CC BY
25
УДК 681.518.54
1ДЕНТИФ1КАЦ1Я НЕСПРАВНОСТЕЙ ЕЛЕКТРОПРИВОДА АВТОМОБ1ЛЯ З ВЕНТИЛЬНИМ ДВИГУНОМ
Ю.М. Бороденко, доц., к. ф-м. н., Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Розглянуто ¡мтацтну модель системи електропривода з вентильним двигуном як об 'екта д1агностики у програм1 Matlab/Simulink. Проанал1зовано спектральний склад функцп струму споживання на р1зних режимах електродвигуна при ¡мтацп пошкоджень системи в частит перетворювача тдвищеног напруги.
Ключов1 слова: автомобыь, електроприв1д, вентильний електродвигун, високовольтна акуму-ляторна батарея, д1агностичний параметр, ¡мтацтна модель, спектрограма.
ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДА АВТОМОБИЛЯ С ВЕНТИЛЬНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ
Ю.Н. Бороденко, доц., к. ф-м. н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Рассмотрена имитационная модель системы электропривода с вентильным двигателем как объекта диагностики в программе Matlab/Simulink. Проанализирован спектральный состав функции тока потребления на различных режимах электродвигателя при имитации повреждений системы в части преобразователя повышенного напряжения.
Ключевые слова: автомобиль, электропривод, вентильный электродвигатель, высоковольтная аккумуляторная батарея, диагностический параметр, имитационная модель, спектрограмма.
IDENTIFICATION OF BRUSHLESS MOTOR VEHICLE ELECTRIC DRIVE FANLTS
Y. Borodenko, Assoc. Prof., Ph. D. (Phys.-Math.), Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. A simulation model of the system of the electric drive with a brushless motor, as a diagnostic object in the program Matlab/Simulink is reviewed. The spectral content of the function of current consumption in motor operation when simulating damages of the system in the high voltage inverter is analyzed.
Key words: vehicle, electrical drive, brushless electrical motor, high-voltage accumulation battery, diagnostic parameter, virtual model, spectrogram.
Вступ
Актуальнють проблеми, що пов'язана з дос-лщженням електричних процешв по колах живлення електропривода (ЕП) автомобшя, як дiагностичноl шформацп визначена в [1]. Зниження експлуатацшних витрат на техшч-не обслуговування автомобшв з ЕП можливе за рахунок удосконалення засобiв та методiв дiагностики. Таю задачi виршуються на ета-
пах розробки систем ЕП (адаптащя конструкций та тд час транспортного процесу автомобшя (мошторинг техшчного стану). При цьому виникае необхщшсть створення екс-пертних систем, яю оперують шформацш-ними базами знань i даних. У статп роз-глядаються результати апробацп методу спектрального аналiзу електричних процешв у колi живлення iмiтацшноl моделi ЕП на предмет використання отримано! шформацп
для формування дiагностичноl бази знань за параметрами спектрограм.
Аналiз публжацш
Електричнi кола системи ЕП умовно подшя-ють на сигнальнi (датчиюв i виконавчих при-стро!в) та силовi (джерел живлення й елект-ричних машин). Стосовно перших, для контролю техшчного стану елементiв системи керування застосовують засоби штегро-вано! самодiагностики. При цьому здшсню-вати контроль за технiчним станом силових елеменпв, якi не мають гальванiчних зв'язкiв з електронним блоком керування, неможливо без застосування додаткових вимiрювальних каналiв.
У [1] подаш результати моделювання системи ЕП в пакет прикладних програм МайаЬ^тиИпк, на пiдставi яких визначенi передумови для гармоншного аналiзу елект-ричних процесiв по колах системи ЕП.
Результати попередшх дослiджень [2, 3] по-казують, що вимогам, яю висуваються до дiагностичного параметра з боку шформати-вностi, чутливостi й технолопчносп вимiрю-вання, найбiльш задовольняе характер змiни струму розряду первинного джерела жив-лення.
На першому кроцi в [2] проведено яюсний аналiз процесiв у системi вентильного двигу-на на стацiонарних режимах без вторинного джерела живлення (перетворювача тдвищено! напруги). У моделi системи використову-валася спрощена модель високовольтно! акумуляторно! батаре! (ВАБ) у виглядi щеа-лiзованого джерела електрорушшно! сили з визначеним внутрiшнiм опором.
Кшьюсна оцiнка часово! функци струму ВАБ в [3] проведена на тдсташ спектрального аналiзу для моделi системи ЕП з перетворю-вачем тдвищено! напруги. При цьому як первинне джерело постшного струму було обрано Simulink-модель шкель-метал-пбридно! ВАБ. Вигляд спектрограм, отрима-них за результатами моделювання, тдтвер-джуе напрямок дослщжень.
Мета i постановка завдання
Метою дослщжень на даному етат е формування бази даних експертно! системи для щентифшаци техшчного стану ЕП автомобь
ля. Для цього в отриманш моделi системи [3] n0Tpi6H0 iмiтувати пошкодження !! елементiв в експлуатацiйних режимах та спостер^ати за спектральним складом функци струму в колi живлення. Виршення цих задач перед-бачае реалiзацiю декiлькох функцiй самодiа-гностики залежно вщ режиму функщонуван-ня ЕП.
Реестращя несправностi пiд час пуску дозво-ляе уникнути важких наслщюв шляхом ава-рiйного вiдключення живлення системи. Тес-тування на режимi холостого ходу запобiгае аварiйнiй ситуацп, що може виникнути пiд час руху автомобiля. Монiторинг технiчного стану пбридно! установки пiд час транспортного процесу забезпечуе аваршний режим функщонування шляхом перерозподiлу по-тужносп мiж И силовими елементами.
Об'ект дiагностики та метод дослiдження
Як об'ект дiагностики розглядаеться силова частина ЕП автомобшя, яка складаеться з трифазного синхронного електродвигуна, швертора та схеми керування, регулятора швидкосп обертання, перетворювача тдвищено!' напруги. Iмiтацiйна модель системи ЕП побудована в пакет прикладних програм Matlab/Simulink [3]. Живлення системи вентильного електродвигуна забезпечуеться вщ первинного джерела напруги ВАБ з номша-льною напругою 250 В. У межах статп увагу зосереджено на схемi перетворювача постш-но! тдвищено! напруги 250/500 В (рис. 1).
У схемi системи використовуеться Simulink-модель синхронно! машини з номшальним обертовим моментом МН =35 Нм та номша-льною швидкiстю обертання иН=3000 хв-1. Транзисторний ключ перетворювача VT ке-руеться генератором прямокутних iмпульсiв (Generator) на стацiонарному режимi (частота 20 кГц).
Значення параметрiв пасивних елементiв мо-делi вщповщають номiналам елементiв схеми блока перетворювачiв напруги автомобiля Lexus RX400h. Для спостереження миттевих значень струму розряду ВАБ i швидкостi обертання вала електродвигуна використову-еться осцилограф Scope з функщею аналiза-тора спектра (FFT-Analysis).
Го
Lo VD
ВАБ
C1 0,001Ф
0,01 Ом 0,0005Гн VT
C2 0,001Ф
Generator
JUL
Система вентильного електродвигуна
Scope
Рис. 1. Схема iмiтацшно! моделi перетворювача напруги у складi електропривода з вентильним двигуном
n
m
Моделювання системи виконуеться на режимах пуску без навантаження, холостого ходу та тд заданим навантаженням двигуна М=37 Нм, за якого тдтримуеться швидкiсть обертання вала «=850 хв-1. Подача навантаження на електродвигун вiдбуваеться через 0,3 с тсля його вмикання.
1мггащю структурних пошкоджень силово! частини системи ЕП виконуемо шляхом пе-ремикання та обривiв И елементiв. У межах статп, для прикладу, проаналiзуемо декiлька несправних станiв перетворювача тдвище-но! напруги згiдно з наведеною схемою.
Iдентифiкацiю структурних пошкоджень системи проводимо на пiдставi аналiзу характеру перiодичних процесiв. При цьому спо-чатку проводимо суб'ективну ощнку незадовшьно! роботи системи, ставимо дiаг-ноз на пiдставi симптому (змша швидкостi обертання вала електродвигуна), а потм -апаратну дiагностику шляхом кшьюсно! ощ-нки дiагностичного параметра за результатами спектрального аналiзу часових функцiй струму ВАБ.
Результати дослщжень
Пiсля активiзацil моделi отримано осцило-грами означених функцш для справного та несправних сташв системи (рис. 2). При ана-лiзi механiчних процесiв розглядаються окремi режими (дiлянки дiаграм). Результати аналiзу показують таке.
Для справно! системи (рис. 2, а) на перюд пуску двигуна ¿<0,05 с тсля вмикання жив-лення вiдбуваеться кидок струму, спричине-ний пусковим моментом та зарядом емност С1. Амплггудш значення струму обмежують-
ся, в основному, внутршшм опором ВАБ. При цьому швидюсть обертання ротора зрос-тае до постiйних обертв холостого ходу. Да-лi, в перюд холостого ходу (0,05<<0,3 с), середш значення струму споживання станов-лять одиницi ампер, а оберти ротора електродвигуна тдтримуються на заданому рiвнi («=850 хв-1).
Пюля подачi навантаження на вал двигуна (¿>0,3 с) струм споживання (розряду ВАБ) тдвищуеться та перiодично змшюеться вщ-повiдно до значень обертового моменту. Ку-това швидкiсть вала ротора також мае незна-чш коливання з частотою змiни миттевих значень обертового моменту, дiючi значення якого визначаються моментом опору (зада-ним навантаженням).
Обрив кола конденсатора (рис. 2, б) практично не призводить до змши обертв «, i тому симптом несправносп не рееструеться.
У разi порушення кола транзисторного ключа (рис. 2, в) напруга живлення швертора дорiвнюе напрузi ВАБ. При цьому пуск i хо-лостий хщ електродвигуна вiдбуваються без симптомiв, а тд навантаженням оберти вала п спадають до 610 хв-1 на холостому ходу та виникае деяка нерiвномiрнiсть обертання.
Пробш дiода (рис. 2, г) викликае шунтування перетворювача напруги, струм ВАБ обмежу-еться тшьки резистивним опором кола живлення. Недостатнш момент на холостому ходу повшьно i нерiвномiрно обертае ротор двигуна iз середньою швидюстю п=30 хв-1. Пiд навантаженням (у цьому випадку) електродвигун зупиняеться. Таким чином, на тд-ставi симптомiв iдентифiкуються несправно-сп, що призводять до статичного стану перетворювача напруги.
/'б, А
n, хв
t, с
t, с
Рис. 2. 4acoBi функцп швидкосп обертання вала електродвигуна та струму розряду ВАБ в тех-шчних станах системи: а - справно!; б - з обiрваним конденсатором C1; в - при перетво-рювачi напруги, що не працюе; г - з пробитим дюдом
Варто розумiти, що несправностi, яю не щен-тифiкуються за симптомами незадовшьно! роботи ЕП, призводять до зниження енерге-тичних якостей силово! установки (тдви-щення витрати палива в пбридах, скорочен-ня автономного пробку в електромобiлях). Тому, щоб вiдокремити несправний стан системи з обiрваним конденсатором (рис. 2, б) вщ справного, треба провести спектральний аналiз функцп струму ВАБ, характер змши яко! мае навггь якiснi вiдмiнностi.
Для проведення спектрального аналiзу методом «Швидке перетворення Фур'е» (FFT-аналiзу) обранi певш опцп настроювання FFT аналiзатора (t0 - момент початку вiдлiку; At - перiод вiдлiку; F - фундаментальна частота, що визначае стутнь дискретизацп спектрально! характеристики; Fmax - частота верхньо! гармошки спектрально! характеристики), яю забезпечують задовiльну шформа-тивнiсть для кожного з трьох режимiв.
На рис. 3 показано спектрограми, отримаш тд час пуску електродвигуна. У полi рисун-кiв позначено амплiтуди базових гармошк IA(FF) i коефiцiенти гармошк THD функцiй струму на вщповщних режимах.
На осях ординат спектральних характеристик вiдкладено вiдсоток вiд амплггуди базово! гармонiки %FF. Отже, абсолютш дискретнi значення амплiтуди кожно! у-! гармонiки функцi! струму пропорцiйнi !х ординатам IA(/j)=%FF(/j)•FF/100 А. Як параметри, що дозволяють розрiзнити стани системи за результатами спектрального аналiзу, розгляда-ються: спектральний склад 1А$), коефiцiент гармонiк THD та фазовий зсув гармонiк. Аналiз отриманих спектрограм дозволяе ска-зати наведене нижче.
Спектрограми функцш пускового кидка струму для вшх технiчних станiв, що розгля-даються, рiзняться за амплггудними показни-ками та дозволяють розрiзнити всi технiчнi стани системи, що розглядаються.
г
%
800 600 400 200 0
% 600
а 00 ЗОЙ 20G ЮС
Ia(200HZ)=14,1 THD=177 %
у
f, с
100 200
400
600
f Гц
100 200
400
600
f, Гц
%
500400 300200 100 0
%
100
80
60
40 20
400 300 200 100
Ia(200HZ)=18,4 THD=52 %
f, с
¡ми»;—
100 200
400 б
600
f, Гц
550 500 4-50 400 350 300 250
Ia(200HZ)=34,8 THD=45,55 %
О 0.05 '
i I ........
100 200
400
600
f, Гц
Рис. 3. Спектральний склад часових функцш струму в колi живлення тд час пуску електродви-гуна у техшчних станах системи: а - справно!; б - з обiрваним конденсатором С1; в - при перетворювачi напруги, що не працюе; г - з пробитим дюдом
На режимi холостого ходу стан з обiрваним конденсатором вiдокремлюеться вщ справного стану за рiвнями постiйно! складово! та гармонiки /=20 кГц (рис. 4, а i б).
