Отказоустойчивый асинхронный электропривод для гибридного транспортного средства

Рассмотрено построение гибридного транспортного средства с асинхронным электроприводом. Разработана имитационная модель в среде MATLAB Simulink гибридного транспортного средства. Исследованы процессы работы гибридного транспортного средства с асинхронным электропривода рабочих и аварийных режимах работы приводного двигателя. Объект исследований: отказоустойчивый асинхронный электропривод для гибридного транспортного средства. Предмет исследований: моделирование, математическое обеспечение, структурные и схемотехнические решения цифровых электроприводов переменного тока.

Введение ………………………………………………………………………………………………… 14

ГЛАВА 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ТЕМАТИКЕ
ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ………. 17

1.1 Постановка задачи…………………………………………………………………………….. 17

1.2 Анализ известных методов обеспечения асинхронного электропривода
свойством живучести ……………………………………………………………………………….. 17

1.3 Схемные и алгоритмические технические решения для обеспечения
свойства живучести………………………………………………………………………………….. 20

1.4. Обзор схемотехнических решений зарубежных ученых по обеспечению
электропривода отказоустойчивости ………………………………………………………… 23

1.5 Выводы по разделу……………………………………………………………………………. 25

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ АСИНХРОННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА В АВАРИЙНЫХ И НЕПОЛНОФАЗНЫХ РЕЖИМАХ
РАБОТЫ ………………………………………………………………………………………………….. 26

2.1. Особенности моделирования электродвигателей переменного тока в
аварийных и неполнофазных режимах работы ………………………………………….. 26

2.2 Анализ схем включений математической модели для описания
переходных процессов в аварийном неполнофазном режиме работы
трехфазного АД ……………………………………………………………………………………….. 29

2.3 Математическая модель для описания переходных процессов в аварийном
неполнофазном режиме работы мотор-колеса трехфазного АД со схемой
включения с развязанными фазами …………………………………………………………… 34

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОГО
АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ………………………………………………… 37

3.1 Постановка задачи…………………………………………………………………………….. 37
3.2 Вывод по разделу ……………………………………………………………………………… 42

3.3 Отказоустойчивое гибридное транспортное средство с асинхронным
электроприводом ……………………………………………………………………………………….. 42

3.3.1 Постановка задача ………………………………………………………………………….. 42

3.3.2 Функциональные возможности и работа отказоустойчивое гибридное
транспортного средства ……………………………………………………………………………. 43

ГЛАВА 4. ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И РАСЧЕТ ЕГО ПАРАМЕТРОВ
………………………………………………………………………………………………………………… 46

4.1 Выбор электрооборудования, расчет параметров элементов ………………. 46

4.1.1 Расчетные параметры двигателя …………………………………………………….. 47

4.1.2 Определение параметров схемы замещения двигателя ……………………. 48

4.1.3 Проверка адекватности расчетных параметров двигателя ………………. 51

4.2.1 Выбор способа скоростного управления двигателя в системе
преобразователь частоты – асинхронный двигатель (ПЧ-АД)……………………. 52

4.2.2 Структурная схема силового канала ЭП………………………………………….. 53

4.2.3 Расчет параметров элементов структурной схемы силового канала
электропривода ………………………………………………………………………………………… 54

4.2.4 Выводы по разделу…………………………………………………………………………. 58

ГЛАВА 5. ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ,
РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ …………………….. 60

5.1 Анализ и оценка научно-технического уровня проекта ……………………… 60

5.2 Планирование научно-исследовательских работы ……………………………… 62

5.3 Определение трудоемкости работ ……………………………………………………… 63

5.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) …………………………… 65

5.5 Календарный план…………………………………………………………………………….. 66

5.6 Бюджет затрат на разработку проекта ……………………………………………….. 68
5.7 Полная заработная плата исполнителей темы ……………………………………. 68

5.8 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) ………….. 70

5.9 Накладные расходы…………………………………………………………………………… 71

5.10 Расчет прочих затрат……………………………………………………………………….. 71

Выводы по 5 главе………………………………………………………………………………….. 72

ГЛАВА 6. СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСВЕННОСТЬ ……………………………………. 74

