CC BY
9
equation for changing the temperature of the conductor and to quantify the thermal effect of the electric current in the Matlab environment, a computer model of a section of an electrical network with a voltage of up to 1000 V was built with blocks for modeling thermal systems and control algorithm of the block for modeling thermal systems. The constructed model allows presenting the results of changes in the temperature of the conductor and a quantitative assessment of the thermal effect of the electric current in the form of a graphical dependence.
Key words: conductor, temperature, load current, computer model.
Tavarov Saijon Shiralievich, candidate of technical sciences, docent, taba-rovsaid@ mail.ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University (National Research University),
Kosimov Bakhtiyor Ismatulloevich, candidate of technical sciences, head of department, [email protected], Tajikistan, Bokhtar, Institute of Energy of Tajikistan
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-5-379-385
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В БОРТОВОЙ СЕТИ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ПИТАЮЩЕГО НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
У.В. Брачунова, В.Н. Козловский, М.В. Шакурский, А.В. Крицкий
В работе представлены результаты исследования перенапряжений в бортовом электротехническом комплексе легкового автомобиля при различных уровнях номинального напряжения бортовой сети.
Ключевые слова: легковой автомобиль, бортовой электротехнический комплекс, коммутация.
Изменение уровня напряжения бортсети оказывает непосредственное влияние на величины перенапряжений, возникающих при различного рода коммутациях. Это связано с изменением параметров большинства потребителей электроэнергии и параметров системы электропитания.
Известно, что ЭДС самоиндукции, наведенная в индуктивном контуре с током при изменении последнего, определяется законом электромагнитной индукции
e = -L-, (1)
dt v '
где L - индуктивность контура; di/dt - скорость изменения тока.
При повышении напряжения бортсети в случае сохранения номинальной мощности потребителей ток его пропорционально уменьшается, а индуктивности потребителей растут. Для оценки роста индуктивности якорных обмоток двигателей постоянного тока можно воспользоваться приближенной формулой Уманского-Линвилля [1, 2]
, (2) т « Я-П
где Lя - индуктивность рассеяния якорной цепи электротдвигателя; = — - угловая
скорость ротора; p - число пар полюсов; Uн; ^ - номинальное напряжение и ток электродвигателя; n - номинальная частота вращения; у = 0,6 для некомпенсированных и Y = 0,25 - для компенсированных электродвигателей.
Так как подавляющее большинство электродвигателей современных автомобилей имеют возбуждение от постоянных магнитов, полная эквивалентная индуктивность двигателя Ь равна индуктивности якорной обмотки, т.е. Ь = Ьл.
Относительное изменение индуктивности электродвигателей при изменении номинального напряжения будет равно
_ _ У^Н2^2^Н2^Н2 _ Ут/Ут _ (3)
т * т т * т *
где Ь , ин , 1н - относительные значения одноименных величин.
По условиям сравненияр1 = р2; юш = юш.
Так как потребляемый ток при неизменной мощности двигателя обратно пропорционален напряжению питания, то из формулы (3) следует, что индуктивность электродвигателя изменяется пропорционально квадрату изменения питающего напряжения (Ь = и£). Если увеличить номинальное напряжение бортсети в два раза, индуктивность двигателя будет равна
Ь2= = (4)
т.е. увеличится в 4 раза.
Для реле, втягивающих электромагнитов и т.п. условием сравнения является постоянство потребляемой мощности Р, потерь в катушке Рк и намагничивающей силы F, т.е.
=Р2> Рк1 =Рк2> =?2.
Отсюда следует, что плотность тока в катушке должна быть неизменной (р= ]2), сечение проводника катушки q должно изменяться обратно пропорционально, а число витков в катушке W - прямо пропорционально, т.е.
= и (5)
Индуктивность многослойной цилиндрической катушки можно определить по формуле
1 _ 0,16 •ГсЧГ'2- (6)
где гс - средний радиус катушки (см); 1к - длина катушки (см); Ьк - толщина намотки (см).
Она пропорциональна квадрату витков катушки.
С учетом соотношений (5) можно записать
Ьк = и2. (7)
Таким образом, индуктивность катушек также как и индуктивность электродвигателей изменяется пропорционально квадрату изменения напряжения питания.
Бортсеть постоянного тока можно представить в виде последовательно включенных суммарной индуцтивности потребителей Ь, суммарного их сопротивления R и напряжения на дуговых промежутках ид, возникающих при размыкании цепи под током с помощью коммутационных реле.
+ = (8)
Отсюда напряжение дуги равно:
= (9)
Величина Цд есть величина перенапряжения коммутации, определяемая суммарной индуктивностью цепи и скоростью разрыва тока. Последняя зависит от многих обстоятельств и точное определение её затруднено.
Если ток при гашении дуги разрыва изменяется во времени по линейному закону,
'д = /о(1 - (I0)
где /0 - установившееся значение тока в цепи до коммутации; - время гашения дуги, то перенапряжение, возникающее на коммутирующих контактах, будет равно [3]:
(11)
При параболическом законе изменения тока
(12)
перенапряжение
(13)
Если предположить, что время гашения дуги для различных уровней бортового напряжения одно и то же, амплитудные значения перенапряжений пропорциональны напряжению бортсети. Действительно, из (11) и (12) имеем
В реальном случае время гашения дуги не остается постоянным при изменении напряжения. При более высоком номинальном напряжении необходимо увеличить раскрытие контактов коммутационных аппаратов, в связи с чем скорость их расхождения должна увеличиться (при том же ходе якоря). Это ведет к увеличению скорости изменения тока и ещё большему росту перенапряжений.
Вторым существенным источником перенапряжений является генераторная установка. Индуктивность якорных обмоток генератора при повышении напряжении растет в квадратичной зависимости, а емкость аккумуляторной батареи уменьшается линейно.
Перенапряжения на выходе генераторной установки могут возникнуть при отказе регулятора напряжения. В случае пробоя выходного каскада регулятора ток возбуждения увеличивается до величины, ограниченной только сопротивлением обмотки возбуждения, и при холостом ходе генератора будет иметь место так называемое напряжение сброса. Оно целиком определяется характеристикой холостого хода машины и уровнем насыщения магнитной цепи. При принятых условиях сравнения величина этого перенапряжения будет пропорциональна изменению номинального напряжения бортсети, т.е. им = к.
При разрыве цепи возбуждения перенапряжения будут определяться индуктивностью обмотки возбуждения и скоростью изменения тока. При сохранении прежней обмотки возбуждения (питания цепи возбуждения от отпаек фазных обмоток или от специальных обмоток, уложенных на статоре) перенапряжения не будут существенно зависеть от изменения номинального значения напряжения бортсети. В случае использования специальных высоковольтных регуляторов перенапряжения могут существенно возрасти (пропорционально квадрату отношения витков прежней и новой обмотки возбуждения).
При отключении аккумуляторной батареи перенапряжения зависят от коммутационных процессов в выпрямительном блоке и нагрузке. Они могут достигать 150...200 В [4] при длительности 100...200 м.с. В этом случае можно воспользоваться выражениями (2.74) или (2.76), следовательно, величина перенапряжения будет также определяться кратностью изменения номинального напряжения.
Согласно [5], все автомобильные электронные изделия должны сохранять работоспособность при повышении допустимых значений напряжения в системе электроснабжения в аномальных режимах эксплуатации (перенапряжение).
Для системы с напряжением 12 В при отключенной аккумуляторной батарее в зависимости от длительности воздействия аппараты и элементы должны выдерживать импульсы перенапряжения, указанные в таблице.
(14)
7 и2
где к = — - кратность изменения номинального напряжения.
Таблица импульсов перенапряжений
Имп. перенапряжения, В 150 112 62 42 21
Длительность, мс 0,3103 10-10"3 0,3 10 300
Это требует как использования различных специальных решений по защите полупроводниковых элементов, так и выбора элементов, рассчитанных на более точное напряжение (транзисторов, диодов и т.п.) [4]. при номинальном напряжении 12 В импульсное напряжение может достигать 42 В при длительности воздействия до 10 мкс, 28 В при длительности до 0,3 мс, 23 В при длительности воздействия до 10 мс.
Импульсы перенапряжений малой длительности (до 10 мс) обусловдены использованием источников малой мощности с полным внутренним сопротивлением в пределах 4...40 Ом [6]. Основной возможный результат воздействия - электрический пробой электронных изделий и сбои в работе цифровых систем. Импульсы большой длительности обусловлены переходными процессами в системе электроснабжения и характеризуются внутренним сопротивлением около 1 Ом.
Обычно для обеспечения работоспособности электронных систем зажигания выбирают элементную базу, работоспособную по ТУ при напряжениях до 150 В. В тех случаях, когда это по тем или иным причинам выполнить невозможно, принимают стабилизированные с помощью, например, низковольтных стабилитронов системы питания.
Выходные каскады транзисторных систем (системы с накоплением энергии в магнитном поле катушки зажигания) необходимо защищать от еще более значительных дополнительных перенапряжений, возникающих в первичной цепи катушки зажигания.
Напряжение в сети автомобиля кратковременно в нормальных режимах может превышать в 4 раза номинальное напряжение [6]. В этом случае вследствие неполной магнитной связи между первичной и вторичной обмотками катушки зажигания существенно увеличиваются импульсы напряжения при переходном процессе в первичной цепи катушки зажигания. Это напряжение значительно превышает допустимое даже для высоковольтного транзистора напряжения, и он выходит из строя. Для исключения пробоя выходного транзистора применяют различные элементы защиты (стабилитроны, варисторы и т.п.) с нелинейной зависимостью внутреннего сопротивления от напряжения [4].
Статистика отказов систем зажигания показывает [7, 8], что на долю транзистора выходного каскада транзисторных систем зажигания приходится 70...80 % всех отказов, на долю стабилитрона -15.20 %. Остальные элементы схемы отказывают в работе чрезвычайно редко, и их отказ не всегда проявляется в нарушении работы системы зажигания [9, 10].
Транзистор выходного каскада системы зажигания должен обладать следующими свойствами:
1. Граничное напряжение, которое является основным параметром, определяющим коэффициент трансформации катушки зажигания, силу тока разрыва и индуктивность первичной обмотки, должно быть возможно большим (не менее 400 В, а для перспективных систем 600 В).
2. Транзистор должен выдерживать воздействие импульсов повышенного напряжения (более 400 В) на участке эмиттер-коллектор и на коллекторном переходе. Транзисторы должны быть стойкими ко вторичному пробою в этом режиме.
3. Импульсная ОМР транзисторов должна допускать работу транзистора при напряжении 400.600 В и силе импульсного тока коллектора 5.10 А при длительности импульса 20.50 мкс, а также должна допускать при напряжении 150 В силу тока 12.15 А при длительности импульса до 0,3 с.
4. Для стабилитронов, включаемых параллельно коллекторно-базовому переходу, напряжение стабилизации должно быть 300.400 В при силе тока 100 мА.
Учитывая требования к бортовым электронным системам и характер роста перенапряжений при увеличении номинального напряжения бортовой сети следует сделать вывод, сто при повышении напряжения питания требования к элементной базе бортовой электроники должны быть существенно повышены. Необходимо либо использовать комплектующие с пропорционально увеличенным допустимым уровнем напряжения, либо обратить особое внимание на защиту их от повышенных перенапряжений.
Если, например, поднять напряжение питания до 48 В, соответственно должны быть подняты требования, изложенные в [5]. В этом случае элементы электроники должны будут выдерживать напряжения до 600 В, а выходные транзисторы системы зажигания - до 2,5 кВ. В этой связи наиболее приемлемым является путь совершенствования защитных элементов и устройств. Нужно отметить также, что роль защитных разрядников в этом случае выполняют также контактные промежутки различных коммутационных аппаратов (реле, выключатели и т.п.), так как их межэлектродный промежуток является своеобразным разрядником с уровнем пробивного напряжения 300.. .400 В [3].
Однако пробой межконтактных промежутков может привести к выходу из строя коммутируемых этими элементами бортовых устройств.
Список литературы
1. Чиликин М.Г., Ключев В.И., Сандлер А.С. Теория автоматизированного электропривода: учеб.пособие. М.: Энергия, 1979. 615 с.
2. Андреев В.П., Сабинин Ю.А. Основы электропривода. 2-е изд.,перераб. М.: Госэнергоиздат, 1963. 772 с.
3. Таев И.С. Электрические контакты и дугогасительные устройства аппаратов низкого напряжения. М., Энергия, 1973. 423 с.
4. Поляк Д.Г., Есеновский-Лашков Ю.К. Электроника автомобильных систем управления. М.: Машиностроение, 1987. 199 с.
5. РТМ 37.003.031—83 «Изделия автомобильные электронные. Общие технические требования». М., 1983.
6. Опарин И.М., Купеев Ю.А., Белов Е.А. Электронные системы зажигания. М.: Машиностроение. 1987. 200 с.
7. Козловский В.Н., Дебелов В.В., Деев О.И., Колбасов А.Ф., Петровский С.В., Новикова А.П. Перспективные системы диагностики управления автономным транспортным объектом // Грузовик. 2017. № 6. С. 21-28.
8. Козловский В.Н., Айдаров Д.В., Васильев М.М., Дебелов В.В. Развитие электромобилей и автомобилей с комбинированной энергоустановкой // Грузовик. 2018. № 6. С. 18-21.
9. Дебелов В.В., Иванов В.В., Козловский В.Н., Строганов В.И. Моделирование электронной системы регулирования скорости движения легкового автомобиля в режимах поддержания и ограничения скорости // Электроника и электрооборудование транспорта. 2013. № 6. С. 2-7.
10. Козловский В.Н., Строганов В.И., Дебелов В.В., Петровский С.В. Моделирование энергоемких накопителей автомобильной комбинированной энергоустановки // Грузовик. 2018. № 11. С. 13-14.
Брачунова Ульяна Викторовна, аспирант, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Шакурский Максим Викторович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Крицкий Алексей Викторович, аспирант, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет
INVESTIGATION OF OVERVOLTAGES IN THE ON-BOARD NETWORK OF A PASSENGER CAR AT DIFFERENT LEVELS OF THE RATED SUPPLY VOLTAGE
U.V. Brachunova, V.N. Kozlovsky, M.V. Shakursky, A.V. Kritsky
The paper presents the results of a study of overvoltages in the on-board electrical complex of a passenger car at various levels of the rated voltage of the on-board network.
Key words: passenger car, on-board electrical complex, switching.
Brachunova Uliana Viktorovna, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Shakursky Maxim Viktorovich, candidate of technical Sciences, docent, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kritsky Alexey Viktorovich, postgraduate, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University
