АНАЛИЗ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АКБ И АД НА АТС С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

ANALYSIS OF METHODS FOR MONITORING THE STATE OF LEAD-ACID BATTERIES AND ASYNCHRONOUS MOTORS AS PART OF A VEHICLE WITH ELECTRIC DRIVE

Oleg Tishchenko

undergraduate, Department of Electrical Engineering and Electronics, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

В данной работе проводиться анализ реализации контроля технического состояния свинцово-кислотного АКБ и асинхронного двигателя в составе бортовой электросети автотранспортного средства. Рассмотрены особенности работы АКБ в составе автотранспортного средства с электроприводом. Дана оценка использования свинцово-кислотных АКБ в составе электромобиля. Предложена конструкция устройства, реализующего функционал, рассмотренный в работе. Рассмотрены алгоритмы работы устройства при диагностики различных неисправностей работе АКБ и двигателя.

ABSTRACT

In this paper, an analysis is made of the implementation of monitoring the technical condition of a lead-acid battery and an asynchronous motor as part of an on-board electrical network of a vehicle. The features of the operation of the battery as part of a motor vehicle with an electric drive are considered. An assessment is given of the use of lead-acid batteries as part of an electric vehicle. The design of the device that implements the functionality considered in the work is proposed. The algorithms of the device operation in diagnosing various faults in the operation of the battery and the engine are considered.

Ключевые слова: неисправности асинхронного двигателя; блок защиты АКБ; анализ технического состояния; АЧХ асинхронного двигателя.

Keywords: malfunctions of the asynchronous motor; battery protection unit; analysis of the technical condition; frequency response of an asynchronous motor.

Введение. Анализ [1-2] указывает: свинцово-кислотные АКБ применяются в составе боратовой электросети автомобильного транспорта с электроприводом. В сравнении с Li-Ion аккумуляторами, традиционные АКБ используются для работы дополнительного оборудования АТС, силовая установка питается от батарей Li-Ion.

В функционал свинцовых АКБ входит также раскрутка старте-генератора, ускоряющая и облегчающая процесс старта машины переменного тока АТС. Существуют конструкции, при которых энергия кислотных АКБ передаётся на этапе пуска электрической машине, а также при некоторых ситуация полностью заменяет собой LI-Ion аккумуляторы.

Учитывая подверженность таких АКБ сульфатации, старение при использовании на электромобилях наступает раньше, чем Li-Ion решений. Ускоренное старение вызывает необходимость контроля технического состояния АКБ, во время эксплуатации АТС, а не только при диагностике АТС. Наиболее важным при контроле АКБ на электромобиле является параметр заряда, доступного от номинального. Задача нахождения уровня заряда в большинстве рассматриваемых АТС решена на блоке защиты АКБ от критического разряда [3] (предупреждающая ускоренную сульфатацию).

Анализ АЧХ неисправного АД. Наиболее частыми причинами неисправности силовой установки электромобиля являются [4]:

1. Замыкание между соседними витками обмотки 15%
2. Замыкание между обмотками 11%
3. Замыкание между обмоткой и нейтралью (корпусом) АТС 11%
4. Отсутствие электрической связи между клеммами одно обмотки (полная потеря обмотки) 8%

Каждая из неисправностей имеет своё, специфичное только для нее, влияние на графике тока электродвигателя. Рассмотрены графики, указывающие на артефакты, возникающие при обрыве фазы двигателя и отсутствии изоляции между соседними витками одной фазы двигателя, такие графики представлены на рисунке 1.

Рисунок 1. АЧХ асинхронной машины переменного тока: а) с повреждением изоляции витков на оной фазе, б) при отсутствии одной фазы.

Результаты работ [5] описывают подробно артефакты, возникающие на АЧХ линии питания АД при наличии неисправностей последнего.

Существуют различные походы к конструктивной реализации блоков защиты АКБ от критического разряда, но наличие датчиков тока обязательно для любого из них. Учитывая безусловное наличие датчиков тока, анализ состояния АД реализуется на нём же, что позволит отказаться от избыточности конструкции АТС. Важно заметить, что предложенное решение по анализу состояния АД справедливо для интегрированного значения тока на всех обмотках в момент итерации измерений, акцент на этом факте делается, так как современные блоки защиты АКБ имеют несколько датчиков тока- для каждой выходной линии.

Интегрируя программируемый контроллер в состав блока защиты, можно судить по данным фиксируемым блоком защиты о техническом состоянии АД через анализ АЧХ.

На асинхронную машину переменного тока приходится более 90% значения тока потребляемого во вей электросети АТС, этот результат анализа работы АТС с АД в качестве силовой установки, указывает на невозможность наличия воздействия работы других потребителей на результаты анализа состояния АД. Искажение сигнала при одной линии питания для всех устройств от блока фиксируется в виде всплесков, при включении и отключении этих устройств, а алгоритмы контроллера, анализирующего состояние АД реагируют только на циклически повторяющиеся особенности графика АЧХ.

При исследовании выдвинутая выше гипотеза о невозможности влияния была подтверждена при особом рассмотрении прибора, работающего циклично – указатели поворота. Частота проблеска боковых огней, сигнализирующих о повороте АТС 1-1,5 Гц, а частота формирования различных артефактов, вызванных работой АД более 3 Гц, что однозначно указало на чистоту результатов работы предлагаемого устройства, при внедрении полосового фильтра частот в конструкцию.

Конструкция системы контроля. Анализируя различные требования к существующим электрическим машинам [6], работающим в качестве силовой установки АТС, сделан вывод – время безопасной работы установки, при наличии КЗ – 5 секунд. Для предлагаемого устройства — это значение говорит о том, что при потреблении тока в течении 5 секунд, 110% от номинального для АД, необходимо плавно снижать значения тока на фазах АД, посредством изменения параметров АКБ. Плавность снижения обусловлена особенностями эксплуатации АТС – движение в автопотоке, при котором резкое отключения двигателя вызывает аварийную ситуацию.

Сохранена функция полного отключения питания при КЗ, при ряде зафиксированных неисправностей АД – сочетание которых может вызвать пожар. Для оптимизации этой функции в состав устройства может быть введён датчик температуры и дыма (указывающего на быструю деградацию изоляции АД).

Для низкого уровня заряда и ряда некритичных изменений АЧХ АД система только сигнализирует о такой ситуации, не предпринимая мер по их устранению и/или предотвращению увеличения влияния.

Результат. Конструкция, реализующая весь описанный функционал, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема устройства, детектирующего неисправность электропривода и уровень заряда АКБ.

Структурная схема указывает на необходимость интегрирования в программируемый контроллер устройства таймеров и источника опорной частоты, связанного с частотой работы фаз АД. В роли источника опорной частоты выступает электронный блок управления АД на АТС.

Вывод. Доказана рациональность интеграции устройства анализирующего потребление тока АД в состав блока защиты АКБ от критического разряда. Предложенная конструкция проводит диагностику работы АД без использования дополнительных инструментов и не прибегая к остановке эксплуатации АТС.

Описаны алгоритмы работы устройства при детектировании неисправностей, с учётом особенностей эксплуатации АТС.

Список литературы:

1. Карамян О.Ю., Чебанов К.А., Соловьева Ж.А. электромобиль и перспективы его развития // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 12-4. – С. 693-696;
2. Сафин Н.Р., Прахт В.А., Дмитриевский В.А., Дмитриевский А.А., Казакбаев В.М. Диагностика неисправностей асинхронных двигателей на основе спектрального анализа токов статора // Энергобезопасности и энергосбережения – 2016. – № 3. – С. 34–39.
3. Емельянов А.П., Чуркин Б.А. Скалярное управление асинхронным короткозамкнутым двигателем по активной составляющей тока статора // Электромеханические системы. –2016. – 3(4). – С. 85-90.
4. Мугалимов Р.Г., Мугалимова А.Р., Калугин Ю.А., Одинцов К.Э. Методика диагностики и идентификации неисправностей обмоток асинхронного двигателя в режиме его функционирования // ЭС и К. - 2020. - №3 (40). – С. 85-91.
5. Петухов В.С., Соколов В.А. Диагностика состояния электродвигателей. Метод спектрального анализа потребляемого тока // Новости ЭлектроТехники. – 2005. – № 1(31). – С. 50–52.
6. Лавренов Евгений Олегович, Темлякова Зоя Савельевна, Темляков Антон Александрович. Оценка влияния межвиткового короткого замыкания на качество работы асинхронного двигателя // Доклады АН ВШ РФ. 2019. №1 (42).