6.1 Производственная безопасность ……………………………………………………….. 75

6.1.1 Анализ выявленных вредных факторов проектируемой
производственной среды в следующей последовательности ……………………… 75

6.1.1.1 Производственные метеоусловия …………………………………………………. 75

6.1.1.2 Недостаточная освещенность рабочей зоны …………………………………. 77

6.1.1.3 Запыленность ………………………………………………………………………………. 79

6.1.1.4 Повышенный уровень электромагнитных излучений …………………… 81

6.2 Анализ выявленных опасных факторов проектируемой произведённой
среды ……………………………………………………………………………………………………….. 83

6.2.1 Электроопасность…………………………………………………………………………… 83

6.2.2 Экологическая безопасность …………………………………………………………… 86

6.2.3 Анализ влияния объекта исследования на окружающую среду ……….. 86

6.2.4 Анализ влияния процесса исследования на окружающую среду ……… 87

6.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………… 88

6.3.1 Анализ вероятных ЧС, которые может инициировать объект
исследований и обоснование мероприятий по предотвращению ЧС ………….. 88

6.3.2 Профилактика пожароопасной ситуации (пожара) ………………………….. 89

6.3.3 Действия при возникновении пожароопасной ситуации (пожара) …….. 89

6.4 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……. 90
6.4.1 Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны) правовые
нормы трудового законодательства. …………………………………………………………. 90

6.4.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны ………. 91

ПРИЛОЖЕНИЕ А ………………………………………………………………………………….. 92

Заключение ………………………………………………………………………………………….. 112

Список публикаций ………………………………………………………………………………. 114

Список литературы ………………………………………………………………………………. 116

Приложение 1 ………………………………………………………………………………………. 123

Приложение 2 ……………………………………………… Error! Bookmark not defined.

В диссертации разработана методология синтеза способов и методов
отказоустойчивого управления электроприводом переменного тока,
используемых в гибридном транспортном средстве. Определено, что для
построения отказоустойчивого асинхронного электропривода требуется
обеспечить непрерывную диагностику элементов преобразователя частоты и
обмотки статора двигателя, организовать систему управления, содержащую
алгоритм восстановления и позволяющую использовать функциональный или
структурный резерв. К таким системам управления можно отнести системы
векторного управления.

Выполненные научные исследования представлены следующими новыми
результатами:

1. Создана имитационная модель отказоустойчивого управления,
позволяющие оценить работоспособность аварийных электроприводов
переменного тока в реальном времени, и в случае наличия остаточного ресурса
преобразователя частоты и исполнительного двигателя реализовать
структурную адаптацию силовых цепей ПЧ к последствиям отказов с
обеспечением повышенной безопасности и живучести промышленного
объекта.

2. Предложена общая методика разработки математической модели
электропривода переменного тока для схем подключения двигателей с
развязанными фазами и работой с эллиптическим магнитным полем. Это дает
возможность получить количественную оценку мгновенных параметров
электропривода в аварийных (неполнофазных) режимах.

Был произведен расчет параметров преобразователя. Так же для указания
номинальной емкости используем расчет выдаваемого аккумулятором тока в
течении стандартного времени с помощью экспонента Пекерта. Далее
необходимо из наличествующих в продаже на российском рынке
аккумуляторов выбрать самый оптимальный вариант подходящие под наши
расчеты. Аналогично выбираем IGBT транзистор, датчик тока LEM Website,
драйвера серии SKHI.
Предложена разработка обеспечения живучести гибридного автомобиля при
обрыве обмотки статора в одном из двигателей или отказе ключа в
преобразователе частоты соответствующего колеса. При том, что транспортное
средство содержит m-приводов колес, где m ≥ 2, а нулевые провода
асинхронных двигателей подключены с выходным напряжением бортового
источника электрической энергии. Увеличение амплитуды тока обусловлено
необходимостью компенсации мощности, ведь поле в зазоре электрической
машины будет эллиптическим. Активная мощность двигателя упадет на 33% и
эллиптическое поле не обеспечит равномерности вращения двигателя, но будет
обеспечена ограниченная функциональность с формированием свойства
живучести привода колеса. При соответствующем снижении на 33% мощности
в соседнем приводе колеса управляемость транспортного средства будет
восстановлена.
Список публикаций
Патенты на изобретения:
1. Гибридное транспортное средство с асинхронным двигателем.
Однокопылов Г.И., Дементьев Ю.Н., Сенькив Е.П. №2016132914
2. Гибридное транспортное средство с асинхронным двигателем.
Однокопылов Г.И., Дементьев Ю.Н., Сенькив Е.П., Розаев И.А. №2017105664
3. Гибридное транспортное средство с вентельным двигателем.
Однокопылов Г.И., Дементьев Ю.Н., Сенькив Е.П., Розаев И.А. №2017105667