Останнi два стани, на перший погляд, яюсно не розрiзняються, але кiлькiсно рiзняться за
амплггудними значеннями складових i кое-фщентом rapMOHÍK (рис. 4, в i г). Щц час фу-нкцюнування ЕП пiц навантаженням спект-рограми техшчних сташв, що розгляцаються, рiзняться мiж собою i за яюсними, i за кшькь сними показниками (рис. 5).
0
0
0
0
0
в
г
%
%
40 20 0
Ia( 1000Hz)=0,0055 THD=1901,7 %
f, с
О 15
0.2
0 0,4 0,8 1,2 1,6 f х104, Гц
Ia( 1000Hz)=0,1923 THD=93 %
0.15 0.2
f, с
П П П П п I
0 0.4 0.8 1.2 1.6 /хЮ4. Гц
%
x104 10
%
80 60
40 20 0
Ia( 1000Hz)=0,0046 THD=142347 %
0.15 0.2
0 0,4 0,8 1,2 1,6 f х104, Гц
б
Ia(1000HZ)=0,03251 THD=79,4 %
lili
0.15 0.2
f, с
0 0.4 0.8 1.2 1.6 /хЮ4. Гц
Рис. 4. Спектральний склад часових функцш струму в колi живлення в перюд холостого ходу електродвигуна в техшчних станах системи: а - справно!; б - з обiрваним конденсатором С1; в - при перетворювачi напруги, що не працюе; г - з пробитим дюдом
5
f, с
0
0
а
г
в
% -
1600012000. 8000"
4000" 0
% x104
Ia( 1000Hz)=0,073 THD=142,1 %
ii.ihii.iii .I„..i ,i.
X
%
50004000 3000
2000 1000 0
:
Ia( 1000Hz)=0,2187 THD=2376,74 %
D.S 0.7
J_ t, с
ll.lllllll.....In.
0 100 200 400
600 800 f Гц
0 100 200 400
600
800 f Гц
t, сек
0.6
0 7
.mill
11 ■! I.... I ..
Ia(1000HZ)=0,0327 THD=112,12 %
%
8000
6000 4000
2000
0
Ia( 1000Hz)=0,01726 THD=79,19 %
llllllll......
t, с
1111111 ■ ■ ................... Ill
0 100 200 400
600
800 ¿Гц 1 0 100 200 400
600
800 f, Гц
Рис. 5. Спектральний склад часових функцш струму в колi живлення при функщонуванш елек-тродвигуна пiд навантаженням у техшчних станах системи: а - справно!; б - з обiрваним конденсатором С1; в - при перетворювачi напруги, що не працюе; г - з пробитим дюдом
б
а
2
1
0
г
в
Зрозумшо, що щентифшащя сташв за спект-ральним складом, яка пiдтверджуe реестра-цiю несправностей за симптомами, не е над-лишковою, тому що в наведених прикладах розглядаються не вс можливi технiчнi стани системи, де ця шформащя буде в нагодг
Висновки
Для локалiзацii несправносп у силових колах електропривода поряд з аналiзом симптомiв 'х прояву доцшьно проводити спектральний аналiз часових функцш струму живлення на рiзних режимах функцюнування системи.
Iнформативнiсть спектрограм як характеристика дiагностичного параметра визначаеться опщями настроювання FFT аналiзатора. Цi опцп призначаються спираючись на таю рекомендаций Верхню границю частоти спектра Fmax варто обирати вщповщно до максимально' частоти комутацп струму перетворювача (на данш моделi Generator - 20 кГц), а перюд дискретизацп спектрально' характеристики та, вщповщно, фундаментальну частоту F -кратними до швидкосп обертання електрод-вигуна та, вщповщно, i частоти перемикання ключiв iнвертора з урахуванням числа фаз машини.
Лггература
1. Бороденко Ю.М. Концепцiя дiагностики
електропривода гiбридного автомобiля / Ю.М. Бороденко, А.В. Черевач // Автомобильный транспорт: сб. науч. тр. -2012. - Вып. 30. - C. 59-64.
2. Бороденко Ю.М. Якюний аналiз гармонш-
них процешв по колах живлення електропривода автомобшя / Ю.М. Бороденко, О.А. Дзюбенко, О.Д. Приходько // Автомобиль и электроника. Современные технологии: электронное научное специализированное издание. - 2015. -№.7 - C. 158-163.
3. Бороденко Ю.М. Спектральний аналiз еле-
ктричних процешв по колах живлення електропривода автомобшя / Ю.М. Бороденко, С.В. Тршкин // Автомобиль и электроника. Современные технологии: электронное научное специализированное издание. - 2015. - №8. - C. 6-11.
Рецензент: Ю.В. Батипн, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакци 01 квггня 2016 р.
