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.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Был проведён анализ и показано, что наиболее перспективной топологией тяговых электроприводов является топология с расщеплёнными обмотками. Данная топология имеет явные преимущества перед топологиями с несколькими секциями обмоток, соединёнными в звезду или многофазными обмотками, соединёнными в многофазную звезду с точки зрения возможного формируемого момента в режиме частичных отказов. Кроме того, расщеплённые обмотки существенно расширяют возможности с точки зрения реализации алгоритмов активной термической стабилизации. Показано, что наилучшие показатели по активной термической стабилизации реализуемы в инверторах на базе SiC MOSFET, которые, обладая эффектом обратной проводимости силовых ключей, обеспечивают нагрев ключей на обеих полуволнах тока независимо от коэффициента мощности, с которым работает электрическая машина. Была проведена разработка аналитического метода формирования токов в трёхфазных синхронных машинах с расщеплёнными обмотками на низких скоростях вращения, позволяющая обеспечить стабилизацию потерь инвертора на электрическом обороте. Метод позволяет приблизительно в 6 раз снизить девиацию температуры полупроводников тягового инвертора. Метод основан на симметрировании тока трёхфазной машины с расщеплённой обмоткой из предположения, что большее влияние на момент двигателя оказывает ток наиболее перпендикулярной к полю ротора обмотки, а обмотки соседних фаз должны повторять этот ток, так как они вносят существенно меньший вклад в создаваемый момент. Далее вектор тока корректируется по амплитуде из условия создания заданного момента в синхронном двигателе. Получены частные выражения для синхронного двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами, поверхностно размещёнными постоянными магнитами и для реактивных электрических машин. По результатам исследований написана статья, которую планируется подать в журнал IEEE Access. Для асинхронного двигателя с расщеплёнными обмотками был реализован аналогичный способ формирования токов, названный методом с приблизительно постоянными потерями. Метод строится на увеличении тока фазы с минимальным абсолютным значением тока до уровня среднего из значений токов двух других фаз по модулю, последующей коррекции заданий тока поперечной оси и реализации тока нулевой последовательности регулятором тока нулевой последовательности. Была модернизирована система векторного управления, которая теперь работает в условиях неточного формирования токов, а, следовательно, пульсации потока электрической машины. Результаты данной разработки описаны в статье “Nearly Constant Losses Current Regulation Strategy for an Open-end Winding Traction Induction Motor”, представленной на международной онлайн конференции IEEE 1st Industrial Electronics Society Annual On-Line Conference (ONCON). Разработан метод термической стабилизации температуры инвертора при изменении задания момента, который обеспечивает постоянство потерь во всём диапазоне скоростей за счёт изменения частоты широтно-импульсной модуляции. Этот метод было решено применять взамен метода реализации реактивного тока, так как он не греет электрическую машину, а его эффективность достаточная даже с учётом ограничения на максимальную частоту коммутации ключей в драйвере транзистора. Метод строится на базе тепловой модели силового модуля, когда на модели электропривода при конкретной реализации структуры системы управления и алгоритме модуляции подбирается такая частота широтно-импульсной модуляции, которая обеспечивает потери на уровне близком к максимальным потерям при максимальном токе и минимальной частоте модуляции или ниже. Для каждого задания момента итерационно вычисляется требуемая частота широтно-импульсной модуляции, а потом полученная зависимость закладывается в систему управления, чтобы стабилизировать потери. Метод работает как на низких, так и на высоких скоростях вращения электрической машины и применим для всех типов силовых полупроводниковых приборов и топологий инвертора по числу фаз тягового двигателя. Разработанные методы формирования токов в машинах с расщеплёнными обмотками и алгоритмы регулирования частоты широтно-импульсной модуляции были реализованы на современных микроконтроллерах. Испытания проводились на отладочной плате на базе микроконтроллера К1921ВК01, но из-за его недоступности из-за санкций все алгоритмы были перенесены на микроконтроллеры компании Texas Instruments TMS320F28335 и TMS320F28377D. Была доработана универсальная модель многофазного тягового двигателя с возбуждением от постоянных магнитов. Модель была реализована в конфигурации с расщеплёнными обмотками, что позволяет собирать обмотки в любую топологию: звезда, треугольник, несколько трёхфазных звёзд с изолированными нейтралями. Модель поддерживает следующие конфигурации: 3-фазная, 5-фазная, 6-фазная с противовключёнными обмотками, 6-фазная со смещёнными обмотками, 7-фазная, 9-фазная с двумя различными конфигурациями в части сдвига обмоток относительно друг друга. Модель была верифицирована при работе в режиме векторного управления, включая режимы обрыва фаз и неисправностей инвертора. Результаты исследования отражены в статье “Universal Model of a Multiphase Permanent Magnet Synchronous Motor”, представленной на международной онлайн конференции IEEE 1st Industrial Electronics Society Annual On-Line Conference (ONCON). Были разработаны цифровые двойники