CC BY
7
Kritsky Alexey Viktorovich, postgraduate, kritskiyav@yandex. ru, Russia, Samara, Samara State Technical
University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Kozlovskiy-76@mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Strizhakova Elena Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, a-ezhova@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Mosin Vladimir Dmitrievich, candidate of technical Sciences, docent, yanbacha@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.314.232
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-331-332
СТРУКТУРНОЕ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ КАК ЭЛЕМЕНТА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
В.Н. Аносов, В.М. Кавешников, Е.О. Орел
В работе проводится верификация разработанной авторами структурной схемы источника питания путём имитационного и структурного моделирования в программной среде Matlab/Simulink и сравнение результатов с экспериментальными характеристиками. Показана идентичность переходных процессов, полученных при моделировании и эксперименте. Погрешность результатов сравнительного анализа не превышает 5%.
Ключевые слова: однофазный трансформатор, холостой ход, переходные процессы, структурная модель, имитационная модель.
В настоящее время актуальными являются исследования транспортных средств (ТС) с гибридными и комбинированными энергоустановками, посвященные поиску наиболее приемлемых схемных и конструктивных решений, а также их алгоритмов управления.
Стремление создать более совершенные ТС привело к использованию бесконтактной передачи электроэнергии к транспортным средствам, что является широко исследуемой задачей [1-4]. В частности, технология бесконтактного электропитания от заложенного в дорожное полотно кабеля применяется рядом мировых инновационных компаний [5-8].
При математическом описании существующих или проектировании вновь создаваемых систем автоматического управления специалистами широко используются структурные схемы. Они дают наглядное представление о составе элементов системы, их взаимодействии между собой и облегчают процесс анализа и синтеза САУ.
В своей статье "Математическое описание источника питания для бесконтактного подвода энергии как элемента системы управления" [9] авторами данной работы разработана структурная схема однофазного двухобмо-точного трансформатора с воздушным зазором и сформулированы задачи дальнейших исследований, одной из которых является моделирование источника питания в программной среде МайаЬ/ЗтиЦпк и верификация предлагаемой структурной схемы.
Для оценки адекватности полученного математического описания предлагается провести сравнение результатов моделирования с экспериментальными характеристиками, приведенными в работах [10-12], в которых исследуются переходные процессы при включении трансформатора в сеть на холостом ходу.
Модели трансформатора. Структурная. В режиме холостого хода вторичная обмотка трансформатора разомкнута. Вследствие этого математическое описание электрических и магнитных процессов в операторном виде [9] претерпевает изменения и принимает вид:
иг = и^Фр + ¿0г1(Г1р + 1)
г = л1(г1 + 12)
F = '
Ф = Ь1Б1
где и1 - питающее напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора; w1 - число витков первичной обмотки; Ф - магнитный поток; £0 - ток холостого хода трансформатора; г1 - активное сопротивление первичной
обмотки; Т1 = Ь7Г1 - постоянная времени первичной обмотки; - индуктивность первичной обмотки; F - магнитодвижущая сила (МДС) трансформатора; - напряженность магнитного поля первичной обмотки; 11 и 12 - длина магнитопровода на стороне первичной и вторичной обмоток; Ь1 - магнитная индукция поля первичной обмотки; - площадь сечения магнитопровода трансформатора.
Структурная схема трансформатора в этом случае примет вид (рис. 1)
В данной структурной схеме зазор не учитывается, так как экспериментальные исследования проводились на трансформаторе, не имеющем воздушного зазора.
Полученная структурная схема представляет собой нелинейный объект управления, позволяющий исследовать переходные процессы тока холостого хода при пуске трансформатора из ненамагниченного состояния. Электрическая компонента представлена апериодическим звеном первого порядка. Магнитная компонента содержит нелинейность Ь1{К), представляющую собой кривую намагничивания магнитного материала сердечника первичной обмотки. Коэффициенты звеньев структурной схемы могут быть определены из каталожных данных выбранного однофазного трансформатора.
Уг,
(TiP + 1)
d dt w, Ф bi(fc) hl l F wl
i, + i2
Магнитная компонента
Рис. 1. Структурная схема модели трансформатора с воздушным зазором в режиме холостого хода
Моделирование производится с использованием решателя Дорманда-Принца (ode45) с переменным шагом [13].
Имитационная: стандартная с учётом нелинейности и собранная на элементах Simscape. Программное обеспечение Matlab [14] позволяет моделировать физические процессы в среде Simulink, в состав которой входит библиотека Simscape. Элементы данной библиотеки представляют собой математические репрезентации реальных устройств и конструктивных элементов, позволяющие моделировать процессы с высоким уровнем точности.
Для исследования переходных процессов при пуске трансформатора в режиме холостого хода был использован стандартный блок Simscape Nonlinear Transformer [15]. Этот блок позволяет моделировать магнитную компоненту трансформатора различными способами: линейная BH-характеристика, линеаризованная BH-характеристика с точкой насыщения, кривая Ф(/), нелинейная BH-характеристика, нелинейная BH-характеристика с учётом гистерезиса.
Имитационная модель трансформатора с нелинейным сердечником для исследования в режиме холостого хода представлена на рис. 2. Цепь запитана от источника переменного напряжения, во вторичную обмотку трансформатора добавлен разрыв. Измерители напряжения и тока с элементами согласования сигналов для блоков Simscape и Simulink реализованы в виде подсистем и интегрированы в схему. В данной статье интерес представляют только показатели первичной обмотки, т.к. напряжение и ток на вторичной обмотке будут равны нулю. Моделирование производится с использованием решателя DAE для Simscape [16].
Рис. 2. Имитационная модель трансформатора с нелинейным сердечником для исследования
в режиме холостого хода
Параметры исследуемого трансформатора. Для подтверждения верности построенной структурной схемы при моделировании использовался однофазный трансформатор (ТОСМ, 1.5кУА) в режиме холостого хода [10], параметры которого представлены в таблице. Обозначения некоторых параметров трансформатора, принятые в таблице, поясняются рис. 3. Кривая намагничивания для стали 2212 взята из справочника [17].
Основные параметры трансформатора
Параметр Обозначение Значение
Мощность, ВА с иnoh 1500
Длина стержня, мм Ii 160
Длина ярма, мм Ly 80
Площадь сечения, мм2 Si =Sy = Sг = s2 2714
Длина обмотки, мм Lw 89
Ширина обмотки, мм Ww 59
Высота обмотки, мм к 114
Толщина обмотки, мм Tw 15
Номинальные напряжения, В U1/U2 220/110
Число витков обмоток w1/w2 290/154
Сопротивления обмоток, Ом ?i/r2 0.484/0.133
Сталь магнитопровода Марка 2212 (M530-50A)
Магнитная проницаемость магнитопровода, Гн/м ß 1.26 * 10~4
Магнитная постоянная, Гн/м ßo 4n * 10~7
Индукция в точке насыщения ВН-характеристики h 0.7
магнитопровода, Т "^нас
Параметр
Напряженность магнитного поля в точке насыщения BH-характеристики магнитопровода, A/м Коэффициент обратимой намагниченности стали Коэффициент объемной связи, A/м Коэффициент междоменной связи Безгистерезисный градиент BH, когда H равен нулю, м*Т/А
Обозначение
Окончание таблицы
Значение
^нас С к а
7Ь(0)
96
0.7 270
то-4 8.8*10-3
Рис. 3. Трансформатор ТОСМ, 1.5kVA
Принято допущение, что длина магнитопровода на стороне первичной и вторичной обмотки одинакова:
11 = 12=11 + 1у = 240 мм. Для эксперимента в режиме холостого хода зазор 11 = 0 мм.
Индуктивность квадратной катушки первичной обмотки была рассчитана следующим образом [18]:
¿1 =
W
Л /2LwWw\ 1 | 0. V \hw+TwJ 2
d =
447(hw+Tw)+2d-Wwln(Ww+d)-Lw In (L„+d)
0.0027 Гн.
Постоянная времени первичной обмотки трансформатора:
Результаты моделирования. Имитационная модель была настроена для исследования переходных процессов с учётом гистерезиса в магнитной компоненте. Полученный в результате моделирования переходный процесс (рис. 4) качественно и количественно совпадает с результатами, представленными в [10] (показаны в правом верхнем углу данного рисунка).
Следовательно, можно сделать вывод о правильности собранной схемы имитационного моделирования и возможности использования показателей блока Simscape Nonlinear Transformer в качестве эталонного образца для дальнейших исследований.
Рис. 4. Ток первичной обмотки в режиме пуска на холостом ходу (стандартная модель Simscape Nonlinear Transformer c учётом гистерезиса)
В задаче автоматического управления специальным транспортным средством, поставленной в [9], эффект от гистерезиса невелик, т.к. система работает в продолжительном режиме и сердечник успевает намагнититься. Таким образом, магнитная компонента системы может быть представлена в виде кривой намагничивания.
Для подтверждения правильности составления структурной схемы было проведено сравнение переходных процессов при пуске структурной и имитационной моделей (рис. 5). При этом магнитная компонента имитационной модели была изменена на нелинейную BH-характеристику стали 2212 [8].
333
и 12 10 - Г ■
Структурно ЯШ Имитацномндо
1
о ooi atn ооз он ом о® ш ооа ооэ oi
t,c
Рис. 5. Токи первичной обмотки трансформатора в режиме пуска на холостом ходу для структурной и имитационных моделей с магнитной компонентой без учёта гистерезиса
Из рис. 5 следует, что кривые переходных процессов в структурной и имитационной моделях идентичны. При этом качественная картина совпадает и с результатами, полученными другими авторами [11-12]. Абсолютные пиковые величины тока отличаются не более, чем на 5%.
На основании полученных результатов можно сделать вывод о верности составленной в работе [9] структурной схемы.
Выводы. В данной работе была верифицирована правильность построенной структурной схемы однофазного трансформатора путём исследования броска тока намагничивания при включении трансформатора в сеть в режиме холостого хода, что даёт основание для её использования при математическом описании системы тягового электропривода ТС.
Предметом дальнейших исследований является проверка влияния величины магнитного зазора в магни-топроводе на характеристики трансформатора и возможность его использования в качестве источника питания для бесконтактного подвода электроэнергии к специальным транспортным средствам.
Список литературы
1. Герасимов В. А., Копылов В. В., Кувшинов Г. Е., Наумов Л. А., Себто Ю. Г., Филоженко А. Ю., Чепу-рин П. И. Математическая модель устройства для бесконтактной передачи электроэнергии на подводный объект // Подводные исследования и робототехника. 2012. № 2. С. 28-33.
2. Чашко М.В., Демченко Г.В., Цыганков В.А. Бесконтактное электроснабжение транспортных машин будущего // Донбасс-2020: перспективы развития глазами молодых ученых / Материалы I Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 2002, С. 440-444.
3. Chun T. Wireless Power Transfer Systems for Roadway-powered Electric Vehicles // IEEE Transportation Electrification Community [Электронный ресурс] URL: https://tec.ieee.org/newsletter/september-october-2014/wireless-power-transfer-systems-for-roadway-powered-electric-vehicles (дата обращения: 21.10.2022).
4. Wireless Electric Vehicle Charging // The National Renewable Energy Laboratory. [Электронный ресурс] URL: https://www.nrel.gov/transportation/wireless-electric-vehicle-charging.html (дата обращения: 21.10.2022).
5. wPower. Contactless Power Supply // VAHLE Inc.: Mobile Electrification, Conductor Bar & Cable Festoon Systems Manufacturer. [Электронный ресурс] URL: https://www.vahleinc.com/docs/catalogs/vPower Contactless Power Transfer.pdf(дата обращения: 21.10.2022).
6. Inductive Power Transfer // Conductix Wampfler Global : We move your business. [Электронный ресурс] URL: https://www.conductix.com/en/product-groups/inductive-power-transfer (дата обращения: 21.10.2022).
7. Wirelesly Charge Electric Vehicles // Electreon: Shared, invisiblewireless charging infrastructure. [Электронный ресурс] URL: https://electreon.com (дата обращения: 21.10.2022).
8. MOVITRANS®: Contactless Energy Transfer system for Industry // SEW Eurodrive: Driving the world. [Электронный ресурс] URL: https://www.sew-eurodrive.ru/products/contactless energy transfer system/ contactless energy transfer system movitrans/contactless energy transfer system movitrans.html (дата обращения: 21.10.2022).
9. Аносов В.Н., Кавешников В.М., Орел Е.О. Математическое описание источника питания для бесконтактного подвода энергии как элемента системы управления // Доклады АН ВШ РФ, 2018. № 4(41). С. 44-51.
10. Кружаев А.В., Елагин И.А., Павлейно М.А., Дмитриев В.А., Чалый А.М. Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование переходных процессов в однофазном трансформаторе напряжения // Журнал технической физики, 2015, том 85, вып. 2, С. 31-38.
11. Котенев С., Евсеев А. Переходные процессы при включении трансформатора в сеть с синусоидальным напряжением // Силовая электроника, 2005, № 4, С. 34-37.
12. Лурье А.И. Процесс включения трансформатора на холостой ход и короткое замыкание // Электротехника, 2008, № 2. С. 2-18.
13. Solve Nonstiff Differential Equations - Medium Order Method - MATLAB ode45 // The MathWorks, Inc.: Accelerating the pace of engineering and science. [Электронный ресурс] URL: https://www.mathworks.com/help/matlab/ref/ode45.html (дата обращения: 21.10.2022).
14. MATLAB & Simulink // The MathWorks, Inc.: Accelerating the pace of engineering and science. [Электронный ресурс] URL: https://www.mathworks.com/products/matlab.html (дата обращения: 21.10.2022).
15. Transformer with non-ideal core // The MathWorks, Inc. : Accelerating the pace of engineering and science. [Электронный ресурс] URL: https://www.mathworks.com/help/sps/ref/nonlineartransformer.html?s tid=doc ta (дата обращения: 21.10.2022).
16. Best Practices for Simulating with the daessc Solver // The MathWorks, Inc. : Accelerating the pace of engineering and science. [Электронный ресурс] URL: https://www.mathworks.com/help/simscape/ug/best-practices-for-using-the-daessc-solver.html (дата обращения: 21.10.2022).
17. Основная кривая намагничивания. Сталь марки 2212 // Студопедия.нет : Информационный студенческий ресурс. [Электронный ресурс] URL: https://studopedia.net/3_34617_osnovnaya-krivaya-namagnichivaniya-stal-marki-.html (дата обращения: 21.10.2022).
18. Расчёт индуктивности. Часть 3 // Home Electronics: Обучающие статьи по электронике. [Электронный ресурс] URL: https://www.electronicsblog.ru/nachinayushhim/raschyot-induktivnosti-chast-3.html (дата обращения: 21.10.2022).
Аносов Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, anosovvn@gmail.com. Россия, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет,
Кавешников Владимир Михайлович, канд. техн. наук, доцент, vldi@yandex.ru, Россия, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет,
Орел Егор Олегович, аспирант, eg.orel@ya.ru, Россия, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет
STRUCTURAL SIMULATION MODELING OF POWER SUPPLY AS A CONTROL SYSTEM ELEMENT
V.N. Anosov, V.M. Kaveshnikov, E.O. Orel
Verification of a structural diagram of a power source developed by authors was carried out in the paper. Verification was carried out by a Simscape simulation and structural modeling in the Matlab/Simulink software environment. Results obtained are compared with an experiment. The identity of transition processes obtained by simulation and experiment is shown. An error of comparative analysis results does not exceed 5%.
Key words: single phase transformer, idling, transition processes, structural model, simulation model.
Anosov Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, anosovvn@gmail. com, Russia, Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University,
Kaveshnikov Vladimir Mikhailovich, candidate of technical sciences, docent, vldi@yandex. ru, Russia, Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University,
Orel Egor Olegovich, postgraduate, eg.orel@ya.ru, Russia, Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University
УДК 681.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-7-335-336
ПРОБЛЕМЫ ПРЕДЕКТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ И АНАЛИТИКИ
А.А. Брюхова
В статье рассмотрены трудности, с которыми на сегодняшний день сталкиваются предиктивная техническая диагностика (прогностика) и аналитика. Кратко описывается назначение прогностики, принципы её работы, этапы разработки программного обеспечения, а также историческое развитие технического обслуживания энергетического оборудования и переход к методам мониторинга и прогнозирования неисправностей.
Ключевые слова: предиктивная диагностика, машинное обучение, аналитика, автоматизация, прогнозы, энергетическое оборудование.
В различные исторические периоды основными целями технического обслуживания оборудования, в частности энергетического, являлись предотвращение аварийных ситуаций, сокращение экономических затрат, повышение эффективности производства, а также минимизация человеческого фактора.
Предиктивная диагностика отвечает каждому из описанных пунктов. Благодаря комплексу прогностики и аналитики возможно принятие своевременных решений по техническому обслуживанию во время эксплуатации оборудования.
Несмотря на практичность и инновационность методов, применяемых при разработке прогностического программного обеспечения (ПО), данная область не является совершенной. Прогностика всё ещё в процессе изучения и совершенствования, поэтому не лишена недостатков.
Каждый компонент прогностики, а именно: сбор данных, исследовательский анализ и предиктивное моделирование, обладают рядом проблем, которые сегодня пытаются решить все участники предиктивной диагностики.
