КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 21-19-00696

НазваниеРазвитие методов управления для повышения надёжности тяговых электроприводов гибридных электрических трансмиссий

РуководительАнучин Алексей Сергеевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2021 г. - 2023 г. 

Конкурс№55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)

Ключевые словатяговый электропривод, улучшение надёжности, термоциклирование, гибридная электрическая трансмиссия, управление с прогнозированием, цифровой двойник, диагностика, бездатчиковое управление, отказоустойчивое управление.

Код ГРНТИ45.53.37

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время происходит стремительная электрификация транспорта. Увеличение эффективности применения электрифицированного транспорта связано с его гибридизацией, когда тяговый электропривод получает питание от двух и более источников энергии. В качестве примеров можно рассмотреть новое поколение поездов метро, в которых после нашумевших аварий c разрушением контактных рельсов летом 2019 года в Москве начали устанавливать аккумуляторные батареи, обеспечивающие автономный ход в пределах перегона. Это электромобили типа BMW i3, которые оснащаются "расширителями дальности" или бензиновыми генераторными установками малой мощности, обеспечивающими безостановочную езду при длинных пробегах, что особенно актуально в России. Это опытный образец гибридной последовательной трансмиссии, разработанный в рамках НИР "Крымск", где движение в "тихом режиме" может осуществляться от суперконденсаторов при заглушенном дизельном двигателе. Гибридизация и совместная работа разных источников энергии позволяет оптимизировать массогабаритные параметры трансмиссии, режимы работы оборудования, обеспечивая максимальный коэффициент полезного действия. Так, при работе двигателя внутреннего сгорания на генератор, заряжающий аккумуляторную батарею, можно обеспечить максимальный КПД такого преобразования энергии, который недостижим при работе с переменной мощностью, если энергия генератора или ДВС направляется напрямую на колёса. Однако быстрая гибридизация и электрификация транспорта выявила ряд проблем, которые требуют решения как на аппаратном, так и на алгоритмическом уровнях. Работа в условиях ограниченной мощности первичных источников энергии или перегрузка тяговых подстанций вызывает нежелательные эффекты положительных обратных связей, приводящие к осцилляциям и перегрузкам энергосистемы. Постоянные разгоны и торможения вызывают циклические нагрев и охлаждение силовой электроники и преждевременный выход из строя тяговых инверторов. Применение классических трехфазных электрических машин не обеспечивает необходимый уровень надёжности, как показал недавний случай с выходом из строя двигателя ледокола "Арктика". Перечисленные вопросы показывают актуальность работы и позволяет сформулировать её цель: повышение эффективности и надёжности тяговых электроприводов в составе гибридных электрических трансмиссий программно-аппаратными средствами. Научная новизна заключается в разработке методов управления тяговых электроприводов с учётом особенностей распределения и поведения энергетических потоков, обеспечивающих стабильность энергетической подсистемы гибридных электрических трансмиссий, повышение надёжности функционирования силовой электроники за счёт снижения термоциклирования силовых полупроводниковых модулей аппаратными и алгоритмическим средствами, превентивную диагностику и идентификацию отказов за счёт применения технологии цифровых двойников и отказоустойчивое управление для тяговых электродвигателей с расщеплёнными обмотками и многофазных тяговых электроприводов.

Ожидаемые результаты
В процессе исследования будут получены: 1) Метод активной стабилизации энергосистемы гибридных транспортных средств за счёт системы управления тяговых электроприводов. При управлении тяговых электроприводов в режиме источника момента при ограниченной мощности энергосистемы наблюдается эффект положительной обратной связи, который приводит к перегрузке энергосистемы. Данная проблема решается как за счёт системы управления верхнего уровня, так и за счёт искажения динамических механических характеристик тягового электропривода. Оба решения снижают динамические показатели гибридной электрической трансмиссии. Предлагаемое решение обеспечит стабилизацию в соответствии с математической моделью энергосистемы и минимальное время отклика на задание со стороны водителя и системы автоведения. 2) Методы активной термостабилизации силовых полупроводников как на низких скоростях вращения, так и при быстрых изменениях тяги. При движении на низких скоростях и остановке, а также при резкой смене задания тягового усилия возникает значительное изменение температуры силовых полупроводников тягового инвертора, что приводит к преждевременному выходу из строя силовых ключей из-за механического разрушения мест, где соединяются материалы, имеющие разные коэффициенты теплового расширения. Проблема решается методами активной термостабилизации, которые разделяются на алгоритмические и аппаратные. Они несколько снижают КПД, одновременно сокращая девиацию температуры полупроводниковых приборов и увеличивая срок службы. В рамках проекта будут разработаны методы активной термостабилизации для инверторов, питающих многофазные тяговые электродвигатели и электродвигатели с расщеплёнными обмотками. 3) Методы идентификации неисправностей и отказоустойчивого управления многофазными тяговыми электродвигателями и электродвигателями с расщеплёнными обмотками на базе технологии цифровых двойников. Возможности управления в условиях частичных неисправностей силовых преобразователей рассматриваются многими исследователями, однако остаётся непроработанным вопрос идентификации конкретной неисправности в процессе работы с изменением алгоритма управления, пока параметры объекта управления не превысили допустимые значения. Вопрос идентификации неисправности может быть успешно решён за счёт применения технологии цифровых двойников, которые позволяют идентифицировать аварию за один-два такта управления и скорректировать алгоритм управления с учётом возникшей неисправности и сохранить контроль над тяговым электродвигателем без прерывания потока мощности. Разрабатываемые методы могут быть частично или полностью применены в существующих и разрабатываемых гибридных электрических трансмиссиях, так как реализуемы программно. В новых разрабатываемых трансмиссиях в зависимости от требований к надёжности может потребоваться переход к многофазным тяговым электрическим машинам и машинам с расщеплёнными обмотками. Для них разрабатываемые методы применимы в полном объеме.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных