CC BY
10
УДК 681.518.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-9-489-496
ДИАГНОСТИКА ТРЕХФАЗНОЙ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВ БЕЗ НУЛЕВОЙ ТОЧКИ
Д.Г. Рандин
В статье рассматривается способ диагностирования обмоток фаз автотранспортных генераторных установок с помощью эталонного сопротивления. Показана возможность повышения функциональности встроенных регуляторов напряжения за счет возможности проводить диагностику по предложенному способу. Особенностью предлагаемой статьи является то, что рассматривается схема обмотки «звезда» без вывода нулевой точки и определение сопротивления фаз осуществляется по результатам трех измерений ветвей, образованных двумя фазами. По полученному выражению рассчитываются величины сопротивлений для каждой фазы. Разработан алгоритм диагностики обмоток фаз согласно предложенному способу. Приведены примеры расчета сопротивления фаз по предложенному способу. Для подтверждения правильности полученных выражений проведено имитационное моделирование способа диагностирования. Дополнительно проведено экспериментальное исследование предложенного способа. Результаты экспериментов с удовлетворительной погрешностью согласуются с расчетными данными. Сформулированы выводы по работе. Даны рекомендации по использованию результатов.
Ключевые слова: способ диагностирования, сопротивление фаз, генераторная установка, контрольные точки, схема замещения.
Генераторная установка является необходимым агрегатов в транспортном средстве, поскольку обеспечивает электрической энергией всех потребителей. Поэтому, от ее исправного состояния зависит работоспособность всего транспортного средства.
На рис. 1 представлена электрическая схема автотранспортной генераторной установки, в которую входят интегрированные в общую конструкцию электрический генератор на базе синхронной электрической машины (СГ), выпрямительный блок (БВ) и регулятор напряжения (РН).
Аккумуляторная батарея ^В) обеспечивает питанием электроэнергией потребителей в нерабочем состоянии генераторной установки. Эквивалентная нагрузка обозначена сопротивлением Rн.
Генераторная установка имеет выводной контакт D+ для подачи питания от аккумуляторной батареи к обмотке возбуждения (ОВ) генератора, посредством электронного регулятора напряжения (РН), через ключ замка зажигания (ЗЗ) и контрольную лампу заряда (НЬ). Контакт В+ служит для отдачи энергии на зарядку аккумуляторной батареи ^В) и питание потребителей Rн.
Агрессивные дорожные условия в совокупности с предельными режимами работы могут приводить к ускоренному выходу из строя генераторной установки. Причем, выход из строя редко происходит мгновенно. Как правило, характер отказов является постепенным. В этих условиях, желательно водителю иметь инструмент контроля за параметрами генераторной установки.
Рис. 1. Электрическая схема автотранспортной генераторной установки
Наиболее простым встроенным средством контроля генераторной установки является лампа заряда НЬ, погашенное состояние которой свидетельствует об исправности генераторной установки. Однако, характер работы такого инструмента контроля близок к релейному элементу: либо горит - присутствует неисправность, либо не горит - все исправно или работоспособно.
В современных автотранспортных средствах имеются встроенные средства диагностики основе микропроцессорной техники [1,2]. Как правило, указанные системы отслеживают уровень напряжения в бортовой сети и если он опускается ниже заданного предела, то диагностическая система информирует водителя через контрольную лампу на щитке приборов о неисправности в системе электроснабжения.
Известно [3,4,5,6] несколько способов диагностики генераторных установок. Первый способ базируется на анализе осциллограммам выходного напряжения. Однако, такой метод не применим в эксплуатации автомобиля из-за технической сложности реализации режима осциллографа в системе управления двигателем.
Второй способ связан с измерение разности потенциалов между минусом двухполярного питания и поочередно клеммами «В+» и <Ю+» генератора. К недостаткам, этого метода следует отнеси невозможность локализации неисправности.
Третий способ связан с измерением сопротивления фаз и обмотки возбуждения в снятом с транспортного средства генераторе.
Четвертый способ основан на применение частотных характеристик. Этот метод также затруднителен в реализации встроенными средствами диагностирования из-за сложности обработки полученного массива данных.
Повышение надежности генераторной установки может быть достигнуто за счет применения регуляторов напряжения с функцией самодиагностики, способного локализовать неисправность.
Предлагается осуществлять диагностику генераторной установки встроенными в регулятор напряжения средствами за счет подключения к контрольным точкам К1, К2, К3, К4 и К5 (рис.1). Расположение указанных диагностических точек непосредственно в генераторной установки показано на рис.2.
