transport (MIIT ).
Чучин Антон Александрович
Кандидат технических наук, до- цент. В 2005 году защитил диссерта- цию по теме «Индивидуальное по- тележечное и поосное управление силой тяги электровоза однофаз- но-постоянного тока с адаптацией по сцеплению». В настоящее время яв- ляется доцентом кафедры «Электро- поезда и локомотивы» в Российском университете транспорта (МИИТ).
Chuchin Anton Aleksandrovich
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. In 2005 he defended his dissertation on the topic «Individual bogie and per-axle control of the traction force of the single-phase DC electric locomotive with the adhesion adaptation». At the moment he is the Assistant Professor of the Electric Trains and Locomotives Department of the Russian University of Transport (MIIT ).
№ 3 (2022)
// ANALYSIS OF METHOD FOR SOLVING PROBLEMS OF OPTIMAL CONTROL OF TRAIN MOVEMENT //
Оптимальное управление поез- дами уже много лет является актив- ной темой исследований. Во всем мире принимаются важные меры по эффективному использованию электроэнергии в связи с растущим спросом на энергоресурсы. Такие меры принимаются и в железнодо- рожной отрасли. Общая цель состо- ит в том, чтобы управлять поездом таким образом, чтобы свести к ми- нимуму общее энергопотребление с учетом ограничений по времени и физических ограничений налагаемых поездом и условиями эксплуатации. Выполнение этой цели обеспечива- ется передовыми технологиями, используемыми в настоящее время на электроподвижном составе и но- выми возможностями ЭВМ. Львиную долю потребления электроэнергии на железнодорожном транспорте составляет расход на тягу поездов. Поэтому актуальным является ме- роприятия, направленные на опти- мизацию расхода электроэнергии электровозами и электропоездами. Оптимизация – это мощный ин- струмент и перспективное решение любых проблем, связанных с эксплу- атацией ж.д. транспорта. Посто- янно возрастающая сложность ин- женерных систем, растущий спрос
на точность и поиск оптимальных и надежных конструкций создают дополнительные трудности, ко- торые можно решить только раз- работкой оптимизационных моде- лей. В теории оптимизация – это процесс максимизации или миними- зации целевой функции путем по- следовательного выбора и расчета возможных результатов в рамках определенного набора параметров. В условиях растущей конкуренции на рынке перевозок интерес к энер- гоэффективности среди железнодо- рожных компаний в последние годы стал предметом повышенного ин- тереса, как для модернизации суще- ствующих транспортных средств, так и для приобретения новых.
Ключевые слова: Энергоэффек- тивность, оптимальное управ- ление движениям поезда, график движения, энергооптимальные тра- ектории движения, динамическое программирование.
Optimal train management has been an active research topic for many years. All over the world, important measures are being taken to use electricity efficiently due to the growing demand for energy resources. Such measures are also being taken in the railway industry. The overall objective is to operate the train in such a way as to minimize the overall energy consumption, taking into account the time and physical
constraints imposed by the train and the operating conditions. The achievement of this goal is ensured by advanced technologies currently used on electric rolling stock and new computer capabilities. The lion's share of electricity consumption in railway transport is accounted for by the cost of train traction. Therefore, measures aimed at optimizing electricity consumption by electric locomotives and electric trains are relevant. Optimization is a powerful tool and a promising solution to any problems associated with the operation of railway transport. The ever-increasing complexity of engineering systems, the growing demand for accuracy and the search for optimal and reliable designs create additional difficulties that can only be solved by developing optimization models. In theory, optimization is the process of maximizing or minimizing an objective function by sequentially selecting and calculating possible results within a certain set of parameters. In the context of growing competition in the transportation market, the interest in energy efficiency among railway companies in recent years has become the subject of increased interest, both for the modernization of existing vehicles and for the acquisition of new ones.
Keywords: energy efficiency, optimal train movement control, the optimal trajectory planning, energy-optimal movement trajectories, dynamic programming.
Одним из способов устранения этих проблем является определе- ние энергооптимальной траектории движения поезда между двумя стан- циями в течение заранее опреде- ленного времени с учетом неопре- деленных факторов.
Проблема нахождения опреде- ленной кривой движения, т.е. после- довательности значений скорости вдоль оси времени и пути, возникает как задача оптимального управления с учетом определенных эксплуата- ционных, географических и физиче-
ских ограничений. Основные цели оптимальной траектории движения, рассмотренные до сих пор, связаны с решением следующих задач:
1) своевременное прибытие в пункт назначения, т.е. отклонение от заданного времени должно быть сведено к минимуму;
2) наименьшее время в пути, т.е. время в пути должно быть сведено к минимуму, а скорость должна быть как можно большей;
3) минимальный расход элек- троэнергии, т.е. общее потребление электроэнергии должно быть сведе- но к минимуму.
Поскольку все эти три цели про- тиворечат друг другу, многие иссле- дования посвящены их сочетанию или компромиссу или включают одну из них в качестве ограничения, а другую – в качестве цели.
Исследования по оптимальному планированию кривых движения по- ездов начались в 1960-х годах. Упро- щенная задача оптимального управ- ления поездом были рассмотрены в [26,34]. Авторы решили эту пробле- му, используя принцип максимума Понтрягина. Позже многие исследо- ватели решали проблему оптималь- ного управления [2,3,6,10,11,13,20], применяя различные методы, по- скольку она оказывает значитель- ное влияние на экономию энергии, пунктуальность и комфорт при езде. Классификация энергооптимальных методов расчета показано на рис.1.
Известные подходы к решению задач определения оптимальной
по энергозатратам траектории дви- жения поездов можно разделить на две группы: аналитические и чис- ленные.
Аналитический алгоритм требует хороших свойств целевой функции, так что исследователям приходится упрощать некоторые условия при моделировании. Численный алго- ритм не предъявляет никаких тре- бований к целевой функции. Однако аналитический алгоритм позволяет точно получить оптимальное ре- шение, даже если процесс слож- ный. Для численного алгоритма существует компромисс между точ- ностью и вычислительной эффек- тивностью. Как правило, скорость вычислений невелика, и иногда она может найти только локальное оп- тимальное решение. Но точность может быть гарантирована при ис- пользовании некоторых численных решателей с достаточным временем вычислений. Предпосылка состоит в том, что задача энергооптимального ведения поезда формулируется как модель смешанного целочисленно- го линейного программирования с некоторыми приближениями.
Энергоэффективный метод ве- дения поезда в первую очередь ос- новывался на теории оптимального управления. Таким образом, внача- ле для простоты, задача была сфор- мулирована в виде непрерывных моделей оптимального управления,
основанных на классическом вариа- ционном исчисление. Оптимизацию управления движением поезда с помощью классического вариаци- онного исчисления впервые в СССР исследовал Ю.П. Петров [14,15]. Условия оптимальности им были сформулированы в форме уравне- ний Эйлера. При условии, что сила тяги может изменяться непрерывно, а коэффициент полезного действия тягового привода локомотива по- стоянный, было установлено, что оп- тимальная кривая движения обыч- но состоит из участков, на которых скорость должна быть постоянной, и участков с неровными профилями соответствующими ограничениями на скорость [17]. Позже, учеными ак- тивно разрабатывались алгоритмы оптимизации режимов управления, где теоретическое решение выпол- нялось с помощью принципа мак- симума Л. С. Понтрягина. Принцип максимума Понтрягина в отличие от классического вариационного вы- числения позволяет решать задачи управления, в которых на управля- ющие параметры наложены огра- ничения, хотя обычно заранее ого- варивается ряд свойств решения. Благодаря этому, принцип максиму- ма, является основным математиче- ским приемом, используемым при расчете оптимального управления во многих важных задачах техники [12,16].
И. А. Аснис и др. [1] предполо- жили, что ускорение является не- прерывной управляющей перемен- ной с равномерными границами, и использовали принцип максимума Понтрягина для нахождения необ- ходимых условий по оптимально- му графику движения. В [33] автор предложил нелинейную модель второго порядка для минимизации потребления электроэнергии, где решалась задача Лагранжа. Для по- иска более строгих математических доказательств Хаулетт [30,31] по- казал, что задача может быть сфор- мулирована в соответствующем функциональном пространстве. Он пришел к выводу, что оптимальный график движения существует и что график движения должен удовлет- ворять критерию принципа Понтря- гина. Я.М. Головичер [24] предложил
Рис.1. Классификация методов энергооптимального расчета
аналитический метод оптимизации
№ 3 (2022)
работы поезда при минимальном потреблении энергии. Чтобы умень- шить вычислительное время, для определения оптимального режима работы была применена гамильто- нова формулировка с принципом максимума. Было установлено, что оптимальное управление может сэ- кономить 3% энергопотребления.
В зависимости от того, является ли тяговое и тормозное усилие не- прерывным или позиционным (дис- кретным), существует два варианта к решению. Один из вариантов пред- назначен для операций с поездами с непрерывным управлением, в то время как другой – для операций с поездами с позиционным управле- нием [32].
Основываясь на аналитических подходах, упомянутых выше, суще- ствует четыре оптимальные после- довательности сценария управления на оптимальной кривой движения: разгон с максимальным ускорением, движение с установившейся скоро- стью, выбег и торможение с мак- симальным замедлением. Однако более подробная модель работы поезда рассмотрена в [36], который включает в себя эффективность дви- гательной установки и схему рекупе- ративного торможения электропод- вижного состава. Стоит отметить, что аналитические методы часто встре- чают трудности в поиске аналитиче- ского решения, если учитывать бо- лее реалистичные условия, которые вводят сложные нелинейные члены в уравнения модели и ограничения.
мизации для получения энергоопти- мальных кривых движения.
Учитывая сложные отношения между движением поезда и потре- блением энергии, аналитические результаты доступны только в упро- щенных случаях. Из-за этой трудно- сти большая часть усилий была по- священа разработке приближенных численных схем и алгоритмов. Здесь кратко упомянем некоторые из наи- более важных подходов численных методов [19], применяемых для оп- тимального управления, предпри- нятых в контексте оптимизации же- лезнодорожных систем.
Прямые методы. Прямые методы не требуют предварительных зна- ний о структуре решения. Первый шаг состоит в том, чтобы дискрети- зировать задачу, чтобы получить ко- нечномерную задачу, и затем можно использовать методы нелинейного программирования. Идея этих ме- тодов состоит в том, чтобы решить более простые подзадачи, которые сходятся к исходному решению за конечное число итераций или в пре- деле. Рассматриваются два различ- ных типа алгоритмов:
1) Метод внутренней точки и штрафной функции: проблема пере- формулирована, чтобы превратить ее в задачу оптимизации без огра- ничений. После этого для поиска решения могут использоваться ме- тоды оптимизации без ограничений, такие как методы на основе градиен- та [29].
2) Метод касательных Ньютона. Задача решается путем нахождения точки, удовлетворяющей условиям Каруша-Куна-Такера (необходимые условия для оптимальности). В [21] квадратичное программирование использовалось для решения упро- щенной модели поездов.
Подход к решению с динамиче- ским программированием. Методы динамического программирования позволяют решить проблему управ- ления без какой-либо инициализа- ции проблемы, и при любых данных обстоятельствах может быть найде- но оптимальное решение, это одно из главных преимуществ подхода динамического программирования, оно проходит через все простран- ство состояний для предоставления решений от любой возможной точки
пространства состояний до места назначения. Идея состоит в том, что- бы разделить сложную проблему на более простые подзадачи, и каждый раз, когда подзадача решается, ре- шение сохраняется в памяти, чтобы помочь решить большие подзадачи. Основным недостатком использова- ния этого метода является то, что он предполагает очень дорогие вычис- лительные затраты.
В настоящее время вычисли- тельная мощность значительно воз- росла по сравнению с периодом, когда было написано большинство работ. Поэтому в [36] предложена более подробная нелинейная мо- дель поезда, в которой моделируют- ся потери мощности электровоза с тяговым преобразователем. Задача планирования оптимальной кри- вой движения на основе этой нели- нейной модели решается методами нелинейного программирования и динамического программирования. Сделан вывод о том, что дискретное динамическое программирование оказалось более эффективным для решения нелинейной оптимальной задачи по сравнению с последова- тельным квадратичным программи- рованием, поскольку общее время вычисления дискретного динамиче- ского программирования является детерминированным и результат вычисления получается в виде зако- на управления с обратной связью.
Среди численных методов реше- ния задачи оптимального управле- ния с динамическим программиро- ванием широкое распространение получил метод динамического программирования Р. Беллмана [4]. Метод Беллмана основан на прин- ципе оптимальности «оптимальная стратегия управления имеет свой- ство: какие бы ни были первичный состояние и решение в начальный момент, следующие решения долж- ны составлять оптимальную страте- гию управления относительно со- стояния, полученного на начальной стадии процесса» [5]. Этот метод по- зволяет сформулировать более про- стые алгоритмы оптимизации дина- мических объектов малой величины [7-9,18]. В [25] применяют динамиче- ское программирование Беллмана для оптимизации оптимальной ба- зовой траектории.