для оценки поведения системы при различных отказах. Разработана матрица неисправностей с ранжированием по возможности работы в режиме данных неисправностей. Разработаны целевые функции и правила идентификации неисправностей, а также рекомендации по переходу в соответствующий аварийный режим работы. Разработанные алгоритмы верифицированы на математической модели и в дальнейшем будут экспериментально верифицированы на макетном образце тягового инвертора. Для каждой неисправности для двигателей с расщеплёнными обмотками разработаны алгоритмы формирования токов в исправных обмотках с минимизацией среднеквадратичного тока двигателя. Произведён анализ литературы и показано, что в настоящее время не существует обобщенного подхода к формированию токов в машинах произвольной фазности и не производится оптимизация по среднеквадратичному току. В рамках проекта получены оптимизированные формы тока, позволяющие снизить потери проводимости для неявнополюсных синхронных машин по сравнению с известными методами. Проведены расчёты и представлена методика, позволяющая получить задания фазных токов в исправных фазах для машин любой фазности при условии отказа в одной из фаз. Разработанные алгоритмы реализованы на микроконтроллерах в виде библиотек. Для исследования разработанных алгоритмов и проверки качества активной термической стабилизации был разработан лабораторный макет тягового инвертора малой мощности, построенный на базе дискретных ключей типа MOSFET. Макет имеет 6 полумостов и позволяет подключать 3-фазный двигатель с расщеплёнными обмотками. Макет выполнен таким образом, что дискретные ключи, будучи расположенными на радиаторе воздушного охлаждения, находятся в прямой видимости и температура их корпуса может быть измерена непосредственно с помощью тепловизионной камеры. Разработанный инвертор позволил проверить работоспособность методов термической стабилизации и с его помощью начата верификация алгоритмов идентификации аварийных ситуаций на основе цифровых двойников.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате работ в отчётном периоде был разработан метод идентификации частичных отказов с применением цифровых двойников за время не превышающее два такта управления. Был реализован комплект цифровых двойников для 3-фазного двигателя с расщеплёнными обмотками, которые вычисляют прогнозы изменения токов при полностью исправном приводе и при наличии частичных отказов. Время идентификации неисправности составляет один период ШИМ и ещё один период на принятие решения. При этом возможны ситуации, когда эффект от возникшей неисправности при определённом сочетании параметров, таких как угол вектора тока по отношению к вектору напряжения в конкретной точке и вектору напряжения неисправности, тогда возможна задержка идентификации из-за малой ошибки между исправным и неисправным состоянием, однако такой режим не является опасным, так как неотличим от нормальной работы. В процессе изменения напряжения вектора напряжений детектирование аварийной ситуации происходит уверенно до того, как система управления теряет стабильности и могут сработать защиты. Матрица решений для всех случаев отказов для моделей цифровых двойников даёт однозначное решение по локализации отказа и определяет стратегию управления с учётом возможности частичного использования отказавшей фазы. Таким образом, научной новизной является метод идентификации частичных отказов, обеспечивающий локализацию аварии за конечное время. Система управления тяговым электроприводом реализует алгоритмы управления в исправном режиме и в режиме частичной неисправности. Эти два режима принципиально отличаются, так как в аварийном режиме задания токов в исправных фазах должны быть искажены током нулевой последовательности, если ток в аварийной фазе не протекает. При этом возможны как симметричные режимы работы, когда неисправная фаза полностью выведена из работы, так и несимметричные режимы, когда из-за неуправляемости одного из ключей потеряна проводимость только одной полуволны тока, что не позволяет использовать классические способы регулирования токов во вращающейся системе координат. Кроме того, требуется обеспечить переход от одной системы регулирования к аварийной в случае детектирования отказа без прерывания потока мощности. В рамках исследования была получена система регулирования токов в режиме частичных отказов, которая в качестве частного случая обеспечивает регулирование токов в рабочем режиме, Разработана система перехода от нормальной системы регулирования к аварийной, использующая систему управления с прогнозированием, в которой после идентификации неисправности вводятся ограничения на набор доступных управляющих воздействий с учётом возникшего отказа. При этом система управления продолжает работу, обрабатывая меньшее число предсказаний. В результате исследований в отчётный период было опубликовано 6 работ, из которых 2 статьи опубликованы в журналах первого квартиля, 4 статьи в материалах международных конференций, индексируемых в Scopus. Защищена диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук основным исполнителем проекта Гуляевой Марией Андреевной по теме «Совершенствование алгоритмов управления электрической трансмиссии вагонов метро», в которой частично использовался материал, полученный в результате выполнения работ по данному гранту. Тема диссертационного исследования связана с отказоустойчивым управлением тяговых электроприводов и в работе отражены результаты выполнения данного проекта.