Рис. 2. Расположение контрольных точек в генераторной установке
Преимуществом выбора указанных контрольных точек является то, что они располагаются в непосредственной близости от регулятора напряжения, что обуславливает меньшую длину проводников. В таблице далее представлены диагностические возможности контрольных точек.
Диагностические возможности контрольных точек
Контрольные точки Функциональная возможность
к1, к2, к3, к4 Проверка исправности диодов блока возбуждения
к2, к3, к4, к5 Проверка исправности блока основных диодов
к2, к3 Проверка исправности обмотки фазы А и В
к3, к4 Проверка исправности обмотки фазы В и С
к2, к4 Проверка исправности обмотки фазы А и С
Разработка математической модели. Электрическая схема синхронной генератора для генераторной установки автотранспортных средств показана на рис.3.
О и{ О
Рис. 3. Электрическая схема синхронного генератора для генераторной установки
автотранспортных средств
В рабочем режиме происходящие электромагнитные процессы в электрической машине описываются системой дифференциальных уравнений [7]
490
dy f dya
Uf = rf ■ if +—J—, Ua = ra ■ ia +—-f f f dt a a a dt
U =
b = rb ■ ib +
dyb dt
dyr.
Uс = Гс ■ ic , Уа = La ■ ia + Mab ■ ib + Mac ■ ic + Maf ■ if,
y b = Lb ■ ib + Mab ■ ib + Mbc ■ ic + Mbf ■ if, y c = Lc ■ ic + Mac ■ ia + Mbc ■ ib + Mf ■ if, где Ua, Ub, Uc - мгновенные значения фазных напряжений; Uf - напряжение возбуждения; ¥b, -потокосцепление с соответствующими обмотками статора; - потокосцепление с обмоткой возбуждения; ia, ib, ic - мгновенные значения токов статора; if - значение тока статора.
При проведении диагностики, для определения параметров обмоток фаз генератора питание подается от источника постоянного тока согласно рис.4.
Рис. 4. Электрическая схема для диагностики обмоток автомобильного синхронного генератора
Электрическая схема замещения по постоянному току для диагностики обмоток фаз синхронного генератора показана на рис.5.
Рис. 5. Схема замещения для расчета активного сопротивлений обмоток фаз
Уравнения электрического баланса, являющиеся частным случаем дифференциальных уравнений для электромагнитных процессов и составленные по законам Кирхгофа для электрической цепи в обмотке статора генератора для случая диагностики запишутся в следующем виде:
El = + Rc), E2 = 12( RA + RB ), Ез = 1з( Яв + Яс).
Уравнения (1)-(3) преобразованы к типовому виду уравнений и сведены в систему
' RA + Яс = El/Ii,
(1) (2) (3)
Ra + Rb = E2 /12,
Rb + Rc = E3/13.
(4)
Решение системы уравнений (4), относительно величин сопротивлений RA, RB и RC известными математическими методами дает информацию об аналитических выражениях для их расчета
Яа =-
1 e2^1^3 " e3i112 + елh
2 _ hhh _
1 E3I1I2 - E2hh + E11213
2 _ hhh _ (5)
1 e2hh - E\hh + E3hh
2 _ hhh
Величина подключаемых при диагностике ЭДС Е1, Е2 и Е3 равна напряжению источника питания иш диагностического средства и его величина известна.
Непосредственное измерение величины тока в выражениях (5) осложняется невозможностью размещения приборов измерения тока в ограниченных пространствах, особенно в автомобильных генераторных установках.
Для решения задачи определения неизвестной величины тока, протекающего по обмоткам фаз при диагностике, предлагается использовать способ измерения по падению напряжения на эталонном диагностическом резисторе. Электрическая схема для измерения тока согласно предлагаемому способу показана на рис.6.
ди.
ди^
Рис. 6. Схема для определения неизвестного сопротивления обмоток
Суть предлагаемого способа измерения тока с помощью эталонного диагностического резистора заключается в следующем. При использовании эталонного резистора напряжение питания Пп, подаваемое с вывода 3 диагностического устройства Д уравновешивается падением напряжения ПЭ на эталонном резисторе и падением напряжения Пд на диагностируемой цепи, состоящей из двух обмоток с сопротивлениями Яа и ЯВ, т.е.
и п -ДП Э + ДП Д.