Динамическое программирова- ние, градиентный метод и последо- вательное квадратичное програм- мирование вводятся для решения задачи планирования оптимальной кривой движения в [28]. В простых и сложных условиях эксплуатации моделирование показало, что гра- диентный метод имеет хорошую сходимость.
Однако оптимальное решение не всегда гарантируется в этих под- ходах числовой оптимизации. По- скольку полученное «оптимальное» решение может быть локальным минимумом. Кроме того, скорость сходимости в целом неопределенна. Более того, вычисления этих подхо- дов числовой оптимизации часто слишком медленны для приложений реального времени.
Нечеткие и эволюционные алго- ритмы. Для достижения определен- ного эффекта для кривой движения в энергоэффективных решениях были внедрены и усовершенство- ваны некоторые нечеткие и интел- лектуальные методы, включая ге- нетический алгоритм [29], роевой интеллект [35] и нейронную сеть [42]. Однако, помимо обеспечения энергоэффективности, ожидается достижение комплексного эффекта в отношении нескольких аспектов, основанных на значительном уров- не энергетических возможностей, что означает, следует также учиты- вать адекватность, точность модели тяги и эффективность вычислений решения. С. Ясунобу [43] предложил нечеткий контроллер автоматиче- ской эксплуатации поезда, и внедри- ли его в японском городе Сендай в
1987 году. Этот контроллер может управлять отправлением каждого поезда, регулированием скорости и временем ожидания. Функция при- надлежности играет важную роль в обеспечении точности управления и надежности нечеткого контроллера автоматической эксплуатации поез- да. Поэтому в [22] авторы предло- жили модифицированный алгоритм дифференциальной эволюции для оптимальной настройки нечетких функций, которые обеспечивают компромисс между пунктуально- стью, комфортом езды и энергопо- треблением. Реализация генетиче- ского алгоритма для оптимизации
управления движением поезда была продемонстрирована в [23]. В ра- боте результаты приведены в виде таблиц для строки команд управле- ния, на которые ссылается система автоматической эксплуатации по- езда для принятия решения о том, когда начинать движение выбегом и возобновлять максимальное уско- рение. Хан [39] также использует генетический алгоритм для постро- ения оптимальной базовой кривой движения. Ю. Бочарников и др. [47] пришли к выводу, что на экономию энергии влияют ускорения и замед- ления путем параллельного выпол- нения серии симуляций с использо- ванием генетического алгоритма. В [38] авторы объединили искусствен- ные нейронные сети и генетический алгоритм для получения оптималь- ного графика движения выбегом. Целевая функция рассматривается как общий расход электроэнергии и эффективность вычислительной системы.
мальных режимов ведения взаимос- вязаны. Первый обеспечивает вре- мени хода на каждом перегоне для второго, а последний оптимизирует времени разгона, выбега и тормо- жения на каждом перегоне для пер- вого. Энергооптимальное ведение поезда направлено на оптимиза- цию кривой движения между двумя станциями для одного поезда и во многих задачах игнорирует рекупе- ративную энергию, передаваемую обратно в контактную сеть. Следо- вательно, полученный энергоопти- мальный кривой движения является оптимальным только для одного по- езда. Оптимизация распределения участкового времени хода на вре- мена хода по перегону синхронизи- рует действия нескольких поездов для максимального использования рекуперативной энергии, но обыч- но предполагает график движения в качестве постоянного параметра. Тяговое усилие от полученного оп- тимального распределения участ- кового времени хода не снижается. Поэтому в последние годы много исследователей изучает метод ком- плексной оптимизации.
В [27] описывается регулирова- ние и координация работы несколь- ких поездов в режиме реального времени со смешанным контролем участкового времени хода. Целя- ми являются минимальный расход электроэнергии и комфорт. Для по- иска решения авторы использовали подход с динамическим програм- мированием. Несколько иная схема решения этой же задачи, также бази- рующаяся на методе динамического программирования, описана в [19]. Ю.В. Бочарников [49] представил модель для оптимизации графика движения поезда, учитывающую как оптимизацию тягового усилия, так и использование рекуперативной энергии. Он также провел модели- рование, чтобы оценить преимуще- ства и результаты оптимального гра- фика движения при минимизации энергопотребления. В [48] проблема энергооптимальной эксплуатации поездов сформулирована в виде двухуровневой модели оптимиза- ции и разработан генетический ал- горитм для поиска оптимального решения. На первом уровне опре- делялась подходящая траектория
№ 3 (2022)
прохождения участка для поездов, а на втором уровне определялось время хода для каждого участка, чтобы свести к минимуму энерго- потребление на тягу. В работе [40] авторы предложили модель ком- плексного управления поездом для снижения энергопотребления и раз- работали численный алгоритм для получения оптимальных режимов ведения с заданным временем хода, в котором учитываются переменные результирующие силы, действую- щие на поезд, ограничения скоро- сти и уклоны. Х. Янг [45] разработал комплексный метод оптимизации для снижения общего энергопотре- бления и общего времени хода. В работе автор находит оптимальное время прибытия поездов на станци- ях и максимальную участковую ско- рость поезда на участках по опре- деленной кривой движения. Есть работы, посвященные моделям це- лочисленного программирования для определения графика и кривой движения с минимальным энерго- потреблением, где учитывается ре- куперативная энергия [44]. Там про- ведено сравнение между методом оптимизации распределения участ- кового времени хода [46], энерго- оптимальным методом ведения [41] и комплексном методом оптимиза- ции энергопотребления. Результаты показали, что метод комплексной оптимизации позволяет снизить об- щее энергопотребление по сравне- нию с остальными методами.
Различные методы в литературе сгруппированы в две основные ка- тегории: аналитическое решение и численная оптимизация. Как указы- валось выше, аналитические методы часто сталкиваются с трудностями при поиске аналитических решений, если рассматриваются более реа- листичные условия, которые вво- дят сложные нелинейные члены в уравнения движения и ограничения. Большинство методов показали свою эффективность на численных приме- рах, но лишь немногие из них были протестированы в реальных систе- мах. При лабораторном моделирова- нии поезда всегда строго выполняют заданный график движения и прибы- вают на каждую станцию вовремя в
точном соответствии с расписанием. Однако на практике поезда могут иметь некоторые небольшие откло- нения. Эти небольшие отклонения не влияют на нормальную работу, но они оказывают некоторое влия- ние на оценки энергопотребления. Поэтому следует провести больше эмпирических исследований для проверки его эффективности при практической эксплуатации желез- нодорожных систем.
1. Аснис И.А., Дмитрук А.В., Ос- моловский Н.П. Решение задачи энергооптимального управления движением поезда по принципу максимума. // Вычисл. СССР. Матема- тика. Физика. № 6. 1985. С. 37 – 44.
2. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Ерофеев Е.В., Максимов В.М. Микро- процессорные системы автоведения электроподвижного состава / Под ред. Л.А. Баранова. – М.:Транспорт,
1990. – 272 с.
3. Баранов Л.А., Ерофеев Е.В., Ме- лёшин И.С., Чинь Л.М. Оптимизация управления движением поездов. Учебное пособие/ под редакцией доктора технических наук, профес- сора Л.А. Баранова. - М.:МИИТ, 2011.
– 164 с.
4. Беллман, Р. Динамическое про- граммирование и уравнения в част- ных производных / Р. Беллман, Э. Эн- джел; [пер. с англ. С. П. Чеботарёва]; под ред. А. М. Летова. – Москва : Мир,
1974.– 205 с.
5. Беллман, Р. Прикладные задачи динамического программирования
/ Р. Беллман, С. Дрейфус. – Москва: Наука, 1965. – 460 с.
6. Головичер Я.М. Алгоритмы управления движением транспорт- ных средств для систем автоведения поезда. // Автоматика, телемеханика и связь. 1986. №11. С. 118 –126.
7. Ерофеев Е.В. Выбор оптималь- ного режима ведения поезда на АЦВМ с применением метода дина- мического программирования. //Тр. МИИТ.1967. Вып.228. С.16–30.
8. Ерофеев Е.В. Определение оп- тимального режима ведения движе- ния поезда при заданном времени хода. // Вестник ВНИИЖТ. 1969. №1. С.54–57.
9. Ерофеев Е.В., Мостов И.С. Оп- тимизация программ движения по-
ездов. // Тр.МИИТ. 1977. Вып.550. С.
121–125.
10. Климович А.В. Оптимизация управления движения поезда по ми- нимуму затрат энергоресурсов на тягу. М.: Компания Спутник+. 2008. –
263 с.
11. Костромин А.М. Оптимизация управления локомотивом. М.: Транс- порт,1979. – 119 с.
12. Математическая теория опти- мальных процессов / Л. С. Понтря- гин, В. Г. Болтянский, Р. В. Гамкрелид- зе, Е. Ф. Мищенко. – 4-е изд. – Москва: Наука, 1983. – 392 с.
13. Мугинштейн Л.А., Илютович А.Е., Ябко И.А. Энергооптимальные методы управления движением по- ездов. // Сб. научн. тр. ОАО «ВНИ- ИЖТ». М.: Интекст, 2012. – 80 с.
14. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управ- ления. // Энергия: М. 1977. – 96 с.
15. Петров Ю.П. Оптимальное управление движением транспорт- ных средств. // Энергия: М. 1969. – 96 с.
16. Понтрягин, Л.С. Принцип мак- симума в оптимальном управлении
/ Л. С. Понтрягин. – Москва: Наука,
1989. – 62 с.
Пекман А.И. О поиске оптималь- ного режима езды электропод- вижного состава // Тр. МИИТ. 1970. Вып.310. С. 29 – 41.
18. Сидельников В.М. Выбор опти- мального режима управления локо- мотивом с использованием ЭЦВМ. // Вестник ВНИИЖТ. 1965. №2. С.48–52.
19. Тяга поездов и применение специализированных электронных вычислительных машин для тяго- вых расчетов. / Бабичков А. М., Егор- ченко В. Ф.-М.: Трансжелдориздат,
1962. – c. 263.
20. Юренко К.И. Расчет энергооп- тимальных режимов движения пер- спективного подвижного состава методом динамического програм- мирования. // Изв. вузов. Электро- механика. № 3. 2013. С. 78 – 82.
21. A. Grünig, Efficient Generation of Train Speed Profiles, Bachelor’s Thesis, Institute for Operations Research, ETH Zurich, 2009.
22. C. Chang and D. Xu, “Differential evolution based tuning of fuzzy automatic train operation for mass rapid transit system,” IEE Proceedings
– Electric Power Applications, vol. 147, no. 3, pp. 206–212, May 2000.
23. C. Chang and S. Sim, “Optimising train movements through coast control using genetic algorithms,” IEE Proceedings - Electric Power Applications, vol. 144, no. 1, pp. 65–73, Jan. 1997.
24. Golovitcher, I. M. (2001). “Energy efficient control of rail vehicles. Systems, man, and cybernetics.” Proc., IEEE Int. Conf., Vol. 1, Tucson, AZ, 658–
663.
25. H. Ko, T. Koseki, and M. Miyatake, “Application of dynamic programming to optimization of running profile of a train,” in Computers in Railways IX, WIT Press, vol. 15, Southampton, Boston, Sept. 2004, pp.
103–112.
26. K. Ichikawa, “Application of optimization theory for bounded state variable problems to the operation of a train,” Bulletin of Japanese Society of Mechanical Engineering, vol. 11, no.
47, pp. 857–865, Nov. 1968.
27. K. K. Wong and T. K. Ho, “Dwell- time and run-time control for DC mass rapid transit railways,” Proc. Inst. Elect. Eng.—Elect. Power Appl., vol. 6, no. 1, pp. 956–966, Nov. 2007.
28. M. Miyatake and H. Ko, “Optimization of train speed profile for minimum energy consumption,” IEEE Transactions on Electrical and Electronic Engineering, vol. 5, no. 3, pp.
263–269, May 2010.
29. Nilam R. Dongre1. "Optimization of Energy Consumption In Electric Traction System By Using Interior Point Method." IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSRJEEE) 13.2 (2018): 09–15.
30. P. G. Howlett, “Existence of an Optimal Strategy for the Control of a Train,” South Australian Inst. Technol., School Math. Rep., Adelaide, SA, Australia, 1987.
31. P. G. Howlett, “Necessary conditions on an optimal strategy for the control of a train,” South Australian Inst. Technol., School Math. Rep., Adelaide, SA, Australia, 1987.
32. P. Howlett, “The optimal control of a train,” Annals of Operations Research, vol. 98, no. 1–4, pp. 65–87, Dec. 2000.
33. P. Kokotovic and G. Singh, “Minimum-energy control of a traction motor,” IEEE Trans. Autom. Control, vol.
17, no. 1, pp. 92–95, Feb. 1972.
34. Peter Horn. Uber die
Anwendung des MaximumPrinzips von Pontrjagin zur Ermittlung von Algorithmen fur eine energieoptimale Zugsteuerung. Wassenschaftliche Zeitschrift der Hochschule fur Verkehrswesen "Fhedrich List" in Dresden, 18(4), 1971.
35. R. Chen, L. Liu and J. Guo, “Optimization of High-Speed Train Control Strategy for Traction Energy Saving Using an Improved Genetic Algorithm”, Journal of Traffic and Transportation Engineering. 1, 12 (2012)
36. R. Franke, M. Meyer, and P. Terwiesch, “Optimal control of the driving of trains,” Automatisierungstechnik, vol. 50, no.
12, pp. 606–614, Dec.2002.
37. R. Liu and I. M. Golovicher, “Energy-efficient operation of rail vehicles,” Transportation Research Part A: Policy and Practice, vol. 37, no. 10, pp. 917–931, Oct. 2003.
38. S. Acikbas and M. Soylemez, “Coasting point optimization for mass rail transit lines using artifical neural networks and genetic algorithms,” Proceedings of the IEE Proceedings - Electric Power Applications, vol. 2, no.
3, pp. 172–182, May 2008.
39. S. H. Han, Y. S. Byen, J. H. Baek, T. K. An, S. G. Lee, and H. J. Park,
“An optimal automatic train operation (ATO) control using genetic algorithms (GA),” in Proceedings of the IEEE Region 10 Conference (TENCON
99), vol. 1, Korea, Aug. 1999, pp. 360–
362.
40. S. Su, T. Tang, C. Roberts, and L. Huang, “Cooperative train control for energy-saving,” in Proc. IEEE Int. Conf. Intell. Rail Transp., Beijing, China, Aug.
2013, pp. 7–12.
41. S. Su, X. Li, T. Tang, and Z. Gao, “A subway train timetable optimization approach based on energy-efficient operation strategy,” IEEE Trans. Intell. Transp. Syst., vol. 14, no. 2, pp. 883–
893, Jun. 2013.
42. S. Sun, Y. Li and H. Xu, “Energy Consumption Optimization for High- speed Railway based on Particle Swarm Algorithm”, Proceedings of
4th International Conference on Computational Intelligence and Communication Networks, (2012) November 3–5; Mathura, India
43. S. Yasunobu, S. Miyamoto, and
H. Ihara, “Fuzzy control for automatic
train operation system,” in Proceedings of 4th IFAC/IFIP/IFORS International Conference on Control in Transportation Systems, Baden, Germany, June 1983, pp. 39–45.
44. X. Li and H. K. Lo, “An energy- efficient scheduling and speed control approach for metro rail operations,” Transp. Res. Part B.: Methodol., vol. 64, pp. 73–89, Jun. 2014.
45. X. Yang, X. Li, B. Ning, and T. Tang, “An optimization method for train scheduling with minimum energy consumption and travel Time in metro rail systems,” Transportmetrica B: Transp. Dyn., vol. 3, no. 2, pp. 79–98,
2015.
46. X. Yang, X. Li, Z. Gao, H. Wang, and T. Tang, “A cooperative scheduling model for timetable optimization in subway systems,” IEEE Trans. Intell. Transp. Syst., vol. 14, no. 1, pp. 438–
447, Mar. 2013.
47. Y. Bocharnikov, A. Tobias, C. Roberts, S. Hillmansen, and C. Goodman, “Optimal driving strategy for traction energy saving on dc suburban railways,” IEE Proceedings - Electric Power Applications, vol. 1, no.
5, pp. 675–682, Sept. 2007.
48. Y. Ding, H. Liu, Y. Bai, and F. Zhou, “A two-level optimization model and algorithm for energy-efficient urban train operation,” J. Transp. Syst. Eng. Inf. Technol., vol. 11, no. 1, pp. 96–
101, Feb. 2011.
49. Y. V. Bocharnikov, A. M. Tobias, and C. Roberts, “Reduction of train and net energy consumption using genetic algorithms for trajectory optimisation,” in Proc. IET Conf. Railway Traction Syst., Birmingham, U.K., Apr. 2010, pp. 32–
36.
Лесов Алтинбек Талгат угли
Родился в 1991 году. В 2015 году окончил специалитет Петербургско- го государственного университета путей сообщения, электрический транспорт железных дорог. В насто- ящее время является аспирантом ка- федры «Электрическая тяга».
Altinbek Lesov
Was born in 1991. In 2015 he graduated from the St. Petersburg State University of Communications, electric transport of railways. Currently, he is a post-graduate student of the Department of Electrical Traction.
№ 3 (2022)
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
// APPLICATION OF NEURAL NETWORKS FOR NOTIFICATION OF INFORMATION SECURITY EVENTS //
В настоящее время во всех сферах производства и жизнедея- тельности человека динамичными темпами развиваются техноло- гии, увеличивая значение информа- ционной безопасности. Примене- ние достижений цифровизации в профессиональной деятельности требует повышенного внимания и высокой цифровой грамотности сотрудников в связи с необходимо- стью обеспечить конфиденциаль- ность, целостность информации
и защиту ценных цифровых дан- ных.
В данной статье уделяется внимание обеспечению информа- ционной безопасности систем и устройств, применяемых в различ- ных сферах, в том числе на транс- порте, применяя искусственные нейронные сети. Проводится срав- нение расчета прогнозирования с помощью программных средств.
Ключевые слова: нейросеть, ней- роны, алгоритм, информационная безопасность.
Given the dynamic pace of development and widespread use of technology in many areas of society, the importance of their information security is increasing. In particular, the use of technology in professional activities requires increased attention, due to the fact that we are talking about confidentiality, integrity and information and the protection of valuable digital data.
Many technologies and methods are being developed for information security management systems, but in this paper, attention will be paid to the topic of ensuring information security using artificial neural networks.
Keywords: neural network, neurons, algorithm, information Security.
В последние годы технологии ис- кусственных нейронных сетей (ИНС) играют важную роль в решении мно- гих задач информационной безопас- ности.
Это связано с резким увеличени- ем сложности задач и объективной необходимостью включения нейро- сетевых технологий в алгоритмы ре- шения таких задач как:
• обнаружение атак на инфор- мационные ресурсы, где теперь происходит преобразование из классической сигнатуры – методы, основанные на методике кластери- зации нейронных сетей в модулях кластеризации входных данных и типах классификации атак;
• обнаружение вирусов и спама во входных потоках данных инфор- мационных сетей;
• проблемы нейронной крипто- графии, включая взаимодействие нейронных сетей для безопасной передачи секретного ключа по от- крытому каналу связи, генераторы случайных чисел на основе нейрон- ных сетей, проблемы стеганографии;
• обеспечение жизненного цикла распределенных программ;
• биометрическая идентифика- ция с различными признаками: 2D и 3D изображения лица, изображе- ния радужной оболочки, отпечатки пальцев и другие [1-2].
При решении этих проблем ИБ необходимы следующие разделы нейросетевых технологий:
• теория нейронных сетей (ней- ронная парадигма и методы выбора структур, алгоритмы обучения ней- ронных сетей);
• нейроматематика (методы ре- шения формализованных и не фор- мализованные проблемы в логиче- ской основе нейронной сети);
• аппаратная реализация алго- ритмов нейронной сети для ускоре- ния решения задач.
Технологии нейросетей приме- нимы для прогнозирования, в част- ности, угроз и инцидентов информа- ционной безопасности [3-4].
Для наглядного изображения процесса прогнозирования с по- мощью нейросетей была задей-
ствована аналитическая платформа Deductor Studio Academic. Рассмо- трим задачу прогнозирования числа инцидентов информационной безо- пасности абстрактной организации на ближайшие два дня, опираясь на количество уже произошедших ин- цидентов за последний месяц. Вре- менной ряд инцидентов представ- лен Таблице 1.
Таблица 1. Временной ряд инци- дентов.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 3 (2022)
Рисунок 1. Диаграмма рассеяния нейросетевой модели
Далее необходимо составить из этого временного ряда обучаю- щую выборку. Ее можно составить
Таблица 2. Обучающая выборка.
в любом текстовом редакторе, про- грамме для работы с таблицами или с помощью инструмента «Сколь- зящее окно» непосредственно в DeductorStuduioAcademic. Полученная выборка представлена в таблице 2.
В данной таблице первые четы- ре столбца будут служить входными данными, а пятый – выходными.
С использованием обработчи- ка «Нейросеть», который входит в состав платформы Deductor Studio Academic, была построена нейросе- тевая модель прогнозирования.
Входной слой состоит из четы- рех нейронов, которые распределя- ют входные данные на следующий слой, скрытый слой – из восьми ней- ронов, которые обрабатывают по- лученные данные, а выходной – из одного, формирующего выходные сигналы. На рисунке 1. представлена диаграмма рассеяния нейросетевой модели.
Результаты моделирования по- казаны на рисунке, где можно четко оценить эффективность регулиро- вание напряжения, обеспечиваемое цифровым видеорегистратором.
Из рисунка видно, что получен- ный результат не выходит за рамки установленного отклонения, вели- чиной 5%. Более того, результат, по- лученный нейросетью, практически идентичен выходным данным обу- чающей выборки, что говорит о вы- сокой эффективности нейросети как инструмента прогнозирования.
Bogdanov D.S., Mironkin V.O. Data recovery for a neural network-based biometric authentication scheme // Матем. вопр. криптогр., 10:2 (2019),
61–74 p.
Катенко Ю.В., Петренко С.А. Кон- цепция контроля достоверности информации в профессиональной социальной сети с применением
№ 3 (2022)
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
сверточной нейронной сети // Между- народная конференция по мягким вы- числениям и измерениям – 140-143 c.
Малышев Е.В., Москвин Д.А., Зе- гжда Д.П. Применение искусствен- ной нейронной сети для обнаруже- ния атак в VANET -сетях // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. 2019. № 1.
11-17 c.
Орлов С.П., Кусакина Н.М. Ис- пользование искусственных ней- ронных сетей для анализа трафика компьютерных сетей // Математиче- ские методы в технике и технологи- ях - ММТТ. – 2019. – Т. 12-3. 98-102 c.
Васильев Александр Владимирович
Родился в 1991 году. Окончил Комсомольский-на-Амуре государ- ственный университет по специ- альности (КнАГУ) «Электроника и нанотехника». В настоящее время работает инженером отдела инфор- мационных технологий и связи Ком- сомольской ТЭЦ-2, является аспи- рантом КнАГУ, тема исследования
– «Разработка микрокомпьютерной системы обнаружения несанкци- онированного проникновения на объект». Автор 4 научных статей и 1 патента.
Vasiliev Alexander
Was born in 1991. Graduated from the Komsomolsk-on-Amur State University with a degree in Electronics and Nanotechnology (KnAGU). Currently, he works as an engineer of the information technology and communication department of Komsomolskaya CHPP-2, is a post- graduate student of KnASU, the research topic is «Development of a microcomputer system for detecting unauthorized entry into an object». Author of 4 scientific articles and 1 patent.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 3 (2022)
// TRAM-TRAIN AND THE PROSPECT OF ITS APPLICATION IN THE TRANSPORT SYSTEM OF ST. PETERSBURG //
Цель: Рассмотреть классифика- цию гибридного подвижного соста- ва, рассмотреть взаимодействие между двумя разными транспорт- ными инфраструктурами на приме- ре СПБ «ГЭТ» и ОАО «РЖД», описать процесс анализа и проектирования, необходимый для разработки про- филя колеса двойного действия, ра- ботающего, как на путях СПб ГУП
«Горэлектротранс», так и на путях общего пользования ОАО «РЖД». Раз- работать электрическую схему для эксплуатации на гибридном подвиж- ном составе, построить и описать маршрут следования трамвая-по- езда в городе Санкт-Петербурге для эксплуатации подвижного состава, как на железной дороге общего поль- зования, так и на трамвайных пу- тях. Методы: Применяется метод сравнительного анализа и синтеза существующих профилей.
Результаты исследования: Предложено решение улучше- ния доступности районов города Санкт-Петербурга и решение, спо-
собствующее ускорению их разви- тия, в виде разработки и внедрения трамвая-поезда. Проведен анализ видов гибридного подвижного со- става, проведен анализ профилей колес, использующихся в Англии и в Санкт-Петербурге. Разработан про- филь колеса двойного действия для трамвая-поезда, разработана элек- трическая схема проектируемого вагона трамвая-поезда. Произведен выбор полигона для эксплуатации гибридного подвижного состава в го- роде Санкт-Петербурге.
