КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "МЭИ", г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2023 

КонкурсКонкурс 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


 

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 в 2021 году
Был проведён детальный анализ литературы по детектированию основных аварий. С точки зрения отказоустойчивого управления наиболее сложной задачей является обнаружение обрыва фазы двигателя. В этом режиме возникает значительная пульсация момента и изменение термического режима работы электрической машины, но и возможно размыкание и срабатывание защит системы управления, что приведёт к отключению привода — разрыву потока мощности, передаваемой на колёса, что является потенциально аварийной ситуацией, а в случае с пропульсивными системами летательных аппаратов потеря управляемости привода винта может привести к потере транспортного средства. Проведённый анализ показал, что методы, основанные на прогнозирующих моделях, являются наиболее надёжными в части детектирования обрыва фаз. Они позволяют определить неисправность за несколько периодов широтно-импульсной модуляции и изменить стратегию управления электрической машиной прежде, чем произойдёт отказ системы управления моментом из-за потери обратной связи в регуляторах. Данный литературный обзор лёг в основу двух статей в журналах Q1: A. Dianov and A. Anuchin, "Phase Loss Detection Using Current Signals: A Review," in IEEE Access, vol. 9, pp. 114727-114740, 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3105483 и A. Dianov and A. Anuchin, "Phase Loss Detection Using Voltage Signals and Motor Models: A Review," in IEEE Sensors Journal, vol. 21, no. 23, pp. 26488-26502, 1 Dec.1, 2021, doi: 10.1109/JSEN.2021.3120887. Была проведена работа по совершенствованию методов проектирования тяговых многофазных одноимённополюсных синхронных машин с целью повышения надёжности тяговых электроприводов за счёт уменьшения полной мощности электрической машины при сохранении выходной мощности на валу. Большой диапазон регулирования с постоянством мощности, характерный для тяговых электроприводов вынуждает разработчиков машин и тяговых инверторов завышать полную мощность оборудования для обеспечения заданной механической характеристики. Так электродвигатель карьерного самосвала БЕЛАЗ-90 в текущей конфигурации имеет 9 фаз и при выходной мощности 370 кВт в диапазоне постоянства мощности 10:1 требует для питания инвертора установленной мощностью 3 МВА. После оптимизации электрической машины с помощью разработанных методов требуемую установленную мощность инвертора удалось снизить до 2,1 МВА. Данные исследования описаны в публикациях журнала первого квартиля Mathematics: V. Dmitrievskii, V. Prakht, A. Anuchin, and V. Kazakbaev, “Design Optimization of a Traction Synchronous Homopolar Motor,” Mathematics, vol. 9, no. 12, p. 1352, Jun. 2021 и V. Prakht, V. Dmitrievskii, A. Anuchin, and V. Kazakbaev, “Inverter Volt-Ampere Capacity Reduction by Optimization of the Traction Synchronous Homopolar Motor,” Mathematics, vol. 9, no. 22, p. 2859, Nov. 2021. Были разработаны математические модели многофазных тяговых электродвигателей, реализующие основные возможные конфигурации и число обмоток. В отличие от стандартных моделей, разработанные модели созданы в пакете MATLAB в векторной форме, что позволяет использовать одну и ту же модель для двигателей с разным числом фаз. Модели могут учитывать насыщение магнитопровода. Они взаимодействуют с инвертором на уровне библиотеки SimPowerSystem и каждая фаза модели двигателя имеет два вывода, что позволяет соединять обмотки произвольным способом (звезда, треугольник, пентагон для пятифазных машин и др.). Модель позволяет имитировать обрывы фаз изменением сопротивления цепи конкретной фазы и не требует каких-либо изменений для проведения исследований по авариям питающего инвертора. Подготовлена публикация с рабочим названием “Design and Verification of a Multi-phase Model of Permanent Magnet Traction Synchronous Motor”, запланированная к публикации в 2022 году. Была проанализирована проблема нестабильности в энергосистеме гибридных электрических и полностью электрических трансмиссий, возникающая при определённых сочетаниях конструкций звена постоянного тока. Были выявлены соотношения, показывающие, что данная проблема становится более актуальной в связи с происходящим переходом в силовой электронике с электролитических конденсаторов, устанавливаемых на входе тяговых инверторов напряжения, на плёночные конденсаторы. Уменьшение ёмкости звена постоянного тока приводит к росту колебательности, которая может начинаться уже при малых заданиях момента. Были проанализированы методы демпфирования колебаний известные по литературе и реализованные на практике в ходе работ над гибридными электрическими трансмиссиями. Был предложен ранее не встречавшийся в литературе новый метод стабилизации, основанный на использовании обратной связи по току звена постоянного тока на входе тягового инвертора и обеспечивающий подавление колебаний за счёт формирования динамической механической характеристики тягового двигателя. Данный способ показал существенное превосходство над известными, он не требует точной настройки и обеспечивает лучшее демпфирование колебаний при по-прежнему быстрой отработке задания момента. Результаты исследований легли в основу публикации: E. Stolyarov, M. Gulyaeva, A. Anuchin, A. Zharkov, M. Lashkevich and D. Aliamkin, "Comparative Analysis of Active Damping Techniques in Electric and Hybrid Electric Powertrains," 2021 International Conference on Electromechanical and Energy Systems (SIELMEN), 2021, pp. 1-5, doi: 10.1109/SIELMEN53755.2021.9600307. В настоящее время метод проверен экспериментально и подготовлена публикация в журнал. Был разработан метод вычисления частоты широтно-импульсной модуляции, позволяющий стабилизировать потери в инверторе независимо от задания момента. Стабилизация потерь в силовых полупроводниках крайне важна для тяговых электроприводов, так как позволяет избежать термоциклирования силовых ключей, вызываемого изменением заданного момента и увеличить срок службы тяговых инверторов. Были построены зависимости коммутационных потерь и потерь проводимости, для которых получены выражения для полиномиальных зависимостей, определяющих потери при заданном токе двигателя. Поскольку аналитическое решение задачи поиска требуемой частоты модуляции невозможно, были выведены итерационные формулы вычисления частоты широтно-импульсной модуляции, обеспечивающие заданные суммарные потери. На данную тему подготовлена публикация с рабочим названием “Thermal Stabilization of Power Electronics in Traction Drives by Means of Variable Switching Frequency”, запланированная к публикации в 2022 году.