Выражения (5) с учетом предлагаемого способа диагностики запишутся 1
Яа =-
Яв - -
Яс -
дид2 /1/ 3 - дид32 + дпд11213
213
дид31\12 -дид21\13 + ДПД\! 213
213
дид2 !\!3 -дид112 ь + ДПдз /1/ 2
2 1з
(6)
где ДП
Д1
, ДПд2, ДПдз - падения напряжения на катушках фаз диагностируемых обмоток.
При отсутствии тока потребления (т.е. 1П=0) диагностическим устройством ток в цепи равен
/э= 1д= ДП Э/ ЯЭ. (7)
Причем, необходимости измерять падение напряжения ДПд нет, так как оно может быть определено как разность
ДП д - и П -ДП Э. (8)
Последовательность действий при проведении диагностики согласно рассмотренному способу показана в виде блок-схемы алгоритма диагностики, представленного на рис.7.
Рассмотрим примеры использования предложенного способа диагностирования.
Пример 1.
Имеется трехфазная обмотка статора автотранспортного генератора без вывода нулевой точки. Напряжение источника питания Пп=5В, величина эталонного сопротивления Яэ=4,3Ом, а падение напряжения на нем для каждого контура ДПэ=4,6В. Определить сопротивление обмоток фаз генератора рассмотренным выше способом.
Решение:
По выражению (8) определим падения напряжения в диагностируемых ветвях, состоящих из последовательно соединенных двух фаз
ДПД1 - ДПД2 - ДПД3 - иП - ДПЭ - 5 - 4,6 - 0,4В.
1Д -1Э -
Рассчитаем токи в диагностируемых цепях
Диэ/ - 4,6/ - 11А Дэ - /4,3 - 1,1А. Так как контурные токи одинаковы, то величины сопротивлений (согласно выражению (6))
Яа - Яв - Яс - 2 х 0,34 - 0,17 Ом.
1
2
Пример 2.
Имеется трехфазная обмотка статора автотранспортного генератора без вывода нулевой точки. Напряжение источника питания ип=5В, величина эталонного сопротивления Лэ=4,3Ом. При диагностике были измерены следующие значения падений напряжения на эталонном резисторе: 1) для фаз А и В -Д^эаь=4В; 2) для фаз А и С - ДЦэас=4 В; 3) для фаз В и С - ДиэЬс=4,6В. Определить сопротивление обмоток фаз генератора рассмотренным выше способом.
Решение:
По выражению (8) определим падения напряжения для каждого диагностируемого контура, состоящего из последовательно соединенных двух фаз
ДиДаЬ = 5 - 4 = 1В; ШДаС = 5 - 4 = 1В; ДидЬс = 5 - 4,6 = 0,4В.
Рассчитаем токи в диагностируемых цепях по выражению (7):
1) для фаз А и С: 11 = Диэау^ = уА3 = 0,94А.
72 ^^А = >4 3 = 0,94А.
2) для фаз А и В: / яэ / 4,3
3) для фаз В и С: I = I =
ди
4,6/
'Я,
4,4
= 1,1А.
лений фаз
Подставляя найденные значения токов в формулу (6) вычисляем искомые величины сопротив-
ЯА = 1 х 1,7 = 0,85 Ом; ЯБ = ЯС = 1 х 0,34 = 0,17 Ом.
Таким образом, по полученным величинам сопротивлений можно судить о техническом состоянии обмоток.
Предложенный способ диагностирования довольно простой в реализации, что не потребует серьезных конструктивных преобразований в генераторной установке.
Моделирование. Для проверки математических моделей использована специализированная программа для моделирования электротехнических схем Multisim.
Имитационная схема для проверки полученных расчетных выражений представлена на рис.8.
Рис. 7. Блок-схема алгоритма диагностики
493
Имитационная схема составлена для участка цепи содержащего только обмотки двух фаз, подключенных к источнику питания. Величина активного сопротивления обмотки фазы статора определена согласно расчетным данным по известным методикам [8] для модели генератора Г222 и составляет 0,17 Ом.
а б
Рис. 8. Имитационная схема: а - диагностируемые сопротивления равны 0,17Ом; б - одно из диагностируемых сопротивлений больше другого в 5раз
Моделирование неисправности в одной из фаз осуществлялось введением в диагностируемую цепь дополнительного сопротивления, величина которого в 7 раз превышает расчетное значение сопротивления фазы.
Как следует из анализа полученных результатов моделирования - расчетные соотношения согласуются с результатами моделирования, что подтверждает эффективность предложенного способа.
Экспериментальное исследование. В качестве экспериментального образца исследована автомобильная генераторная установка Г222.
Для экспериментального измерения величины сопротивления обмотки фазы статора на рис.9а показана собранная электрическая цепь, соответствующая схеме на рис.8а, а на рис.9б собрана электрическая цепь, соответствующая схеме на рис.8б.
В качестве измерительного устройства использован типичный цифровой мультиметр, имеющий класс точности 1.
Величина сопротивления эталонного резистора взята равной 4,3Ом с рассеиваемой мощностью 5Вт и точностью ±5%.
Величина дополнительного сопротивления моделирующего неисправность взята равной 1,2Ом с рассеиваемой мощностью 5Вт и точностью ±5%.
При проведении эксперимента, на электрическую цепь подавалось напряжение постоянного
тока +5В.
а б
Рис. 9. Экспериментальное исследование обмотки: а - диагностируемые сопротивления равны 0,17 Ом; б - одно из диагностируемых сопротивлений больше другого в 7раз
Относительная ошибка между экспериментальными и расчетными данными для рис.8а и 9а не превышает 2%, а для рис.8б и 9б не превышает 15% и обуславливается изменением свойств пассивных элементов цепи в результате нагрева от протекающего тока.
494
В целом, исследования показали согласованность полученных экспериментальные данных с расчетными значениями по предложенному способу диагностики обмоток фаз генераторных установок автотранспортных средств.
Выводы. Предложенный способ диагностирования довольно простой в реализации, что не потребует серьезных конструктивных преобразований в генераторной установке. Величину сопротивления диагностируемой обмотки статора автомобильного генератора возможно измерить с удовлетворительной точностью и по этому значению судить о техническом состоянии всего агрегата. Тем не менее, предложенному способу присуще некоторые недостатки связанные нелинейностью характеристик эталонного резистора. Предлагаемый способ диагностики может быть использован в системах управления двигателем или специалистами станций технического обслуживания при проведении технического обслуживания без демонтажа и разборки генераторной установки.
Список литературы
1. Дентон Том Автомобильная электроника. М: НТ Пресс, 2008. 576 с.
2. Ютт В.Е. Электрооборудование автомобилей. М: Горячая Линия - Телеком, 2006. 439 с.
3. Ютт В.Е. Диагностирование электрооборудования автомобилей / А.Г. Сергеев, В.Е. Ютт. М.: Транспорт, 1987. 157 с.
4. Тимофеев Ю.Л. Электрооборудование автомобилей: устранение и предупреждение неисправностей / Тимофеев Ю.Л., Ильин Н.М., Тимофеев Г.В. М.: Транспорт, 1994. 301 с.
5. Набоких В.А. Диагностика электрооборудования автомобилей и тракторов: учебное пособие. М.: ФОРУМ; НИЦ ИНФРА. М, 2013. 288 с.
6. Смирнов Ю.А. Электронные и микропроцессорные системы управления автомобилей. М.: Лань, 2021. 619 с.
7. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. М: Высш.шк., 2001.
327 с.
8. Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока. М.: Высш. школа, 1982. 272 с.
Рандин Дмитрий Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, randin25samara@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения
DIAGNOSTICS VEHICLES THREE-PHASE ALTERNATOR WITHOUT ZERO POINT
D.G. Randin
The article discusses a method for diagnosing the phase windings of vehicle alternator using a reference resistance. The possibility of increasing the functionality of the built-in voltage regulators due to the ability to carry out diagnostics according to the proposed method has been shown. The peculiarity of the proposed article is that the "star" winding circuit is considered without the zero point output and the phase resistance is determined based on the results of three measurements of branches formed by two phases. According to the obtained expression, the values of the resistances for each phase are calculated. An algorithm for diagnosing phase windings according to the proposed method has been developed. Examples of calculating the phase resistance according to the proposed method are given. To confirm the correctness of the expressions obtained, simulation modeling of the diagnostic method was carried out. Additionally, an experimental study of the proposed method was carried out. The experimental results with a satisfactory error are consistent with the calculated data. Conclusions on the work are formulated. Recommendations on the use of the results are given.
Key words: diagnostic method, winding resistance, alternator, control points, схема замеще-
ния, equivalent-circuit model.
Randin Dmitry Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, randin25samara@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Transport University