Практическая значимость ра- боты: Создание доступного и кам- форного подвижного состава в еди- ном маршруте для эксплуатации как на трамвайных, так и на желез- нодорожных линиях общего пользо- вания в городе Санкт-Петербурге. Возможное использование трамва- я-поезда на малозадействованных или заброшенных железнодорожных и трамвайных путях, тем самым улучшая доступность некоторых районов города и пригородной зоны.
Ключевые слова: Гибридный под- вижной состав, трамвай-поезд, профиль колеса, остряк стрелочно- го перевода, профиль рельса, инвер- тор, токоприемник, транспортная инфраструктура.
Objective: Consider the classification of hybrid rolling stock, consider the interaction between two different transport infrastructures using the example of St. Petersburg GET and JSC Russian Railways, describe the analysis and design process necessary to develop a double-acting wheel
profile that works like on the tracks of St. Petersburg State Unitary Enterprise Gorelektrotrans ", and on the public roads of Russian Railways. Develop an electrical circuit for operation on a hybrid rolling stock, build and describe the route of a tram-train in the city of St. Petersburg for the operation of rolling stock, both on a public railway and on tram tracks.
Methods: The method of comparative analysis and synthesis of existing profiles is applied.
Results of the study: A solution was proposed to improve the accessibility of the districts of the city of St. Petersburg and a solution that accelerates their development, in the form of the development and implementation of a tram-train. The analysis of the types of hybrid rolling stock was carried out, the analysis of the profiles of the wheels used in England and St. Petersburg was carried out. A profile of a double-acting wheel for a tram-train has been developed, an electrical circuit of the designed tram- train car has been developed. A selection of a landfill for the operation of hybrid rolling stock in the city of St. Petersburg was made.
Practical significance of the work: Creation of affordable and camphor rolling stock in a single route for operation on both tram and public railway lines in the city of St. Petersburg. Possible use of the tram-train on underused or abandoned railway and tram tracks, thereby improving the accessibility of some areas of the city and the suburban area.
Keywords: Hybrid rolling stock, tram- train, wheel profile, switch point, rail profile, inverter, pantograph, transport infrastructure.
№ 3 (2022)
В последние годы на транспорте более широко стали использовать- ся гибридные технологии. Гибрид- ным подвижным составом принято называть транспортные средства, имеющие не менее двух различных силовых установок, либо получаю- щие энергию от различных источни- ков [1].
К гибридам относятся теплово- зы и дизель-поезда с накопителями энергии на основе электрических или гидропневматических аккумуля- торов энергии, контактно-аккумуля- торные электровозы, локомотивы на несколько различных видов топлива, а также многосистемный электриче-
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
Рис. 1. Классификация гибридного подвижного состава
ский подвижной состав, дизель-элек- тровозы и дизель-поезда [2,3].
Свойство гибридности характер- но не только для конструкции си- ловой установки, но и для ходовых частей, электрооборудования и сме- шанному полигону эксплуатации. Гибридная ходовая часть позволя- ет использовать подвижной состав на различных путях, а в некоторых случаях – и на обычном дорожном
прочее [4]. Характерным примером
многосистемного локомотива явля- ется электровоз Vektron компании SIEMENS (рис. 2).
Электровоз Vektron рассчитан на работу с 4 системами электро- снабжения: 1,5 и 3 к В постоянного тока, 15 кВ 16 2/3 Гц переменного тока пониженной частоты и 25 кВ
50 Гц. Дизель-поезда и дизель-элек- тровозы применяются с целью рас-
ширения полигона эксплуатации на
неэлектрифицированные участки. Примером такого подвижного со- става являются дизель-электровоз ALP450 DP производства компании Bombardier [5, 6]. Такой локомотив может водить пассажирские поезда как по электрифицированным, так и по неэлектрифицированным участ- кам железной дороги со скоростями
200-240 км/ч (рис. 3).
Рис. 2. Электровоз Vectron Рис. 3. Дизель-электровоз ALP450 DP
покрытии. На рисунке 1 изображена классификация гибридного подвиж- ного состава.
Гибридная силовая установка используется с целью расширения полигона эксплуатации. Двух- и мно- госистемные электровозы и элек- тропоезда, ранее являвшиеся ред- костью, в настоящее время серийно выпускаются многими компаниями. Если ранее термин «многосистем- ный электровоз» касался только возможности работы с различными системами электроснабжения, то теперь это означает и разные систе- мы СЦБ, безопасности, радиосвязи и
Рис. 4. Дизель-электропоезд ДТ1
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 3 (2022)
Рис. 5. Макет и опытный образец гибридного локомотива DE18 Smart Hybrid
В России в течение 7 лет также выпускались дизель-электропоезда ДТ1, предназначенные для эксплуа- тации в смешанных районах в плане электроснабжения (рис. 4).
Контактно-аккумуляторный под- вижной состав позволяет не только расширить полигон эксплуатации, но и улучшить условия приема энер- гии рекуперации (а на тепловозах – создать такие условия) [7,8]. Таким примером является гибридный ло- комотив DE 18 SmartHybrid компа- нии Vossloh. Гибридный локомотив DE 18 может использоваться как в тяжелой маневровой, так и в поезд- ной работе (рис. 5).
Если обратиться к конструкции подвижного состава с гибридной ходовой частью, то в данном слу- чае выделяются 2 большие группы: локомобили и трамваи-поезда. В первом случае это автомобили, при- способленные к движению по рель- совому пути (рис. 6).
Трамвай-поезд относится к ги- бридному подвижному составу, который может эксплуатировать- ся как на путях городского элек- тротранспорта, так и на железнодо- рожных путях общего пользования, совместно как с трамваями, так и с поездами. Таким образом становит-
ся возможным создание комбиниро- ванных транспортных систем, соче- тающих преимущества обоих видов транспорта [9].
Трамваи-поезда применяются в транспортных системах Великобри- тании и Германии, а также во Фран- ции и в США. Следует отметить, что в перечисленных странах трамвайные и железнодорожные пути имеют одинаковую ширину колеи, в России же ширина колеи составляет у трам- вая и железных дорог – 1524 и 1520 мм соответственно.
В данной статье исследуется про- блема взаимодействия между коле- сом и рельсом железнодорожного пути двух сильно отличающихся ин- фраструктурой рельсовых систем, описывается процесс разработки оптимизированного профиля колеса для работы в двух режимах, а также рассмотрена электрическая схема
проектируемого вагона трамвая-по- езда и полигон его эксплуатации.
Одной из основных проблем при разработке профиля колеса двой- ного действия является управление условиями контакта на стыке колеса и рельса. Сочетание в себе качеств двух систем имеет решающее значе- ние не только для безопасной экс- плуатации транспортного средства, но и для максимального продления срока службы колесной пары и ми- нимизации повреждений колеса и рельса.
Сочетание динамического моде- лирования транспортных средств и специального программного обе- спечения позволила разработать новый профиль колеса для трам- вая-поезда, который успешно при- меняется за рубежом [10]. Профили колес обычно разрабатываются или подбираются таким образом, чтобы они сочетались с профилями рель- сов, используемых в конкретной системе. Профили колес, использу-
Рис. 6. Маневровый локомобиль
Unimog Рис. 7. Сравнение существующих профилей колес SST и NR
№ 3 (2022)
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
емые на Sheffield Supertram (SST ) и Network Rail (NR), отличаются друг от друга, на рисунке 7 показаны два профиля и их основные размеры.
В транспортных средствах SST ис- пользуется профиль колеса, типич- ный для трамвайных путей, поверх- ность катания с низкой конусностью совместима с плоской поверхностью головки рельса, для рельсов такого профиля как 55G2 (желобчатый) и
39E1 (без желоба), используемых в системе SST, большая величина – 76° угол наклона наружной грани греб- ня для устойчивости к сходам на кривых малого радиуса, и плоская вершина гребня для движения по желобчатым рельсам стрелкам и пе- ресечениям [11].
Наиболее распространенным профилем на участке NR маршрута трамвай-поезд является профиль BR P8, который широко используется по всей Великобритании и совместим со всей инфраструктурой NR. Про- филь P8 имеет меньшей угол гребня
68°, а его поверхность катания име- ет «предварительно изношенную» форму, подходящую для меньших радиусов профиля поверхности го- ловки рельса NR, что обеспечивает более высокий уровень сцепления колеса с рельсом, по сравнению с профилем SST [12].
Профиль SST имеет более узкий гребень чем профиль P8, необхо- димый для движения по желоб-
чатым участкам рельсов, как и у большинства трамвайных вагонов, профиль SST устанавливается с более оптимальным расстоянием между внутренними поверхностя- ми гребней, обеспечивая тем самым стандартный зазор между остряком и рамным рельсом при поддержа- нии стандартной ширины колеи пути [13].
Маршрут эксплуатации трамва- я-поезда будет иметь комбинацию новых и изношенных профилей ти- пов рельсов как желобчатых, так и Виньоля (с широкой плоской подо- швой). Для того, чтобы разработать оптимизированный профиль колеса для работы в двух системах, необ- ходимо рассмотреть все профили, с которыми столкнется трамвай-по- езд [13]. В таблице 1 перечислены установленные профили рельсов на маршруте трамвай-поезд.
Особенно сложно организовать эксплуатацию трамвая-поезда при разной степени износа трамвайно- го и железнодорожного пути. При рассмотрении изношенных форм профилей рельсов выяснилось, что измеренные рельсовые профили SST BS80A и 55G2 имеют одинаковую форму износа, поэтому для SST рас- сматривается только один изношен- ный профиль рельса [14].
На рисунке 8 изображены рас- пространенные новые профили рельсов и соответствующие изно-
шенные профили. Новые профили BS80A и 55G2, которые установлен- ные на SST, имеют практически оди- наковые профили рабочей грани головки рельса, что обеспечивает схожие условия контакта. Ключевым отличием является наличие губы рельса у 55G2 [15].
При сравнении новых и изно- шенных профилей SST и NR можно увидеть, что есть различие, заклю- чающееся в рабочей грани и ради- усе поверхности катания головки. Обычно по мере износа рельс при- нимает форму колес, движущихся по нему, так что форма изношенного рельса NR аналогична колесу BR P8 и изношенному рельсу SST профиль аналогичен профилю колеса SST. Это показано на рисунке 9.
Конструкция профиля рельса трамвая-поезда была оптимизиро- вана для изношенных форм рельс на NR и SST с максимально возможной совместимостью с новыми рельсами
55G2 (41GP), BR113a (56E1) и BS80A (39E1). Чтобы облегчить процесс утверждения, конструкция профи- ля была сосредоточена на соответ- ствии стандарта железнодорожных колесных пар, GM/RT2466 [16,17]. Очевидно, что подобные проблемы придется решать и в России.
Первоначальное исследование, проведенное компанией RTU, рас- сматривало ряд существующих про- филей колес для использования на трамвае-поезде. В ходе исследования
Таблица 1. Профили рельсов, используемые на маршруте трамвая-поезда.
был сделан вывод, что ни один из су- ществующих профилей трамвайных колес не подходит для использова- ния на NR из-за сильного двухточеч- ного контакта на больших радиусах кривых, что приводит к ускоренному износу колес и рельсов [18]. Было ре- шено, что требуется гибридный про- филь, основанный на комбинации SST и профиля P8 для обеспечения взаимодействия на двух системах. Конструкция профиля колеса показа- на на рисунке 10.
Данная электрическая схема про- ектируемого трамвая-поезда обеспе- чивает возможность питания подвиж- ного состава как от железнодорожной контактной сети постоянного тока, так
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 3 (2022)
Рис.8. Преобладающие профили рельсов на маршруте трамвай-поезд
Рис. 9. Сравнение профилей колёс и изношенных профилей рельсов
Рис. 10. Конструкция профиля колеса трамвая-поезда
и от контактной сети трамвая. При питании от железнодорожной кон- тактной сети от токоприемника Т1 через быстродействующий выклю- чатель QF1, линейный контактор ЛК1, выходной фильтр L и диод VD3 приходит на автономный много- ячейковый инвертор высокой ча- стоты АИНЧ 1.1-1.6. через повыша- ющий преобразователь ИП.
После преобразования через разделительный изолирующий трансформатор и неуправляемые выпрямители выпрямленный ток поступает на промежуточную шину, а от нее на инверторы АИН
1, 2 и блок заряда аккумулятор- ной батареи BLG. После поступле- ния на АИН 1 происходит обрат- ное преобразование постоянного тока в переменный для подачи в цепь питания асинхронных тяго- вых двигателей.
Аналогично через АИН2 полу- чает питание мотор-компрессор и трехфазная цепь напряжением
380 В. Через понижающий преоб- разователь BLG происходит заряд аккумуляторной батареи, а также питание цепей управления. При работе схемы от трамвайной кон- тактной сети ток через токопри- ёмник Т2, быстродействующий выключатель QF2, линейный кон- тактор ЛК2 и выходной фильтр L поступает сразу на шину 550 В, а от нее АИН 1, 2 и BLG. Остальные про- цессы протекают так же, как при работе от железнодорожной кон- тактной сети. Электрическая схема проектируемого трамвая-поезда изображена на рисунке 11.
Маршрут трамвая-поезда на- чинает своё движение у ТЦ Мега Дыбенко, проходит через Кудрово и на Ленинградской улице разде- ляется на 2 части: одна часть идёт по существующим трамвайным путям по улице Дыбенко и свора- чивает на Дальневосточный про- спект, по Дальневосточному про- спекту легкорельсовый транспорт идёт до пересечения с улицей Подвойского и уходит на эстакаду, там подвижной состав переходит на железную дорогу.
По железнодорожным путям из промышленной зоны марш-
№ 3 (2022)
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
рут уходит либо на «узел» в сторону станции метро Волковской (как воз- можное соединение с маршрутом до аэропорта Пулково), либо на Ладож- ский вокзал. От Ладожского вокзала через Заневский железнодорожный пост 1, железнодорожную станцию Пискарёвка до железнодорожной станции Кушелевка, где трамвай-по- езд меняет свой вид тяги и сворачи-
вает на трамвайные пути на Лесной проспект.
По Лесному проспекту трам- вай-поезд следует до Финляндского вокзала (как продолжение маршрута соединение его через Литейный мост и Литейный проспект с маршрутом в аэропорт Пулково). Схема маршрута трамвая-поезда в городе Санкт-Пе- тербург изображена на рисунке 12.
Вторая часть маршрута идёт по железнодорожным путям до Лесо- парковой улицы, далее меняет вид тяги и продолжает своё движение по Ириновскому проспекту по трам- вайным путям до пересечения Ири- новского проспекта с железнодо- рожным узлом, где продолжить своё движение либо по первоначальному маршруту, либо в сторону Ладожско- го вокзала (таким образом можно за- кольцевать маршрут).
Рис. 11. Электрическая схема проектируемого трамвая-поезда
Рис. 12. Маршрут трамвая-поезда
Быстрое развитие районов Санкт-Петербурга и прилегающих территорий вызывает необходи- мость усиления существующей транспортной связи. В этих условиях трамвай-поезд является одним из предпочтительных направлений для благоприятного функционирования города и области.
Трамвай-поезд использует раз- личную инфраструктуру, в том числе традиционные уличные трамвайные линии, линии железной дороги, об- щее пространство города, полосы движения, отдельные пути, легкие линии метро и трамвайные поезда. Специфика применения такого ги- бридного транспорта в городской среде характеризуется рядом его от- личительных качеств, улучшающих транспортную доступность районов.
Реализация запуска трамвая-по- езда требует решения ряда задач, главными из которых является – раз- работка профиля колеса двойного действия, разработка электриче- ской схемы планируемого вагона трамвая-поезда и полигон эксплу- атации для подвижного состава использующего различную инфра- структуру. В данной статье были опи- саны решения этих задач, благодаря чему внедрения такого гибридного подвижного состава становится ме- нее затруднительным.
1. Титова Т.С., Евстафьев А.М., Изварин М.Ю., Сычугов А.Н. Пер- спективы развития тягового под- вижного состава. Часть 1. Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, практике, экономике № 6 (79).
– 2018 – 40-44 с.
2. Титова Т.С., Евстафьев А.М., Изварин М.Ю., Сычугов А.Н. Пер-
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 3 (2022)
спективы развития тягового под- вижного состава. Часть 2. Транспорт Российской Федерации. Журнал о науке, практике, экономике № 6 (79). – 2018 – 52-55 с.
3. Евстаьфев А.М., Титова Т.С. Энер- госберегающие технологии на тяго- вом подвижном составе. Монография.
– СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС. – 2018. - 165 с.
4. Евстафьев А.М. Гибридные си- стемы тягового привода / А.М. Ев- стафьев, И.Ю. Евстафьев // Интеллек- туальные системы на транспорте: сборник материалов V Междунар. науч.-практич. конференции. – СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС. – 2015. – 363-366 с.
5. Евстафьев А.М. Применение гибридных технологий в тяговом подвижном составе / А.М. Евстафьев
// Бюл. результатов науч. исследова- ний, выпуск № 3. – 2018 – 27-38 с.
6. Евстафьев А.М. Повышение энер- гетической эффективности гибрид- ного локомотива / А.М. Евстафьев // Электроника и электрооборудование транспорта №2. – 2015 – 6-10 с.
7. Обухов М. Ю. Применение гибридного моторвагонного под- вижного состава с накопителями энергии в пригородном сообще- нии / М.Ю. Обухов, И.П. Викулов // Электрификация, развитие элек- троэнергетической инфраструкту- ры и электрического подвижного скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта: ма- териалы VIII Междунар. симпозиума
«Элтранс-2015». – СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС. – 2017. – 336-343 с.
8. Обухов М.Ю. Повышение энер- гоэффективности гибридного мо- торвагонного подвижного состава / М.Ю. Обухов, И.П. Викулов // Транс- порт: проблемы, идеи, перспективы: сб. трудов LXXVII Всерос. науч.-тех- нич. конференции студентов, аспи- рантов и молодых ученых. – СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС. – 2017. – 320-324 с.
9. Трамвай-поезд. Общие сведе- ния: https://en.wikipedia.org/wiki/Tram- train (дата обращения: 04.05.2024).
10. Crosbee, David and Allen, Paul (2015) Development of a Tram- Train wheel profile for dual operation running. In: 1st International I Mech E Stephenson Conference, 21st - 23rd April 2015, London – 17 p.
11. Duewag Drawing No.
3-D-02-Y-09006320, Sheffield
Supertram Wheel Tyre.
12. «Railway applications – Track- Rail-Part 1: Vignole railway rails 46 kg/m and above», BS EN 13674-
1:2003+A1:2007.
13. «Railway applications – Track- Special purpose rail-Grooved and associated construction», BS EN
14811:2006+A1:2009.
14. «Railway applications – Track- Rail-Part 4: Vignole railway rails from
27kg/m to, but excluding 46 kg/m», EN
13674-4:2006+A1:2009.
15. Allen, P. (2008) «Support for the Introduction of Tram-Train Vehicles on Network Rail Infrastructure», RTU Report 81/13 Issue 2.
16. McEwan I. J. and Harvey R. F. (1986), «Technical Memorandum
– Interpretation of Wheel Wear Numbers», British Rail Research Report TMVDY-004.
17. Стандарт железнодорож- ной группы GM/RT2466. Желез- нодорожные колесные пары. Вы- пуск третий: https://docplayer. net/21274829-R ailw a y - wheelsets- railway-group-standard-gm-r t2466- issue-three-date-february-2010.html (дата обращения: 04.05.2024).
18. «Regulations on the Guidance of Rail Vehicles in accordance with the German Federal Regulations on the Construction and Operation of Light Rail Transit Systems (BOStrab) – Guidance Regulations (SpR)», March 2004, English translation by J Snowden Sept. 2008.
Макарова Елена Игоревна
Родилась в 1975 году. В 1993 году окончила ПГУПС по специальности
«Водоснабжение, водоотведение, ра- циональное использование и защита водных объектов». Доктор техниче- ских наук, профессор. В 2012 году защитила диссертацию по теме «На- учные основы защиты окружающей среды при ликвидации, обезврежи- вании и блокировании загрязнений железнодорожного транспорта». Опыт работы – 28 лет. В настоящее время работает профессором кафе- дры «Электрическая тяга» ПГУПС. Имеет более 200 научных работ.
Викулов Илья Павлович
Родился в 1981 году. В 2004 году окончил Петербургский государ- ственный университет путей сооб- щения по специальности «Инженер путей сообщения – электромеха-
ник». Кандидат технических наук. В
2009 году защитил диссертацию по теме «Усовершенствование алго- ритмов управления тяговыми элек- тродвигателями электропоезда пе- ременного тока с зонно-фазовым регулированием». Опыт работы – 15 лет. В настоящее время работает доцентом кафедры «Электрическая тяга» ПГУПС. Имеет более 40 науч- ных трудов.
Быльцева Василиса Дмитриевна
Родилась в 1999 году. В 2022 году защитила диссертацию по теме «Мо- торвагонный подвижной состав го- родского электрического транспорта для беспересадочного сообщения».
Makarova Elena.
Was born in 1975. In 1997 she graduated from St. Petersburg State Transport University majoring in“Water supply, water disposal, sustainable utilization and protection of water bodies”. Doctor of engineering science, professor. In 2012 she defended the dissertation with topic «Scientific basis of environmental protection under decommissioning, detoxification and blockage of pollution from rail transport». He has 28 years of work experience. At present she works as professor at the Department of electric traction of PGUPS. She has more than
200 scientific works.
Vikulov Ilya
Was born in 1981. In 2004 he graduated from the St. Petersburg State University of Railways with a degree in Communications Engineer
– electromechanics. Candidate of Engineering Science. In 2009 he defended his thesis on the topic
«Improvement of control algorithms for traction motors of an alternating current electric train with zone-phase control». Work experience is 15 years. At present he works as an associate professor of the «Electric traction» department of PGUPS. He has over 40 scientific publications.
Byltseva Vasilisa Dmitrievna
Was born in 1999. In 2022, she defended her dissertation on the topic «Motor-car rolling stock of urban electric transport for direct communication».
№ 3 (2022)
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
// ENERGY EFFICIENCY COMPARIONS OF ELECTRIC VEHICLES //
Часто считается, что элек- тромобили являются важным сред- ством сокращения выбросов парни- ковых газов и энергопотребления в глобальном транспорте, особенно для автомобильного пассажирского транспорта.
Целью данной статьи является изучение относительного использо- вания энергии и выбросов парниковых газов электромобилей по сравнению с автомо-билями с двигателем вну- треннего сгорания. Сравнение энер- гоэффективности, а также сравне- ние выбросов парниковых газов были использованы в качестве методов в данной статье. Cравнения энерго- эффективности осложняются про- тиворечивыми методами, исполь- зуемыми для первичных источников электроэнергии, таких как гидро, солнечная энергия или энергия ветра.
В этой статье пересматрива- ется степень, в которой электро- мобили могут эффективно решать проблемы глобального изменения климата и истощения запасов иско- паемого топлива.
Более того, в статье утвержда-
ется, что сравнение электромо- билей и транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания намного сложнее, чем общепризнан- но. Неопределенности возникают как при использовании первичной энергии, так и при расчете выбро- сов парниковых газов.
В целом, должен быть сделан вы- вод о том, что выгоды от использо- вания электромобилей для энергии и парниковых газов меньше, чем обыч- но предполагается.
Только когда во взаимосвязанных энергосистемах преобладают воз- обновляемые источники энергии, будет безопасно заявлять о превос- ходстве электромобилей.
К лючевые с лова: выбросы углеро- да; электрические транспортные средства; энергоэффективность; хранилище энергии; эффекты пере- лива.
It is frequently believed that electric cars are an important means of reducing greenhouse gas emissions and energy consumption in global transport, especially for passenger automobile transport.
The purpose of this paper is to study the relative energy usage and greenhouse gas emissions of electric
vehicles compared to cars with an internal combustion engine.
A comparison of energy efficiency as well as a comparison of greenhouse gas emissions were used as methods in this paper.
Energy efficiency comparisons are complicated by conflicting methods used for primary sources of electricity, such as hydro, solar, or wind.
This paper reviews the extent to which electric cars can effectively address global climate change and fossil fuel depletion.
Moreover, the paper proves that comparing electric vehicles and vehicles with an internal combustion engine is much more complicated than generally accepted.
Uncertainties arise both when using primary energy and when calculating greenhouse gas emissions.
In general, it must be concluded that the benefits of using electric vehicles for energy and greenhouse gases are less than usually expected.
Only when renewable energy prevails in interconnected energy systems, it will be safe to claim the superiority of electric vehicles.
Keywords: carbon emissions; electric cars; energy efficiency; energy storage; spillover effects.
Глобальный транспорт является как основным потребителем миро- вой добычи нефти, так и основным источником выбросов парниковых газов, в частности, от углекислого газа (CO2).
Таким образом, сокращение как
потребления энергии, так и выбро- сов парниковых газов на транс- порте может сыграть важную роль в решении глобальных проблем истощения запасов ископаемого топлива (особенно нефти) и изме- нения климата, с которыми сталки- вается мир.
Таблица 1. Номенклатура
2
2
Электрические транспортные средства, в данном случае вклю- чающие электромобили с полным аккумулятором, а также гибридные электромобили с подключаемым модулем, часто рассматриваются в качестве важного средства решения обеих проблем [1]. Кроме того, они помогают уменьшить загрязнение
воздуха в городах. Другие исследо- ватели [2−4] утверждают, что суще- ственные барьеры для внедрения электромобилей остаются из-за множества социальных и техниче- ских барьеров. Ма и др. [5] сравнили выбросы парниковых газов от элек- тромобилей и автомобилей с дви- гателем внутреннего сгорания на основе полного жизненного цикла для калифорнийских и британских сетей. Как и ожидалось, они обна- ружили, что электромобили сравни- тельно лучше работали в Калифор- нии, чем в Великобритании, из-за менее интенсивного использования ископаемого топлива.
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 3 (2022)
Рис.1. Гибридный автомобиль Toyota Prius четвертого поколения (выпускается с 2015 года)
топлива. Поскольку только 4,4 % электроэнергии, произведенной в мире в 2013 году, было произведено из нефти [7], электромобили безого- ворочно могут помочь отсрочить на- ступление «пика добычи нефти». Но в следующих трех разделах этой статьи утверждается, что невозможно одно- значно сказать, поможет ли значи- тельный переход на электромобили сэкономить энергию или парнико- вые газы по сравнению с продолже- нием использования обычных транс- портных средств, работающих на бензине или дизельном топливе.
Кроме того, они обнаружили, что рабочие характеристики элек- тромобилей улучшились в условиях низких скоростей в городских усло- виях и что затраты на производство парниковых газов при производстве автомобилей были выше, чем при производстве автомобилей с двига- телями внутреннего сгорания, глав- ным образом из-за производства аккумуляторов.
Онат и др. [1] провели анализ энергии и парниковых газов для каждого штата США для автомоби- лей с двигателями внутреннего сго- рания, электромобилей и гибридных электромобилей. Они обнаружили, что как у электромобилей, так и у гибридов потребление энергии в течение полного жизненного цик- ла было ниже, чем у автомобилей с двигателем внутреннего сгорания в целом по США, а также более низкие выбросы углерода. Однако гибриды были превосходны электромобилям для потребления энергии почти во всех штатах.
Наконец, Хокинс и соавторы [6] резюмировали свои выводы следу- ющим образом: «Мы находим, что электрические транспортные сред- ства, работающие на существующей европейской структуре электро- снабжения, обеспечивают сниже- ние потенциала глобального поте- пления на 10–24 % по сравнению с обычными дизельными или бензи- новыми транспортными средства- ми, предполагающими срок службы
150 000 км.
Тем не менее, электромобили
демонстрируют потенциал значи-
тельного увеличения токсичности
для человека, экотоксичности для
пресной воды, эвтрофикации прес-
ной воды и воздействия истощения
металлов, что в значительной сте-
пени связано с цепочкой поставок транспортных средств.
Результаты чувствительны к предположениям об источнике электроэнергии, потреблении энер- гии на этапе использования, сроке службы транспортного средства и графиках замены аккумулятора».
Целью данной статьи является из- учение относительного использова- ния энергии и выбросов парниковых газов электромобилей по сравнению с автомобилями с двигателем вну- треннего сгорания. Сравнение энер- гоэффективности, а также сравнение выбросов парниковых газов были использованы в качестве методов в данной статье. Cравнения энергоэф- фективности осложняются противо- речивыми методами, используемыми для первичных источников электроэ- нергии, таких как гидро, солнечная энергия или энергия ветра.
Более того, в статье утверждает- ся, что сравнение электромобилей и транспортных средств с двигате- лем внутреннего сгорания намного сложнее, чем общепризнанно. Нео- пределенности возникают как при использовании первичной энергии, так и при расчете выбросов парни- ковых газов.
В целом, должен быть сделан вы- вод о том, что выгоды от использо- вания электромобилей для энергии и парниковых газов меньше, чем обычно предполагается.
Только когда во взаимосвязан- ных энергосистемах преобладают возобновляемые источники энер- гии, будет безопасно заявлять о пре- восходстве электромобилей.
В этой статье пересматривается степень, в которой электромобили могут эффективно решать пробле- мы глобального изменения климата и истощения запасов ископаемого
Сравнение энергоэффективности различных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания легко; напри- мер, сравните число транспортных средств в км для каждого транспорт- ного средства на литр используемого бензина. Но для сравнения электро- мобилей и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания бензин и элек- тричество должны быть переведены в первичные энергетические терми- ны − например, сырая нефть для ав- томобилей с двигателем внутреннего сгорания и уголь для производства электроэнергии на угольных элек- тростанциях. Но возникает трудность при преобразовании электричества в первичную энергию для различных неископаемых видов топлива.
Для производства тепловой энер- гии на атомных или геотермальных электростанциях первичная энергия всегда рассчитывается на основе те- пловой энергии, используемой для выработки электроэнергии, так же как на электростанциях, работающих на ископаемом топливе.
Для нетеплового возобновляе- мого электричества, такого как элек- тричество, производимое гидроэ- лектростанциями или ветряными турбинами, разные органы власти используют разные методы пре- образования [8]. Международное энергетическое агентство [7] преоб- разует гидроэнергию, фотоэлектри- ческие элементы и энергию ветра в соотношении 1:1. В отличие от этого, BP преобразует гидроэлектроэнер- гию в первичную энергию таким же образом, как и для ядерной элек- троэнергии − на основе тепловой эквивалентной электроэнергии на тепловой электростанции, предпо- лагая 38 % эффективность преобра-
№ 3 (2022)
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
зования на современной тепловой электростанции» [9]. Отсюда следу- ет, что первичная энергоэффектив- ность, рассчитанная для данного электромобиля, будет сильно разли- чаться в зависимости от источника неископаемой энергии.
В энергосистеме, использующей
100 % ядерной энергии, эффектив-
ность будет такой же, как в энергоси-
стеме, использующей 100 % гидроэ-
лектроэнергии, если рассчитать ее
методом BP, но намного ниже, если
использовать метод Международ-
ного энергетического агентства. По-
нятно, что это неудовлетворитель-
ный результат.
Это также делает расчеты эффек-
тивности использования энергии
двигателя внутреннего сгорания
электрическими транспортными
средствами произвольными для се-
тей, использующих значительное
количество первичной электроэ-
нергии из возобновляемых источни-
ков энергии. Проблема может усугу-
биться только в том случае, если, как
и ожидалось, энергия ветра, гидро
и, особенно, фотоэлектрических
элементов, будет обеспечивать все
более высокий процент мирового
электричества.
Дальнейшее осложнение воз-
никает, если есть необходимость в
накоплении энергии. Доля атомной
электроэнергии падает, и даже Меж-
дународная ассоциация по атомной
энергии не прогнозирует, что ее доля
значительно возрастет, если вообще
увеличится [10]. Хотя на улавливание
и хранение углерода в значительной
степени влияют сценарии Межпра-
вительственной группы экспертов по
изменению климата на смягчение по-
следствий изменения климата, это в
значительной степени недоказанная
технология [11], и кроме того, имеет
высокие энергетические затраты [12]
и длительные сроки реализации.
Отсюда следует, что возобнов-
ляемые источники энергии должны
будут играть главную роль в долго-
срочном смягчении последствий из-
менения климата [13]. Тем не менее,
возобновляемые источники энер-
гии с наибольшим потенциалом,
ветряное и солнечное электриче-
ство [14], являются прерывистыми
источниками, и поэтому потребуется
некоторая форма накопления энер-
гии, если электроснабжение будет
постоянно соответствовать спросу.
В настоящее время производство
электроэнергии из этих источников достаточно мало [9], чтобы ассими- лироваться в существующие сети (где почти вся энергия поступает от ископаемого топлива, гидроэлек- тростанций и атомных станций), но это придется изменить.
Аккумулирование энергии, воз- можно, с использованием энерго- носителей, таких как водород или метанол, значительно снизит чистую электроэнергию, доступную из дан- ной валовой энергии ветра и сол- нечной энергии.
Таким образом, затраты на первичную энергию для электро- мобилей, работающих от таких источников, будут расти. Один из предложенных способов уменьшить потребность в аккумулировании энергии коммунальными предприя- тиями или жилыми домами – это ис- пользовать «транспортное средство в сеть». При использовании транс- портного средства для хранения в сети электрические транспортные средства будут подключены к элек- трической сети и будут накапливать энергию в своих аккумуляторных ба- тареях и продавать такую накоплен- ную электроэнергию в сеть, когда спрос на электроэнергию превыша- ет генерируемое предложение [15].
Но такой подход будет противо- речить предложению о широком совместном использовании авто- мобилей, что значительно сократит количество принадлежащих авто- мобилей. В настоящее время авто- мобили находятся в пути только 4-5
% времени [3]. Неизбежно, что со- вместно используемые транспорт- ные средства теперь будут исполь- зоваться более интенсивно (то есть проезжать больше км в год), так что время их парковки также будет со- кращено. Таким образом, возможно- сти для дневной зарядки и хранения энергии в сети будут уменьшены. По- требуется зарядка батарей в ночное время, но, если солнечная энергия станет доминирующим источником энергии в будущем, в ночное время необходимо, чтобы сеть потребляла энергию от аккумуляторов автомо- биля, а не поставляла ее.
Проблемы, выявленной в пре- дыдущем разделе, можно избежать, если сравнивать автомобиль с дви- гателем внутреннего сгорания и
электромобиль на основе CO2 или, в более общем смысле, выбросов пар- никовых газов, обычно выражаемых в эквиваленте CO2 (CO2-экв.).
Но затем возникает новая про- блема: почти во всех опубликован- ных сравнениях, не связанных с ископаемым топливом, электриче- ство (возобновляемые источники энергии и атомная энергия) предпо- лагается, что эти источники генери- руют нулевые выбросы парниковых газов, что они являются «нулевыми источниками углерода».
Но это далеко не так. Хотя это правда, что эти источники напрямую генерируют незначительные пар- никовые газы, это не относится к их косвенным выбросам.
Гидроэлектроэнергия является крупнейшим источником электро- энергии из возобновляемых источ- ников энергии, и большая часть остающегося неиспользованного потенциала находится в тропиче- ских регионах Африки, Латинской Америки и Азии [11, 16].
Если водохранилища за тропи- ческими дамбами содержат разла- гающиеся растительные вещества (например, это происходит, если лес погружен), могут произойти значительные выбросы как CO2, так и метана (CH4). CO2 возникает в ре- зультате аэробного распада; CH4, мощный парниковый газ, от анаэ- робного распада. В первые годы экс- плуатации выбросы в эквиваленте CO2 могут конкурировать с выбро- сами на электростанциях, работа- ющих на природном газе, с одина- ковой выработкой электроэнергии [17]. Геотермальные растения также могут выделять парниковые газы [11]. В обоих случаях важно вычесть базовые выбросы (выбросы до стро- ительства электростанции), чтобы получить более справедливую кар- тину выбросов.
Что касается других возобновля- емых источников энергии, выбросы парниковых газов возникают в ре- зультате затрат на строительство воз- обновляемых источников энергии или, в случае биоэнергии, для выра- щивания биомассы. Поскольку на ис- копаемое топливо по-прежнему при- ходится 86,3 % всей коммерческой энергии [9], большая часть энергии, затрачиваемой на создание и обслу- живание устройств возобновляемой энергии, все еще производится из ископаемого топлива. Значительные
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ № 3 (2022)
поступления азотных удобрений бу- дут необходимы для повышения го- дового урожая с гектара биоэнергии, особенно на маргинальных почвах, которые останутся после удовлетво- рения глобальных потребностей в продовольствии и клетчатке.
Но удобрения производят закись азота (N2O), мощный и долгоживу- щий парниковый газ [18]. Крутцен и др [19] даже спорно утверждал, что из-за N2O освобождения из опло- дотворенных почв, топливо из био- массы может производить аналогич- ные или даже более высокие уровни СО2-экв чем ископаемое топливо. Можно подумать, что для такой стра- ны, как Норвегия, где почти 100 % электроэнергии вырабатывается на гидроэлектростанциях, замена суще- ствующих дорожных транспортных средств, работающих на нефтяном топливе, на электромобили приведет к значительному сокращению транс- портных парниковых газов.
Но следует помнить, что Норве- гия является частью более широкой европейской сети и экспортирует излишки гидроэлектроэнергии в другие страны. Вероятно, что чем больше гидроэнергии Норвегия потребляет, тем больше электроэ- нергии нужно будет вырабатывать из ископаемого топлива в других частях европейской энергосистемы, чтобы заменить норвежский гидроэ- нергетический импорт.
До настоящего времени срав- нения основывались на сопостав- лении использования первичной энергии и выбросов парниковых газов на транспортное средство-км для электромобилей и автомобилей с двигателем внутреннего сгорания.
Однако такие сравнения не будут действительны, если прои- зойдут побочные эффекты. Поло- жительное распространение про- исходит, если ‘продвижение одного про-экологического поведения по- вышает вероятность того, что люди примут другое проэкологическое поведение [20]. Отрицательный вторичный эффект возникает, когда введение определенного проэко- логического поведения (такого как переработка отходов) приводит к снижению принятия других проэко- логических поведений отдельными лицами.
Негативные побочные эффекты связаны с другими понятиями, та- кими как «энергетический отскок» и
«моральное лицензирование» [21].
Клекнер и др. [22] специально ис-
следовали такие эффекты для элек-
тромобилей в Норвегии. Электромо-
били хорошо продаются в Норвегии,
учитывая, что различные налоги на
транспортные средства снижены
или отменены, а также дорожные
сборы и стоимость парковки. Они
обнаружили, что, если в домохо-
зяйствах есть только электромо-
биль, они ездят на нем меньше, чем
владельцы обычных автомобилей.
Однако большинство покупок элек-
тромобилей в домашних хозяйствах
являются дополнением к автопарку,
а не заменой транспортных средств.
Эти домохозяйства, владеющие
электромобилями, ездили на своих
электромобилях больше, чем ожида-
лось, скорее всего из-за субсидий, уже
упомянутых для электромобилей.
Следовательно, отрицательный
побочный эффект, по-видимому, ра-
ботает, что ставит под сомнение пря-
мое сравнение энергии или СО2-экв
на транспортное средство-км для
электромобилей и автомобилей с
двигателем внутреннего сгорания.
Электрические транспортные
средства, безусловно, превосходят
транспортные средства с двигате-
лем внутреннего сгорания по сниже-
нию использования транспортного
топлива и локального загрязнения
воздуха. Учитывая, что затраты на
электроэнергию также намного
ниже затрат на бензин на транспорт-
ное средство-км, электромобили
также будут иметь более низкие экс-
плуатационные расходы, особенно
в Европе, с высокими расходами на
топливо на основе нефти [7]. Элек-
трические сети могут (и обычно ра-
ботают) на различных видах топлива,
Рис.2. Второе поколение электромобиля Nissan Leaf (выпускается с 2017 года)
что облегчает переход к электромо- билям, работающим на полностью неископаемом электричестве.
Как и ожидалось, в литературе нет сомнений относительно преиму- ществ электромобилей в отношении первичной энергии и парниковых газов. Если необходим километраж, соответствующий транспортным средствам с двигателем внутренне- го сгорания, то увеличение массы аккумулятора приведет к снижению энерго-эффективности электромо- биля и увеличению выбросов пар- никовых газов. Выбросы парнико- вых газов также будут зависеть от состава топлива, используемого для энергоснабжения сети. Сравнения как энергии, так и парниковых газов также будут зависеть от предполага- емого срока службы транспортного средства-км и цикла вождения.
В этой статье были подняты не- которые другие вопросы, которые обычно не рассматриваются во мно- гих исследованиях, посвященных изучению относительного использо- вания энергии и выбросов парнико- вых газов электромобилей по срав- нению с автомобилями с двигателем внутреннего сгорания.
Во-первых, сравнения энергоэф- фективности осложняются проти- воречи-выми методами, использу- емыми для первичных источников электроэнергии, таких как гидро, солнечная энергия или энергия ве- тра. Эта проблема может стать более серьезной только в том случае, если энергия ветра и солнечная энер- гия будут доминировать в будущем энергоснабжении.
Затраты энергии на хранение этих прерывистых источников энер- гии являются дополнительным ос- ложнением.
Во-вторых, для сравнения парни- ковых газов прямые выбросы неко- торых возобновляемых источников энергии добавляют еще один источ- ник неопределенности. Кроме того, если более широкое использование электромобилей в богатой возобнов- ляемыми источниками энергии стра- не, такой как Норвегия, приводит к снижению экспорта электроэнер- гии из возобновляемых источников энергии, то общесистемные выгоды от использования парниковых газов для электромобилей должны быть соответственно снижены.
В-третьих, новая, по-видимо- му, «зеленая» технология, такая как
№ 3 (2022)
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
электромобили, создает побочные эффекты, что еще больше усложня- ет сравнение. В целом, должен быть сделан вывод о том, что выгоды от использования электромобилей для энергии и парниковых газов мень- ше, чем обычно предполагается. Только когда во взаимосвязанных энергосистемах преобладают воз- обновляемые источники энергии, будет безопасно заявлять о превос- ходстве электромобилей.
Онат Н.К., Куцуквар М., Татари О.
Обычные, гибридные или электро-
мобили с подключаемым модулем?
Государственный сравнительный
углерод и анализ энергетического
следа в США. Прикладная энергия,
2015; 150, стр.36–49.
Штайнхильбер С., Уэлс П., Тхан-
каппан С. Социально-техническая
инерция: понимание барьеров для
электромобилей. Энергетическая
политика, 2013; 60, стр.531-539.
Совакул Б.К., Хирш Р.Ф. Помимо
батарей: изучение преимуществ и
барьеров для подключаемых ги-
бридных электромобилей и переход
между транспортным средством и
сеткой. Энергетическая политика,
2009; 37, стр.1095–1103.
Мориарти П., Ван С.Дж. Показа-
тели экологической эффективно-
сти городского транспорта, Журнал
устойчивого развития энергетики,
водоснабжения и водного хозяй-
ства. Системы окружающей среды,
2015; 3 (2), стр.183-195.
Ма Х., Балтазар Ф., Таит Н., Ри-
ера-Палоу Х., Харрисон А. Новое
сравнение между выбросами пар-
никовых газов в течение жизненно-
го цикла аккумуляторные электро-
мобили и автомобили внутреннего
сгорания. Энергетическая политика,
2012; 44, стр.160–173.
Хокинс Т.Р., Сингх Б., Маджо-Бет-
тез Г., Стремман А.Х. Сравнительная
экологическая оценка жизненного
цикла обычных и электрические
транспортные средства. Журнал
промышленной экологии, 2013; 17,
стр.53–64.
Рагимов Э.А. (2021) Экологиче-
ские аспекты сопротивления движе-
ния автомобиля. Приборы и системы.
Управление, контроль, диагности-
ка. № 4. С. 19-26. DOI: https://dx.doi. org/10.25791/pribor.4.2021.1252.
Мориарти П., Хоннери Д. Водо- родный стандарт для учета энергии? Международный журнал водородной энергетики, 2010; 35, стр.12374-12380.
БП: статистический обзор миро- вой энергетики. 2016, Лондон.
Оценки Международной энерге- тической ассоциации (МАГАТЭ) в об- ласти энергетики. Электроэнергии и ядерной энергетики на период до
2050 года, 2012, Вена: МАГАТЭ.
Мориарти П., Хоннери Д. Подъем
и падение углеродной цивилизации.
2011, Лондон: Спрингер.
Андерсон К. Двойственность в
науке о климате. Природоведение,
2015, 8, стр.898–900.
Мориарти П., Ван С.Дж. Оценка
глобальных прогнозов возобнов-
ляемых источников энергии. Энер-
гетическая процедура, 2015, 75,
стр.2523-2528.
Мориарти П., Хоннери Д. Каков
глобальный потенциал возобновля-
емой энергии? Обзор возобновляе-
мой и устойчивой энергетики. 2012,
16, стр.244–52.
Тертон Х., Мора Ф. Транспортные
системы для устойчивого разви-
тия: Комплексный энергетический
анализ. Технологическое прогнози-
рование и социальные перемены,
2008, 75, стр.1091–1108.
Всемирный энергетический со-
вет. Мировые энергетические ресур-
сы: обзор 2013 года. 2013, Лондон.
Фирнсайд П.M. Выбросы парни-
ковых газов от гидроэлектростан-
ций: споры обеспечивают трамплин
для переосмысления предположи-
тельно чистый источник энергии.
Изменение климата, 2004, 66 (2–1),
стр.1–8.
Рагимов Э.А. (2019) Перспективы
автоматизированных автомобилей
для снижения транспортной энер-
гии. Приборы и системы. Управле-
ние, контроль, диагностика, № 11.
с.11-16.
DOI: https://dx.doi.org/10.25791/
pribor.11.2019.1001.
Крутцен П.Дж., Мосье А.Р., Смит
К.А., Винивартер В. Выпуск N2O из
производства агробиотоплива пре-
дотвращает глобальное потепление
сокращение путем замены ископае-
мого топлива. Атмосфера и химиче-
ская физика, 2008, 8, стр.389–395.
Tрулав Х.Б., Каррико А.Р., Вебер
Е.С., Райми К.Т., Ванденберг М.П.
Положительный и отрицательный
побочный эффект проэкологии по-
ведение: интегративный обзор и те-
оретические основы. Глобальное из-
менение окружающей среды, 2014,
29. стр.127–138.
Мерритт А.С., Эффрон Д.А., Мо-
нин Б. Моральное самолицензи-
рование: когда мы хороши, мы ста-
новимся плохими. Социальный и
личный физический компас, 2010,
4/5, стр.344–357.
Клекнер К.А., Наюм А., Мехмето-
глу М. Положительные и отрицатель-
ные побочные эффекты от покупки
электромобиля до использования
автомобиля. Транспортные исследо-
вания, 2013, 21, стр.32–38.
Рагимов Эльмар Агарагим оглу
Родился в 1983 году. Окончил
Азербайджанский Технический Уни-
верситет по специальности «Техни-
ческое обслуживание автомобилей».
В 2014 году защитил докторскую
диссертацию по теме «Экологиче-
ские аспекты термомеханических
процессов в дисковых тормозных
системах и их влияние на окружа-
ющую среду». Доцент. Имеет опыт
работы более 18 лет. В настоящее
время является ведущим научным
сотрудником Института Географии
имени акад. Г. Алиева, Националь-
ная Академия Наук Азербайджана.
Автор 35 научных трудов и 1 патента.
Rahimov Elmar Agarahim oglu
Was born in 1983. Graduated
from the Azerbaijan Technical
University with a degree in Vehicle
Maintenance. In 2014 he defended
his doctoral dissertation on the
topic "Environmental aspects of
thermomechanical processes in disc
brake systems and their impact on the
environment." Docent. He has over 18
years of experience. Currently, he is
a leading researcher at the Institute
of Geography named after acad. G.
Aliyeva, National Academy of Sciences
of Azerbaijan. Author of 35 scientific
papers and 1 patent.
№ 3 (2022)
// INVESTIGATION OF NOISE IMMUNITY TO EXTERNAL ELECTROMAGNETIC INFLUENCES OF THE SPEED CONTROL CHANNEL, CAN-BUS AND ELECTRONIC RELAY OF TURN INDICATORS OF A MODERN PASSENGER CAR //
В работе представлены ре- зультаты экспериментальных ис- следований помехоустойчивости к внешним воздействиям канала управления скоростью, CAN-шины и электронного реле указателей по- ворота современного легкового ав- томобиля.
Ключевые слова: автомобиль; бортовой электротехнический комплекс; электромагнитная со- вместимость.
The paper presents the results of experimental studies of the noise immunity to external influences of the speed control channel, CAN bus and electronic relay of the direction indicators of a modern car.
Keywords: car; onboard electrical complex; electromagnetic compatibility.
Исследования проводились при стан- дартном фронтальном и предлагаемом дис- кретном позиционировании автомобиля с углом поворота стенда 30 град. Оно было выбрано исходя из предоставленного лабо- ратории времени на проведение исследо- ваний.
Результаты экспериментов сводились в матричные массивы, которые анализирова- лись и определялись параметры помехоу- стойчивости.
Для обработки данных был введен пара- метр частотности, равный
K β
Fβ =
N β
f =const
(1)
где Kβ – количество угловых позиций АТС по отношению к излучающей антенне при ко- торых наблюдается нарушение работоспо- собности; Nβ – полное количество угловых позиций АТС по отношению к излучающей антенне.
Формула (1) показывает, сколько раз на конкретной частоте был зафиксирован сбой при разных углах позиционирования. Дан- ный параметр был взят как основной при определении частотных диапазонов с наи- меньшей помехоустойчивостью.
Рис. 1. Влияние электромагнитного воздействия на показания электронной педали акселератора: а) увеличение; б) уменьшение
№ 3 (2022)
Рис. 2. Помехоустойчивость канала данных управления скоростью автомобиля
Рис. 3. Минимальные значения помехоустойчивости азимутальных про- екций канала данных управления скоростью автомобиля
Рис. 4. Минимальные значения помехоустойчивости канала данных управления скоростью автомобиля при стандартных и предлагаемых дополнительных испытаниях
информация с педали акселерато- ра могут исказиться таким образом, что будут интерпретироваться как команда на увеличение или умень- шение скорости автотранспортного средства, в зависимости от того в какую сторону эти данные исказятся (рис. 1) [3].