 

Публикации

1. Анучин А.С., Дас М., Рассудов Л.Н., Савкин Д.И., Фёдорова К.Г., Кураев Н.М. Current Control of a Direct Current Motor Fed through LC-filter from Power Converter Based on Wide-Bandgap Semiconducting Devices IEEE, 2021 XVIII International Scientific Technical Conference Alternating Current Electric Drives (ACED), Ekaterinburg, Russia, p.6 (год публикации - 2021).

2. Дианов А.Н., Анучин А.С. Phase Loss Detection Using Current Signals: A Review IEEE Access, Volume: 9, p.114727 - 114740 (год публикации - 2021).

3. Дианов А.Н., Анучин А.С. Phase loss detection using voltage signals and motor models: A Review IEEE Sensors Journal (Early Access), p.15 (год публикации - 2021).

4. Дианов А.Н., Анучин А.С. Design of Constraints for Seeking Maximum Torque per Ampere Techniques in an Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Control Mathematics, 9(21), 2785 (год публикации - 2021).

5. Дианов А.Н., Анучин А.С., Бодров А. Robust MTPA Control for Steady State Operation of Low-Cost IPMSM Drives IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics (Early Access), p.10 (год публикации - 2021).

6. Дмитриев А.А., Котельникова А.К., Лашкевич М.М., Анучин А.С., Силаев Ф.А., Остриров В.Н. Implementation of Discrete Fourier Transform in Mechanical Analysis of a Servo Drive System IEEE, 2021 XVIII International Scientific Technical Conference Alternating Current Electric Drives (ACED), Ekaterinburg, Russia, p.4 (год публикации - 2021).

7. Дмитриевский В.А., Прахт В.А., Анучин А.С., Казакбаев В.М. Design Optimization of a Traction Synchronous Homopolar Motor Mathematics, 9(12), 1352 (год публикации - 2021).

8. Каземирова Ю.К., Анучин А.С., Жарков А.А., Лашкевич М.М., Ковязин А.В., Савкин Д.И. Analysis of Walking Cell PWM Strategy in Multilevel Frequency Converter in Fault Condition IEEE, 2021 9th International Conference on Modern Power Systems (MPS), Cluj-Napoca, Romania, p.5 (год публикации - 2021).

9. Прахт В.А., Дмитриевский В.А., Анучин А.С., Казакбаев В.М. Inverter Volt-Ampere Capacity Reduction by Optimization of the Traction Synchronous Homopolar Motor Mathematics, 9(22), 2859 (год публикации - 2021).

10. Столяров Е.О., Гуляева М.А., Анучин А.С., Жарков А.А., Лашкевич М.М., Алямкин Д.И. Comparative Analysis of Active Damping Techniques in Electric and Hybrid Electric Powertrains IEEE, 2021 International Conference on Electromechanical and Energy Systems (SIELMEN), Iasi, Romania, p.5 (год публикации - 2021).