Оптимальное управление тяговыми электроприводами

Е.М. ОВСЯННИКОВ
Т.Б. ГАЙТОВА
ОПТИМАЛЬНОЕ 
УПРАВЛЕНИЕ ТЯГОВЫМИ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
МОНОГРАФИЯ
Москва
ИНФРА-М
2022

УДК 621.3(075.4)
ББК 31.2
 
О34
Р е ц е н з е н т ы:
Ютт В.Е., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электротехники и электрооборудования Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета 
(МАДИ);
Карлов С.П., кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники Московского политехнического университета
Овсянников Е.М.
О34  
Оптимальное управление тяговыми электроприводами : монография / Е.М. Овсянников, Т.Б. Гайтова. — Москва : ИНФРА-М, 2022. — 
307 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/1141764.
ISBN 978-5-16-016422-9 (print)
ISBN 978-5-16-108717-6 (online)
В монографии рассмотрены различные типы тяговых электроприводов 
автотранспортных средств, предназначенных для эксплуатации в условиях 
города. Предложены математические модели указанных систем. На основании параметрической оптимизации и графоаналитического метода разработана методика совместного управления электроприводами по критериям минимума потерь и максимума перегрузочной способности с учетом 
возможных ограничений на ресурсы силовых элементов.
Для широкого круга читателей, интересующихся совершенствованием 
автотранспортных средств. Будет полезна студентам, аспирантам и преподавателям инженерно-технических вузов.
УДК 621.3(075.4)
ББК 31.2
Данная книга доступна в цветном исполнении 
в электронно-библиотечной системе Znanium.com
ISBN 978-5-16-016422-9 (print)
ISBN 978-5-16-108717-6 (online)
© Овсянников Е.М., Гайтова Т.Б., 
2021

ОГЛАВЛЕНИЕ
Список основных сокращений.............................................................................................6
Введение 
....................................................................................................................................7
Глава 1. Структуры тяговых систем автотранспортных средств 
с электроприводом 
.........................................................................................................9
1.1. Состояние и тенденции развития энергоустановок автотранспортных средств ......9
1.2. Структуры тяговых систем гибридных автомобилей 
................................................20
1.3. Структуры тяговых систем электромобиля с топливными элементами .................30
1.4. Принципы построения системы энергообеспечения автотранспортных средств 
с солнечной батареей.....................................................................................................37
1.5. Тяговые электроприводы автотранспортных средств: основные требования, 
элементные базы ............................................................................................................42
Глава 2. Основы построения тяговых систем городских автотранспортных 
средств с электроприводом 
........................................................................................50
2.1. Тягово-скоростные и динамические свойства городских автотранспортных 
средств 
.............................................................................................................................50
2.2. Методика определения рациональных характеристик силовых агрегатов 
городских автотранспортных средств с электроприводом .......................................66
2.3. Методика построения тяговой характеристики городских автотранспортных 
средств с электроприводом 
...........................................................................................74
2.4. Энергетический баланс автотранспортных средств ..................................................79
Глава 3. Релейный электропривод постоянного тока ..................................................84
3.1. Функциональная схема релейного электропривода постоянного тока ...................84
3.2. Структурная схема релейного электропривода 
..........................................................88
3.3. Аналитическое исследование релейного электропривода ........................................92
3.4. Электромагнитные процессы в релейном электроприводе.......................................99
3.5. Энергетика релейного электропривода и алгоритм управления им 
по минимуму потерь 
....................................................................................................105
Глава 4. Математическое моделирование тяговых электрических машин 
переменного тока .......................................................................................................110
4.1. Особенности преобразования систем координат при математическом 
моделировании электрических машин переменного тока ......................................110
3

4.2. Математические модели асинхронных электродвигателей в системе 
координат, вращающейся с произвольной скоростью ............................................116
4.3. Особенности применения математических моделей асинхронных 
электродвигателей для анализа электромагнитных, электромеханических 
процессов и построения систем управления электроприводом .............................121
4.4. Математическая модель тяговых асинхронных двигателей с учетом потерь 
в стали ...........................................................................................................................130
4.5. Математическое моделирование синхронных двигателей с постоянными 
магнитами .....................................................................................................................136
4.6. Математическое моделирование вентильно-индукторного электропривода 
........145
Глава 5. Рациональное управление тяговыми асинхронными 
электроприводами .....................................................................................................155
5.1. Подход к рациональному управлению тяговыми электроприводами ...................155
5.2. Аналитический алгоритм управления тяговым асинхронным электроприводом 
по минимуму потерь 
....................................................................................................161
5.3. Аналитический алгоритм управления тяговым асинхронным электроприводом 
по максимуму перегрузочной способности ..............................................................166
5.4. Формирование управляющих воздействий тягового асинхронного двигателя 
при совместном управлении по минимуму потерь и максимуму 
перегрузочной способности 
........................................................................................171
5.5. Адаптивная идентификация параметров тяговых асинхронных 
электродвигателей в реальном масштабе времени ..................................................174
5.6. Структуры систем управления тяговыми асинхронными двигателями 
по минимуму потерь и максимуму перегрузочной способности 
...........................183
5.7. Синтез систем управления тяговыми асинхронными электродвигателями 
в скользящих режимах ................................................................................................195
Глава 6. Рациональное управление тяговыми вентильными 
электроприводами .....................................................................................................208
6.1. Алгоритмы управления неявнополюсными синхронными машинами 
с постоянными магнитами по минимуму потерь и максимуму момента .............208
6.2. Алгоритмы управления явнополюсными синхронными машинами 
с постоянными магнитами по минимуму потерь и максимуму момента .............217
6.3. Адаптивная идентификация параметров синхронных машин с постоянными 
магнитами в реальном масштабе времени 
................................................................230
6.4. Структуры систем управления тяговыми синхронными электродвигателями 
с постоянными магнитами по минимуму потерь и максимуму перегрузочной 
способности ..................................................................................................................231
6.5. Синтез регуляторов токов и скорости вентильно-индукторного привода 
............238
4

Глава 7. Математическое моделирование элементов системы энергообеспечения 
автотранспортных средств с тяговым электроприводом .................................244
7.1. Математическое моделирование тяговых аккумуляторных батарей 
.....................244
7.2. Математическое моделирование электрохимических генераторов .......................255
7.3. Математическое моделирование солнечной батареи ..............................................273
Заключение ..........................................................................................................................294
Список использованной литературы .............................................................................299
5

 
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АБ – аккумуляторная батарея;
АТС – автотранспортное средство;
БВП – бортовой вентильный преобразователь;
БИЭ – бортовой источник энергии;
БНЭ – бортовой накопитель энергии;
ВАХ – вольтамперная характеристика;
ГА – гибридный автомобиль;
ГСУ – гибридная силовая установка;
ГЭУ – гибридная энергетическая установка;
ДВС – двигатель внутреннего сгорания;
ДВС-ГУ – ДВС-генераторная установка;
ДНВ – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением;
ДПТ – двигатель постоянного тока;
ЕНЭ – емкостный накопитель энергии;
ЗУ – зарядное устройство;
КПД – коэффициент полезного действия;
КПП – коробка переключения передач; 
КЭУ – комбинированная энергоустановка;
МНЭ – маховиковый накопитель энергии;
ППН – преобразователь постоянного напряжения;
РММ – регулятор максимальной мощности;
РР – релейный регулятор;
РУ – разрядное устройство;
РЭ – релейный элемент;
РЭП – релейный электропривод;
САЭО – система автономного энергообеспечения;
СБ – солнечная батарея;
СКА – свинцово-кислотный аккумулятор;
СМ – солнцемобиль;
СН – стабилизатор напряжения;
СТП – система тягового привода;
СЭ – солнечный элемент;
ТАБ – тяговая аккумуляторная батарея;
ТКБ – тяговая конденсаторная батарея;
ТЭ – топливный элемент;
ТЭД – тяговый электродвигатель;
ТЭП – тяговый электропривод;
ЭМ – электромобиль;
ЭМ с ТЭ – электромобиль с топливными элементами;
ЭХГ – электрохимический генератор.
6

ВВЕДЕНИЕ
Прогресс современной науки и техники неразрывно связан с применением 
электрической энергии в различных процессах и устройствах.
Электроприводные автотранспортные средства (АТС) занимают значительную часть в общем парке АТС ведущих стран мира. Это троллейбусы, электромобили, карьерные самосвалы, вездеходы, автопоезда и др. 
По сравнению с обычными АТС электроприводные имеют ряд достоинств: 
экологическая чистота; широкие возможности индивидуального управления 
скоростью и моментом каждого тягового электродвигателя (ТЭД), входящего в 
состав АТС, в зависимости от условий движения; оптимальные режимы работы 
источников энергии, что особенно важно для двигателей внутреннего сгорания 
(ДВС); отсутствие механической части трансмиссии в классическом виде. Передача энергии от источников к ведущим осям и колесам осуществляется по электрическим кабелям, что исключает потери энергии в механических передачах. 
Кроме того, это единственный способ передачи энергии во многих АТС, например, в составных автопоездах. 
Указанные достоинства, очевидно, обеспечат электроприводным АТС более 
широкое применение в мировой практике будущего. Наиболее перспективными 
представляются электромобили формулы: маломощный ДВС – накопитель энергии – ТЭД. В таком электромобиле ДВС постоянно работает в оптимальном режиме с максимальным КПД, с минимальным содержанием вредных веществ в 
выхлопных газах, для подзарядки накопителя энергии и частично – для питания 
ТЭД. Подобное решение позволяет «срезать» пиковые нагрузки ДВС, снизив тем 
самым установленную мощность ДВС до минимума. Выработанная ДВС энергия 
рассматривается в интеграле за время работы АТС, включая стоянки и, возможно, 
ночную парковку в открытом пространстве. При этом ДВС выключается автоматически от сигнала полностью заряженного накопителя энергии. 
Рассмотренные возможности позволяют электромобилю значительно потеснить обычный автомобиль с ДВС, особенно в условиях города, где важны 
вопросы экологии и есть время для зарядки накопителя энергии при стоянках на 
7

светофорах. Учитывая равнодушное отношение частных владельцев к экологии и 
значительную стоимость электромобиля, на данном этапе развития автомобилестроения следует предполагать государственные программы типа «Маршрутные 
такси» или «Городской автобус».
В предлагаемой книге рассмотрены различные типы тяговых электроприводов АТС, предназначенные для эксплуатации в условиях города. Значительное 
внимание уделено проблемам автоматического управления тяговым электроприводом, занимающего существенное место в устройстве и эксплуатации электроприводных АТС.  
8

ГЛАВА 1
СТРУКТУРЫ ТЯГОВЫХ СИСТЕМ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 
С ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
1.1. Состояние и тенденции развития энергоустановок автотранспортных 
средств
Бурное развитие автомобилестроения привело к экологическим проблемам, 
связанным с выбросами токсичных веществ, содержащихся в отработанных газах 
двигателей внутреннего сгорания. Ведущие автомобилестроительные фирмы 
мира вкладывают огромные средства в разработки по уменьшению токсичности 
отработанных газов и снижению расхода топлива ДВС. Намечены тенденции 
проведения работ по созданию ДВС нового поколения с камерами обедненного 
сгорания; использованию новых видов топлива (природного газа, метанола) для 
поршневых ДВС, улучшающих их экологические свойства; использованию водорода в качестве топлива для ДВС и т.д. [11, 62, 82].
Однако результаты от дальнейших работ по улучшению характеристик ДВС 
не позволяют полностью решить проблемы экономичности топлива и снижения 
отработанных токсичных газов в связи с нерациональным использованием ДВС 
на борту автомобиля.  
Как известно, при подборе мощности ДВС обычно исходят из необходимости обеспечить приемлемые тягово-динамические и скоростные характеристики 
транспортного средства. Для того чтобы, например, легковой автомобиль полной 
массой 1,2…1,5 т удовлетворял данным требованиям, на него устанавливают 
двигатель мощностью 50…70 кВт (70…100 лс). Но для равномерного движения 
с разрешенной в городе скоростью (60 км/ч) ему нужна мощность, не превышающая 6 кВт (8,4 лс), а со скоростью 100 км/ч – 18 кВт (25 лс). 
Особенности работы автомобильных ДВС порождают эти недостатки. 
В частности, мощность, развиваемая ДВС, зависит от частоты вращения его коленчатого вала, и, следовательно, от скорости движения автотранспортного средства. При малой частоте вращения эта мощность очень мала, а при работе на 
холостом ходу вовсе равна нулю, и лишь при больших частотах вращения ДВС
9

развивает максимальную мощность. Для города характерны малые средние скорости движения автомобиля, и значит, ДВС работает на малых и средних частотах 
вращения коленчатого вала. А такие режимы, как известно, неэкономичны и 
неэкологичны. Механические коробки передач в какой-то степени компенсируют 
этот недостаток. Однако даже при большом числе передач они не всегда в состоянии обеспечить полную загрузку ДВС, то есть его работу в режиме максимальной 
мощности. Существующие бесступенчатые коробки передач, которые позволяют 
ДВС работать постоянно на одних и тех же частотах и иметь постоянную заданную мощность, дороги и имеют низкий коэффициент полезного действия (КПД).
Далее, если рассмотреть движение АТС в городских условиях, то видна нерациональность использования энергии, вырабатываемой ДВС. При разгоне эта энергия расходуется на преодоление сил инерции, сил сопротивления качению, при
равномерном движении – сил сопротивления качению и сопротивления воздуха.
Движение накатом происходит за счет расходования кинетической энергии АТС.
При торможении сила трения в тормозах превращает кинетическую энергию в тепловую, которая безвозвратно теряется. На остановках выработанная энергия ДВС не 
используется. Из пяти фаз цикла движения АТС (разгона, установившегося движения, наката, торможения, остановки) лишь на двух первых энергия расходуется, в 
трех других она либо не используется, либо теряется. ДВС работает на протяжении 
всех циклов со значительно изменяющимся коэффициентом загрузки, что приводит 
к существенному увеличению удельного расхода топлива и вредных выбросов в 
отработавших газах. Вернее, здесь не была учтена энергия, расходованная на питание электрооборудования автомобиля, которая не изменяет вышеприведенную 
картинку использования энергии ДВС на борту автомобиля.
Таким образом, ясно, что применение мощных двигателей на автомобилях, 
эксплуатируемых в городе, где средние скорости движения невелики, крайне 
нерентабельно.
Отсюда появились
рациональные
пути
решения экологоэкономической проблемы автотранспорта:
– применение на автомобиле совместно с ДВС тягового электропривода
(ТЭП), питаемого от накопителей энергии различной физической природы;
10