что в большей части исследуемого диапазона частот уровни помехоу- стойчивости ЭТС при стандартном фронтальном позиционировании выше, чем при других азимуталь- ных углах позиционирования АТС к излучателю. Минимальный уровень помехоустойчивости зафиксирован при азимутальном угле 120 град.
Обеспечение помехоустойчиво- сти до уровня 100 В/м в диапазоне тестируемых частот достигнуто экра- нированием проводов, идущих от пе- дали акселератора до контроллера системы управления двигателем.
Объектом исследования был лег- ковой автомобиль с CAN-шиной, по которой происходит обмен данны- ми между бортовыми электротехни- ческими системами АТС.
Исследования помехоустойчиво- сти выявили проблему искажения передаваемой в шине информации,
Рис. 5. Диагностическое сообщение ошибки CAN-шины Исследование
Объектом исследования был опытный легковой автомобиль с электронной педалью акселератора.
Конструкция электронной педа- ли, с целью осуществления диагно- стики, состоит из двух переменных резисторов, напряжение с них явля- ется функцией изменения ускорения и, соответственно, скорости авто- транспортного средства (АТС) [1, 2].
Исследования показали, что данные, получаемые контроллером системы управления двигателем, и
Искажение информации с педали акселератора происходило в диа- пазоне частот от 100 до 775 МГц при воздействии немодулированного уз- кополосного электромагнитного из- лучения (рис. 2). Минимальный уро- вень помехоустойчивости составил
49 В/м на частоте 139 МГц (рис. 3).
Исследования показали, что для
Fβ ≥ 0,3 диапазон частот составил
110 – 580 МГц. Здесь было зафикси- ровано 95,9% проблем ЭМС.
Обработка данных показала, что максимальное значение параметра Q равно 26,3.
Сравнение результатов стандарт- ных и предлагаемых дополнитель- ных испытаний (рис. 4) показало,
которая диагностировалась как от-
сутствие сообщений (рис. 5) [3]. Дан- ное нарушение работоспособности характеризировалось отключением системы ABS от сети, при этом она не передавала показания о скоро- сти АТС. Данный сбой приводил к от- ключению функции антиблокировки колес при торможении, а также из- за отсутствия данных скорости кон- троллер системы управления дви- гателем переходил на аварийный режим работы, что влияло на дина- мические характеристики АТС.
Для восстановления штатного режима работы ABS необходимо вы- полнить перезагрузку ее контролле- ра операцией «выкл/вкл» зажигания.
№ 3 (2022)
Рис. 6. Помехоустойчивость CAN-шины авто- мобиля
Рис. 7. Минимальные значения помехоустойчивости азимутальных проекций CAN-шины автомобиля
Исследования показали, что ис- кажение информации в CAN-шине происходило в диапазоне частот 95
– 780 МГц при воздействии немоду- лированного узкополосного элек- тромагнитного излучения (рис. 6).
Для Fβ ≥ 0,3 диапазон частот со- ставил 98 – 570 МГц. Здесь было за- фиксировано 92,5% нарушений ра- ботоспособности по отношению к общему числу. Этому диапазону при- надлежит минимальный уровень по- мехоустойчивости 31 В/м, зафикси- рованный на частоте 171 МГц (рис.7).
Для Fβ ≥ 0,2 диапазон частот со- ставил 95 – 630 МГц. В нем происхо- дило 96,6 % проблем ЭМС.
Обработка данных показала, что максимальное значение параметра Q равно 25,6.
Сравнение результатов стандарт- ных и предлагаемых дополнитель- ных испытаний (рис. 8) показало, что в большей части исследуемого диа- пазона частот уровни помехоустой- чивости CAN-шины при стандартном фронтальном позиционировании
выше, чем при других азимуталь- ных углах позиционирования АТС к излучателю. Минимальный уровень помехоустойчивости зафиксирован при азимутальном угле 240 град.
Обеспечение помехоустойчиво- сти до уровня 100 В/м в диапазоне тестируемых частот было достигну- то экранированием CAN-шины.
Исследования помехоустойчиво- сти электронного реле указателей поворота. Объектом исследования был автомобиль с опытным образцом электронного реле указателя пово- рота. Исследования на помехоустой- чивость выявили сбой исследуемого реле. Проблемы выражались в виде прекращения световой сигнализации указателя поворота в диапазоне во время воздействия. После прекраще- ния воздействия функция сигнали- зации восстанавливалась. В эксплу- атации подобного рода проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) могут привести к неправильной интерпретации сигналов о совершае- мом маневре у других водителей.
Исследования показали, что на- рушения работоспособности проис- ходили в диапазоне частот от 96 до
473 МГц (рис. 9). Минимальный уро- вень помехоустойчивости 39 В/м, за- фиксирован на частоте 142 МГц (рис.
10) при угле азимутального позици- онирования 60 град [4].
Для Fβ ≥ 0,3 диапазон частот со- ставил 97 – 410 МГц. Здесь было за- фиксировано 90,9% нарушений ра- ботоспособности по отношению к общему числу. Для Fβ ≥ 0,2 диапазон частот составил 96 – 420 МГц. В нем происходило 97,7 % проблем ЭМС.
Обработка данных показала, что максимальное значение параметра Q равно 20,7.
Сравнение результатов стандарт- ных и предлагаемых дополнитель- ных испытаний (рис. 11) показало, что в большей части исследуемого диапазона частот уровни помехоу- стойчивости электронное реле ука- зателей поворота при стандартном фронтальном позиционировании выше, чем при других азимуталь-
Рис. 8. Минимальные значения помехоустойчивости CAN-шины автомо- биля при стандартных и предлагаемых дополнительных испытаниях
Рис. 9. Помехоустойчивость опытного образ- ца электронного реле указателя поворота автомобиля
№ 3 (2022)
Рис. 10. Минимальные значения помехоустойчивости азимутальных проекций опытного образца электронного реле указателей поворота автомобиля
Рис. 11. Минимальные значения помехоустойчивости опытного образца элек- тронного реле указателей поворота автомобиля при стандартных и предла- гаемых дополнительных испытаниях
электрооборудования автомобилей
/ В.Н. Козловский // автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
/ Моск. гос. автомобил.-дорож. ин-т
(техн. ун-т). Тольятти, 2010.
2. Козловский, В.Н. Комплекс электронных систем управления движением легкового автомобиля с комбинированной силовой уста- новкой. Часть 2. / Козловский В.Н., Строганов В.И., Дебелов В.В., Пьянов М.А.// Электротехнические и инфор- мационные комплексы и системы.
2014. Т. 10. № 2. С. 19-28.
3. Николаев, П.А. Требования обе- спечения устойчивости основных систем автотранспортных средств в условиях сложной электромагнитной обстановки / П.А. Николаев, Л.Н. Кечи- ев, Н.В. Балюк, А.С. Подгорний. – Техно- логии электромагнитной совместимо- сти. – 2016. – №3 (58). – С.3-10.
4. Подгорний А.С. Проблемы оценки помехоустойчивости авто- мобилей / А.С. Подгорний, П.А. Ни- колаев // Технологии, измерения и испытания в области электромаг- нитной совместимости: труды V Все- российской НТК «Техно-ЭМС 2018».
– М.: Грифон, 2018. – С. 74-75.
Николаев Павел Александрович.
Родился в 1977 году. В 2000 году окончил Самарский государствен- ный аэрокосмический университет по специальности «Радиоинженер».
ных углах позиционирования АТС к
излучателю. Минимальный уровень помехоустойчивости зафиксирован при азимутальном угле 60 град.
Обеспечение помехоустойчиво- сти до уровня 100 В/м достигнуто уве- личением емкости фильтрующих кон- денсаторов поверхностного монтажа по цепи питания до номинала 0,1 мкф.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований помехоустойчивости различных электротехнических систем АТС оте- чественного производства, изучены проблемы совместимости и иссле- дованы физические процессы сбоев. Показано, что наведенные внешним электромагнитным полем помехи воздействую по слабозащищенным каналам, искажая данные с датчико- вой аппаратуры и в линиях связи, а также воздействуют на микропро- цессоры по сигнальным цепям и
проводам питания, вследствие чего
из-за искажения, потери полезной информации или зависания микро- процессоров происходят нарушения работоспособности электротехни- ческих систем. Определены частоты электромагнитных полей, при кото- рых нарушалась работоспособность электротехнических систем (ЭТС) ав- тотранпортных средств (АТС). Иссле- дования выявили проблемы совме- стимости в диапазоне от 80 МГц до
1,4 ГГц. Частоты, на которых наиболее вероятно появление проблем ЭМС лежат в области от 97 до 580 МГц. Экс- периментально определен диапазон параметра Q для задания шага пере- стройки позиционирования, имею- щий пределы от 19,5 до 33,8.
1. Козловский, В.Н. Обеспечение качества и надежности системы
Доктор технических наук. В 2012 году защитил докторскую диссерта- цию на тему «Обеспечение электро- магнитной совместимости автомо- бильных систем зажигания». Опыт работы – 19 лет. В настоящее время работает начальником бюро элек- тромагнитной совместимости ПАО
«АВТОВАЗ». Автор более 100 науч- ных трудов, в том числе 23 патентов.
Козловский Владимир Николаевич.
Родился в 1976 году. В 1999 году окончил Тольяттинский политехни- ческий институт по специальности
«Электрооборудование автомоби- лей и тракторов». В 2010 году за- щитил докторскую диссертацию по теме «Обеспечение качества и надежности системы электрообо- рудования автомобилей». Опыт ра- боты – 20 лет. В настоящее время
№ 3 (2022)
работает заведующим кафедрой
«Теоретическая и общая электротех- ника» Самарского государственного технического университета (СамГ- ТУ). Автор 400 научных работ, из них более 300 в изданиях ВАК, 20 моно- графий, 40 статей в международных базах Scopus и Web of Science.
Подгорний Александр Сергеевич. Родился в 1992 году. В 2015 году окончил ФГБОУ ВО «ПВГУС» по специальности «Автосервис». Кан- дидат технических наук. В 2019 году защитил диссертацию по теме «Со- вершенствование системы контро- ля бортового электротехнического комплекса автомобилей на помехо- устойчивость к электромагнитным воздействиям». Опыт работы – 5 лет. В настоящее время работает науч- ным сотрудником кафедры «Теоре- тическая и общая электротехника» Самарского государственного тех- нического университета. Автор 17 работ, из них 10 в изданиях ВАК, 2
патента на изобретение.
Крицкий Алексей Викторович.
Родился в 1996 году. Окончил магистратуру Самарского государ- ственного технического универ- ситета по специальности «Элек- трические станции» в 2019 году. В настоящее время является аспиран- том кафедры «Теоретическая и об-
щая электротехника». Опыт работы
– 4 года. Автор 8 научных трудов.
Nikolaev Pavel Alexandrovich.
Was born in 1977. In 2000 he graduated from Samara State Aerospace University majoring in «Radio engineer». He is doctor of technical sciences. In 2012 he defended the dissertation, the theme is «Provision of electromagnetic compatibility of automobile ignition systems». He has 19 years of work experience. At present he works as the head of the electromagnetic compatibility bureau of PJSC AVTOVAZ. He is author of 100 scientific works, including 23 patents.
Kozlovskiy Vladimir Nikolaevich.
Was born in 1976. In 1999 he graduated from the Togliatti Polytechnic Institute with a degree in Electrical equipment for cars and tractors. Doctor of technical sciences. In 2010 he defended his doctoral dissertation on the topic «Ensuring the quality and reliability of the electrical system of cars». Work experience is
20 years. At present he works as the head of the Department theoretical and general electrical engineering of Samara State Technical University (SamSTU). He is the author of 400 scientific works, of which more than 300 are in the editions of the
Higher attestation commission,
20 monographs, 40 articles in the international Scopus and Web of Science databases.
Podgorny Aleksandr Sergeevich.
Was born in 1992. In 2014 he graduated from PVGUS Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education with a degree in Autoservice. Candidate of Technical Science. In 2019 he defended his thesis on «Improving the control system of the on-board electrical complex of cars for noise immunity to electromagnetic influences». Work experience is 5 years. At present he works as a researcher at the Department of Theoretical and General Electrical Engineering of the Samara State Technical University. He is the author of 17 works, 10 of which are in the editions of the Higher Attestation Commission, 2 patents for invention.
Kritsky Alexey Viktorovich.
Born in 1996. Graduated from Samara State Technical University with a degree in Power Plants in 2019. Currently, he is a postgraduate student of the Department of Theoretical and General Electrical Engineering. Experience - 4 years. Author of 8 scientific articles.