Публикации, участия, выступления научно-технические; сертификаты,
дипломы, степени:
1. 3 Международный молодежный форум «Интеллектуальные
энергосистемы», г. Томск. Тема доклада: «Исследование на математической
модели трехфазного асинхронного двигателя в неполнофазном режиме
работы». Диплом 1 степени. Авторы: Сенькив Е.П., Брагин А.Д.
2. Всероссийская научно-практическая конференция с международным
участием «Повышение эффективности производства и использования энергии
в условиях Сибири», г. Иркутск. Тема доклада: «Математическая модель
асинхронного двигателя в аварийных и неполнофазных режимах работы».
Диплом 2 степени. Авторы: Однокопылов Г.И., Сенькив Е.П., Брагин А.Д.
3. 7 Международная научно-техническая конференция, г. Томск. Тема
доклада: Моделирование трехфазного асинхронногоь двигателя в аварийном
режиме работы. Диплом степени. Авторы: Однокопылов Г.И., Сенькив Е.П.,
Брагин А.Д.
4. Научно-технической конференции «Наука, творчество и образование в
области электроэнергетики и электротехники – достижения и перспективы», г.
Хабаровск. Тема доклада: «Алгоритмическое восстановление
работоспособности асинхронного электропривода в аварийном режиме
работы». Диплом 1 степени. Авторы: Однокопылов Г.И., Сенькив Е.П., Брагин
А.Д.
5. 4 Международный молодежный форум «Интеллектуальные
энергосистемы», г. Томск. Тема доклада: «Отказоустойчивый асинхронный
электропривода для гибридного автотранспортного средства». Сертификат.
Авторы: Сенькив Е.П., Розаев И.А.
6. 4 Международный молодежный форум «Интеллектуальные
энергосистемы», г. Томск. Тема доклада: «Сравнительный анализ
отказоустойчивого управления асинхронного и вентильно-индукторного
электропривода». Сертификат. Авторы: Однокопылов Г.И., Брагин А.Д., Розаев
И.А., Сенькив Е.П.
7. 2 Всероссийская (с международным участием) молодежной научно-
практической конференции «Введение в энергетику», г. Кемерово. Тема
доклада: «Особенности гибридного автотранспортного средства при
отказоустойчивом асинхронном электроприводе». Диплом 3 степени.
8. 2 Поволжская научно-практическая конференция «Приборостроение и
автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и
жилищно-коммунальном хозяйстве», г. Казань. Тема: Исследование
неполнофазного режима работы двухсекционного асинхронного
электропривода со свойством живучести. Авторы: Иванов К.В., Сенькив Е.П.,
Розаев И.А., Однокопылов Г.И.
Статья в научной переодике, индексируемой международными базами
данных (Web of Science, Scopus и др.)

1. Glushkov S. V. , Kachalov N. A. , Senkiv E. P. , Glushkova V. O. Estimation
of energy efficiency of residential buildings // MATEC Web of Conferences . – 2017
– Vol. 92, Article number 01072. – p. 1-5

1.Электрические машины: в 2 − х ч. Ч. 1: Учеб. для электротехн. спец. вузов.
–2- е изд. перераб. и доп. / Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. – М.:
Высш. шк., 1987. − 319 с.: ил.
2.Копылов И. П. Электрические машины : Учебник для вузов. – 2 − е изд.,
перераб. – М.: Высшая школа; Логос; 2000. – 607 стр.
3.Петров Г.Н. Электрические машины, ч.2, Асинхронные и синхронные
машины, М.-Л., Госэнергоиздат, 1963, 416 с. с черг.
4.Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей /