Unmanned aerial vehicle for monitoring the AC contact network

Full Text

Введение

Безопасная и надежная эксплуатация электрифицированных железных дорог России, а их протяженность составляет 42,9 тыс. км (из них 25 тыс. км приходится на переменный ток), напрямую связана с постоянным мониторингом состояния контактной сети. С недавних пор для этого используют электрические беспилотные летательные аппараты (БЛА), в большинстве своем, мультикоптерного вида [1–3].

Однако, кроме достоинств, БЛА свойственны некоторые недостатки, например, недостаточное полетное время, что обусловлено относительно малой емкостью бортовой аккумуляторной батареи (БАБ), а, следовательно, приводит к необходимости прерывания операции мониторинга объекта.

Данную проблему можно решить разными способами, одним из которых является увеличение емкости БАБ, но данный способ не всегда приемлем, поскольку увеличение емкости приведет к увеличению ее массы, и, следовательно, самого летательного аппарата.

Другим решением является применение на БЛА воздушных винтов с изменяемым углом атаки лопастей, но данный способ требует специального оборудования для контроля ориентации лопастей, а также специальных конструкций винтов, что усложняет конструкцию летательного аппарата, понижает надежность и ухудшает массогабаритные показатели.

Расположение фотоэлектрических преобразователей на БЛА для подзаряда БАБ не в полной мере решает обозначенную проблему, т.к. этот способ может быть использован только в дневное время суток [4].

В настоящей работе описывается мультироторный БЛА, в котором подзаряд БАБ осуществляется во время полета аппарата вблизи запитанного переменным током контактного провода. Для подзаряда БАБ используется энергия внешнего магнитного поля, созданного тяговым током.

Описание конструкции БЛА с кольцевой катушкой

Новизна конструкции заключается в следующем – на борту БЛА установлена электрическая катушка с обмоткой (в частном случае кольцевой формы) для бесконтактного заряда БАБ во время полета БЛА за счет энергии магнитного поля, созданного токами, протекающими по контактной сети переменного тока [5, 6]. Следует отметить, что источником данного поля могут быть токи в проводах воздушной линии электропередачи.

В центре БЛА расположен несущий каркас 1 (Рис. 1), к которому прикреплены одними своими концами радиальные штанги 2. На других концах штанг 2 с помощью креплений 3 установлены электродвигатели 4 (например, AXI 2814/22, 037 или Racerstar Racing Edition 2306 2700 KV) с воздушными винтами 5. На шасси 6 установлена БАБ 7 (например, LiPo 4S 1500 mAh или 3500 mAh). Электродвигатели 4 через регулятор оборотов 9 запитываются от БАБ. На центральной части каркаса 1 (снизу) установлен гиростабилизированный подвес 11 с видеокамерой 8.

 

Рис. 1. БЛА: a) вид сбоку; b) вид сверху

Fig. 1. The UAV: a) side view; b) top view

 

На корпусах электродвигателей 4 своей внутренней поверхностью закреплено габаритное кольцо с кольцевой катушкой 12. Возможен вариант, когда эта катушка располагается ниже воздушных винтов, тогда подзаряд осуществляется за счет токов, протекающих по несущему тросу контактной подвески.

На борту БЛА расположены система обеспечения полета, система спутниковой навигации и система связи с наземной базой.

БЛА может эксплуатироваться как в «автономном» режиме, так и в «ручном».

В случае «автономного» режима полет БЛА происходит по программе, заложенной в бортовой компьютер, куда поступают также сигналы с блока спутниковой навигации.

Если полет БЛА выполняется в «ручном» режиме управление реализуется по командам с наземной базы и по сигналам блока спутниковой навигации.

И в первом, и во втором случае имеет место визуальный контроль за полетом БЛА с последующей передачей данных о полете на наземную базу управления.

При разряде БАБ БЛА сближается с запитанным контактным проводом. Сближение происходит до момента срабатывания датчика напряженности электромагнитного поля при 1 кВ/см, что составляет пробивную напряженность влажного воздуха и «зависает» или продолжает полет на фиксированном расстоянии от контактного провода.

Принцип подзаряда БАБ заключается в следующем: во время мониторинга объекта (контактной сети, путевого полотна и т.п.) БЛА выполняет полет по определенной траектории или «зависает» в непосредственной близости от контактного провода. Под действием переменного магнитного поля тягового тока в обмотке кольцевой катушки индуцируется электродвижущая сила (ЭДС), под действием которой в цепи, состоящей из обмотки кольцевой катушки, зарядного устройства и аккумуляторной батареи, начинает протекать электрический ток. Когда аккумуляторная батарея полностью зарядится, БАБ отключается от обмотки кольцевой катушки с помощью устройства управления зарядом.

Моделирование процесса подзаряда БАБ

С целью подтверждения возможности использования предложенного способа были проведены исследования данного процесса на примере подзаряда БАБ Phantom 4/4 Pro Intelligent Flight Battery 5870 mAh от контактной сети железнодорожного транспорта напряжением 27,5 кВ (50 Гц). Батарея обладает повышенной емкостью в 5870 мА∙ч и рабочим напряжением 15,2 В. Ей оборудуются квадрокоптеры типа Phantom 4 Pro+V2.0 [7].

Для этого была создана математическая модель в программе COMSOL Multiphysics® 6.0 с использованием метода конечных элементов.

В качестве программы для математического моделирования была выбрана программа для решения мультифизических задач – COMSOL Multiphysics® 6.0. Выбор именно этой программы обусловлен возможностью моделирования динамических режимов и расчетов в 3D.

На модели (Рис. 2) показаны сетка конечных элементов, контактный провод и обмотка кольцевой катушки. Расчет производился в воздушном пространстве, окружающем конструктивные элементы модели [8].

 

Рис. 2. Геометрия математической модели

Fig. 2. Geometry of the mathematical model

 

В качестве начальных данных выступали: предварительно рассчитанное число витков обмотки кольцевой катушки и амплитудное значение тока в контактном проводе.

Постановка задачи формулировалась с помощью системы уравнений электромагнитного поля.

Считалось, что кольцевая катушка осуществляет движение на определенном постоянном расстоянии от контактного провода. Также делалось предположение, что магнитного поля за пределами расчетной области нет (использовалось условие магнитной изоляции на границе расчетной области). Расположение обмотки кольцевой катушки задавалось с помощью области Сoil, а контактный провод – с помощью настройки типа катушки (coiltype) в виде линейного провода (linear). Сама катушка описывалась с помощью типа катушки (circular).

Для получения зарядного напряжения необходимой величины, число витков обмотки кольцевой катушки (3880 витков) находилось с учетом этого требования. При этом считалось, что обмотка совершает движение с постоянной продольной скоростью (v) на одном и том же удалении (h) от контактного провода.

Были приняты ниже перечисленные допущения:

1. плотность тягового тока постоянна по всему сечению контактного провода;
2. провод контактной сети имеет форму тонкого прямого цилиндра (схема «зиг-заг» не учитывается);
3. витки по поперечному сечению обмотки кольцевой катушки намотаны равномерно;
4. намагничивающая сила тягового тока не оказывает заметного влияния на результирующее магнитное поле;
5. влияние вихревых токов в электропроводящих крепежных элементах на величину наведенной в обмотке электродвижущей силы (ЭДС) – незначительно;
6. переходные процессы в контактной сети отсутствуют;
7. воздушные потоки и сила аэродинамического сопротивления не влияют на полет БЛА.

На первом этапе исследований рассматривался случай «зависания» БЛА относительно контактного провода, по которому протекал синусоидальный ток. Действующее значение тока определялось по рекомендациям, приведенным в [9], как среднестатистическое значение. Для магистрального участка контактной сети оно составило 300 А.

Расстояние от кольцевой катушки диаметром 0,8 м до контактного провода составляло 1 м.

Для расчета ЭДС, наведенной в обмотке кольцевой катушки, рассчитывалось потокосцепление магнитного потока поля тягового тока с данной обмоткой с помощью встроенной процедуры Comsol (был использован интерфейс Parametric Sweep). В результате было получено напряжение на ее выводах, равное 49,1 В.

На втором этапе рассматривался случай полета БЛА по прямолинейной траектории вдоль контактного провода с постоянной скоростью 2 м/с. Допущения 4) и 6), а также линейная постановка задачи позволили расчет ЭДС в движущейся обмотке выполнить для квазистационарного случая.

В начале для текущего значения времени с помощью метода конечных элементов рассчитывалось потокосцепление (Ψ) по специально созданной математической модели (Рис. 3). В данной модели были применены сочетания подвижных и деформируемых сеток. На рис. 3 области, которые подвергаются деформации в направлении оси x обозначены позициями 1 и 2, а недеформируемая область вокруг обмотки помечена – позицией 3. Области, которым свойственна деформация по оси y, пронумерованы как 4 и 5. Область вокруг контактного провода (она неподвижна и недеформирована) обозначена позицией 6.

 

Рис. 3. Математическая модель для расчета ЭДС при полете БЛА вдоль контактного провода

Fig. 3. The mathematical model for calculating the EMF when an UAV flies along the contact wire

 

С использованием алгоритмов численного дифференцирования рассчитывалась ЭДС по формуле:

$e=-\frac{d\Psi }{dt}$.

При полете БЛА наведенная в обмотке кольцевой катушки ЭДС содержит две компоненты: первая обусловлена переменным характером магнитного поля тока в контактном проводе, вторая возникает при движении БЛА с кольцевой катушкой относительно контактного провода.

Расчеты показали, что доля ЭДС, обусловленная движением БЛА, не превышает сотых долей вольта.

Для усиления влияния движения БЛА на величину индуктированной ЭДС было предложено выполнять полет по траектории, отличной от прямолинейной, на постоянной высоте полета. Рассматривалось два вида траекторий полета: вариант 1, траектория «синусоида», причем плоскость, в которой лежит траектория, находится снизу от контактного провода на постоянном расстоянии от него (Рис. 4а), а ось симметрии синусоиды совпадает с проекцией контактного провода на плоскость траектории; вариант 2, траектория «синусоида», сбоку от контактного провода на некотором расстоянии от него, причем траектория полета и контактный провод лежат в одной горизонтальной плоскости (Рис. 4b).

 

Рис. 4. Полетная траектория БЛА: а) под проводом, б) сбоку от провода: 1 – ось направления прямолинейного движения; 2 – контактный провод; 3 – обмотка кольцевой катушки; 4 – траектория полета

Fig. 4. The flight path of the UAV: a) under the wire, b) to the side of the wire: 1 is the axis of the direction of rectilinear motion; 2 is the contact wire; 3 is the winding of the annular coil; 4 is the flight path

 

Полетная траектория типа «синусоида» представлялась в виде сочетания прямолинейного движения вдоль контактного провода (ось x) с постоянной скоростью и колебаний относительно поперечной оси (ось y):

$dx=v\cdot t$,

где v – скорость движения, м/с; t – время, с;

$dy=A\cdot \sin \left(2\pi \frac{t}{T}\right)$,

где A – амплитуда поперечных перемещений обмотки БЛА; T – период этих колебаний, c (Рис. 4).

Для варианта 1 плоскость, в которой лежит траектория полета БЛА находилась ниже горизонтальной плоскости контактного провода на 0,5 м. исследовались случаи, когда обмотка совершала поперечные синусоидальные колебания с амплитудами, равными 0,25 м; 0,5 м; 0,75 м и 1 м [10].

В варианте 2 ось симметрии синусоидальной траектории на 1,6 метров отстояла от продольной оси контактного провода. Поперечные синусоидальные колебания обмотки имели амплитуду, равную 0,25 и 0,5 м, и период – 0,25 и 0,5 с.

Скоростям полета вдоль провода придавались значения: 2 м/с и 10 м/с.

Некоторые результаты расчета приведены на Рис. 5.

 

Рис. 5. Зависимость ЭДС в обмотке при движении вдоль контактного провода с переменным током частотой 50 Гц и действующим значением 300 А: кривая 1 – вариант 2; кривая 2 – вариант 1

Fig. 5. The dependence of the EMF across the winding when moving along the contact wire with an alternating current of 50 Hz and the effective value of 300 A: curve 1 – variant 2; curve 2 – variant 1

 

При полете БЛА по траектории варианта 2 значения наводимой ЭДС в обмотке кольцевой катушки достаточны для подзаряда БАБ [11–16].

Результаты расчетов показали сильную зависимость величины наведенной ЭДС обмотки от параметров переменного магнитного поля, созданного тяговым током, и незначительную – от скорости полета аппарата [10].

Заключение и выводы

1. Наибольшие значения ЭДС, наводимой в обмотке кольцевой катушки, наблюдаются при полете БЛА сбоку от контактного провода с переменным тяговым током по траектории «синусоида».
2. Амплитуда наводимой ЭДС в первую очередь зависит от амплитуды и частоты магнитного поля, созданного тяговым током, а параметры полета БЛА не оказывают существенного влияния на величину ЭДС.

Благодарности

Исследования, описанные в статье, выполнялась в рамках научного проекта № 24-29-00159 гранта, предоставленного Российским Научным Фондом на 2024–2025 гг. по результатам конкурса 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Авторы заявляют что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Konstantin K. Kim

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: kimkk@inbox.ru
ORCID iD: 0000-0001-7282-4429
SPIN-code: 3278-4938

Doctor of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Elena B. Koroleva

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: elzazybina@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-1804-6982
SPIN-code: 5664-6112

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Peter K. Rybin

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: rybin@pgups.ru
ORCID iD: 0000-0001-7396-2954
SPIN-code: 6592-1064

Candidate of Technical Sciences, Professor

Russian Federation, St. Petersburg

Olga A. Stepanskaya

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: step_step@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2993-2261
SPIN-code: 5918-7823

Candidate of Technical Sciences

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files